El documento proporciona una introducción a los diferentes tipos de elementos de circuitos eléctricos, incluyendo conductores, aislantes, semiconductores, baterías, fuentes de alimentación y celdas solares. Describe las propiedades de estos elementos y cómo se clasifican, así como sus usos comunes en dispositivos electrónicos y sistemas de suministro eléctrico.

1. Clase 1a
22-Septiembre-2014

2.  De la misma manera que se utilizan dibujos o símbolos
gráficos (iconos) para el esquema de un dispositivo físico real,
la expresión elemento de un circuito se refiere al modelo
matemático que representa el comportamiento de dicho
dispositivo, como parte de un circuito físico real.

3.  Se considera como elemento general de un circuito al que esta
compuesto por dos o más elementos simples de circuito; y un
elemento simple de circuito es aquel que no puede subdividirse
en otros elementos simples.

4.  Para conocer su comportamiento, primero se deben tener en
cuenta los tipos de elementos que existen en los circuitos. Una
clasificación se realiza de acuerdo con su comportamiento
respecto de la energía que utilizan. Entonces con este enfoque
pueden ser elementos activos o pasivos.

5.  La estructura atómica de la materia afecta la facilidad con que
las cargas, es decir, los electrones, se mueven a través de una
sustancia y por tanto cómo se usa eléctricamente; en este
aspecto los materiales se clasifican como conductores, aislantes
o semiconductores.

6.  Los materiales a través de los cuales las cargas se mueven con facilidad
se les llama conductores. El ejemplo más familiar son los metales. Los
metales que son buenos conductores tienen un gran número de electrones
libres que son capaces de moverse con soltura. En particular, la plata, el
cobre, el oro y el aluminio son excelentes conductores. Aparte de éstos, el
cobre es el que más se usa; no sólo es un excelente conductor, también es
barato y se transforma con facilidad en alambre, haciéndolo accesible
para una gran diversidad de usos, desde el cableado eléctrico doméstico
hasta equipo eléctrico sofisticado.

7.  Los materiales que no conducen (como vidrio, porcelana, plástico, hule y otros)
son llamados aislantes. El recubrimiento de los cables de las lámparas
eléctricas, por ejemplo, es un aislante, se usa para evitar que los alambres se
toquen y para protegernos de choques eléctricos.
 Los aislantes no conducen porque sus capas de valencias están llenas, o casi, y
por lo tanto sus electrones se encuentran estrechamente ligados; sin embargo,
cuando se aplica un voltaje suficientemente elevado, la fuerza es tan grande
que los electrones son literalmente arrancados de sus átomos, causando que el
aislante se rompa y que haya conducción. En el aire se puede ver esto como un
arco o un chispazo. En los sólidos es usual que el aislante resulte quemado.

8.  El silicio y el germanio (además de otros pocos materiales) tienen capas
de valencia medio llenas y por lo tanto no son ni buenos conductores ni
buenos aislantes. Se les conoce como semiconductores y tienen
propiedades eléctricas únicas que los hacen importantes para la industria
electrónica. El material más importante es el silicio, que se utiliza para
fabricar transistores, diodos, circuitos integrados y otros dispositivos
electrónicos. Los semiconductores han hecho posible las computadoras
personales, los sistemas de DVD, los teléfonos celulares, las calculadoras
y otros muchos aparatos electrónicos.

9.  La batería es la fuente de energía eléctrica que mueve cargas
por el circuito. Este movimiento de cargas, como pronto se
verá, se llama corriente eléctrica. Debido a que una de las
terminales de la batería es siempre positiva y la otra siempre
negativa, la corriente se mueve siempre en la misma dirección.
Esta corriente unidireccional se llama cd o corriente directa, y
la batería se llama fuente de cd

10.  Los símbolos para la fuente de cd se muestran en la figura
siguiente, la barra larga corresponde a la terminal positiva. En
baterías reales, la terminal positiva por lo general está
marcada con POS (+) y la terminal negativa con NEG (-).

11.  Se observa hay un gran número de electrones libres en metales como el cobre.
Dichos electrones se mueven en forma aleatoria a través del material, pero su
movimiento neto en cualquier dirección dada es cero.
 Suponga ahora que una batería se conecta como en la figura. Como los
electrones son atraídos por el polo positivo de la batería y repelidos por el polo
negativo, se mueven por el circuito pasando a través del alambre, la lámpara y
la batería. Este movimiento de carga se llama corriente eléctrica. A medida
que una mayor cantidad de electrones pasan por segundo a través del circuito,
mayor es la corriente, por lo tanto la corriente es la rapidez de flujo (o
velocidad de movimiento) de la carga.

13.  Hasta aquí se ha considerado solo la cd. Antes de avanzar
mencionaremos brevemente la ca o corriente alterna, que es la
corriente que cambia de dirección de manera cíclica, esto es,
las cargas fluyen de manera alternada en una dirección y
después en la otra dentro del circuito. La fuente de ca más
común es el sistema comercial de potencia que suministra
energía a los hogares. Se menciona aquí porque se verá en
breve en clases posteriores.

14.  Las baterías son la fuente de cd más común, están hechas en una
gran variedad de formas, tamaños y especificaciones, desde las
miniatura tipo botón capaces de suministrar unos pocos
microamperes, hasta grandes baterías automotrices con la
capacidad de proporcionar cientos de amperes. Los tamaños
comunes son AAA, AA, C y D. Todas usan electrodos conductivos
diferentes inmersos en un electrolito. La interacción química
entre los electrodos y el electrolito crea el voltaje de la batería.

15.  Las baterías con el tiempo se “descargan”, sin embargo,
algunos tipos se pueden recargar. Éstas se llaman baterías
secundarias; hay de otros tipos, llamadas baterías primarias,
que no se pueden recargar. Un ejemplo familiar de batería
secundaria es la que se usa en el automóvil, ya que puede
recargarse al pasar corriente a través de ella en sentido
opuesto a su dirección de descarga. Un ejemplo también
familiar de celda primaria es la batería de una linterna.

16.  El voltaje de una batería, su tiempo de vida y otras características
dependen del material con el cual están hechas.
 Alcalina
 Este es el tipo de celda primaria de propósito general que más se
usa. Las baterías alcalinas se utilizan en linternas, radios
portátiles, controles remotos, reproductores de casete, cámaras,
juguetes, etc. Vienen en varios tamaños, como se muestra en la
figura siguiente. El voltaje nominal de la celda es 1.5 V.

17.  Carbón-zinc
 También se les llama celdas secas, la batería primaria de carbón-zinc fue por muchos años
más ampliamente usada, pero ha dejado su lugar a otros tipos, como la batería alcalina.
El voltaje nominal de la celda es 1.5 volts.
 Litio
 Las baterías de litio se caracterizan por su tamaño pequeño y larga vida (pueden
almacenarse de 10 a 20 años). Las aplicaciones incluyen relojes, marcapasos, cámaras y
baterías de respaldo para memorias de computadoras.
 Están disponibles varios tipos de celdas de litio con voltajes de 2 V a 3.5 V y
especificaciones de corriente que van desde microamperes hasta algunos amperes.

18.  Níquel-cadmio
 Comúnmente se les llama “Ni-Cads”, son las baterías recargables más populares.
 Tienen larga vida de servicio, operan en amplios intervalos de temperatura y son fabricadas en muchos estilos y
tamaños, incluyendo las C, D, AAA y AA.
 Los recargadores de bajo costo las hacen económicamente convenientes para usarlas en equipo de entretenimiento
doméstico.
 Plomo-ácido
 Esta es la batería automotriz común, su voltaje de celda básico es de aproximadamente 2 volts, pero por lo común
se conectan internamente seis celdas para proporcionar 12 volts en las terminales. Las baterías de plomo-ácido
son capaces de suministrar grandes corrientes (superiores a 100 A) por cortos periodos según se requiera; por
ejemplo, para arrancar un automóvil.

21.  Las baterías se agotan con el uso, sin embargo, a partir de su
capacidad se puede hacer una estimación de su vida útil, esto es,
su especificación ampere-hora, que es igual al producto de su
consumo de corriente por el tiempo que se espera proporcione la
corriente especificada antes de que se agote. Por ejemplo, una
batería especificada en 200 Ah, puede en teoría suministrar 20 A
por 10 h, o 5 A por 40 h, etc. La relación entre la capacidad, el
tiempo de vida y el consumo de corriente es

23.  Debido a que las baterías no son perfectas, su voltaje nominal
disminuye conforme se incrementa la cantidad de corriente
extraída de ella.
 Además, el voltaje de la batería se ve afectado por la
temperatura y otros factores que alteran su actividad química;
sin embargo, estos factores no se consideran en este curso.

24.  Las celdas pueden conectarse como en las figuras siguientes
para incrementar sus capacidades de voltaje y corriente.

27.  Los sistemas electrónicos como las TV, videograbadoras, computadoras,
etc., requieren cd para su operación y excepto por las unidades portátiles,
que usan baterías, los dispositivos obtienen su alimentación a partir del
suministro eléctrico de ca comercial por medio de fuentes de potencia, las
cuales convierten la entrada de ca en los voltajes de cd que requiere el
equipo. Las fuentes de potencia también se usan en los laboratorios de
electrónica y por lo común son variables para proporcionar el intervalo de
voltajes que se requieren para el desarrollo de prototipos y circuitos de
prueba. La figura muestra una fuente de cd variable

30.  La celda solar convierte la energía de la luz en energía eléctrica usando medios
fotovoltaicos. La celda básica consiste de dos capas de material semiconductor.
 Cuando la luz incide en la celda, muchos electrones obtienen bastante energía para cruzar
de una capa a otra y crear un voltaje de cd.
 La energía solar tiene muchas aplicaciones prácticas, por ejemplo, la figura muestra un
arreglo de paneles solares que suministran potencia a una red de ca comercial.
 En áreas remotas, los paneles solares se usan para alimentar los sistemas de
comunicaciones y las bombas de irrigación. En el espacio se usan para suministrar
potencia a los satélites. En la vida cotidiana se usan para suministrar energía a las
calculadoras de mano.

32.  El voltaje y la corriente se miden en la práctica usando
instrumentos llamados voltímetros y amperímetros. Aunque están
disponibles como instrumentos individuales, es común
encontrarlos combinados en un solo instrumento de múltiples
propósitos llamado multímetro. Están disponibles tanto en la
versión digital como en la analógica. Observe que a los
multímetros digitales por lo común se les llama MMD (DMM, por
sus siglas en inglés), mientras que a los medidores analógicos se
les llama VOM (por Volts/Ohms/Miliamperes).

34.  Ya que el voltaje es la diferencia de potencial entre dos puntos,
se mide el voltaje al colocar las puntas del voltímetro a través
del componente cuyo voltaje desea medir, como se ve en la
figura

35.  Para medir el voltaje a través del foco, coloque una terminal en
cada lado de éste como se muestra; si el medidor no tiene
autoescala y no se tiene idea de la magnitud del voltaje, fije el
medidor en la escala más alta, y después vaya bajándola para
evitar dañar el instrumento.

36.  Como se indica en la figura, la corriente que se desea medir
debe pasar a través del medidor. Se abre el circuito como en y
se inserta el amperímetro. El signo de la lectura será positivo
si la corriente entra por la terminal A o (+) y negativo si entra
por la terminal COM (o -)