Electrónica fácil para principiantes: ¿y si los electrones fuesen agua?

La electrónica es a veces algo complicada, algo abstracta para los principiantes. Y así es complicado entenderla, pero tal vez se puede aprender de una forma mucho más sencilla e intuitiva si «transformamos» los electrones en moléculas de H2O. Si se comparan los sistemas electrónicos con sistemas hidráulicos, la cosa es mucho más sencilla. Al menos a mi me lo pareció cuando estudiaba electrónica hace años…

Por eso, en este artículo intentaré explicar algunos conceptos básicos para comenzar con este tema, pero para que se haga más ameno y lo visualices de forma gráfica, lo iré comparando con un sistema hidráulico. Verás como todo cambia…

Comparando magnitudes

tuberías conductoras de cobre

Hay tres magnitudes eléctricas fundamentales, y esas son la corriente o intensidad, la resistencia, y el voltaje o tensión. De estas derivan otras como la potencia, etc. Pues bien, como sabes, la electricidad es el movimiento de cargas eléctricas a través de un conductor. Hasta aquí fácil ¿verdad?

Cargas eléctricas

Las cargas eléctricas representan fundamentalmente electrones que viajan entre la estructura atómica de los materiales conductores. Evidentemente, los aislantes no permiten este paso, por eso son dieléctricos. Mientras que los materiales semiconductores tienen una dualidad, permitiendo, o no, el paso de portadores de carga (también electrones, solo que en este caso los huecos son tratados como portadores de carga, aunque realmente son simplemente falta de electrones).

  • A partir de ahora me gustaría que veas esas cargas o electrones como agua, como moléculas de H2O. Y trates a esos cables o conductores eléctricos como tubos o mangueras. Así te será más sencillo.

Aislante vs conductor vs semiconductor vs superconductor

Es el gap («espacio» entre la banda de valencia y la banda conductora) de cada material el que determina si son aislantes, semiconductores, conductores o superconductores. Es decir, explicado de una forma muy simple, mientras mayor sea el espacio o gap, más energía hace falta para que se de el salto de las cargas (conductividad).

gap conductores

Comparando esto con un sistema hidráulico, se podría asemejar a:

  • Aislante o dieléctrico: una tubería obstruida, que no deja pasar nunca el agua a través de ella. ¿Se podría hacer que circule agua por esta tubería taponada? Es decir, ¿se podría hacer que un aislante deje pasar una corriente eléctrica? La verdad es que sí… Piensa que podrías meter tanta presión de agua que sea capaz de perforar esa obstrucción. Lo mismo en un aislante eléctrico. De hecho, cuando se llega a una «tensión de ruptura», ese aislante dejaría pasar la corriente. Por ejemplo, es el fenómeno del rayo (véase también «arco eléctrico») que ocurre en las tormentas, cuando un rayo atraviesa el aire (muy buen aislante) debido a la gran energía que tiene (para que te hagas una idea es una descarga de energía de entre 1000-10.000 millones de julios, con una intensidad de hasta 200.000 amperios y con tensiones de unos 100 millones de voltios).
  • Semiconductor: se puede entender como un grifo, que puedes abrir o cerrar para dejar pasar el agua o no.
  • Conductor: una tubería normal que deja pasar agua por su interior, pero que está cuesta arriba. Es decir, hay cierta resistencia al avance del agua.
  • Superconductor: una tubería normal que deja pasar agua por su interior, pero imagina que está tenida cuesta abajo. Es decir, que no se opone al avance del fluido por su interior. Incluso si dejas de suministrar agua, la que tiene en su interior seguiría circulando por acción de la gravedad.

Magnitudes eléctricas

Ahora vamos a ver esas tres magnitudes:

Voltaje

presa de agua

Debes saber que para que una corriente fluya a través de un conductor, el circuito necesita que haya una diferencia de potencial eléctrico entre ambos puntos. Es decir, en un circuito de agua significaría que, un depósito (punto A) conectado a otro depósito (punto B) conectados por un tubo, deben estar a diferentes niveles para que pueda fluir el agua.

Ese desnivel sería la diferencia de potencial o voltaje. En este caso sería la presión. Por eso, los que trabajan reparando o limpiando los cables de alta tensión, usan una barra de operación (hot stick) que hace que el equipo esté al mismo potencial que las líneas para trabajar con seguridad.

Resistencia

manguera jardín

La resistencia, tanto en un sistema hidráulico como en uno eléctrico, significa oposición al paso de la corriente eléctrica (agua). En un tubo o manguera te puedes imaginar que una resistencia podría ser un estrechamiento de la sección del tubo o cuando pones el dedo en la punta de la manguera del jardín para oponerse a la salida del agua.

Intensidad

caudal de tubería

La intensidad es la cantidad de cargas eléctricas que viajan a través de un conductor. Es decir, si lo comparas con un sistema de agua, sería el caudal del tubo que estás usando. Por tanto, el caudal va a depender directamente del desnivel (voltaje) e inversamente también de la resistencia.

Relación y más unidades derivadas

magnitudes electricas

Evidentemente, todas esas magnitudes están relacionadas tanto en un sistema hidráulico como en uno eléctrico. En el eléctrico puedes ver la Ley de Ohm, que relaciona esas tres magnitudes fundamentales. Por ponerte algunos ejemplos prácticos:

  • Si aumentas la sección de la tubería se bajará la resistencia, por lo que pasará más caudal. Por eso, en el sistema electrónico I=V/R.
  • Verás al poner el dedo en la punta de la manguera de tu jardín (aumentar la resistencia), el agua sale con más presión (con igual caudal). En el caso de un circuito eléctrico se estaría aumentando el voltaje, puesto que V=I·R. Por eso hace más daño si le apuntas a alguien con un chorro…
  • ¿Qué hace más daño? ¿El voltaje (presión) o la intensidad (caudal)? Pues evidentemente, si usas mayor presión en la manguera de tu jardín, el daño es mínimo. En cambio, si se usa una manguera de bomberos o un tubo de una sección considerable con un caudal inmenso, probablemente el daño es mucho mayor. Por tanto, le deberías tener más miedo a los amperios (A) que a los voltios (V).
    • Hasta 15mA: el cuerpo humano puede tolerarlos de forma indefinida sin prácticamente efectos, solo un leve cosquilleo.
    • 15-25 mA: durante unos minutos puede contraer los músculos y elevar la presión arterial.
    • 25-50 mA: irregularidades cardíacas, como la fibrilación ventricular y dolor.
    • 50-200 mA: contracción muscular, dolor,…es decir, una electrocución.
    • >200 mA: además de lo anterior, quemaduras y posible paro cardíaco reversible.
    • 2-3A: lo anterior y parada respiratoria.
    • >3A: muerte.

Por supuesto podrías deducir otras magnitudes eléctricas y relacionarlas con el sistema de agua:

  • Potencia: en electricidad, P=I·V o P=I²·R. Por tanto, relacionado con el agua sería el producto entre el caudal y la presión del agua. O el caudal al cuadrado por la resistencia al avance.
  • Carga /  Capacidad: se correspondería con el volumen de agua. Y la capacidad sería la cantidad de cargas que un pantano, presa, o depósito puede almacenar.
  • Densidad de corriente: equivalente a la velocidad del agua a través de un cauce o tubo.

Comparando dispositivos

circuito en agua

En cuanto a los componentes eléctricos más típicos de un circuito, se pueden asemejar a lo siguiente:

Batería o generador

fuente

Una batería o generador es un elemento eléctrico que impulsa las cargas eléctricas a través de un circuito, es decir, la que genera ese potencial, ese voltaje del que hablé antes. En un circuito hidráulico se podría asemejar a una fuente, a una bomba que impulsa el agua a través de las tuberías.

Cable y nodo

Un conductor eléctrico es como una manguera o tubería para el agua. Además, si le has echado un vistazo a las leyes de Kirchhoff, un nodo en un circuito no sería más que una tubería en T.

Resistencia

 

resistencia

La resistencia eléctrica se asemejaría a un adaptador de tubos de un diámetro superior a uno inferior. Según la diferencia entre secciones o diámetros de entrada y salida, se tendrían diferentes resistencias. Por ejemplo, si usas un adaptador de 1″ a 1/2″ sería el equivalente a una resistencia eléctrica de X Ohms, mientras que si tienes uno de 1″ a 1/4″ sería de 2X Ohms.

Condensador

Un condensador no sería más que un depósito de agua. Los condensadores van acumulando carga en su interior, y luego irán soltándola poco a poco.

Transistor

Por último, un transistor es como un grifo. Puedes abrir el paso al agua o cerrarlo. Así actúa un transistor, que según se estimule su base o puerta con corriente, se puede dejar pasar la corriente entre emisor y colector o entre fuente y drenador. Evidentemente, en el grifo debes hacerlo manualmente, mientras que en el transistor será una corriente eléctrica la que puede hacer conmutar al transistor.

Pero si quieres algo más visual, aquí tienes un GIF sobre el funcionamiento de un transistor:

GIF transistor
Fuente: ¿?

Isaac

Apasionado de la computación y la tecnología en general. Siempre intentando desaprender para apreHender.

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