Fundamentos de Electricidad y Electrónica: Componentes, Magnitudes y Leyes

Fundamentos de la Electricidad y la Materia

La materia está compuesta de partículas pequeñas llamadas moléculas. A su vez, las moléculas están formadas por partículas más pequeñas llamadas átomos. Los átomos, por su parte, están constituidos por partículas subatómicas: neutrones, protones y electrones.

La energía eléctrica se basa en los fenómenos físicos relacionados con los electrones. El átomo se compone de:

• Núcleo: Contiene protones y neutrones, que permanecen inmóviles.
• Órbitas: Electrones que giran alrededor del núcleo en órbitas.

Un átomo, en estado neutro, tiene el mismo número de protones, neutrones y electrones, manteniendo un equilibrio eléctrico. Cuando un átomo pierde o gana electrones, se convierte en un ion:

• Catión: Átomo con menos electrones de lo normal (carga positiva).
• Anión: Átomo con más electrones de lo normal (carga negativa).

Los electrones en movimiento constituyen la carga eléctrica. Un circuito eléctrico es un recorrido cerrado por el que circulan electrones. Está formado por cinco elementos principales:

1. Generador: Suministra energía.
2. Receptores: Transforman la energía eléctrica.
3. Conductores: Transportan la corriente (cables).
4. Elementos de control: Permiten o interrumpen el paso de la corriente (interruptores).
5. Elementos de seguridad: Protegen el circuito (fusibles, magnetotérmicos, diferenciales).

Tipos de Materiales en Electricidad

• Conductores: Permiten el flujo de electrones (cobre, aluminio).
• Aislantes: Impiden el flujo de electrones.
• Semiconductores: Su conductividad puede controlarse.
• Superconductores: Ofrecen resistencia nula al flujo de electrones bajo ciertas condiciones.

Componentes de un Circuito Eléctrico

• Generador eléctrico: Suministra energía a los electrones para que se transporten (P.S - Power Supply).
• Receptores: Pueden ser de corriente alterna (AC) o corriente continua (DC). Transforman la energía eléctrica en otro tipo de energía.
• Conductores: Materiales (generalmente metales como cobre y aluminio) por donde los electrones transportan la energía al receptor.
• Elementos de control: Permiten o interrumpen el paso de los electrones (interruptores, pulsadores, etc.). Se les conoce comúnmente como "switches".
• Elementos de seguridad: Fusibles, magnetotérmicos y diferenciales.

Magnitudes Eléctricas

• Resistencia (R): Oposición al paso de la corriente eléctrica. Su unidad es el Ohmio (Ω), en honor a Georg Simon Ohm.
• Intensidad (I): Cantidad de electrones (cargas eléctricas) que circulan por un circuito en la unidad de tiempo. Su unidad es el Amperio (A), en honor a André-Marie Ampère. 1 culombio = 6.24 x 10¹⁸ electrones (Charles-Augustin de Coulomb). Fórmula: I = Q/t
• Voltaje (V): También llamado diferencia de potencial. Es la diferencia de potencial eléctrico entre dos puntos de un circuito. Su unidad es el Voltio (V), en honor a Alessandro Volta. El voltaje del generador se denomina "fuerza electromotriz" (FEM).
• Potencial eléctrico: Nivel energético en cada punto de un circuito. Su símbolo es V y su unidad es el Voltio (V).

Ley de Ohm

La Ley de Ohm establece la relación entre voltaje, corriente y resistencia: I = V/R

Múltiplos y Submúltiplos

Se utilizan prefijos para expresar magnitudes muy grandes o muy pequeñas:

Múltiplos:

• Deca (D): 10¹
• Hecto (H): 10²
• Kilo (K): 10³
• Mega (M): 10⁶
• Giga (G): 10⁹
• Tera (T): 10¹²
• Peta (P): 10¹⁵
• Exa (E): 10¹⁸
• Zetta (Z): 10²¹
• Yotta (Y): 10²⁴
• Ronna (R): 10²⁷
• Quetta (Q): 10³⁰

Submúltiplos:

• deci (d): 10^-1
• centi (c): 10^-2
• mili (m): 10^-3
• micro (µ): 10^-6
• nano (n): 10^-9
• pico (p): 10^-12
• femto (f): 10^-15
• atto (a): 10^-18
• zepto (z): 10^-21
• yocto (y): 10^-24
• ronto (r): 10^-27
• quecto (q): 10^-30

Sentido de la Corriente y Señales

Nota: La afirmación de que "Los electrones entran en el componente por el polo positivo y sale por el polo negativo" es incorrecta en el contexto del sentido convencional de la corriente. El sentido convencional de la corriente se define como el flujo de carga positiva, opuesto al flujo real de electrones.

Señal física: Representación gráfica del comportamiento de una magnitud física a lo largo del tiempo.

• Corriente Continua (DC): Valor constante en el tiempo y en el mismo sentido.
• Corriente Alterna (AC): Valor variable en el tiempo, con los electrones cambiando de sentido periódicamente. Este ciclo se repite en un tiempo llamado periodo (T).

Frecuencia (f): Número de veces que se repite un ciclo en un segundo. Se mide en Hercios (Hz). T = 1/f

Elementos Activos y Pasivos:

• Activos: Generadores.
• Pasivos: Receptores.

Fórmulas y Energía Eléctrica

Fórmulas para circuitos en serie:

1. I_GT = I_G1 = I_G2 = I_G3 = ... = I_GN
2. V_GT = V_G1 + V_G2 + V_G3 + ... + V_GN
3. R_GT = R_G1 + R_G2 + R_G3 + ... + R_GN
4. I_RT = V_RT / R_T
5. I = V / R

Energía Eléctrica:

• Potencia (P): P = V · I (Unidad: Vatio - W)
• Energía (E): E = P · t (Unidad: Julio - J, o vatio-segundo - Ws, o kilovatio-hora - kWh)

Otras formas de energía y sus unidades:

• Energía térmica: Caloría (cal)
• Energía luminosa: Lumen (lm)
• Energía sonora: Decibelio (dB)