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martes, 2 de septiembre de 2014

La Electrónica: Introducción. La Ley de Ohm. Oposición Policía Nacional. Tema 24.

Comenzamos el tema 24 del temario oposiciones policía nacional, con el estudio de la Electrónica: Introducción. La Ley de Ohm. Suscríbete a la Guía de Formación Online  para recibir estas actualizaciones directamente en tu correo electrónico.

1. La electrónica

1.1. Introducción

La electrónica es el campo de la ingeniería y de la física aplicada relativo al diseño y la aplicación de circuitos electrónicos, cuyo funcionamiento está basado en el control de flujo de los electrones, para la generación, transmisión, recepción y almacenamiento de información. Dicha información puede consistir en voz o música (como en un receptor de radio), en una imagen en una pantalla de ordenador, o, como en un ordenador, en números u otros datos.

La electrónica (es decir, el control del electrón para manipular información), nación cuando Lee de Forest inventó el tríodo en 1906. El tríodo permitía la amplificación de señales, lo que posibilitó la transformación de la radio como industria y poco tiempo después la televisión, a partir del año 1920. Asimismo, su empleo como conmutador, permitió en 1945, el desarrollo del primer computador electrónico (ENIAC), que empleó 18000 válvulas, cuyo consumo energético es similar al que emplearía una ciudad pequeña. Este elevadísimo consumo, además de su tendencia a fallar, potenció el deseo de encontrar algo de menor consumo y mayor fiabilidad. Como respuesta y solución a ello, en el año 1947, los laboratorios Bell, crearon el transistor, el cual al ser más pequeño, más resistente y de menor consumo, pronto sustituyó a la válvula de vacío como elemento de control. Jack Kilby de Texas Instruments, en el año 1958, desarrolló el circuito integrado, que solucionó el problema de la enorme cantidad de alambres que se precisaban para conectar los transistores individuales que componían un circuito. Se intentaba crear los transistores de una sola pieza de silicón con las conexiones hechas internamente. Y esto dio solución, no solamente al problema de las conexiones, sino también de espacio, estabilidad y consumo. Así, el refinamiento de las técnicas de fabricación llevó al desarrollo de los microprocesadores.

Iremos viendo varios de estos componentes electrónicos de forma individual, pero hay que tener en cuenta que todos estos componentes tienen algo en común: la circulación de electrones en un circuito cerrado, que se mueven –a través del espacio, de semiconductores o de gases- desde el polo negativo al polo positivo. Lo que se denomina corriente eléctrica, es precisamente este flujo de electrones.

Esta última frase o afirmación puede sorprender, ya que posiblemente hayamos leído en algún manual o texto de estudio que el sentido de la corriente eléctrica es al revés, es decir, del polo positivo al polo negativo. Pero es incorrecto. Esta afirmación errónea se basa en razones históricas y no de la física, ya que en la época en la que se formuló la teoría que intentaba dar explicación a cómo fluía la corriente eléctrica por los metales, los físicos no conocían la existencia de los electrones.

Para que lo entendamos, es necesario saber que los electrones son parte de los átomos, y que están orbitando a través del núcleo, que contiene protones y neutrones.
La carga de los electrones es negativa. Los protones tienen una carga positiva y una masa 1840 veces mayor a la del electrón. Los neutrones son neutros, tal y como señala su nombre.

Un átomo normal tiene el mismo número de protones y electrones, por lo que es eléctricamente neutro. Los electrones y los protones se atraen entre sí debido a que tienen cargas de distinto signo. Pero las partículas que tienen cargas del mismo signo se repelen, y la fuerza que actúa entre ellos es la fuerza eléctrica. Un átomo tiene carga eléctrica cuando ha ganado o perdido electrones de su dotación normal, y entonces se denomina ión. Si ha perdido electrones su carga es positiva y se denomina catión, pero cuando los ha ganado, su carga es negativa y se conoce como anión. Se denomina ionización, al proceso de convertir un átomo en un ión.

En todo circuito electrónico, la conducción de electrones tiene lugar siempre desde un cátodo (emisor), con carga negativa por exceso de electrones, hasta un ánodo (receptor), con carga positiva por defecto de electrones. Pero como los electrones están ligados a los átomos, para liberarlos de la atracción de estos se precisa aplicarles energía adicional. Esta energía puede ser de distintos tipos:

- Emisión termoiónica: Al calentar un conductor, o sea, al proporcionarle energía calorífica, se origina una aceleración de los electrones que logra que se escapen al vacío algunos de ellos.

- Emisión fotoiónica: es destacable que los electrones también se liberan al proporcionarles energía luminosa. Los fotones o partículas de luz, al incidir sobre materiales especiales (células fotoeléctricas), producen la emisión de electrones. Hertz fue quien descubrió el efecto fotoeléctrico.

- Emisión secundaria de electrones: también se descubrió que al bombardear un cuerpo con electrones, algunos de los electrones del cuerpo bombardeado se desprenden. En este caso la energía empleada en energía mecánica.

- Emisión de campo: cuando se somete a dos electrones a un intenso campo eléctrico, se logra arrancar electrones a uno de ellos, los cuales se dirigen al contrario. Este es el fundamento de las válvulas de cátodo frío. La emisión de campo se conoce también con el nombre de emisión autoelectrónica.

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1.2. La Ley de Ohm

Todo  circuito electrónico dispone siempre de 3 componentes fundamentales:
- Una fuente de fuerza electromotriz (FEM), la cual debe producir un desequilibrio electrónico o tensión eléctrica. La tensión que proporciona la fuente de energía eléctrica, se mide en voltios y se representa con la letra V.

- El flujo de una corriente de electrones: La intensidad (I) o cantidad del flujo de la corriente se mide en amperios, y se representa por la letra A. La relación entre corriente e intensidad es tan fuerte, que se usa el nombre de corriente para referirse a la intensidad y viceversa, siendo uno sinónimo del otro en la práctica.

- Una resistencia conectada al circuito, la cual consuma la energía que proporciona la fuente de fuerza electromotriz y la transforme en energía útil (para poner en funcionamiento un motor, para encender una lámpara, reproducir imágenes, amplificar sonidos, proporcionar calor, etc.). La resistencia (R) del consumidor conectado al propio circuito se mide en ohmios, y se representa con la letra griega omega.

La ley de Ohm dice que la corriente que circula por un conductor eléctrico, es directamente proporcional a la tensión e inversamente proporcional a la resistencia, siempre y cuando su temperatura se mantenga constante:
I = V / R

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