Electricidad y Electrónica



Yüklə 6,66 Kb.
Pdf görüntüsü
səhifə117/117
tarix24.12.2017
ölçüsü6,66 Kb.
#17240
1   ...   109   110   111   112   113   114   115   116   117

biente. El resultado es una elevación de la temperatura del gas, que puede alcanzar miles de gra-
dos, como ocurre con el aire embestido y comprimido por la nariz de una nave espacial, cuando
regresa a la atmósfera. Una manera de comprender el por qué de ese efecto, es imaginar, como
muestra la figura, un pistón que empuja las moléculas de un gas.
Cuando éstas rebotan contra la superficie móvil, adquieren una ve-
locidad mayor que la que tenían antes del choque, y eso ocurre,
mientras el pistón avanza, miles de veces por segundo, de modo
que la velocidad de las moléculas aumenta considerablemente. Y
mayor velocidad de traslación de las partículas, significa una mayor temperatura del gas.
T
RANSMISIÓN DEL CALOR POR CONVECCIÓN
En el funcionamiento de equipos eléctricos y electrónicos de cierto tamaño en adelante, por
ejemplo el de una computadora, la disipación del calor se convierte en un problema importante,
y de difícil solución. Normalmente la refrigeración se produce por radiación (véase el Apéndice
I) y por convección. La convección es el movimiento del aire, u otro gas, o de un líquido. Se dis-
tinguen dos casos: la natural, y la forzada. La convección natural se produce cuando una cierta
masa de aire caliente aumenta su volumen como consecuencia de su calentamiento; entonces
disminuye su densidad; flota en el aire más frío circundante, y asciende. Percibimos ese efecto
al tocar una lámpara incandescente que estuvo encendida durante algunos segundos; la parte
superior se calienta más que la inferior, por el movimiento del gas que hay en su interior.
17
Por lo dicho, una lámpara con su zócalo hacia abajo disipa el calor mejor que cuando cuelga,
que es, por desdicha, el caso más común. La convección forzada es
la que utiliza la energía de un ventilador. Casi todas las computadoras
actuales se refrigeran por ese método, con el inconveniente de que el
ruido de los ventiladores, o el de la turbulencia del aire en circulación
incomodan en algunos casos.
T
UBOS DE CALOR
Una propiedad muy útil de aquellos gases cuyo comportamiento se aparta mucho del ideal
–esto es, los gases que se condensan a temperaturas elevadas, o no muy bajas– es la cons-
trucción de tubos de calor.
Alguna vez, al tomar con la mano el mango de caño de una sartén sobre el fuego, notamos
que el mango quemaba, por haber quedado en el
hueco un poco de agua del último lavado. El ex-
tremo del mango en contacto con la sartén se ca-
lienta, el agua alojada en el caño hierve, y el vapor de agua transmite el calor por convección
hacia el extremo alejado, con mucha mayor eficiencia que la conducción térmica del caño.
Un tubo de calor suele ser de acero inoxidable, u otro metal resistente a la oxidación, y a temperaturas
elevadas. En su interior tiene una sustancia que, a la presión interna, es líquida cuando se encuentra a
la temperatura del extremo frío del tubo, y gaseosa cuando está a la temperatura del extremo caliente.
El interior del tubo se tapiza de un material esponjoso, que conviene que sea cerámico,
cuando  el  tubo  opera  a  varios  cientos  de  grados.
Cuando el líquido se evapora en el extremo caliente;
sus vapores avanzan hacia el extremo frío, allí se con-
densan, y el líquido regresa por el material poroso, a veces cuesta arriba si es muy absorbente.
Esos tubos conducen el calor con una eficiencia centenares de veces mayor que una barra
maciza de cualquier material.
E l e c t r i c i d a d   y   e l e c t r ó n i c a
280
17
Las antiguas lámparas incandescentes al vacío, en cambio, no presentaban ese efecto. Tenían más rendimiento,
porque perdían menos calor, pero el filamento se evaporaba antes que el de las actuales, y por eso duraban menos.
 
Extremo
caliente
Extremo
frío
La circulación atmos-
férica se produce por
convección  natural.
En  la  figura,  un  mo-
delo  simplificado  de
Euskalmet  (Agencia
Vasca de Meteorolo-
gía).  El  aire  se  ca-
lienta en el ecuador,
y asciende; y se en-
fría  en  los  polos,
donde desciende. 
l
Los tubos de calor se
usan  en  panaderías,
para conducir el calor
desde  el  quemador
del horno hacia todos
lados. También se em-
pleaban  unos  de  pe-
queño  tamaño,  para
clavarlos en los trozos
gruesos de carne, en
reemplazo de los cla-
vos  de  plata  que  se
usaban  hace  siglos,
para  que,  durante  el
horneado, la cocción
llegase al interior. Esa
técnica se abandonó
por los hornos de mi-
croondas. Arriba, cla-
vo  sólido  de  con-
ducción Spud Spikes,
para  asar  carne,  o
papas. Abajo, un en-
friador para procesa-
dor de computadora,
con  cuatro  tubos  de
calor.  El  aparato  es
más pequeño y silen-
cioso que los de con-
vección simple.
l
Apéndice:Maquetación 1  06/10/2010  03:23 a.m.  Página 280


A pesar de que a mediados del siglo XX prácticamente finalizó la era de las válvulas de vacío
y de gas, es igualmente útil conocer los rudimentos de la conducción eléctrica en ambos medios,
ya que, por ejemplo, aún conviven los antiguos monitores y tubos de TV de rayos catódicos al
vacío, con las más recientes pantallas de plasma;
18
y hay además muchas aplicaciones eléctricas
y electrónicas en las que se tiene en cuenta la conducción en esos medios.
C
ONDUCCIÓN EN EL VACÍO
El vacío, de conductividad idealmente nula, es el espacio libre de materia. Sin embargo, si
la distancia entre dos electrodos al vacío es suficientemente pequeña, y la tensión bastante ele-
vada; o si la temperatura del electrodo negativo es suficiente, se desprenden electrones del cá-
todo, que el ánodo captura, y se origina así una corriente eléctrica. En cambio, para tensiones
pequeñas, distancias suficientes, y electrodos fríos, el vacío resulta aislante.
Los mismos parámetros (distancia, tensión y temperatura) determinan la condición de ais-
lante o conductor de un gas.
C
ONDUCCIÓN EN GASES
A diferencia de muchos sólidos y líquidos, en los que hay presentes electrones libres en las
redes cristalinas, los gases, cuando están sin ionizar, son aislantes. Pero en condiciones espe-
ciales, los gases se ionizan, y se vuelven muy conductores de la electricidad.
19
La ionización de un gas puede obedecer a su elevada temperatura,
20
o a una intensidad su-
ficiente del campo eléctrico. Por ejemplo, con las tensiones de centenares de millones de voltios
de las tormentas eléctricas, el aire atmosférico se vuelve conductor, en cientos de metros, y al
nivel del suelo. Lo mismo ocurre, en una distancia mucho menor, con el chispero eléctrico de un
encendedor.
Una vez iniciada la conducción, los electrones se aceleran en el campo eléctrico, chocan
contra los átomos que encuentran en su camino, y los ionizan a su vez, con lo que aparecen más
electrones libres. Los iones positivos, por su parte se aceleran en sentido opuesto, y también
2 8 1
A p é n d i c e s
Apéndice III. Corrientes en
gases y en el vacío
18  
Recordemos que un plasma es un gas altamente ionizado. Los capítulos 2, 3, 4 y 10 hacen referencia a las aplicaciones
de ese cuarto estado de la materia.
19
Cuando el fuego alcanza los contactos de un enchufe de baja tensión, se establece, a través de la llama, un camino
conductor entre vivo y neutro, o entre el vivo y partes a tierra cercanas, y se agrava el incendio. Por eso, a veces no
se sabe si un incendio se originó en un cortocircuito, o si ocurrió lo inverso. 
20
El capítulo 16 menciona los efectos que tiene en las comunicaciones, la incandescencia del escudo térmico de las
naves espaciales que regresan a la atmósfera.
Polo, u órgano de co-
nexión y desconexión,
de  un  interruptor  de
vacío de 24 kV. El con-
tacto  móvil  se  puede
desplazar un centíme-
tro, gracias a un fuelle
metálico  flexible.  La
chispa,  o  arco  eléc-
trico,  volatiliza  parte
del metal. Cuando los
gases  metálicos  se
condensan  sobre  las
paredes frías, mejoran
el vacío reinante. Esos
polos  ocupan  menos
sitio que los contactos
inmersos en gas hexa-
fluoruro  de  azufre,
aceite o aire.
l
En  ciertas  condicio-
nes, el aire es conduc-
tor  de  la  electricidad.
Arriba,  arco  eléctrico
accidental, de 500 kV y
dos metros, en un sec-
cionador en aire. 
(Foto:
Jim Phillips)
. Abajo, arco
de 5 kV y medio centí-
metro, en un encende-
dor. 
(Dibujo: Kyocera Corp.) 
l
Apéndice:Maquetación 1  06/10/2010  03:23 a.m.  Página 281


chocan, y ionizan átomos. Los iones y electrones, cuando pierden energía después de varios
choques, se combinan con partículas de la polaridad opuesta, y quedan momentáneamente
fuera del fenómeno de la circulación de corriente; hasta que otros iones choquen con los átomos
que se acaban de formar, y los ionicen.
Los aspectos cuantitativos de esos fenómenos dependen del tipo de gas, la intensidad del
campo eléctrico, la distancia a la que se encuentre un átomo de otro, o una molécula de otra, y
sus velocidades; en otras palabras, la conducción depende del campo eléctrico, de la presión,
21
y de la temperatura.
Si la densidad del gas es muy baja, la probabilidad de que una partícula choque con otra se
reduce, y un ion puede atravesar la distancia completa entre electrodos, sin que se produzca
una ionización adicional. Por otra parte, si la densidad es muy elevada, las partículas chocan
muy frecuentemente, sin tiempo de tomar velocidad suficiente como para ionizar átomos. Para
cada separación entre electrodos hay una densidad intermedia, en la que el efecto de ionización
por choque es máximo.
L
EY DE
P
ASCHEN
Friedrich Paschen (1865–1947) publicó los resultados de muchos experimentos de descargas
eléctricas, en gases a diferentes presiones, y propuso varias fórmulas empíricas.
22
Una de esas
fórmulas, válida para una separación de los electrodos del orden de un milímetro, establece
que la tensión eléctrica disruptiva (la que produce la conducción del gas) depende de la presión
mediante la fórmula = 30.p.d + 1.350 V.
es la tensión, en voltios; es la presión, en torr, o milímetros de mercurio; y d, la separación
entre electrodos, en centímetros. Por ejemplo, para un milímetro de separación, y una presión
normal de 760 torr, y para que salte una chispa eléctrica entre los dos electrodos, hay que aplicar
una tensión de valor 30 
 760  0,1 + 1.350, unos 3.600 volt de cesta, o 3.200 eficaces.
Posteriormente, otros investigadores propusieron expresiones más complejas, pero que se
pueden aplicar a separaciones entre electrodos más
variadas. En la fórmula de la figura, las constantes a
son propias de cada gas (las del aire valen 43,6 y
12,8); es la presión, en atmósferas, y es la sepa-
ración entre electrodos planos o redondeados, en
metros.
Las escalas logarítmicas de los ejes facilitan la
representación de magnitudes de muy diverso orden.
Se aprecia que el neón es el gas más fácil de encen-
der, entre los que menciona el gráfico.
23 
T
UBOS DE
C
ROOKES
Como curiosidad histórica, mencionamos algunos de los experimentos científicos más an-
tiguos
24
que se conocen de descargas en el vacío y en gases, realizados por William Crookes
E l e c t r i c i d a d   y   e l e c t r ó n i c a
282
22 
Empírico significa concerniente o relativo a la experiencia. Se aplica, en este caso, y en otros, a los conocimientos
que se obtienen de la observación directa, y sin una teoría de interpretación.
23  
Se fabrican lámparas de neón encienden con 90 V, y con algo menos. La presión del gas en el interior de la ampolla
es de algunas milésimas de atmósfera. 
24  
Hay conjeturas sobre la posibilidad de experimentos anteriores, pero no eran científicos, sino prácticas de fin des-
conocido, quizá religioso. El vacío, o disminución de presión, se conseguía con columnas de agua cerradas por arriba,
que se vaciaban sobre un recipiente, y la tensión eléctrica se generaba por fricción de cintas. (Consúltese, por
ejemplo, el capítulo Reyes 2 de la Biblia.)
Comportamiento  del
vacío, del aire, el he-
xafluoruro  de  azufre
(un  gas)  y  el  aceite
dieléctrico.  Cuanto
mayor es la distancia
entre electrodos, más
elevada es la tensión
que pueden soportar
a la temperatura am-
biente.  Un  bar  es,
aproximadamente,
una  atmósfera  de
presión.  (Gráfico  de
Schneider Electric.)
l
Los  tubos  y  lámparas
compactas 
fluores-
centes, por la gran se-
paración  entre  sus
electrodos,  necesitan
tensiones    bastante
mayores que los 220 V
eficaces,  o  315  de
cresta, de la línea eléc-
trica domiciliaria. Sus
circuitos generan una
tensión  de  arranque
mayor, de varios cen-
tenares de voltios. En
cambio, una pequeña
lámpara  de  neón  en-
ciende  con  la  mera
tensión de la red. (El re-
sistor de 100 k
 limita
la corriente, dado que
los  gases  disminuyen
su  resistividad  con  la
temperatura.)
l
Apéndice:Maquetación 1  06/10/2010  03:23 a.m.  Página 282


(1832–1919), antes de que se conociera la estructura atómica. Crookes usaba, como fuente de
alta tensión, un transformador cuyo primario alimentaba con una corriente alterna de onda cua-
drada; que conseguía con una batería de corriente continua entrecortada con un electroimán.
a-Tubo de rayos catódicos. La alta tensión aplicada entre dos electrodos, arranca electrones
del cátodo, y los proyecta contra la pintura fluorescente del frente, que brilla. La cruz de Malta
hace sombra, y muestra que los electrones viajan en línea recta. b-La corriente de electrones y
de iones que circula entre los electrodos del tubo, hace girar una noria. c-Tubo de rayos X. Los
electrones que salen del cátodo, a la derecha, chocan con el anticátodo, a la izquierda; y, por el
frenado brusco, emiten rayos X. Arriba, un ánodo auxiliar dirige el haz de electrones; y una en-
trada lenta de aire, permite que el tubo funcione con una tensión más baja. d-Radiómetro, o mo-
linillo de radiación, hecho con aspas negras de un lado, y blancas del otro. Cuando la parte
blanca refleja la luz, recibe del rayo luminoso un impulso mayor que el aspa opuesta, pintada de
negro; entonces, cuando se ilumina el aparato, las paletas giran, teóricamente, con lo negro
hacia adelante.
25
O
TRAS FUENTES DE ESTUDIO
• Paul F. Schurmann, Historia de la Física, Nova, Buenos Aires, 1946. Ese libro resume 25 siglos
de ciencia a través de las ideas centrales y la biografía de sus investigadores e investigadoras.
Está disponible para consulta en cuatro bibliotecas de Buenos Aires.
• Danni AyalaHinojosa, Composición de la atmósfera terrestre,
http://www.ecuadorciencia.org/articulos.asp?id=5677
•  Universidad  Tecnológica  Metropolitana  del  Estado  de  Chile,  Apuntes  de  físicoquímica,
http://www.ingenieriaquimica.net/recursos/descarga.php?id=148&accion=descargar
• Georges Bernard (Trad. castellana de E. Milà, 2000), Schneider Electric, La ruptura por auto ex-
pansión, Cuaderno técnico 171, Buenos Aires. (Edición francesa, 1993). Da detalles técnicos
sobre las propiedades de los gases en la extinción del arco eléctrico en interruptores.
http://www.ingeborda.com.ar/biblioteca/Biblioteca%20Internet/Catalogos%20de%20Fabrican-
tes/Materiales%20Electricos/Schneider/Cuadernos%20Tecnicos%20CT/CT171.pdf
• Giordano J. L., 2007 Cómo funcionan las cosas: La esfera de plasma (Santiago: http://www.pro-
física.cl) Contiene datos técnicos y fotos sobre el funcionamiento de una bola de plasma, y al-
gunos experimentos que se pueden hacer con ella, y con lámparas fluorescentes compactas, o
de bajo consumo, aun cuando estén agotadas.
http://www.profisica.cl/comofuncionan/como.php?id=39 (Consulta: Julio 13, 2009) 
A p é n d i c e s
2 8 3
25 
Cuando queda un poco de aire dentro del radiómetro, funciona mejor que con buen vacío, y lo hace en sentido inverso
al dicho. Eso se debe a la agitación térmica de las moléculas del aire residual en el tubo, mayor en las proximidades
de las superficies negras, que alcanzan una temperatura mayor que las superficies blancas.
La  tensión  de  des-
carga  depende  de  la
forma de los electro-
dos. Cuando el nega-
tivo termina en punta y
el positivo es plano, la
tensión es mayor que
en el caso opuesto.
l
Crookes  fue un cientí-
fico serio y de renom-
bre,  y  sus  llamativos
experimentos trascen-
dieron el círculo de es-
pecialistas.  Una  vez
sugirió la posible exis-
tencia de un campo de
fuerzas  psíquico,  lo
que alentó muy atrevi-
das  especulaciones;
las  de  Wilhelm  Reich
(1897–1957) entre ellas,
quien  afirmó  la  exis-
tencia  de  cuantos  de
deseo, que llamó orgo-
nes.  Intentó  amplifi-
carlos con unas cajas
orgónicas. La superfi-
cialidad y charlatane-
ría se presentan como
consuelos de todos los
tiempos para la igno-
rancia. Toda sociedad
provee,  también  hoy,
muchos ejemplos.
Abajo, Reich.
l
Apéndice:Maquetación 1  06/10/2010  03:23 a.m.  Página 283


Apéndice:Maquetación 1  06/10/2010  03:23 a.m.  Página 284

Document Outline

  • 00 - Tapa y Pág. Iniciales
    • Electricidad y Electrónica 1.pdf
    • Electricidad y Electrónica 2.pdf
    • Electricidad y Electrónica 3.pdf
    • Electricidad y Electrónica 4.pdf
    • Electricidad y Electrónica 5.pdf
    • Electricidad y Electrónica 6.pdf
    • Electricidad y Electrónica 7.pdf
    • Electricidad y Electrónica 8.pdf
  • 01 - Cap. 1 - Fundamentos de la electrostática
  • 02 - Cap. 2 - Aplicaciones electrostáticas
  • 03 - Cap. 3 - Inconvenientes de las cargas estáticas
  • 04 - Cap. 4 - Fundamentos de electrodinámica
  • 05 - Cap. 5 - Aplicaciones de la corriente eléctrica
  • 06 - Cap. 6 - Materiales eléctricos
  • 07 - Cap. 7 - Magnetostática
  • 08 - Cap. 8 - Inducción electromagnética
  • 09 - Cap. 9 - Aplicaciones científicas, industriales y domésticas del magnetismo
  • 10 - Cap. 10 - Electricidad y medio ambiente
  • 11 - Cap. 11 - Historia de la electrónica
  • 12 - Cap. 12 - Diodos semiconductores
  • 13 - Cap. 13 - Transconductores
  • 14 - Cap. 14 - Componentes
  • 15 - Cap. 15 - Amplificadores operacionales
  • 16 - Cap. 16 - Herramientas de experimentación
  • 17 - Cap. 17 - Introducción a las técnicas digitales
  • 18 - Cap. 18 - Nuevos materiales y sus aplicaciones
  • 19 - Cap. 19 - Sistemas microelectromecánicos (MEMS)
  • 20 - Cap. 20 - Electrónica y medio ambiente
  • 21 - Respuesta a las propuestas de estudio
  • 22 - Glosario general
  • 23 - Apéndices
  • DOCUMENTO DE TRABAJO MOMENTO 1 La puesta en marcha e implementación del programa y su contexto ANEXOS
  • DOCUMENTO DE TRABAJO MOMENTO 1 La puesta en marcha e implementación del programa y su contexto
  • DOCUMENTO DE TRABAJO MOMENTO 2 El alcance de las acciones PIIE en las escuelas desde la perspectiva de los actores institucionales ANEXOS
  • DOCUMENTO DE TRABAJO MOMENTO 2 El alcance de las acciones PIIE en las escuelas desde la perspectiva de los actores institucionales
  • DOCUMENTO DE TRABAJO MOMENTO 3 Análisis de la apropiación jurisdiccional del programa y la conformación y dinámica de trabajo de los equipos jurisdiccionales ANEXOS
  • DOCUMENTO DE TRABAJO MOMENTO 3 Análisis de la apropiación jurisdiccional del programa y la conformación y dinámica de trabajo de los equipos jurisdiccionales VERSION DEFINITIVA
  • DOCUMENTO DE TRABAJO MOMENTO 4 Modos de apropiación del programa desde un conjunto de instituciones
  • ESTUDIO EVALUATIVO DEL PROGRAMA INTEGRAL PARA IGUALDAD EDUCATIVA PIIE Enero diciembre 2007 RESUMEN EJECUTIVO 31 03 08

Yüklə 6,66 Kb.

Dostları ilə paylaş:
1   ...   109   110   111   112   113   114   115   116   117




Verilənlər bazası müəlliflik hüququ ilə müdafiə olunur ©genderi.org 2024
rəhbərliyinə müraciət

    Ana səhifə