Instituto Universitario de TecnologaJos Antonio AnzoteguiUnidad
Curricular: Electrotecnia
Tema I: Parmetros fundamentales del circuito elctrico en
corriente contina y corriente alterna. Tema II: Leyes fundamentales
de la electricidad y electromagnetismo.
PARTE I. PARMETROS FUNDAMENTALESGracias a la electricidad y los
fenmenos elctricos podemos darle movimiento o poner a funcionar
cualquier aparato elctrico o electrnico. Es por esta razn que es
muy importante conocer su historia y los conceptos bsicos
necesarios para entender que elementos la componen y como
funciona.QU ES ELECTRICIDAD?La electricidad (del griego elektron)
es un fenmeno fsico cuyo origen son las cargas elctricas y cuya
energa se manifiesta en fenmenos mecnicos, trmicos, luminosos y
qumicos, entre otros. En otras palabras, la electricidad es el
flujo de electrones. Se puede observar de forma natural en fenmenos
atmosfricos, como los rayos, los cuales son descargas elctricas
producidas por la transferencia de energa entre la ionosfera y la
superficie terrestre.Otros mecanismos elctricos naturales se pueden
encontrar en procesos biolgicos, como el funcionamiento del sistema
nervioso.La electricidad es la base del funcionamiento de muchas
mquinas, desde pequeos electrodomsticos hasta sistemas de gran
potencia como los trenes de alta velocidad, y asimismo de todos los
dispositivos electrnicos.CUL ES EL ORIGEN DE LA ELECTRICIDAD?La
electricidad es originada por las cargas elctricas, en reposo o en
movimiento, y las interacciones entre ellas. Cuando varias cargas
elctricas estn en reposo relativo se ejercen entre ellas fuerzas
electrostticas. Cuando las cargas elctricas estn en movimiento
relativo se ejercen tambin fuerzas magnticas. Se conocen dos tipos
de cargas elctricas: positivas y negativas. Los tomos que conforman
la materia contienen partculas subatmicas positivas (protones),
negativas (electrones) y neutras (neutrones).QU ES UNA CARGA
ELCTRICA?La carga elctrica es una propiedad que poseen algunas
partculas subatmicas y que se manifiesta mediante las fuerzas
observadas entre ellas. La materia cargada elctricamente es
influida por los campos electromagnticos siendo, a su vez,
generadora de ellos.Las dos partculas elementales cargadas que
existen en la materia y que se encuentran de forma natural en la
Tierra son el electrn y el protn, los cuales hacen parte de los
tomos que conforman la materia.Cuando un tomo gana o pierde un
electrn, queda cargado elctricamente. A estos tomos cargados se les
denomina iones.
CLASES DE ELECTRICIDADPodemos clasificar la electricidad en dos
tipos: esttica y dinmica. A su vez la electricidad dinmica se
divide en corriente continua o directa (CD) y corriente alterna
(CA). ELECTRICIDAD ESTTICASe denomina electricidad esttica a
aquella que no se mueve respecto a la sustancia determinada.Si
frotamos una varilla de vidrio (material no conductor) con un pao
de seda, tanto el pao como la varilla quedan cargados elctricamente
(el pao con carga negativa y la varilla con carga positiva). La
electricidad acumulada en ambos materiales permanecer sin moverse a
menos que los pongamos en contacto, o se conecten por medio de un
conductor.Desde el punto de vista de los electrones libres, la
electricidad esttica se refiere al estado en el que los electrones
libres estn separados de sus tomos y no se mueven en la superficie
de los materiales.A la cantidad de electricidad con que se carga
una sustancia se le llama carga elctrica, se representa por la
letra (Q) y se mide en el sistema internacional (S.I.), en
culombios (C).
LEY DE COULOMBComo consecuencia del experimento anterior,
Coulomb estableci la siguiente ley: La fuerza de atraccin o
repulsin sobre dos cargas puntuales (Q1, Q2) es directamente
proporcional al producto de las cargas e inversamente proporcional
al cuadrado de la distancia entre ambas.siendo:Q1, Q2 = las cargas
puntuales;d = distancia entre cargas;K = constante que depende del
medio;F = fuerza de atraccin o repulsin.DIFERENCIA DE POTENCIAL
La tensin, voltaje, fuerza electromotriz o diferencia de
potencial es una magnitud fsica que impulsa a los electrones a lo
largo de un conductor en un circuito elctrico cerrado, provocando
el flujo de una corriente elctrica. La diferencia de potencial
tambin se define como el trabajo por unidad de carga ejercido por
el campo elctrico, sobre una partcula cargada, para moverla de un
lugar a otro.En el SI, la diferencia de potencial se mide en
voltios (V), al igual que el potencial. La tensin es independiente
del camino recorrido por la carga, y depende exclusivamente del
potencial elctrico de los puntos A y B en el campo.Si dos puntos
que tienen una diferencia de potencial se unen mediante un
conductor, se producir un flujo de electrones. Parte de la carga
que crea el punto de mayor potencial se trasladar a travs del
conductor al punto de menor potencial y, en ausencia de una fuente
externa (generador), esta corriente cesar cuando ambos puntos
igualen su potencial elctrico (Ley de Henry). Este traslado de
cargas es lo que se conoce como corriente elctrica.Cuando se habla
sobre una diferencia de potencial en un slo punto, o potencial, se
refiere a la diferencia de potencial entre este punto y algn otro
donde el potencial sea cero.Existe una diferencia de potencial
cuando por intermedio de una fuente de energa, se logra mantener en
dos puntos cargas desiguales. Esta fuerza de energa puede ser una
pila, batera, o generador, y los dos puntos se llaman
bornes.CORRIENTE ELCTRICALos electrones que se encuentran en las
rbitas ms alejadas del ncleo se les conoce tambin como electrones
libres, estos electrones son los responsables de la mayora de los
fenmenos elctricos y electrnicos ya que al estar dbilmente atrados
por los protones del ncleo, pueden MOVERSE fcilmente de un tomo a
otro.Los electrones libres, al desplazarse constituyen la CORRIENTE
ELCTRICA a travs de un conducto que puede ser slido, lquido o
gaseoso.Entonces lo que conocemos como corriente elctrica no es
otra cosa que la circulacin de cargas o electrones a travs de un
circuito elctrico cerrado, que se mueven siempre del polo negativo
al polo positivo de la fuente de suministro de fuerza electromotriz
(FEM).La corriente elctrica est definida por convenio en el sentido
contrario al desplazamiento de los electrones.
En el Sistema Internacional de Unidades se expresa en C/s-1
(culombios sobre segundo), unidad que se denomina
amperio.Histricamente, la corriente elctrica se defini como un
flujo de cargas positivas y se fij el sentido convencional de
circulacin de la corriente como un flujo de cargas desde el polo
positivo al negativo. Sin embargo posteriormente, gracias al efecto
Hall, se observ que en los metales los portadores de carga son
negativos, estos son los electrones, los cuales fluyen en sentido
contrario al convencional.El resultado es que el sentido
convencional y el real son ciertos en tanto que los electrones
fluyen desde el polo negativo hasta llegar al positivo (sentido
real), cosa que no contradice que dicho movimiento se inicia al
lado del polo positivo donde el primer electrn se ve atrado por
dicho polo creando un hueco para ser cubierto por otro electrn del
siguiente tomo y as sucesivamente hasta llegar al polo negativo
(sentido convencional) es decir la corriente elctrica es el paso de
electrones desde el polo negativo al positivo comenzando dicha
progresin en el polo positivo.REQUISITOS PARA QUE CIRCULE AL
CORRIENTE ELCTRICAPara que una corriente elctrica circule por un
circuito es necesario que se disponga de tres factores
fundamentales: Una fuente de fuerza electromotriz (FEM) como, por
ejemplo, una batera, un generador o cualquier otro dispositivo
capaz de bombear o poner en movimiento las cargas elctricas
negativas cuando se cierre el circuito elctrico. Un camino que
permita a los electrones fluir, ininterrumpidamente, desde el polo
negativo de la fuente de suministro de energa elctrica hasta el
polo positivo de la propia fuente. En la prctica ese camino lo
constituye el conductor o cable metlico, generalmente de cobre. Una
carga o consumidor conectado al circuito que ofrezca resistencia al
paso de la corriente elctrica. Se entiende como carga cualquier
dispositivo que para funcionar consuma energa elctrica como, por
ejemplo, una bombilla o lmpara para alumbrado, el motor de
cualquier equipo, una resistencia que produzca calor (calefaccin,
cocina, secador de pelo, etc.), un televisor o cualquier otro
equipo electrodomstico o industrial que funcione con corriente
elctrica.INTENSIDAD DE CORRIENTELa cantidad de electrones que
circula por un conductor dentro circuito cerrado, es la intensidad
de corriente, la cual depende fundamentalmente de la tensin o
voltaje (V) que se aplique y de la resistencia (R) que ofrezca al
paso de esa corriente la carga o consumidor conectado al circuito.
Si una carga ofrece poca resistencia al paso de la corriente, la
cantidad de electrones que circulen por el circuito ser mayor en
comparacin con otra carga que ofrezca mayor resistencia y
obstaculice ms el paso de los electrones.La intensidad de la
corriente elctrica se designa con la letra (I) y su unidad de
medida en el Sistema Internacional (SI) es el ampere (llamado
tambin amperio), que se identifica con la letra (A).TIPOS DE
CORRIENTEEn la prctica, los dos tipos de corrientes elctricas ms
comunes son: corriente directa (CD) o continua y corriente alterna
(CA). La corriente directa circula siempre en un solo sentido, es
decir, del polo negativo al positivo de la fuente de fuerza
electromotriz (FEM) que la suministra. Esa corriente mantiene
siempre fija su polaridad, como es el caso de las pilas, bateras y
dinamos.La corriente alterna se diferencia de la directa en que
cambia su sentido de circulacin peridicamente y, por tanto, su
polaridad. Esto ocurre tantas veces como frecuencia en hertz (Hz)
tenga esa corriente. A la corriente directa (C.D.) tambin se le
llama "corriente continua" (C.C.).
La corriente alterna es el tipo de corriente ms empleado en la
industria y es tambin la que consumimos en nuestros hogares. La
corriente alterna de uso domstico e industrial cambia su polaridad
o sentido de circulacin 50 60 veces por segundo, segn el pas de que
se trate. Esto se conoce como frecuencia de la corriente alterna.En
los pases de Europa la corriente alterna posee 50 ciclos o hertz
(Hz) por segundo de frecuencia, mientras que los en los pases de
Amrica la frecuencia es de 60 ciclos o hertz.MATERIALES CONDUCTORES
O AISLANTESLos materiales conductores son todos aquellos materiales
o elementos que permiten que los atraviese el flujo de la corriente
o de cargas elctricas en movimiento. Los materiales conductores,
poseen la caracterstica de que los electrones en las rbitas ms
externas necesitan poca energa para salir de ellas. De hecho, estos
tomos comparten estos electrones con tomos cercanos, con lo que se
forma la llamada nube electrnica de los metales. Sin embargo, en
los materiales aislantes, los electrones estn fuertemente ligados a
su orbita, siendo muy difcil o prcticamente imposible sacarlos de
ella. Cuando esto ocurre, es generalmente porque se produce la
destruccin del aislante. RESISTENCIA ELCTRICAResistencia Elctrica
es la dificultad u oposicin que un material pone al paso de la
corriente elctrica. En otras palabras, la resistencia elctrica es
el grado de oposicin o impedimento de un material a la corriente
elctrica que lo recorre. Todos los conductores elctricos ofrecen
mayor o menor resistencia al paso de la corriente elctrica. LEY DE
OHMColoquemos un circuito bsico como el de la figura. Observamos
que la intensidad que por l circula (I) es directamente
proporcional a la tensin aplicada (U), e inversamente proporcional
a la resistencia del circuito (R).
En el caso a) el ampermetro marca 1,5 A.En el caso b) el
ampermetro marca 3 A.Deducimos Amperios = Esta relacin se define
como ley de Ohm.CAPACITORSe denomina capacitor al dispositivo que
es capaz de acumular cargas elctricas. Los capacitores nunca estn
ausentes en los circuitos electrnicos, stos consisten bsicamente de
dos placas metlicas separadas por un material aislante (llamado
dielctrico). Este material dielctrico puede ser aire, mica, papel,
cermica. La acumulacin de cargas elctricas entre las lminas da
lugar a una diferencia de potencial o tensin sobre el capacitor y
la relacin entre las cargas elctricas acumuladas y la tensin sobre
el capacitor es una constante denominada capacidad capacitorLa
unidad de medida de la capacidad es el faradio y como dicha unidad
es muy grande se utilizan submltiplos de la misma. El valor de la
capacidad depende del tamao y la forma del capacitor. El valor de
un capacitor se determina por la superficie de las placas y por la
distancia entre ellas, la que est determinada por el espesor del
dielctrico, dicho valor se expresa en trminos de capacidad. La
unidad de medida de dicha capacidad es el faradio (F). Los valores
de capacidad utilizados en la prctica son mucho ms chicos que la
unidad, por lo tanto, dichos valores estarn expresados en
microfaradios (1 mF = 1 x 10-6 F), nanofaradios (1nF=1x10-9F) o
picofaradios (1pF=1x10-12F)
Qu aplicaciones tiene un capacitor? Para aplicaciones de
descarga rpida, como un Flash, en donde el condensador se tiene que
descargar a gran velocidad para generar la luz necesaria (algo que
hace muy fcilmente cuando se le conecta en paralelo un medio de
baja resistencia) Como Filtro, Un condensador de gran valor (1,000
uF - 12,000 uF) se utiliza para eliminar el "rizado" que se genera
en el proceso de conversin de corriente alterna a corriente
continua. Para aislar etapas o reas de un circuito: Un condensador
se comporta (idealmente) como un corto circuito para la seal
alterna y como un circuito abierto para seales de corriente
continua, etc.BOBINALa bobina es un elemento muy interesante. A
diferencia del condensador, la bobina por su forma (espiras de
alambre arrollados) almacena energa en forma de campo magntico.
Todo cable por el que circula una corriente tiene a su alrededor un
campo magntico generado por la mencionada corriente, siendo el
sentido de flujo del campo magntico el que establece la ley de la
mano derecha. Al estar la bobina hecha de espiras de cable, el
campo magntico circula por el centro de la bobina y cierra su
camino por su parte exterior.Una caracterstica interesante de las
bobinas es que se oponen a los cambios bruscos de la corriente que
circula por ellas. Esto significa que a la hora de modificar la
corriente que circula por ellas (ejemplo: ser conectada y
desconectada a una fuente de poder), esta tratar de mantener su
condicin anterior.Las bobinas se miden en Henrios (H), pudiendo
encontrarse bobinas que se miden en miliHenrios (mH). Qu
aplicaciones tiene una bobina? Una de la aplicaciones ms comunes de
las bobinas y que forma parte de nuestra vida diaria es las bobinas
que se encuentran en los transformadores para reducir o elevar el
Voltaje. En los sistemas de iluminacin con tubos fluorescentes
existe un elemento adicional que acompaa al tubo y que comnmente se
llama reactor En las fuentes de alimentacin tambin se usan bobinas
para filtrar componentes de corriente alterno y solo obtener
corriente continua en la salida.Smbolo de la bobina
POTENCIALa potencia de un aparato electrnico es la energa
elctrica consumida en una unidad de tiempo (por lo general, un
segundo).Potencia = energa consumida/ tiempo P=E/tLa unidad de
potencia en el SI es el vatio (W). A menudo la potencia viene
expresada en kilowatios. 1kW= 1000 W.P = V*IDe esta ecuacin se
deduce que: Una diferencia de potencial ms elevada origina una
potencia mayor, porque cada electrn transporta mucha ms energa. Una
intensidad mayor incrementa la potencia, pues hay ms electrones que
gastan su energa cada segundo.CONSUMO DE ENERGA ELCTRICALa energa
elctrica consumida se calcula a partir de la expresin de la
potencia multiplicada por el tiempo-Energa consumida = potencia *
tiempo E=P*tLa energa viene dada en Julios (1 Julio = 1 vatio * 1
segundo). No obstante, esta no es la unidad de energa elctrica que
aparece en algunos sitios, sino el kilovatio por hora. 1Kw *h =
3600000 J.
PARTE II: EL CIRCUITO ELCTRICO
MLTIPLOS Y SUBMLTIPLOS
RESUMEN DE LAS UNIDADES UTILIZADAS EN ELECTRICIDAD
Unidad de frecuenciaUn hertz (Hz) es la frecuencia de un fenmeno
peridico cuyo periodo es 1 segundo.Unidad de fuerza Un newton (N)
es la fuerza que, aplicada a un cuerpo que tiene una masa de 1
kilogramo, le comunica una aceleracin de 1 metro por segundo
cuadrado.Unidad de presinUn pascal (Pa) es la presin uniforme que,
actuando sobre una superficie plana de 1 metro cuadrado, ejerce
perpendicularmente a esta superficie una fuerza total de 1
newton.
Unidad de energa, trabajo, cantidad de calorUn joule (J) es el
trabajo producido por una fuerza de 1 newton, cuyo punto de
aplicacin se desplaza 1 metro en la direccin de la fuerza.Unidad de
potencia, flujo radianteUn watt (W) es la potencia que da lugar a
una produccin de energa igual a 1 joule por segundo.Unidad de
cantidad de electricidad, carga elctricaUn coulomb (C) es la
cantidad de electricidad transportada en 1 segundo por una
corriente de intensidad 1 ampere.Unidad de potencial elctrico,
fuerza electromotrizUn volt (V) es la diferencia de potencial
elctrico que existe entre dos puntos de un hilo conductor que
transporta una corriente de intensidad constante de 1 ampere cuando
la potencia disipada entre estos puntos es igual a 1 watt.Unidad de
resistencia elctricaUn ohm (W) es la resistencia elctrica que
existe entre dos puntos de un conductor cuando una diferencia de
potencial constante de 1 volt aplicada entre estos dos puntos
produce, en dicho conductor, una corriente de intensidad 1 ampere,
cuando no haya fuerza electromotriz en el conductor.Unidad de
capacidad elctricaUn farad (F) es la capacidad de un condensador
elctrico que entre sus armaduras aparece una diferencia de
potencial elctrico de 1 volt, cuando est cargado con una cantidad
de electricidad igual a 1 coulomb.Unidad de flujo magnticoUn weber
(Wb) es el flujo magntico que, al atravesar un circuito de una sola
espira produce en la misma una fuerza electromotriz de 1 volt si se
anula dicho flujo en un segundo por decaimiento uniforme.Unidad de
induccin magnticaUna tesla (T) es la induccin magntica uniforme
que, repartida normalmente sobre una superficie de 1 metro
cuadrado, produce a travs de esta superficie un flujo magntico
total de 1 weber.Unidad de inductanciaUn henry (H) es la
inductancia elctrica de un circuito cerrado en el que se produce
una fuerza electromotriz de 1 volt, cuando la corriente elctrica
que recorre el circuito vara uniformemente a razn de un ampere por
segundo.
SMBOLOS ELCTRICOS.