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--- guias:iniciacion_a_la_electronica [2019/06/16 18:58] – Jose Manuel Mariño Mariño
+++ guias:iniciacion_a_la_electronica [2019/11/03 17:14] – [3.- Energía y potencia eléctrica.] Jose Manuel Mariño Mariño
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 Llamamos **carga eléctrica** a la cantidad de electricidad que tiene un cuerpo. A pesar de que la materia -los átomos- es **eléctricamente neutra**, no ocurre así con las partículas que la componen.
-Las partículas subatómicas que componen los átomos son:
+Las partículas subatómicas que componen los átomos son: **Protones**: están en el núcleo y tienen carga **positiva**. **Neutrones**: están en el núcleo y no tienen carga, ni positiva ni negativa. **Electrones**: están en la corteza (las capas exteriores del átomo) y tienen carga **negativa**.
-**Protones**: están en el núcleo y tienen carga **positiva**.
-**Neutrones**: están en el núcleo y no tienen carga, ni positiva ni negativa.
-**Electrones**: están en la corteza (las capas exteriores del átomo) y tienen carga **negativa**.
-Los átomos son neutros eléctricamente. Esto quiere decir que no poseen carga neta, o lo que es lo mismo, que la suma de sus cargas positivas y negativas da cero.
+Los átomos son neutros eléctricamente. Esto quiere decir que no poseen carga neta, o lo que es lo mismo, que la suma de sus cargas positivas y negativas da cero. Sin embargo, la carga de un átomo puede verse alterada si su número de electrones aumenta (adquiere carga negativa) o disminuye (adquiere carga positiva).
-Sin embargo, la carga de un átomo puede verse alterada si su número de electrones aumenta (adquiere carga negativa) o disminuye (adquiere carga positiva).
 Una carga eléctrica situada en el espacio, solo por el hecho de estar ahí, produce un **campo eléctrico** y provoca una fuerza de atracción o repulsión con otras cargas situadas dentro del campo eléctrico generado. Si las dos cargas eléctricas son del mismo signo se repelen, mientras que si son de signo contrario sufrirán una fuerza de atracción.
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 Vamos a explicar esto otra vez para que se entienda mejor:
   * Supongamos que tenemos una carga positiva en un punto del espacio. Vamos a suponer también que esta carga es inmóvil.
   * Esta carga positiva origina un campo eléctrico a su alrededor.
   * Imaginemos ahora que tenemos una segunda carga eléctrica, esta vez negativa, situada a una distancia determinada de la primera (pongamos que 1 metro).
   * Dichas cargas, por el hecho de ser opuestas, experimentarán una fuerza de atracción.
-  * Supongamos ahora que alejamos la segunda carga de la primera. Para ello tendremos que **empujar** la carga para vencer la fuerza de atracción.
+  * Supongamos ahora que alejamos la segunda carga de la primera. Para ello tendremos que **empujar**  la carga para vencer la fuerza de atracción.
-  * Dicho de otra forma, estamos realizando un **trabajo** sobre la segunda carga para alejarla de la primera.
+  * Dicho de otra forma, estamos realizando un **trabajo**  sobre la segunda carga para alejarla de la primera.
-  * Como estamos realizando un trabajo, estamos empleando **energía** para realizar dicho trabajo.
+  * Como estamos realizando un trabajo, estamos empleando **energía**  para realizar dicho trabajo.
   * Ahora hemos situado la segunda partícula a una distancia mayor que la inicial (digamos que 10 metros).
   * Pues bien, la partícula está ubicada ahora en un punto con un potencial eléctrico diferente que el punto donde estaba situada originalmente.
-  * Debido a su nueva posición, la **energía potencial eléctrica** de dicha carga ha **aumentado** (recordemos que hemos empleado energía en desplazar esa carga, y esa energía se ha acumulado en forma de energía potencial eléctrica).
+  * Debido a su nueva posición, la **energía potencial eléctrica**  de dicha carga ha **aumentado**  (recordemos que hemos empleado energía en desplazar esa carga, y esa energía se ha acumulado en forma de energía potencial eléctrica).
 Ahora vamos a contar lo mismo, pero en lugar de campo eléctrico vamos a utilizar la gravedad:
   * Supongamos que tenemos una masa determinada en un punto del espacio. Vamos a suponer que dicha masa es el planeta Tierra y que podemos considerarla inmóvil.
   * Esta masa origina un campo gravitatorio a su alrededor.
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   * Ambas masas experimentarán una fuerza de atracción.
   * Supongamos ahora que alejamos la segunda masa de la primera, por ejemplo cogiendo el Arduino UNO y depositándolo en lo alto de un armario. Para ello tendremos que empujar el Arduino para vencer la fuerza de atracción producida por la Tierra.
-  * Dicho de otra forma, estamos realizando un **trabajo** sobre el Arduino para alejarlo de la Tierra.
+  * Dicho de otra forma, estamos realizando un **trabajo**  sobre el Arduino para alejarlo de la Tierra.
-  * Como estamos realizando un trabajo, estamos empleando **energía** para realizar dicho trabajo.
+  * Como estamos realizando un trabajo, estamos empleando **energía**  para realizar dicho trabajo.
   * Ahora hemos situado el Arduino a una distancia mayor que la inicial (digamos que 2 metros).
   * Pues bien, el Arduino está ahora en un punto con un potencial gravitatorio diferente al que tenía cuando estaba en el suelo.
-  * Debido a su nueva posición, la **energía potencial gravitatoria** del Arduino ha **aumentado** (recordemos que hemos empleado energía en subirlo al armario, y esa energía se ha acumulado en forma de energía potencial gravitatoria).
+  * Debido a su nueva posición, la **energía potencial gravitatoria**  del Arduino ha **aumentado**  (recordemos que hemos empleado energía en subirlo al armario, y esa energía se ha acumulado en forma de energía potencial gravitatoria).
-  *
-(continuará)
+Pues bien, si hemos entendido más o menos lo que significa el concepto de potencial eléctrico, ahora toca decir que lo realmente interesante de todo este rollo no es el potencial en sí, sino la **diferencia de potencial**. Vamos a dar una pista para que veáis a dónde queremos llegar: el potencial eléctrico se mide en **Voltios (V)**.
+Si soltamos una carga eléctrica en medio de un campo eléctrico, la carga se moverá desde donde esté hacia la zona donde su energía potencial sea menor (de la misma forma que cuando soltamos un objeto en un campo gravitatorio, se mueve hacia la zona donde su energía potencial es menor), y realizará un trabajo en su recorrido.
+Dicho de otra forma, las cargas eléctricas se mueven de un punto a otro cuando existe una diferencia de potencial. Las cargas positivas se moverán de los puntos con potencial más positivo a los puntos con potencial más negativo, mientras que las cargas eléctricas se moverán de los puntos con potencial más negativo a los de potencial más positivo.
+¿Y a qué viene todo esto del potencial y la diferencia de potencial? Pues bien, para conseguir que las cargas eléctricas se muevan, lo de situar una carga puntual en el vacío para que genere un campo eléctrico, etc… no resulta muy práctico. Pero hay muchas formas de producir una **diferencia de potencial**, que al fin y al cabo es lo que nos interesa.
+Los métodos más habituales para producir una diferencia de potencial eléctrico son los químicos (baterías) y la inducción electromagnética (alternadores y dinamos).
+Dado que el potencial eléctrico se mide en **Voltios (V)**, la diferencia de potencial también se mide en Voltios, y es lo que comúnmente llamamos **voltaje**.
+Por lo tanto, el resumen de todo esto es que el **voltaje**  entre dos puntos es la **diferencia de potencial**  eléctrico entre esos dos puntos, o dicho de otra forma, es la //caída//  que experimentan las cargas cuando pasan de un punto al otro, equivalente a la caída que sufre nuestro Arduino desde lo alto del armario hasta el suelo.
+Cuanto mayor es el voltaje, mayor es la diferencia de potencial y mayor es el //salto//  o //caída//, y por lo tanto la energía o trabajo producido es mayor.
+Ahora que conocemos el concepto de voltaje, vamos con la intensidad, y ya puestos, con la resistencia.
+¿Recordáis el Arduino que teníamos encima del armario? Pues imaginemos ahora que en lugar de un arduino tenemos una caja llena. Todos esos Arduinos están al mismo potencial gravitatorio que cuando sólo teníamos uno, es decir, su voltaje es el mismo. Sin embargo, no es lo mismo que dejemos caer uno solo a que los dejemos caer a todos. Podéis hacer la prueba vosotros mismos: probad a dejar caer un Arduino sobre vuestro pie, y luego probad a dejar caer una caja entera. Comprenderéis que a pesar de que la altura es la misma en ambas caídas, una duele más que la otra (¿en serio me habéis hecho caso?).
+Se llama **intensidad de corriente eléctrica**  a la cantidad de carga eléctrica que circula a través de un medio por unidad de tiempo. La cantidad de carga eléctrica se mide en **Culombios (C)**, y la intensidad de carga eléctrica en **Amperios (A)**. Un Amperio equivale a la circulación de un Culombio por segundo. O dicho de otra forma:
+<WRAP center round box 20%>
+I = Q / t
+</WRAP>
+Así, en nuestra analogía gravitatoria, la intensidad sería el número de Arduinos que se caen del armario por unidad de tiempo. Deberíamos estar ya en condiciones de saber diferenciar entre voltaje e intensidad: el voltaje es la altura del armario, la intensidad es el número de Arduinos que se caen en cada segundo.
+Ahora bien, ¿de qué depende el hecho de que caigan más o menos Arduinos por segundo? Aquí es donde toca introducir el otro concepto: **la resistencia**. Si nuestros Arduinos, en lugar de caer atravesando el aire, estuviesen en una piscina cubiertos de agua y cayesen hacia el fondo, veríamos que caen más despacio. El agua ofrece una mayor resistencia al paso de los Arduinos en comparación con el aire, y por eso los Arduinos caerían más lentamente, a un ritmo menor.
+Este concepto es más fácil de entender que los otros dos, y es el que cierra el círculo. Llamamos **resistencia eléctrica**  a la mayor o menor dificultad que encuentra la corriente eléctrica al atravesar un medio conductor.
+La resistencia eléctrica se mide en **Ohmios (Ω)**. La resistencia no es una propiedad intrínseca de cada material, sino que depende de la forma de cada conductor en cuestión. Sin ánimo de profundizar mucho en la teoría, solamente diremos que la propiedad intrínseca de cada material que indica el grado de permisividad al paso de la corriente eléctrica, es la **conductividad eléctrica**. Es la conductividad lo que nos permite clasificar los materiales en mejores o peores conductores. Asimismo, llamamos **resistividad eléctrica**  a la propiedad contraria, esto es, al grado de oposición que muestra un material al paso de la corriente eléctrica.
+Dicho de otra forma, la resistividad es la propiedad inversa de la conductividad:
+<WRAP center round box 20%>
+ρ = 1 / σ
+ρ = Resistividad
+σ = Conductividad
+</WRAP>
+Luego, para saber la resistencia que tendrá un conductor particular de una longitud determinada y con un espesor concreto, obtenemos la resistencia a partir de la fórmula:
+<WRAP center round box 50%>
+R = ρ · L / S
+R = Resistencia del conductor
+ρ = Resistividad del material con el que está hecho el conductor
+L = Longitud del conductor
+S = Área de la sección del conductor
+</WRAP>
+De esta última fórmula podemos deducir dos cosas:
+  * Cuanto mayor es la longitud de un conductor, mayor es su resistencia.
+  * Cuanto mayor es la sección de un conductor, menor es su resistencia.
+//Vale, fenomenal, ya nos has explicado lo del armario, los arduinos que se caen y todo eso pero, ¿qué es lo que se "cae" cuando hablamos de corriente eléctrica?//
+La corriente eléctrica se produce cuando se mueven cargas eléctricas a través de un medio, pero no existen cargas eléctricas así sin más, sino que lo que existe son partículas con carga eléctrica. Ya habíamos comentado antes que los átomos que forman la materia son eléctricamente neutros, pero que estaban formados por partículas que sí tenían carga eléctrica. De las dos partículas subatómicas que tienen carga eléctrica, protones y electrones, son estos últimos los que son capaces de moverse en ciertas condiciones y producir así la corriente eléctrica.
+La mayor o menor libertad con la que se pueden mover los electrones depende del tipo de material que estemos considerando. Los metales ofrecen, por regla general, una buena conductividad eléctrica. Esto se debe a las propiedades del enlace metálico con el que se unen sus átomos. En un metal, la materia se organiza como una especia de "sopa" de átomos en los que los electrones más externos tienen una movilidad casi total y no pertenecen a ningún átomo en concreto. En esas condiciones, los electrones pueden moverse fácilmente a lo largo del metal. Y por eso los metales son excelentes conductores de la electricidad.
+Otros materiales se comportan de una forma totalmente distinta. La sal común, por ejemplo, es un cristal iónico. Eso significa que está formado por iones (átomos con carga eléctrica) y no por átomos neutros. Los iones son átomos que han ganado o perdido electrones, con lo que su carga deja de ser neutra. Paradójicamente, aunque los iones podrían servir para que la carga eléctrica circulase por el material, resulta que forman una estructura cristalina, reticulada, en la que cada ión tiene su sitio y está fuertemente retenido por las fuerzas de atracción y repulsión electrostática que generan los iones vecinos. Los electrones en estos cristales no tienen movilidad y están fuertemente atraídos por los núcleos de los iones. Y los iones tampoco se pueden mover porque están inmovilizados en la estructura cristalina. El resultado de todo esto es que los cristales iónicos conducen muy mal la electricidad cuando están en estado sólido. Cuando están en estado líquido, o cuando están disueltos en un líquido, ocurre todo lo contrario: los iones pasan a estar libres y al no ser átomos neutros, la corriente eléctrica se establece cuando los iones positivos se mueven en una dirección y los iones negativos en la contraria.
+En un conductor metálico, los electrones (con carga negativa, recordemos) se moverán desde el extremo con voltaje negativo hacia el extremo con voltaje positivo.
+En una disolución de sal, los iones negativos se mueven hacia el electrodo positivo y a su vez los iones positivos se mueven hacia el electrodo negativo.
+//Anda, ¿pero entonces la corriente que pasa por un cable va del negativo al positivo? ¡Pero si de toda la vida nos han dicho que va del positivo al negativo!//
+Sí, es cierto. Es una mentirijilla que se ha mantenido durante unos cuantos siglos. Aunque llamarla mentirijilla sería injusto, y veamos por qué.
+La existencia de la electricidad se conoce desde hace miles de años. La palabra electricidad mismamente viene del griego //êlektron//, que en griego significa //ámbar//. Y es así porque los griegos sabían que el ámbar era un material electrostático, que al frotarlo con otros materiales hacía unas cosas extrañas como atraer materiales ligeros, cabellos, etc... Vamos, lo que nosotros hemos hecho alguna vez con un globo y un jersey de lana.
+Lo que ocurre es que los griegos conocían las propiedades del ámbar, pero no entendían muy bien el porqué de su comportamiento. No fue hasta después de unos cuantos siglos, a partir del S. XVI, cuando se comenzaron a conseguir avances importantes en el estudio del fenómeno eléctrico, y en consideración a los clásicos griegos que lo habían estudiado mucho antes, se le llamó //electricidad//.
+Y claro, comenzar a estudiar un fenómeno tiene algunos inconvenientes, como asumir cosas que luego resultan ser al revés. Después de unos cuantos cientos de años de grandes avances en el conocimiento de la electricidad, resulta que a finales del S. XIX se descubre el electrón. Durante todo ese tiempo se había considerado siempre que la corriente eléctrica fluía desde el polo positivo hacia el negativo (que esa es otra, porque lo de positivo y negativo es otra convención más). Ahora, con la confirmación de la existencia del electrón y con su carga negativa, se sabía que la corriente eléctrica era en realidad un flujo de electrones que iba del polo negativo hacia el positivo.
+Es bien sabido que el hombre es un animal de costumbres, y tener que darle la vuelta a una convención asumida desde hacía dos o tres siglos era muy difícil, así que se continuó considerando que el flujo de la corriente eléctrica era de positivo a negativo (lo que llamamos **sentido convencional**  de la corriente eléctrica), aunque el **sentido real**  fuese de negativo a positivo. Esto no trastocaba nada, ya que se trata solamente de un signo matemático.
+Da igual considerar cargas eléctricas negativas que se mueven en un sentido, o cargas eléctricas positivas que se mueven en el sentido contrario. Además, también se habla muchas veces de //corriente de huecos//, ya que cuando un electrón se mueve deja un hueco que debe ser reemplazado por otro electrón que viene detrás. Los electrones se mueven en una dirección y el hueco se va moviendo en la contraria.
+PERO YA ESTÁ BIEN DE HISTORIAS...
+Conocemos el concepto de voltaje eléctrico, o diferencia de potencial. Es la altura de la "caída" que experimentan las cargas eléctricas cuando pasan de un extremo al otro de un circuito.
+Conocemos el concepto de intensidad de corriente eléctrica. Es el número de cargas, o la cantidad de carga, que atraviesa un circuito por unidad de tiempo.
+Conocemos, o intuimos, el concepto de resistencia eléctrica. Es la mayor o menor oposición que muestra un material ante el paso de la corriente eléctrica.
+Bueno, pues atentos ahora porque llegamos al final del capítulo con un cierre espectacular: ¿cómo se relacionan voltaje, intensidad y resistencia entre sí?
+Es el momento de presentaros a la **Ley de Ohm.**
-----
 ===== 2.- La Ley de Ohm (no, no vamos a hacer meditación). =====
+Lo mejor para aprenderse la ley de Ohm es la terapia de choque, así que ahí va:
+<WRAP center round box 20%>
+I = V / R
+V = I · R
+R = V / I
+</WRAP>
+La Ley de Ohm viene a decir que la intensidad que atraviesa un circuito es directamente proporcional al voltaje entre sus extremos, e inversamente proporcional a la resistencia que ofrece ese circuito al paso de la corriente eléctrica. O dicho de otra forma:
+  * Cuanto mayor es el voltaje aplicado a un circuito, mayor es la corriente que lo atraviesa.
+  * Cuanto mayor es la resistencia ofrecida por un circuito, menor es la corriente que lo atraviesa.
+De todo esto podemos deducir algunas cosas. Lo primero es que una sola de las magnitudes no define las condiciones de lo que ocurre en un circuito eléctrico. Podemos tener un circuito sometido a un voltaje muy alto, pero sólo ese dato no nos dice si la intensidad que lo atraviesa es muy alta, sino que necesitamos además saber su resistencia. Sólo cuando conocemos dos de las magnitudes podemos conocer la tercera.
+Si vemos un circuito donde la intensidad de corriente es muy baja, no podemos deducir que se debe a que la resistencia es muy alta. Antes necesitamos saber el voltaje que hay entre sus extremos, y solo entonces podremos sacar conclusiones.
+Como vemos, la Ley de Ohm es algo muy simple y que describe un fenómeno lineal (lo de lineal significa que sus magnitudes son proporcionales, directa o inversamente):
+  * Bajo un voltaje constante: a más resistencia, menos intensidad.
+  * Con una resistencia constante: a más voltaje, más intensidad.
+  * Con una intensidad constante: a más resistencia, más voltaje.
+Espera, espera… ¿cómo que //con una intensidad constante//? ¿Pero la intensidad no dependía de la tensión y del voltaje?
+A modo de spoiler para que en un futuro no nos asombremos, vamos a hacer un pequeño inciso.
+Estamos habituados a que todas las fuentes de energía eléctrica que conocemos y utilizamos en nuestra vida diaria, sean **fuentes de voltaje constante**. Así, en el enchufe de nuestras casas tenemos 230V (no, no, no son 220V como pensáis, la tensión oficial en España es de 230V desde el Real Decreto 842/2002). Y esos 230V estarán siempre ahí tanto si enchufamos el cargador del móvil, o si enchufamos la tostadora. Por eso se llaman fuentes de voltaje constante: porque su tensión no depende de la carga que conectemos.
+Pues resulta que, además de las fuentes de tensión constante, existen también las **fuentes de corriente constante**. Son fuentes que suministran siempre la misma intensidad de corriente, sin depender de la carga que conectemos. Si conectamos una resistencia pequeña el voltaje que aparecerá entre sus extremos será pequeño, y si conectamos una resistencia grande también lo será el voltaje entre sus extremos.
+Ahora bien, seguramente estéis pensando que una fuente de corriente constante no resulta de mucha utilidad ya que nunca sabremos el voltaje que va a resultar de ahí. Os parecerá algo absurdo. Pero no es más que una convención (como otras tantas). En nuestra casa la convención es que todo funciona a 230V, los fabricantes de electrodomésticos lo saben y nos dicen qué intensidad va a circular cuando los enchufemos (nosotros debemos comprobar si nuestra instalación soporta esa intensidad). Una convención igual de válida podría ser que en nuestra casa todo funcionase a 10A, y que los fabricantes nos dijesen el voltaje que iba a aparecer en el enchufe cuando los conectásemos (para que nosotros comprobásemos si nuestra instalación soporta esa intensidad).
+En realidad, lo de usar el voltaje constante no es que fuese una decisión arbitraria, sino que derivó de aspectos prácticos: los alternadores generan un voltaje determinado cuando los hacemos girar a una velocidad concreta (y una batería genera un voltaje concreto en función de sus elementos químcos), así que la adaptación natural es la de usar un voltaje estandarizado y estandarizar la intensidad no sería más que una tontería, aparte de algo inviable. Por otro lado, los aislantes empleados en una instalación dependen de su voltaje, con lo que lo de los voltajes variables en función de la carga tampoco parece muy adecuado. Aunque las fuentes de corriente constante tampoco son algo inútil. Si llegamos algún día a escribir el capítulo sobre amplificadores, acabaremos hablando de ellas.
+Pero bueno, dejémonos de tanta teoría y hagamos algunos cálculos para desperezarnos un poco.
+__**Problema 1:**__
+A una fuente de 48V conectamos una resistencia de 15Ω. ¿Qué intensidad circulará por ella?
+''I = V / R ⇒ I = 48V / 15Ω = 3.2A''
+__**Problema 2:**__
+En un enchufe de 230V tenemos conectada una tostadora por la que pasan 5.8A. ¿Cuál es su resistencia eléctrica?
+''R = V / I ⇒ R = 230V / 5.8A = 39,65Ω''
+__**Problema 3:**__
+A una batería de voltaje desconocido tenemos conectada una resistencia de 2200Ω, y medimos con un amperímetro que la intensidad que circula por ella es de 1,68mA. ¿Cuál es el voltaje de la batería?
+''V = I · R ⇒ V = 0.00168 · 2200Ω = 3.7V''
+(Ya sabemos que es una tontería medir con un amperímetro y luego calcular, cuando se podría haber medido con el voltímetro. Permitidnos alguna licencia, demonios.)
 ----
 ===== 3.- Energía y potencia eléctrica. =====
+La definición que se da en física a la energía es "la capacidad para realizar un trabajo". Debido a ello, los términos trabajo y energía se confunden a veces, ya que se miden en las mismas unidades. El trabajo realizado sobre un sistema equivale siempre a la energía que se aporta al sistema. Si es el sistema el que realiza un trabajo, significa que cede energía al entorno.
+Vamos a ver qué es la energía en un escenario de mecánica clásica.

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