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ELECTRÓNICA BÁSICA Conceptos de Electrónica Básica Definición de electricidad La electricidad es un fenómeno físico-químico, que integra la estructura molecular de un cuerpo y generalmente se manifiesta a través de un flujo de electrones. Un átomo normal tiene las mismas cantidades de carga eléctrica positiva y negativa;y se dice que es eléctricamente neutro. La carga positiva se encuentra localizada en el núcleo y la carga negativa es transportada por los electrones del átomo y por ende se encuentra totalmente equilibrada. Si un cuerpo contiene un exceso de electrones quedará cargado negativamente. En caso contrario, con la ausencia de electrones, un cuerpo queda cargado positivamente. La corriente eléctrica tiene dos características: la primera es que produce calor y la segunda magnetismo. Cuando el flujo de corriente pasa a través de cables angostos, el excedente de corriente eléctrica que no pudo ser conducida se disipa en calor. Así mismo un flujo de corriente que pasa alrededor de una pieza de metal produce magnetismo. Tipos de electricidad Existen dos tipos de electricidad conocida hasta ahora: La corriente directa (DC) también conocida como corriente continua (CC). El flujo de electrones no cambia de sentido de negativo a positivo y su intensidad es sensiblemente constante. La corriente alterna (AC), conocida por sus siglas en español como CA. Se tienen cambios o alteraciones del sentido del flujo de electrones cada periodo determinado de tiempo, dichos cambios son medidos en ciclos por segundo o Hertz. Cualidades eléctricas El movimiento de los electrones constituye la corriente eléctrica o intensidad y su unidad de medida es el amperio (A). Se denomina resistencia eléctrica a la oposición que encuentra la corriente eléctrica durante su recorrido, y su unidad de medida es el ohm (Ω). Se le denomina voltaje a la tensión que ejerce una fuente de suministro de energía eléctrica sobre los electrones en un circuito eléctrico cerrado, con el fin de que se establezca el flujo de una corriente eléctrica, su unidad de medida es el voltio (V). A la potencia se le conoce como la velocidad con la cual es desarrollado un trabajo (cantidad de energía transferida y consumida) y se mide en vatios (W). La capacitancia o capacidad de un elemento o dispositivo es su posibilidad para almacenar carga eléctrica en sus placas. La inductancia de una bobina es la posibilidad de almacenar energía en forma de campo magnético. Tierra La tierra es un sistema de seguridad en el manejo de la electricidad, ya que absorbe y disipa las descargas eléctricas de tipo atmosférico y las fugas eléctricas en la vivienda, también ayuda a disminuir o cancelar ruidos. El mal manejo de la Tierra puede causar accidentes graves e incluso la muerte. Instrumentos de Medición Eléctrica Los instrumentos de medición eléctrica son utilizados para revisar variaciones del flujo de electrones, se clasifican con base en el tipo de corriente de la cual hacen uso. Si se maneja corriente continua se deberá utilizar un instrumento de bobina móvil y si es corriente alterna, se deberá usar uno electromagnético. Es importante señalar que un instrumento de corriente continua puede medir corriente alterna rectificando previamente la corriente. Además todo instrumento deberá ser inicialmente ajustado en cero. Existe una gran cantidad de dispositivos de medición de corriente eléctrica, pero los tres principales son Amperímetro Mide la intensidad de la corriente eléctrica. La unidad de medida es el amperio. La utilidad más importante es conocer la cantidad de corriente que circula por un conductor en todo momento, detectando alzas y bajas repentinas durante el funcionamiento. Voltímetro Midela tensión de una corriente eléctrica. Su unidad de medición es el voltio. La utilidad que se le da al voltímetro es poder conocer en todo momento la tensión de una fuente o de una parte de un circuito, detectando alzas y bajas de tensión. Óhmetro Mide el valor de la resistencia de un conductor. Su unidad básica de medición es el ohm. La utilidad principal consiste en conocer el valor de una resistencia desconocida y de esta forma, medir la continuidad de un conductor y detectar averías en circuitos desconocidos. Circuitos Integrados Un circuito integrado o chip es una pastilla muy delgada en la que se encuentran miles o millones de dispositivos micro-electrónicos interconectados. Dos de las ventajas principales que presentan los circuitos integrados son: su bajo costo y alto rendimiento; esto debido a que los chips y sus componentes se imprimen en una sola pieza a través de fotolitografía y no transistor por transistor. En cuanto a las funciones integradas, los circuitos se clasifican en dos grandes grupos: Los circuitos integrados analógicos. Suelen ser desde simples transistores encapsulados juntos, sin unión entre ellos, o hasta dispositivos completos tales como amplificadores, osciladores o receptores de radio completos Los circuitos integrados digitales. Estos son diseñados y fabricados para cumplir una función específica dentro de un sistema. Su fabricación es compleja ya que tienen una alta integración de componentes en un espacio muy reducido permitiendo grandes simplificaciones con respecto los antiguos circuitos, además de un montaje más rápido. Glosario Amperímetro Instrumento que mide laintensidad de corriente que circula por un circuito eléctrico. Átomo Unidad de materia más pequeña imposible dividir mediante procesos químicos. Capacitancia Propiedad que tienen los cuerpos para mantener una carga eléctrica. Circuito Red eléctrica que contiene al menos una trayectoria cerrada. Circuito integrado Pastilla pequeña de material semiconductor, sobre la que se fabrican circuitos electrónicos, protegida dentro de un encapsulado de plástico o cerámica. Condensador eléctrico Dispositivo pasivo capaz de almacenar energía sustentando un campo eléctrico. Conductor eléctrico Material que ofrece poca resistencia al movimiento de carga eléctrica. Corriente alterna Corriente eléctrica en la que la magnitud y el sentido varían cíclicamente. Corriente continua Corriente eléctrica en la que la magnitud y el sentido se mantiene constante. Corriente eléctrica Flujo de electrones por unidad de tiempo que recorre un material. Diodo Componente electrónico que permite la circulación de la corriente eléctrica a través de él en un solo sentido Electricidad Conjunto de fenómenos físicos relacionados con la presencia y flujo de cargas eléctricas. Electrón Partícula subatómica con una carga eléctrica elementalnegativa. Fotolitografía Proceso que permite transferir un patrón desde una fotomáscara a la superficie de una oblea semiconductora para la creación de circuitos integrados. Inductancia Propiedad que tiene un cuerpo para mantener energía en forma de campo magnético. Neutro Cuerpo que tiene la misma cantidad de cargas positivas y negativas. Ohm Unidad de medida para la resistencia eléctrica que existe entre dos puntos de un circuito eléctrico. Óhmetro Instrumento que mide la resistencia eléctrica existente entre dos puntos de un circuito eléctrico Potencia eléctrica Es la relación de paso de energía de un flujo por unidad de tiempo. Resistencia eléctrica Oposición de un objeto al paso de corriente en un circuito eléctrico. Tierra Permite la desviación de corrientes de falta o de las descargas de tipo atmosférico, y consigue que no se pueda dar una diferencia de potencial peligrosa. Vatio Unidad de medida para la potencia eléctrica de una corriente eléctrica. Voltaje Es la diferencia del potencial eléctrico entre dos puntos de un circuito eléctrico. Voltímetro Instrumento que mide ladiferencia de potencial eléctrico entre dos puntos de un circuito eléctrico. Voltio Unidad de medida para la diferencia de potencial en un circuito eléctrico. Historia de la Electricidad Thales de Miletus (630−550 AC) fue el primero que conociera el hecho de que el ámbar, al ser frotado adquiere el poder de atracción sobre algunos objetos. Sin embargo fue el filósofo Griego Theophrastus (374−287 AC) el primero, que en un tratado escrito tres siglos después, estableció que otras sustancias tienen este mismo poder, dejando así constancia del primer estudio científico sobre la electricidad. En 1600, la Reina Elizabeth I ordena al Físico Real Willian Gilbert (1544−1603) estudiar los imanes para mejorar la exactitud de las Brújulas usadas en la navegación, siendo éste trabajo la base principal para la definición de los fundamentos de la electrostática y magnetismo.Gilbert fue el primero en aplicar el término electricidad del Griego "elektron" = ámbar. Gilbert es la unidad de medida de la fuerza magnetomotriz. En 1752, Benjamín Franklin (1706−1790) demostró la naturaleza eléctrica de los rayos. Desarrolló la teoría de que la electricidad es un fluido que existe en la materia y su flujo se debe al exceso o defecto del mismo en ella. Invento el pararrayos. En 1776, Charles Agustín de Coulomb (1736−1806) inventó la balanza de torsión con la cual, midió conexactitud la fuerza entre las cargas eléctricas y corroboró que dicha fuerza era proporcional al producto de las cargas individuales e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa. Coulomb es la unidad de medida de carga eléctrica. El físico italiano Luigi Galvani (1737−1798) propuso la teoría de la Electricidad Animal, lo cual contrarió a Volta, quien creía que las contracciones musculares eran el resultado del contacto de los dos metales con el músculo. Sus investigaciones posteriores le permitieron elaborar una celda química capaz de producir corriente continua, fue así como desarrollo la Pila. En 1800, Alejandro Volta (1745−1827) construye la primera celda electrostática y la batería capaz de producir corriente eléctrica. Su inspiración le vino del estudio realizado por Galvani. Volt es la unidad de medida del potencial eléctrico (Tensión). Entre 1801 y 1815, Sir Humphry Davy (1778−1829) desarrolla la electroquímica, nombre asignado por él mismo, explorando el uso de la pila o batería de Volta, y tratando de entender como ésta funciona. En 1801 observa el arco eléctrico y la incandescencia en un conductor energizado con una batería. Entre 1806 y 1808 publica el resultado de sus investigaciones sobre la electrólisis, donde logra la separación del Magnesio, Bario, Estroncio, Calcio, Sodio, Potasio y Boro. En 1807 fabrica una pila con más de 2000 placas doble, con la cual descubre el Cloro y demuestra que es un elemento, en vez de un ácido. En 1815 inventa la lámpara de seguridad para los mineros.Sin ningún lugar a duda, el descubrimiento más importante lo realiza ese mismo año, cuando descubre al joven Michael Faraday y lo toma como asistente. En 1819, El científico Danés Hans Christian Oersted (1777−1851) descubre el electromagnetismo, cuando en un experimento para sus estudiantes, la aguja de la brújula colocada accidentalmente cerca de un cable energizado por una pila voltaica, se movió. Este descubrimiento fue crucial en el desarrollo de la electricidad, ya que puso en evidencia la relación existente entre la electricidad y el magnetismo. Oersted es la unidad de medida de la reluctancia magnética. En 1823, Andre−Marie Ampere (1775−1836) establece los principios de la electrodinámica, cuando llega a la conclusión de que la fuerza electromotriz es producto de dos efectos: la tensión eléctrica y la corriente eléctrica. Experimenta con conductores, determinando que estos se atraen si las corrientes fluyen en la misma dirección, y se repelen cuando fluyen en contra. Ampere produce un excelente resultado matemático de los fenómenos estudiados por Oersted.Ampere es la unidad de medida de la corriente eléctrica. En 1826, el físico Alemán Georg Simon Ohm (1789−1854) fue quien formuló con exactitud la ley de las corrientes eléctricas, definiendo la relación exacta entre la tensión y la corriente. Desde entonces, esta ley se conoce como la ley de Ohm.Ohm es la unidad de medida de la resistencia eléctrica. En 1831, Michael Faraday (1791−1867) a los 14 años trabajaba como encuadernador, lo cual le permitió tener el tiempo necesario para leer y desarrollar su interés por la Física y Química. A pesar de su baja preparación formal, dio un paso fundamental en el desarrollo de la electricidad al establecer que el magnetismo produce electricidad a través del movimiento.Faradio es la unidad de medida de la capacitancia eléctrica.La tensión inducida en la bobina que se mueve en campo magnético no uniforme fue demostrada por Faraday. En 1835, Simule F.B. Morse (1791−1867), mientras regresaba de uno de sus viajes, concibe la idea de un simple circuito electromagnético para transmitir información.En 1835 construye el primer telégrafo. En 1837 se asocia con Henry y Vail con el fin de obtener financiamiento del Congreso de USA para su desarrollo, fracasa pero obtiene el éxito en 1843, cuando el congreso le aprueba el desarrollo de una línea de 41 millas desde Baltimor hasta el Capitolio en Washington D.C. La cual construye en 1844. Entre 1840 y 1842, el físico inglésJames Prescott Joule (1818−1889), quien descubrió la equivalencia entre trabajo mecánico y la caloría, y el científico alemán Hermann Ludwig Ferdinand Helmholtz (1821−1894), quien definió la primera ley de la termodinámica, demostraron que los circuitos eléctricos cumplían con la ley de la conservación de la energía y que la electricidad era una forma de Energía.Adicionalmente, Joule inventó la soldadura eléctrica de arco y demostró que el calor generado por la corriente eléctrica era proporcional al cuadrado de la corriente.Joule es la unidad de medida de Energía. En 1845, el físico alemán Gustav Robert Kirchhoff (1824−1887) a los 21 años de edad, anunció las leyes que permiten calcular las corrientes, y tensiones en redes eléctricas. Conocidas como leyes de Kirchhoff. Estableció las técnicas para el análisis espectral, con la cual determinó la composición del sol. En 1854, el matemático Inglés William Thomson (Lord Kelvin) (1824−1907), con su trabajo sobre el análisis teórico sobre transmisión por cable, hizo posible el desarrollo del cable transatlántico.En 1851 definió la segunda ley de la termodinámica.En 1858 Inventó el cable flexible.Kelvin es la unidad de medida de temperatura absoluta. En 1870, el matemático inglés James Clerk Maxwell (1831−1879) formuló las cuatro ecuaciones que sirven de fundamento de la teoría electromagnética. Dedujo que la Luz es una onda electromagnética, y que la energía se transmite por ondas electromagnéticas a la velocidad de la luz. Maxwell es la unidad del flujo magnético. En 1879, el físico inglés Joseph John Thomson (1856−1940) demostró que los rayos catódicos estabanconstituido de partículas atómicas de carga negativas la cual el llamó corpúsculos y hoy en día los conocemos como Electrones. En 1881, Thomas Alva Edison (1847−1931) produce la primera lámpara incandescente con un filamento de algodón carbonizado. Este filamento permaneció encendido por 44 horas.En 1881 desarrolló el filamento de bambú con 1.7 lúmenes por vatio. En 1904 el filamento de tungsteno con una eficiencia de 7.9 lúmenes por vatio. En 1910 la lámpara de 100 vatios con rendimiento de 10 lúmenes por vatio.Hoy en día, las lámparas incandescentes de filamento de tungsteno de 100 w tienen un rendimiento del orden de 18 lúmenes por vatio. En 1882 Edison instaló el primer sistema eléctrico para vender energía para la iluminación incandescente, en los Estados Unidos para la estación Pearl Street de la ciudad de New York. El sistema fue en corriente directa de tres hilos, a 220−110 voltios con una potencia total de 30 kw. En 1884, Heinrich Rudolf Hertz (1847−1894) demostró la validez de las ecuaciones de Maxwell y lasreescribió, en la forma que hoy en día es conocida.En 1888 Hertz el reconocimiento por sus trabajos sobre las ondas electromagnéticas: propagación, polarización y reflexión de ondas.Con Hertz se abre la puerta para el desarrollo de la radio.Hertz es la unidad de medida de la frecuencia. Historia de la Electricidad Instrumento ¿Qué mide? Unidad de medida Principal Utilidad Voltímetro Diferencia de potencial en dos puntos de un circuito eléctrico. Voltio Permite conocer la tensión de un circuito eléctrico, detectando alzas y bajas al momento. Óhmetro Resistencia eléctrica entre dos puntos de un circuito eléctrico. Ohm Permite conocer el valor de una resistencia desconocida, medir la continuidad de un conductor y detectar averías en circuitos. Amperímetro Intensidad de corriente que circula por un circuito eléctrico. Amperio Permite conocer la intensidad de corriente que circula en un circuito eléctrico, detectando en todo momento alzas y bajas repentinas. Frecuencímetro Frecuencia de impulsos eléctricos en un circuito eléctrico. Hertzios Permite medir la frecuencia, contando el número de repeticiones de una onda en un intervalo de tiempo. Energía Eléctrica en México Instituciones reguladoras de electricidad La energía eléctrica en México se considera estratégico para la soberanía nacional. Por lo tanto, hay ciertas limitaciones para la participación privada y se permite a las empresas extranjeras operar en el país sólo a través de contratos de servicio específicos. Según establece la Constitución, el sector eléctrico es de propiedad federal y es la Comisión Federal de Electricidad (CFE) quien controla esencialmente todo el sector. Los intentos de reformar el sector se han enfrentado tradicionalmente a una gran resistencia política y social en México, donde los subsidios para consumidores residenciales absorben considerables recursos fiscales. Fuentes de generación de energía eléctrica El sector eléctrico se basa en gran medida en fuentes térmicas (74% de la capacidad instalada total), seguido por la generación hidroeléctrica (22%). Aunque la explotación de recursos solares, eólicos y biomasa cuentan con un gran potencial, la energía geotérmica es el único recurso renovable (excluyendo la hidroeléctrica) con una contribución considerable a la matriz de energía (2% de la capacidad de generación total). Los planes de expansión para el período 2006 - 2015 suponen la incorporación de unos 24 000 MW de nueva capacidad de generación, con un predominio de ciclos combinados. Capacidad actual La capacidad eléctrica instalada en México en 2006 fue de 49 GW. De la capacidad instalada, el 73,6% es térmica, el 21,6% es hidroeléctrica, el 2,8% es nuclear y el 2% es geotérmica. La capacidad instalada total en 2015 se estima que será de 66599 MW. El 51,4% de la capacidad adicional serán ciclos combinados y un 9,6% será producción termoeléctrica. También es importante observar que el gas natural proporcionará el 61,1% del combustible necesario. Electricidad Puede presentarse como: Corriente Alterna Se tienen cambios o alteraciones del sentido del flujo de electrones cada periodo determinado de tiempo. Corriente Directa Cuyas magnitudes son: El flujo de electrones no cambia de sentido de negativo a positivo y su intensidad es sensiblemente constante. Intensidad Tensión Resistencia Flujo electrones en el interior del material conductor de un circuito eléctrico. Es la diferencia del potencial eléctrico entre dos puntos de un circuito eléctrico. Oposición de un objeto al paso de corriente en un circuito eléctrico. Su unidad de medida es: Su unidad de medida es: Su unidad de medida es: Amperio Voltio Ohm Es medida mediante un: Es medida mediante un: Es medida mediante un: Amperímetro Voltímetro Óhmetro