GUÍA 2: PARÁMETROS ELÉCTRICOS En el interior de los metales

Colegio Juan Piamarta
3º Electrónica
Control Eléctrico
Rogelio Ortega B
GUÍA 2: PARÁMETROS ELÉCTRICOS
En el interior de los metales, que son los materiales mejores conductores de la electricidad, los
electrones principalmente de las capas de valencia, las externas, están saltando continuamente y
pasando a ser electrones libres. Saltan y caen de unos átomos a otros, continua y
desordenadamente. La energía necesaria para que los electrones salten, es la energía térmica.
Suficiente con la temperatura del ambiente, aunque si la temperatura aumenta, es mayor el
número de electrones que saltan.
Tenemos dentro del metal, una nube de electrones que saltan descontroladamente de unos átomos
a otros, un caos de electrones saltarines.
Para poner orden, ponemos una gran carga positiva en un extremo del conductor, y una gran
carga negativa en el extremo del otro. Conseguimos de esta manera que los electrones salten
hacia el extremo positivo (cargas diferentes), huyendo del negativo (cargas iguales). El mismo
número de electrones que llegan al positivo, salen del negativo, no hay pérdida de ningún
electrón, y el proceso continúa.
Hemos conseguido ordenar ese movimiento de electrones saltarines, tenemos el paso de
electricidad por un conductor, por lo tanto:
Electricidad = Movimiento ordenado de electrones en un sentido por el interior de un conductor.
No es suficiente crear esa diferencia de cargas en los extremos para conseguir el paso de la
electricidad, necesitamos también que el medio sea buen conductor, como los metales. Hay por lo
tanto, buenos y malos conductores de la electricidad.
Cuando una corriente circula por un determinado circuito origina una serie de fenómenos,
llamados parámetros eléctricos, todos ellos medibles y/o calculables, que son:
1.
2.
3.
4.
Resistencia eléctrica y resistividad
Intensidad de corriente
Tensión eléctrica
Potencia eléctrica
5. Energía eléctrica
1. RESISTENCIA ELÉCTRICA
El agua que pasa por una tubería, o por el cauce de un río, se ve frenada en parte por el
rozamiento con las plantas, piedras etc., al igual los electrones que circulan por un hilo conductor,
se verán frenados por los choques contra otros, y contra los iones de la red del metal.
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Podemos definir la resistencia como:
Resistencia = Oposición que presenta un material a que los electrones pasen a través de él.
La resistencia se representa con la letra R, y su unidad de medida es el Ohm, que se representan
con la letra griega omega (Ω).
Puesto que dicha unidad de medida a veces se queda pequeña, en ocasiones será necesario utilizar
múltiplos del Ohm tal y como se muestra en la tabla siguiente:
MÚLTIPLO
Kiloohm
Megaohm
MÚLTIPLOS DE OHM
SÍMBOLO
kΩ
MΩ
VALOR EN Ω
1.000Ω = 103 Ω
1.000.000Ω = 106 Ω
La resistencia que presenta un conductor depende de:
-
La longitud del conductor, cuanto más largo sea, más resistencia tendrá. Cuanto más larga sea
una carretera, más le cuesta a un automóvil recorrerla.
La sección del conductor, es decir de lo grueso que sea, cuanto más grueso sea menor será la
resistencia. Cuanto más ancha sea una carretera, más automóviles pasan a la vez por ella.
El tipo de material, no es lo mismo un material metálico (menor resistencia), que un plástico
(mayor resistencia). Cuanto más lisa y menos baches tiene una carretera, más rápido se puede
recorrer. Cada tipo de material, tiene una resistencia específica o resistividad, que dependerá
de su estructura interna.
Tendremos pues que la resistencia que presenta un conductor será:
R = Resistencia en ohm (Ω).
ρ = Resistividad en ohm por metro (Ω m).
L = Longitud en metros (m).
A = Sección en metros cuadrados (m2).
La fórmula de la sección circular es
La resistividad ρ, depende de cada material, algunos valores pueden ser:
Aluminio 2,6 10-8 (Ω m)
Cobre 1,7 10-8 (Ω m)
Hierro 10 10-8 (Ω m)
Plata 1,5 10-8 (Ω m)
Plomo 22 10-8 (Ω m)
Zinc 5,6 10-8 (Ω m)
Bronce 9,1 10-8 (Ω m)
Carbón 5000 10-8 (Ω m)
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Cuanto menor sea el valor de la resistividad, mejor conductor será, así, en vista de la tabla, los
cables, en los que nos interesa que tengan la menor resistencia posible, tendrían que ser de plata,
que es el material que menor resistividad tiene, sin embargo por su elevado valor, se hacen de
cobre que es muchísimo mas barato, y tiene también una baja resistividad.
Ejemplo:
¿Cuál será la resistencia de un hilo conductor de cobre, de 600m de longitud, y 2mm de
diámetro?
Nos faltará saber la sección, como la sección del hilo es circular, y teniendo en cuenta que los
mm del diámetro los tengo que pasar a m:
Con lo que la resistencia, mirando en la tabla el valor de la resistividad del cobre:
Clasificación de los materiales según su resistividad:
Según el valor de la resistividad, y por tanto su comportamiento con respecto a la electricidad, los
materiales se pueden clasificar en tres grupos:
-
-
-
Materiales conductores: Tienen una resistividad de hasta 2 10-6 Ω m. En este grupo están los
metales. Estos materiales se utilizan, los de menor resistividad para hacer hilos y cables
conductores, así como elementos eléctricos (transformadores, motores, generadores, etc.). Se
utiliza mucho el cobre y el aluminio. También son buenos conductores del calor.
Materiales semiconductores: Tienen una resistividad entre 1 y 10000 Ω m. En este grupo, se
encuentran principalmente el germanio y el silicio. Estos materiales son de gran importancia,
sobretodo el silicio, ya que es la base para la fabricación de los componentes electrónicos. Se
ha llegado a decir que la época actual se podría denominar la edad del silicio, al igual que en
la prehistoria se hablaba de la edad de piedra, de hierro etc.
Materiales aislantes: También denominados dieléctricos, tienen una resistividad mayor que
1015 Ω m. Aunque pueda parecer que estos materiales no son interesantes desde el punto de
vista eléctrico ya que no permiten el paso de la electricidad, nada más alejado de la realidad.
Los aislantes son tan necesarios como los conductores, ya que evitan la unión, el contacto no
deseado entre conductores. Se utilizan pues como recubrimiento de cables, y en estructuras de
dispositivos eléctricos. Los más utilizados son los plásticos. Ningún material es un aislante
perfecto. El aire, que se suele considerar un aislante perfecto, deja de serlo en determinadas
condiciones, como por ejemplo en una tormenta en la que se producen relámpagos y rayos.
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2. INTENSIDAD DE CORRIENTE ELÉCTRICA
La electricidad, como sabemos es el movimiento en un sentido de electrones, pero no será lo
mismo unos pocos electrones que muchos, por lo que medimos la cantidad de electrones con un
parámetro que se llama cantidad de carga, y que se define como:
Cantidad de electricidad = Número de electrones expresado en coulomb (C), que pasan por un
conductor.
Se expresa con la letra Q, y la unidad es el Coulomb (6,25 1018 electrones) ya que expresándolo
en número de electrones sería un número muy elevado.
Este parámetro Q tiene inconvenientes, pues solo nos indica número de electrones. Por ejemplo
una afirmación como, por una autopista han pasado 500.000 automóviles por un punto
determinado, no nos dice mucho, pues ese número de automóviles pueden haber pasado en un día
(entonces serán mucho), o pueden haber pasado en un año (entonces serán pocos). Otro ejemplo
sería la gota de agua que cae de nuestro grifo si no lo cerramos bien, es una simple gotita, pero si
nos vamos de vacaciones todo el verano, la cantidad total de agua desaprovechada será grande.
Necesitamos pues relacionar esos electrones que pasan con el tiempo que tardan en pasar, aparece
un nuevo parámetro más importante, fundamental, la intensidad de la corriente eléctrica:
Intensidad de corriente = Número de electrones expresado en coulomb, que pasan por un
conductor en un determinado tiempo.
La intensidad se representa por la letra I, y su unidad es el Ampere, que se representa con una A.
De esta forma tendremos:
El amperio es una unidad grande, por lo que se utiliza normalmente los submúltiplos mili (m),
micro (µ), nano (n) y pico (p), cuyas equivalencias son:
1 mA = 0,001A = 10-3 A
1 µA = 0,000001A = 10-6 A
1 nA = 0,000000001A = 10-9 A
1 pA = 0,000000000001A = 10-12 A
Es conveniente utilizar notación científica, ya que de lo contrario igual tendremos que poner
demasiados ceros. Por ejemplo, por un conductor circulan 0,4 pA, ¿Cuántos amperes son? La
respuesta sería 0,0000000004A, pero es más elegante dar una respuesta como 4 10-10 A.
En el asfalto, en algunas calles o carreteras habrás visto unas flechas pintadas en el suelo, estas
flechas indican el sentido por donde van los automóviles. Para indicar el sentido de la electricidad
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o corriente eléctrica, se pone en la representación gráfica, una flecha. Como los electrones van
del negativo al positivo, la flecha debería ir del polo negativo al positivo, pero
convencionalmente, se ha adoptado el sentido contrario, que se utiliza en todos los textos, es
decir la corriente eléctrica se representa por una flecha que va del positivo al negativo.
Intensidad eléctrica (Convencional)
Intensidad electrónica (Real)
3. TENSIÓN ELÉCTRICA O VOLTAJE
Como ya sabemos, para que los electrones se muevan de un extremo al otro de un conductor y
tengamos electricidad, la carga eléctrica en un extremo tiene que ser mayor que la carga en el
otro, decimos que hay una diferencia de potencial eléctrico entre ambos extremos.
Un ejemplo parecido sería el agua de un río, si no hay una diferencia de potencial (altura) entre el
nacimiento en las montañas, y la desembocadura en el mar, el agua no se movería. Esa diferencia
de potencial respecto al campo gravitatorio terrestre que mueve al agua, sería equivalente a la
diferencia de potencial respecto al campo eléctrico, que mueve a los electrones.
Tensión eléctrica = Diferencia de potencial eléctrico existente entre dos puntos de un
determinado circuito. También se le conoce con el nombre de voltaje.
La unidad de la tensión eléctrica o voltaje es el Volt (V).
En la tabla siguiente se muestran tanto los múltiplos como los divisores de volt, todos ellos
empleados para medir dicha magnitud:
MÚLTIPLO
Kilovolt
Megavolt
MÚLTIPLO
Milivolt
Microvolt
MÚLTIPLOS DE VOLT
SÍMBOLO
VALOR EN V
kV
1.000 V = 103 V
MV
1.000.000 V = 106 V
SUBMÚLTIPLOS DE VOLT
SÍMBOLO
VALOR EN V
mV
0,001 V = 10-3 V
µV
0,000.001 V = 10-6 V
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4. POTENCIA ELÉCTRICA
Se define potencia (P) como energía o trabajo consumido o producido en un determinado tiempo.
La potencia eléctrica será, por tanto, el trabajo eléctrico producido como consecuencia de la
circulación de la corriente eléctrica a lo largo de un circuito por cada unidad de tiempo.
En los circuitos eléctricos, la potencia se calcula como:
Donde:
P = Potencia en watt (W)
V = Voltaje en volt (V)
I = Intensidad en ampere (A)
Los múltiplos y divisores más utilizados son los que se indican en la tabla:
MÚLTIPLOS DE WATT
MÚLTIPLO
SÍMBOLO
Kilowatt
kW
Megawatt
MW
SUBMÚLTIPLOS DE VOLT
MÚLTIPLO
SÍMBOLO
Miliwatt
mW
Microwatt
µW
VALOR EN W
1.000 W = 103 W
1.000.000 W = 106 W
VALOR EN W
0,001 W = 10-3 W
0,000.001 W = 10-6 W
En ocasiones nos interesará utilizar una de las siguientes expresiones, que resultan de sustituir en
la expresión general la V o la I según la ley de Ohm:
Aunque la unidad de la potencia en el sistema internacional es el watt, es muy frecuente (solo hay
que recordar algún anuncio de automóviles), utilizar otra unidad, el caballo de fuerza (HP), que
tiene una equivalencia con los watt:
Ejemplos de aplicación:
¿Cuál es la potencia de una resistencia por la que circulan 2A, siendo el voltaje entre sus
extremos de 10V?
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¿Cuál es la potencia de una resistencia de 5Ω, por la que circulan 8A?
¿Cuál es la potencia de una resistencia de 2Ω, que se conecta a un generador de 40V?
5. ENERGÍA ELÉCTRICA
La energía es una capacidad que poseen algunos cuerpos para producir trabajo, entendiendo este
último como el movimiento de un cuerpo al aplicarle una fuerza.
Pero el trabajo realizado se puede hacer en más o menos tiempo, por lo que utilizamos el
concepto de potencia.
Ante la pregunta ¿Qué maquina tiene más potencia, un viejo modelo de automóvil de los años 60,
o un formula uno último modelo?, la respuesta es unánime, el formula uno. Sin embargo, en
ambos automóviles me puedo transportar desde Valencia a Madrid. ¿Cuál es la diferencia?, el
tiempo que emplearía en realizar el mismo trabajo.
La energía eléctrica (E) es el producto de la potencia eléctrica por el tiempo:
Donde:
E = Energía en Joule (J)
P = Potencia en Watt (W)
t = tiempo en segundos (s)
Puesto que el Joule es una unidad muy pequeña, habitualmente se utiliza el kilowatt-hora (kW-h),
siendo la relación entre ambos:
1 kW-h = 3.600.000 J
Para obtener el resultado directamente en kW-h, podemos aplicar los valores de Potencia en kW
y el tiempo en horas.
En la tabla se indica la relación entre estas dos últimas unidades y el Joule.
UNIDAD
Kilowatt-hora
Caloría
OTRAS UNIDADES DE ENERGÍA
SÍMBOLO
VALOR EN J
kW-h
3.600.000 J
cal
4,186 J
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