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COM PUT COM UTADO ADORAS RAS - M I CRO CROP PRO ROCE CESA SADO DORE RES S
Enciclopedia V isual de la Electrónica I NDICE DEL APITULO 2 C ¿QUE ES LA ELECTRICIDAD Y QUE LA ELECTRONICA? Estruc tura tu ra a tó m ica ic a ........ ............ ........ ........ ........ ......... ......... ........ .......1 ...199 Atomos: protones, electrones y neutrones....................................................19 Constitución del átomo: protones, electrones y neutrones..............................19 Iones positivos y negativos...........................19 Cond ucto res, es, sem sem ic ond uc tores y a isla islant ntee s................. s.............................. .......................... ......................19 .........19 Flujo d e e lec trone tro nes....... s........... ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ .....19 .19 Diferenc Diferenc ia d e p ote nc ia l, tensi tensión, fuerza electromotriz...................................20 C o rrien rriente te e léc trica tric a ........ ............ ........ ........ ........ ......... ......... ........ .......2 ...200 Re siste iste nc ia e léc trica tric a ........ ............ ........ ........ ......... ......... ........ .......2 ...200 C o nd uc ta nc ia ........ ............ ......... ......... ........ ........ ......... ......... ........ ........ .....21 .21 C las la sifica ific a c ión d e los re re sisto isto res....... res............ ......... ........ .......2 ...211 Código de colores para resistores..............22 Pilas ila s y b a te ría ría s.......................... ...................................... ......................23 ..........23
CONDUCCION DE LA CORRIENTE ELECTRICA Los conductores y los aislantes....................24 La electricidad como fluido.........................24 Tipos de conductores...................................25 Ca mp o eléc tri tric o y c orri orriente eléc tri tric a .... ...... ...2 .277 El c a m p o eléc e léc trico tric o ......... ............. ........ ......... ......... ........ ........ ......... ......27 .27 Co rriente elec trónic trónic a y c orri orriente convencional.................................................28 Veloc elo c ida d d e la c o rrient rrientee ...... ......... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ....29 .29
LA REVOLUCION DE LOS MEDIOS OPTICOS Me d ios d e sop sop orte d e inform inform a c ión .... ....................29 29 El sur surgg imiento d e la tec nolog ía óp tic tic a .... ...... ..30 30 Luz y p rotub rot ub e ranc ran c ias.... ia s........ ........ ......... ......... ........ ........ ........ ........ ....30 30 Te c no log ía d igita ig ita l ......... ............. ........ ........ ......... ......... ........ ........ ........3 ....311 Otros sistemas ópticos...................................31 El d isc isc o lás lá se r de d e vid e o ........ ............. ......... ........ ........ ......... ......31 .31 El C D-RO D-RO M - El C D-I.............................. D-I....................................32 ......32 El Photo-CD.................................................32 Los medios magneto-ópticos...................32 El DVD ......................... ...................................... ......................... ....................32 ........32
Capítulo 2
Capítulo 2
¿Qué es la Electricidad y qué es la Electrónica? E STRUCTURA STRUCTURA ATOMICA Atomos: proton Atomos: protones, es, electrones y neutrones
La corriente eléctrica es el paso de electrones por un conductor. Dichos electrones están en todas las cosas pero arraigados a la estructura de un átomo constituyente de un elem elem ento q uímico. uímico. Para aclarar el tema, digamos q ue to d os los c uerpo s está está n forma dos por elementos químicos (el agua, por ejemplo, está formada por los elementos químicos hidrógeno y oxí oxígeno ), y que un á tomo es la p arte arte m ás peq ueña a la que puede ser reducido un elemento químico. Constituci n del tomo: Constituci protones, electrones y neutrones
Si se pudiera dividir el átomo de un eleme nto, tend ríam os pe que ñíñísimas partículas que son las que dan a los átomos sus particulares características. Debemos saber que un á tomo de un eleme eleme nto se se diferencia de un átomo de otro eleme eleme nto en e l número número de ciertas ciertas partículas subatómicas que tiene cada uno de ellos, y éstos son los electrones.
Fig. 1
En el centro del átomo está el núcleo, que tiene dos clases de p a rtíc tíc ulas: ulas: los los proto ne s y los ne utrones; alrededor del núcleo giran los electrones en órbitas electrónicas, así como ocurre con los planetas q ue g ira ira n en to rno al sol. sol. Una característica importantísima de los protones y neutrones es que tienen carga eléctrica, vale decir: tienen una energía intrínseca y na tural, tural, puesta puesta d e ma nifi nifies esto to p or la la s fuerza fuerza s q ue p ued en e jerc jerc er sobre otras partículas del mismo tipo y que originan fenómenos de a tra tra c c ión y rep rep ulsión ulsión entre pa rtíc tíc ulas cargadas eléctricamente. Se ha c onstatad onstatad o q ue d os elec elec trones trones o dos protones se repelen entre sí; es ind ud a b le que la s d os p a rtíc tíc ulas tiene tiene n c a rga s eléc trica trica s d e d istinto istinto signo : se se las deno minó c arga eléctrica positiva (+) al protón y, al electrón, carga eléctrica negativa (-). Sin embargo, los neutrones del núcleo son partículas que tienen igual cantidad de carga positiva que de negativa; por lo tanto, tiene un efecto neutro por la anulación mutua entre los dos, el neutrón no ejerce fuerza eléctrica sobre un elec trón trón o protón y tiene la función de separar los protones que están están e n el núcleo. Un Un áto mo es eléctric eléctric am ente neutro neutro y eso quiere decir que la cantidad de electrones es igual al número de protones; ese número de electrones se denomina "NUMERO ATOMICO". Los neutrones tienen intervención en la masa atómica, que está prácticamente en el núcleo; el resto es espacio vacío donde los electrones giran a grandes velocidades (figura 1).
Iones positivos y negativos
Cuando por cualquier circunstancia un átomo gana o pierde electrones, electrones, se se d ic e q ue d ic ho á tomo se ha ionizad onizad o. Se denomina ION POSITIVO cua ndo el átomo tiene tiene m ás protones que electrones e I ON ON NEGATIVO cuando tiene más electrones que protones. Como cargas de d isti istinto nto sig no se a tra tra en, c ua nd o esestán cerca iones negativos y positivos, éstos se unen, pero también puede ocurrir que solamente se desprendan los electrones que tiene d e m á s el ión ión ne ga tivo y se se d irijan hac ia el ión ión po sitivo tivo p a ra neutraliz traliza r su c a rga . Cua ndo esto esto o curre, curre, se se d ic e q ue el paso de los electrones "neutraliza d ores d e c a rga " c onstituy onstituyen en una C O RR RRIENT IENTE E EL ELEC ECT TRIC RICA A. Conductores, semiconductores y aislantes
Existen materiales que permiten el pa so d e los electrones co n m ayor fa fa c ili ilid a d q ue o tros tros.. Se d eno mina c onduc tor de la co rriente eléctrica a todo aquel material que ofrec ofrec e m uy poc a resi resistenc ia al pa so de los electrones (cobre, plata, oro, pla tino, tino, e tc .) Un Un a isl isla nte d e la corriente eléctrica es todo aquel material que ofrece una elevada resistencia al paso de los electrones. Existen otros materiales que, según como se los trate, se comportan portan c omo cond uctores uctores o c omo aislantes. Dicho de otra manera, son materiales sobre los cuales se puede "regular" el paso de la corriente eléctrica; a dichos materiales se los d en om ina SEMICONDUCTORES. Flujo de electrones
Se d enom ina c orri orriente eléctrica eléctrica al paso de los electrones por un
¿Qué es la Electricidad y qué es la Electrónica?
Fig. 2 c ond ucto r de la c orri orriente e léc tri trica (o sem sem ic ond uc tor). Su unida d e s el ampere (A) y "mide" la cantidad d e e lec trone trone s que atravies atraviesaa n a un elemento en una unidad de tiempo. Para que pueda establecerse una corriente eléctrica tiene que existir algo que impulse a los electrone trone s a c irc ular ular de un lad lad o a otro.
Diferencia de potencial, tensi n, fuerza electromot electromotriz riz
Com o hem os dicho, pa ra que se estab estab lezc ezc a una c orri orriente eléctrica eléctrica debe existir algo que impulse a los electrones para que se muevan. Por ejemplo, colocando iones nega tivos tivos de un lad lad o de un cond uctor e iones negativos del otro, se establecerá una corriente eléctrica que será más grande cuanto mayor sea la "diferencia de cargas entre los iones". Se dice que para que exista un flujo de electrones debemos aplic a r "energ a al conduc ". Cuando conductor tor ". la energía energía proviene proviene de una fuerz fuerza del tipo eléctrico, se la denomina "fuerza electromotriz" porque permite el desplaz desplazam am iento d e e lec trotrones al de sp rend erse erse d e los á tom os. os. Esa fuerza electromotriz puede originarla una batería. Ejemplo: el ac umulad umulad or de un auto, una pila pila o un generador para alimentar una ciudad, como los que usan las compañías de electricidad. Estas fuentes de energía tienen 2 terminales, o polos negativo y positivo, y se dice que existe una tensión eléctrica o diferencia de potenc ial, que prod uce la fuerz fuerza eléctrieléctric a y a m e n c io io n a d a . Co nsi nsid erem os a una tensión tensión o d iferencia de potencial como un "desnivel" que debe existir entre 2 puntos de un cond uctor para que
se produzca un movimiento de electrones y, entonces, una corriente eléc trica trica (figu (figu ra 2). Algo parecido es lo que sucede en un río, pa ra que oc urr urra un d esesplazamiento de agua: el terreno tiene tiene q ue e sta r en d esnivel esnivel;; de u na mism mism a forma , sisi ha y una d iferenc ia de potencial en electricidad, ésta es comparable a una diferencia d e p resión esión entre 2 extrem extrem os d e una cañería que lleva agua o cualquier fluido, y es producida por una bomba. En la atmósfera, el viento es similar a una corriente eléctric eléctric a, que se se p rod uce po r una diferencia de presión que existe entre entre una zona c iclónica y otra a nticiclónica. La unidad denominad a VOLT , se utiliza para medir la tensión eléctrica; se abrevia "V ". Una pila de carbón genera entre bornes una tensión de 1,5V, un acumulador de auto genera una tensi tensión de 12V 12V y la la que ge nera la compañía de electricidad es de 220V 220V,, en A rge ntina. Muc ha s vec es, es, e n electrónica usaremos tensiones má s p eq ueña s q ue el VOLT VOLT, pe ro e n electricidad industrial es c om ún ha b lar de KILOVO LT (kV), que eq uiva le a 1.000 1.000V. V.
1 volt = 1.000 milivolt 1V = 1.000mV 1 volt = 1.000.000 microvolt 1V =1.000.000µV 1 volt = 0,001 k ililovolt ovolt 1V = 0,001kV
vos del material y retroceden y vuelven a ser acelerados por la fuerza electromotriz. Los choques son el motivo por el cual el conductor se calienta cuando lleva corriente eléctrica, ya que cualquier c hoq ue entre entre 2 cue rpo s oc a siona un d esprendimiento esprendimiento d e e nergía gía en forma d e c alor. alor. La corriente eléctrica por un co nduc tor se d efine efine co mo: "el n mero de electron electrones es libres libres que pasa una una secci n cualquiera cualquiera del conductor en un momento es pec pe c fic fico". o".
Los electrones llevan una carga eléctrica medida en COULOMB y podemos decir que la corriente eléctrica es la carga eléctrica transportada por esos electrones durante el intervalo de tiempo considerado. Si la carga eléctrica es d e 1C b y el tiemp o es d e 1s, 1s, se se obtendrá una corriente eléctrica de 1A (inicial de AMPERE, por el físico francés AMPERE), siendo la unidad de corriente eléctrica. En elec elec tróni trónica ca , esta esta unida unida d de med ición resulta grande, por tal motivo se utilizan los submúltiplos del ampere.
1m A = 0, 0,00 1A 1A = 1.000mA (miliampere) 1µA = 0, 0,0 0 0 0 0 1 A 1A = 1.000.000µA (microampere) 1µA = 0,00 1m A 1mA = 1.000µA RES ESIST ISTENCI ENCIA A ELECT ECTRICA RICA
C ORRIENTE ORRIENTE ELEC ELECTRICA TRICA
Un flujo de electrones en movimiento —como causa de la apli- ca c ión d e una fuerza fuerza electromo electromo tri triz o fuente de tensión a un conduc- tor eléctrico— es lo que llamamos corriente eléctrica. El flujo está formado por electrones libres que, a ntes d e a p lica rles la tensi tensión, e ra n elec trone trone s q ue e sta b a n sujetos sujetos p or la atracción de los núcleos de los átomos que constituyen el conductor. En sus sus tra ye c to s, los e lec tron e s lilib res c hoc a n c ont ra los ione ione s p osi ositi-
Definamos la resistencia eléctrica de un conductor como una propied propied ad de l materi material que representa la op osición osición d el mism mism o frente al paso de la corriente eléctrica. La op osi osición se se o rigina c om o c onsec uenc ia d e los c hoq ues entre los los electrones libres de la corriente y los iones positivos del metal. La causa de estos choques es el calenta miento de l c ond ucto r, el que , a su vez, lo tra tra nsmite nsmite a l me d io am biente. La resistencia se mide en OHM, llamado así por el físico alemán
Capítulo 2
Fig. 4 Fig. 3 que lo descubrió. La resistencia eléctrica del material dependerá d e t res fac tores: tores: la la long itud, la la sec c ión tra nsve nsve rsa l y la la resis resistivi tividd a d d el material. Veamos cómo es la fórmula mula m atemá tica tica : ρxl
R = ______ S
(ve r fig. fig. 3)
La resistividad del material (ρ) e s un nú m ero y su su va lor nos m ue stra si si es bueno, o no, pequeño o grande ; o sea sea , cóm o e s el mate rial co - simboliza con la letra G y se mide 3) Resistores de alambre mo co nduc tor de electric electric id ad , y se se en m ho (al revé revé s d e o hm ) o e n SI SIEmide mide e n Ω x m (fig. (fig. 4). 4). Cab e a c la- MENS. 1) Resistores Resistores de compo composici sici n rar que, normalmente, la resistivide ca carb rb n da d d e un metal aumenta c on la la Estos se fabrican mezclando pol1 = ______ G = temperatura. vo de carbón y un aglomerante R CONDUCTANCIA: se denomina hasta darle forma de barrita, para L a u nida d e s : así a la inversa de la resistencia, se fija fija r los los termina les. les. El El co njunto se e nmho = SIEMENS capsula con una resina fenólica o CLASIFICACION ba quelita quelita p ara p roteg erl erlo d e la huDE LOS RESISTORES: medad y la temperatura, tiene un Vea mo s una d efinic efinic ión d e los re- rango de valores de resistencia ensistores. Son componentes electró- tre 1 y 22M Ω. En En e lec trónica son los nicos fabricados especialmente resistores más usados por su bajo pa ra que teng an ciertos ciertos valores valores de c osto osto (figura 6). Fig. 6 resistencia. En varios casos, los valores en ohm de los resistores son 2) Resisto Resistores res de de pel cula met lica muy altos, utilizando múltiplos del Estos se fabrican depositando ohm, como, por ej., el kilo-ohm, una película metálica, que está a igual a 1.000 ohm, que tiene una alta temperatura, sobre un tubito abreviatura k, y el mega-ohm, d e v idrio, idrio, a l que se fija fija n los term inaigual a 1.000.000 ohm, que tiene les y se los encapsula como dijimos una abreviatura M. Entonces: anteriormente. Fig. 7 Tienen un alto costo y se usan so1k Ω = 1000Ω lamente cuando se necesita una 1M Ω = 1000000Ω gran exactitud en el valor de resis= 1000kΩ tencia; ejemplo: instrumentos electrónicos (figura 7). Podemos agrupar a los resistores 3) Resistores de alambre (figu (figu ra 5) en: Se fa bric bric an arroll arrolland and o un a lam bre hecho de aleaciones de cro1) Resistores de mo, níquel, etc., sobre un cilindro composici com posici n de carcar- de cerámica. El conjunto se recub n brirá de barniz, así se protege el 2) Resistores de pe- alambre de la influencia de la huFig. 5 l cu cula la met met lic lica a medad y temperatura. Estos son
¿Qué es la Electricidad y qué es la Electrónica? cu nto pue puede de estar el valor por encima o por debajo del componente.
Fig. 8
Tabla 1
COLOR
NEG RO MARRON ROJO NARANJA AMARILLO VERDE AZUL V IO IOLE LET TA
DIGI GIT TO
MUL MU LTIPLICA CAD DOR
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9
1 10 100 1000 10000 100000 1000000 10000000
Es un método práctico del fabricante para asegu ra r al usua usua rio los límites máximos y mínimos del GRIS valor de un Fig. 9 BLANCO BLAN C O resistor. Como DORADO proc eso eso d e grandes y se utilizan para la con- el proc PLATEADO d uc c ión d e a lta s c orri orriente s. El El ra ra n- f a b r i c a c i ó n go de valores de resistencia está no permite en tre 1 y 100k 100kΩ (figura 8). establecer valores precisos con anterioridad, en los resistores de composición de carbón la conC O DI DIG O DE C OLORES venc ión es ésta ésta : PARA RESIST ESISTO O RES C O LO R DE LA TO LERA NC IA 4ª BANDA Por el có d igo d e c olores se lee e l valor de resistencia, que está imD O RA D O ±5 % preso sobre el cuerpo del resistor. PLATEA D O ±10 % Cada color representa un dígito SIN C O LO R ± 20 % decimal: las 2 primeras bandas de colores, que están ubicadas más La p ote nc ia d e u n resis resistor tor no viec ercana s de un extrem extrem o, rep rep resenesenresa e n e l re re sisto isto r, pe ro se se retan el valor en Ω; la 3ª banda re- ne imp resa su tam año . Esa p otenpresenta presenta el número po r el que ha y co noc e p or su signific gnific ad o d e la m áxiáxiq ue m ultip ultip lica r el valor a nterior nterior pa - cia tiene un si antida d de c alor alor que puede ra ob tene r el valor fina fina l de resis esistenten- ma c antida c ia; la la 4ª ba nd a rep resenta esenta la tole- dar el resistor por el paso de coésta exce d e, se se q uem a ranc ia, c uyo va lor se se e xplic plic ará m ás rriente y, sisi ésta rá por la alta temperatura obteniad elante (figura (figura 9). La c orres orrespo po nde ncia e ntre ntre un c o- da. Se mide en watt (W). Los resislor y su va lor se m ue stra e n la ta b la tores de carbón se fabrican de 1. 1/ 8W; 1/ 4W; 1/ 2W; 1W y 2W, 2W, y el ta La tolerancia de un resistor es un m a ñ o a u m e n t a g r a d u a l m e n t e número expresado en porcentaje, que rep resenta esenta el ma rge n supe supe rior o inferior que puede tomar un valor nom inal (por el có d igo d e c olores) del resistor. Ejemplificando, diremos que para resistores de carb ón se tienen toleranc ia s d el ±5% ±5%, ±10% ±10% y ± 20%. 20%. Si e l va lor nom ina l es de 100 y la tolerancia de ±10%, el valor real estará comprendido entre 100 y 90; finalmente, para una tolera tolera ncia d e ± 20% 20%, el valor rea l será entre 120 y 80. Fig. La tolerancia nos indica hasta
0,1 0,01 c on la la p otenc ia. Pa Pa ra m ayores p otencias se utilizan resistores de alambre; los de película metálica pueden disipar hasta 1W. Los resistores de composición de carbón se fab rica n c on valores valores nom inales d e resi esistenc ia ya norm a liz liza d os y el número dep ende rá de l valor valor de la tolera tolera ncia. Pa Pa ra una tolera tolera ncia d el 20%, las cifras significativas de los valores nominales son: 10, 15, 22, 33, 47, 68. Las cifras significativas para una tolerancia del 10% son: 10, 12, 15, 18, 22, 27, 33, 39, 47, 56, 68, 82. Para una tolerancia del 5% las cifras significativas de los valores nominales son: 10, 11, 12, 13, 15, 16, 18, 20, 22, 24, 27, 30, 33, 36, 39, 43, 47, 51, 56, 62, 68, 75, 82, 91. En En la fig ura 10 se dan ejemplos de valores d e resistores de composición de carbó n med iante el cód igo d e c olores olores.. Vea ejem p los d e v a lores lores de resis esistoto-
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Capítulo 2 res en la fig ura 10. Digamos q ue a los re re sisistores se los puede clasificar también en variables; éstos están representados por los potenciómetros y los presets o preajustes (figu ra 11). 11). La constitución de los potencióme tros tros se d eb e a una pista pista c irc ular ular de carbón desplazándose por un contacto móvil (cursor) solidario a un e je vertic vertic al. Los extremos de la pista de carbó n y el c urs ursor tienen tienen una c onexión onexión a terminales, es decir, que la resistenc ia entre uno de los terminales terminales y el cursor cursor dep end e d e la po sic ión d e éste (figura 12). En el primer caso, los potencióme tros p ued en ser linea linea les o loga rítmic os; os; la la v a riac ión d e resis resistenc tenc ia es proporcional al ángulo girado por el c ursor ursor,, y en e l 2º 2º c a so la va riac ión es logarítmica, esto hace que, al comienzo, la resistencia varíe con rap ide z c on e l áng ulo ulo d e g iro; de spués la variación será más lenta y tendrá un uso uso c omún e n el co ntrol ntrol de volumen de radios y TV. Llamamos presets a los resistores variables que se ajustan una sola vez, hasta log rar una pe rfecta po sic ión, y que no tienen posibilidad de ser variados por los usuarios. El tam año es red ucido y tiene un ajuste ajuste c on un p eq ueño d estorni estornillllaado r, que es ap licad o a una ranura ranura que tiene el contac to mó vil vil.
Fig. 12
Fig. 11
I LAS Y BA BATER TERIA IAS S P ILAS
Los componentes bá sico s c a p a c es d e sum sum inis inistrar una tensión continua estable a un circuito electrónico son las pilas, con la c ap ac ida d d e generar generar una una tensión eléctrica por medios químicos. La m ás c omún está está formad a p or un elec troli trolito to (sal, (sal, ác ido o ba se d isuelto en ag ua) y 2 electrodo s. Vea Vea mos c ómo se c omp orta orta un elec elec trotrolito cualquiera, diluido en agua; ej. el c loruro loruro d e sod sod io (fig. (fig. 13). La sal es eléctricamente neutra, pe ro c uand o se se d isuelve en el ag ua se disocia en los iones que la componen, es decir, en iones positivos de sodio y en iones negativos de cloro. Si sum sum erg imo s 2 ele c trod os c on sisistent es en 2 me ta les d iferente iferente s A y B, una determinada cantidad de iones negativos será atraída por el elec elec trod trod o A y otra otra p orción orción de iones po sitivos itivos será será a traíd traíd a p or el elec trodo B; entonces, A se carga negativamente y B, positivamente (figura 14). A la difer diferenc enc ia d e c arga e léc tri tric a qu e e xis xiste e ntre A y B, se la d eno mina diferencia de potencial o tensión de la pila. La tensión V depen-
derá de los materiales de los electrodos y del electrolito. Por ejem ejem plo, una pila pila d e c inc -ca rb ón t iene una tensión: tensión: V = 1,5 1,5V. V. Si conectamos una lamparita entre los elec trodo s, ésta ésta ilumina ilumina rá ya que se producirá el pasaje de los elec trones trones desde desde A ha sta B a travé travé s de ella, y se cerrará el circuito por medio de la solución electrolítica. Mientras este fenómeno sucede, uno d e los elec trod trod os (B) (B) se se va c onsumiendo, mientras que el otro se va engrosando por la deposición de material sobre su superficie. La reacción química continuará hasta que B se consuma en su totalidad; en ese momento, la lamparita se ap ag ará po rque la c orr orriente se se d etuvo (figu (figu ra 15). 15). En una pila sec a , el elec trolito trolito es una p asta asta húm ed a (p ilas c om unes) unes) mientras que se denominan húmed a s c ua nd o e l elec trolito trolito es un líq líq uido (ac umulad umulad or de p lomo util utilizad o en los autos). La p ila sec sec a m ás c om ún es la d e c inc -ca rbó n y la de sarroll arrollóó Le Clanc hé (1869 (1869), ), tiene tiene un ba jo c osto osto y e s de uso uso g eneral.
Fig. 14 Fig. 15
Fig. 13
¿Qué es la Electricidad y qué es la Electrónica?
Conducción de la Corriente Eléctrica C ONDUCTO ONDUCTORES RES Y AISLANTES
El hecho de que algunos c uerpo uerpo s pueden retener la electricidad y que otros permiten que se escape, nos revela que en la naturaleza exis existen d os com po rtam ientos de eseste "fluido" rep resenta esenta d o p or las las ca rgas. De hecho, los dos grupos de cuerpos serán estudiados en esta lec c ión. Veremos Veremos que en un c aso aso se se trata de los denominados aislantes y, en el otro, de los c ond uc tores. tores. Los Los dos tipos de material tienen igual importancia en la electricidad electrónica modernas y son utilizados en una infinidad de aplicaciones. Conocer las propiedades de estos materiales es muy importante en el estudio estudio d e la elec trónica trónica . La electricidad como fluido
Vimos que podemos sacar con cierta facilidad electrones de un c uerpo (de sus á tom os) os) y lleva lleva rlos a otro que quedará con exceso de estas partículas. El pasaje de electrones de un cuerpo a otro, cuando puede ser establecido, tiene mucha importancia en nuestro estudio, pues es lo que puede llevar energía de un punto a o tro, tro, así así pe rmiten rmiten la a plic plic ac ión prác tic tic a d e la la e lec tri tricida d. Lo importante para nosotros es saber que las cargas eléctricas, c onstiuti onstiutidd a s po r los los elec trones, trones, pue den no sólo saltar de un cuerpo a otro en forma de chispas, como vimos en el caso del rayo, sino también moverse a través de ciertos ma teri teriales, ales, com o e n el ca so d el ca b le utili utilizza d o e n el pa ra rra yos o d e la cadena fijada al camión de comb ustible ustible s (figura 1). Mientras tanto, existen también c uerpo uerpo s en que la e lec tri tricida d queda "atrapa da ", co mo en el caso caso de l peine frotado, en que los electrones ganados se mantienen en la po sición en q ue son son c oloc ad os, os, o la la falta de electrones permanece en el lugar de donde fueron retirados (fig (fig ura ura 2). El El mo vimiento d e e lec tro-
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nes en un c uerpo uerpo es posible si tienen una cierta libertad en el interior del material que lo constituye. Luego veremos de qué modo ocurre ésto. Para nosotros, entonces, es importante saber que existen tipos de materiales, en los que las ca rga s no se puede mover, que son denominados aislantes, y materiales en los que las cargas se mueven con facilidad, que son denominados conductores. Sa b em os que exis existen materiales que pueden ser electrizados de diferentes formas (serie triboeléctrica), lo que revela q ue e xisten á tomos que tienen tienen m ás dificultades en perder sus electrones que otros. Así Así, pa ra los ma teria ria les en q ue los elem en to s está está n firfirme me nte u nido s a los á tom os, os, exis existe mucha difi dificultad cultad pa ra q ue oc urra un mo vimento vimento de c argas. argas. Si sacamos un electrón de un lu-
Fig. 2
Fig. 3
Fig. 4 gar, este lugar quedará libre, pues aunq ue el c uerpo p osee osee o tros tros elec trones disponibles, ésos no pueden ocupar el lugar vacío. Del mismo modo, si agregamos un electrón al
Capítulo 2 Fig. 5
electrones. Pero, cuando hablamos de un cuerpo cargado positivamente, o sea, en q ue e xiste una falta de electrones, en verdad ¡nada existe que se pue da mo ver! Podemos, sin embargo, para ayudarnos en Fig. 6 nuestro razonamiento, hablar de "falta de electrones" o lagunas (vacantes o vacíos) que se m ueven. Así, mientras en un cuerpo cargado negativamente los electrones se distribuyen en su superficie, en un cuerpo ca rga do po sitivativamente son las lagunas las que se distribuyen en su superficie (figura 6). Volviend olviend o a l prob lem a d e los ma teriales conductores, vemos que la facilidad de movimiento, tanto de los electrones como de las lagunas, es tot al. Los electrones pueden saltar de átom o e n áto mo, mientras mientras que las lagunas son llenadas por átomos adyacentes que saltan libremente y provocan su desplazamiento (figura 7). Entre los materiales considerados aislantes, en que los electrones tienen grandes dificultades para moverse, tenemos: el vidrio, el papel seco, el plástico, la mica, la porcelana, la la c erám erám ica , etc . Entre los materiales considerados conductores tenemos: los metales, el grafito, grafito, etc .
material, se quedará en ese lugar, pues no no tiene fac ilida d pa ra move rse (fig ura 3). Por otro dado, existen materiales en los q ue los ele c trone s son lib lib res y pued en mo vers verse c on muc ha fac ilidad en su interior. Esto ocurre, por ejemplo, en los metales. Si cargamos un cuerpo metálico con una cierta cantidad de cargas, agregando electrones libres, por ejemp lo, estos estos elec trones se p ued en m over "saltando” de á tomo e n átom o hasta distribuirse de manera más o menos uniforme (figura 4). Si por otro otro lado , sac sac am os una c ierta erta c antidad de electrones apenas de un punto de este cuerpo, los electrones de las cercanías "corren" a llenar el vacío formado y forman "nuev os vac íos" os" en o tros p unto s c on una distribución también uniforme de las cargas positivas (vacíos). Figura 5. En este este p unto e l lec tor de b e p resestar atención a este este hec ho. Cuando hablamos de un cuerpo cargado T IPOS I POS DE CO COND NDUC UCTO TORE RES S negativamente, las cargas que se mueven o que participan del proPodemos clasificar los materiales c eso, eso, los q ue se se p ued en m ove r, son son conductores en tres grupos:
Fig. 7
a) S li lido dos s
Los ma teria teria les sólid ólid os que c ond ucen la electricidad, o sea, en los que las cargas se pueden mover, son los m et a les (q ue son los m ejo res c ond uc tores) tores) y el grafito. grafito. b) L qu quid idos os
Determinados líquidos también permiten que las cargas eléctricas se muevan. Estas cargas, en verda d, se se m ueven junto junto a l prop prop io á tomo que puede "nadar", por así decirlo, y desplazarse en el medio líquido. Estos átomos, que pueden tener falta o e xceso xceso d e e lec trones trones y que se d esplazan esplazan en un m ed io líquido, son denominados "iones" (expresión griega que traducida es "caminante"). Los iones positivos se llaman "cationes " y los negativos "aniones" (fig (fig ura 8). Las cargas eléctricas no se mueven a través del agua, por ser aislante . Sin Sin em b a rgo , si si disolvem disolvem os en esta agua una sustancia como la sal de cocina, que está forma da po r áto mo s de c loro y sod sod io (NaC I), las p a rtíc tíc ulas d e sod io y c loro loro se d isocian en aniones de cloro(CI-) y cationes de sodio (Na+), figura 9. Con esto, los aniones y cationes exis existent es en soluc soluc ión p ued en servir ervir d e "medio de transporte " para las c arga s eléctric eléctric as y el agua en e stas condiciones se vuelve conductora. Muchas sustancias del tipo sal (cloruro de sodio, bicarbonato de
Fig. 8
¿Qué es la Electricidad y qué es la Electrónica? Fig. 9
sodio, sulfato de cobre), del tipo ác ido (ác ido sulfúr ulfúriic o, ác id o c lorhíorhídrico, etc.) o bien de tipo base (hidróxido dróxido de sod io, o sea sea sod a c áusáustica) cuando se disuelven en agua también se disocian y forman así una solu solucc ión c onduc tora. tora. Vea que, en el total, cuando disolvemos sal en agua, separamos p a rtíc tíc ulas p ositi ositiva va s y ne ga tivas, tivas, pe ro en cantidades iguales, lo que quiere quiere de cir que el agua que tenemo s ma ntiene ntiene su neutralida neutralida d. c) Gaseosos
Los ga ses, es, en c ond icione s norm a les, o sea neutros, son excelentes aislantes y no permiten que las carga s eléc tri tric as se se m ueva n c on fa c ilida d. Pero, Pero, si po r me dio d e una bue na cantidad de energía conseguimo s arranc arranc ar elec trones trones de los ga ses, de modo que pasen a quedar en un estado de electrizamiento denominado "ionización", entonce s se convierten en excelentes conductores. En los gases ionizados ocurren fenómenos interesantes, como por ejem p lo, la la e misión misión d e luz, luz, lo lo q ue e s aprovechado para la fabricación d e la s lám p a ra s fluores fluorescc ent es (figu (figu ra 10). El aire, que es aislante en condiciones normales, se vuelve co nductor por ac ción de una d esescarga fuerte como la producida por el rayo, que entonces puede atravesarlo con facilidad.
Fig. 10
A partir de este valor y de otros que daremos a continuación, vamos a "jugar" un poco con los cálculos para aprender cosas interesantes sobre la electricidad. Como vimos, cada tipo de sustancia simple (elemento) posee un átomo con cantidades diferentes de partículas internas (protones y neutrones). Así, en función de esta cantidad podemos saber exactamente c uántos átom os de una c iererta sustancia existen en una cantidad cualquiera que tomamos de ella. Verificamos entonces que, si dividimo s esta esta c antida d d e una sustanustancia por el "peso" relativo de las partículas tículas que forma forma n el átom o, ob tenem os un número c onstante onstante . De este este mo do 1 gram gram o d e hidróhidrógeno tiene la misma cantidad de áto mo s que 16 gram os de oxíge oxíge no, que a su vez, tiene tiene la misma misma c antida d d e á tomo s que 108 gramos de plata y 197 gramos de oro (figura 11). El número de partículas (átomos) es eno rme:
n = 6,02 x 10 23
¡Esto significa 6 seguido de 23 ceesos os á to mo s en a p ena s ros! ¡Tod os es alguno s gram os de ma teri terial! al! Suponiendo q ue en un m etal, c omo el oro, oro, ca da á tomo pueda c ontribuir con un electrón libre, en un trocito de, digamos, 1 gramo, tendremos nada más y nada menos Un poco de cá lcul lculos os que 1022 electrones disponibles (10 Hasta ahora dimos interesantes seguido de 22 ceros, para los que explicaciones sobre cómo funcio- no e stán fam iliariz arizad os c on la ano nan las cosas en lo que se refiere refiere a c arga s eléctricas y su movilidad. El único valor numérico que vimos fue la llamada carga elementa l, que era:
e = 1,60 x 10 -19 C
tación exponencial). Estos electrones forman, en el interior del metal, una espe espe c ie d e "nube" que se e stá "agitando" constantemente. Verificamos que los electrones pueden inc luso uso ver aum enta da su ca ntida ntida d con la elevación de la temperatura, fenómeno de gran imp imp ortanc ortanc ia en e lec tróni trónica ca . ¿Qué ocurre si multiplicamos la cantidad de electrones libres que tenemo s en un troc troc ito d e me tal por la c arga de c ad a electrón? electrón? Evidentemente, obtenemos la carga total, en Coulombs, del peda c ito de meta l en c uesti uestión. ón. Suponiendo que nuestro trocito de me tal tenga 10 elec trones trones y que la c arga d e c ad a uno sea sea d e = 1, 1,60 -19 x 10 C, tenem os: os:
Q = 10 22 x 1,6 x 10 -19 Q = 1,60 x 10 3C Q = 1.600 Coulomb ¿Será muc ho o p oc o, esto? esto? ,, se
pregunta rá e l estudiante estudiante . A título título de c urios uriosida ida d , sisi la lá lá mp a ra de su c uarto uarto está está e nce ndida en este este m ome nto c onsume onsume energí energíaa a razón de apenas una carga de 1/Coulomb po r segund o. Una carga de 1.600 Coulomb, c iertame ertame nte, quema ría esta esta lám pa ra y si los electrones no estuvieran "equilibrados " en el interior del metal y pudieran revelar toda su "fuerza", bastaría que usted tocara un troc troc ido de oro ¡pa ¡pa ra mo rir ins instantá tantá neam ente ful fulminado! En verda verda d, en la p rác tica tica , no po de mo s ma nejar sisino una pa rte m uy
Fig. 11
Capítulo 2 comporta de manera muy especial. Otros cuerpos también poseedores de cargas eléctricas, colocados en las proximidades de aquéllos, quedarán sujetos a la acción de fuerzas. Si la la s c a rga s d e los cue rp os próximos fueran de signos opuestos, la fuerza será de atracción, mientras que si las Fig. 12 cargas fueran del mismo signo, la fuerza será de repulFig. 13 sión, como ilustra la figura 12. Podemos decir que el espacio en torno de un cuerpo cargado queda lleno de algo invisible, algo que corresponde a la a cc ión de naturanaturaleza eléctrica sobre los cuerpos que también están cargados. El espacio en torno de un cuerpo cargado goza de propiedades especiales que pue de n explic explic arse arse p or la la p repe quña de los elec trones trones que están están sencia de una entidad llamada libres en el metal, para agregar o "c am po e léc tri tric o", norma lme nte rerequitar alguno alguno s. De ningún ningún m od o p o- presentada por la letra E. de mo s c onta r c on to do s en los proEl c a mp o e léc tric tric o no es a lgo fís físic esos esos eléc tric tric os. os. c o, en el sentido q ue po da mo s verlo, pero sí una entidad física que de sc ribe un estad estad o a lred ed or de un CTR RICO Y C AMPO ELECT cuerpo cargado. C O RR RRIENTE IENTE EL ELECT ECTRICA RICA Pa ra rep resenta esenta r este este esta esta d o u sa mos entonces líneas imaginarias, ¿Qué ha c e q ue las c arga s eléc tri tri- - denominadas líneas de campo. El cas se muevan en un cuerpo? c onjunto d e e sta s línea línea s ima gina rias ¿Qué esta esta do es espe pe c ial exis existe en t or- alrededor de un cuerpo cargado no de un cuerpo cargado, para rep resenta esenta n su su ca mp o eléc tri tric o. que su influencia se haga sentir a Por una convención, las líneas se distancia? ¿Qué ocurre cuando orienta orienta n sa sa liendo d e los c uerpo s c a runa gran gran c anti antida da d d e c argas el eléc- éc- gados positivamente y entrando en tricc as se m ueve e n un ma teri tri terial al c on- los cuerpos cargados negativamenductor? te, como muestra la figura 13. En el Tod o e sto será será e l tema d e e sta primer caso, tenemos la representalección. ción del ca mpo de una ca rga posi posiVeremos de q ué m od o la "infl "influenuen- tiva tiva (a); en el seg undo , el cam po de c ia" de las c arga s en un c uerpo se se una c arga ne ga tiva tiva (b) y, en el terter propaga " po r el espa " propaga espa cio y p rovoc a cero, el ca mpo provocad provocad o p or dos el movimiento de cargas incluso a cargas de signos opuestos próximos, se lla lla ma "d ipolo". la d istanc ia y d e q ué mo d o un fluj flujoo lo q ue se de cargas forma una corriente, un Vea que las líneas se diluyen movimiento muy especial para las c uand o e stán má s lejos de las ca raplicaciones prácticas. ga s, lo lo q ue indica el deb ilitam iento del cam po. El campo campo el ctri ctrico co Una ca rga eléctri eléctrica (un elec elec trón, trón, Un cuerpo cargado de electrici- por ejemplo) ejemplo) coloc coloc ad o en el ca mda d, ya sea po sitiva tiva o ne ga tiva, tiva, se se po eléctrico de una carga cual-
quiera, queda sujeta a una fuerza que está siempre orientada en el sentido de c oincidir o ser ser tang ente (toca r la la línea de fuerz fuerza de l cam po en el lugar considerado), figura 14. Las propiedades principales que poseen las líneas de fuerza son: * Siempre salen de los cuerpos positivos y llegan a los negativos. * Nunca se cruzan. * Est Est n m s concen concentrad tradas as donde donde el campo campo es m s fuerte. fuerte.
La intensidad del campo eléctrico en un determinado punto del espa espa cio, a una c ierta erta distanc distanc ia de la c arga q ue lo lo produc e, puede ser ser calculada. Este c álculo tiene gran imp ortancia en los estudios de electroestátic a y en consec consec uencia pa ra la elec elec trónica. Teniend o c om o b a se la ilus ilustrac trac ión de la figura 15, la fórmula que nos permite calcular la intensidad del campo eléctrico en el punto P del espacio es:
1 Q E = _____ . ___ 4πε0 d 2 Donde: E es la intensidad del campo medida en N/C (Newtons po r Coulomb) onstante que vale 9 1/ 4 πε0 es la c onstante x 10 9 N. m /2 C 2 Q es la carga que provoca el ca mpo en Coulomb Coulomb d es la distancia de la carga al p unto P. Com o vimos, vimos, una una c arga eléc eléc tri trica co loca da en un punto del espa espa cio, sujeta ujeta a la a c ción de un ca mp o, es forz forzad a a m overse. overse. La fuerza fuerza q ue a pa rec e en e l c aso aso
Fig. 14
¿Qué es la Electricidad y qué es la Electrónica? Fig. 15
Fig. 17
Fig. 16
Fig. 18
Fig. 19
Fig. 20
puede ser calculada por la expresión:
F=QxE donde: F es la la fuerza fuerza en Newto ns, ns, Q es el valor de la carga que es colocada en el punto P en Coulomb s y ista nc ia en me tros ha sta la d es la d ista ca rga q ue produce produce el ca mpo.
L A COR CORRIEN RIENTE TE ELEC ELECTRIC TRICA A
Si tuviéramos dos cuerpos cargados con cargas de signos opuestos, el ca mp o eléc tri trico que exis existe en to rno d e e llos es tal que proc urará urará m over las cargas de uno hacia el otro en el sentido de establecer su neutralidad. Los elec elec trones tende rá n a sa lir de l cuerpo cargado negativamente y
dirigirse al cuerpo cargado positivamente (figura 16). Si hubiera hubiera un me dio c ond ucto r entre los dos cuerpos que permita el movimiento de estas cargas, los electrones podrán desplazarse con cierto cierto orden, pasand pasand o d e un c uerpo uerpo ha c ia e l otro. Los Los elec elec trones sa ltarán de átomo en átomo, así formarán un fluj flujoo d e c arga s. Decimos que el movimiento movimiento o rde nad o d e c argas eléc eléc tri trica s que o curre en este caso se denomina "corriente rrie nte el el ctri ctrica ca" (figura 17). En el caso específico que tomamos de ejemplo, en que el conduc tor es el met al, el mo vimiento vimiento real es de cargas negativas (electrones), pe ro p ued e ser ser de otro tipo tipo de pa rtítículas, como por ejemplo, los iones, en los casos de los gases y soluciones. Está c laro q ue sólo los p roto ne s no pue de n mo verse verse e n realida realida , por esestar presos en los núcleos de los átomos. Por otro la d o, los elec trone s q ue se se mueven de un cuerpo hacia otro, no lo hac en tod os instantá nstantá nem ente. Existe un límite para la cantidad y la velocidad con que ocurre el pasaje. La La ca ntida ntida d y la la ve loc ida d son son establecidas por la intensidad del campo y, naturalmente, por la capac idad que el conduc tor tenga de p ermitir ermitir que la s c arga s se mue va n. Si Si consideramos un intervalo de tiempo en que no hay alteración perce ptible en la ca rga tota l de las esesferas, vemos que el flujo de cargas en el conductor se mantiene constante. Pod em os entonc es hab lar de una intensidad para este flujo, que va a corresponder a la intensidad de la c orriente orriente e léctric léctric a (figura 18). La intensi intensida d d e una c orri orriente c orresponde entonces a la cantidad total de carga que pasa en cada segund o p or un cond uctor. uctor.
Corriente electr nica Corriente y corriente convencional
Ob serve un hec ho interes interesante ante : co mo las única única s ca rga s que se p ued en mover, en realidad, son los electrones, las corrientes eléctricas fluyen desde los cuerpos negativos hacia los cuerpos positivos (figura 20). Esta corriente se denomina corriente electrónica electrónica , pero no siem pre e s co nsiderad a e n el estud estud io d e la elec tric tric ida d. De hec ho, sab sab em os que los números negativos son menores que los positivos, lo que vuelve muy extraño traño dec ir que el agua fluye fluye de un lugar de menos presión (negativo) hac ia uno d e m ayor p resi esión (p osi osititivo), cua ndo en reali realida d o curre curre tod o lo contrario. Si las cargas que se mueven fueran las positivas, las cosa s p od ría ría n ser ser exp lic lic a d a s d el mismo mismo modo y no tendríamos este problema. Pero, si no podemos ver los electrone trone s o c arga s de ninguna ninguna espe espe cie, ¿qué nos impide "imaginar" el fenó- meno como si ocurriera en sentido "contrario"? De hecho, cuando una ca rga negativa sale de un cuerpo (electrón) y va a neu traliz traliza r otra otra p osi ositiva en un cuerpo cargado de este modo, el efecto final es cero, lo mismo que si consideráramos una carga positiva que sale del que está cargado de este este m od o y va hac ia e l otro (figura (figura 21). En verdad , el efec to d e c onsi onside rar q ue los elec trones sa ltan ha c ia la esesfera fera d e la la d erecha , co mo m uestr uestraa la figura figura 22, co rrespo espo nde exac tam ente
Fig. 21
Capítulo 2 a la formac ión d e "vac íos" os" o "ag "ag ujeujeFig. 23 ros" que se desplazan hacia la izquierda quierda , que a su vez corres correspo po nde n jus justa ta me nte a l mo vimiento vimiento "c ontra rio" d e c a rga s p ositivas. t ivas. Tod o esto signisignifica que podemos perfectamente representa representa r co rri rriente s eléc tric tric as que sa len d e c uerpo s p ositi ositivos vos (po los po sitivos) y van hacia cuerpos negativos, sin que esto esté equivocado. En verda d, es com ún ha c er este este tipo de represenación. En este caso, decimos que estamos representando la c orri orriente c onvenc iona l y no la la c o- cidad es instantáneo, mientras que la ve locid a d d e las c a rg as en sí sí no lo rriente real o electrónica. e s. Ana lice mo s el fenóm eno : Cua ndo Velocidad de la corriente Usted acciona el interruptor de la usted acciona el interruptor el estaluz y ¡zas!, la luz se enciende instan- blecimiento del campo eléctrico se p rop atáne am ente. Por Por má s largo que sea (acc ión) en el cond uctor se velocidad muy grande, grande, el ca ble, no c onseg onseg uirá uirá no ta r retraso etraso ga con una velocidad alguno entre los dos momentos: el del orden de los 300.000 km por seaccionamiento del interruptor y el gundo... `o sea la velocidad de la luz! enc end ido de la lám pa ra son son si simul- Esta a cc ión hac e que prácticam ente todos los electrones que tienen táneos. En verda d, lo que oc urr urre e s que el movilidad pasen a saltar de átomo fenómeno d e la ac ción de la electri electri- en átomo en la dirección que co-
Fig. 22 rresponde a la circulación de la corriente rriente (figura 23). 23). Pero Pero la veloc id a d me dia d e los electrones en e ste m ovimient vimientoo es muy peq ueña c omp arada con la velocidad con que se estab estab lec e la c orri orriente.
La Revolución de los Medios Opticos
E
l sur surgimiento gimiento d el disco disco co mpa ct o de audio digital, desencadenó una revolución en los medios de almacenamiento de información, considerada ésta en sentido amplio (datos, texto, audio, imágenes, vi- deo), pues permitió grabar enormes cantidades de datos en un disco de apenas doce centímetros de diáme- tro. El CD musical y todos los formatos que se derivaron de dicha tecnolo- gía, tienen una base física común: el registro y lectura de información por medios ópticos. En este artículo, revi- saremos los principios en que se apo- ya esa tecnología y haremos un re- cuento de los principales formatos que se ha n d eri erivad vad o d el CD musical. musical.
M EDIOS E DIOS DE SOP SOPOR ORTE TE DE IN INFOR FORMA MACI CION ON
Los me d ios d e reg istro istro d e informa ción, co nsti nstituyer tuyeron on una ba se fund amental en el desarrollo de las civilizaciones, pues permitieron aumentar la memoria colectiva, remontar
las b a rrera rera s d el tiem tiem p o y, po r c onseonsecuencia, incrementar el bagaje intelec tua l d e los p ueb los. os. La La p rime rime ra forma material que se supone se empleó en la antigüe-dad, fue la tableta de arcilla, en la cual se grababan incisiones que representa b a n letras o núm eros (la (la esc esc ritura ritura cuneiforme de los antiguos babilonios); nios); lueg lueg o vino e l roll rolloo o tira tira c ontinua d e p ap iro (el antece sor del pap el) usa usa d o p or los los a ntiguo s eg ipc ios; os; má s tarde el có dice o c uad erno erno de p erga mino, q ue c on los sig los evo lucionó hasta el concepto de hojas de papel agrupadas para formar un vo lumen (lib (lib ro); y, finalmente finalmente , en nuestro nuestro si siglo, el disc disc o d e a c eta to, la cinta cinta ma gnética, el disco disco ma gnétignético y los discos ópticos. Esta amplia variedad de medios de almacenamiento, ha implicado una d iversida iversida d d e rec ursos ursos y disp disp ositivos para conservar la información: incisiones (bajorrelieve) en las tablillas babilónicas; tintas y plumas de a ve p ara la e sc ritura ritura sob sob re p a piros y
pe rga minos; minos; la la imp renta pa ra el esestampado en papel; los campos magnéticos para la grabación en cinta y discos; surcos grabados en la supe supe rfic rfic ie d e d isco s de ac eta to y protuberancias microscópicas sobre la supe supe rfi rficie d e un d isco de po lic lic a rbona to, pa ra ser ser leídos leídos me d iante un rayo láser. El surgimiento de los medios ópticos, constituyó una transformación rotunda de los métod os de almac enamiento de información, pues permitió grabar enormes cantidades de datos en un disco de apenas doce centímetros de diámetro. El primer dispositivo óptico fue el videodisco láser, aunque el medio que de senca de nó la revol revolución ución de los sistemas ópticos fue el disco compacto de audio digital, capaz de almacenar hasta 74 minutos de a ud io; d e a hí se d eriva eriva ron m últi-ples últi-ples formatos y variantes, siendo el más imp ortante ortante el dis disco co mp ac to pa ra computadora o CD-ROM ( Com- pact Disc-Read Only Memory ), el
¿Qué es la Electricidad y qué es la Electrónica? Fig. 1
cual permitió almacenar hasta 640 meg ab ytes de informa nforma ción. La ventaja principal del CD-ROM, fue que pe rmiti rmitióó a las c om pa ñías ñías fabricantes de software , desarrollar programa programa s de com putadora de una c lase ase llam llam ad a “multimedia interactiva ”, en la cual se combinan texto, imág ene s, sonido sonido , anima c io-nes y vide o, brinda brinda ndo ad em ás al usuari usuarioo la posibilidad de interactuar de forma dinámica co n esa esa informa nforma ción heterogénea. Y es que el CD-ROM ofrec ió p or prime prime ra vez un sop sop orte lige lige ro y barato para la grabación digital de enormes cantidades de datos, jus justa ta me nte c om o las q ue req uiere uiere la multime multime dia interac tiva. tiva. Tod os los form a to s óp tico s q ue se derivaron del CD musical, así como los desarrollos conceptuales y tecnológicos que propició el CD-ROM, ma ntienen ntienen una b ase ase fís física c om ún: el almacenamiento y lectura de informa ción po r me dios óp tico tico s. En este artículo, revisaremos los princ princ ipios de grab ac ión y lec lec tura tura d e datos por procedimientos ópticos y haremos un recuento de los principa les formato s que se ha n d erivad erivad o d el CD musica musica l. El surgimiento de la tecnolog tecno log a ptica ptica
A finales finales de la dé ca da de los 70, 70, la la c om p a ñía ñía Phili hilip s ha b ía d esa esa rroll rrollad ad o un métod o pa ra g rab ar infor informa ma ción en surcos microscópicos y recuperarla mediante un rayo láser. La aplicación que los ingenieros de esta compañía le dieron a tan novedoso sistema fue en el “disco láser lanzam iento al me rde video”, cuyo lanzam cado se dio en 1980, con la intención de ofrecer una alternativa viable a los formato s de vide vide oc inta Beta y VHS, que por entonces inauguraban una era en el terreno del vide o do mésti méstico co .
Sin embargo, tal vez por tratarse en ese tiempo de una tecnología muy ava nzad nzad a pa ra las co ndiciones ndiciones de la industr ndustriia en e l mundo , o p or reresultar muy co stosa tosa c on relac ión a la s videocintas, Philips no obtuvo el éxito esperado con el videodisco en esos años. Mas este gran avance sentó las ba ses de l disc disc o c om pa cto digital. digital. Al respecto, conviene precisar que en el vid vid eo d isc isc o láser láser la la informa c ión no se graba digitalmente, sino de manera nera a nalógica nalógica . Por otra parte, hacia fines de los 70, las técnicas digitales habían alcanzado un grado de maduración que los hacía susceptibles de aplicarse en electrónica de consumo, en buena medida estimuladas por los ava nc es en la prod ucc ión d e c ircuitos de gran escala de integración. Este p ano ram a, a unad o a las ventajas de las técnicas digitales sobre la s a na lóg ica s, llllevó a Philips hilips a c onside rar el de sa rrollo rrollo d e un d isc isc o lá ser para grabación de audio basado en proc ed imientos numéri numéric os. os. El inco inco nveniente funda me ntal que enfrentaba Philips para desarrollar un medio de almacenamiento con estas características, era el proceso de co nversi nversión d e la seña seña l ana lóg ica en un formato digital y su posterior reconversión a la expre-sión análoga. Por entonces ya existían desarrollos comerciales de circuitos converti vertido res de aná log o a digital (A/D) y de digital a análogo (D/A), pero como Philips había dedicado mucho tiempo a la investigación y desarrollo de la tecnología para el almacenamiento y recuperación de datos en formato óptico, no disponía de un desarrollo propio para la co nversi nversión A/ D/A d e seña seña les de audio. Conscientes de que desarrollar un método propio para resolver está cue stión tión té cnica po dría dría toma rles varios años, los directivos de Philips decidieron establecer alianzas estratégicas con otras compañías que ya disponían de esa tecnología. Concretamente, llllega ron a un ac uerdo uerdo co n la firma firma jap one sa Sony, pa ra el lanzamiento c om ún de l nuevo d isc o comp ac to de audio digi digital tal..
Los ing ing enieros d e Sony h a b ían d esa rroll rolla d o a fines fines de los 70 un proc edimiento muy efectivo para la graba ción de a udio udio a nálogo nálogo en forma forma digital a través de una codificación PCM (Pulse Code Modulation). Inclusive, algunos de sus mo-delos de videograbadoras Beta, llegaron a incluir circuitos que permitían la adición de un mód ulo ulo espec espec ial para el manejo del audio estéreo Hi-Fi digital. Finalmente, de la unión de tecnologías de estas dos grandes empresas mundiales, surgió en 1982 el disco compacto de audio digital. Rápidamente, este novedoso sistema atrajo la la a tenc ión d e otros fab ric ante s de eq uipo uipo s, pues el CD ofreofrec ió ind ud ab les venta jas sob re los los tradicionales medios de almacenamiento de audio: el disco negro de acetato y la cinta en casete. Luz y protuberancias
En un disco disco de ac eta to la informainformación se graba mediante pequeños surcos en form a d e esp esp ira ira l; es en las paredes de dicho surco donde se graba el audio analógico que posteriormente es recuperado por una ag uja uja de zafir afiro o de diama nte (figu(figura 1). La aguja, al recorrer el surco, vibra vibra seg ún las ond ulac ulac iones grab grab adas en las paredes del mismo y transmite la información de audio analógico hacia una pastilla magnética, donde se obtiene la señal eléctrica respectiva, misma que es fil filtrad trad a y am plifi plificc ad a pa ra su p osteosterior salida por los altavoces. ¿Cuál es el principio de almace- namiento y lectura de información en los sistemas ópticos? En este caso, no exis existe a gu ja ni co nta c to físico físico entre el me dio rec rec upe rad or y el medio de a lmac enamiento, enamiento, como tampoco existe un surco con pare-des grabadas. En los discos ópticos, para almacenar los datos, se utiliza un track o pista pista de informac ión c onsti onstitui tuida da po r minúsculas elevaciones de longitud va ria ria b le, a la s c ua les se les llam llam a pits (en inglés p it significa ignifica huec o, p ero se se emplea este término porque en el d isc isc o m a triz triz, que e s co mo el nega nega titi-
vo d el CD, la informa informa c ión va c od ifificada en microscópicos huecos o
Capítulo 2 De anal anal gico a digital digital
depresiones). El pit es la célula o unidad básica de información en los discos ópticos digitales. Las dime nsiones nsiones d e e stos pits son sorp renden-tes: tienen un ancho de sólo 0,5 micras (una micra = una milésima de milímetro); su altura es de tan sólo 0,11 micras, y su longitud puede variar desde 0,83 hasta 3,5 micras (figura 2). A su vez, la separación entre tracks ad yacentes es d e t a n sólo sólo 1,6 micras. micras. Esta s d imensi imensione s p rob a b leme nte no teng an pa ra usted usted un si signifignific ad o e n p rime ra instanc nstanc ia; si sin em bargo, para brindarle una perspe ctiva ctiva má s ap rop iad a, en la figufigura 3 se muestra una comparación de los tracks de un CD musi music al co n un sur surco co de un disco disco de ac etato y co n el grues gruesoo d e un c ab ell ello huma no . Tecnolog Tec nolog a digital digital
La tecnología digital tiene notables ventajas en comparación con los medios de almacenamiento de audio y video analógicos, como el disco disco de a ce tato y la la c inta de video video magnética. Con las técnica s ana lóg ica s, cua lquier imperfección durante las etapas de registro, almacenamiento o reproduc ción de la la graba ción afecta la calidad de la señal de audio y/o vide vide o. Por ejemp lo, un disc disc o suc suc io provo ca ruido uido . Estas imperfecciones no ocurren en e l alma alma ce namiento d igital, gital, donde grac ias a la na turalez turalezaa b inaria naria de los datos almacenados, cualquier fuente de ruido externo se elimina rápida y eficientemente, permitiendo la recuperación de una señal que es vir virtualmente idé ntic ntic a a la orioriginal.
En la tecnología del disco óptico, excepFig. 2 tuando la información de video de los discos láser, láser, la la s señ a les a na lóg icas son convertidas en señales digitales. Durante este proceso, la señal analógica analógica de a udio udio y/o video es dividida en varias partes y convertida en una serie de valores llamada muestreo . En c ad a mue streo treo se e xplora plora una forma d e onda que reprerepresenta una señal de a udio o d e video, y esta esta e xplorac xplorac ión se se lleva lleva a ca bo en intervalos ig ig ua les. les. La La fuerza fuerza y la p ola ridad de la señal analógica original en e stos intervalos, p ue d en e xpresa xpresa rse con números decimales (1, 2, 3, etc .); .); así así, tanto la m ag nitud nitud c om o la polaridad de dicha señal ( + ó - ) qued an indi indica ca da s de p unto unto a p unto. unto. Vea la figura figura 4. La frecuencia y el número de bits co n que se mide la m ag nitud nitud d e la señal en una forma de onda , deterdeterminan la exactitud del registro de la forma de onda original; por consiguiente, el número de bits de be ser tal que estos pasos deben ser muy pe q ueño s; y por lo lo q ue se se refiere refiere a la frec frec uenc ia, ésta ésta d eb e ser ser lo lo sufi suficc ientemente elevada para garantizar la correcta correcta ca ptura ptura de todo el ancho de b and a d e la la seña seña l original. original. Un c onve rsor rsor A/ D transforma transforma los va lores lores decimales en una notación binaria: bits. Los bits sólo consisten en 1 (unos) y 0 (ceros), y mediante la combinación de éstos se pueden expresar los números deFig. 3 cimales en forma de notac ión b inaria. naria. Estos son ejemplos de notación binaria en tres bits:
Decimal 1 2
Binaria 001 010
La señal analógica se convierte entonces en una señal digital que ahora consiste en una serie de pulsos: pulsos para los 1 (unos) y ausenc ia d e p ulsos ulsos p a ra los
0 (c e ros). ros). Es Esto s p ulso ulso s e n serie serie se g raba n en la supe rfi rficie d el disco disco ma esestro tro en forma de pits de tam año microscópico; y esto se hace con un rayo láser láser m uy fino. En la mayoría de las grabaciones, cada valor analógico muestreado (44,100 por segundo) es convertido en una línea línea d e 16 bits en ve z d e los tres que se acaban de ejemplificar; de esta manera, se obtiene un total d e m ás d e 1 millón millón de b its p or seg seg und o. Un Un núm ero d e 16 bits d e 1 (unos) (unos) y 0 (ceros) puede expresar un máximo de 65.536 diferentes valores; o sea, que dos posibles valores para ca da bit = 216 = 65.536 65.536 p osib osib ilida ilida d es. es.
TROS S SIS SISTEM TEMAS AS OP OPTIC TICOS OS OTRO
Como ya menc ionam os principi principio, o, esta esta te c nología nología ta n po de rosa osa no sólo se se a p rove c ha en los d isc isc os d ig ita les de audio, sino que también se aplica en otros formatos. A continuac ión se se d esc esc ribe n a lguno s de los formatos derivados del disco compa cto d e aud io digital digital.. El disco disco l ser de video video
Si bien el disco láser de video es anterior al disco compacto de audio, ya q ue fue p resenta esenta do po r Phi Phi-lips en 1980, dos años antes que el primer CD de audio llegara al merca do, como tuvo tuvo una acog ida m uy pobre por parte de la industria, prácticamente fue archivado entre los múltiples formatos que compitieron por la supremacía en el mundo de l vide vide o c asero. asero.
¿Qué es la Electricidad y qué es la Electrónica? El CD-ROM
Ya me nc iona mo s qu e los CD-ROM CD-ROM son fís física me nte id éntic os y de la mismisma tecnología que un disco compacto de audio digital. Justamente por esas propiedades, es un medio que puede almacenar hasta 640 megabytes de información, una cantidad extraordinaria en un reducido espacio, comparada con un disco disco duro prome dio. Precisamente por esa capacidad de almacenamiento, los CD-ROM’s se utilizan sobre todo en aplicaciones de multimedia interactiva, donde los gráficos y el audio consumen grandes cantidades de espacio; aunq ue c ad a vez se les emp lea co n mayor frecuencia en la distribución de programas diversos, librerías de prog ram as, as, etc . El CD-I
El Disco Compacto Interactivo (CD-I) fue un desarrollo de Philips que trató de competir con el CDROM, ya que su utilidad era prácticamente la misma; esto es, en un CD-I también podían grabarse textos, imágenes, animaciones, sonidos, etc. Su ventaja inicial era que pa ra a provec har un CD-R CD-ROM se se ne cesitaba una computadora personal p od erosa, erosa, m ientras que pa ra utiutilizar los CD-I tan sólo se requería un ap arato arato lector que se se c onectab a a l televisor. Disco compacto compacto para para fotograf fotograf a (Photo-CD)
Este es un desarrollo que hizo Kodak a finales de los 80, como una op ción para almac enar un un gran gran núme ro d e foto grafías grafías en un CD idéntic o a l de aud io en d ime nsi nsiones y tecnología, pero cuyo formato interno estaba especialmente dedicado al ma nejo nejo d e imáge nes. nes. Durante algún tiempo se vendieron lecto res esp esp ec ia les d e Photo-CD
para conectarlos al televisor, utilizando el disco com o lbum de fotos ; sin emb argo, en la la a ctualida ctualida d prácticamente toda esta tec nología nología se ha de splazaplazado al mundo de las computadoras personales. Los medios medios magnetomagneto- pticos
Una situac ión espe espe c ial la tene mo s en un desarrollo relativamente reciente, el cual permite la utilización de tecnología óptica combinada co n fenóm enos mag néticos: néticos: los los me dios de almacenamiento magnetoópticos para grabar y leer información digital. digital. Empleando un rayo láser que calienta la superficie de un material metálico al tiempo que se le aplica un campo magnético, se puede almacenar información digital, con la ventaja de que la densidad de almacenaje es extraordinariamente elevada; por ejemplo, en un disco de 3,5 pulgadas, se pueden grabar desde 100 hasta varios cientos de megabytes. Muchas compañías están compitiend tiend o p ara c onseg onseg uir uir que su formato d e d isc os ma gne to-óptico s sea el reemplazo de los tradicionales disq ue te s d e 1,44MB; 1,44MB; el má s usua usua l, a unque ya e n vías vías de la ob solesce olesce ncia téc nica nica . Ej Ejem plos de disco disco s ma gne to-ópticos son el MiniDisc de Sony, las uni unida de s IOm eg a, etc . El DVD
El p róximo óximo p a so e n la la e voluc ión d e los me dios de alma c ena miento óp titicos es, sin duda alguna, el DVD, sig las de Disc Disc o Ve rsá rsá til Dig Dig ita l. Es Este d isisco se fab rica c on la misma misma tec nología gía d e un CD de aud io norma l, pero pero lleva do un pa so a de lante : grac grac ias a la utilización de nuevas tecnologías de fabricación de diodos láser y al empleo de frecuencias de opera-
Fig. 4 ción más elevadas, es posible reducir aun más el tamaño de los pits y de l espa espa c io e ntre ntre p istas de informac ión; esto esto p ermite ermite una ma yor densi densida d de informa nforma ción y, po r lo ta nto, un incremento significativo en la cantidad de datos que se pueden grab ar en un solo solo disco disco de 12 cm , de hecho, las dimensiones físicas externas de ambos formatos son las mismas. Un DVD pued e c ontene r hasta hasta 4,7 4,7 gigabytes, y gracias al desarrollo de noved osos osos mé tod os de escri escritur turaa po r capas, esta capacidad puede aumentar hasta casi 18 gigabytes de información en un solo disco de 12 c m. Esa enorme capacidad de almacenamiento podría parecer exagerad a p ara el usuari usuarioo de co mp utado ras; sin embargo, resulta ideal para la d istri istribb uc ión d e pe líc ulas d igitaliz igitaliza das, por lo que se calcula que en pocos años el DVD se convertirá en el medio d e venta de películas películas má s popular, por encima de las cintas VHS, ofreciendo además la ventaja de una c alida alida d d e ima ima gen y soni sonido do sup eriores a la s d e las c intas a na lóg icas. Sin duda, los medios ópticos constituyen una alternativa importante en el futuro inmediato, para el reg reg istro tro d e c a ntid ntid ad es extra extra ordinarias de información. No obstante, los medios magnéticos también se enc uentran uentran en g ran eferves efervescc encia; incluso, la vertiente donde se c om binan las tec nologías nologías óp tic tic a y magnética resulta cada vez más a tra tra c tiva tiva p ara los usua usua rios d e c om putadoras. *****************
