Curso de Electricidad Básica Tco. Univ. Darío R. Roldán Capacitación en Empresas Curso de Electricidad Básica Tema 1 Principios Elementales Naturaleza de la Electricidad. La materia está formada por unidades minúsculas llamadas átomos que, a su vez, están constituidos por partículas más pequeñas: los neutrones y protones en el núcleo y los electrones en la corteza, girando alrededor de los anteriores. Los protones tienen carga positiva y los electrones negativa. Naturaleza de la Electricidad. Cada material está formado por un tipo de átomo que se diferencia de otros en el número de partículas subatómicas que tiene. Normalmente los átomos suelen tener el mismo número de electrones que de protones, que su carga es neutra Algunos átomos tienen enporsuloúltima órbitatotal pocos ya que se contrarrestan las cargas distintas electrones libres con lo quedelalas fuerza departículas. atracción Así, (H)algo está menor. formado por un electrón, un protón y conelelHidrógeno núcleo es un neutrón, el Hélio (He) por dos, el Cu por 29 electrones, 29 protones y 29 neutrones. Átomo de cobre Naturaleza de la Electricidad. Los electrones libres forman una nube que al ser estimulados con una diferencia de potencial entre los extremos del material se desplazan de un átomo a otro cubriendo los “huecos” que dejó otro electrón y a su vez liberando un hueco en ese átomo para ser cubierto por otro electrón que lo sucede. Conductores, semiconductores y aislantes. Según la capacidad que presenten para permitir el paso de los electrones a través suyo se distinguen los siguientes materiales: Aislantes: Ofrecen una gran resistencia al paso de los electrones. Son el vidrio, la madera, la mayor parte de los plásticos, la goma, etc. Se utilizan para separar cuerpos a distinto potencial y para evitar riesgos eléctricos. Conductores: Presentan poca resistencia al movimiento de electrones en su interior. Son los metales, principalmente el cobre (Cu) y el aluminio (Al) y las disoluciones electrolíticas. Se utilizan para transportar energía eléctrica. Semiconductores: Son aislantes bajo determinadas condiciones y conductores en otras. Forman parte de la inmensa mayoría de los componentes electrónicos actuales y son principalmente el silicio (Si) y el germanio (Ge). Intensidad. Sentido circulación La cantidad de electrones que circuladepor unidad dereal tiempo se llama intensidad de la eléctrica y se mide en(Q) amperios o amperes [A]. o defecto de electrones Secorriente conoce como carga eléctrica de un cuerpo al exceso Lapresenta corrientey tiene o flujo de electrones en un elemento conductor tiene un que distinto signo según se trate de defecto de electrones (+)sentido o de de movimiento que, lógicamente, será desde el material cargado negativamente exceso (-). hacia el cargado positivamente, ese sentido del movimiento es el sentido real de Cuando se unenSin dos embargo, cuerpos con distinta travéssedecreía un elemento conductor, se la corriente. hasta hacecarga unosa años que la corriente produce un movimiento de electrones desde carga negativa hacia el de a la circulaba desde el signo (+) al signo (-)ely que paratiene mantener la homogeneidad carga Ese movimiento es de lo que conocemos como corriente o flujo horapositiva. de representar el sentido la corriente, este es el criterioeléctrica que se usa habitualmente, llamado sentido de la corriente. ordenado de electrones en el interiorconvencional de un conductor para lograr el equilibrio Sentido de circulación convencional electrónico entre dos puntos a distinta carga o potencial. Potencial eléctrico. Diferencia de potencial. El potencial eléctrico es el "nivel de energía eléctrica" al que se encuentra un cuerpo. La diferencia de potencial o tensión es la diferencia existente entre el potencial de un punto respecto a otro (que se toma como referencia). La diferencia de potencial entre dos puntos distintos de un circuito o instalación eléctrica puede ser provocada por un dispositivo que entregue energía, en cuyo caso la tensión recibe el nombre de fuerza electromotriz (fem)o como consecuencia de la pérdida de energía en un elemento por el que circula corriente, entonces hablamos de caída de potencial o de tensión (cdt). La diferencia de potencial, tanto si es fem como si es cdt, se mide en voltios [V]. Fuerza electromotriz. Para lograr que un cuerpo se ponga a potencial es necesario provocar en él un exceso o defecto de cargas. La energía necesaria para conseguirlo se llama fuerza electromotriz, y los dispositivos que la generan fuentes de tensión o de alimentación, como son las baterías y los generadores. Por tanto, Fuerza electromotriz es lo que produce el movimiento de cargas en el interior de una fuente de tensión. Para que circule una corriente entre dos puntos es necesario que ambos se encuentren a distinto potencial. Aún así puede existir una diferencia de potencial entre dos puntos pero esta condición no es única para que circule corriente. Resistencia y conductancia. La resistencia es la oposición que presentan los cuerpos al paso de la corriente eléctrica. Se mide en ohmios [Ω]. A la derecha se representan los símbolos normalizados de La oposición que los cuerposensegeneral, debe a que una resistencia. Elpresentan inferior representa, una los electrones al moverse en el interior de los átomos rozan produciendo choques que desprenden energía en forma de impedancia. calor.aparato Cuanto omayor es el número choques,una mayor es la resistencia que presenta el Todo conductor eléctricodepresenta material. resistencia. La resistencia depende de tres factores: La sección del elemento conductor (a mayor sección menor resistencia) La conductancia G es la inversa de la resistencia, es decir, la facilidad que ofrecen los La longitud del mismo (a mayoreléctrica. longitud,Su mayor resistencia) cuerpos al paso de la corriente unidad es el siemen [S]. El material del conductor, sabemos que hay materiales que dejan pasar muy bien la corriente y otros que no. La característica define la mayor o menor oposición del G = 1que /R material al paso de la corriente es la resistividad r, que se mide en [Ω·mm2/m]. Curso de Electricidad Industrial Circuitos y sus componentes Circuitos eléctricos. Se puede hacer la siguiente clasificación de las partes que constituyen un circuito: Elementos que aportan Un circuitoactivos: eléctricoson es aquellos un conjunto de energía al circuito, es decir los generadores elementos unidos entre si formando un camino eléctricos. cerrado por el que puede circular corriente Elementos pasivos: aquellos que consumen la eléctrica. energía aportada por los elementos activos y la transforman en otro tipo de energía. El circuito básico está constituido por: Un exista generador o fuente, que proporciona la diferencia de de potencial. Puede ser una Para que corriente eléctrica se deben cumplir una serie condiciones: batería para tensiónpara continua o un alternador alterna.un Debe existir unobtener caminouna cerrado el paso de la corriente,para eseobtener camino una constituye Un receptor o carga queelesinterruptor todo aparato consume energía eléctrica. Pory ejemplo, circuito eléctrico. Cuando estáque abierto se interrumpe el circuito el paso de la una bombilla, un horno, un televisor, una lavadora, o cualquier otro aparato que se corriente. con electricidad. El alimente circuito debe estar constituido por elementos conductores (que permitan el paso de Un conductor que oune eléctricamente corriente, con mayor menor facilidad) los distintos elementos del circuito. Suele ser de cobre o de Encable el circuito tiene quealuminio. haber al menos una fuente de tensión que produzca la diferencia interruptor como elemento decorriente. control para permitir o cortar el paso a la corriente. de Un potencial que provoca el paso de Ley de Ohm. Establece la relación existente entre tensión, intensidad y resistencia, permitiendo determinar cualquiera de los tres parámetros conocidos los otros dos. Según esta ley, “la intensidad de corriente que circula a través de una resistencia es directamente proporcional a la diferencia de potencial aplicada entre sus extremos e inversamente proporcional al valor de la resistencia". Esta ley se expresa matemáticamente como: I=E/R donde I es la intensidad, E es la diferencia de potencial y R es la resistencia. También puede expresarse de otras dos maneras: E=IxR ó R=E/I Ley de Ohm. Ejemplo. Tenemos un ejemplo de circuito elemental: ¿circulará una intensidad a través de él? ¿Qué tenemos que hacer para que lo haga? ¿Cuánto va a valer esa intensidad? Para el ejemplo no consideramos la resistencia de los conductores ni de el interruptor por su muy bajo valor con respecto al resto de los componentes, Aplicamos la ley de Ohm : I=E/R I = 12 V / 10 Ω I = 1,2 A Medición de parámetros eléctricos. Intensidad. El aparato empleado para medir intensidades es el amperímetro. Su símbolo es una A rodeada por una circunferencia. Siempre que se mida una intensidad es necesario abrir el circuito por el punto donde se quiere medir e intercalar el amperímetro, de forma que la intensidad lo atraviese. En los amperímetros analógicos las puntas de prueba tienen polaridad por lo que hay que conectar la punta + en el punto de mayor potencial y la - en el de menor potencial. Medición de parámetros eléctricos. Tensión. El aparato empleado para medir tensiones es el voltímetro. Su símbolo es una V rodeada por una circunferencia. Para medir la diferencia de tensión entre dos puntos del circuito hay que conectar las puntas de prueba en esos dos puntos, teniendo en cuenta su polaridad como en el caso del amperímetro. Lo que se mide siempre son diferencias de potencial, por lo que hay que conectar las dos puntas del aparato, tomándose la tensión en una de ellas como la tensión de referencia de la otra. Normalmente se toma como referencia la tensión de la punta negativa. Medición de parámetros eléctricos. Resistencia. El aparato empleado para medir resistencias es el óhmetro. Su símbolo es un letra griega Ω rodeada por una circunferencia. El proceso de medición es semejante al caso anterior, debiendo conectar las puntas de prueba a los extremos de la resistencia a medir y variando de escala hasta que la aguja esté a mitad de escala. La aguja del óhmetro se desplaza de derecha a izquierda, siendo esta el fondo de escala. En cada escala hay que calibrar el aparato, para ello se cortocircuitan las puntas y se gira el potenciómetro hasta que la aguja indique 0Ω. ¡¡SIEMPRE SE DEBE MEDIR SIN TENSION!! Medición de parámetros eléctricos. Multímetro o tester. El proceso de medición es semejante al caso anterior, debiendo conectar Para facilitar el trabajo sobre todo en las mediciones que se hacen en las puntas de prueba a los puntos a medir y variando de escala desde el se utilizan aparatos el deapreciable. la figura llamados la lugar mayordea trabajo la menor hasta que se midacomo un valor En el caso multímetros o testers. En su mayoría hoy son digitaleslas y tienen de la medición de tensión y de resistencia se colocan puntaslaa las salidas indicadas conlos “COM” (punta negra) y “VΩ”eléctricos (punta roja). posibilidad de medir tres principales parámetros (I, E de medir resistencia se coloca lay punta roja en (capacidad, las salidas “A” yEn R)elycaso además otros parámetros eléctricos no eléctricos o “mA” según corresponda ¡¡SIEMPRE SE DEBEN MEDIR LAS frecuencia, ganancia de transistores y temperatura). RESISTENCIAS SIN TENSION!! Medición de parámetros eléctricos. Múltiplos y submúltiplos Para facilitar la operación y el manejo de valores muy grandes o muy pequeños se utilizan símbolos y prefijos que equivalen a multiplicar dichos valores por un factor predeterminado. Este recurso está establecido por el Sistema Internacional de Unidades. Asociación de resistencias. Resistencia equivalente. En un circuito formado por varias resistencias se llama resistencia equivalente a aquella que, sustituyendo a las anteriores, absorbe la misma intensidad. La determinación de la resistencia equivalente permite simplificar el cálculo de circuitos al reemplazar asociaciones complejas por una sola resistencia equivalente. Una vez calculada la tensión y la intensidad en la resistencia equivalente se pueden determinar fácilmente en las resistencias del circuito original. Asociación de resistencias. Conexión de aparatos eléctricos. Llamamos conexión a la forma de unir los bornes de los aparatos eléctricos. Existen distintos tipos de conexiones, las principales son la serie y la paralelo; la conexión mixta es la unión de ambas. Veamos en que consiste cada una de ellas. Asociación de resistencias. Conexión en serie Un grupo de resistencias está conectado en serie cuando ofrece un camino único al La intensidad es la misma en todas las resistencias de la conexión serie. paso de la corriente. En este tipo de conexión, el extremo de entrada de una resistencia está conectado con el extremo de salida de la anterior y así sucesivamente. IT = I1 = I2 = I3 =……….. = In La tensión total en los extremos de la rama será la suma de las caídas de tensión en cada una de las resistencias que la componen. La resistencia equivalente de un circuito serie es una resistencia de valor igual a la suma de las resistencias que componen la rama serie. VT = V1 + V2 + V3 +……….. + Vn Req = R1 + R2 + R3 +……….. + Rn Asociación de resistencias. Conexión en serie. Ejemplo. Calcular la intensidad y la tensión en cada resistencia del circuito. La resistencia equivalente es la suma de las tres resistencias : Req = 2 Ω + 3 Ω + 5 Ω = 10Ω La intensidad que atraviesa el circuito según la ley de Ohm es : I = E / Req = 10 V / 10Ω = 1 A V2Ω = I . R2Ω = 1 A . 2 Ω = 2 V. V3Ω = I . R3Ω = 1 A . 3 Ω = 3 V. Conocida la intensidad en cada resistencia (es la misma en todo el circuito) podemos calcular V5Ω = I . R5Ω = 1 A . 5 Ω = 5 V. la caída de tensión en las mismas: VT = V2Ω + V3Ω + V5Ω = 10V. Asociación de resistencias. Conexión en paralelo. Un grupo de resistencias enlaparalelo La intensidad total enestá los conectado extremos de rama será la suma de las intensidades en cadalos unaextremos de las resistencias quelas la resistencias componen. cuando de entrada de están conectados entre sí y los de salida también están conectados entre sí. IT = I1 + I2 + I3 +……….. + In La resistencia equivalente de un circuito paralelo es una resistencia de valor igual a la inversa de la suma de las de potencial es la misma en todas las resistencias de la conexión inversasLadediferencia las resistencias que componen la rama paralelo. paralelo. O lo que es lo mismo: la conductancia equivalente de un circuito paralelo es igual a la suma de las conductancias de T 1 2 3 n cada una. V = V + V + V +……….. + V Req = 1/(1/ R1 + 1/ R2 + 1/ R3 +… +1/ Rn) Geq = G1 + G2 + G3 +……….+ Gn Asociación de resistencias. Conexión en paralelo. Ejemplo. Calcular la intensidad en cada resistencia y la resistencia equivalente del circuito. La caída de tensión en cada resistencia es igual a la tensión aplicada al acoplamiento: E = V2 Ω = V3 Ω = V5 Ω = 10 V Las intensidades que atraviesan cada resistencia según la ley de Ohm son : La resistencia equivalente del acoplamiento I2Ω = E/ R2Ω = 10 V / 2 Ω = 5 A. paralelo es : I3Ω = E / R3Ω = 10 V / 3 Ω = 3,33A. 1 / R = 1/ 2Ω + 1/ 3Ω + 1/ 5Ω eq I5Ω = E / R5Ω = 10 V / 5 Ω = 2 A. 1 / Req =(15 +10 + 6)/ 30Ω IT = I2Ω + I3Ω + I5Ω = 10,33A. Req =(30/ 31) Ω = 0,97 Ω NODO Leyes de Kirchoff Las leyes de Kirchhoff son una herramienta muy útil para facilitar el cálculo de circuitos. Antes de exponerlas es conveniente definir algunos términos: Nudo: es un punto del circuito en el que concurren tres o más conductores. En un nudo se produce una derivación del circuito en la que se reparten las corrientes. También se les llama nodo. RAMA MALLA Rama: es el conjunto de elementos comprendidos entre dos nudos consecutivos. Malla: es un camino cerrado que puede ser recorrido sin pasar dos veces por el mismo punto y no puede ser subdividido en otros. Siempre está formada como mínimo por dos ramas. 1° Ley de Kirchoff o ley de las corrientes. En un nudo la suma de todas las intensidades que entran es igual a la suma de todas las intensidades que salen. Tomando como convenio que las corrientes entrantes son positivas y las salientes negativas, se cumple siempre que la suma de las intensidades entrantes es igual a la suma de las salientes, con lo que la suma algebraica de ambas es cero. ∑I=0 I + I2 + I3 – I4=0 I 1 2° Ley de Kirchoff o ley de las tensiones. En toda malla o circuito cerrado, la suma de todas las fem proporcionadas por los generadores es igual a la suma de las caídas de tensión producidas en las resistencias del circuito. Estableceremos el siguiente convenio para las tensiones que intervienen en el circuito: • La fem de un generador irá siempre del polo negativo al positivo, independientemente de la V 1 + V2 + V3 dirección deEla= corriente. • El sentido de la caída de tensión en una resistencia depende en el E =delI de . Rla1corriente, +I .R2será + I.positivo Req 3-4 terminal de la resistencia por el que entra y negativo en el de salida. Curso de Electricidad Industrial Potencia, energía y electromagnetismo Potencia eléctrica Energía o trabajo eléctrico es lo que hace moverse a un conjunto de cargas. Sólo habrá trabajo cuando exista movimiento de cargas en el circuito. La potencia es el trabajo desarrollado en la unidad de tiempo. Cuanto mayor sea la potencia de un aparato, mayor será la energía o trabajo que pueda desarrollar o que consuma en un tiempo determinado, por ello se trata de una característica fundamental de los receptores eléctricos. Se mide en vatios [W]. La potencia eléctrica se puede obtener multiplicando la intensidad que atraviesa un circuito por la caída de tensión aplicada al mismo. P=V.I Energía eléctrica La energía desarrollada o consumida por un aparato en un periodo determinado es igual a la potencia por el tiempo que está conectado. La energía eléctrica se mide en vatios por hora [W·h], o más habitualmente en kilowatios por hora [kW·h]. En ocasiones se mide en Julios [J], siendo 1J=1W·1s. E=P.t Electromagnetismo Existen elementos, los imanes, que tienen la propiedad de atraer a ciertos metales (concretamente al hierro, al cobalto y al niquel). Sabemos, además, que cuando se acercan dos imanes pueden atraerse o repelerse según el extremo de los mismos que acerquemos, esos extremos se llaman polos (norte o sur según hacia donde se oriente el imán al moverse libremente) y todo imán tiene los dos. Estos fenómenos de atracción o repulsión se conocen con el nombre de magnetismo. La zona del espacio donde se manifiesta este fenómeno se llama campo magnético. Gráficamente se representa mediante un conjunto de líneas de fuerza cerradas que salen del polo norte y llegan al polo sur por el exterior del imán. Electromagnetismo Cuando circula una intensidad por un conductor rectilíneo se produce un campo magnético a su alrededor. Las líneas de campo son circulares y se distribuyen en planos perpendiculares al conductor. El valor de la densidad de campo generada en un conductor recto es directamente proporcional a la intensidad que circula e inversamente proporcional a la distancia al conductor. El sentido en que giran las líneas de campo se determina por la ley de la mano derecha : si se agarra el conductor con la mano derecha y el pulgar en el sentido de la corriente, el resto de los dedos marca el sentido de las líneas de campo. También se puede aplicar la regla del sacacorchos, según la cual las líneas de campo girarían el mismo sentido que un sacacorchos que avance con la corriente. Electromagnetismo Un conductor recto produce un campo muy débil pues las líneas se dispersan. Cuando se quiere crear un campo más intenso se curva el conductor formando espiras de forma que las líneas de fuerza de los distintos tramos del conductor suman sus efectos formando un campo mucho más intenso en el interior de la espira. Si unimos varias espiras formando una bobina, las líneas de campo producidas por cada una de las espiras sumarán sus efectos, concentrándose el campo en el eje de la bobina, donde es máximo. Con este recurso se pueden generar imanes que atraerán metales u otros imanes en forma semipermanente. Para determinar el sentido de las líneas de fuerza del campo podemos aplicar de nuevo la regla de la mano derecha o la del sacacorchos, sólo que en este caso, el pulgar indica el sentido del campo cuando se coloca el resto de los dedos siguiendo el sentido de la corriente eléctrica al recorrer la bobina. En el caso del sacacorchos o el tornillo, la corriente marca el giro del sacacorchos y su avance el sentido del campo. Electromagnetismo Un conductor recorrido por una corriente experimenta una fuerza al ser sometido a un campo magnético perpendicular al conductor En este fenómeno se basan los motores eléctricos : se hace circular una corriente eléctrica por un conductor atravesado por el campo magnético generado por una bobina fija llamada estator, la fuerza ejercida sobre el conductor provoca un movimiento de rotación sobre la parte móvil del motor llamada rotor. Por otro lado, al mover un conductor perpendicularmente a un campo magnético con una cierta velocidad , se induce sobre el mismo una fem que puede ser aprovechada para alimentar un circuito eléctrico. En este fenómeno se basan los transformadores que se utilizan para alimentar circuitos de mayor o menor tensión y para separar circuitos que deben estar vinculados pero no conectados directamente.
