Aquí tienes una introducción basada en la física a los conceptos de EE que intentas comprender.
Sus preguntas tienen respuesta al final.
Todo deriva del flujo de "carga"
Electrónica, como su palabra raíz electrón denota, es en gran medida un estudio del flujo de electrones en un sistema concreto.
Los electrones son los "portadores" fundamentales de carga en un circuito típico; es decir, son la forma en que la carga se "desplaza" en la mayoría de los circuitos.
Adoptamos la convención de que los electrones tienen carga "negativa". Además, un electrón representa la unidad de carga más pequeña a escala atómica (física clásica). Se denomina carga "elemental" y se sitúa en \$-1.602{\times}{10}^{-19}\$ Coulombs.
Por el contrario, los protones tienen una carga firmada "positiva" de \$+1.602{\times}{10}^{-19}\$ Coulombs.
Sin embargo, los protones no pueden desplazarse tan fácilmente porque suelen estar unidos a los neutrones dentro de los núcleos atómicos por la fuerza nuclear fuerte. Se necesita mucha más energía para extraer protones de los núcleos atómicos (la base de la tecnología de fisión nuclear, por cierto) que para extraer electrones.
Por otro lado, podemos desprender electrones de sus átomos con bastante facilidad. De hecho, las células solares se basan enteramente en el efecto fotoeléctrico (uno de los descubrimientos seminales de Einstein) porque los "fotones" (partículas de luz) desalojan a los "electrones" de sus átomos.
Campos eléctricos
Todas las cargas ejercen un campo eléctrico "indefinidamente" en el espacio. Este es el modelo teórico.
Un campo es simplemente una función que produce una cantidad vectorial en cada punto (una cantidad que contiene magnitud y dirección... para citar Despicable Me ).
Un electrón crea un campo eléctrico donde el vector en cada punto del campo señala hacia el electrón (dirección) con una magnitud correspondiente a la ley de Coulomb:
$$\lvert \vec E\rvert=\underbrace{\frac{1}{4\pi\epsilon_{0}}}_{ \begin{array}{c} \text{constant} \\ \text{factor} \end{array} }~~\underbrace{\frac{\lvert q\rvert}{r^{2}}}_{ \begin{array}{c} \text{focus on} \\ \text{this part} \end{array} }$$
Las direcciones pueden visualizarse como:
![Electric Field Directions]()
Estas direcciones y magnitudes se determinan en función de la fuerza (dirección y magnitud) que se ejercería sobre una carga de prueba positiva. Dicho de otro modo, las líneas de campo representan la dirección y la magnitud de una prueba positivo carga experimentaría.
Una carga negativa experimentaría una fuerza de la misma magnitud en el oponiéndose a dirección.
Según esta convención, cuando un electrón está cerca de otro electrón o un protón cerca de otro protón, se repelerán.
Superposición: colecciones de cargas
Si se suman todos los campos eléctricos ejercidos individualmente por todas las cargas de una región sobre un punto determinado, se obtiene el campo eléctrico total en ese punto ejercido por todas las cargas.
Esto sigue el mismo principio de superposición utilizado para resolver problemas de cinemática con múltiples fuerzas que actúan sobre un objeto singular.
La carga positiva es la ausencia de electrones; la carga negativa es el exceso de electrones.
Esto se aplica específicamente a la electrónica, donde se trata del flujo de cargas a través de materiales sólidos.
Para reiterar: la electrónica es el estudio del flujo de electrones como portadores de carga; los protones no son los portadores de carga primarios.
De nuevo: para circuitos, electrones Muévete, protones no lo hagas.
Sin embargo, se puede crear una carga positiva "virtual" por la ausencia de electrones en una región de un circuito porque esa región tiene más protones netos que electrones .
Recordemos el modelo de los electrones de valencia de Dalton, en el que protones y neutrones ocupan un pequeño núcleo rodeado de electrones en órbita.
Los electrones más alejados del núcleo, en la capa de "valencia" más externa, son los que ejercen una atracción más débil sobre el núcleo, según la ley de Coulomb, que indica que la intensidad del campo eléctrico es inversamente proporcional al cuadrado de la distancia.
Acumulando carga, por ejemplo, en una placa u otro material (por ejemplo, frotándolos enérgicamente como en los viejos tiempos), podemos generar un campo eléctrico. Si colocamos electrones en este campo, los electrones se moverán macroscópicamente en dirección opuesta a las líneas del campo eléctrico.
Nota: como describirán la mecánica cuántica y el movimiento browniano, la trayectoria real de un electrón individual es bastante aleatoria. Sin embargo, todos los electrones mostrarán un movimiento macroscópico "promedio" basado en la fuerza indicada por el campo eléctrico.
Así, podemos calcular con precisión cómo responderá una muestra macroscópica de electrones a un campo eléctrico.
Potencial eléctrico
Recordemos la ecuación basada en la ley de Coulomb que indica la magnitud de la fuerza \$\lvert \vec E\rvert\$ ejercida sobre un positivo carga de prueba:
$$\lvert \vec E\rvert = \frac{1}{4\pi\epsilon_{0}} \frac{\lvert q\rvert}{r^{2}}$$
A partir de esta ecuación, vemos como \$r \to 0\$ , \$\lvert \vec E\rvert \to \infty\$ . Es decir, la magnitud de la fuerza ejercida sobre una carga de prueba positiva se convierte en más grande cuanto más nos acercamos al origen del campo eléctrico.
Dicho al revés, como \$r \to \infty\$ , \$\lvert \vec E\rvert \to 0\$ a medida que nos alejamos infinitamente del origen de un campo eléctrico, la intensidad del campo tiende a cero.
Consideremos ahora la analogía de un planeta. A medida que aumenta la masa total acumulada del planeta, también lo hace su gravedad. La superposición de las atracciones gravitatorias de toda la materia contenida en la masa del planeta produce la atracción gravitatoria.
Aparte: la masa de tu cuerpo ejerce una fuerza sobre el planeta, pero la masa del planeta supera con creces la masa de tu cuerpo \$\left(M_{\text{planet}} \gg m_{\text{you}}\right)\$ que su atracción gravitatoria es eclipsada por la atracción del planeta.
Recordemos que en cinemática gravitacional potencial es la cantidad de potencial que tiene un objeto debido a su distancia al centro gravitatorio del planeta . El centro gravitatorio del planeta puede tratarse como una fuente de gravedad puntual.
Del mismo modo, definimos el potencial eléctrico como la cantidad de energía necesaria para mover una carga de prueba positiva \$q\$ desde una distancia infinita hasta un punto concreto.
En el caso del potencial gravitatorio, suponemos que el campo gravitatorio es nulo a una distancia infinita del planeta.
Si tenemos una masa \$m\$ que comienza infinitamente lejos, el campo gravitatorio del planeta \$\vec g_{\text{planet}}\$ trabaja para acercar la masa. Por tanto, el campo gravitatorio "pierde potencial" a medida que una masa se acerca al planeta. Mientras tanto, la masa acelera y gana energía cinética.
Análogamente, si tenemos una carga de prueba positiva que parte de una distancia infinita desde una carga fuente \$q_{\text{source}}\$ que genera un campo eléctrico \$\vec E_{\text{source}}\$ El potencial eléctrico en un punto es cuánta energía se necesitaría para mover la carga de prueba a cierta distancia \$r\$ de la carga fuente.
Esto resulta en:
- Cargas negativas ganar potencial eléctrico al moverse en la dirección del campo eléctrico \$\vec E\$ y fuera de una carga fuente positiva.
- Cargas negativas perder potencial eléctrico en movimiento frente a la dirección del campo eléctrico \$\vec E\$ y hacia una carga fuente positiva.
- Por el contrario, las cargas positivas perder potencial eléctrico al moverse en la dirección del campo eléctrico \$\vec E\$ y fuera de una carga fuente positiva.
- Cargas positivas ganar potencial eléctrico cuando se mueve en la dirección frente a el campo eléctrico \$\vec E\$ y hacia una carga fuente positiva.
Potencial eléctrico en conductores
Consideremos el modelo de los conductores o metales de transición, como el cobre o el oro, que tienen un "mar de electrones". Este "mar" se compone de electrones de valencia que están menos acoplados y se "comparten" entre varios átomos.
Si aplicamos un campo eléctrico a estos electrones "sueltos", se inclinan, en una media macroscópica, a moverse en una dirección específica a lo largo del tiempo.
Recuerda, los electrones viajan en la dirección frente a el campo eléctrico.
Del mismo modo, la colocación de una longitud de alambre conductor cerca de una carga positiva causará un gradiente de carga a través de la longitud del alambre.
La carga en cualquier punto del cable puede calcularse utilizando su distancia a la carga fuente y los atributos conocidos del material utilizado en el cable.
La carga positiva debida a la ausencia de electrones aparecerá más lejos de la carga positiva de origen, mientras que la carga negativa debida a la acumulación y el exceso de electrones se formará más cerca de la carga de origen.
Debido al campo eléctrico, aparecerá una "diferencia de potencial" entre dos puntos del conductor. Así es como un campo eléctrico genera tensión en un circuito.
La tensión se define como diferencia de potencial eléctrico entre dos puntos en un campo eléctrico.
Finalmente, la distribución de la carga a lo largo del alambre alcanzará el "equilibrio" con el campo eléctrico. Esto no significa que la carga deje de moverse (recuerde el movimiento browniano); sólo que el movimiento "neto" o "medio" de la carga se aproxima a cero.
Pilas no ideales
Inventemos un fuente de energía de célula galvánica o voltaica .
Esta célula se alimenta mediante la reacción electroquímica redox de varillas de Zinc y Cobre en una solución acuosa de sal de nitrato de amonio \$\left(\text{NH}_{4}\right)\left(\text{NO}_{3}\right)\$ .
El nitrato de amonio es una sal de enlace iónico que se disuelve en agua en sus iones constituyentes \$\text{NH}_{4}^{+}\$ y \$\text{NO}_{3}^{-}\$ .
Terminología útil:
- cación : un ion cargado positivamente
- anión : un ion cargado negativamente
- cátodo : los cationes se acumulan en el cátodo
- ánodo : los aniones se acumulan en el ánodo
Mnemotecnia útil: " un ion" es " un ion" es " A N ión egativa".
Si examinamos la reacción para la célula galvánica Zinc-Cobre anterior:
$$\text{Zn}\left(\text{NO}_{3}\right)_{2}+\text{Cu}^{2+} \quad\longrightarrow\quad \text{Zn}^{2+}+\text{Cu}\left(\text{NO}_{3}\right)_{2}$$
El movimiento de los cationes \$\text{Zn}^{2+}\$ y \$\text{Cu}^{2+}\$ es el flujo de carga positiva en forma de iones. Este movimiento se dirige hacia el cátodo .
![Galvanic Cell Charge Flow]()
Nota: Antes hemos dicho que la carga positiva es la "ausencia" de electrones. Los cationes (iones positivos) son positivos porque la eliminación de electrones da lugar a una carga atómica neta positiva debido a los protones del núcleo. Estos cationes son móviles en la solución de la célula galvánica, pero como puedes ver, los iones no atraviesan el puente conductor que conecta los dos lados de la célula . Es decir, sólo los electrones se mueven a través del conductor .
Basándonos en el hecho de que los cationes positivos se mueven y acumulan hacia el cátodo, lo etiquetamos como negativo (las cargas positivas son atraídas por las negativas).
Por el contrario, como los electrones se mueven hacia el ánodo y se acumulan en él, lo calificamos de positivo (las cargas negativas son atraídas por las positivas).
Recuerda cómo aprendiste que la corriente fluye de \$\textbf{+}\$ a \$\textbf{-}\$ ? Esto se debe a que la corriente convencional sigue el flujo de carga positiva y cationes, no de carga negativa.
Esto se debe a que la corriente se define como el flujo de carga positiva virtual a través de un área transversal . Por convención, los electrones siempre fluyen en sentido contrario a la corriente.
Lo que hace que esta célula galvánica no sea ideal es que, con el tiempo, el proceso químico que genera el campo eléctrico a través del conductor y provoca el flujo de electrones y carga llegará a un equilibrio.
Esto se debe a que la acumulación de iones en el ánodo y el cátodo impedirá que la reacción continúe.
Por otra parte, una fuente de energía "ideal" nunca perderá intensidad de campo eléctrico.
Las fuentes de tensión ideales son como escaleras mecánicas mágicas
Volvamos a la analogía del potencial gravitatorio.
Supongamos que estás en una colina y tienes un camino arbitrario colina abajo construido con paredes de cartón. Supongamos que haces rodar una pelota de tenis por este camino con paredes de cartón. La pelota de tenis seguirá el camino.
En los circuitos, el conductor forma el camino.
Supongamos que hay una escalera mecánica al pie de la colina. Como una máquina de Rube Goldberg, la escalera recoge las pelotas de tenis que ruedan por el camino y las deja al principio del camino, en la cima de la colina.
La escalera mecánica es su fuente de energía ideal.
Ahora, digamos que casi saturar completamente el todo camino (escalera mecánica incluida) con pelotas de tenis. Sólo una larga fila de pelotas de tenis.
Como no hemos saturado completamente el camino, aún quedan huecos y espacios para que se muevan las pelotas de tenis.
Una pelota de tenis que se sube por la escalera mecánica choca con otra pelota, que choca con otra pelota que... sigue y sigue.
Las pelotas de tenis que bajan por el camino de la colina ganan energía debido a la diferencia potencial de gravedad. Rebotan unas contra otras hasta que, finalmente, otra pelota se carga en la escalera mecánica.
Llamemos a las pelotas de tenis nuestros electrones. Si seguimos el flujo de electrones colina abajo, a través de nuestro falso "circuito" de cartón, y luego hacia arriba por la "fuente de energía" de la escalera mecánica mágica, nos damos cuenta de algo:
Los "huecos" entre las pelotas de tenis se mueven en la dirección exactamente opuesta a la de las pelotas de tenis (de vuelta a la colina y bajando por la escalera mecánica) y se mueven mucho más rápido. Las pelotas se mueven de forma natural de potencial alto a potencial bajo, pero a una velocidad relativamente lenta. A continuación, se mueven de nuevo a un potencial alto utilizando la escalera mecánica.
La parte inferior de la escalera mecánica es el polo negativo de una pila, o el cátodo de la célula galvánica de la que hablábamos antes.
La parte superior de la escalera mecánica es el polo positivo de una pila o el ánodo de una célula galvánica. El terminal positivo tiene un potencial eléctrico más alto.
Actual
Bien, entonces la dirección en la que fluye la carga positiva es la dirección de la corriente eléctrica.
¿Qué es actual?
Por definición, es: la cantidad de carga que atraviesa un área transversal por segundo (unidades: culombios por segundo). Es directamente proporcional al área de la sección transversal del cable/material conductor y a la densidad de corriente. La densidad de corriente es la cantidad de carga que circula por una unidad de superficie (unidades: culombios por metro cuadrado).
Esta es otra forma de verlo:
Si tienes un lanzador de pelotas de tenis escupiendo positivamente bolas cargadas a través de una puerta, el número de bolas que consigue atravesar la puerta por segundo determina su "corriente".
Cómo rápido que se mueven esas bolas (o cuánta energía cinética tienen cuando chocan contra una pared) es el "voltaje".
Conservación de la carga y la tensión
Se trata de un principio fundamental.
Piénsalo así: hay un número fijo de electrones y protones. En un circuito eléctrico, la materia no se crea ni se destruye... por lo que la carga siempre permanece igual. En el ejemplo de la escalera mecánica con pelotas de tenis, las pelotas sólo entraban en un bucle. El número de pelotas permanecía fijo.
En otras palabras, la carga no se "disipa". Usted nunca perder la carga.
Lo que ocurre es que la carga pierde potencial . Las fuentes de tensión ideales devuelven a la carga su potencial eléctrico.
Las fuentes de tensión NO crean carga. Generan potencial eléctrico.
Corriente que entra y sale de los nodos, resistencia
Tomemos el principio de conservación de la carga. Se puede aplicar una analogía similar al flujo de agua.
Si tenemos un sistema fluvial montaña abajo que se bifurca, cada rama es análoga a un "nodo" eléctrico.
/ BRANCH A
/
/
MAIN ---
\
\
\ BRANCH B
-> downhill
La cantidad de agua que entra en una rama debe ser igual a la cantidad de agua que sale de la rama por el principio de conservación: el agua (carga) no se crea ni se destruye.
Sin embargo, la cantidad de agua que baja por una rama determinada depende de la "resistencia" que oponga esa rama.
Por ejemplo, si la rama A es muy estrecha, la rama B es muy ancha y ambas ramas tienen la misma profundidad, la rama B tendrá naturalmente una mayor sección transversal.
Esto significa que la rama B opone menos resistencia y que un mayor volumen de agua puede fluir a través de ella en una sola unidad de tiempo.
Esto describe la Ley de la Corriente de Kirchoff.
¿Todavía estás aquí? ¡Impresionante!
1. ¿Qué ocurre con el resto de la corriente no utilizada?
Debido al principio de conservación, toda la carga que entra en un nodo debe salir. No hay corriente "no utilizada" porque la corriente no se utiliza . No hay cambio de corriente en un circuito en serie simple.
Sin embargo, en un nodo eléctrico pueden fluir diferentes cantidades de corriente por diferentes ramas en un en paralelo circuito en función de las resistencias de las distintas ramas.
2. ¿El LED consume toda la corriente?
Técnicamente, el LED y la(s) resistencia(s) no "utilizan" corriente, porque no hay caída de corriente (la cantidad de carga que pasa por el LED o la(s) resistencia(s) en una unidad de tiempo). Esto se debe a la conservación de la carga aplicada a un circuito en serie: no hay pérdida de carga en todo el circuito, por lo que no hay caída de corriente.
En importe de la corriente (carga) viene determinada por el comportamiento del LED y la(s) resistencia(s) descrito por su curvas i-v
3. ¿Por qué el LED "pierde tensión" en una determinada cantidad?
He aquí un circuito LED básico .
Un LED tiene una tensión de activación, normalmente en torno a ~1,8 a 3,3 V. Si no alcanza la tensión de activación, prácticamente no fluirá corriente. Consulta las curvas i-v de los LED enlazadas a continuación.
Si trata de empujar la corriente en la dirección opuesta a la polaridad del LED, estará operando el LED en un modo de "polarización inversa" en el que casi no pasa corriente. El modo de funcionamiento normal de un LED es el de polarización directa. Más allá de un cierto punto en el modo de polarización inversa, el LED "se rompe". Comprueba el gráfico i-v de un diodo.
Los LED son en realidad uniones PN (silicio dopado con p y dopado con n aplastados juntos). En función de los niveles de Fermi del silicio dopado (que dependen de las separaciones de banda de electrones del material dopado), los electrones necesitan una cantidad muy específica de energía de activación para saltar a otro nivel de energía. A continuación, irradian su energía en forma de fotón con una longitud de onda/frecuencia muy específica al volver a saltar a un nivel inferior.
Esto explica la alta eficiencia (más del 90% de la energía disipada por un LED se convierte en luz, no en calor) de los LED en comparación con las bombillas de filamento y CFL.
Esta es también la razón por la que la iluminación LED parece tan "artificial": la luz natural contiene una mezcla relativamente homogénea de un amplio espectro de frecuencias; los LED emiten combinaciones de frecuencias de luz muy específicas.
Los niveles de energía también explican por qué la caída de tensión a través de un LED (u otros diodos) es efectivamente "fija" aunque pase más corriente por él. Examine la curva i-v de un LED u otro diodo: más allá de la tensión de activación, la corriente aumenta MUCHO para un pequeño aumento de la tensión. En esencia, el LED intentará dejar pasar tanta corriente como pueda, hasta que se deteriore físicamente.
Esta es también la razón por la que se utiliza una resistencia limitadora de corriente en línea para limitar el flujo de corriente a través de un diodo / LED a un miliamperio nominal específico basado en las especificaciones del LED.
3(b). ¿Y qué pasa con el resto de componentes en serie, cae la tensión de cada componente, hasta que no queda nada?
Sí, la ley de voltaje de Kirchoff es que la suma de todas las caídas de voltaje en un bucle alrededor de un circuito es cero . En un circuito en serie simple, sólo hay un bucle.
4. ¿Eliges tu resistencia hasta el punto de "consumir toda la corriente/tensión" antes de que llegue al final del circuito?
No. La resistencia se elige en función de la corriente nominal del LED (por ejemplo, 30 mA = 0,03 A) y de la ley de Ohm. como se describe en el artículo sobre el circuito LED .
Tu voltaje se agotará. Su corriente sigue siendo la misma en todo un circuito en serie.
5. ¿Por qué una batería entra en cortocircuito si conectas los bornes directamente, pero si añades una bombilla (resistencia), no?
No estoy seguro de lo que quiere decir con "cortocircuito mortal".
Al conectar los bornes de una batería entre sí, se produce una gran descarga de corriente al voltaje de la batería. Esa tensión se disipa a través de la resistencia interna de la batería y del cable conductor en forma de calor, porque incluso los conductores tienen cierta resistencia.
Por eso las baterías en cortocircuito se calientan mucho. Ese calor puede afectar negativamente a la composición de una célula química hasta hacerla estallar.
6. ¿Por qué son necesarias las resistencias?
Esta es la retórica: imagina que hay un concierto increíble. Todas tus bandas favoritas van a estar allí. Va a ser un gran momento.
Digamos que los organizadores del evento no tienen noción de la realidad. Así que hacen que la entrada a este increíble concierto sea casi totalmente gratuita. Lo sitúan en una zona muy accesible. De hecho, son tan desorganizados que ni siquiera les importa si se exceden y no hay suficientes asientos para todos los que compren entradas.
Ah, y esto es en Nueva York.
Rápidamente, este increíble concierto se convierte en un desastre total. La gente se sienta unos encima de otros, derraman cerveza por todas partes, hay peleas, los baños están abarrotados, las groupies asustan a todo el mundo y apenas se oye la música por encima de todo el alboroto.
Piensa en tu LED como si fuera un concierto increíble. Y piensa en el desastre que va a ser tu LED si no tienes más resistencia allí para evitar que TODOS y sus madres se presenten al concierto.
En este tonto ejemplo, "resistencia" se traduce en "coste de entrada". Por simples principios económicos, aumentar el coste del concierto disminuye el número de asistentes.
Del mismo modo, el aumento de la resistencia en un circuito impide el paso de la carga (y, por tanto, de la corriente). Esto significa que tu LED (concierto) no queda completamente destrozado por toda la gente (carga).
Sí, la ingeniería eléctrica es una auténtica fiesta.
0 votos
Los comentarios no son para extender la discusión; esta conversación ha sido movido al chat .