Electrónica: conceptos, definiciones, leyes, teoremas

Energía eléctrica y calor

Si nosotros conectamos a un enchufe un radiador o una bombilla, estos elementos producen calor y luz respectivamente es decir, dos tipos de energía: energía calorífica yenergía luminosa.

Según el principio de conservación de la energía: la energía ni se crea ni se destruye, se transforma.

El que la energía se transformequiere decir que para producir ese calor o esa luz tenía que existir otro tipo de energía, como lo que hemos suministrado a esos aparatos es una corriente eléctrica, podemos concluir que la energía consumida para producir esos efectos no es otra que la Energía eléctrica.

El calor producido a expensas de la energía eléctrica se debe al efecto térmico de la corriente eléctrica.

Este efecto térmico se debe a que en el interior del conductor los átomos no están inmóviles sino que vibran rápida y continuamente alrededor de las posiciones que ocuparían si estuvieran en reposo.

De las vibraciones de los átomos depende la temperatura del cuerpo: a más amplia vibración mayor temperatura.

Cuando a un conductor lo sometemos al paso de una corriente eléctrica, el rápido paso de los electrones por sus proximidades altera la vibración de los átomos provocando un aumentode la amplitud de la misma. Al aumentar la amplitud, como dijimos al principio, aumenta su temperatura.

Consideremos ahora el caso de una estufa que tiene dos resistencias iguales dispuestas en serie, a esta estufa le aplicamos una tensión continua de 90V.

En los extremos de las resistencias (puntos C y E) la tensión es la de la batería ya que los conductores tienen una resistencia despreciable.

En los extremos de cada resistencia la tensión es la mitad de la aplicada alcircuito ya que las dos resistencias son iguales.

También, al ser iguales las resistencias, podemos concluir que el calor que va a proporcionar cada una de ellas es la mitad del calor que nos va a entregar la estufa, es decir: cada una de las resistencias consume la mitad de la energía.

Si consideramos, para simplificar, el caso de una sola carga eléctrica, podemos decir que cada una de las resistencias consume la mitad de la energía que contiene la carga que las atraviesa, por lo tanto antes de pasar la resistencia R1 la carga posee toda la energía (punto C del circuito); por otro lado en este momento su potencial es 90V superior al que va a tener después de atravesar las dos resistencias (punto E del circuito).

Una vez que la carga ha atravesado la 1ª resistencia (punto D), la carga ha perdido la mitad de su energía que la ha destinado a la producción de calor en esta resistencia. Pero en este punto la carga tiene todavía un potencial que es 45 voltios mayor que el que va a tener después de atravesar la segunda resistencia (punto E).

Atravesadas las dos resistencias la carga ha cedido toda su energía y su potencial es de 0 Voltios.

De estas experiencias concluimos que el potencial eléctrico indica la energía poseída por una sola carga puesto que se altera al cambiar dicha energía. Si queremos averiguar que energía se consume para producir calor nos bastará con sacar la diferencia entre los potenciales que tenía la carga antes y después de dicha resistencia.

Esta diferencia de potencial (de aquí lo de d.d.p.) no es otra que la tensión presente en los extremos de la resistencia por lo que podemos deducir que la tensión en extremos de una resistencia indica la energía de una sola carga que ha sido consumida para producir calor

La energía que posee la carga eléctrica que estamos considerandose la suministra la batería por lo que podemos concluir que la tensión de una pila o batería indica la energía que dicho generador es capaz de suministrar a cada carga eléctrica.

Lo considerado hasta ahora para una sola carga eléctrica es aplicable al resto de las cargas por lo que si queremos saber la energía total consumida nos bastará con multiplicar la tensión aplicada por labatería por el número de cargas, o sea, por la cantidad de electricidad que ha atravesado laresistencia durante el tiempo de funcionamiento (intensidad).

Esta energía calculada representa la POTENCIA ELÉCTRICA que definimos como: la energía que consume un aparato en un segundo.

Esta potencia se obtiene multiplicando la tensión aplicada por la corriente que lo atraviesa, como dijimos antes:

La unidad de medida de la potencia es el VATIO que es igual a 1 voltio por un amperio.

La energía consumida por un aparato eléctrico que se mantiene funcionando un tiempo determinado se obtiene multiplicando su potencia (expresada en vatios) por el tiempo (expresado en segundos). La energía se mide en JULIOS, es decir, en vatios por segundo; industrial y domésticamente se utiliza, para la medida de la energía, el vatio*hora y el kilovatio*hora

tro método de producir electricidad es mediante calor aplicado a la unión o junta de dos metales distintos (par térmico), por ejemplo cobre y hierro.

Este fenómeno se puede demostrar retorciendo entres si dos hilos, uno de cobre y otro de hierro, y calentando esta unión. Si se conecta un voltímetro entre los extremos fríos indicará que la corriente fluye a través de los dos hilos.

La corriente suministrada por un par térmico es muy pequeña, pero resulta práctica para su uso en dispositivos sensores de temperatura de precisión.

Características del par térmico

Cuando un hilo de metal, tal como el cobre, se calienta por un extremo, los electrones tienden a moverse desde el lado caliente hacia el más frío. Esto sucede en la mayoría de los metales. Sin embargo, en algunos, tales como el hierro, sucede lo contrario, es decir, los electrones tienden a moverse del lado frío al más caliente.

A una unión de este tipo se le denomina par térmico, termopar o termocupla, y puede producir electricidad tanto tiempo como se le esté aplicando calor. Aunque dos hilos trenzados forman un par térmico, es mucho más eficiente uno construido con dos piezas de metal remachadas o embutidas una en la otra.

Calentando las uniones de dos metales distintos se produce una fuerza electromotriz entre sus extremos fríos

Los pares térmicos tienen más capacidad de producción de energía que los cristales, pero es todavía muy pequeña si se la compara con la que aportan otras fuentes de energía. El voltaje termoeléctrico depende, principalmente, de la diferencia de temperatura entre la junta y los extremos opuestos de los dos hilos; a mayor diferencia de temperatura mayor será el voltaje obtenido.

Aplicaciones del par térmico

Los pares térmicos son ampliamente utilizados para medir temperaturas, y como sensores en el control automático de temperatura de los equipos electrónicos. El controlador de temperatura del motor de un coche es un ejemplo del uso práctico del par térmico.

Generalmente se usan pares térmicos para medir temperaturas cuando son muy altas, y en donde son inviables los termómetros ordinarios de mercurio o alcohol. Otro ejemplo de empleo del par térmico son los termómetros electrónicos para medir la temperatura corporal, o los utilizados en la cocina profesional.

Leyes electrostáticas

n el artículo anterior hemos comprobado cómo los cuerpos cargados actúan unos sobre otros con una fuerza de atracción, si están cargados de forma opuesta, y de repulsión si lo están en la misma forma, permitiendo enunciar que los cuerpos con distinta carga se atraen y con igual carga se repelen.

Charles Augustin Coulomb (1736-1806)

El físico francés Coulomb estableció por experimentación ciertos factores que pueden utilizarse como base para determinar la fuerza que existe entre dos cuerpos cargados eléctricamente.

Ley de fuerza de Coulomb

El principio fundamental establecido por las experiencias de Coulomb se conoce con el nombre de Ley de Fuerza. Esta ley puede enunciarse de la forma siguiente:

"La fuerza con la que dos cargas eléctricas se atraen o repelen, es proporcional a la magnitud de dichas cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa."

Matemáticamente la Ley de Coulomb puede expresarse:

O bien:

 
La fuerza con la que se atraen o repelen dos cuerpos cargados es directamente proporcional al producto de las cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa

De esta ley se deduce que cuanto mayor sea la carga de los cuerpos, mayor será la fuerza de atracción o de repulsión, disminuyendo la fuerza cuanto mayor sea la distancia.

Cantidad de carga eléctrica

Contando el número de electrones que se desprenden o se depositan en un cuerpo podríamos medir su cantidad de electricidad, sin embargo, la carga de un electrón es tan pequeña que no resulta práctica. Por ello, para medir la carga eléctrica se utiliza como unidad el coulomb o culombio (q), que es igual a 6,28 x 10¹⁸ billones la de un electrón, es decir, a la cantidad de electricidad que tienen casi 6,3 trillones de electrones.