Fundamentos de Electricidad

La electricidad es provocada por movimiento de electrones, pero que produce corrientes que van en la dirección contraria al movimiento de estos. Tomemos una analogía sencilla para entender mejor la electricidad. Como el agua en el lecho de un río, que se mueve desde el punto más elevado al punto más bajo, mientras más alto, más energía potencial tiene el agua y a medida que va bajando, va perdiendo energía. Si está más alto, es capaz de desarrollar más trabajo útil. De la misma forma, las cargas eléctricas positivas en un conductor se mueven desde un punto de mayor voltaje o potencial a un punto de menor voltaje. Es una analogía directa entre la altura que tiene el agua y el potencial que tiene un electrón. A más alto potencial o voltaje, más energía tienen estos portadores de carga y son más capaces de desarrollar trabajo útil. Entonces, cuando le damos el voltaje a algo, en realidad estamos impartiendo más energía a los portadores de carga para que puedan realizar más trabajo útil.

Entonces como una analogía, tenemos un río y el agua fluye desde un punto más alto hasta un punto más bajo. Si por ejemplo tenemos una batería, esta tiene un terminal positivo donde hay un mayor potencial. Entonces las cargas eléctricas se mueven desde un punto de mayor potencial (terminal positivo), hacia un punto de menor potencial (terminal negativo).

En este caso estas cargas están pasando a través de una ampolleta. Al pasar por esta ampolleta estas cargas pierden energía y esa energía la convierten en calor y eventualmente en luz. Luego de que perdieron energía, esas cargas vuelven al terminal negativo de la batería, que se encarga de elevar el potencial para que luego salgan por el terminal positivo con más energía.

Entonces, ¿qué es la electricidad? La electricidad es una forma de energía. Y además es el movimiento de cargas eléctricas a través de un circuito. La electricidad inevitablemente lidia con cantidades físicas o cantidades que podemos medir, por ejemplo podemos hablar de ondas de presión, que podemos eventualmente transformar en electricidad. O podemos hablar del color de un tipo de luz, que también podemos transformar en electricidad. Entonces siempre hay cantidades. Típicamente las variables físicas son traducidas a voltajes o corrientes en un circuito. Un tema interesante es que los voltajes y corrientes pueden abarcar órdenes de magnitud diferentes. Por ejemplo, hay circuitos que trabajan con un voltio de alimentación. Pero también hay sistemas de transmisión de energía que funcionan con 500.000 volts y cuando queremos medir señales muy pequeñas medimos milivoltios o microvoltios. Entonces, ¿cómo hacemos para diferenciar entre tantos órdenes de magnitud? lo que usamos normalmente para solucionar este tema son los prefijos. Existen giga, mega, kilo que son los más usados, para multiplicar un número por un factor. En estos casos son potencias de 10, 10 a la tres, 10 a la seis, 10 a la nueve. Entonces cada vez que hablemos de kilo, es 10 a la tres. De la misma forma que un kilogramo son 1.000 gramos, un kilovoltio, son 1.000 voltios, y un kiloamperio, son 1.000 amperios. Y tenemos sub múltiplos mili, micro, nano, pico, femto, atto, entre otros, y tienen una designación a través de una letra.

El voltaje también se le llama tensión. A mayor voltaje en un punto, mayor energía tienen los portadores de carga en ese punto. Los portadores de carga con mayor energía pueden realizar más trabajo útil. Por ejemplo, pueden mover un motor más rápidamente o pueden encender una luz con mayor intensidad. Si 2 objetos con voltajes diferentes llegaran a tocarse producirían un cortocircuito y corriente. Es decir, si tenemos 2 voltajes diferentes que se tocan, hay corriente entre ellos.

La corriente es el flujo de portadores de carga en un circuito. Cuando hay corriente los portadores van cambiando su nivel de energía, cambian de voltaje, es decir, cuando van circulando por un circuito con corriente pierden energía. De la misma forma, que las moléculas de agua en el lecho de un río, cuando fluyen van perdiendo energía. Esa diferencia de energía realmente no se pierde sino que se convierte en otras formas de energía. La corriente fluye a través de conductores eléctricos, dispositivos electrónicos, motores, luces y objetos en general.

Es el símbolo más común para la corriente constante. La flecha indica la dirección del flujo positivo de la corriente.

Las señales eléctricas llevan información. En general las señales típicamente son de voltaje y no de corriente, varían en el tiempo.

El gráfico muestra la amplitud (el punto más alto que llega el voltaje) que medimos en volts versus tiempo (segundos). En el segundo 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, etcétera, tenemos una señal que va variando de manera continua, es decir que tiene un voltaje que varía de manera continua. Las señales tienen una parte variable y una parte que es constante. La parte variable le llamamos AC y la parte constante le llamamos DC. DC viene de "direct current" o corriente directa. Mientras que la parte AC viene por corriente alterna. La parte DC de una señal es el promedio de la señal en el tiempo. Si nosotros tomamos una señal en el tiempo y promediamos su valor, el valor promedio de la señal es la parte DC y la parte AC es todo lo que sobra. Por lo tanto, si sumamos parte DC más parte AC tendremos la señal completa.

Las señales varían y tienen frecuencia y período. Entonces las señales variables pueden ser descompuestas en una suma de señales fundamentales de diferentes frecuencias. Descomponerlas en sus frecuencias fundamentales resulta sumamente útil para el análisis. Diferentes señales a diferentes frecuencias nos permiten componer cualquier otra señal. Por lo tanto, cualquier señal que se nos ocurra puede ser descompuesta en diferentes frecuencias.

Para describir esta señal en el tiempo usamos funciones. En este caso A(t) (A de t). A sub 0 es la amplitud (El valor máximo al que llega esta señal). La constante 2π (2 * pi, es necesaria) y luego viene ƒ (frecuencia) y t (el tiempo), sumado a Φ (phi, la cantidad de desfase respecto a un valor cero).

El tiempo y la frecuencia tiene que ver con cuántos ciclos (períodos) ocurren en una unidad de tiempo. Un ciclo se puede considerar desde un punto inicial a su amplitud máxima, su amplitud mínima y volver al punto inicial. Lo que se demore la señal en cumplir un ciclo lo consideramos como t. Este t se mide en segundos.

La frecuencia es . Por lo tanto este ƒ va a ser 1 partido por el período. Luego Φ es el desfase y tiene que ver con cuánto más adelante o atrás está esta señal respecto de un 0.

Existen 3 valores importantes en una señal sinusoidal, amplitud, frecuencia y fase. Y si nosotros sumamos muchas señales sinusoidales terminamos con cualquier señal arbitraria que se nos pueda ocurrir. Las señales eléctricas también pueden realizar acciones, no solamente nos permiten procesar información. == Energía y Potencia

Los portadores de carga (electrones) tienen diferente nivel de energía. Cuando un portador de carga circula por un circuito puede ganar o perder energía. Imaginemos una carga positiva que está circulando a través de un circuito. Cada vez que la carga pasa por la ampolleta, pierde energía. No es que la pierda realmente, sino que esta se convierte en calor y, eventualmente, en luz. Cuando esa carga perdió energía, sigue circulando allí, y la batería le aumenta la energía y hace que la carga pueda seguir circulando, perder energía, crecer en energía, perder energía, etcéra.

Y esto es un poco parecido a una montaña rusa, donde un motor permite que un carro suba hasta una cierta altura, que es como una batería que está haciendo subir esta carga, hasta un cierto potencial y, luego, ese carro cae. La energía que llevaba, es decir, la energía potencial, se convierte en calor.

La energía en el circuito es una propiedad física que podemos medir, es cuantificable y que describe el estado de un sistema, o de un objeto, o de un circuito. En un sistema eléctrico, mecánico, químico, nuclear, etcétera. No confundir energía con "buenas vibras", la energía es medible todo el tiempo.

Existen diferentes formas de medir energía. La típica unidad que usamos es el Joule. Pero hay otras formas, por ejemplo, quienes cuentan calorías, cuentan la energía que consumen. La energía puede ser transformada en otros tipos de energía y puede producir trabajo útil.

La potencia es la velocidad a la cual la energía va cambiando, ya sea convirtiéndose desde un sistema a otro, transformándose entre diferentes formas de energía. siendo consumida o generada. Por ejemplo, el motor del auto puede desarrollar una cierta potencia, como 100 HP (horse power, caballos de potencia). HP es una medida de potencia.

La medida que usamos en electricidad es el Watt. Un motor de un auto puede producir una cierta cantidad de watts, por ejemplo, 100 kilowatts. Y la energía que requiere ese auto para funcionar viene desde el combustible que trae energía química, que luego se va convirtiendo en movimiento. Esa energía química se puede medir en joules.

Es posible calcular la potencia de un componente de un circuito electrónico como el producto entre voltaje y corriente.

La corriente en un componente por el voltaje en sus terminales, el producto entre ambos me da la potencia que está siendo consumida o entregada por ese componente y la energía es la acumulación de esa potencia en el tiempo. Por lo tanto, la energía es la integral, en el tiempo, de una potencia.

La energía eléctrica puede ser almacenada en baterías y en otros medios. Hay diversas opciones de batería, que es la forma más común que tenemos para almacenar energía eléctrica.