Un saludo a todos los lectores steemianos, hoy quiero hablar y explicar un poco sobre las bases de unos de los temas que más me apasiona y resulta bastante interesante, la electrónica. Como ya sabrán los estudios de la electrónica ha sido en gran parte lo que ha dado la posibilidad y las bases a la creación de toda la tecnología que existe hoy en día. Los teléfonos, televisores, equipos de sonido, computadoras, electrodomésticos, automóviles y todo tipo de instrumentos o herramientas usan circuitos eléctricos para llevar a cabo su típico funcionamiento con la finalidad de hacer un trabajo específico de una manera más sencilla. En definitiva un solo día sin utilizar equipos electrónicos seguramente reduciría nuestra productividad increíblemente y no realizaríamos las actividades a las que estamos tan acostumbrados a día de hoy, entonces ¿Alguna vez se han preguntado cómo funcionan los circuitos electrónicos?

El funcionamiento de los circuitos eléctricos pueden llegar a ser muy complejo y para entender la función que realizan hay que saber un poco sobre los principios en los que se basan, las leyes y teorías que rigen el funcionamiento de ellos, los componentes que los conforman (y la función de ese componente específico) entre otras cosas... quizás la información y teoría sea algo densa o complicada de entender en algunos casos pero no hay que ser Albert Einstein para poder entender cómo funcionan y analizar si hay alguna falla. El saber un poco sobre los principios de la electrónica podría darte el conocimiento de cómo reparar un equipo electrónico (dependiendo de su complejidad) ya que es muy común que los equipos electrónicos se dañen tarde o temprano, por lo general en la actualidad están diseñados para que si se dañan u ocurre una falla, la reparación sea lo más sencilla posible, con un poco de suerte solo sería cuestión de cambiar un solo componente interno del circuito y nos ahorramos el comprar un equipo totalmente nuevo o el costo de pagarle a un tercero para que lo repare. Para entender cómo funcionan los circuitos primero hay que saber cómo funciona la electricidad y algunos conceptos básicos en relación al tema.

Partiendo desde lo más básico hay que conocer la respuesta a estas preguntas, ¿Por qué la electricidad circula? ¿Qué la hace circular? ¿Por dónde puede circular?... para responder esto hay que analizar cómo se comporta el componente más pequeño del cual está hecho todo material u objeto, el átomo. Absolutamente todo lo que conoces está hecho de átomos, incluso nosotros mismo, y a su vez este está compuesto de tres elementos: neutrón, protón y electrón. Los dos primeros se encuentran juntos (protones y neutrones) en el núcleo del átomo, y casi toda la masa del átomo (más del 99%) es del núcleo. Por otra parte los electrones se encuentran girando alrededor del núcleo aproximadamente a una velocidad un poco menor que la velocidad de la luz (≈300.000.km/s… a esta velocidad le puedas dar 7 vueltas a la tierra en un segundo).

Entonces un átomo es algo parecido a un sistema solar donde el núcleo es el sol y los electrones son los planetas, pero su tamaño es de aproximadamente de 10x^-10 metros, el tamaño de los protones y neutrones es alrededor de 10x^-15 y finalmente lo más pequeño serían los electrones (y los quarks, son los que componen los protones y neutrones) en el orden de los 10x^-18 m. Cada uno de los elementos químicos que existen en la naturaleza está definido por la constitución de sus átomos, es decir, cada uno tienen una cantidad específica de electrones, protones y neutrones. Por ejemplo un átomo de helio está compuesto de 2 electrones, 2 protones y 2 neutrones, a día de hoy se conoce sobre la existencia de 118 átomos diferentes. También es importante tener en cuenta qué:

Como se ve en la imagen los electrones giran alrededor del núcleo del átomo en diferentes orbitas o capas que están bien definidas, y se les denomina bandas de energía ya que cada una corresponde a un nivel energético. Como seguramente ya sabrán las cargas opuestas se atraen, ya que los electrones están cargados negativamente se ven atraídos por las carga positiva de los protones y se mantienen girando debido a esa atracción. En algunos materiales, conocido comunmente como conductores, los electrones que se encuentran en la órbita más externa (banda de conducción) del átomo no se sujetan “fuertemente” a su núcleo porque ya que está muy lejos del núcleo la atracción entre ellos no es lo suficientemente fuerte para retenerlo en consecuencia lo que sucede es que los electrones tienden a saltar a la banda más externa de otro átomo que los atraiga. Si un átomo tiene más electrones que protones entonces se dice que tiene carga negativa, si es al revés tendrá carga positiva y si tienen la misma cantidad de electrones y protones tiene carga neutra, teniendo esto en cuenta los electrones se verán atraídos o “tentados” a saltar hacia los átomos con una carga positiva (ya que es mayor a la del núcleo de su propio átomo) y estos electrones que saltan se les suele denominar electrón libre.

Existen varios materiales conductores, pero los mejores conductores son los metales y entre este grupo es sabido que los mejores son el cobre, oro, hierro, aluminio y la plata (y sus aleaciones); el mejor conductor de todos es la plata pero como es cara debido a que no se consigue en abundancia, por eso se con mucha más frecuencia el cobre que tiene una conducción casi igual, el oro también es buen conductor (no tan bueno como la plata y el cobre), pero tiene la ventaja de que es resistente a la corrosión lo que lo hace más duradero el circuito o componente en que se implemente, por eso es común que los artículos electrónicos de calidad sean más caros ya que usan este metal para sus contactos o partes del circuito. Entonces los electrones de estos materiales conductores están constantemente saltando de un átomo a otro sin un orden específico, lo hacen en direcciones al azar y el hecho de que salten es solo una característica física peculiar de los materiales conductores. En diferencia de los conductores están los materiales que son aislantes y la razón es justamente porque aíslan la electricidad ya que es mucho más difícil que los electrones de los átomos de estos materiales salten hacia otro átomo (no es imposible pero es se necesita un esfuerzo muchísimo mayor que en los materiales conductores).

Con esto seguramente ya se hacen una idea de cómo la electricidad puede circular ¿no?, se dice que hay una corriente eléctrica cuando hay un flujo de cargas recorriendo un material, y precisamente esas cargas eléctricas se refieren a los electrones saltando de un átomo a otro, pero para que los electrones fluyan como el agua en un río a través del material conductor tiene que existir una fuerza que los impulse en la dirección que se quiere en un circuito cerrado, dicha fuerza es conocida como voltaje, tensión o fuerza electromotriz.

El voltaje es lo que impulsa a los electrones de un material a moverse de un punto a otro en un circuito cerrado debido a que genera diferencia de potencial en el material conductor, ¿pero que es una diferencia de potencial? Imagínate un río que va desde lo alto (mayor potencial) de una montaña hasta su parte más baja (menor potencial), hay una fuerza que hace que el agua descienda por ese río, a la que llamamos gravedad y es sencillamente porque esta genera una presión/fuerza en el agua que fluye en el río, pues pasa algo muy parecido con el voltaje y los electrones. También puede ser comparado como la presión de agua en una tubería, si hay presión el agua fluye, y mientras más presión haya va a fluir mayor cantidad de agua, en contraste mientras mayor voltaje se aplique en un circuito más electrones van a fluir en este. Al igual que como se puede medir la presión de una tubería podemos medir la diferencia de potencial en Voltios (V). Lo que se puede desglosar en Voltio = Joules (energía utilizada) / Coulomb (por grupo de electrones fluyendo). Por ejemplo con una batería de 5V se puede decir que esta batería produce 5 joules de energía (en forma de calor o trabajo) por cada Coulomb, es decir, por una cantidad específica de electrones igual a un coulomb (1C, Coulomb es una unidad para cuantificar electrones, que se define más abajo) que fluyen desde un terminal de la batería hasta el otro.

Como había mencionado la corriente eléctrica es el flujo de cargas eléctricas (electrones) en el recorrido de un material, y al igual que como se puede medir la cantidad de agua que sale de una tubería en litros de agua, podemos medir la cantidad de electrones que fluyen a través de un material conductor en segundos con la unidad Amperio (A). Un amperio (1A) es el equivalente a decir que fluye una cantidad de cargas igual a un Coulomb (1C) en un segundo a lo que equivale una cantidad de 6,24x10^18 ≈ 6.242.000.000.000.000.000 de electrones por segundo fluyendo a lo largo del recorrido.

Por los momentos lo dejaré hasta aquí, espero que se entienda bien lo que he redactado con los ejemplos he imágenes, temas relacionados a física pueden ser algo abstractos y difíciles de comprender por lo que si tienes alguna duda puedes preguntar (o investigar). He tratado de explicar esta teoría de la forma más sencilla posible y está en mí deber decirles que he simplificado u omitido muchas características y fenomenos propios pero dejando lo más importante y primordial para que se entienda como funciona la electricidad sin tener muchos conocimientos en el área de física o ciencias . Espero que este contenido les resulte tan interesante como a mí y espero seguir trayendo más clases y contenido en relación a la electrónica así que nos vemos hasta la siguiente publicación :D.