Todos los materiales están formados por pequeñas partículas llamadas átomos. Los átomos están formados por partículas aún más pequeñas llamadas protones, neutrones y electrones. Los protones que se encuentran en el átomo tienen una carga positiva y los electrones una carga negativa. Estas cargas se equilibran entre sí, dando al átomo una carga global neutra.
Corrientes eléctricas
La electricidad puede manifestarse como un flujo de electrones o cargas. El flujo de electrones o cargas se conoce como corriente eléctrica.
Un circuito eléctrico tendrá electrones sueltos a lo largo de su recorrido. Cuando se proporciona energía eléctrica en el circuito, se establece un campo eléctrico que hace que estos electrones en el circuito fluyan todos a la vez como el agua que fluye en una tubería o manguera.
Circuitos eléctricos
Los sensores artificiales se basan en circuitos eléctricos. Los circuitos eléctricos están formados por componentes eléctricos específicos, una fuente de energía y cables de conexión, y pueden conmutar o cambiar una corriente eléctrica. El flujo de cargas eléctricas en un circuito está controlado por la conductividad eléctrica del material utilizado, los componentes y el diseño del circuito. Un circuito puede ser diseñado para permitir que diferentes cantidades de cargas eléctricas fluyan en diferentes partes del circuito, por lo que las partes del circuito pueden tener trabajos diferentes pero que interactúan.
La electrónica es el uso de pequeños componentes como dispositivos semiconductores en circuitos eléctricos para controlar el flujo de cargas eléctricas o realizar una función. Esto se hace aumentando o disminuyendo la corriente o deteniendo el flujo por completo. La mayoría de los dispositivos eléctricos utilizan la electrónica, desde un simple interruptor que enciende una luz cuando oscurece, hasta un complejo circuito que tiene muchas funciones, como el que se encuentra dentro de las lavadoras o los robots.
Conductividad
Cuando las cargas eléctricas fluyen a través de algo, lo llamamos conducción eléctrica. La sustancia por la que fluyen las cargas eléctricas se llama conductor.
Diferentes materiales tienen diferentes conductividades eléctricas. Esta es una medida de la facilidad con la que la corriente eléctrica pasa a través del material. El reverso de la conductividad es la resistividad, es decir, lo difícil que es para una carga eléctrica moverse a través de un material.
Algunos materiales, como los metales, tienen electrones sueltos en su estructura atómica, lo que permite que las cargas eléctricas fluyan fácilmente y, por lo tanto, son muy útiles como cables que conectan los distintos componentes de un circuito. El cobre metálico es un ejemplo de buen conductor y se utiliza a menudo como cables de conexión.
Las sustancias que no permiten el flujo de cargas eléctricas se llaman aislantes. Por ejemplo, el caucho, el plástico y el aire son malos conductores y, por lo tanto, son útiles como aislantes para bloquear el flujo de cargas eléctricas.
Otros materiales con propiedades conductoras que están entre los buenos conductores y los aislantes, como el silicio, se llaman semiconductores. Su conductividad eléctrica puede verse alterada por el tipo de átomos utilizados para doparlos con impurezas. Los componentes semiconductores, como los diodos y los transistores, pueden cambiar su capacidad de conducir cargas en función de ciertas condiciones, como el voltaje. Esto hace que los semiconductores sean útiles como sensores e interruptores que responden a los cambios en las condiciones físicas.
Por ejemplo, un sensor de calor llamado termistor cambia su capacidad de permitir el flujo de cargas eléctricas a través de él en respuesta a la temperatura. Al colocar un termistor en un circuito eléctrico, se puede activar o desactivar la corriente en otra parte del circuito, como por ejemplo apagar un calentador si el aire se calienta demasiado. Al igual que los sensores de la piel humana envían impulsos al cerebro, donde se analiza la información y sentimos calor o frío, en las máquinas se utiliza la electrónica para analizar las condiciones físicas que se detectan a través de cambios en la corriente eléctrica.
¿Cómo funcionan los sensores?
Los sensores reaccionan a los cambios de las condiciones físicas alterando sus propiedades eléctricas. Así, la mayoría de los sensores artificiales se basan en sistemas electrónicos para captar, analizar y transmitir información sobre el entorno. Estos sistemas electrónicos se basan en los mismos principios que los circuitos eléctricos para funcionar, por lo que la capacidad de controlar el flujo de energía eléctrica es muy importante.
En pocas palabras, un sensor convierte estímulos como el calor, la luz, el sonido y el movimiento en señales eléctricas. Estas señales pasan por una interfaz que las convierte en un código binario y lo transmite a un ordenador para que lo procese.
Muchos sensores actúan como un interruptor, controlando el flujo de cargas eléctricas a través del circuito. Los interruptores son una parte importante de la electrónica, ya que cambian el estado del circuito. Los componentes de los sensores, como los circuitos integrados (chips), los transistores y los diodos, contienen material semiconductor y se incluyen en los circuitos de los sensores para que actúen como interruptores. Por ejemplo, un transistor funciona utilizando una pequeña corriente eléctrica en una parte del circuito para activar una gran corriente eléctrica en otra parte del mismo.
Sensores activos y pasivos
La mayoría de los sensores utilizan radiaciones como la luz o el láser, ondas infrarrojas u otras ondas como las ultrasónicas para detectar objetos y cambios en su entorno. Para ello, disponen de una fuente de energía en su interior que les permite emitir la radiación hacia su objeto objetivo. Esta radiación es reflejada por el objeto y detectada por el sensor – esto se llama un sensor activo, por ejemplo, en el uso del radar.
Los sensores pasivos no emiten su propia radiación u ondas – detectan la radiación que es emitida por sus objetos objetivo, como el calor o la radiación infrarroja térmica, o detectan la radiación de alguna fuente externa como el Sol que se refleja en los objetos. Un ejemplo es un termistor para medir la temperatura electrónicamente.
El valor de utilizar sensores es que no son intrusivos y pueden detectar a distancia. Tanto los sensores activos como los pasivos pueden montarse en satélites que orbitan la Tierra para captar información sobre nuestro entorno. Las radiaciones u ondas u otros fenómenos físicos detectados por los sensores se convierten en señales eléctricas y son procesadas por los ordenadores.
MARVIN el robot está equipado con sensores activos como sensores de infrarrojos, sensores de ultrasonidos y sensores láser. El sensor del contador que determina la distancia que recorre MARVIN es un sensor pasivo.
Naturaleza de la ciencia
Las ideas de la ciencia están sujetas a cambios. Las ideas sobre la conducción eléctrica han cambiado, lo que llevó al desarrollo de la electrónica.
Enlaces útiles
Aprenda sobre los sensores activos y pasivos de la NASA.