Introducción a la Ingeniería Profesor: Sr. Francisco Alonso V.

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1 Introducción a la Ingeniería Profesor: Sr. Francisco Alonso V.
PONTIFICIA UNIVERSIDAD CATÓLICA DE VALPARAÍSO FACULTAD DE INGENIERÍA ESCUELA DE INGENIERIA ELÉCTRICA Introducción a la Ingeniería Carrera: Ingeniería Civil Electrónica. Profesor: Sr. Francisco Alonso V. Ingeniero Civil Electrónico, PUCV Valparaíso

2 PONTIFICIA UNIVERSIDAD CATÓLICA DE VALPARAÍSO FACULTAD DE INGENIERÍA ESCUELA DE INGENIERIA ELÉCTRICA
CORRIENTE Y VOLTAJE

3 CORRIENTE Y VOLTAJE Los átomos y su estructura
- Protón (Carga positiva) – Núcleo. Hidrógeno -> Átomo más simple - Electrón (Carga negativa) – Orbital. Cargas de igual magnitud. Otros elementos -> Núcleo contiene neutrones, ligeramente más pesados que los protones, sin carga eléctrica (neutro). Átomos neutros -> Nº Protones = Nº Electrones.

4 CORRIENTE Y VOLTAJE Los átomos y su estructura
Masa del electrón = 9.11 x gramos. Mproton = 1836xMelectrón Masa del protón (o neutrón) = x gramos. Radio (protón, neutrón y electrón) ≈ 2 x metros. Átomo de hidrogeno (radio de la órbita más pequeña del electrón) = 5 x metros.  25,000 x radio del electrón, neutrón o protón. Átomos tienen distinto número de electrones dentro de las capas concéntricas alrededor del núcleo. Capa 1 -> (Máx.) 2 electrones. Capa 2 -> (Máx.) 8 electrones. Capa 3 -> (Máx.) 18 electrones. Capa 4 -> (Máx.) 32 electrones. 2n2, n: Número de la capa, (1,2,3,….) (k, l, m, ..)

5 CORRIENTE Y VOLTAJE (s, p, d, f, …) Los átomos y su estructura
Cada capa se divide a su vez en subcapas. - 1ª Subcapa -> (Máx) 2 electrones. - 2ª Subcapa -> (Máx) 6 electrones. - 3ª Subcapa -> (Máx.) 10 electrones. - 4ª Subcapa -> (Máx.) 14 electrones. (s, p, d, f, …)

6 CORRIENTE Y VOLTAJE Los átomos y su estructura
Experimentación -> Cargas distintas se atraen y cargas iguales se repelen. La fuerza de atracción o repulsión entre dos cuerpos cargados (Q1 y Q2) se puede determinar mediante la Ley de Coulomb: Atracción o Repulsión F: Newton. k = 9.0 x 109 Nxm2/C2 Q1 y Q2: Cargas en Coulombs r: Distancia en metros entre las dos cargas. En el átomo0 los electrones se repelerán entre sí, y protones y electrones se atraerán entre sí. Fuerza de atracción grande para los electrones en las órbitas cercanas al núcleo. En la última subcapa exterior (mayor r) la fuerza alcanza su menor nivel. (menos energía para extraer un electrón de una capa exterior que interior)

7 CORRIENTE Y VOLTAJE Los átomos y su estructura
Movilización de electrones (bajo ciertas condiciones) -> Esencial para el movimiento de cargas. Cobre: Material frecuentemente utilizado en la industria eléctrica/electrónica. - 1 electrón más para completar las tres primeras capas. - 29º electrón lo atrae muy débilmente el núcleo. Si adquiere suficiente energía del entorno para abandonar su átomo padre, se le denomina electrón libre. - 1 pulg3 de cobre (Tª 25ºC) -> 1.4 x electrones libres. Materiales (propiedades equivalentes) -> Plata, Oro, Aluminio y Tungsteno.

8 CORRIENTE Y VOLTAJE Corriente
Tª ambiente (25ºC) sin fuerzas externas aplicadas -> Movimiento de electrones libres creado por la energía térmica que los electrones adquieren del entorno. Átomo pierde electrones -> Carga neta positiva -> Ion positivo. Electrones libres están listos para moverse dentro de los iones positivos, y los iones positivos oscilan en una posición fija media. El electrón libre es el portador de carga en un alambre de cobre o en cualquier otro conductor sólido de electricidad.

9 CORRIENTE Y VOLTAJE Corriente
Electrones Libres -> Ganan o pierden energía por medio del cambio de dirección y velocidad. Causas: 1) Colisiones con iones positivos y con otros electrones. 2) Fuerzas de atracción para los iones positivos. 3) Fuerza de repulsión que existe entre los electrones. Durante cierto período, Nº electrones circulando en dirección derecha = Nº electrones circulando en dirección izquierda. En ausencia de fuerzas externas aplicadas, el flujo neto de carga en un conductor hacia cualquier dirección es cero.

10 CORRIENTE Y VOLTAJE Corriente
Batería -> Energía química -> Coloca una carga neta positiva en un terminal y negativa en la otra terminal. Electrones se desplazan de la carga negativa a la positiva, los iones positivos que permanecen en el alambre de cobre oscilarán en una posición media fija. Terminal negativa -> Fuente de electrones a ser extraídos. Actividad química -> Absorbe los electrones y mantiene un suministro continuo de electrones en la terminal negativa. El flujo de carga (electrones) a través del foco calien- ta el filamento mediante fricción y emite luz. Si x 1018 electrones se desplazan a una veloci- dad uniforme a través de la sección transversal circu- lar en 1 segundo, el flujo de cargas, o corriente, se dice ser de 1 ampere (A)

11 CORRIENTE Y VOLTAJE Corriente
1 Coulomb (C) de carga como la carga total asociada con x 1018 electrones. La carga asociada con un electrón podrá determinarse entonces a partir de: La corriente en amperes puede calcularse utilizando la siguiente ecuación: I = Ampere (A) Q = Coulombs (C) T = Segundos (s) A mayor carga que fluya a través del cable a intervalos iguales de tiempo, más intensa es la corriente.

12 CORRIENTE Y VOLTAJE Corriente Ejemplo:
La carga que fluye a través de la superficie imaginaria de la figura es de 0.16 C cada 64 ms. Determine la corriente en ampere.

13 CORRIENTE Y VOLTAJE Corriente Solución:

14 CORRIENTE Y VOLTAJE Corriente Ejemplo:
Determine el tiempo requerido para que 4 x 1016 electrones crucen a través de la superficie imaginaria de la figura si la corriente es de 5 mA.

15 CORRIENTE Y VOLTAJE Corriente Solución: Determine Q. Determine t:

16 CORRIENTE Y VOLTAJE Corriente (Flujos)
Sentido (Flujo) Convencional -> Electrones salen del terminal positivo de la batería hacia el terminal negativo de la batería. Más usado en instituciones educativas y en la industria. Usado en simbología eléctrica y electrónica y en paquetes de software computacional. Sentido (Flujo) Real -> Electrones salen del terminal negativo de la batería hacia el terminal positivo de la batería.

17 CORRIENTE Y VOLTAJE Voltaje
Flujo de carga -> Establecido mediante una presión externa derivada de la energía que una masa tiene por virtud de su posición: Energía potencial. Energía: Capacidad para realizar trabajo. Si una masa (m) se eleva a una cierta altura (h) por encima d eun plano de referencia, tendrá un coeficiente de energía potencial expresado en joules (J): g: Aceleración Gravitacional (9.754 m/s2). Existe una diferencia de potencial entre las alturas por encima del plano de referencia. Batería -> Energía química -> Acumula cargas negativas (electrones) mediante gasto de energía sobre la terminal negativa y cargas positivas (protones) sobre la terminal positiva -> Posicionamiento de cargas -> Diferencia de potencial entre las terminales.

18 CORRIENTE Y VOLTAJE Voltaje
La carga puede elevarse a un mayor nivel de potencial mediante el gasto de energía de una fuente externa, o puede perder energía potencial mediante la circulación a través de un sistema eléctrico. Se presentará una diferencia de potencia de 1 volt (V) entre dos puntos si se intercambia 1 Joule (J) de energía al mover 1 Coulomb (C) de carga entre los dos puntos. Voltaje: Señal de cuánta energía se encuentra involucrada en el movimiento de una carga entre dos puntos en un sistema eléctrico. Mientras mayor sea el nivel de voltaje de una fuente de energía como una batería, más energía se tendrá disponible para mover cargas a través del sistema. Una diferencia de voltaje siempre se mide entre dos puntos de un sistema.

19 CORRIENTE Y VOLTAJE Voltaje
La diferencia de potencial entre dos puntos es determinada mediante: Notación -> E para fuentes de Voltaje (volts), V para caídas de voltaje (volts). Potencial: Voltaje de un punto respecto de otro punto dentro del sistema eléctrico. Por lo general, el punto de referencia es tierra, la cual se encuentra a un potencial de cero. Diferencia de Potencial: La diferencia algebraica de potencial (o voltaje) entre dos puntos de una red.

20 CORRIENTE Y VOLTAJE Voltaje
Voltaje: Cuando se encuentra aislado, igual que el potencial, es el voltaje en un punto respecto a cierta referencia tal como tierra (0 V). Diferencia de Voltaje: La diferencia algebraica de voltaje (o potencial) entre dos puntos del sistema. Una caída o una elevación de voltaje es tal como su nombre lo indica. Fuerza Electromotriz (emf del inglés electromotive force): Fuerza que establece el flujo de carga (o corriente) en un sistema debido a la aplicación de una diferencia de potencial.

21 CORRIENTE Y VOLTAJE Corriente Ejemplo:
Encuentre la diferencia de potencial entre dos puntos en un sistema eléctrico si se consumen 60 J de energía por una carga de 20 C entre esos dos puntos.

22 CORRIENTE Y VOLTAJE Corriente Ejemplo:
Encuentre la diferencia de potencial entre dos puntos en un sistema eléctrico si se consumen 60 J de energía por una carga de 20 C entre esos dos puntos. Solución:

23 CORRIENTE Y VOLTAJE Corriente Ejemplo:
Determine la energía consumida al mover una carga de 50 μC mediante una diferencia de potencial de 6 V.

24 CORRIENTE Y VOLTAJE Corriente Ejemplo:
Determine la energía consumida al mover una carga de 50 μC mediante una diferencia de potencial de 6 V. Solución:

25 CORRIENTE Y VOLTAJE Fuentes de Alimentación Fijas (cd, corriente directa) Corriente directa -> Flujo de carga unidireccional (“una sola dirección”). Fuentes de voltaje de cd. Baterías (acción química). Generadores (electromecánicas). Fuentes de alimentación (rectificadas).

26 CORRIENTE Y VOLTAJE Fuentes de Alimentación Fijas (cd, corriente directa) Baterías Fuente de cd más común. Combinación de dos o más celdas similares, siendo una celda la fuente fundamental de energía eléctrica desarrollada mediante la conversión de energía química o solar. Celdas Cada celda cuenta con un electrodo positivo y uno negativo, y un electrolito para completar el circuito entre los electrodos situados dentro de la batería. El electrolito es el elemento de contacto y la fuente de los iones necesarios para efectuar la conducción entre terminales. Pilas primarias alcalinas: Ánodo de zinc pulverizado (+); Un electrolito de hidróxido de potasio (metal alcalino); Cátodo de dióxido de manganeso y carbón (-) Primario: No son recargables. Secundario: Son recargables. Reacción química puede ser invertida para restaurar su capacidad. Ejemplo: Unidades de ácido-plomo (en automóviles), Batería de níquel -cadmio (en calculadoras, herramientas, rasuradoras, entre otros.)

27 CORRIENTE Y VOLTAJE Fuentes de Alimentación Fijas (cd, corriente directa) Baterías

28 CORRIENTE Y VOLTAJE Fuentes de Alimentación Fijas (cd, corriente directa) Baterías Pila secundaria de ácido-plomo: El electrolito es de ácido sulfúrico y los electrodos son de polomo (Pb) esponjado y de peróxido de plomo (PbO2). Al aplicar una carga a los terminales de la batería, se da una transferencia de electrones desde el electrodo de plomo al electrodo de peróxido de plomo a través de la carga. -> Batería descargada. La celda de almacenamiento de plomo es una celda secundaria, puede recargarse en cualquier momento durante la fase de descarga mediante la simple aplicación de una fuente de corriente de cd externa a través de la pila en dirección opuesta a aquella con la que la celda proporciona corriente a la carga. Pila secundaria de níquel-cadmio, de níquel-hidró- Geno e hidruro de níquel-metal y celda solares. Ver Libro.

29 CORRIENTE Y VOLTAJE Fuentes de Alimentación Fijas (cd, corriente directa) Baterías; Valor nominal ampere-hora Valor nominal de la capacidad de una batería (Ampere-hora (Ah) ó miliamperes-hora (mAh)) Ejemplo: Batería 100 ampere hora -> Proporciona corriente estable de 1 A por 100 horas, 2 A por 50 horas, 10 A por 10 horas y así sucesivamente: Factores que afectan este valor nominal: Temperatura y Ritmo de descarga. La capacidad de una batería de cd disminuye ante el incre- mento en la corriente demandada. La capacidad de una batería de cd disminuye a temperatu- ras relativamente bajas y altas (comparado con Tª ambiente) El voltaje en las terminales de una batería de cd disminuye de acuerdo con el tiempo de descarga a un consumo de corriente particular.

30 CORRIENTE Y VOLTAJE Fuentes de Alimentación Fijas (cd, corriente directa) Baterías; Valor nominal ampere-hora

31 CORRIENTE Y VOLTAJE Figura 2 Figura 1
Fuentes de Alimentación Fijas (cd, corriente directa) Baterías; Valor nominal ampere-hora Ejemplo: Determine la capacidad en miliamperes-hora y la vida en minutos para la pila BH de 500 de 0.9 V que muestra la figura 1 si la corriente de descarga es de 600 mA. ¿A qué temperatura el valor nominal de mAh de la pila que muestra la figura 2 será del 90% de su valor máximo si la corriente de descarga es de 50 mA? Figura 2 Figura 1

32 CORRIENTE Y VOLTAJE Fuentes de Alimentación Fijas (cd, corriente directa) Baterías; Valor nominal ampere-hora Solución: A partir de la figura 1, la capacidad de 600 mA es de aproximadamente 450 mAh: A partir de la figura 2, el nivel máximo es de aproximadamente 520 mAh. El nivel de 90% será, por tanto, de 469 mAh, presentándose justo por encima del punto de congelación en 1ºC.

33 CORRIENTE Y VOLTAJE Fuentes de Alimentación Fijas (cd, corriente directa) Generadores Cuando el eje del generador se encuentra en rotación a la velocidad nominal, como consecuencia del torque aplicado de alguna fuente externa de energía mecánica, se presentará un voltaje de nivel específico a través de las terminales externas. Típicos de la variedad de 120 o 240 V.

34 CORRIENTE Y VOLTAJE Fuentes de Alimentación Fijas (cd, corriente directa) Fuentes de Alimentación Emplea procesos de rectificación y filtrado como medios para obtener un voltaje continuo de cd. Un voltaje que varía con el tiempo (voltaje disponible en un contacto doméstico) se convierte a otro de magnitud fija.

35 CORRIENTE Y VOLTAJE Fuentes de Alimentación Fijas (cd, corriente directa) Fuentes de corriente de cd Una fuente de voltaje de cd idealmente proporcionará un voltaje terminal fijo, incluso cuando la demanda de corriente de un sistema eléctrico/electrónico pueda variar. Una fuente de corriente de cd proporcionará, de forma ideal, una corriente fija a un sistema eléctrico/electrónico, incluso cuando existen variaciones en el voltaje de sus terminales en la forma que lo determine el sistema

36 CORRIENTE Y VOLTAJE Conductores y Aislantes
Factores -> Características de densidad, movilidad y estabilidad de un material -> Responsables de las variaciones en el flujo de carga. Conductores -> Materiales que permiten un flujo generoso de electrones con muy poca fuerza externa (voltaje) aplicada. Típicamente los buenos electrones tienen sólo un electrón en la órbita de valencia (la más alejada del núcleo). Cobre -> Estándar de comparación para la conductividad relativa Aislantes -> Materiales que tienen pocos elec- trones y que necesitan la aplicación de un ma- yor potencial (voltaje) para establecer una co- rriente que se pueda medir. Aislante -> Recubrimiento del alambre que transporta corriente. Guantes de caucho y tapetes de hule (medidas de seguridad). Incluso el mejor aislante tendrá una ruptura si se le aplica un potencial lo suficientemente grande.

37 CORRIENTE Y VOLTAJE Conductores y Aislantes

38 CORRIENTE Y VOLTAJE Semiconductores
Grupo específico de elementos que presentan características ubicadas entre las de los aislantes y las de los conductores. Industria electrónica depende de estos materiales. Semi -> Medio, Parcial o Entre. Dispositivos electrónicos y los circuitos integrados (CI) se construyen de estos materiales. Silicio (Si), Germanio (Ge) y Arsenio de Galio (GaAs) utilizado en dispositivos electrónicos. Poseen cuatro electrones en la órbita de valencia exterior. Caracterizados por ser fotoconductores y tener un coeficiente de temperatura negativo. Fotoconductividad: Fotones (pequeños paquetes de energía) de la luz incidente pueden incrementar la densidad de los portadores de carga en el material, y por lo tanto aumentar el nivel de flujo de carga Coeficiente de Tª Negativo: Ante un incremento de la temperatura la resistencia de un semiconductor disminuirá.

39 CORRIENTE Y VOLTAJE Amperímetros y Voltímetros
Importancia de medir voltajes y corrientes de un sistema eléctrico. - Verificar operación del sistema. - Aislar problemas de funcionamiento. - Investigar efectos prácticos. Amperímetros: Mide niveles de corriente. Voltímetros: Diferencia de potencial entre dos puntos. Diferencia de potencial ente dos puntos se mide con la conexión de las puntas del medidor a través de los dos puntos.

40 CORRIENTE Y VOLTAJE Amperímetros y Voltímetros
Los amperímetros miden la velocidad del flujo de carga, el medidor se coloca en la red para que la carga fluya a través de él. Se abre la trayectoria en la que será medida la corriente y se coloca el medidor entre las dos terminales resultantes.

41 CORRIENTE Y VOLTAJE Amperímetros y Voltímetros
VOM (Volt-ohm-miliamperímetro): Emplea una escala analógica, la cual requiere interpretar la posición de la aguja sobre una escala continua. DMM (Digital Multimeter, Multímetro Digital): Proporciona una pantalla de números con precisión de decimales determinada por la escala seleccionada. .