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Curso de Instrumentación y Electrónica

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  • 1. CURSO DE ELECTRNICA BSICA E INSTRUMENTACINConcepto de electricidad Fenmeno fsico originado por las fuerzas de interaccin entre partculas subatmicasTema2: Introduccin a la electrnica11

2. CURSO DE ELECTRNICA BSICA E INSTRUMENTACINModelo atmico Consideramos que el tomo est compuesto de ncleo y corteza. Entre los electrones y protones se ejercen fuerzas de atraccin. Las fuerzas se deben a una propiedad denominada carga elctrica. Las cargas del electrn y del protn tienen el mismo valor, pero de signo opuesto. Electrn: Carga negativa (-) Protn: Carga positiva (+)En la regin del espacio donde se manifiestas las fuerzas sobre cargas elctricas, decimos que hay un Campo Elctrico.Tema2: Introduccin a la electrnica2Entre los protones y electrones se ejercen fuerzas mutuas, adems de las fuerzas gravitacionales. Estas fuerzas se explican adjudicando a los protones y electrones una propiedad denominada carga elctrica. Las cargas elctricas crean en el espacio que les rodea un campo elctrico. Al igual que la regin del espacio donde se manifiestan las fuerzas entre masas se denomina campo gravitatorio. A diferencia de las fuerzas gravitacionales, las fuerzas elctricas ocasionadas por las cargas elctricas pueden ser atractivas o repulsivas. Cualquier tomo de cualquier sustancia contiene el mismo nmero de protones que de neutrones, por lo que resulta elctricamente neutro. Cualquier tomo o sustancia es elctricamente neutra. Podemos valorar la magnitud del Campo Elctrico observando la fuerza ejercida sobre la unidad de carga: E=F/q , unidades N/C2 3. CURSO DE ELECTRNICA BSICA E INSTRUMENTACINFuerza entre cargas elctricas estticas De distinto signo se atraen: Del mismo signo se repelen:La magnitud de la fuerza entre las cargas fue deducida experimentalmente por Culomb. Valoramos la magnitud de un campo elctrico observando la fuerza que ejerce sobre la unidad de carga: F=q . E (N) Un Culombio es la cantidad de carga que a la distancia de 1m ejerce sobre otra cantidad de carga igual, la fuerza de 9 x 109 NTema2: Introduccin a la electrnica3El Campo Elctrico en un punto del espacio es la fuerza que experimenta por unidad de carga. E = F/q Si en un punto hay n cargas, la fuerza que experimentan es F=n.q.E Un cuerpo cargado es aquel que tiene un nmero de protones o electrones en exceso. En 1776 Charles Agustn de Coulomb (1736-1806) invent la balanza de torsin con la cual, midi con exactitud la fuerza entre las cargas elctricas y corrobor que dicha fuerza era proporcional al producto de las cargas individuales e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa. Ley de Culomb:La fuerza de atraccin o repulsin entre cuerpos cargados es directamente proporcional al producto de sus cargas, e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que los separa. La carga de un electrn o un protn es 1,601 E-10 Culombios La unidad de carga es el Culombio, y se define como la cantidad de carga por segundo que atraviesa una seccin de conductor por el cual circula una corriente constante de un amperio. En el sistema electrosttico, la unidad de carga se define como aquella que repele (o atrae) a otra con la fuerza de un 1 dina cuando ambas cargas estn separadas 1 centmetro.3 4. CURSO DE ELECTRNICA BSICA E INSTRUMENTACINEnerga QumicaElctricaEn fsica, llamamos Energa a la capacidad de obrar, transformar y poner en movimiento. Cuando esta capacidad se materializa, hablamos de realizacin de Trabajo.PotencialPara que haya trabajo debe existir desplazamiento, en caso contrario solo hay esfuerzo.La potencia es la facilidad que tiene un sistema para convertir energa en trabajo.Tema2: Introduccin a la electrnica4Todos los cuerpos, pueden poseer energa debido a su movimiento, a su composicin qumica, a su posicin, a su temperatura, a su masa y a algunas otras propiedades. En las diversas disciplinas de la fsica y la ciencia, se dan varias definiciones de energa, por supuesto todas coherentes y complementarias entre s, todas ellas siempre relacionadas con el concepto de trabajo. Las unidades de Trabajo son las de Fuerza x Distancia (N x m), y se denominan Julios. Tambin podemos expresar el trabajo en Caloras, Watios, Caballos de Vapor. Las unidades de potencia son unidades de trabajo en la unidad de tiempo (Caloras/hora, Watios/segundo, Kilowatios/hora, etc.) En electricidad la fuerza que desencadena el trabajo es la del campo elctrico, y el movimiento es el de los portadores de carga.4 5. CURSO DE ELECTRNICA BSICA E INSTRUMENTACINTensin Diferencia de Potencial A la diferencia del valor del campo elctrico que existe entre dos puntos, multiplicado por la distancia que los separa se la llama diferencia de potencial elctrica.(E1 E2 ) d = V - V2 1(Voltios)A la diferencia de potencial elctrico se la denomina Tensin Elctrica (V), se mide en Voltios. Entre dos puntos en los que existe una diferencia de potencial elctrico, tender a producirse un flujo de cargas elctricas.Esta diferencia de potencial representa el trabajo que hay que realizar para transportar la unidad de carga entre los dos puntos. Tema2: Introduccin a la electrnicaW = Fd W = q (E1 E2 ) d = q(V1 - V2 ) P=W tW q = E d = i (V1 - V 2 ) t t P = i (V1 V 2 )5La tensin elctrica de un punto respecto de otro punto, tambin denominada diferencia de potencial entre 2 puntos, representa el trabajo que hay que realizar sobre la unidad de carga elctrica para trasladarla entre los dos puntos de un campo elctrico. El trabajo por unidad de carga que hay que realizar, es el producto de la Fuerza por el desplazamiento (F x r)/q. Como resulta que la Fuerza por unidad de carga es el Campo Elctrico (E), resulta que el trabajo que hay que realizar para desplazar la unidad de carga entre dos puntos V1-V2 es igual a E x r, es decir, la diferencia de potencial. El flujo de cargas en un conductor metlico son electrones libres, que se mueven por la fuerza ejercida por un campo elctrico (diferencia de potencial o tensin). La unidad de tensin elctrica es el Voltio5 6. CURSO DE ELECTRNICA BSICA E INSTRUMENTACINCorriente elctrica Flujo de cargas elctricas en una direccin determinada por unidad de tiempo. Se mide en Amperios; 1 Amperio es igual al flujo de cargas en una seccin de material de un Culombio por segundo. Para que se produzca un flujo de cargas entre dos puntos, tiene que existir una diferencia de potencial elctrico entre ellos.El tipo y la geometra del material sobre el que se establezca este flujo de cargas (corriente elctrica) tiene mucha influencia sobre la magnitud de la corriente establecida. Tema2: Introduccin a la electrnica6Si dos puntos que tienen una diferencia de potencial se unen mediante un conductor, se producir un flujo de corriente elctrica. Parte de la carga que crea el punto de mayor potencial se trasladar a travs del conductor al punto de menor potencial y, en ausencia de una fuente externa (generador), esta corriente cesar cuando ambos puntos igualen su potencial elctrico (Ley de Henry). Este traslado de cargas es lo que se conoce como corriente elctrica. La corriente elctrica se establece porque los portadores de carga se desplazan en el seno del material. En funcin de la densidad volumtrica de portadores y de la velocidad de desplazamiento, se puede expresar la corriente elctrica como I=n.q.vd.A n=numero de portadores de carga por unidad de volumen Vd= velocidad de desplazamiento( hay que tener en cuenta que se producen numerosas colisiones que detienen el avance de los portadores de carga) q=carga de los portadores A= seccin del conductor El flujo de cargas en un electrolito son iones (positivos o negativos) Al ser flujo de cargas (Q) por unidad de tiempo(t), las unidades de Amperios y Culombios/segundo son equivalentes.6 7. CURSO DE ELECTRNICA BSICA E INSTRUMENTACINConductores y Aislantes Tema2: Introduccin a la electrnicaLos materiales se pueden clasificar segn la facilidad para ser recorridos por una corriente elctrica en Conductores Semiconductores AislantesEsta propiedad elctrica depende de los elementos que formen el material y del tipo de enlace qumico que presenten.7Dependiendo de la distancia interatmica y del nmero de electrones de enlace entre otros factores, pueden formarse distintos conjuntos de bandas que pueden estar llenas, vacas o separaciones entre bandas por zonas prohibidas o bandas prohibidas, formndose as bandas de valencia, bandas de conduccin y bandas prohibidas. As en un aislante la separacin entre la banda de valencia y la banda de conduccin es muy grande ( 10 eV), y esto significa que un electrn en la banda de valencia necesita mucha energa para ser liberado y convertirse en un electrn libre necesario para la conduccin. En un conductor las dos bandas estn solapadas, no necesitndose ninguna energa para alcanzar la conduccin. En un semiconductor la banda prohibida es estrecha, o lo que es lo mismo, es fcil que un electrn sea liberado y pueda contribuir a la conduccin. Los metales tienen hasta 3 electrones corticales (en la ultima capa), que pueden ceder a la red cristalina del metal, bajo efecto de un campo elctrico externo producido por distintos medios. El flujo o movimiento de dichos electrones a travs del metal es la corriente elctrica, y genera efectos magnticos en su entorno, y efectos trmicos como consecuencia de su choque en su desplazamiento, con los tomos de la red, calentando el metal. Los semiconductores, como el Carbono y silicio, tienen cuatro electrones en su capa externa, permitiendo formar enlaces covalentes sobre los cuales se pueden introducir impurezas de otros elementos con 3 o 5 electrones en su capa externa, que sern los que favorezcan la movilidad electrnica. Los aislantes, como los plsticos y polmetros orgnicos, la madera seca,7 8. CURSO DE ELECTRNICA BSICA E INSTRUMENTACINDensidad de Corriente La densidad de corriente J en un conductor es la corriente elctrica establecida por unidad de rea del conductor:J=I S(A / m ) 2Al disminuir la seccin del conductor, y recorr

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