Este curso introduce al alumno a la electrónica y los Arduinos, comenzando desde lo más básico de un circuito eléctrico y finalizando con el diseño de circuitos de baja complejidad empleando dispositivos electrónicos programables. Durante el curso los alumnos aprenderán los fundamentos básicos de la electricidad y de la electrónica, conocerán los diferentes bloques empleados en el diseño de un circuito electrónico, aprenderán las bases del diseño de circuitos analógicos y digitales, y serán introducidos a la programación de estos últimos empleando la plataforma Arduino. El curso apunta a estudiante de último año de educación escolar y primer año de educación universitaria, o cualquier otro alumno con suficiente motivación como para llevar a cabo sus propios experimentos y seguir aprendiendo en el futuro. Si bien no es un requisito esencial, los alumnos que tengan nociones de cálculo diferencial e integral podrán entender mejor algunos tópicos específicos, que no son estrictamente necesarios para concluir el curso. El curso incluye demostraciones de dispositivos electromecánicos sencillos controlados mediante un Arduino. Cada circuito demostrativo lleva asociado un diagrama de conexiones y un programa, ambos debidamente explicados, para facilitar que sean replicados por los alumnos empleando la plataforma Arduino.
¿Qué es la electricidad?
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Electrones en Acción: Electrónica y Arduinos para tus propios Inventos
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Pontificia Universidad Católica de Chile
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El mundo físico, eléctrico y digital
Este módulo es una introducción a los sistemas electrónicos en general, mostrando diferentes bloques típicos y genéricos empleados para la adquisición y procesamiento de señales, y la acción sobre el mundo.
與講師見面
Angel AbuslemeProfesor Asociado
Departamento de Ingeniería Eléctrica
Cristobal AlessandriEstudiante de Doctorado
Departamento de Ingeniería Eléctrica
[AUDIO EN BLANCO] Continuamos entonces con qué es la electricidad,
la electricidad es una forma de energía que es fácil de generar.
Podemos generarla de diferentes maneras, por ejemplo, a través de
un generador eléctrico, podemos generarla a través de una celda fotovoltaica.
Es fácil de convertir en otros tipos de energía.
Ya vimos que los sensores y actuadores que vimos en
el vídeo anterior de alguna forma nos permiten medir señales,
nos permiten convertir esas señales en alguna acción física.
Esos actuadores y sensores muchas veces lo que están haciendo detrás es convertir
entre diferentes tipos de energía, por ejemplo, si tenemos un parlante.
Un parlante lo que hace realmente es convertir una señal eléctrica
en energía mecánica, que se manifiesta a través de ondas de presión en el aire y
la electricidad además es fácil de transportar en grandes cantidades.
Lo vemos en torres de alta tensión que nos permiten recibir en un lugar remoto,
energía eléctrica generada en otra región del país.
Y lo otro es que es fácil de conducir en pequeñas cantidades y a gran velocidad y
precisión y eso es lo que vamos a utilizar con mayor frecuencia en este curso.
La electricidad puede ser utilizada en muchas aplicaciones.
Esto es ideal para aplicaciones de potencia, donde queremos hacer actuar un
motor, por ejemplo, un calefactor o un parlante de muy alta potencia.
Pero también es ideal para manejar señales e información.
Entonces aquí estamos distinguiendo entre dos tipos diferentes de usos: cierto,
hay un uso que es para realizar acciones,
que es el primero, y otro uso que es para procesar información.
Existe electricidad estática y electricidad dinámica,
pero en este curso nos vamos a centrar en la electricidad dinámica.
Entonces nos surge la pregunta ¿de qué está hecha la electricidad?
La electricidad es el flujo de carga eléctrica a través de un material.
La carga eléctrica es transportada por electrones, los electrones que
forman parte de todos los átomos neutros nos permiten transportar electricidad.
Los electrones, por convención,
tienen carga eléctrica negativa y se mueven en respuesta a un campo eléctrico.
Entonces aquí vemos un esquema donde aparece un conductor
eléctrico y cada uno de estos puntos representa un electrón.
Entonces digamos que hay un campo eléctrico que está moviendo los
electrones en promedio en esa dirección.
La electricidad como flujo de carga eléctrica es
el movimiento promedio de todos estos electrones.
Vemos que no todos se mueven en esta dirección.
Este está bastante alineado con esa dirección,
pero la gran mayoría se está moviendo en cualquier dirección,
realmente, en promedio, estos electrones se mueven en una dirección.
Se mueven lentamente, en general, un electrón en un conductor se mueve
a velocidades del orden de un centímetro por segundo.
Siempre decimos ¡uy, la electricidad que viaja a la velocidad de la luz!
Realmente la electricidad, si lo consideramos como transporte de carga,
no es tan rápida.
Volvemos nuevamente a este esquema.
Un electrón puede moverse a un par de centímetros por segundo
dentro de este conductor.
Pero si entra un electrón nuevo aquí, instantáneamente sale un electrón por acá,
vemos que la electricidad efectivamente sí se movió rápidamente.
Esa transmisión de electricidad ocurre más o menos a la velocidad de la luz.
Las ondas eléctricas viajan a la velocidad de la luz,
aunque los portadores de carga viajen a velocidad finita.
A medida que los electrones avanzan por su camino, van perdiendo energía.
Cada vez que un electrón se mueve, debido a un campo eléctrico en un conductor,
pierde algo de energía.
Va convirtiéndola en otras forma de energía y una consecuencia indirecta de
este efecto, es que podemos almacenar y procesar información usando electrones.
Entonces, los electrones, como dije antes, son cargas negativas.
No son cargas positivas, sin embargo,
a nosotros por alguna razón nos gusta pensar en positivo.
Típicamente la electricidad se produce por el movimiento de cargas negativas.
Pero el movimiento de cargas negativas en esta dirección en términos matemáticos,
es equivalente al movimiento de cargas positivas en la otra dirección.
Entonces, aunque los electrones se muevan en esa dirección,
vamos a hablar de que la electricidad
transportada por una corriente eléctrica va en la otra dirección.
Entonces hablamos de que la corriente
va en la dirección contraria al movimiento de los electrones.
Bajo este supuesto, podríamos pensar que la electricidad
es transportada por cargas positivas.
Eso no es verdad, en la gran mayoría de los conductores,
la electricidad es transportada por cargas negativas.
Sin embargo, vamos a hacer esa pequeña abstracción,
y de ahora en adelante no vamos a hablar mucho de electrones, si no que vamos
a hablar de electricidad provocada por movimiento de electrones, pero que
produce corrientes que van en la dirección contraria al movimiento de los electrones.
Tomemos una analogía sencilla para entender mejor la electricidad.
La analogía sencilla es el agua en el lecho de un río,
que se mueve desde el punto más elevado al punto más bajo, ¿de acuerdo?
Mientras más alto, más energía potencial tiene el agua y a medida que va bajando,
va perdiendo energía.
Si está más alto, es capaz de desarrollar más trabajo útil.
De la misma forma, las cargas eléctricas positivas en un conductor se
mueven desde un punto de mayor voltaje o potencial a un punto de menor voltaje.
Entonces estamos viendo una analogía aquí directa entre la altura
que tiene el agua y el potencial que tiene un electrón.
Entonces apareció ahí un nuevo término
voltaje o potencial que tiene que ver con la energía que tiene un portador de carga.
A más alto potencial o voltaje, más energía tienen estos portadores de carga
y son más capaces de desarrollar trabajo útil.
Entonces, cuando le damos el voltaje a algo, en realidad estamos impartiendo más
energía a los portadores de carga para que puedan realizar más trabajo útil.
Entonces aquí tenemos nuestra analogía.
Tenemos un río, y el agua fluye desde un punto más alto hasta un punto más bajo.
Aquí tenemos una pequeña caída.
De la misma forma, si tenemos una batería,
en la batería en el terminal positivo hay un mayor potencial.
Entonces las cargas eléctricas hipotéticamente positivas,
sabemos que son negativas,
pero vamos a asumir para el resto del curso que son cargas positivas, se mueven
desde un punto de mayor potencial, hacia un punto de menor potencial.
En este caso estas cargas están pasando a través de una ampolleta.
Al pasar por esta ampolleta estas cargas pierden energía
y esa energía la convierten en calor y eventualmente en luz.
Luego de que perdieron energía,
esas cargas vuelven al terminal negativo de la batería, que se encarga de
elevar el potencial para que luego salgan por este otro lado con más energía.
Entonces, ¿qué es la electricidad?
La electricidad es una forma de energía.
Y además es el movimiento de cargas eléctricas a través de un circuito.
Vamos a hablar sobre qué es un circuito.
La electricidad inevitablemente lidia con cantidades físicas o cantidades que
podemos medir, por ejemplo podemos hablar de ondas de presión,
que podemos eventualmente transformar en electricidad.
O podemos hablar del color de un tipo de luz,
que también podemos transformar en electricidad.
Entonces siempre hay cantidades.
Típicamente las variables físicas son traducidas a voltajes
o corrientes en un circuito.
Vamos a hablar siempre de voltajes o corrientes,
hay un asunto de dualidad en esos términos.
Vamos a ir entendiéndolo a medida que avancemos en el curso.
Entonces hay dos medidas que nos interesan,
voltajes y corrientes y estas cantidades podemos procesarlas a través del circuito.
Un tema interesante es que los voltajes y corrientes pueden abarcar
órdenes de magnitud diferentes.
Por ejemplo, hay circuitos que trabajan con un voltio de alimentación.
Pero también hay sistemas de transmisión de energía
que funcionan con 500.000 volts y cuando queremos medir señales muy pequeñas
medimos milivoltios o microvoltios.
Entonces, ¿cómo hacemos para diferenciar entre tantos órdenes de magnitud?
Porque al final terminamos con números muy grandes o números muy
pequeños que cuesta escribir.
Cierto escribir 100.000 volts,
versus escribir 0.001 volt no es tan fácil.
Entonces lo que usamos normalmente para solucionar este tema son los prefijos.
Estos prefijos vamos a tenerlos en cuenta durante el resto del curso.
Existen giga, mega, kilo que son los más usados, para
multiplicar un número por un factor.
En estos casos son potencias de 10, 10 a la tres, 10 a la seis, 10 a la nueve.
Entonces cada vez que hablemos de kilo, es 10 a la tres.
De la misma forma que un kilogramo son 1.000 gramos,
un kilovoltio, son 1.000 voltios, y un kiloamperio, son 1.000 amperios.
Y tenemos sus múltiplos mili, micro, nano, pico, femto, atto y hay más,
pero esos son los que más usamos, y tienen una designación a través de una letra,
mili, micro, nano, pico, femto y atto,
y cada uno de estos además se relaciona con potencias de 10.
Muchas gracias por ver esta clase.
