TEMA 1 CONCEPTOS BÁSICOS DE ELECTRICIDAD CONSTITUCIÓN DE LA MATERIA Todos los cuerpos están formados por materia. La materia es una agrupación de moléculas.Las moléculas a su vez las podemos dividir en partes más pequeñas, a estas partes se les denomina átomos. Los átomos están formados por una parte central llamada núcleo, donde se encuentran los protones (+) que son partículas que poseen carga positiva, también se encuentran los neutrones (n) partículas que no tienen carga pero que determinan la masa del átomo; y una parte externa al núcleo y que lo rodea, que es la corteza, formada por unas capas u órbitas donde se encuentran los electrones (-) que poseen carga negativa y que giran alrededor del núcleo. Los átomos en estado natural son neutros, poseen el mismo número de protones que de electrones, y al ser sus cargas iguales pero de signo opuesto quedan compensadas. Los electrones giran alrededor del núcleo a gran velocidad dispuestos en las capas en un número determinado, según la fórmula 2n2 Donde “n” es el número de orden que ocupa la capa . Así por ejemplo: 1ª capa 2 x 12 = 2 electrones. 2ª capa 2 x 22 = 8 electrones. 3ª capa 2 x 32 = 18 electrones. No todos los electrones de un átomo se encuentran en las mismas condiciones, así los más próximos al núcleo son fuertemente atraídos por él, cargas de signo opuesto se atraen, sin embargo, los electrones de la capa más externa no sólo son menos atraídos por las partículas positivas del núcleo sino que son repelidos por el resto de los electrones de las capas inferiores; a estos electrones les llamaremos electrones libres. Los electrones libres si reciben suficiente cantidad de energía ya sea calorífica, luminosa, química …son capaces de abandonar su átomo y pasar a otro dando lugar a la formación de átomos con carga o iones, el átomo que capte dichos electrones tendrá un número de cargas negativas mayor que positivas, denominándose ion negativo o anión, y el átomo que ha perdido los electrones, y queda ahora con mayor número de cargas positivas, se denominará ion positivo o catión. ELECTRICIDAD Acabamos de ver cómo la energía calorífica, luminosa, química … es capaz de conseguir remover los electrones libres de un átomo a otro apareciendo una corriente de electrones en movimiento que es la corriente eléctrica. Tipos de corriente Principalmente deberemos destacar dos tipos de electricidad: - La estática se produce por frotamiento y como consecuencia de la captación o pérdida de uno o varios electrones, - La dinámica es el paso continuo de electrones. Antecedentes históricos La observación de fenómenos de electrización o electricidad estática nos obliga a remontarnos al año 600 antes de Cristo cuando Thales de Mileto realizó una serie de experiencias tales como frotar un trozo de ámbar, resina fosilizada, con lana adquiriendo así la propiedad de atraer a otros cuerpos ligeros como virutas de madera; esto se explica teniendo en cuenta el hecho de que a través del frotamiento la energía de rozamiento se transforma en calor que es capaz de remover algunos electrones de la lana que pasan al ámbar, quedando éste último cargado negativamente debido al exceso de electrones que ha recibido por parte de la lana . Estas experiencias y otras similares han sido no sólo el origen de los estudios sobre electricidad sino que también han servido para darle nombre, electricidad viene de la palabra griega elektrón que significa ámbar. TIPOS DE ENLACE Los electrones libres los emplean los átomos para realizar las uniones entre ellos o con átomos de otros elementos. Según la forma en que participen estos electrones libres en la creación del enlace entre átomos gozarán de mayor o menor grado de movilidad . La unión de los átomos se puede realizar de tres formas: - Enlace metálico. - Enlace iónico. - Enlace covalente. Enlace metálico Se produce por la proximidad de sus últimas capas, donde están situados los electrones libres. Los átomos ceden total o parcialmente sus electrones libres convirtiéndose en iones positivos. Estos iones se sitúan en los puntos notables de una red cúbica cristalina. El conjunto de los electrones cedidos por los átomos forma una especie de nube electrónica que envuelve a los iones, estos electrones, comunes a todos los átomos, gozan de una gran libertad de movimiento, lo que explica que los metales sean buenos conductores del calor y de la electricidad. La estabilidad del conjunto se logra por la atracción que se da entre los iones positivos del cristal y los electrones negativos de la nube electrónica. Enlace iónico Se produce entre átomos de distinta naturaleza, de tal manera que uno de ellos pierde electrones, ion positivo, y otro los capta, ion negativo. Entre ambos iones existe una atracción electrostática o fuerza que los mantiene unidos, debido a que sus cargas son de distinto signo. Son materiales malos conductores de la electricidad salvo si están disueltos o fundidos. Enlace covalente Se produce por la compartición de los electrones libres, de modo que giran dentro de los orbitales comunes a todos los átomos vecinos. Debido a esto, no conducen la corriente eléctrica, puesto que por la compartición tienden a completar su última capa de electrones. Las estructuras de Lewis son representaciones esquemáticas de la forma en que los elementos comparten parejas de electrones; en el caso del nitrógeno de los cinco electrones que posee cada átomo de nitrógeno comparte tres teniendo así cada átomo sus cinco electrones más los tres que comparte y adquiriendo así la estructura de máxima estabilidad con ocho electrones, de esta forma no queda ningún electrón libre y la creación de corriente eléctrica, movimiento de electrones , no es posible . MATERIAS CONDUCTORAS Y AISLANTES Si la corriente eléctrica es el paso de electrones a través de un cuerpo, deberemos tener en cuenta las siguientes consideraciones para determinar la facilidad o dificultad que encontrarán los mismos para pasar de un átomo a otro. Aislantes Los electrones que estén alojados en posiciones muy firmes no podrán desplazarse y por tanto no se podrá crear la corriente de electrones que hemos definido como electricidad y el cuerpo diremos que es un aislante. Conductores Electrones con gran libertad de movimiento posibilitarán el paso de corriente y diremos que el cuerpo es un conductor. CARACTERÍSTICAS DE LOS CONDUCTORES Los mejores materiales conductores son los metales, cuya principal característica eléctrica es que poseen pocos electrones libres en su última capa, así que son capaces de cederlos con facilidad; forman un enlace metálico, cuyas características acabamos de exponer anteriormente. Propiedades físicas Densidad: Cantidad de masa por unidad de volumen. Deben tener una densidad alta, cuanta mayor densidad tengan, mejores conductores serán. Punto de fusión: Temperatura a la cual funde, pasa a estado líquido. Deben tener un alto punto de fusión, exceptuando los fusibles que lo deben tener muy bajo. Dilatación: Es el aumento de volumen de las dimensiones por efecto de la temperatura. - En determinados casos el coeficiente de dilatación debe ser bajo para que no ceda el material en exceso, como en el caso de las instalaciones de alta tensión entre torres. - También hay que tener en cuenta que si el material no puede dilatarse libremente se puede partir. - En determinados casos, como los termocontactos, se aprovecha precisamente el exceso de dilatación del material. Propiedades químicas Envejecimiento: Generalmente se debe a las condiciones atmosféricas. Oxidación y corrosión: Recombinación con el oxígeno potenciado por el calor, humedad y salitre. Aumentan la resistencia al paso de la corriente, al movimiento de los electrones, produciéndose malos contactos y caídas de tensión. Propiedades mecánicas Tracción: Es el alargamiento y, como consecuencia, reducción de la sección. Esto puede llevar a su rotura. Tenacidad: Capacidad de soportar esfuerzos sin romperse. Dureza: Aguante del material a ser rayado. Ductilidad: Facilidad a la deformación hasta quedar en forma de hilos. Resistencia: Determina la fragilidad ante un esfuerzo brusco. Todas estas propiedades siempre estarán en función del tipo de instalación y en función de ello se elegirá el conductor a emplear. Propiedades eléctricas Resistividad: Resistencia que ofrece el material al paso de la corriente. Cuanto menor sea su coeficiente de resistividad, mejor dejará circular los electrones. Curiosamente, el elemento de más baja resistividad es la Plata (Ag), pero su adquisición tiene un coste muy elevado para tal fin. - Como elementos conductores y cables se emplean básicamente el cobre y el aluminio, pues tienen una resistividad y coste adecuados. - Para contactos de interruptores y relés se emplean aleaciones de metales, generalmente con base de aluminio. - Para fusibles, que también deben ser elementos conductores de bajo punto de fusión, se emplean aleaciones de plata, plomo y estaño. CARACTERÍSTICAS DE LOS AISLANTES Los materiales aislantes son aquellos que no permiten en absoluto el paso de la corriente eléctrica. A continuación, vamos a enumerar las principales características que deben tener los aislantes de acuerdo con sus propiedades. Características físicas - Deben tener una densidad baja. - Deben disipar bien el calor. - Ser impermeables a la humedad. Características químicas - Deben ser resistentes al envejecimiento y a los agentes atmosféricos. - Deben soportar ataques de ácidos, bases y disolventes. - Deben ser resistentes a la oxidación. - Deben poseer propiedades ignífugas. Características eléctricas - Deben tener una resistividad elevada. - La tensión máxima que soporta sin perforarse, en función, lógicamente, del espesor, debe ser grande. - Su coeficiente de seguridad, determinado por la tensión de trabajo y la de perforación es grande. TIPOS DE AISLANTE Básicamente, podemos clasificar los aislantes en función de su estado físico, su naturaleza o sus características térmicas. Según su estado físico - Sólidos, como siliconas para cables de horno. - Líquidos, como aceite para los transformadores. - Gaseosos, para evitar arcos voltaicos. Por su naturaleza - Minerales, como porcelana para bases de enchufe. - Orgánicos, como papel para condensadores. - Sintéticos, como plásticos para cables. Por sus características térmicas Definen la temperatura máxima de utilización. CIRCUITO ELÉCTRICO El circuito eléctrico es el camino recorrido por los electrones en su desplazamiento. Un circuito eléctrico es similar a uno hidráulico Al abrir la llave de paso, el agua pasará del depósito superior al depósito inferior a través de la tubería (conducto de ida) moviendo las paletas de una rueda hidráulica (receptor). Esto se producirá porque entre ambos depósitos existe una diferencia de nivel, de altura. Pero si queremos que la circulación sea continua, que el receptor no se detenga, es necesario pasar el agua de nuevo al depósito superior a través de una tubería (conducto de retorno) que cierra el circuito, con una bomba hidráulica (el motor) que mantenga en continuo movimiento el agua. Elementos de un circuito eléctrico - Para que se produzca el movimiento de los electrones es necesario disponer de un elemento que genere fuerza, que sea capaz de ponerlos en movimiento, como puede ser un alternador, una pila o una batería. - Es necesario también un elemento consumidor que transforme esta energía eléctrica en otro tipo, en definitiva una resistencia, que puede ser un motor, lámpara, etc. - Un elemento que permita o el paso de corriente o lo interrumpa, permitiendo que el circuito esté abierto o cerrado, un interruptor ( no siempre es necesario). HIDRÁULICO ELÉCTRICO Bomba hidráulica Generador Cañerías Conductores Rueda hidráulica Receptor Agua Electrones Circuito abierto y cerrado Un circuito eléctrico puede presentarse en dos situaciones: - Abierto, no hay paso de electrones por estar interrumpido el circuito a través del interruptor. - Cerrado, hay paso de electrones ya que el circuito queda conectado, cerrado, a través del interruptor. MAGNITUDES FUNDAMENTALES EN UN CIRCUITO ELÉCTRICO Tensión eléctrica o diferencia de potencial (d. d. p) o voltaje ( V) Es la diferencia de nivel eléctrico que hay entre dos puntos cualesquiera de un circuito (recordemos el circuito hidráulico que también debía tener un desnivel de altura para que pasara el agua de un depósito a otro). Su unidad es el voltio ( v ) y el aparato con que se mide, el voltímetro, se conecta en paralelo al circuito. Fuerza electromotriz ( f. e. m.) Es la causa que mantiene en continuo movimiento a los electrones. Se produce en el seno del generador, pila o batería. Su unidad también es el voltio (V), por tanto también se mide con el voltímetro. Como habrás observado la tensión o voltaje o diferencia de potencial ( d .d. p. )y la fuerza electromotriz ( f. e. m.) comparten la misma unidad , el voltio; esto se debe a que básicamente son una misma magnitud, la diferencia estriba en el hecho de que tengamos en consideración o no las resistencias internas de los distintos componentes que intercalamos en un circuito. Carga eléctrica (q) Es la cantidad de electrones que circulan por un conductor. Su unidad es el culombio (C) por ser muy pequeño el electrón. 1 C = 6,24 · 1018 electrones Intensidad de corriente o corriente ( I ) Es la cantidad de electricidad que recorre un circuito eléctrico en la unidad de tiempo. Su unidad es el amperio (A), el aparato con que se mide es el amperímetro y su conexión en el circuito es en serie. Intensidad = Cargas / Tiempo I= Q/ t La unidad de tiempo que emplearemos será el segundo. Resistencia eléctrica ( R ) Es la mayor o menor dificultad que ofrece un conductor o componente de un circuito a ser recorrido por una corriente eléctrica. Su unidad es el ohmio (Ω). El aparato con que se mide es el ohmímetro y se conecta en paralelo con el elemento a medir pero en ausencia de corriente. Conductancia: En ocasiones en lugar de darnos la resistencia de un componente nos dan su conductancia. La conductancia es la mayor o menor facilidad que ofrece un conductor o componente de un circuito al paso de la corriente eléctrica. Es una magnitud inversa a la resistencia. Se representa por la letra G y su unidad es el Siemens. Conductancia = 1/ Resistencia G=1/R ó R=1/G RESISTENCIA DE UN CONDUCTOR La resistencia de un conductor es directamente proporcional a la resistividad y a la longitud, e inversamente proporcional a la sección. R = ρ · L/S Es decir, un conductor ofrecerá más dificultad al paso de la corriente eléctrica cuanto más largo y más estrecho sea. Además de estar en función del tipo de material con que esté fabricado. Si tenemos un cable o conductor en las manos, probablemente no seamos capaces de determinar a simple vista su sección, pero si disponemos de un calibre podremos medir su diámetro, y con ello, calcular la sección del conductor cilíndrico, empleando la siguiente fórmula: S = π · D2 /4 O si conocemos el radio, que es la mitad del diámetro podremos emplear: S = π · R2 La resistividad se representa por la letra griega (ρ). Para cada material existe un coeficiente determinado que aparece en tablas. En la tabla que se detalla a continuación se expresa en Ω mm2/m. sin embargo si consultas en otros libros fíjate bien en las unidades, no es extraño que aparezcan otras unidades como Ω.m, en cuyo caso para que la resistencia salga en ohmios(Ω) debemos poner la longitud en metros y la superficie en m2 , mientras que si tomas los valores de resistividad de esta tabla cuyos valores aparecen en (Ω.mm2/ m) deberemos trabajar con la longitud en metros y la sección en mm2. SUBSTANCIA RESISTIVIDAD A 20º C Aluminio (Al) 0,028 Cobre (Cu) 0,018 Hierro (Fe) 0,12 Plata (Ag) 0,016 Constantán 0,5 Niquelina 0,4 Magnanina 0,43 Nicrom 1 Conductividad : Al igual que ocurría con al conductancia que es la magnitud inversa de la resistencia, la conductividad es la inversa de la resistividad. La conductividad de un material es la facilidad con que éste conduce la corriente eléctrica y se representa por la letra γ. γ = 1/ρ ó ρ=1/γ RECUERDA: En caso de tener que pasar una longitud o superficie de unas unidades a otras conviene recordar lo siguiente: Escala de longitud: Mm–Km–Hm–Dm–m–dm-cm-mm Al tratarse de unidades lineales van de 10 en 10, esto significa que al pasar de una unidad a otra inferior multiplicaremos por 10 cada peldaño que bajemos en la escala o dividiremos entre 10 por cada peldaño que subamos. Superficie: Mm2-Km2-Hm2-Dm2-m2-dm2-cm2-mm2 Al ser unidades cuadradas van de 100 en 100, esto significa que al pasar de una unidad a otra inferior multiplicaremos por 100 cada peldaño que bajemos en la escala o dividiremos entre 100 por cada peldaño que subamos. Como puedes imaginar si escribiéramos la escala de unidades de volumen sería idéntica a las anteriores pero serían unidades cúbicas Mm3 … esto supone que las unidades van de 1000 en 1000. LEY DE OHM Ohm llevó a cabo las siguientes experiencias con un circuito básico como el que muestra la figura. - Al aplicar un voltaje (V) a un conductor de resistencia (R) es atravesado por una intensidad (I) Si conectamos una lámpara de faro de 12 V a una batería de 12 V, desprenderá una luminosidad que es el efecto que ha producido el paso de electrones (I) a través del filamento. - Manteniendo constante el voltaje, si aumentamos la resistencia proporcionalmente disminuirá la intensidad. Si ahora conectamos una lámpara de 24 V observaremos que se ilumina bastante menos, el filamento ofrece más resistencia al paso de la corriente, por lo tanto la intensidad que por él pasa es menor. - Si disminuimos la resistencia, la intensidad aumentará en la misma proporción. Si a la batería de 12 V le conectamos ahora una lámpara cuya tensión es de 6 V, la lámpara se fundirá debido al calentamiento excesivo que sufre el filamento por el aumento de intensidad que por él pasa. - Manteniendo fija la resistencia, si aumentamos la tensión, en la misma proporción aumentará la intensidad. Realizaremos ahora la experiencia manteniendo siempre fija la lámpara de 12 V. Si la conectamos a una batería de 24 V la lámpara se fundirá, puesto que se ha producido un aumento de paso de corriente que ha sobrecalentado el filamento. Si disminuimos la tensión también lo hará la intensidad Si dicha lámpara la conectamos a una batería de 6 V observaremos que se ilumina muy poco, debido a que la intensidad de corriente que por ella pasa es menor De esto se deduce que: "La intensidad de corriente que circula por un circuito es directamente proporcional a la d. d. p. a que está sometido, e inversamente proporcional a la resistencia del mismo". I= V/R ( Amperios = Voltios / Ohmios) La ley de Ohm relaciona las tres magnitudes básicas en electricidad de forma que nos permite, conocidos los valores de dos cualesquiera calcular el valor de la tercera. APLICACIÓN DE LA LEY DE OHM Vamos a considerar el estudio de un circuito elemental formado únicamente por una pila o generador que suministra una f.e.m determinada conectado a un conductor de resistencia conocida R: Si no tenemos en cuenta la resistencia interna de la pila la tensión ( V ) o diferencia de potencial medida en los bornes de la pila y la fuerza electromotriz ( f. e. m.) coinciden y podemos aplicar la ley de Ohm a la totalidad del circuito o a una parte de éste. V=I.R Si tenemos en cuenta la resistencia interna, que denotaremos por ( r ), la f. e. m será un poco superior al valor de la tensión medida en los bornes de la pila. Hemos de tener en cuenta que la corriente ahora no sólo debe vencer la resistencia que ofrece el propio cable a su paso sino también la resistencia que ofrece la propia pila. En este caso deberemos aplicar la misma ley de Ohm pero generalizada f. e.m = I R + I r = V + I r Es decir, la energía que suministra la pila se emplea parte en recorrer el circuito, venciendo las resistencias externas R, y parte en atravesar la propia pila de resistencia interna r. A efectos de cálculo las resistencias internas tienen la misma consideración que la externas, tan sólo difiere la notación Caída de tensión Muy relacionado con la Ley de Ohm está el concepto de caída de tensión. A menudo se considera como caída de tensión a la tensión perdida y que no llega al receptor, esto se debe a la resistencia que ofrecen los cables o conductores, y los malos contactos o conexiones. Dentro de la electrónica, como caída de tensión no solamente se considera la tensión perdida en la línea, sino que es cada una de las tensiones que llegan a cada componente. En un circuito donde hay diferentes componentes, con sus valores de resistencia, estarán sometidos a una tensión, y a esta tensión que a cada uno le llega se le llama caída de tensión en el componente. Siempre que un conductor o aparato eléctrico es atravesado por una corriente eléctrica se produce una caída de tensión, que es igual al producto de la intensidad que lo atraviesa por la resistencia del conductor. Vc = R · I Potencia perdida Al igual que en un circuito siempre existe una caída de tensión Vc, tendremos siempre también una caída o pérdida de potencia producida por el calentamiento del conductor o contactos que producen la pérdida de tensión. Pp = Vc · I La unidad de potencia es el vatio (w) y un múltiplo de la misma sería el kilovatio (Kw) pero no lo confundas con kilovatio hora ( Kwh) pues es unidad de trabajo o energía. EFECTO JOULE Debido a la resistencia al paso de la corriente eléctrica que ofrecen los conductores, hemos visto que se produce una caída de tensión (Vc) y como consecuencia una pérdida de potencia (Pp), que en definitiva es calor. Éste se produce por los rozamientos y el choque de los electrones con los núcleos, liberándose energía. Experiencias de Joule Joule realizó la experiencia que le llevó a enunciar esta ley partiendo de un circuito cuyo elemento receptor era un fino hilo de constatán, de tal manera que si aumentaba la tensión que llegaba a los extremos del hilo, éste sufría un calentamiento de forma proporcional. Se entiende por efecto Joule el calentamiento experimentado por un conductor cuando es atravesado por una corriente eléctrica. La Ley de Joule “La energía eléctrica disipada en calor en un receptor es proporcional a la resistencia de ese receptor al cuadrado de la corriente que lo atraviesa, y al tiempo que está pasando dicha corriente”. E = I 2 . R · t ( Julios) Esta expresión que nos permite calcular el calentamiento experimentado en un circuito al ser atravesado por la corriente es la misma que la que empleamos para determinar la energía consumida o el trabajo realizado por el circuito, no en vano desde un punto de vista físico trabajo, calor y energía puede decirse que son una misma magnitud. En todos los casos tanto al calcular el trabajo como el calor o la energía obtendremos un valor en Julios, sin embargo lo usual es convertir esas unidades según el siguiente criterio: - Si deseamos trabajo se mantendrá el resultado en Julios. - Si deseamos conocer energía se transformará el resultado pasando los Julios a Kwh aplicando la relación: 1kwh = 3.600.000 Julios - Si deseamos calor producido se transformará el resultado pasando los Julios obtenidos a calorías: 1Julio = 0,24 calorías Aplicaciones La transformación de energía eléctrica en calorífica puede manifestarse de dos formas: - Voluntaria: estufas, planchas, resistencias para calefacción. - Involuntaria: calentamiento de conductores, motores, bobina de encendido, contactos, etc. Cuando es involuntaria las consecuencias pueden ser nefastas, puede llevar a la destrucción de los aparatos o al incendio de los conductores de la instalación. Para que esto no ocurra es necesario utilizar elementos de protección. Fusibles Partiendo del Efecto Joule, cuando los dos puntos sometidos a tensión (d.d.p) tienen una resistencia nula, la intensidad que por ellos pasa es máxima. Como consecuencia, el desprendimiento de calor es muy grande y llega a fundir el conductor. Esto se aprovecha para la protección de circuitos y para la inserción de fusibles. Si existe una sobreintensidad no afectará a ningún componente del circuito, puesto que el primer elemento que la sufre es el fusible y, al partirse, no deja pasar la corriente a los demás componentes. El fusible deberá ir intercalado entre la fuente de alimentación eléctrica y el elemento consumidor. En circuitos eléctricos y electrónicos el hilo fusible va introducido en un encapsulado de vidrio. Tipos de fusible La rapidez de ruptura es muy importante para la protección de circuitos, pero sobre todo para la de aparatos de medida. El tiempo de fusión siempre estará en función de la intensidad que por él pasa. Así pues, podemos clasificar los fusibles como: - Rápidos, cuando la intensidad que circula por ellos es 10 veces superior a su valor nominal se funden en 2 centésimas de segundo. - Semilentos, cuando la intensidad es 10 veces mayor, tardan 7 centésimas en fundir. - Lentos, tardan 3 décimas de segundo cuando la intensidad supera en 10 veces a la nominal. Otro dato importante de los fusibles es su tensión nominal. Ésta es la tensión máxima que soportan sin que se produzca arco voltaico entre sus extremos. A mayor longitud del hilo fusible, mayor será su tensión nominal.