TALLER DE TECNOLOGÍA ELECTRICA – MODULO I.

TEMA 1
INTRODUCCIÓN A LA ELECTRICIDAD

1. ¿Qué es la electricidad?
   Cuando nace o se descubre la electricidad se pensaba que era un “fluido” que podía tener cargas positivas (+) o cargas negativas (-). Actualmente se considera que esta es producida por la reacción1 de partículas muy pequeñas llamadas electrones y protones.
2. ¿Qué es la materia?
   Antes de entrar en la carga eléctrica necesitas saber en primer lugar que la materia es absolutamente todo lo que se puede ver, tocar o usar. O sea, todo lo que tenga peso y ocupe espacio.
   Por otra parte tenemos los elementos que son los materiales básicos de los que está compuesta la materia (p.e. oxígeno, hidrogeno, cobre, plata, oro, mercurio).
3. Moléculas y átomos.
    La molécula: es la partícula más pequeña en la que puede dividirse un material antes de descomponerse en sus elementos.
    El átomo: en este caso hablamos de la partícula más pequeña en la que puede descomponerse un material. Por tanto si descompusiéramos la materia hasta su mínima expresión, obtendríamos átomos de sus compuestos.

Por ejemplo:
Si tuviéramos una gota de agua y comenzamos a dividirla por la mitad muchas veces seguiríamos obteniendo “moléculas de agua”, justo antes del momento de obtener la separación de sus elementos.
Una vez conseguido esto tendríamos:
Un (1) átomo de oxigeno (O).
Dos (2) átomos de hidrogeno (H).
Elementos que conforman el H2O.

1. Estructura del átomo.
   Siempre que se siga dividiendo el átomo, el elemento que representa dejaría de existir para darle paso a partículas más pequeñas que el átomo y estas partículas que quedan son las que están en TODOS LOS ÁTOMOS DE LOS DIFERENTES ELEMENTOS. Es así que observamos que un elemento difiere de otro solo por la cantidad de partículas sub atómicas que cada uno posee.
2. ¿Cómo está conformado un átomo?
   Entrando en materia y para el estudio de la electricidad se entiende que un átomo está compuesto por tres (3) tipos de partículas sub atómicas: protones, neutrones y electrones. En todo caso los neutrones y los protones se encuentran en el núcleo del átomo, y los electrones giran alrededor de este en órbita:

Y es así de hecho como se forman los elementos, pues es el número de protones que posee el núcleo lo que determina el elemento.
Por ejemplo:
Oxigeno: 8 Plata: 47
Carbón 6 Oro: 79
Cobre: 29 Hidrogeno: 1
En el caso de un átomo los neutrones y para efectos de estudio, a pesar de ser una partícula propia, no es más que la unión de un electrón y un protón, lo cual causa la anulación de sus cargas.

1. Ley de Cargas.
   Antes de entrar en dicha teoría observa la siguiente figura:

Principales Características.
 Protón:
o Muy pesado, por tanto no se puede mover del núcleo.
o Sus fuerzas parten radialmente en todas direcciones.  Electrón:
o Por ser más liviano es más fácil de moverse de su átomo.
o Las líneas de fuerza llegan de todas partes.

En primer lugar se debe conocer que la carga de un protón y la de un electrón son iguales, pero opuestas. Estas cargas son llamadas “electrostáticas” y las líneas de fuerza que producen se les llaman “campos electrostáticos”, debido a la forma en que actúan estos campos dichas partículas pueden atraerse o repelerse entre sí. Por tanto la ley de cargas establece que partículas de igual carga se repelen y de distinta se atraen:

1. Un PROTON (+) repele a otro PROTON (+)
2. Un ELECTRON (-) repele a otro ELECTRON (-)
3. Un PROTON (+) atrae a un ELECTRON (-)
   Como se explica, a pesar de haber varios protones en un núcleo son incapaces de sacarse entre sí pues la fuerza que ejercen no es más grande que el peso que poseen dichos protones.
4. ¿Cómo se produce la electricidad?
   La manera más habitual de producir electricidad se basa en transformar la energía contenida en la energía primaria en energía mecánica a través de diferentes procesos para poder, con ayuda de un generador, convertir esta energía en electricidad.
    Por fricción: Una carga eléctrica se produce cuando se frotan uno con otros dos pedazos de ciertos materiales; por ejemplo, se da y una varilla de vidrio, o cuando se peina el cabello. Estas cargas reciben el nombre de electricidad estática, la cual se produce cuando un material transfiere sus electrones a otro.
    Por reacción química: Una reacción química que produce electricidad, es la que se realiza en las pilas voltaicas, 2 electrodos de diferente metal con diferente potencial eléctrico, en una mezcla electrolítica, producen electricidad, hasta que uno de los metales se agota.
    Por presión: El choque de dos elementos genera energía. Uno de los procesos para producir energía es mediante la presión o golpe entre dos elementos. Si raspamos un metal contra un objeto saltan chispas o sea: hay una manifestación de energía. Si golpeamos un clavo también ocurre lo mismo. A su vez, si queremos chispas más grandes las podemos encontrar en dos piezocerámicos al golpearse (como en el caso del encendedor de cigarrillos).
    Por calor: La unión de dos elementos por soldadura o remache proporciona electricidad al calentarse. Un modo de obtener energía es mediante la producción de calor. Si calentamos la unión de dos metales remachados, soldados o atornillados los extremos libres manifestaran carga eléctrica. Estos metales distintos soldados se conocen con el nombre de termocuplas y sirven para las válvulas de seguridad de estufas, cocinas y calefones a gas.
    Por luz: La incidencia de luz genera energía. Un modo de obtener energía es mediante la aplicación de luz en una célula fotoeléctrica. La célula fotoeléctrica es un aparato consistente en un circuito, en el cual va intercalada una superficie de metal alcalino montada de manera especial, que es capaz de generar (como su nombre lo indica) electricidad en presencia de luz.
    Por magnetismo: Los conductores generan en ellos mismos una corriente al moverse en un campo magnético. Uno de los procesos para producir energía es mediante el movimiento de un imán frente a un bobinado de cobre, o bien por el movimiento de un bobinado frente a un campo magnético. Una máquina destinada a transformar la energía mecánica en eléctrica es el dinamo. Da lugar a una corriente unidireccional y está basada en la propiedad enunciada precedentemente.

Ahora bien tomando en cuenta la forma natural en que se produce la electricidad, el ser humano aprovecha estas propiedades para producirla a gran escala para su consumo a través (principalmente) de centrales de generación accionadas por distintos medios tales como:
 Central de carbón, gasóleo y gas natural: este tipo de centrales obtienen la electricidad mediante la combustión de combustibles fósiles. El calor generado calienta agua a alta presión que mueve una turbina que está conectada a un generador eléctrico donde se obtiene la electricidad.
 Central de ciclo combinado de gas natural: es una instalación similar a la anterior, pero de mayor eficiencia ya que posee dos circuitos conectados a un generador. Uno de ellos, sigue el mismo funcionamiento explicado en el punto anterior, y el otro se trata de un ciclo agua-vapor que emplea el calor remanente de los gases de la combustión.
 Central nuclear: es un tipo de central en la que el agua se calienta a alta presión mediante el calor liberado en la fisión nuclear. Ese vapor a presión, al igual que los casos anteriores, moverá una turbina conectada a un generador eléctrico.
 Central de biomasa: estas instalaciones tienen el mismo funcionamiento que las centrales de combustibles fósiles. La diferencia fundamental esta en el tipo de combustible empleado. Estas centrales usan biomasa, un combustible de origen renovable.

 Central hidráulica: este tipo de instalaciones suele estar situada en embalses donde se acumula el agua. La electricidad se obtiene mediante el giro de las turbinas, conectadas a un generador, que se mueven mediante el agua almacenada que cae desde gran altura.
 Parque eólico: estas centrales están formadas por aerogeneradores. Estos molinos eólicos poseen unas aspas, que sería equivalente a las turbinas de las otras centrales, y un generador. La electricidad se genera orientando las palas al viento para que éste las mueva.
 Huerto solar: es el nombre que recibe las centrales que generan la electricidad a partir de la radiación solar. Este caso es el único que no emplea la energía mecánica, sino que genera la electricidad a través de una serie de reacciones químicas que se producen en los paneles solares.
 Central geotérmica: emplea el calor del interior de la tierra para calentar agua a alta temperatura y presión, la cual se encarga de mover una serie de turbinas conectadas a un generador. Estas centrales se instalan en zonas donde el suelo alcanza altas temperaturas a bajas profundidades.
 Central mare motriz: estas instalaciones están todavía investigación para mejorar su eficiencia, aunque existen ya algunas situadas en océanos con grandes mareas como el océano Atlántico. El funcionamiento se basa en utilizar las corrientes de las mareas para movilizar una turbina conectada a un generador.

1. Conductores, Aislantes y Semiconductores.
   a. Conductores.
   Los conductores son materiales (generalmente metales), cuya estructura electrónica les permite conducir la corriente eléctrica a bajas temperaturas o a temperatura ambiente o lo que es lo mismo su resistencia al paso de la corriente eléctrica es muy bajo. Esto como se explicó con anterioridad es debido a la facilidad con la que dichos materiales desprenden y toman electrones en sus elementos.

b. Aislantes.
Este tipo de material presenta la propiedad de poseer una resistencia tan alta que no es posible la conducción eléctrica a través de ellos. Por la dificultad que representa el movimiento de electrones de valencia en su última orbita.

c. Semiconductores.
Este caso es particular pues en esencia son elementos que en condiciones normales se comportan como aislantes, pero al ser expuestos a campos eléctricos externos o a altas temperaturas su comportamiento cambia al de conductores. Estos elementos son conocidos como intrínsecos y en ellos la banda de conducción y valencia se encuentra separada por una barrera de energía (prohibitiva) que los hace conductores de aproximadamente 1 voltio. Dentro de los semiconductores más usados están: Silicio (1.1V), Germanio (0.7V).
Los métodos más usados para mejorar (o inducir) su conductividad son:
 Elevación de su temperatura.
 Introducción de impurezas (dopaje) dentro de su estructura cristalina.
 Incrementando la iluminación.

1. Variables que rigen la electricidad.
   a. Fuerza electromotriz (Voltaje, tensión):
   Habiendo hablado de cargas eléctricas, es de mencionar que el número de electrones que se pierden o ganan durante el movimiento de la corriente es sumamente grande se usa una unidad llamada Coulomb para indicar a dicha carga. Su relación viene dada por 6,28x1018 electrones por cada Coulomb. O lo que es lo mismo, 6.280.000.000.000.000.000 electrones por Coulomb. Cuando hay un diferencial de potencia entre dos cargas, se produce una fuerza eléctrica resultante llamada fuerza electromotriz (fem).
   En este caso cuando se produce el paso de 1 coulomb de corriente para producir 1 Joule de trabajo, se genera una fem de 1 voltio
   Su unidad de medida es (V).
   1 coulomb = 6,28x1018 electrones
   1 volt/fem = 1 coulomb generando 1 joule de trabajo
   1 micro voltio = 1/1.000.000 voltio
   1 mili voltio = 1/1.000 voltio
   1 kilovoltio = 1.000 voltios
   1 mega voltio = 1.000.000 voltios
   b. Corriente (Amperio):
   Se puede decir que la CORRIENTE ELÉCTRICA es el impulso de energía eléctrica que transmite un electrón a otro al cambiar de orbita.
   La unidad de medida para establecer la cantidad de electrones que pasa por un conductor dado, en un segundo es llamada ampere y su unidad de medida es (A).
   Partiendo de la explicación anterior si sabemos que 1 coulomb es 6,28x1018, si 1 coulomb pasa por un punto en 1 segundo, esto produce 1 amperio.
   1 amperio = 1 coulomb/segundo
   1 miliamperio = 1/1.000 amperio
   1 microamperio = 1/1.000.000 amperio
   Ahora bien, ya se habiendo entendido esto se puede decir con propiedad que deben cumplirse dos (2) condiciones para que haya flujo de corriente:
2. Cargas eléctricas para mover los electrones.
3. Un circuito completo por el que pueda fluir la corriente eléctrica.

PARA RECORDAR.
 Absolutamente todo lo que podemos ver, tocar, oler o sentir es materia.
 Toda la materia está compuesta de elementos que a su vez está constituida por átomos.
 Todos los átomos están compuestos por los mismos elementos, solo que en mayor o menor cantidad, según el elemento.
 La Ley de Cargas es la que influye en el principio de la generación de electricidad. Iguales cargas se repelen, distintas se atraen.
 La electricidad es producida cuando los electrones son expulsados por energía que hace que los mismos viajen de un átomo a otro.
 Existen varios tipos de producción de electricidad natural. Y además formas de generar electricidad a través de la transformación de energía de otros tipos en energía eléctrica.
 Los elementos conductores son los que poseen menos electrones en su banda de valencia lo que los hace poder desprenderse de sus electrones y conducir electricidad en condiciones y temperaturas normales.
 Los elementos aislantes poseen muchos electrones en su banda de valencia lo que hace más difícil el desprendimiento de electrones de un elemento a otro por lo que no conducen electricidad.
 Los semiconductores son elementos capaces de conducir electricidad bajo ciertas circunstancias (aumento de temperatura o aplicación de energía externa). Los electrones en su banda de valencia es mayor a los conductores, pero menor que los aislantes.
 Cuando hay una diferencia de potencial entre dos puntos de un circuito a esta se le conoce como voltaje, se expresa en V y su unidad de medida es voltios.
 El símbolo usado para expresar la corriente es la A y su unidad de medida es amperios.
 Es necesario que existan cargas eléctricas para que los electrones sean movidos en un sentido y así generar corriente eléctrica.
 Es necesario tener un circuito cerrado para que se exista circulación de corriente o electricidad.

DESARROLLA EL TEMA.

1. ¿Qué sucede durante la reacción de las partículas que forman el átomo?
2. ¿Cuáles son las partículas de las que están compuestos los átomos? Defina la cualidad de cada uno de ellos.
3. ¿Cuáles son los elementos con mejores propiedades conductoras y por qué?
4. ¿Cuáles son los elementos con mejores propiedades semiconductoras y por qué?
5. ¿Cuánto voltaje necesita el Germanio y el Silicio para comenzar a conducir electricidad?
6. ¿Qué es un circuito eléctrico?
7. ¿Cómo se relacionan el voltaje y la corriente en un circuito?
8. ¿Explica de que se trata la Ley de Ohm?
    
   BIBLIOGRAFIA.
   En textos:
   Farrera, Luis. Conductores, semiconductores y aislantes.
   Garrigos, José. Introducción a la Electricidad. (2011).

En línea:
http://cursodeelectricidadyelectronica.blogspot.com/2012/03/6-como-se-produce-la-electricidad.html
http://ciencia.redguia.com/2011/formas-de-producir-electricidad/