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ELECTRICIDAD
Electricidad
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INTRODUCCIÓN
Electricidad, categoría de fenómenos físicos originados por la existencia de cargas
eléctricas y por la interacción de las mismas. Cuando una carga eléctrica se
encuentra estacionaria, o estática, produce fuerzas eléctricas sobre las otras cargas
situadas en su misma región del espacio; cuando está en movimiento, produce
además efectos magnéticos. Los efectos eléctricos y magnéticos dependen de la
posición y movimiento relativos de las partículas con carga. En lo que respecta a los
efectos eléctricos, estas partículas pueden ser neutras, positivas o negativas ( véase
Átomo). La electricidad se ocupa de las partículas cargadas positivamente, como los
protones, que se repelen mutuamente, y de las partículas cargadas negativamente,
como los electrones, que también se repelen mutuamente. En cambio, las partículas
negativas y positivas se atraen entre sí. Este comportamiento puede resumirse
diciendo que las cargas del mismo signo se repelen y las cargas de distinto signo se
atraen.
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ELECTROSTÁTICA
Una manifestación habitual de la electricidad es la fuerza de atracción o repulsión
entre dos cuerpos estacionarios que, de acuerdo con el principio de acción y
reacción, ejercen la misma fuerza eléctrica uno sobre otro. La carga eléctrica de cada
cuerpo puede medirse en culombios. La fuerza entre dos partículas con cargas q1 y
q2 puede calcularse a partir de la ley de Coulomb
según la cual la fuerza es proporcional al producto de las cargas dividido entre el
cuadrado de la distancia que las separa. La constante de proporcionalidad K depende
del medio que rodea a las cargas. La ley se llama así en honor al físico francés
Charles de Coulomb.
Toda partícula eléctricamente cargada crea a su alrededor un campo de fuerzas. Este
campo puede representarse mediante líneas de fuerza que indican la dirección de la
fuerza eléctrica en cada punto. Para mover otra partícula cargada de un punto a otro
del campo hay que realizar trabajo. La cantidad de energía necesaria para efectuar
ese trabajo sobre una partícula de carga unidad se conoce como diferencia de
potencial entre ambos puntos. Esta magnitud se mide en voltios. La Tierra, un
conductor de gran tamaño que puede suponerse sustancialmente uniforme a efectos
eléctricos, suele emplearse como nivel de referencia cero para la energía potencial.
Así, se dice que el potencial de un cuerpo cargado positivamente es de tantos voltios
por encima del potencial de tierra, y el potencial de un cuerpo cargado
negativamente es de tantos voltios por debajo del potencial de tierra.
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Propiedades eléctricas de los sólidos
El primer fenómeno eléctrico artificial que se observó fue la propiedad que presentan
algunas sustancias resinosas como el ámbar, que adquieren una carga negativa al
ser frotadas con una piel o un trapo de lana, tras lo cual atraen objetos pequeños.
Un cuerpo así tiene un exceso de electrones. Una varilla de vidrio frotada con seda
tiene una capacidad similar para atraer objetos no cargados, y atrae los cuerpos
cargados negativamente con una fuerza aún mayor. El vidrio tiene una carga
positiva, que puede describirse como un defecto de electrones o un exceso de
protones.
Cuando algunos átomos se combinan para formar sólidos, frecuentemente quedan
libres uno o más electrones, que pueden moverse con facilidad a través del material.
En algunos materiales, llamados conductores, ciertos electrones se liberan
fácilmente. Los metales, en particular el cobre y la plata, son buenos conductores.
Los materiales en los que los electrones están fuertemente ligados a los átomos se
conocen como aislantes, no conductores o dieléctricos. Algunos ejemplos son el
vidrio, la goma o la madera seca.
Existe un tercer tipo de materiales en los que un número relativamente pequeño de
electrones puede liberarse de sus átomos de forma que dejan un ‘hueco’ en el lugar
del electrón. El hueco, que representa la ausencia de un electrón negativo, se
comporta como si fuera una unidad de carga positiva. Un campo eléctrico hace que
tanto los electrones negativos como los huecos positivos se desplacen a través del
material, con lo que se produce una corriente eléctrica. Generalmente, un sólido de
este tipo, denominado semiconductor, tiene una resistencia mayor al paso de
corriente que un conductor como el cobre, pero menor que un aislante como el
vidrio. Si la mayoría de la corriente es transportada por los electrones negativos, se
dice que es un semiconductor de tipo n. Si la mayoría de la corriente corresponde a
los huecos positivos, se dice que es de tipo p.
Si un material fuera un conductor perfecto, las cargas circularían por él sin ninguna
resistencia; por su parte, un aislante perfecto no permitiría que se movieran las
cargas por él. No se conoce ninguna sustancia que presente alguno de estos
comportamientos extremos a temperatura ambiente. A esta temperatura, los
mejores conductores ofrecen una resistencia muy baja (pero no nula) al paso de la
corriente y los mejores aislantes ofrecen una resistencia alta (pero no infinita). Sin
embargo, la mayoría de los metales pierden toda su resistencia a temperaturas
próximas al cero absoluto; este fenómeno se conoce como superconductividad.
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Cargas eléctricas
El electroscopio es un instrumento cualitativo empleado para demostrar la presencia
de cargas eléctricas. En la figura 1 se muestra el instrumento tal como lo utilizó por
primera vez el físico y químico británico Michael Faraday. El electroscopio está
compuesto por dos láminas de metal muy finas (a, a_) colgadas de un soporte
metálico (b) en el interior de un recipiente de vidrio u otro material no conductor ( c).
Una esfera (d) recoge las cargas eléctricas del cuerpo cargado que se quiere
observar; las cargas, positivas o negativas, pasan a través del soporte metálico y
llegan a ambas láminas. Al ser iguales, las cargas se repelen y las láminas se
separan. La distancia entre éstas depende de la cantidad de carga.
Pueden utilizarse tres métodos para cargar eléctricamente un objeto: 1) contacto con
otro objeto de distinto material (como por ejemplo, ámbar y piel) seguido por
separación; 2) contacto con otro cuerpo cargado; 3) inducción.
El efecto de las cargas eléctricas sobre conductores y no conductores se muestra en
la figura 2. Un cuerpo cargado negativamente, A, está situado entre un conductor
neutro, B, y un no conductor neutro, C. Los electrones libres del conductor son
repelidos hacia la zona del conductor alejada de A, mientras que las cargas positivas
se ven atraídas hacia la zona próxima. El cuerpo B en su conjunto es atraído hacia A,
porque la atracción de las cargas distintas más próximas entre sí es mayor que la
repulsión de las cargas iguales más separadas (las fuerzas entre las cargas eléctricas
son inversamente proporcionales al cuadrado de la distancia entre las cargas). En el
no conductor, C, los electrones no pueden moverse libremente, pero los átomos o
moléculas del mismo se reorientan de forma que sus electrones constituyentes estén
lo más lejos posible de A; el no conductor también es atraído por A, pero en menor
medida que el conductor.
El movimiento de los electrones en el conductor B de la figura 2 y la reorientación de
los átomos del no conductor C proporciona a esos cuerpos cargas positivas en los
lados más próximos a A y negativas en los lados más distantes de A. Las cargas
generadas de esta forma se denominan cargas inducidas.
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MEDIDAS ELÉCTRICAS
El flujo de carga, o intensidad de corriente, que recorre un cable conductor se mide
por el número de culombios que pasan en un segundo por una sección determinada
del cable. Un culombio por segundo equivale a 1 amperio, unidad de intensidad de
corriente eléctrica llamada así en honor al físico francés André Marie Ampère. Véase
el siguiente apartado, Corriente eléctrica.
Cuando una carga de 1 culombio se desplaza a través de una diferencia de potencial
de 1 voltio, el trabajo realizado equivale a 1 julio, unidad llamada así en honor al
físico británico James Prescott Joule. Esta definición facilita la conversión de
cantidades mecánicas en eléctricas.
Una unidad de energía muy usada en física atómica es el electronvoltio (eV).
Corresponde a la energía adquirida por un electrón acelerado por una diferencia de
potencial de 1 voltio. Esta unidad es muy pequeña y muchas veces se multiplica por
un millón o mil millones, abreviándose el resultado como 1 MeV o 1 GeV.
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CORRIENTE ELÉCTRICA
Si dos cuerpos de carga igual y opuesta se conectan por medio de un conductor
metálico, por ejemplo un cable, las cargas se neutralizan mutuamente. Esta
neutralización se lleva a cabo mediante un flujo de electrones a través del conductor,
desde el cuerpo cargado negativamente al cargado positivamente (en ingeniería
eléctrica, se considera por convención que la corriente fluye en sentido opuesto, es
decir, de la carga positiva a la negativa). En cualquier sistema continuo de
conductores, los electrones fluyen desde el punto de menor potencial hasta el punto
de mayor potencial. Un sistema de esa clase se denomina circuito eléctrico. La
corriente que circula por un circuito se denomina corriente continua (c.c.) si fluye
siempre en el mismo sentido y corriente alterna (c.a.) si fluye alternativamente en
uno u otro sentido.
El flujo de una corriente continua está determinado por tres magnitudes relacionadas
entre sí. La primera es la diferencia de potencial en el circuito, que en ocasiones se
denomina fuerza electromotriz (fem), tensión o voltaje. La segunda es la intensidad
de corriente. Esta magnitud se mide en amperios; 1 amperio corresponde al paso de
unos 6.250.000.000.000.000.000 electrones por segundo por una sección
determinada del circuito. La tercera magnitud es la resistencia del circuito.
Normalmente, todas las sustancias, tanto conductores como aislantes, ofrecen cierta
oposición al flujo de una corriente eléctrica, y esta resistencia limita la corriente. La
unidad empleada para cuantificar la resistencia es el ohmio (Ω), que se define como
la resistencia que limita el flujo de corriente a 1 amperio en un circuito con una fem
de 1 voltio. La ley de Ohm, llamada así en honor al físico alemán Georg Simon Ohm,
que la descubrió en 1827, permite relacionar la intensidad con la fuerza
electromotriz. Se expresa mediante la ecuación  = I × R, donde  es la fuerza
electromotriz en voltios, I es la intensidad en amperios y R es la resistencia en
ohmios. A partir de esta ecuación puede calcularse cualquiera de las tres magnitudes
en un circuito dado si se conocen las otras dos. Véase Medidores eléctricos.
Cuando una corriente eléctrica fluye por un cable pueden observarse dos efectos
importantes: la temperatura del cable aumenta y un imán o brújula colocado cerca
del cable se desvía, apuntando en dirección perpendicular al cable. Al circular la
corriente, los electrones que la componen colisionan con los átomos del conductor y
ceden energía, que aparece en forma de calor. La cantidad de energía desprendida
en un circuito eléctrico se mide en julios. La potencia consumida se mide en vatios; 1
vatio equivale a 1 julio por segundo. La potencia P consumida por un circuito
determinado puede calcularse a partir de la expresión P =  × I, o la que se obtiene
al aplicar a ésta la ley de Ohm: P = I2 × R. También se consume potencia en la
producción de trabajo mecánico, en la emisión de radiación electromagnética como
luz u ondas de radio y en la descomposición química.
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ELECTROMAGNETISMO
El movimiento de la aguja de una brújula en las proximidades de un conductor por el
que circula una corriente indica la presencia de un campo magnético (véase
Magnetismo) alrededor del conductor. Cuando dos conductores paralelos son
recorridos cada uno por una corriente, los conductores se atraen si ambas corrientes
fluyen en el mismo sentido y se repelen cuando fluyen en sentidos opuestos. El
campo magnético creado por la corriente que fluye en una espira de alambre es tal
que si se suspende la espira cerca de la Tierra se comporta como un imán o una
brújula, y oscila hasta que la espira forma un ángulo recto con la línea que une los
dos polos magnéticos terrestres.
Puede considerarse que el campo magnético en torno a un conductor rectilíneo por el
que fluye una corriente se extiende desde el conductor igual que las ondas creadas
cuando se tira una piedra al agua. Las líneas de fuerza del campo magnético tienen
sentido antihorario cuando se observa el conductor en el mismo sentido en que se
desplazan los electrones. El campo en torno al conductor es estacionario mientras la
corriente fluya por él de forma uniforme.
Cuando un conductor se mueve de forma que atraviesa las líneas de fuerza de un
campo magnético, este campo actúa sobre los electrones libres del conductor
desplazándolos y creando una diferencia de potencial y un flujo de corriente en el
mismo. Se produce el mismo efecto si el campo magnético es estacionario y el cable
se mueve que si el campo se mueve y el cable permanece estacionario. Cuando una
corriente empieza a circular por un conductor, se genera un campo magnético que
parte del conductor. Este campo atraviesa el propio conductor e induce en él una
corriente en sentido opuesto a la corriente que lo causó (según la llamada regla de
Lenz). En un cable recto este efecto es muy pequeño, pero si el cable se arrolla para
formar una bobina, el efecto se amplía ya que los campos generados por cada espira
de la bobina cortan las espiras vecinas e inducen también una corriente en ellas. El
resultado es que cuando se conecta una bobina así a una fuente de diferencia de
potencial, impide el flujo de corriente cuando empieza a aplicarse la diferencia de
potencial. De forma similar, cuando se elimina la diferencia de potencial, el campo
magnético se desvanece, y las líneas de fuerza vuelven a cortar las espiras de la
bobina. La corriente inducida en estas circunstancias tiene el mismo sentido que la
corriente original, y la bobina tiende a mantener el flujo de corriente. Debido a estas
propiedades, una bobina se resiste a los cambios en el flujo de corriente, por lo que
se dice que posee inercia eléctrica o autoinducción. Esta inercia tiene poca
importancia en circuitos de corriente continua, ya que no se observa cuando la
corriente fluye de forma continuada, pero es muy importante en los circuitos de
corriente alterna (véase más adelante el apartado Corrientes alternas).
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CONDUCCIÓN EN LÍQUIDOS Y GASES
Cuando fluye una corriente eléctrica por un conductor metálico, el flujo sólo tiene
lugar en un sentido, ya que la corriente es transportada en su totalidad por los
electrones. En cambio en los líquidos y gases, se hace posible un flujo en dos
sentidos debido a la ionización (véase Electroquímica). En una solución líquida, los
iones positivos se mueven en la disolución de los puntos de potencial más alto a los
puntos de potencial más bajo; los iones negativos se mueven en sentido opuesto. De
forma similar, en los gases —que pueden ser ionizados por radiactividad, por los
rayos ultravioletas de la luz solar, por ondas electromagnéticas o por un campo
eléctrico muy intenso— se produce un movimiento de iones en dos sentidos que
produce una corriente eléctrica a través del gas. Véase Arco eléctrico; Iluminación
eléctrica.
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FUENTES DE FUERZA ELECTROMOTRIZ
Para producir un flujo de corriente en cualquier circuito eléctrico es necesaria una
fuente de fuerza electromotriz. Las fuentes disponibles son las siguientes:
1) máquinas electrostáticas, que se basan en el principio de inducir cargas eléctricas
por medios mecánicos; 2) máquinas electromagnéticas, en las que se genera
corriente desplazando mecánicamente un conductor a través de un campo o campos
magnéticos; 3) células voltaicas, que producen una fuerza electromotriz a través de
una acción electroquímica; 4) dispositivos que producen una fuerza electromotriz a
través de la acción del calor; 5) dispositivos que generan una fuerza electromotriz
por la acción de la luz; 6) dispositivos que producen una fuerza electromotriz a partir
de una presión física, como los cristales piezoeléctricos (véase Efecto piezoeléctrico).
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CORRIENTES ALTERNAS
Cuando se hace oscilar un conductor en un campo magnético, el flujo de corriente en
el conductor cambia de sentido tantas veces como lo hace el movimiento físico del
conductor. Varios sistemas de generación de electricidad se basan en este principio,
y producen una forma de corriente oscilante llamada corriente alterna. Esta corriente
tiene una serie de características ventajosas en comparación con la corriente
continua, y suele utilizarse como fuente de energía eléctrica tanto en aplicaciones
industriales como en el hogar. La característica práctica más importante de la
corriente alterna es que su voltaje puede cambiarse mediante un sencillo dispositivo
electromagnético denominado transformador. Cuando una corriente alterna pasa por
una bobina de alambre, el campo magnético alrededor de la bobina se intensifica, se
anula, se vuelve a intensificar con sentido opuesto y se vuelve a anular. Si se sitúa
otra bobina en el campo magnético de la primera bobina, sin estar directamente
conectada a ella, el movimiento del campo magnético induce una corriente alterna en
la segunda bobina. Si esta segunda bobina tiene un número de espiras mayor que la
primera, la tensión inducida en ella será mayor que la tensión de la primera, ya que
el campo actúa sobre un número mayor de conductores individuales. Al contrario, si
el número de espiras de la segunda bobina es menor, la tensión será más baja que la
de la primera.
La acción de un transformador hace posible la transmisión rentable de energía
eléctrica a lo largo de grandes distancias. Si se quieren suministrar 200.000 vatios
de potencia a una línea eléctrica, puede hacerse con un voltaje de 200.000 voltios y
una corriente de 1 amperio o con un voltaje de 2.000 voltios y una corriente de 100
amperios, ya que la potencia es igual al producto de tensión y corriente. La potencia
perdida en la línea por calentamiento es igual al cuadrado de la intensidad de la
corriente multiplicado por la resistencia. Por ejemplo, si la resistencia de la línea es
de 10 ohmios, la pérdida de potencia con 200.000 voltios será de 10 vatios, mientras
que con 2.000 voltios será de 100.000 vatios, o sea, la mitad de la potencia
disponible. Véase Generación y transporte de electricidad.
En un circuito de corriente alterna, el campo magnético en torno a una bobina varía
constantemente, y la bobina obstaculiza continuamente el flujo de corriente en el
circuito debido a la autoinducción. La relación entre el voltaje aplicado a una bobina
ideal (es decir, sin resistencia) y la intensidad que fluye por dicha bobina es tal que
la intensidad es nula cuando el voltaje es máximo, y es máxima cuando el voltaje es
nulo. Además, el campo magnético variable induce una diferencia de potencial en la
bobina de igual magnitud y sentido opuesto a la diferencia de potencial aplicada. En
la práctica, las bobinas siempre presentan resistencia y capacidad además de
autoinducción. Véase Inducción (electricidad).
Si en un circuito de corriente alterna se coloca un condensador (también llamado
capacitor) la intensidad de corriente es proporcional al tamaño del condensador y a
la velocidad de variación del voltaje en el mismo. Por tanto, por un condensador
cuya capacidad es de 2 faradios pasará el doble de intensidad que por uno de 1
faradio. En un condensador ideal, el voltaje está totalmente desfasado con la
intensidad. Cuando el voltaje es máximo no fluye intensidad, porque la velocidad de
cambio de voltaje es nula. La intensidad es máxima cuando el voltaje es nulo,
porque en ese punto la velocidad de variación del voltaje es máxima. A través de un
condensador circula intensidad —aunque no existe una conexión eléctrica directa
entre sus placas— porque el voltaje de una placa induce una carga opuesta en la
otra.
De los efectos indicados se deduce que si se aplica un voltaje alterno a una bobina o
condensador ideales, no se consume potencia. No obstante, en todos los casos
prácticos los circuitos de corriente alterna presentan resistencia además de
autoinducción y capacidad, y se consume potencia. Esta potencia consumida
depende de la proporción relativa de las tres magnitudes en el circuito.
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HISTORIA
Es posible que el filósofo griego Tales de Mileto, que vivió en torno al 600 a.C., ya
supiera que el ámbar adquiere la propiedad de atraer objetos ligeros al ser frotado.
Otro filósofo griego, Teofrasto, afirmaba en un tratado escrito tres siglos después
que otras sustancias poseen esa propiedad. Sin embargo, el primer estudio científico
de los fenómenos eléctricos no apareció hasta el 1600 d.C., cuando se publicaron las
investigaciones del médico británico William Gilbert, quien aplicó el término ‘eléctrico’
(del griego elektron, ‘ámbar’) a la fuerza que ejercen esas sustancias después de ser
frotadas. También distinguió entre las acciones magnética y eléctrica.
La primera máquina para producir una carga eléctrica fue descrita en 1672 por el
físico alemán Otto von Guericke. Estaba formada por una esfera de azufre movida
por una manivela, sobre la que se inducía una carga cuando se apoyaba la mano
sobre ella. El científico francés Charles François de Cisternay Du Fay fue el primero
en distinguir claramente los dos tipos diferentes de carga eléctrica: positiva y
negativa. El condensador más antiguo, la botella de Leyden, fue desarrollado en
1745. Estaba formado por una botella de vidrio recubierta por dos láminas de papel
de estaño, una en el interior y otra en el exterior. Si se cargaba una de las láminas
con una máquina electrostática, se producía una descarga violenta si se tocaban
ambas láminas a la vez.
El inventor estadounidense Benjamin Franklin dedicó mucho tiempo a la
investigación de la electricidad. Su famoso experimento con una cometa o papalote
demostró que la electricidad atmosférica que provoca los fenómenos del relámpago y
el trueno es de la misma naturaleza que la carga electrostática de una botella de
Leyden. Franklin desarrolló una teoría según la cual la electricidad es un ‘fluido’ único
que existe en toda la materia, y sus efectos pueden explicarse por el exceso o la
escasez de ese fluido.
La ley de que la fuerza entre cargas eléctricas es inversamente proporcional al
cuadrado de la distancia entre las cargas fue demostrada experimentalmente por el
químico británico Joseph Priestley alrededor de 1766. Priestley también demostró
que una carga eléctrica se distribuye uniformemente sobre la superficie de una
esfera metálica hueca, y que en el interior de una esfera así no existen cargas ni
campos eléctricos. Charles de Coulomb inventó una balanza de torsión para medir
con precisión la fuerza que se ejerce entre las cargas eléctricas. Con ese aparato
confirmó las observaciones de Priestley y demostró que la fuerza entre dos cargas
también es proporcional al producto de las cargas individuales. Faraday, que realizó
numerosas contribuciones al estudio de la electricidad a principios del siglo XIX,
también desarrolló la teoría de las líneas de fuerza eléctricas.
Los físicos italianos Luigi Galvani y Alessandro Volta llevaron a cabo los primeros
experimentos importantes con corrientes eléctricas. Galvani produjo contracciones
musculares en las patas de una rana aplicándoles una corriente eléctrica. En 1800,
Volta presentó la primera fuente electroquímica artificial de diferencia de potencial,
un tipo de pila eléctrica o batería. La existencia de un campo magnético en torno a
un flujo de corriente eléctrica fue demostrada por el científico danés Hans Christian
Oersted en 1819, y en 1831 Faraday demostró que la corriente que circula por una
espira de cable puede inducir electromagnéticamente una corriente en una espira
cercana. Alrededor de 1840, James Prescott Joule y el científico alemán Hermann
von Helmholtz demostraron que los circuitos eléctricos cumplen la ley de
conservación de la energía, y que la electricidad es una forma de energía.
El físico matemático británico James Clerk Maxwell realizó una contribución
importante al estudio de la electricidad en el siglo XIX; Maxwell investigó las
propiedades de las ondas electromagnéticas y la luz y desarrolló la teoría de que
ambas tienen la misma naturaleza. Su trabajo abrió el camino al físico alemán
Heinrich Hertz, que produjo y detectó ondas eléctricas en la atmósfera en 1886, y al
ingeniero italiano Guglielmo Marconi, que en 1896 empleó esas ondas para producir
el primer sistema práctico de señales de radio.
La teoría de los electrones, que forma la base de la teoría eléctrica moderna, fue
presentada por el físico holandés Hendrik Antoon Lorentz en 1892. El primero en
medir con precisión la carga del electrón fue el físico estadounidense Robert Andrews
Millikan, en 1909. El uso generalizado de la electricidad como fuente de energía se
debe en gran medida a ingenieros e inventores pioneros de Estados Unidos, como
Thomas Alva Edison, Nikola Tesla o Charles Proteus Steinmetz.
Véase Electrónica.
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Condensador
Condensador, dispositivo que almacena carga eléctrica. En su forma más sencilla, un
condensador está formado por dos placas metálicas (armaduras) separadas por una
lámina no conductora o dieléctrico. Al conectar una de las placas a un generador,
ésta se carga e induce una carga de signo opuesto en la otra placa. La botella de
Leyden es un condensador simple en el que las dos placas conductoras son finos
revestimientos metálicos dentro y fuera del cristal de la botella, que a su vez es el
dieléctrico. La magnitud que caracteriza a un condensador es su capacidad, cantidad
de carga eléctrica que puede almacenar a una diferencia de potencial determinado.
Los condensadores tienen un límite para la carga eléctrica que pueden almacenar,
pasado el cual se perforan. Pueden conducir corriente continua durante sólo un
instante, aunque funcionan bien como conductores en circuitos de corriente alterna.
Esta propiedad los convierte en dispositivos muy útiles cuando debe impedirse que la
corriente continua entre a determinada parte de un circuito eléctrico. Los
condensadores de capacidad fija y capacidad variable se utilizan junto con las
bobinas, formando circuitos en resonancia, en las radios y otros equipos electrónicos.
Además, en los tendidos eléctricos se utilizan grandes condensadores para producir
resonancia eléctrica en el cable y permitir la transmisión de más potencia.
Los condensadores se fabrican en gran variedad de formas. El aire, la mica, la
cerámica, el papel, el aceite y el vacío se usan como dieléctricos, según la utilidad
que se pretenda dar al dispositivo.
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Capacidad eléctrica
Capacidad eléctrica, relación constante entre la carga eléctrica que recibe un
conductor y el potencial que adquiere. La capacidad de un condensador se mide en
faradios y viene expresada por la fórmula C = q/V, donde q es la carga (en
culombios) de uno de los dos conductores, y V es la diferencia de potencial (en
voltios) entre ambos. La capacidad depende sólo de la superficie de los conductores
y del espesor y la naturaleza del dieléctrico del condensador.
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Dieléctrico
Dieléctrico, sustancia que es mala conductora de la electricidad y que amortiguará la
fuerza de un campo eléctrico que la atraviese. Las sustancias conductoras carecen de
esta propiedad de amortiguación. Dos cuerpos de cargas opuestas situados a cada
lado de un trozo de vidrio (un dieléctrico) se atraerán entre sí, pero si entre ambos
cuerpos se coloca una lámina de cobre, la carga será conducida por el metal.
En la mayoría de los casos, las propiedades de un dieléctrico son producto de la
polarización de la sustancia. Al colocar un dieléctrico en un campo eléctrico, los
electrones y protones que constituyen sus átomos se reorientarán a sí mismos, y en
algunos casos las moléculas se polarizarán de igual modo. Como resultado de esta
polarización, el dieléctrico queda sometido a una tensión, almacenando energía que
quedará disponible al retirar el campo eléctrico. La polarización de un dieléctrico es
similar a la que se produce al magnetizar un trozo de hierro. Como en el caso de un
imán, parte de la polarización se mantiene al retirar la fuerza polarizadora. Un
dieléctrico compuesto de un disco de parafina endurecido al someterlo a una tensión
eléctrica mantendrá su polarización durante años. Estos dieléctricos se denominan
electretos.
La eficacia de los dieléctricos se mide por su relativa capacidad de almacenar energía
y se expresa en términos de constante dieléctrica (también denominada permitividad
relativa), tomando como unidad el valor del vacío. Los valores de esa constante
varían desde poco más de 1 en la atmósfera hasta 100 o más en ciertas cerámicas
que contienen óxido de titanio. El vidrio, la mica, la porcelana y los aceites
minerales, que a menudo se utilizan como dieléctricos, tienen constantes entre 2 y 9.
La capacidad de un dieléctrico de soportar campos eléctricos sin perder sus
propiedades aislantes se denomina resistencia de aislamiento o rigidez dieléctrica. Un
buen dieléctrico debe devolver un gran porcentaje de la energía almacenada en él al
invertir el campo. Los dieléctricos, especialmente los que tienen constantes
dieléctricas altas, se emplean ampliamente en todas las ramas de la ingeniería
eléctrica para incrementar la eficacia de los condensadores. Véase Aislante.
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Efecto Joule
Efecto Joule, producción de calor en un conductor cuando circula una corriente
eléctrica a través del mismo. La energía eléctrica se transforma en energía térmica
debido a los continuos choques de los electrones móviles contra los iones metálicos
del conductor, produciéndose un intercambio de energía cinética, que provoca un
aumento de temperatura del conductor.
El efecto Joule se interpreta considerando todos los procesos energéticos que tienen
lugar. En el generador se crea un campo eléctrico a expensas de energía química o
mecánica. Esta energía se emplea en acelerar los electrones del metal,
comunicándoles energía cinética. Los electrones pierden parte de esta energía en los
inevitables choques con los átomos que constituyen el metal; estos átomos pueden
oscilar alrededor de sus posiciones de equilibrio en la red metálica, y al incrementar
su energía cinética de oscilación o de vibración se eleva la temperatura del
conductor.
La cantidad de calor, Q, producida al paso de una corriente eléctrica por un
conductor es proporcional a la resistencia, R, al cuadrado de la intensidad, I, y al
tiempo, t:
Q = I2·R·t
La calefacción eléctrica, el alumbrado eléctrico por incandescencia, los fusibles y el
arco voltaico son algunas de las aplicaciones del efecto Joule.
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Circuito eléctrico
1
INTRODUCCIÓN
Circuito eléctrico, trayecto o ruta de una corriente eléctrica. El término se utiliza
principalmente para definir un trayecto continuo compuesto por conductores y
dispositivos conductores, que incluye una fuente de fuerza electromotriz que
transporta la corriente por el circuito. Un circuito de este tipo se denomina circuito
cerrado, y aquéllos en los que el trayecto no es continuo se denominan abiertos. Un
cortocircuito es un circuito en el que se efectúa una conexión directa, sin resistencia,
inductancia ni capacitancia apreciables, entre los terminales de la fuente de fuerza
electromotriz.
2
LEY DE OHM
La corriente fluye por un circuito eléctrico siguiendo varias leyes definidas. La ley
básica del flujo de la corriente es la ley de Ohm, así llamada en honor a su
descubridor, el físico alemán Georg Ohm. Según la ley de Ohm, la cantidad de
corriente que fluye por un circuito formado por resistencias puras es directamente
proporcional a la fuerza electromotriz aplicada al circuito, e inversamente
proporcional a la resistencia total del circuito. Esta ley suele expresarse mediante la
fórmula I = V/R, siendo I la intensidad de corriente en amperios, V la fuerza
electromotriz en voltios y R la resistencia en ohmios. La ley de Ohm se aplica a todos
los circuitos eléctricos, tanto a los de corriente continua (CC) como a los de corriente
alterna (CA), aunque para el análisis de circuitos complejos y circuitos de CA deben
emplearse principios
adicional
es
que incluyen inductancias y capacitancias.
Un circuito en serie es aquél en que los dispositivos o elementos del circuito están
dispuestos de tal manera que la totalidad de la corriente pasa a través de cada
elemento sin división ni derivación en circuitos paralelos.
Cuando en un circuito hay dos o más resistencias en serie, la resistencia total se
calcula sumando los valores de dichas resistencias. Si las resistencias están en
paralelo, el valor total de la resistencia del circuito se obtiene mediante la fórmula
En un circuito en paralelo los dispositivos eléctricos, por ejemplo las lámparas
incandescentes o las celdas de una batería, están dispuestos de manera que todos
los polos, electrodos y terminales positivos (+) se unen en un único conductor, y
todos los negativos (-) en otro, de forma que cada unidad se encuentra, en realidad,
en una derivación paralela. El valor de dos resistencias iguales en paralelo es igual a
la mitad del valor de las resistencias componentes y, en cada caso, el valor de las
resistencias en paralelo es menor que el valor de la más pequeña de cada una de las
resistencias implicadas. En los circuitos de CA, o circuitos de corrientes variables,
deben considerarse otros componentes del circuito además de la resistencia.
3
LEYES DE KIRCHHOFF
Si un circuito tiene un número de derivaciones interconectadas, es necesario aplicar
otras dos leyes para obtener el flujo de corriente que recorre las distintas
derivaciones. Estas leyes, descubiertas por el físico alemán Gustav Robert Kirchhoff,
son conocidas como las leyes de Kirchhoff. La primera, la ley de los nudos, enuncia
que en cualquier unión en un circuito a través del cual fluye una corriente constante,
la suma de las intensidades que llegan a un nudo es igual a la suma de las
intensidades que salen del mismo. La segunda ley, la ley de las mallas afirma que,
comenzando por cualquier punto de una red y siguiendo cualquier trayecto cerrado
de vuelta al punto inicial, la suma neta de las fuerzas electromotrices halladas será
igual a la suma neta de los productos de las resistencias halladas y de las
intensidades que fluyen a través de ellas. Esta segunda ley es sencillamente una
ampliación de la ley de Ohm.
4
IMPEDANCIA
La aplicación de la ley de Ohm a los circuitos en los que existe una corriente alterna
se complica por el hecho de que siempre estarán presentes la capacitancia y la
inductancia. La inductancia hace que el valor máximo de una corriente alterna sea
menor que el valor máximo de la tensión; la capacitancia hace que el valor máximo
de la tensión sea menor que el valor máximo de la corriente. La capacitancia y la
inductancia inhiben el flujo de corriente alterna y deben tomarse en cuenta al
calcularlo. La intensidad de corriente en los circuitos de CA puede determinarse
gráficamente mediante vectores o con la ecuación algebraica
en la que L es la inductancia, C la capacitancia y f la frecuencia de la corriente. El
valor obtenido en el denominador de la fracción se denomina impedancia del circuito
y suele representarse por la letra Z. Por consiguiente, la ley de Ohm para los
circuitos integrados suele expresarse por la ecuación sencilla I =  / Z.
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Magnetismo
1
INTRODUCCIÓN
Magnetismo, uno de los aspectos del electromagnetismo, que es una de las fuerzas
fundamentales de la naturaleza. Las fuerzas magnéticas son producidas por el
movimiento de partículas cargadas, como por ejemplo electrones, lo que indica la
estrecha relación entre la electricidad y el magnetismo. El marco que aúna ambas
fuerzas se denomina teoría electromagnética (véase Radiación electromagnética). La
manifestación más conocida del magnetismo es la fuerza de atracción o repulsión
que actúa entre los materiales magnéticos como el hierro. Sin embargo, en toda la
materia se pueden observar efectos más sutiles del magnetismo. Recientemente,
estos efectos han proporcionado claves importantes para comprender la estructura
atómica de la materia.
2
HISTORIA DE SU ESTUDIO
El fenómeno del magnetismo se conoce desde tiempos antiguos. La piedra imán o
magnetita, un óxido de hierro que tiene la propiedad de atraer los objetos de hierro,
ya era conocida por los griegos, los romanos y los chinos. Cuando se pasa una piedra
imán por un pedazo de hierro, éste adquiere a su vez la capacidad de atraer otros
pedazos de hierro. Los imanes así producidos están ‘polarizados’, es decir, cada uno
de ellos tiene dos partes o extremos llamados polos norte y sur. Los polos iguales se
repelen, y los polos opuestos se atraen.
La brújula se empezó a utilizar en Occidente como instrumento de navegación
alrededor del 1300 d.C. En el siglo XIII, el erudito francés Petrus Peregrinus realizó
importantes investigaciones sobre los imanes. Sus descubrimientos no se superaron
en casi 300 años, hasta que el físico y médico británico William Gilbert publicó su
libro, De magnete en 1600. Gilbert aplicó métodos científicos al estudio de la
electricidad y el magnetismo. Observó que la Tierra también se comporta como un
imán gigante, y a través de una serie de experimentos investigó y refutó varios
conceptos incorrectos sobre el magnetismo aceptados en la época. Posteriormente,
en 1750, el geólogo británico John Michell inventó una balanza que utilizó para
estudiar las fuerzas magnéticas. Michell demostró que la atracción o repulsión entre
dos polos magnéticos disminuye a medida que aumenta el cuadrado de la distancia
entre ellos. El físico francés Charles de Coulomb, que había medido las fuerzas entre
cargas eléctricas, verificó posteriormente la observación de Michell con una gran
precisión.
3
TEORÍA ELECTROMAGNÉTICA
A finales del siglo XVIII y principios del XIX se investigaron simultáneamente las
teorías de la electricidad y el magnetismo. En 1819, el físico danés Hans Christian
Oersted llevó a cabo un importante descubrimiento al observar que una aguja
magnética podía ser desviada por una corriente eléctrica. Este descubrimiento, que
mostraba una conexión entre la electricidad y el magnetismo, fue desarrollado por el
científico francés André Marie Ampère, que estudió las fuerzas entre cables por los
que circulan corrientes eléctricas, y por el físico francés Dominique François Arago,
que magnetizó un pedazo de hierro colocándolo cerca de un cable recorrido por una
corriente. En 1831, el científico británico Michael Faraday descubrió que el
movimiento de un imán en las proximidades de un cable induce en éste una corriente
eléctrica; este efecto era inverso al hallado por Oersted. Así, Oersted demostró que
una corriente eléctrica crea un campo magnético, mientras que Faraday demostró
que puede emplearse un campo magnético para crear una corriente eléctrica. La
unificación plena de las teorías de la electricidad y el magnetismo se debió al físico
británico James Clerk Maxwell, que predijo la existencia de ondas electromagnéticas
e identificó la luz como un fenómeno electromagnético (véase Física).
Los estudios posteriores sobre el magnetismo se centraron cada vez más en la
comprensión del origen atómico y molecular de las propiedades magnéticas de la
materia. En 1905, el físico francés Paul Langevin desarrolló una teoría sobre la
variación con la temperatura de las propiedades magnéticas de las sustancias
paramagnéticas (ver más adelante), basada en la estructura atómica de la materia.
Esta teoría es uno de los primeros ejemplos de la descripción de propiedades
macroscópicas a partir de las propiedades de los electrones y los átomos.
Posteriormente, la teoría de Langevin fue ampliada por el físico francés Pierre Ernst
Weiss, que postuló la existencia de un campo magnético interno, molecular, en los
materiales como el hierro. Este concepto, combinado con la teoría de Langevin, sirvió
para explicar las propiedades de los materiales fuertemente magnéticos como la
piedra imán.
Después de que Weiss presentara su teoría, las propiedades magnéticas se
estudiaron de forma cada vez más detallada. La teoría del físico danés Niels Bohr
sobre la estructura atómica, por ejemplo, hizo que se comprendiera la tabla periódica
y mostró por qué el magnetismo aparece en los elementos de transición, como el
hierro, en los lantánidos o en compuestos que incluyen estos elementos. Los físicos
estadounidenses Samuel Abraham Goudsmit y George Eugene Uhlenbeck
demostraron en 1925 que los electrones tienen espín y se comportan como pequeños
imanes con un ‘momento magnético’ definido. El momento magnético de un objeto
es una magnitud vectorial (véase Vector) que expresa la intensidad y orientación del
campo magnético del objeto. El físico alemán Werner Heisenberg dio una explicación
detallada del campo molecular de Weiss en 1927, basada en la recientemente
desarrollada mecánica cuántica (véase Teoría cuántica). Más tarde, otros científicos
predijeron muchas estructuras atómicas del momento magnético más complejas, con
diferentes propiedades magnéticas.
4
EL CAMPO MAGNÉTICO
Una barra imantada o un cable que transporta corriente pueden influir en otros
materiales magnéticos sin tocarlos físicamente porque los objetos magnéticos
producen un ‘campo magnético’. Los campos magnéticos suelen representarse
mediante ‘líneas de campo magnético’ o ‘líneas de fuerza’. En cualquier punto, la
dirección del campo magnético es igual a la dirección de las líneas de fuerza, y la
intensidad del campo es inversamente proporcional al espacio entre las líneas. En el
caso de una barra imantada, las líneas de fuerza salen de un extremo y se curvan
para llegar al otro extremo; estas líneas pueden considerarse como bucles cerrados,
con una parte del bucle dentro del imán y otra fuera. En los extremos del imán,
donde las líneas de fuerza están más próximas, el campo magnético es más intenso;
en los lados del imán, donde las líneas de fuerza están más separadas, el campo
magnético es más débil. Según su forma y su fuerza magnética, los distintos tipos de
imán producen diferentes esquemas de líneas de fuerza. La estructura de las líneas
de fuerza creadas por un imán o por cualquier objeto que genere un campo
magnético puede visualizarse utilizando una brújula o limaduras de hierro. Los
imanes tienden a orientarse siguiendo las líneas de campo magnético. Por tanto, una
brújula, que es un pequeño imán que puede rotar libremente, se orientará en la
dirección de las líneas. Marcando la dirección que señala la brújula al colocarla en
diferentes puntos alrededor de la fuente del campo magnético, puede deducirse el
esquema de líneas de fuerza. Igualmente, si se agitan limaduras de hierro sobre una
hoja de papel o un plástico por encima de un objeto que crea un campo magnético,
las limaduras se orientan siguiendo las líneas de fuerza y permiten así visualizar su
estructura.
Los campos magnéticos influyen sobre los materiales magnéticos y sobre las
partículas cargadas en movimiento. En términos generales, cuando una partícula
cargada se desplaza a través de un campo magnético, experimenta una fuerza que
forma ángulos rectos con la velocidad de la partícula y con la dirección del campo.
Como la fuerza siempre es perpendicular a la velocidad, las partículas se mueven en
trayectorias curvas. Los campos magnéticos se emplean para controlar las
trayectorias de partículas cargadas en dispositivos como los aceleradores de
partículas o los espectrógrafos de masas.
5
TIPOS DE MATERIALES MAGNÉTICOS
Las propiedades magnéticas de los materiales se clasifican siguiendo distintos
criterios.
Una de las clasificaciones de los materiales magnéticos —que los divide en
diamagnéticos, paramagnéticos y ferromagnéticos— se basa en la reacción del
material ante un campo magnético. Cuando se coloca un material diamagnético en
un campo magnético, se induce en él un momento magnético de sentido opuesto al
campo. En la actualidad se sabe que esta propiedad se debe a las corrientes
eléctricas inducidas en los átomos y moléculas individuales. Estas corrientes
producen momentos magnéticos opuestos al campo aplicado. Muchos materiales son
diamagnéticos; los que presentan un diamagnetismo más intenso son el bismuto
metálico y las moléculas orgánicas que, como el benceno, tienen una estructura
cíclica que permite que las corrientes eléctricas se establezcan con facilidad.
El comportamiento paramagnético se produce cuando el campo magnético aplicado
alinea todos los momentos magnéticos ya existentes en los átomos o moléculas
individuales que componen el material. Esto produce un momento magnético global
que se suma al campo magnético. Los materiales paramagnéticos suelen contener
elementos de transición o lantánidos con electrones desapareados. El
paramagnetismo en sustancias no metálicas suele caracterizarse por una
dependencia de la temperatura: la intensidad del momento magnético inducido varía
inversamente con la temperatura. Esto se debe a que al ir aumentando la
temperatura, cada vez resulta más difícil alinear los momentos magnéticos de los
átomos individuales en la dirección del campo magnético.
Las sustancias ferromagnéticas son las que, como el hierro, mantienen un momento
magnético incluso cuando el campo magnético externo se hace nulo. Este efecto se
debe a una fuerte interacción entre los momentos magnéticos de los átomos o
electrones individuales de la sustancia magnética, que los hace alinearse de forma
paralela entre sí. En circunstancias normales, los materiales ferromagnéticos están
divididos en regiones llamadas ‘dominios’; en cada dominio, los momentos
magnéticos atómicos están alineados en paralelo. Los momentos de dominios
diferentes no apuntan necesariamente en la misma dirección. Aunque un trozo de
hierro normal puede no tener un momento magnético total, puede inducirse su
magnetización colocándolo en un campo magnético, que alinea los momentos de
todos los dominios. La energía empleada en la reorientación de los dominios desde el
estado magnetizado hasta el estado desmagnetizado se manifiesta en un desfase de
la respuesta al campo magnético aplicado, conocido como ‘histéresis’.
Un material ferromagnético acaba perdiendo sus propiedades magnéticas cuando se
calienta. Esta pérdida es completa por encima de una temperatura conocida como
punto de Curie, llamada así en honor del físico francés Pierre Curie, que descubrió el
fenómeno en 1895. (El punto de Curie del hierro metálico es de unos 770 °C).
6
OTROS ORDENAMIENTOS MAGNÉTICOS
En los últimos años, una mejor comprensión de los orígenes atómicos de las
propiedades magnéticas ha llevado al descubrimiento de otros tipos de ordenamiento
magnético. Se conocen casos en los que los momentos magnéticos interactúan de tal
forma que les resulta energéticamente favorable alinearse entre sí en sentido
antiparalelo; estos materiales se llaman antiferromagnéticos. Existe una temperatura
análoga al punto de Curie, llamada temperatura de Néel, por encima de la cual
desaparece el orden antiferromagnético.
También se han hallado otras configuraciones más complejas de los momentos
magnéticos atómicos. Las sustancias ‘ferrimagnéticas’ tienen al menos dos clases
distintas de momento magnético atómico, que se orientan de forma antiparalela.
Como ambos momentos tienen magnitudes diferentes, persiste un momento
magnético neto, al contrario que en un material antiferromagnético, donde todos los
momentos magnéticos se anulan entre sí. Curiosamente, la piedra imán es
ferrimagnética, y no ferromagnética; en este mineral existen dos tipos de ion hierro,
con momentos magnéticos diferentes. Se han encontrado disposiciones aún más
complejas en las que los momentos magnéticos están ordenados en espiral. Los
estudios de estos ordenamientos han proporcionado mucha información sobre las
interacciones entre los momentos magnéticos en sólidos.
7
APLICACIONES
En los últimos 100 años han surgido numerosas aplicaciones del magnetismo y de los
materiales magnéticos. El electroimán, por ejemplo, es la base del motor eléctrico y
el transformador. En épocas más recientes, el desarrollo de nuevos materiales
magnéticos ha influido notablemente en la revolución de los ordenadores o
computadoras. Es posible fabricar memorias de computadora utilizando ‘dominios
burbuja’. Estos dominios son pequeñas regiones de magnetización, paralelas o
antiparalelas a la magnetización global del material. Según que el sentido sea uno u
otro, la burbuja indica un uno o un cero, por lo que actúa como dígito en el sistema
binario empleado por los ordenadores. Los materiales magnéticos también son
componentes importantes de las cintas y discos para almacenar datos.
Los imanes grandes y potentes son cruciales en muchas tecnologías modernas. Los
trenes de levitación magnética utilizan poderosos imanes para elevarse por encima
de los raíles y evitar el rozamiento. En la exploración mediante resonancia magnética
nuclear, una importante herramienta de diagnóstico empleada en medicina, se
utilizan campos magnéticos de gran intensidad. Los imanes superconductores se
emplean en los aceleradores de partículas más potentes para mantener las partículas
aceleradas en una trayectoria curva y enfocarlas.
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Imán (física)
Imán (física), sustancia que, por condición natural o adquirida, tiene la propiedad de
atraer al hierro.
La magnetita o piedra imán es un imán natural compuesto, fundamentalmente, de
óxido de hierro (Fe3O4). Se puede imanar un trozo de hierro sometiéndolo a un
campo magnético creado por un imán o por una corriente eléctrica (véase
Magnetismo). El hierro dulce (hierro con muy bajo contenido en carbono) se
convierte en un imán artificial que pierde su magnetismo cuando deja de estar en
contacto con el primer imán (o, como en el caso de un electroimán, cuando deja de
pasar la corriente eléctrica por el arrollamiento conductor). El acero imanado es un
imán artificial permanente porque sí conserva su magnetismo.
Si un imán se coloca entre limaduras de hierro, éstas se agrupan alrededor de sus
extremos o polos, llamados polo norte y polo sur. Si se fragmenta un imán, cada
fragmento presenta de nuevo un polo norte y un polo sur.
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Electroimán
Electroimán, dispositivo que consiste en un solenoide (una bobina cilíndrica de
alambre recubierta de una capa aislante y arrollado en forma de espiral), en cuyo
interior se coloca un núcleo de hierro. Si una corriente eléctrica recorre la bobina, se
crea un fuerte campo magnético en su interior, paralelo a su eje. Al colocar el núcleo
de hierro en este campo los dominios microscópicos que forman las partículas de
hierro, que pueden considerarse pequeños imanes permanentes, se alinean en la
dirección del campo, aumentando de forma notable la fuerza del campo magnético
generado por el solenoide. La imantación del núcleo alcanza la saturación cuando
todos los dominios están alineados, por lo que el aumento de la corriente tiene poco
efecto sobre el campo magnético. Si se interrumpe la corriente, los dominios se
redistribuyen y sólo se mantiene un débil magnetismo residual.
Los electroimanes se utilizan mucho en tecnología; son los componentes
fundamentales de cortacircuitos y relés (véase Generación y transporte de
electricidad) y se aplican a frenos y embragues electromagnéticos. En los ciclotrones
se utilizan enormes electroimanes con núcleos de varios metros de diámetro ( véase
Aceleradores de partículas); también se utilizan potentes electroimanes para levantar
hierro y chatarra.
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Campo magnético
Campo magnético, región del espacio donde se ponen de manifiesto los fenómenos
magnéticos. Se representa por el vector B, inducción magnética.
La región del espacio situada en las proximidades de un imán o de una carga
eléctrica en movimiento posee unas propiedades especiales. Se observa
experimentalmente que cuando una carga tiene una velocidad v en las proximidades
de un imán o de otra carga eléctrica en movimiento, existe una fuerza adicional
sobre ella que es proporcional al valor de la carga, Q, al módulo de la velocidad, v, y
al módulo de la inducción magnética, B. La dirección y sentido de la fuerza dependen
de la dirección y sentido relativos de los vectores velocidad e inducción magnética.
Así, se dice que en un punto de una región del espacio existe un campo magnético B,
si al situar en dicho punto una carga que se mueve con velocidad v, aparece sobre
ella una fuerza que viene dada por la expresión:
F = Q (v × B )
Por convenio se admite que la dirección del campo magnético es aquella en que la
fuerza que actúa sobre la carga resulta ser nula.
La unidad de inducción magnética en el Sistema Internacional de unidades es el
tesla, T. Una carga de un culombio que se mueve con una velocidad de un metro por
segundo perpendicular a un campo magnético de un tesla experimenta la fuerza de
un newton.
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Curva normal
Curva normal, también denominada curva o campana de Gauss, en honor al
matemático alemán Carl Friedrich Gauss, es la distribución media o promedio de las
características de una población, cuya gráfica produce una figura tipo acampanada.
La curva normal es una distribución continua de frecuencia de rango infinito, como la
que se obtiene cuando se persigue un objetivo sometido a desviación por error. Su
importancia y su gráfica asociada se debe a la enorme frecuencia con que aparece en
todo tipo de situaciones. Por ejemplo, cuando se busca dar en una diana, si se
intenta acertar, la mayor parte de los disparos tenderán a acumularse en las franjas
intermedias, tendiendo a ser menos frecuentes en el punto de mayor valor (centro
de la diana) y en las zonas periféricas. El gráfico representa la distribución de los
errores; la media o promedio es el objetivo, y la desviación típica indica la dispersión
de los errores (la raíz cuadrada de la varianza). Véase también Estadística.
La distribución de muchas variables, como los caracteres morfológicos de individuos
—altura, peso o longevidad—, caracteres fisiológicos, sociológicos, psicológicos o
físicos y, en general, cualquier característica que se obtenga como suma de muchos
factores, sigue la curva normal. Cuando se miden los valores de la inteligencia se
asume que su valor promedio en una determinada población es 100 y que el valor de
su desviación típica es 15.
En Europa, la distribución normal se conoce también como ‘distribución gaussiana’,
‘laplaciana o gaussiana-laplaciana’,
o ‘segunda ley de
Laplace‘. En 1753 fue enunciada por el matemático francés Abraham de
Moivre como el caso límite de la distribución binomial.
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Solenoide
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INTRODUCCIÓN
Solenoide, hilo metálico arrollado que, recorrido por una corriente eléctrica, se
comporta como un imán.
2
HISTORIA
Aunque las características esenciales de los imanes se conocían desde la antigüedad,
las propiedades magnéticas de la materia no fueron estudiadas hasta comienzos del
siglo XIX. En 1819, el danés Christian Oersted demostró que un hilo conductor
recorrido por una corriente eléctrica desviaba una aguja magnética, por lo que el hilo
actuaba como un imán. El año siguiente, el francés André Ampère asistió a una
reproducción del experimento de Oersted y dedujo la primera teoría del
electromagnetismo, estableciendo las fórmulas que permiten el cálculo de las fuerzas
entre conductores.
3
DESCRIPCIÓN
Cuando se sitúa una aguja imantada cerca de un solenoide, es desviada de modo
que su dirección tienda a ser paralela al eje de las espiras del solenoide. Desplazando
la aguja alrededor de la bobina, o espolvoreando limaduras de hierro sobre un plano
que atraviesa la bobina, es posible dibujar las líneas de fuerza del campo magnético
creado por el solenoide. Cuando el solenoide tiene la forma de un cilindro muy largo,
el campo magnético en el interior del mismo es prácticamente uniforme lejos de sus
extremos, paralelo al eje del solenoide y proporcional a la intensidad de la corriente
eléctrica que recorre el solenoide, así como al número de espiras de la bobina. La
intensidad del campo magnético B puede calcularse según la fórmula
B = µ0NI / L
donde N es el número de espiras, I la intensidad de corriente, L la longitud del
solenoide, y µ0, la llamada permeabilidad magnética del vacío, tiene un valor de
410-7.
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Campo eléctrico
Campo eléctrico, región del espacio donde se ponen de manifiesto los fenómenos
eléctricos. Se representa por E y es de naturaleza vectorial (véase Vector). En el
Sistema Internacional de unidades el campo eléctrico se mide en newton/culombio
(N/C).
La región del espacio situada en las proximidades de un cuerpo cargado posee unas
propiedades especiales. Si se coloca en cualquier punto de dicha región una carga
eléctrica de prueba, se observa que se encuentra sometida a la acción de una fuerza.
Este hecho se expresa diciendo que el cuerpo cargado ha creado un campo eléctrico.
La intensidad de campo eléctrico en un punto se define como la fuerza que actúa
sobre la unidad de carga situada en él. Si E es la intensidad de campo, sobre una
carga Q actuará una fuerza
F=Q·E
La dirección del campo eléctrico en cualquier punto viene dada por la de la fuerza
que actúa sobre una carga positiva unidad colocada en dicho punto.
Las líneas de fuerza en un campo eléctrico están trazadas de modo que son, en
todos sus puntos, tangentes a la dirección del campo, y su sentido positivo se
considera que es el que partiendo de las cargas positivas termina en las negativas.
La intensidad de un campo eléctrico creado por varias cargas se obtiene sumando
vectorialmente las intensidades de los campos creados por cada carga de forma
individual.
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Medidores eléctricos
1
INTRODUCCIÓN
Medidores eléctricos, instrumentos que miden magnitudes eléctricas, como
intensidad de corriente, carga, potencial, energía, resistencia eléctrica, capacidad e
inductancia. El resultado de estas medidas se expresa normalmente en una unidad
eléctrica estándar: amperios, culombios, voltios, julios, ohmios, faradios o henrios
(véase Unidades eléctricas). Dado que todas las formas de la materia presentan una
o más características eléctricas es posible tomar mediciones eléctricas de un elevado
número de fuentes.
2
MECANISMOS BÁSICOS DE LOS MEDIDORES
Las magnitudes eléctricas no se pueden medir por observación directa y por ello se
utiliza alguna propiedad de la electricidad para producir una fuerza física susceptible
de ser detectada y medida. Por ejemplo, en el galvanómetro, uno de los primeros
instrumentos de medida que se inventó, la fuerza que se produce entre un campo
magnético y una bobina por la que circula una corriente eléctrica produce una
desviación de la bobina. Dado que la desviación es proporcional a la intensidad de la
corriente se utiliza una escala calibrada para medir la intensidad de la corriente
eléctrica. La acción electromagnética entre corrientes, la fuerza entre cargas
eléctricas y el calentamiento provocado por una resistencia conductora son algunas
de las propiedades de la electricidad utilizadas para obtener mediciones analógicas.
3
CALIBRACIÓN DE LOS MEDIDORES
Para garantizar la uniformidad y la precisión de las medidas de los medidores
eléctricos se calibran de acuerdo con los patrones de medida aceptados para una
determinada unidad eléctrica, como el ohmio, el amperio, el voltio o el vatio.
4
PATRONES PRINCIPALES Y MEDIDAS ABSOLUTAS
Los patrones principales del ohmio y el amperio se basan en definiciones de estas
unidades aceptadas a nivel internacional y basadas en la masa, la longitud del
conductor y el tiempo. Las técnicas de medición que utilizan estas unidades básicas
son precisas y reproducibles. Por ejemplo, las medidas absolutas de amperios
implican la utilización de una especie de balanza que mide la fuerza que se produce
entre un conjunto de bobinas fijas y una bobina móvil. Estas mediciones absolutas de
intensidad de corriente y diferencia de potencial tienen su aplicación principal en el
laboratorio, mientras que en la mayoría de los casos se utilizan medidas relativas.
Todos los medidores que se describen en los párrafos siguientes permiten hacer
lecturas relativas.
5
MEDIDORES DE CORRIENTE
1
Galvanómetros
Los galvanómetros son los instrumentos principales para detectar el paso de una
corriente eléctrica y para medir su intensidad. El mecanismo del galvanómetro está
diseñado de forma que un imán permanente o un electroimán produce un campo
magnético que genera una fuerza en una bobina cercana al imán cuando por ésta
circula una corriente eléctrica. El elemento móvil puede ser el imán o la bobina. La
fuerza inclina el elemento móvil en un grado proporcional a la intensidad de la
corriente.
En los galvanómetros de imán móvil se aprovecha el par de fuerzas que ejerce la
corriente estudiada sobre un pequeño imán móvil. En los galvanómetros de cuadro
móvil se utiliza la acción de un imán fijo sobre una bobina móvil recorrida por una
corriente desconocida.
Un ejemplo de galvanómetro de cuadro móvil es el galvanómetro de inclinación de
D´Arsonval. En este galvanómetro la corriente que se trata de medir circula por una
bobina formada por varias espiras de alambre muy fino, que puede girar en el campo
de un imán por estar suspendida de un alambre muy delgado. Cuando una corriente
eléctrica circula por esta bobina experimenta la acción de un par de fuerzas
proporcional a la corriente. Este par hace girar la bobina hasta que se equilibra por el
par recuperador proporcionado por el alambre al retorcerse. El ángulo de giro se
mide por la desviación experimentada por un haz luminoso que incide sobre un
pequeño espejo unido a la bobina móvil y que es reflejado hacia un dial.
Los galvanómetros tienen denominaciones distintas según la magnitud de la
corriente que pueden medir.
2
Amperímetros
Para que un galvanómetro funcione como amperímetro hay que tener en cuenta que
por el fino hilo de la bobina de un galvanómetro sólo puede circular una intensidad
de corriente pequeña. Si hay que medir intensidades mayores, se acopla una
derivación de baja resistencia, denominada shunt, a los terminales del medidor. La
mayor parte de la corriente pasa por la resistencia de la derivación, pero la pequeña
cantidad que fluye por el medidor sigue siendo proporcional a la intensidad total. Al
utilizar esta proporcionalidad, el galvanómetro se puede emplear para medir
intensidades de varios cientos de amperios.
Un microamperímetro está calibrado en millonésimas de amperio y un
miliamperímetro en milésimas de amperio.
3
Galvanómetros de corriente alterna: electrodinamómetros y
galvanómetros de resonancia
Los galvanómetros convencionales no se pueden emplear para medir corrientes
alternas porque las oscilaciones de la corriente producirían una inclinación en las dos
direcciones.
Una variante del galvanómetro, el electrodinamómetro, se puede utilizar para medir
corrientes alternas mediante una inclinación electromagnética. Este medidor contiene
una bobina fija situada en serie con una bobina móvil, que se utiliza en lugar del
imán permanente del galvanómetro. Dado que la corriente de la bobina fija y la
móvil se invierte en el mismo momento, la inclinación de la bobina móvil tiene lugar
siempre en el mismo sentido, produciéndose una medición constante de la
intensidad. El electrodinamómetro también sirve para medir corrientes continuas.
El galvanómetro de resonancia es un galvanómetro de cuadro móvil que se utiliza
para detectar y medir corrientes alternas muy débiles. Las características del aparato
se eligen de manera que el cuadro móvil tenga un periodo de oscilación igual al de la
corriente estudiada para que el galvanómetro entre en resonancia con la corriente.
4
Medidores de termopar
Para medir corrientes alternas de alta frecuencia se utilizan medidores que dependen
del efecto calorífico de la corriente. En los medidores de termopar se hace pasar la
corriente por un hilo fino que calienta la unión del termopar. La electricidad generada
por el termopar se mide con un galvanómetro convencional. En los medidores de hilo
incandescente la corriente pasa por un hilo fino que se calienta y se estira. El hilo
está unido a un puntero móvil que se desplaza por una escala calibrada en amperios.
Véase Termoelectricidad.
6
MEDICIÓN DEL VOLTAJE
El instrumento más utilizado para medir la diferencia de potencial (voltaje) es un
galvanómetro que cuenta con una gran resistencia unida en serie a la bobina.
Cuando se conecta un medidor de este tipo a una batería o a dos puntos de un
circuito eléctrico entre los que existe una diferencia de potencial, circula una cantidad
reducida de corriente (limitada por la resistencia en serie) a través del medidor. La
corriente es proporcional al voltaje, que se puede medir si el galvanómetro se calibra
para ello. Cuando se usa el tipo adecuado de resistencias en serie, un galvanómetro
sirve para medir niveles muy distintos de voltajes. El instrumento más preciso para
medir una fuerza electromotriz es el potenciómetro, que mide esta magnitud al
compararla con una fuerza electromotriz variable y de valor conocido, opuesta a la
que se quiere medir.
Para medir voltajes de corriente alterna se utilizan medidores de alterna con alta
resistencia interior, o medidores similares con una fuerte resistencia en serie.
Los demás métodos de medición del voltaje utilizan tubos de vacío y circuitos
electrónicos y resultan muy útiles para hacer mediciones a altas frecuencias. Un
dispositivo de este tipo es el voltímetro de tubo de vacío. En la forma más simple de
este tipo de voltímetro se rectifica una corriente alterna en un tubo de diodo y se
mide la corriente rectificada con un galvanómetro convencional. Otros voltímetros de
este tipo utilizan las características amplificadoras de los tubos de vacío para medir
voltajes muy bajos. El osciloscopio de rayos catódicos se emplea también para hacer
mediciones de voltaje, ya que la inclinación del haz de electrones es proporcional al
voltaje aplicado a las placas o electrodos del tubo.
7
OTROS TIPOS DE MEDICIONES
1
Puente de Wheatstone
Las mediciones más precisas de la resistencia se obtienen con un circuito llamado
puente de Wheatstone, en honor al físico británico Charles Wheatstone. Este circuito
consiste en tres resistencias conocidas y una resistencia desconocida, conectadas
entre sí en forma de diamante. Se aplica una corriente continua a través de dos
puntos opuestos del diamante y se conecta un galvanómetro como detector de cero
a los otros dos puntos. Cuando todas las resistencias se nivelan, las corrientes que
circulan por los dos brazos del circuito se igualan, lo que elimina el paso de corriente
por el galvanómetro. Variando el valor de una de las resistencias conocidas, el
puente se puede ajustar a cualquier valor de la resistencia desconocida, que se
calcula a partir de los valores de las otras resistencias. Se emplean puentes de este
tipo para medir la inductancia y la capacitancia de los componentes de un circuito.
Para ello se sustituyen las resistencias por inductancias y capacitancias conocidas.
Estos puentes se suelen denominar puentes de corriente alterna porque se utilizan
fuentes de corriente alterna en lugar de corriente continua. A menudo los puentes se
nivelan con un timbre en vez de un galvanómetro, que cuando el puente no está
nivelado emite un sonido que corresponde a la frecuencia de la fuente de corriente
alterna; cuando se ha nivelado no se escucha ningún tono.
2
Vatímetros
La potencia consumida por cualquiera de las partes de un circuito se mide con un
vatímetro, un instrumento parecido al electrodinamómetro. El vatímetro tiene su
bobina fija dispuesta de forma que la atraviese toda la intensidad del circuito,
mientras que la bobina móvil se conecta en serie con una resistencia grande y sólo
deja pasar una parte proporcional del voltaje de la fuente. La inclinación resultante
de la bobina móvil depende tanto de la intensidad como del voltaje y se puede
calibrar directamente en vatios, ya que la potencia es el producto del voltaje y la
intensidad de la corriente.
3
Contadores de servicio
El contador de servicio es un dispositivo que mide la energía total consumida en un
circuito eléctrico doméstico. Es parecido al vatímetro, pero se diferencia de éste en
que la bobina móvil se reemplaza por un rotor. El rotor, controlado por un regulador
magnético, gira a una velocidad proporcional a la cantidad de potencia consumida. El
eje del rotor está conectado con engranajes a un conjunto de indicadores que
registran el consumo total en vatios por hora.
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Electroquímica
1
INTRODUCCIÓN
Electroquímica, parte de la química que trata de la relación entre las corrientes
eléctricas y las reacciones químicas, y de la conversión de la energía química en
eléctrica y viceversa. En un sentido más amplio, la electroquímica es el estudio de las
reacciones químicas que producen efectos eléctricos y de los fenómenos químicos
causados por la acción de las corrientes o voltajes.
2
CORRIENTE ELÉCTRICA Y MOVIMIENTO DE IONES
La mayoría de los compuestos inorgánicos y algunos de los orgánicos se ionizan al
fundirse o cuando se disuelven en agua u otros líquidos; es decir, sus moléculas se
disocian en especies químicas cargadas positiva y negativamente que tienen la
propiedad de conducir la corriente eléctrica (véase Ion; Ionización). Si se coloca un
par de electrodos en una disolución de un electrólito (compuesto ionizable) y se
conecta una fuente de corriente continua entre ellos, los iones positivos de la
disolución se mueven hacia el electrodo negativo y los iones negativos hacia el
positivo. Al llegar a los electrodos, los iones pueden ganar o perder electrones y
transformarse en átomos neutros o moléculas; la naturaleza de las reacciones del
electrodo depende de la diferencia de potencial o voltaje aplicado.
La acción de una corriente sobre un electrólito puede entenderse con un ejemplo
sencillo. Si el sulfato de cobre se disuelve en agua, se disocia en iones cobre
positivos e iones sulfato negativos. Al aplicar una diferencia de potencial a los
electrodos, los iones cobre se mueven hacia el electrodo negativo, se descargan, y se
depositan en el electrodo como átomos de cobre. Los iones sulfato, al descargarse en
el electrodo positivo, son inestables y se combinan con el agua de la disolución
formando ácido sulfúrico y oxígeno. Esta reacción de descomposición producida por
una corriente eléctrica se llama electrólisis.
En todos los casos, la cantidad de material que se deposita en cada electrodo al
pasar la corriente por un electrólito sigue la ley enunciada por el químico físico
británico Michael Faraday. Esta ley afirma que la cantidad de material depositada en
cada electrodo es proporcional a la intensidad de la corriente que atraviesa el
electrólito, y que las masas de distintos elementos depositados por la misma
cantidad de electricidad son directamente proporcionales a las masas equivalentes de
los elementos, es decir, a sus masas atómicas divididas por sus valencias.
Todos los cambios químicos implican una reagrupación o reajuste de los electrones
en las sustancias que reaccionan; por eso puede decirse que dichos cambios son de
carácter eléctrico. Para producir una corriente eléctrica a partir de una reacción
química, es necesario tener un oxidante, es decir, una sustancia que gane electrones
fácilmente, y un reductor, es decir, una sustancia que pierda electrones con facilidad.
Las reacciones de este tipo se pueden entender bien con un ejemplo, el
funcionamiento de un tipo sencillo de pila electroquímica. Al colocar una varilla de
cinc en una disolución diluida de ácido sulfúrico, el cinc, que es un reductor, se oxida
fácilmente, pierde electrones y los iones cinc positivos se liberan en la disolución,
mientras que los electrones libres se quedan en la varilla de cinc. Si se conecta la
varilla por medio de un conductor a un electrodo de metal inerte colocado en la
disolución de ácido sulfúrico, los electrones que están en este circuito fluirán hacia la
disolución, donde serán atrapados por los iones hidrógeno positivos del ácido diluido.
La combinación de iones y electrones produce gas hidrógeno, que aparece como
burbujas en la superficie del electrodo. La reacción de la varilla de cinc y el ácido
sulfúrico produce así una corriente en el circuito externo. Una pila electroquímica de
este tipo se conoce como pila primaria o pila voltaica.
En la batería de acumuladores, o acumulador (conocida comúnmente como pila
secundaria), se proporciona energía eléctrica desde una fuente exterior, que se
almacena en forma de energía química. La reacción química de una pila secundaria
es reversible, es decir, se produce en un sentido cuando se carga la pila, y en sentido
opuesto cuando se descarga. Por ello, una pila secundaria puede descargarse una y
otra vez.
3
APLICACIONES INDUSTRIALES
La descomposición electrolítica es la base de un gran número de procesos de
extracción y fabricación muy importantes en la industria moderna. El hidróxido de
sodio o sosa cáustica (un producto químico importante para la fabricación de papel,
rayón y película fotográfica) se produce por la electrólisis de una disolución de sal
común en agua (véase Álcalis). La reacción produce cloro y sodio. El sodio reacciona
a su vez con el agua de la pila electrolítica produciendo hidróxido de sodio. El cloro
obtenido se utiliza en la fabricación de pasta de madera y papel.
Una aplicación industrial importante de la electrólisis es el horno eléctrico, que se
utiliza para fabricar aluminio, magnesio y sodio. En este horno, se calienta una carga
de sales metálicas hasta que se funde y se ioniza. A continuación, se obtiene el metal
electrolíticamente.
Los métodos electrolíticos se utilizan también para refinar el plomo, el estaño, el
cobre, el oro y la plata. La ventaja de extraer o refinar metales por procesos
electrolíticos es que el metal depositado es de gran pureza. La galvanotecnia, otra
aplicación industrial electrolítica, se usa para depositar películas de metales preciosos
en metales base. También se utiliza para depositar metales y aleaciones en piezas
metálicas que precisen un recubrimiento resistente y duradero. La electroquímica ha
avanzado recientemente desarrollando nuevas técnicas para colocar capas de
material sobre los electrodos, aumentando así su eficacia y resistencia. Tras el
descubrimiento de ciertos polímeros que conducen la electricidad, es posible fabricar
electrodos de polímeros.
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Un caso de reacción redox en la que no interviene el oxígeno atmosférico es la reacción que produce la electricidad
en
las baterías de plomo:
Pb + PbO2 + 4H+ + 2SO42- ? 2PbSO4 + 2H2O.
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Otra pila alcalina similar a la batería de Edison
cadmio
es la pila de níquel y
o batería de cadmio, en la que el electrodo de hierro se sustituye por uno de cadmio. Produce
también 1,15 V y su vida útil es de unos 25 años.
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Resonancia (electrónica)
Resonancia (electrónica), característica de un circuito eléctrico por la cual las
impedancias combinadas de la capacitancia y la
inductancia
se
anulan o se refuerzan entre sí, dando lugar a impedancias máximas o mínimas. La
impedancia de la corriente alterna equivale a la resistencia de la corriente.
La resonancia aparece con una frecuencia determinada en cada circuito. Esta
frecuencia, denominada frecuencia de resonancia, depende de los valores de
inductancia y de capacitancia del circuito (véase Condensador). Si se aplica un
voltaje alterno con la frecuencia de resonancia a un circuito en que la capacitancia y
la inductancia están conectadas en serie, la impedancia del circuito se reduce al
mínimo y el circuito conduce la cantidad máxima de corriente. Si la capacitancia y la
inductancia se conectan en paralelo, se produce el efecto contrario: la impedancia es
muy elevada y el circuito conduce una cantidad reducida de corriente.
Los circuitos resonantes se utilizan en componentes eléctricos, por ejemplo en filtros,
para seleccionar o rechazar corrientes con frecuencias concretas. Los filtros en que
puede variarse la capacitancia o la inductancia se utilizan para sintonizar receptores
de radio y de televisión a la frecuencia de las emisoras, de forma que el receptor
acepta la frecuencia del emisor y rechaza las demás. Véase Electrónica.
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Resistencia
Resistencia, propiedad de un objeto o sustancia que hace que se resista u oponga al
paso de una corriente eléctrica. La resistencia de un circuito eléctrico determina —
según la llamada ley de Ohm— cuánta corriente fluye en el circuito cuando se le
aplica un voltaje determinado. La unidad de resistencia es el ohmio, que es la
resistencia de un conductor si es recorrido por una corriente de un amperio cuando
se le aplica una tensión de 1 voltio. La abreviatura habitual para la resistencia
eléctrica es R, y el símbolo del ohmio es la letra griega omega, Ω. En algunos
cálculos eléctricos se emplea el inverso de la resistencia, 1/R, que se denomina
conductancia y se representa por G. La unidad de conductancia es siemens, cuyo
símbolo es S. Aún puede encontrarse en ciertas obras la denominación antigua de
esta unidad, mho.
La resistencia de un conductor viene determinada por una propiedad de la sustancia
que lo compone, conocida como conductividad, por la longitud por la superficie
transversal del objeto, así como por la temperatura. A una temperatura dada, la
resistencia es proporcional a la longitud del conductor e inversamente proporcional a
su conductividad y a su superficie transversal. Generalmente, la resistencia de un
material aumenta cuando crece la temperatura.
El término resistencia también se emplea cuando se obstaculiza el flujo de un fluido o
el flujo de calor. El rozamiento crea resistencia al flujo de fluido en una tubería, y el
aislamiento proporciona una resistencia térmica que reduce el flujo de calor desde
una temperatura más alta a una más baja.
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Diferencia de potencial
Diferencia de potencial, también llamada tensión eléctrica, es el trabajo necesario
para desplazar una carga positiva unidad de un punto a otro en el interior de un
campo eléctrico; en realidad se habla de diferencia de potencial entre ambos puntos
(VA - VB). La unidad de diferencia de potencial es el voltio (V). Véase Electricidad.
Un generador de corriente eléctrica permite mantener una diferencia de potencial
constante y, en consecuencia, una corriente eléctrica permanente entre los extremos
de un conductor. Sin embargo, para una determinada diferencia de potencial, los
distintos conductores difieren entre sí en el valor de la intensidad de corriente
obtenida, aunque el campo eléctrico sea el mismo. Existe una relación de
proporcionalidad, dada por la ley de Ohm, entre la diferencia de potencial entre los
extremos de un conductor y la intensidad que lo recorre (véase Circuito eléctrico). La
constante de proporcionalidad se denomina resistencia del conductor y su valor
depende de su naturaleza, de sus dimensiones geométricas y de las condiciones
físicas, especialmente de la temperatura.
La diferencia de potencial entre dos puntos de un circuito se mide con un voltímetro,
instrumento que se coloca siempre en derivación entre los puntos del circuito cuya
diferencia de potencial se quiere medir. Véase Medidores eléctricos.
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Circuito eléctrico
1
INTRODUCCIÓN
Circuito eléctrico, trayecto o ruta de una corriente eléctrica. El término se utiliza
principalmente para definir un trayecto continuo compuesto por conductores y
dispositivos conductores, que incluye una fuente de fuerza electromotriz que
transporta la corriente por el circuito. Un circuito de este tipo se denomina circuito
cerrado, y aquéllos en los que el trayecto no es continuo se denominan abiertos. Un
cortocircuito es un circuito en el que se efectúa una conexión directa, sin resistencia,
inductancia ni capacitancia apreciables, entre los terminales de la fuente de fuerza
electromotriz.
2
LEY DE OHM
La corriente fluye por un circuito eléctrico siguiendo varias leyes definidas. La ley
básica del flujo de la corriente es la ley de Ohm, así llamada en honor a su
descubridor, el físico alemán Georg Ohm. Según la ley de Ohm, la cantidad de
corriente que fluye por un circuito formado por resistencias puras es directamente
proporcional a la fuerza electromotriz aplicada al circuito, e inversamente
proporcional a la resistencia total del circuito. Esta ley suele expresarse mediante la
fórmula I = V/R, siendo I la intensidad de corriente en amperios, V la fuerza
electromotriz en voltios y R la resistencia en ohmios. La ley de Ohm se aplica a todos
los circuitos eléctricos, tanto a los de corriente continua (CC) como a los de corriente
alterna (CA), aunque para el análisis de circuitos complejos y circuitos de CA deben
emplearse principios adicionales que incluyen inductancias y capacitancias.
Un circuito en serie es aquél en que los dispositivos o elementos del circuito están
dispuestos de tal manera que la totalidad de la corriente pasa a través de cada
elemento sin división ni derivación en circuitos paralelos.
Cuando en un circuito hay dos o más resistencias en serie, la resistencia total se
calcula sumando los valores de dichas resistencias. Si las resistencias están en
paralelo, el valor total de la resistencia del circuito se obtiene mediante la fórmula
En un circuito en paralelo los dispositivos eléctricos, por ejemplo las lámparas
incandescentes o las celdas de una batería, están dispuestos de manera que todos
los polos, electrodos y terminales positivos (+) se unen en un único conductor, y
todos los negativos (-) en otro, de forma que cada unidad se encuentra, en realidad,
en una derivación paralela. El valor de dos resistencias iguales en paralelo es igual a
la mitad del valor de las resistencias componentes y, en cada caso, el valor de las
resistencias en paralelo es menor que el valor de la más pequeña de cada una de las
resistencias implicadas. En los circuitos de CA, o circuitos de corrientes variables,
deben considerarse otros componentes del circuito además de la resistencia.
3
LEYES DE KIRCHHOFF
Si un circuito tiene un número de derivaciones interconectadas, es necesario aplicar
otras dos leyes para obtener el flujo de corriente que recorre las distintas
derivaciones. Estas leyes, descubiertas por el físico alemán Gustav Robert Kirchhoff,
son conocidas como las leyes de Kirchhoff. La primera, la ley de los nudos, enuncia
que en cualquier unión en un circuito a través del cual fluye una corriente constante,
la suma de las intensidades que llegan a un nudo es igual a la suma de las
intensidades que salen del mismo. La segunda ley, la ley de las mallas afirma que,
comenzando por cualquier punto de una red y siguiendo cualquier trayecto cerrado
de vuelta al punto inicial, la suma neta de las fuerzas electromotrices halladas será
igual a la suma neta de los productos de las resistencias halladas y de las
intensidades que fluyen a través de ellas. Esta segunda ley es sencillamente una
ampliación de la ley de Ohm.
4
IMPEDANCIA
La aplicación de la ley de Ohm a los circuitos en los que existe una corriente alterna
se complica por el hecho de que siempre estarán presentes la capacitancia y la
inductancia. La inductancia hace que el valor máximo de una corriente alterna sea
menor que el valor máximo de la tensión; la capacitancia hace que el valor máximo
de la tensión sea menor que el valor máximo de la corriente. La capacitancia y la
inductancia inhiben el flujo de corriente alterna y deben tomarse en cuenta al
calcularlo. La intensidad de corriente en los circuitos de CA puede determinarse
gráficamente mediante vectores o con la ecuación algebraica
en la que L es la inductancia, C la capacitancia y f la frecuencia de la corriente. El
valor obtenido en el denominador de la fracción se denomina impedancia del circuito
y suele representarse por la letra Z. Por consiguiente, la ley de Ohm para los
circuitos integrados suele expresarse por la ecuación sencilla I =  / Z.
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Electrónica
1
INTRODUCCIÓN
Electrónica, campo de la ingeniería y de la física aplicada relativo al diseño y
aplicación de dispositivos, por lo general circuitos electrónicos, cuyo funcionamiento
depende del flujo de electrones para la generación, transmisión, recepción y
almacenamiento de información. Esta información puede consistir en voz o música
(señales de voz) en un receptor de radio, en una imagen en una pantalla de
televisión, o en números u otros datos en un ordenador o computadora.
Los circuitos electrónicos ofrecen diferentes funciones para procesar esta
información, incluyendo la amplificación de señales débiles hasta un nivel utilizable;
la generación de ondas de radio; la extracción de información, como por ejemplo la
recuperación de la señal de sonido de una onda de radio (demodulación); el control,
como en el caso de la superposición de una señal de sonido a ondas de radio
(modulación), y operaciones lógicas, como los procesos electrónicos que tienen lugar
en las computadoras.
2
ANTECEDENTES HISTÓRICOS
La introducción de los tubos de vacío a comienzos del siglo XX propició el rápido
crecimiento de la electrónica moderna. Con estos dispositivos se hizo posible la
manipulación de señales, algo que no podía realizarse en los antiguos circuitos
telegráficos y telefónicos, ni con los primeros transmisores que utilizaban chispas de
alta tensión para generar ondas de radio. Por ejemplo, con los tubos de vacío se
pudieron amplificar las señales de radio y de sonido débiles, y además podían
superponerse señales de sonido a las ondas de radio. El desarrollo de una amplia
variedad de tubos, diseñados para funciones especializadas, posibilitó el rápido
avance de la tecnología de comunicación radial antes de la II Guerra Mundial, y el
desarrollo de las primeras computadoras, durante la guerra y poco después de ella.
Hoy día, el transistor, inventado en 1948, ha reemplazado casi completamente al
tubo de vacío en la mayoría de sus aplicaciones. Al incorporar un conjunto de
materiales semiconductores y contactos eléctricos, el transistor permite las mismas
funciones que el tubo de vacío, pero con un coste, peso y potencia más bajos, y una
mayor fiabilidad. Los progresos subsiguientes en la tecnología de semiconductores,
atribuible en parte a la intensidad de las investigaciones asociadas con la iniciativa de
exploración del espacio, llevó al desarrollo, en la década de 1970, del circuito
integrado. Estos dispositivos pueden contener centenares de miles de transistores en
un pequeño trozo de material, permitiendo la construcción de circuitos electrónicos
complejos, como los de los microordenadores o microcomputadoras, equipos de
sonido y vídeo, y satélites de comunicaciones.
3
COMPONENTES ELECTRÓNICOS
Los circuitos electrónicos constan de componentes electrónicos interconectados.
Estos componentes se clasifican en dos categorías: activos o pasivos. Entre los
pasivos se incluyen los reóstatos, los condensadores y los inductores. Los
considerados activos incluyen las baterías (o pilas), los generadores, los tubos de
vacío y los transistores.
1
Tubos de vacío
Un tubo de vacío consiste en una cápsula de vidrio de la que se ha extraído el aire, y
que lleva en su interior varios electrodos metálicos. Un tubo sencillo de dos
elementos (diodo) está formado por un cátodo y un ánodo, este último conectado al
terminal positivo de una fuente de alimentación. El cátodo (un pequeño tubo
metálico que se calienta mediante un filamento) libera electrones que migran hacia
él (un cilindro metálico en torno al cátodo, también llamado placa). Si se aplica una
tensión alterna al ánodo, los electrones sólo fluirán hacia el ánodo durante el
semiciclo positivo; durante el ciclo negativo de la tensión alterna, el ánodo repele los
electrones, impidiendo que cualquier corriente pase a través del tubo. Los diodos
conectados de tal manera que sólo permiten los semiciclos positivos de una corriente
alterna (c.a.) se denominan tubos rectificadores y se emplean en la conversión de
corriente alterna a corriente continua (c.c.) (véase Electricidad). Al insertar una
rejilla, formada por un hilo metálico en espiral, entre el cátodo y el ánodo, y
aplicando una tensión negativa a dicha rejilla, es posible controlar el flujo de
electrones. Si la rejilla es negativa, los repele y sólo una pequeña fracción de los
electrones emitidos por el cátodo puede llegar al ánodo. Este tipo de tubo,
denominado triodo, se puede utilizar como amplificador. Las pequeñas variaciones de
la tensión que se producen en la rejilla, como las generadas por una señal de radio o
de sonido, pueden provocar grandes variaciones en el flujo de electrones desde el
cátodo hacia el ánodo y, en consecuencia, en el sistema de circuitos conectado al
ánodo.
2
Transistores
Los transistores se componen de semiconductores. Se trata de materiales, como el
silicio o el germanio, dopados (es decir, se les han incrustado pequeñas cantidades
de materias extrañas), de manera que se produce un exceso o una carencia de
electrones libres. En el primer caso, se dice que el semiconductor es del tipo n, y en
el segundo, que es del tipo p. Combinando materiales del tipo n y del tipo p se puede
producir un diodo. Cuando éste se conecta a una batería de manera tal que el
material tipo p es positivo y el material tipo n es negativo, los electrones son
repelidos desde el terminal negativo de la batería y pasan, sin ningún obstáculo, a la
región p, que carece de electrones. Con la batería invertida, los electrones que llegan
al material p pueden pasar sólo con muchas dificultades hacia el material n, que ya
está lleno de electrones libres, en cuyo caso la corriente es prácticamente cero.
El transistor bipolar fue inventado en 1948 para sustituir al tubo de vacío triodo. Está
formado por tres capas de material dopado, que forman dos uniones pn (bipolares)
con configuraciones pnp o npn. Una unión está conectada a la batería para permitir
el flujo de corriente (polarización negativa frontal, o polarización directa), y la otra
está conectada a una batería en sentido contrario (polarización inversa). Si se varía
la corriente en la unión de polarización directa mediante la adición de una señal, la
corriente de la unión de polarización inversa del transistor variará en consecuencia.
El principio se puede utilizar para construir amplificadores en los que una pequeña
señal aplicada a la unión de polarización directa provocará un gran cambio en la
corriente de la unión de polarización inversa.
Otro tipo de transistor es el de efecto campo (FET, acrónimo inglés de Field-Effect
Transistor), que funciona sobre la base del principio de repulsión o de atracción de
cargas debido a la superposición de un campo eléctrico. La amplificación de la
corriente se consigue de modo similar al empleado en el control de rejilla de un tubo
de vacío. Los transistores de efecto campo funcionan de forma más eficaz que los
bipolares, ya que es posible controlar una señal grande con una cantidad de energía
muy pequeña.
3
Circuitos integrados
La mayoría de los circuitos integrados son pequeños trozos, o chips, de silicio, de
entre 2 y 4 mm2, sobre los que se fabrican los transistores. La fotolitografía permite
al diseñador crear centenares de miles de transistores en un solo chip situando de
forma adecuada las numerosas regiones tipo n y p. Durante la fabricación, estas
regiones son interconectadas mediante conductores minúsculos, a fin de producir
circuitos especializados complejos. Estos circuitos integrados son llamados
monolíticos por estar fabricados sobre un único cristal de silicio. Los chips requieren
mucho menos espacio y potencia, y su fabricación es más barata que la de un
circuito equivalente compuesto por transistores individuales.
4
Reóstatos
Al conectar una batería a un material conductor, una determinada cantidad de
corriente fluirá a través de dicho material. Esta corriente depende de la tensión de la
batería, de las dimensiones de la muestra y de la conductividad del propio material.
Los reóstatos de resistencia conocida se emplean para controlar la corriente en los
circuitos electrónicos. Se elaboran con mezclas de carbono, láminas metálicas o hilo
de resistencia, y disponen de dos cables de conexión. Los reóstatos variables, con un
brazo de contacto deslizante y ajustable, se suelen utilizar para controlar el volumen
de aparatos de radio y televisión.
5
Condensadores
Los condensadores están formados por dos placas metálicas separadas por un
material aislante. Si se conecta una batería a ambas placas, durante un breve tiempo
fluirá una corriente eléctrica que se acumulará en cada una de ellas. Si se desconecta
la batería, el condensador conserva la carga y la tensión asociada a la misma. Las
tensiones rápidamente cambiantes, como las provocadas por una señal de sonido o
de radio, generan mayores flujos de corriente hacia y desde las placas; entonces, el
condensador actúa como conductor de la corriente alterna. Este efecto se puede
utilizar, por ejemplo, para separar una señal de sonido o de radio de una corriente
continua, a fin de conectar la salida de una fase de amplificación a la entrada de la
siguiente.
6
Inductores
Los inductores consisten en un hilo conductor enrollado en forma de bobina. Al pasar
una corriente a través de la bobina, alrededor de la misma se crea un campo
magnético que tiende a oponerse a los cambios bruscos de la intensidad de la
corriente (véase Inducción). Al igual que un condensador, un inductor se puede usar
para diferenciar entre señales rápida y lentamente cambiantes. Al utilizar un inductor
conjuntamente con un condensador, la tensión del inductor alcanza un valor máximo
a una frecuencia específica que depende de la capacitancia y de la inductancia. Este
principio se emplea en los receptores de radio al seleccionar una frecuencia
específica mediante un condensador variable.
7
Dispositivos de detección y transductores
La medición de magnitudes mecánicas, térmicas, eléctricas y químicas se realiza
empleando dispositivos denominados sensores y transductores. El sensor es sensible
a los cambios de la magnitud a medir, como una temperatura, una posición o una
concentración química. El transductor convierte estas mediciones en señales
eléctricas, que pueden alimentar a instrumentos de lectura, registro o control de las
magnitudes medidas. Los sensores y transductores pueden funcionar en ubicaciones
alejadas del observador, así como en entornos inadecuados o impracticables para los
seres humanos.
Algunos dispositivos actúan de forma simultánea como sensor y transductor. Un
termopar consta de dos uniones de diferentes metales que generan una pequeña
tensión que depende del diferencial térmico entre las uniones (véase
Termoelectricidad). El termistor es un reóstato especial, cuya resistencia varía según
la temperatura. Un reóstato variable puede convertir el movimiento mecánico en
señal eléctrica. Para medir distancias se emplean condensadores de diseño especial,
y para detectar la luz se utilizan fotocélulas (véase Célula fotoeléctrica). Para medir
velocidades, aceleraciones o flujos de líquidos se recurre a otro tipo de dispositivos.
En la mayoría de los casos, la señal eléctrica es débil y debe ser amplificada por un
circuito electrónico.
4
CIRCUITOS DE ALIMENTACIÓN ELÉCTRICA
La mayoría de los equipos electrónicos requieren tensiones de c.c. para su
funcionamiento. Estas tensiones pueden ser suministradas por baterías o por fuentes
de alimentación internas que convierten la corriente alterna, que se puede obtener
de la red eléctrica que llega a cada vivienda, en tensiones reguladas de c.c. El primer
elemento de una fuente de alimentación de c.c. interna es el transformador, que
eleva o disminuye la tensión de entrada a un nivel adecuado para el funcionamiento
del equipo. La función secundaria del transformador es servir como aislamiento de
masa (conexión a tierra) eléctrica del dispositivo a fin de reducir posibles peligros de
electrocución. A continuación del transformador se sitúa un rectificador, que suele
ser un diodo. En el pasado se utilizaban diodos de vacío y una amplia variedad de
diferentes materiales (cristales de germanio o sulfato de cadmio) en los
rectificadores de baja potencia empleados en los equipos electrónicos. En la
actualidad se emplean casi exclusivamente rectificadores de silicio debido a su bajo
coste y alta fiabilidad.
Las fluctuaciones y ondulaciones superpuestas a la tensión de c.c. rectificada
(percibidas como un zumbido en los amplificadores de sonido defectuosos) pueden
filtrarse mediante un condensador. Cuanto más grande sea el condensador, menor
será el nivel de fluctuación de la tensión. Es posible alcanzar un control más exacto
sobre los niveles y fluctuaciones de tensión mediante un regulador de tensión, que
también consigue que las tensiones internas sean independientes de las
fluctuaciones que se puedan encontrar en un artefacto eléctrico. Un sencillo
regulador de tensión que se utiliza a menudo es el diodo de Zener, formado por un
diodo de unión pn de estado sólido que actúa como aislante hasta una tensión
predeterminada. Por encima de dicha tensión, se convierte en un conductor que
deriva los excesos de tensión. Por lo general, los reguladores de tensión más
sofisticados se construyen como circuitos integrados.
5
CIRCUITOS AMPLIFICADORES
Los amplificadores electrónicos se utilizan sobre todo para aumentar la tensión, la
corriente o la potencia de una señal. Los amplificadores lineales incrementan la señal
sin distorsionarla (o distorsionándola mínimamente), de manera que la salida es
proporcional a la entrada. Los amplificadores no lineales permiten generar un cambio
considerable en la forma de onda de la señal. Los amplificadores lineales se utilizan
para señales de sonido y vídeo, mientras que los no lineales se emplean en
osciladores, dispositivos electrónicos de alimentación, moduladores, mezcladores,
circuitos lógicos y demás aplicaciones en las que se requiere una reducción de la
amplitud. Aunque los tubos de vacío tuvieron gran importancia en los amplificadores,
hoy día se suelen utilizar circuitos de transistores discretos o circuitos integrados.
1
Amplificadores de sonido
Los amplificadores de sonido, de uso común en radios, televisiones y grabadoras de
cintas, suelen funcionar a frecuencias inferiores a los 20 kilohercios (1 kHz = 1.000
ciclos por segundo). Amplifican la señal eléctrica que, a continuación, se convierte en
sonido con un altavoz. Los amplificadores operativos, incorporados en circuitos
integrados y formados por amplificadores lineales multifásicos acoplados a la
corriente continua, son muy populares como amplificadores de sonido.
2
Amplificadores de vídeo
Los amplificadores de vídeo se utilizan principalmente para señales con un rango de
frecuencias de hasta 6 megahercios (1 MHz = 1 millón de ciclos por segundo). La
señal generada por el amplificador se convierte en la información visual que aparece
en la pantalla de televisión, y la amplitud de señal regula el brillo de los puntos que
forman la imagen. Para realizar esta función, un amplificador de vídeo debe
funcionar en una banda ancha y amplificar de igual manera todas las señales, con
baja distorsión. Véase Grabación de vídeo.
3
Amplificadores de radiofrecuencia
Estos amplificadores aumentan el nivel de señal de los sistemas de comunicaciones
de radio o televisión. Por lo general, sus frecuencias van desde 100 kHz hasta 1
gigahercio (1 GHz = 1.000 millones de ciclos por segundo), y pueden llegar incluso al
rango de frecuencias de microondas.
6
OSCILADORES
Los osciladores constan de un amplificador y de algún tipo de retroalimentación: la
señal de salida se reconduce a la entrada del amplificador. Los elementos
determinantes de la frecuencia pueden ser un circuito de inductancia-capacitancia
sintonizado o un cristal vibrador. Los osciladores controlados por cristal ofrecen
mayor precisión y estabilidad. Los osciladores se emplean para producir señales de
sonido y de radio con una amplia variedad de usos. Por ejemplo, los osciladores
sencillos de radiofrecuencia se emplean en los teléfonos modernos de botones para
transmitir datos a la estación telefónica central al marcar un número. Los tonos de
sonido generados por los osciladores también se pueden encontrar en relojes
despertadores, radios, instrumentos electrónicos, computadoras y sistemas de
alarma. Los osciladores de alta frecuencia se emplean en equipos de comunicaciones
para controlar las funciones de sintonización y detección de señales. Las emisoras de
radio y de televisión utilizan osciladores de alta frecuencia y de gran precisión para
generar las frecuencias de transmisión.
7
CIRCUITOS DE CONMUTACIÓN Y TEMPORIZACIÓN
Los circuitos de conmutación y temporización, o circuitos lógicos, forman la base de
cualquier dispositivo en el que se tengan que seleccionar o combinar señales de
manera controlada. Entre los campos de aplicación de estos circuitos se pueden
mencionar la conmutación telefónica, las transmisiones por satélite y el
funcionamiento de las computadoras digitales.
La lógica digital es un proceso racional para adoptar sencillas decisiones de
“verdadero” o “falso” basadas en las reglas del álgebra de Boole. Verdadero puede
estar representado por un 1, y falso por un 0, y en los circuitos lógicos estos
numerales aparecen como señales de dos tensiones diferentes. Los circuitos lógicos
se utilizan para adoptar decisiones específicas de “verdadero-falso” sobre la base de
la presencia de múltiples señales “verdadero-falso” en las entradas. Las señales se
pueden generar por conmutadores mecánicos o por transductores de estado sólido.
La señal de entrada, una vez aceptada y acondicionada (para eliminar las señales
eléctricas indeseadas, o ruidos), es procesada por los circuitos lógicos digitales. Las
diversas familias de dispositivos lógicos digitales, por lo general circuitos integrados,
ejecutan una variedad de funciones lógicas a través de las llamadas puertas lógicas,
como las puertas OR, AND y NOT y combinaciones de las mismas (como NOR, que
incluye a OR y a NOT). Otra familia lógica muy utilizada es la lógica transistortransistor. También se emplea la lógica de semiconductor complementario de óxido
metálico, que ejecuta funciones similares a niveles de potencia muy bajos pero a
velocidades de funcionamiento ligeramente inferiores. Existen también muchas otras
variedades de circuitos lógicos, incluyendo la hoy obsoleta lógica reóstato-transistor
y la lógica de acoplamiento por emisor, utilizada para sistemas de muy altas
velocidades.
Los bloques elementales de un dispositivo lógico se denominan puertas lógicas
digitales. Una puerta Y (AND) tiene dos o más entradas y una única salida. La salida
de una puerta Y es verdadera sólo si todas las entradas son verdaderas. Una puerta
O (OR) tiene dos o más entradas y una sola salida. La salida de una puerta O es
verdadera si cualquiera de las entradas es verdadera, y es falsa si todas las entradas
son falsas. Una puerta INVERSORA (INVERTER) tiene una única entrada y una única
salida, y puede convertir una señal verdadera en falsa, efectuando de esta manera la
función negación (NOT). A partir de las puertas elementales se pueden construir
circuitos lógicos más complicados, entre los que cabe mencionar los circuitos
biestables (también llamados flip-flops, que son interruptores binarios), contadores,
comparadores, sumadores, y combinaciones más complejas.
En general, para ejecutar una determinada función es necesario conectar grandes
cantidades de elementos lógicos en circuitos complejos. En algunos casos se utilizan
microprocesadores para efectuar muchas de las funciones de conmutación y
temporización de los elementos lógicos individuales. Los procesadores están
específicamente programados con instrucciones individuales para ejecutar una
determinada tarea o tareas. Una de las ventajas de los microprocesadores es que
permiten realizar diferentes funciones lógicas, dependiendo de las instrucciones de
programación almacenadas. La desventaja de los microprocesadores es que
normalmente funcionan de manera secuencial, lo que podría resultar demasiado
lento para algunas aplicaciones. En tales casos se emplean circuitos lógicos
especialmente diseñados.
8
AVANCES RECIENTES
El desarrollo de los circuitos integrados ha revolucionado los campos de las
comunicaciones, la gestión de la información y la informática. Los circuitos
integrados han permitido reducir el tamaño de los dispositivos con el consiguiente
descenso de los costes de fabricación y de mantenimiento de los sistemas. Al mismo
tiempo, ofrecen mayor velocidad y fiabilidad. Los relojes digitales, las computadoras
portátiles y los juegos electrónicos son sistemas basados en microprocesadores. Otro
avance importante es la digitalización de las señales de sonido, proceso en el cual la
frecuencia y la amplitud de una señal de sonido se codifica digitalmente mediante
técnicas de muestreo adecuadas, es decir, técnicas para medir la amplitud de la
señal a intervalos muy cortos. La música grabada de forma digital, como la de los
discos compactos, se caracteriza por una fidelidad que no era posible alcanzar con
los métodos de grabación directa.
La electrónica médica ha progresado desde la tomografía axial computerizada (TAC)
hasta llegar a sistemas que pueden diferenciar aún más los órganos del cuerpo
humano. Se han desarrollado asimismo dispositivos que permiten ver los vasos
sanguíneos y el sistema respiratorio. También la alta definición promete sustituir a
numerosos procesos fotográficos al eliminar la necesidad de utilizar plata.
La investigación actual dirigida a aumentar la velocidad y capacidad de las
computadoras se centra sobre todo en la mejora de la tecnología de los circuitos
integrados y en el desarrollo de componentes de conmutación aún más rápidos. Se
han construido circuitos integrados a gran escala que contienen varios millones de
componentes en un solo chip. Se han llegado a fabricar computadoras que alcanzan
altísimas velocidades en las cuales los semiconductores son reemplazados por
circuitos superconductores que utilizan las uniones de Josephson (véase Efecto
Josephson) y que funcionan a temperaturas próximas al cero absoluto.
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Transformador
1
INTRODUCCIÓN
Transformador, dispositivo eléctrico que consta de una bobina de cable situada junto
a una o varias bobinas más, y que se utiliza para unir dos o más circuitos de
corriente alterna (CA) aprovechando el efecto de inducción entre las bobinas ( véase
Electricidad). La bobina conectada a la fuente de energía se llama bobina primaria.
Las demás bobinas reciben el nombre de bobinas secundarias. Un transformador
cuyo voltaje secundario sea superior al primario se llama transformador elevador. Si
el voltaje secundario es inferior al primario este dispositivo recibe el nombre de
transformador reductor. El producto de intensidad de corriente por voltaje es
constante en cada juego de bobinas, de forma que en un transformador elevador el
aumento de voltaje de la bobina secundaria viene acompañado por la
correspondiente disminución de corriente.
2
TRANSFORMADORES DE POTENCIA
Son grandes dispositivos usados en los sistemas de generación y transporte de
electricidad y en pequeñas unidades electrónicas (véase Electrónica). Los
transformadores de potencia industriales y domésticos, que operan a la frecuencia de
la red eléctrica, pueden ser monofásicos o trifásicos y están diseñados para trabajar
con voltajes y corrientes elevados. Para que el transporte de energía resulte rentable
es necesario que en la planta productora de electricidad un transformador eleve los
voltajes, reduciendo con ello la intensidad. Las pérdidas ocasionadas por la línea de
alta tensión son proporcionales al cuadrado de la intensidad de corriente por la
resistencia del conductor. Por tanto, para la transmisión de energía eléctrica a larga
distancia se utilizan voltajes elevados con intensidades de corriente reducidas. En el
extremo receptor los transformadores reductores reducen el voltaje, aumentando la
intensidad, y adaptan la corriente a los niveles requeridos por las industrias y las
viviendas, normalmente alrededor de los 240 voltios. Los transformadores de
potencia deben ser muy eficientes y deben disipar la menor cantidad posible de
energía en forma de calor durante el proceso de transformación. Las tasas de
eficacia se encuentran normalmente por encima del 99% y se obtienen utilizando
aleaciones especiales de acero para acoplar los campos magnéticos inducidos entre
las bobinas primaria y secundaria. Una disipación de tan sólo un 0,5% de la potencia
de un gran transformador genera enormes cantidades de calor, lo que hace
necesario el uso de dispositivos de refrigeración. Los transformadores de potencia
convencionales se instalan en contenedores sellados que disponen de un circuito de
refrigeración que contiene aceite u otra sustancia. El aceite circula por el
transformador y disipa el calor mediante radiadores exteriores.
3
ELECTRÓNICA
En el campo de la electrónica se suelen utilizar con más frecuencia transformadores
con capacidades de alrededor de 1 kilovatio antes de los rectificadores, que a su vez
proporcionan corriente continua (CC) al equipo. Estos transformadores electrónicos
de energía se fabrican normalmente con bloques de láminas de aleación de acero,
llamadas laminaciones, alrededor de las cuales se instalan las bobinas de hilo de
cobre. Los transformadores a niveles de entre 1 y 100 vatios se usan principalmente
como transformadores reductores, para acoplar circuitos electrónicos a los altavoces
de equipos de radio, televisión y alta fidelidad (véase Grabación de sonido y
reproducción). Conocidos como transformadores de audio, estos dispositivos utilizan
sólo una pequeña fracción de su potencia nominal para la producción de señales en
las frecuencias audibles, con un nivel de distorsión mínimo. Los transformadores se
valoran según su capacidad de reproducción de frecuencias de ondas audibles (entre
20 Hz y 25 KHz) con distorsiones mínimas a lo largo de todo el espectro de sonido
(véase Frecuencia; Sonido).
A niveles de potencia por debajo de un milivatio, los transformadores se utilizan
sobre todo para acoplar frecuencias extremadamente elevadas (UHF), frecuencias
muy altas (VHF), frecuencias de radio (RF) y frecuencias intermedias (IF), así como
para aumentar su voltaje. Estos transformadores de alta frecuencia operan por lo
general en circuitos sintonizados o resonantes, en los que se utiliza la sintonización
para eliminar ruidos eléctricos no deseados cuyas frecuencias se encuentran fuera
del rango de transmisión deseado.
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Rectificación
Rectificación, proceso que convierte una corriente eléctrica alterna —que circula
alternativamente en un sentido u otro de un circuito— en una corriente continua, que
sólo fluye en un sentido. Para ello se inserta en el circuito un dispositivo conocido
como rectificador, que sólo permite que pase corriente en un sentido, bloqueando la
corriente en el otro.
La rectificación se lleva a cabo en todos los rangos de potencia eléctrica, desde
milésimas de vatio en la detección de señales de radio de amplitud modulada hasta
miles de kilovatios en el funcionamiento de maquinaria pesada eléctrica. Los
primeros rectificadores comerciales convertían corriente alterna en continua para
alimentar motores eléctricos y se llamaban conmutadores mecánicos. En la
actualidad, la mayor parte de la rectificación se lleva a cabo mediante dispositivos
electrónicos, como combinaciones de diodos, tubo de vacío y rectificadores de arco
de mercurio. (Véase Diodo; Tubo de vacío).
La mayoría de los rectificadores mecánicos están formados por un conmutador
giratorio sincronizado con la corriente, dispuesto de forma que sólo conduzca la
corriente en un sentido. Pueden diseñarse y fabricarse rectificadores mecánicos que
manejan corrientes intensas (hasta miles de amperios) con tensiones de varios miles
de voltios; estos rectificadores todavía se utilizan en la maquinaria eléctrica pesada.
Los rectificadores electrónicos conducen corriente sólo en un sentido mediante el
movimiento de cargas eléctricas dentro del dispositivo. Pueden soportar corrientes de
hasta 500 amperios y tensiones de hasta 1.000 voltios, por lo que pueden competir
con los rectificadores mecánicos en muchas aplicaciones de potencia. En las
aplicaciones de baja tensión, como en los equipos electrónicos, se emplean casi
exclusivamente rectificadores de tubo de vacío o de semiconductores.
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Semiconductor
1
INTRODUCCIÓN
Semiconductor, material sólido o líquido capaz de conducir la electricidad mejor que
un aislante, pero peor que un metal. La conductividad eléctrica, que es la capacidad
de conducir la corriente eléctrica cuando se aplica una diferencia de potencial, es una
de las propiedades físicas más importantes. Ciertos metales, como el cobre, la plata
y el aluminio son excelentes conductores. Por otro lado, ciertos aislantes como el
diamante o el vidrio son muy malos conductores. A temperaturas muy bajas, los
semiconductores puros se comportan como aislantes. Sometidos a altas
temperaturas, mezclados con impurezas o en presencia de luz, la conductividad de
los semiconductores puede aumentar de forma espectacular y llegar a alcanzar
niveles cercanos a los de los metales. Las propiedades de los semiconductores se
estudian en la física del estado sólido.
2
ELECTRONES DE CONDUCCIÓN Y HUECOS
Entre los semiconductores comunes se encuentran elementos químicos y
compuestos, como el silicio, el germanio, el selenio, el arseniuro de galio, el
seleniuro de cinc y el telururo de plomo. El incremento de la conductividad provocado
por los cambios de temperatura, la luz o las impurezas se debe al aumento del
número de electrones conductores que transportan la corriente eléctrica. En un
semiconductor característico o puro como el silicio, los electrones de valencia (o
electrones exteriores) de un átomo están emparejados y son compartidos por otros
átomos para formar un enlace covalente que mantiene al cristal unido. Estos
electrones de valencia no están libres para transportar corriente eléctrica. Para
producir electrones de conducción, se utiliza la luz o la temperatura, que excita los
electrones de valencia y provoca su liberación de los enlaces, de manera que pueden
transmitir la corriente. Las deficiencias o huecos que quedan contribuyen al flujo de
la electricidad (se dice que estos huecos transportan carga positiva). Éste es el
origen físico del incremento de la conductividad eléctrica de los semiconductores a
causa de la temperatura.
3
DOPAR
Otro método para obtener electrones para el transporte de electricidad consiste en
añadir impurezas al semiconductor o doparlo. La diferencia del número de electrones
de valencia entre el material dopante (tanto si acepta como si confiere electrones) y
el material receptor hace que crezca el número de electrones de conducción
negativos (tipo n) o positivos (tipo p). Este concepto se ilustra en el diagrama que se
muestra a continuación, que representa un cristal de silicio dopado. Cada átomo de
silicio tiene cuatro electrones de valencia (representados mediante puntos). Se
requieren dos para formar el enlace covalente. En el silicio tipo n, un átomo como el
del fósforo (P), con cinco electrones de valencia, reemplaza al silicio y proporciona
electrones adicionales. En el silicio tipo p, los átomos de tres electrones de valencia
como el aluminio (Al) provocan una deficiencia de electrones o huecos que se
comportan como electrones positivos. Los electrones o los huecos pueden conducir la
electricidad.
Cuando ciertas capas de semiconductores tipo p y tipo n son adyacentes, forman un
diodo de semiconductor, y la región de contacto se llama unión pn. Un diodo es un
dispositivo de dos terminales que tiene una gran resistencia al paso de la corriente
eléctrica en una dirección y una baja resistencia en la otra. Las propiedades de
conductividad de la unión pn dependen de la dirección del voltaje, que puede a su
vez utilizarse para controlar la naturaleza eléctrica del dispositivo. Algunas series de
estas uniones se usan para hacer transistores y otros dispositivos semiconductores
como células solares, láseres de unión pn y rectificadores. Véase Electrónica; Energía
solar.
Los dispositivos semiconductores tienen muchas aplicaciones en la ingeniería
eléctrica. Los últimos avances de la ingeniería han producido pequeños chips
semiconductores que contienen cientos de miles de transistores. Estos chips han
hecho posible un enorme grado de miniaturización en los dispositivos electrónicos. La
aplicación más eficiente de este tipo de chips es la fabricación de circuitos de
semiconductores de metal-óxido complementario o CMOS, que están formados por
parejas de transistores de canal p y n controladas por un solo circuito. Además, se
están fabricando dispositivos extremadamente pequeños utilizando la técnica
epitaxial de haz molecular.
Véase Ordenador o computadora; Circuito integrado; Microprocesador.
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Medidores eléctricos
1
INTRODUCCIÓN
Medidores eléctricos, instrumentos que miden magnitudes eléctricas, como
intensidad de corriente, carga, potencial, energía, resistencia eléctrica, capacidad e
inductancia. El resultado de estas medidas se expresa normalmente en una unidad
eléctrica estándar: amperios, culombios, voltios, julios, ohmios, faradios o henrios
(véase Unidades eléctricas). Dado que todas las formas de la materia presentan una
o más características eléctricas es posible tomar mediciones eléctricas de un elevado
número de fuentes.
2
MECANISMOS BÁSICOS DE LOS MEDIDORES
Las magnitudes eléctricas no se pueden medir por observación directa y por ello se
utiliza alguna propiedad de la electricidad para producir una fuerza física susceptible
de ser detectada y medida. Por ejemplo, en el galvanómetro, uno de los primeros
instrumentos de medida que se inventó, la fuerza que se produce entre un campo
magnético y una bobina por la que circula una corriente eléctrica produce una
desviación de la bobina. Dado que la desviación es proporcional a la intensidad de la
corriente se utiliza una escala calibrada para medir la intensidad de la corriente
eléctrica. La acción electromagnética entre corrientes, la fuerza entre cargas
eléctricas y el calentamiento provocado por una resistencia conductora son algunas
de las propiedades de la electricidad utilizadas para obtener mediciones analógicas.
3
CALIBRACIÓN DE LOS MEDIDORES
Para garantizar la uniformidad y la precisión de las medidas de los medidores
eléctricos se calibran de acuerdo con los patrones de medida aceptados para una
determinada unidad eléctrica, como el ohmio, el amperio, el voltio o el vatio.
4
PATRONES PRINCIPALES Y MEDIDAS ABSOLUTAS
Los patrones principales del ohmio y el amperio se basan en definiciones de estas
unidades aceptadas a nivel internacional y basadas en la masa, la longitud del
conductor y el tiempo. Las técnicas de medición que utilizan estas unidades básicas
son precisas y reproducibles. Por ejemplo, las medidas absolutas de amperios
implican la utilización de una especie de balanza que mide la fuerza que se produce
entre un conjunto de bobinas fijas y una bobina móvil. Estas mediciones absolutas de
intensidad de corriente y diferencia de potencial tienen su aplicación principal en el
laboratorio, mientras que en la mayoría de los casos se utilizan medidas relativas.
Todos los medidores que se describen en los párrafos siguientes permiten hacer
lecturas relativas.
5
MEDIDORES DE CORRIENTE
1
Galvanómetros
Los galvanómetros son los instrumentos principales para detectar el paso de una
corriente eléctrica y para medir su intensidad. El mecanismo del galvanómetro está
diseñado de forma que un imán permanente o un electroimán produce un campo
magnético que genera una fuerza en una bobina cercana al imán cuando por ésta
circula una corriente eléctrica. El elemento móvil puede ser el imán o la bobina. La
fuerza inclina el elemento móvil en un grado proporcional a la intensidad de la
corriente.
En los galvanómetros de imán móvil se aprovecha el par de fuerzas que ejerce la
corriente estudiada sobre un pequeño imán móvil. En los galvanómetros de cuadro
móvil se utiliza la acción de un imán fijo sobre una bobina móvil recorrida por una
corriente desconocida.
Un ejemplo de galvanómetro de cuadro móvil es el galvanómetro de inclinación de
D´Arsonval. En este galvanómetro la corriente que se trata de medir circula por una
bobina formada por varias espiras de alambre muy fino, que puede girar en el campo
de un imán por estar suspendida de un alambre muy delgado. Cuando una corriente
eléctrica circula por esta bobina experimenta la acción de un par de fuerzas
proporcional a la corriente. Este par hace girar la bobina hasta que se equilibra por el
par recuperador proporcionado por el alambre al retorcerse. El ángulo de giro se
mide por la desviación experimentada por un haz luminoso que incide sobre un
pequeño espejo unido a la bobina móvil y que es reflejado hacia un dial.
Los galvanómetros tienen denominaciones distintas según la magnitud de la
corriente que pueden medir.
2
Amperímetros
Para que un galvanómetro funcione como amperímetro hay que tener en cuenta que
por el fino hilo de la bobina de un galvanómetro sólo puede circular una intensidad
de corriente pequeña. Si hay que medir intensidades mayores, se acopla una
derivación de baja resistencia, denominada shunt, a los terminales del medidor. La
mayor parte de la corriente pasa por la resistencia de la derivación, pero la pequeña
cantidad que fluye por el medidor sigue siendo proporcional a la intensidad total. Al
utilizar esta proporcionalidad, el galvanómetro se puede emplear para medir
intensidades de varios cientos de amperios.
Un microamperímetro está calibrado en millonésimas de amperio y un
miliamperímetro en milésimas de amperio.
3
Galvanómetros de corriente alterna: electrodinamómetros y
galvanómetros de resonancia
Los galvanómetros convencionales no se pueden emplear para medir corrientes
alternas porque las oscilaciones de la corriente producirían una inclinación en las dos
direcciones.
Una variante del galvanómetro, el electrodinamómetro, se puede utilizar para medir
corrientes alternas mediante una inclinación electromagnética. Este medidor contiene
una bobina fija situada en serie con una bobina móvil, que se utiliza en lugar del
imán permanente del galvanómetro. Dado que la corriente de la bobina fija y la
móvil se invierte en el mismo momento, la inclinación de la bobina móvil tiene lugar
siempre en el mismo sentido, produciéndose una medición constante de la
intensidad. El electrodinamómetro también sirve para medir corrientes continuas.
El galvanómetro de resonancia es un galvanómetro de cuadro móvil que se utiliza
para detectar y medir corrientes alternas muy débiles. Las características del aparato
se eligen de manera que el cuadro móvil tenga un periodo de oscilación igual al de la
corriente estudiada para que el galvanómetro entre en resonancia con la corriente.
4
Medidores de termopar
Para medir corrientes alternas de alta frecuencia se utilizan medidores que dependen
del efecto calorífico de la corriente. En los medidores de termopar se hace pasar la
corriente por un hilo fino que calienta la unión del termopar. La electricidad generada
por el termopar se mide con un galvanómetro convencional. En los medidores de hilo
incandescente la corriente pasa por un hilo fino que se calienta y se estira. El hilo
está unido a un puntero móvil que se desplaza por una escala calibrada en amperios.
Véase Termoelectricidad.
6
MEDICIÓN DEL VOLTAJE
El instrumento más utilizado para medir la diferencia de potencial (voltaje) es un
galvanómetro que cuenta con una gran resistencia unida en serie a la bobina.
Cuando se conecta un medidor de este tipo a una batería o a dos puntos de un
circuito eléctrico entre los que existe una diferencia de potencial, circula una cantidad
reducida de corriente (limitada por la resistencia en serie) a través del medidor. La
corriente es proporcional al voltaje, que se puede medir si el galvanómetro se calibra
para ello. Cuando se usa el tipo adecuado de resistencias en serie, un galvanómetro
sirve para medir niveles muy distintos de voltajes. El instrumento más preciso para
medir una fuerza electromotriz es el potenciómetro, que mide esta magnitud al
compararla con una fuerza electromotriz variable y de valor conocido, opuesta a la
que se quiere medir.
Para medir voltajes de corriente alterna se utilizan medidores de alterna con alta
resistencia interior, o medidores similares con una fuerte resistencia en serie.
Los demás métodos de medición del voltaje utilizan tubos de vacío y circuitos
electrónicos y resultan muy útiles para hacer mediciones a altas frecuencias. Un
dispositivo de este tipo es el voltímetro de tubo de vacío. En la forma más simple de
este tipo de voltímetro se rectifica una corriente alterna en un tubo de diodo y se
mide la corriente rectificada con un galvanómetro convencional. Otros voltímetros de
este tipo utilizan las características amplificadoras de los tubos de vacío para medir
voltajes muy bajos. El osciloscopio de rayos catódicos se emplea también para hacer
mediciones de voltaje, ya que la inclinación del haz de electrones es proporcional al
voltaje aplicado a las placas o electrodos del tubo.
7
OTROS TIPOS DE MEDICIONES
1
Puente de Wheatstone
Las mediciones más precisas de la resistencia se obtienen con un circuito llamado
puente de Wheatstone, en honor al físico británico Charles Wheatstone. Este circuito
consiste en tres resistencias conocidas y una resistencia desconocida, conectadas
entre sí en forma de diamante. Se aplica una corriente continua a través de dos
puntos opuestos del diamante y se conecta un galvanómetro como detector de cero
a los otros dos puntos. Cuando todas las resistencias se nivelan, las corrientes que
circulan por los dos brazos del circuito se igualan, lo que elimina el paso de corriente
por el galvanómetro. Variando el valor de una de las resistencias conocidas, el
puente se puede ajustar a cualquier valor de la resistencia desconocida, que se
calcula a partir de los valores de las otras resistencias. Se emplean puentes de este
tipo para medir la inductancia y la capacitancia de los componentes de un circuito.
Para ello se sustituyen las resistencias por inductancias y capacitancias conocidas.
Estos puentes se suelen denominar puentes de corriente alterna porque se utilizan
fuentes de corriente alterna en lugar de corriente continua. A menudo los puentes se
nivelan con un timbre en vez de un galvanómetro, que cuando el puente no está
nivelado emite un sonido que corresponde a la frecuencia de la fuente de corriente
alterna; cuando se ha nivelado no se escucha ningún tono.
2
Vatímetros
La potencia consumida por cualquiera de las partes de un circuito se mide con un
vatímetro, un instrumento parecido al electrodinamómetro. El vatímetro tiene su
bobina fija dispuesta de forma que la atraviese toda la intensidad del circuito,
mientras que la bobina móvil se conecta en serie con una resistencia grande y sólo
deja pasar una parte proporcional del voltaje de la fuente. La inclinación resultante
de la bobina móvil depende tanto de la intensidad como del voltaje y se puede
calibrar directamente en vatios, ya que la potencia es el producto del voltaje y la
intensidad de la corriente.
3
Contadores de servicio
El contador de servicio es un dispositivo que mide la energía total consumida en un
circuito eléctrico doméstico. Es parecido al vatímetro, pero se diferencia de éste en
que la bobina móvil se reemplaza por un rotor. El rotor, controlado por un regulador
magnético, gira a una velocidad proporcional a la cantidad de potencia consumida. El
eje del rotor está conectado con engranajes a un conjunto de indicadores que
registran el consumo total en vatios por hora.
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