La Electricidad, los Dispositivos Eléctricos y Electrónicos

Aprende los fundamentos de electricidad y electrónica: desde el átomo y la ley de Ohm hasta el uso del multímetro y la diferencia entre corriente AC/DC. ¡Domina el hardware!

Imagínate un día sin electricidad: sin refrigeración, pantallas, internet, videovigilancia ni transporte eléctrico. Gran parte del mundo moderno simplemente se detendría.

Introducción 

Para entender la electricidad y la electrónica hay  que conocer la estructura de los cuerpos; pues pequeños movimientos de partículas diminutas dentro de dichas estructuras son las que ocasionan los fenómenos eléctricos y electrónicos. Este principio es el que mueve gran parte del mundo moderno.

¿Qué es un átomo?

Cualquier cuerpo simple sea cual sea, está constituido por una gran cantidad de partículas infinitamente pequeñas que se llaman átomos. 

Todos los elementos están formados por átomos.

El átomo está formado por un núcleo, el cual contiene unas partículas llamadas protones, neutrones y otras partículas llamadas electrones que se encuentran distribuidos alrededor del núcleo en niveles de energía o capas. Los protones poseen carga positiva, en tanto que los electrones poseen carga negativa y finalmente los neutrones son eléctricamente neutros, es decir sin carga. 

Las cargas positivas que existen en el núcleo, son neutralizadas por las negativas de los electrones periféricos. Existen algunos elementos, donde los electrones que se encuentran en los niveles de energía más externos no están ligados con mucha fuerza a los núcleos atómicos. Estos reciben el nombre de electrones libres, responsables de la conducción eléctrica.”.

¿Alguna vez has visto la tabla periódica de los elementos? 

Los elementos de las tablas periódicas tienen mucha relación con los átomos, como dato curioso, en la tabla podemos ver el cobre, la plata y el oro, cabe mencionar que estos elementos son buenos conductores, y esto se debe a la cantidad de electrones libres que tiene. Aunque para temas propiamente eléctricos y electrónicos el cobre es el elemento más usado debido a su disponibilidad, pero la plata tiene un mejor rendimiento. 

Aviso: los principio de la electricidad son temas muy complejos como la electricidad misma, por ende no nos meteremos a fondo, solo tocaremos temas muy superficiales con la intención de que tengas nociones de la misma, por ello te invito a estudiar por tu cuenta un poco más sobre el tema puesto que es muy amplio y su aplicación es esencial en el mundo de las tecnologías. Además en algunas empresas es requisito de contratación. 

¿Qué es la electricidad? 

La electricidad es la forma de energía que surge a partir de los fenómenos físicos asociados a las cargas eléctricas estacionarias o en movimiento. Más precisamente, al movimiento de los electrones en la capa exterior de los átomos de un material conductor. toda la materia está compuesta por átomos. La electricidad es la presencia o el flujo de estas partículas con carga y las diversas manifestaciones de la electricidad son el resultado de la acumulación o el movimiento de los diferentes números de electrones.

¿Qué es la electroestática? 

Se encarga del estudio de las cargas generalmente en reposo. Por este motivo, dicho estudio recibe el nombre de “electrostática” (electricidad estática ó en reposo).

Las cargas eléctricas se miden o se expresan, en coulomb. Un coulomb equivale a 6.24×10¹⁸ de electrones.

Las cargas eléctricas del mismo signo se repelen, y las de signo opuesto se atraen. De acuerdo con el principio de acción y reacción, estas fuerzas son de igual intensidad o módulo.

Un cuerpo tiene carga negativa cuando posee un exceso de electrones, y carga positiva cuando tiene una deficiencia de estos.

Existen tres procedimientos para cargar un cuerpo eléctricamente:

• Por Frotamiento
• Por contacto
• Por Inducción

Conductor: 

los materiales que son conductores tienen electrones libres, tienen menos de 4 electrones en su anillo exterior(capa de valencia), En los materiales que poseen una gran cantidad de átomos con electrones libres, es posible que la carga eléctrica sea transportada con gran facilidad a través de ellos y por lo tanto se dice que son “buenos conductores de la electricidad”. Por ejemplo: los metales, como el cobre, plata, oro, aluminio, hierro, acero, etc. Ofrecen muy poca resistencia al flujo de la electricidad. 

Aisladores: 

Los materiales aislantes son malos conductores y altamente resistentes al flujo de corriente, lo que significa que no poseen electrones libres disponibles para el movimiento, ya que estos se encuentran fuertemente ligados al átomo y entonces no podrán desplazar una carga eléctrica libre a través de ellos. Algunos ejemplos: el vidrio, el plástico, la cerámica, el caucho, la madera seca, etc. 

Es necesario mencionar, que no hay un material que sea 100% conductor ni 100% aislante. En realidad, todos los cuerpos son conductores eléctricos, pero unos lo son más que otros.  

Semiconductor:

Un semiconductor es un material que se comporta como conductor o como aislante dependiendo de la temperatura, el dopaje o la presencia de un campo eléctrico. Posee exactamente 4 electrones en el anillo exterior(capa de valencia).

El elemento semiconductor más usado es el silicio y el germanio, que dicho sea de paso, el silicio como semiconductor en nuestra vida moderna es indispensable para la fabricación de microchips, diodos, transistores, teléfonos, cámaras, computadoras y mucho más. 

Voltaje: también llamado fuerza electromotriz o diferencia de potencial, es la fuerza que mueve los electrones en el circuito, generando así una corriente eléctrica. La unidad de medida del voltaje es el voltio / volts (V) nombrado en honor al físico italiano Alessandro Volta. La ley de Ohm establece que el voltaje (V) es igual al producto de la intensidad de corriente (I) y la resistencia (R), expresado como V=I×R. El voltaje se mide con un instrumento llamado voltímetro, Europa y la mayoría de los otros países en el mundo utilizan un voltaje que es entre 220 y 240 voltios, mientras que en Japón y en la mayor parte del continente americano el voltaje está entre 100 y 127 voltios.

Este dato es importante puesto que al adquirir dispositivos electrónicos o eléctricos para uso personal o para la empresa en que labores tendrás que validar la ficha técnica ya que en caso contrario te puedes enfrentar a serios problemas. 

Corriente: Movimiento de electrones de átomos cargados negativamente a átomos cargados positivamente a través de un material conductor debido a una diferencia de potencial eléctrico, también conocida como tensión, La intensidad de la corriente eléctrica se mide en amperios (A), unidad que equivale a un culomb por segundo (C/s), y representa la cantidad de carga que pasa por un punto en un circuito en un segundo.

“Por convención, en análisis eléctrico se considera que la corriente fluye del polo positivo al negativo, aunque en realidad los electrones se desplazan en sentido contrario.”

Resistencia: Es la oposición al flujo de electrones u oposición al flujo de corriente eléctrica a través de un conductor. Esta propiedad se mide en ohmios (Ω), unidad que lleva el nombre del físico alemán Georg Simon Ohm, quien formuló la ley de Ohm, que establece que la resistencia (R) es igual al voltaje (V) dividido por la corriente (I), es decir, R= V/I.

Potencia eléctrica: 

Es la cantidad de energía que se transfiere o se consume por unidad de tiempo en un circuito eléctrico, indicando la rapidez con la que se realiza un trabajo o se transforma la energía eléctrica en otras formas, como calor, luz o movimiento. Se mide en vatios (W), kilovatios (kW) o megavatios (MW), y se calcula como el producto de la tensión eléctrica (en voltios, V) y la intensidad de corriente (en amperios, A), según la fórmula P=V⋅I.

¿Qué es la corriente alterna(AC/CA) ?

Es el tipo de corriente eléctrica en la que el flujo de electrones oscila de manera cíclica y bidireccional a lo largo del conductor, cambiando periódicamente su polaridad entre positiva y negativa, Este movimiento oscilatorio se produce cuando una bobina gira frente a un imán en un generador, provocando que los electrones en el hilo de la bobina se muevan en ambas direcciones, a intervalos regulares, con un patrón oscilante que se representa como una onda sinusoidal. Este sistema fue ideado por Nikola Tesla y su facilidad de transformación hacen que sea mucho más idónea para llevar la electricidad a industrias y hogares permitiendo una distribución eficiente y un uso doméstico e industrial controlado y seguro bajo normas adecuadas.

Es ampliamente usado en electrodomésticos, como: refrigeradores, lavadoras y otros tipos de motores o generadores en entornos industriales, así mismo en los sistemas de iluminación de uso doméstico y público. En pocas palabras es la energía que tienes en la toma corriente de tu casa. 

¿Qué es la corriente continua o  corriente directa (CC/CD-DC)?

también conocida como las siguientes abreviaciones (CC/CD-DC), es un tipo de corriente eléctrica en la que el flujo de electrones se mueve en una sola dirección a lo largo de un conductor, manteniendo una polaridad constante con un terminal positivo y otro negativo que no varían con el tiempo, lo que la distingue de la corriente alterna. Es comúnmente producida por fuentes como baterías, pilas, paneles solares y fuentes de alimentación de corriente continua, y se utiliza ampliamente en dispositivos electrónicos, sistemas de almacenamiento de energía y motores de precisión.

¿Qué es un dispositivo eléctrico?

Son dispositivos que utilizan electricidad para realizar una tarea específica sin necesidad de procesamiento electrónico significativo, suelen funcionar con componentes eléctricos más simples, como resistencias, bobinas y motores eléctricos. Son dispositivos que aprovechan la energía eléctrica para transformarla directamente en otras formas de energía, como luz (bombillas), calor (estufas) o movimiento (motores).

¿Qué es un dispositivo electrónico?

Son dispositivos que, además de usar electricidad, tienen la capacidad de manipular y procesar señales eléctricas para realizar tareas más complejas, como el procesamiento de datos o la transmisión de información. Controlan el flujo de electrones de manera muy precisa mediante semiconductores, permitiendo “decidir” qué hacer con la energía (lógica binaria, amplificación de señal, etc.).

¿Por qué es tan importante la electrónica en la computación?

Sin la electrónica, las computadoras modernas simplemente no podrían existir, ya que pasaríamos de procesar datos a la velocidad de la luz a depender de engranajes mecánicos lentos y limitados. Sin el sistema binario a base de transistores, el procesamiento de datos sería mecánico, manual y sumamente lento. Probablemente la miniaturización que hoy en día conocemos tampoco sería una realidad.  

¿Por qué es importante tener nociones de electrónica en el soporte técnico?

Porque al entender cómo funcionan los componentes internos, dejas de adivinar y empiezas a diagnosticar con precisión. Saber qué ocurre ‘bajo el capó’ del hardware te permite optimizar recursos y solucionar problemas técnicos en cualquier nivel, ya sea en una pequeña empresa o en una gran corporación.

Caso de estudio y ejemplo: El costo de ignorar la infraestructura física

Eres el Director de IT de una PYME en plena expansión. Lo que comenzó como una oficina de 30 personas en planta baja, se ha convertido en una operación masiva de 250 empleados que ahora ocupa dos edificios completos.

Para soportar este crecimiento, gestionas un proyecto de infraestructura de red por un valor de $1,534,920.00. La empresa contratista promete una solución “robusta” que incluye:

250 nodos  para datos, cámaras, APs.

2 Sites con Racks, switches, routers y NVR.

Enlaces de fibra óptica entre edificios.

Instalaciones eléctricas reguladas y sistema de puesta a tierra.

A unos meses de la entrega, ocurre un corte de energía eléctrica. A pesar de la millonaria inversión, toda la red colapsa instantáneamente. Durante el apagón, las cámaras dejan de grabar y se produce un robo de $30,000.00 en la caja chica del área de servicios generales.

¿Qué falló?

Como responsable del área, la dirección te pide cuentas. ¿Por qué falló una red de 1.5 millones de pesos? Aquí es donde las nociones de electricidad y electrónica son vitales para identificar los errores críticos:

Falta de respaldo (UPS/NoBreak): En la cotización de la infraestructura el contratista no contempló UPS y tu como responsable no revisaste si la cotización tenía contemplado ese concepto.

Diseño de Alimentación de Cámaras (PoE): Los switches PoE que alimentan las cámaras no estaban conectados a un circuito de emergencia independiente.

Conclusión: La robustez de una red no se mide por cuánto dinero costó, sino por qué tan bien diseñados están sus cimientos eléctricos y electrónicos. Sin estas nociones, un jefe de IT queda a merced de proveedores negligentes, poniendo en riesgo no solo la operación, sino los activos y la reputación de la empresa.

Si ya tienes un site no olvides hacer pruebas de Carga y Autonomía: Calcular el consumo real en Watts (considerando el factor de potencia) para verificar que los UPS soportan la carga de los nodos, las cámaras, los switches, NVR, AP’s  durante el tiempo de respuesta necesario. Tampoco olvide validar la puesta a tierra física. 

Quizá el ejemplo anterior no sea tan relevante, bueno ahora hablemos del multímetro.

El multímetro es la herramienta de diagnóstico más importante para un técnico de soporte que desea pasar del nivel básico al nivel profesional. En el contexto de las PYMES, donde los recursos deben optimizarse, esta herramienta permite salvar equipos que otros darían por perdidos.

Empecemos por el concepto de continuidad:

La continuidad es la presencia de una ruta completa para el flujo de corriente, y un multímetro se usa para medirla (generalmente con un “bip”) y verificar si un cable, interruptor o fusible está “bueno” (con continuidad) o “roto” (sin continuidad), detectando cortocircuitos, cables abiertos o fallas de componentes de forma rápida y segura. Durante una prueba de continuidad, un multímetro digital envía una pequeña corriente por el circuito para medir la resistencia en el circuito.

Alerta: Por seguridad las pruebas de continuidad deben realizarse solo cuando NO hay voltaje en el circuito sometido a prueba.

La función de continuidad es, quizás, la más usada en soporte técnico ya que sirve para identificar cables dañados: Puedes verificar si un cable de corriente, un cable HDMI o un cable de red tiene una rotura interna que no se ve a simple vista. También para identificar problemas en fusibles y pistas: Permite saber si un fusible en una placa base se ha quemado o si una pista del circuito impreso se ha cortado debido a corrosión o un golpe.

Continuemos con el concepto Test de Calidad de voltaje 

Muchas veces, los problemas de una computadora (reinicios aleatorios, lentitud o pantallas azules) no son causados por virus o software, sino por una fuente de poder (PSU) defectuosa o una toma de corriente mal instalada. La Medición de Voltaje: Permite comprobar si la fuente está entregando los voltajes exactos necesarios según la ficha técnica del fabricante. Un voltaje de 11.2V en la línea de 12V puede causar inestabilidad y mal funcionamiento. 

La detección de fluctuaciones ayuda a identificar si el voltaje de la pared es estable o si hay caídas que están dañando los componentes internos, desde falta a puesta a tierra hasta sobrecarga del circuito eléctrico.

Aún hay más ejemplos como el Diagnóstico de Periféricos y Componentes de computadoras.

El multímetro permite testear elementos individuales antes de decidir reemplazarlos, por ejemplo: 

• Las baterías: Comprobar la carga real de pilas de BIOS (CR2032) o baterías de laptops.
• Los Cargadores de Laptop: Verificar si el eliminador realmente entrega el voltaje que dice la etiqueta antes de conectar una computadora y arriesgarte a un cortocircuito.
• Los Botones de encendido: Confirmar si el botón físico del gabinete está funcionando o si el problema es la placa madre.

Estos problemas y muchos más se pueden detectar con mucha precisión haciendo uso del multímetro y conociendo las propiedades eléctricas y electrónicas de los componentes. 

Pero esto no termina aquí, puesto que existe una ley fundamental y básica, mejor conocida como la ley de ohm, esta se utiliza para determinar la relación entre el voltaje (también llamado tensión), la corriente y la resistencia en un circuito eléctrico. Además de diagnosticar fallas, la ley de Ohm permite calcular el tamaño correcto de resistencias, fusibles y otros componentes; estimar la caída de voltaje en cables largos y asegurar que los equipos sensibles no reciban corrientes excesivas.

La fórmula básica es:

V = I x R

Voltaje o tensión (en voltios), I es la corriente (en amperios) y R es la resistencia (en ohmios). De manera explícita, esto significa que el voltaje es igual a la corriente multiplicada por la resistencia.