001 Fundamentos de Electricidad Anm

8/17/2019 001 Fundamentos de Electricidad Anm

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FUNDAMENTOS

DE

ELECTRICIDAD

Álvaro Felipe Necochea Muñoz


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FUNDAMENTOS DE ELECTRICIDAD

Consideraciones sobre la materia

Para entender Los fundamentos del fenómeno eléctrico es necesario tener claro algunos aspectosde la conformación de la materia.

La materia está constituida por partículas infinitamente pequeñas llamadas moléculas,estas a su vez están divididas en átomos.

Los átomos están formados por protones y neutrones en el núcleo y electrones que semueven describiendo órbitas elípticas formando la corteza.

Un protón tiene carga eléctrica positiva (+), y un electrón eléctrica negativa (-). Los metales tienen la propiedad de que los átomos que los forman tienden a perder uno o

varios electrones de su última capa, llamándoseles electrones libres, los cuales creanhuecos pudiendo ser estos ocupados por otros electrones libres.

1.- Átomo de cobre

Los electrones describen orbitas alrededor del núcleo, dependiendo de la estabilidad del átomo, esdecir de la cantidad de electrones que giran en la orbita más externa y de su balance con el núcleoencontraremos materiales capaces de ceder electrones o bien permitir que ellos circulendesplazándose entre las orbitas de sus átomos

2.- Desplazamiento de electrones


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Si un átomo tiene una cantidad de electrones menor a la de los protones del núcleo, entonces serámás positivo, esta condición se conoce como ión positivo, si por el contrario hay más electrones enlas órbitas que protones en su núcleo tenemos un ión negativo, del mismo modo, ante unacondición de equilibrio entre protones y electrones estamos ante un átomo neutro.

Corriente, tensión y resistencia eléctrica

Cuando existe una cantidad de electrones dispuestos a desplazarse desde un punto a otro a travésde un medio que permita este movimiento, entonces podemos hablar de una tensión, es decir lacapacidad de poder generar un movimiento de electrones. Imagine un sistema hidráulico, como enla figura 3, mientras el tanque esté lleno tendremos disponibilidad para obtener un flujo.

3.- Analogía 1 del circuito hidráulico

La cantidad de electrones que logren desplazarse por este medio “conductor” será la corrienteeléctrica o intensidad.

Al obtener un flujo de corriente eléctrica podemos conseguir que esta nos provea de algún servicio,como encender una luz o accionar un motor, es decir, que realice un trabajo, este trabajo se realizaen función de utilizar la tensión que tenemos disponible y cualquier elemento que interpongamosen el flujo de una corriente eléctrica presentara una oposición al flujo de electrones y esta oposiciónes denominada resistencia.

4.- Analogía 2 del circuito hidráulico

PP


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Llevando estas variables a un circuito eléctrico tendremos:

5.- Relacionando con circuito eléctrico

Reconocemos hasta ahora tres variables del circuito que son fundamentales:

Tensión: Esta variable se expresa en voltios [V] y se puede cuantificar o medir através de un voltímetro.

Resistencia: Esta depende de la carga impuesta y se mide con un óhmetro y se expresaen ohm [Ω].

Intensidad: En función de la tensión y la carga que exista en un circuito podrá circularun flujo de electrones, este flujo se mide con un amperímetro y su unidad es el amper [A].

Como se ha dicho, existen materiales con estructuras atómicas que permiten la circulación de

electrones, estos serán identificados como conductores, por otra parte otros no permitirán estemovimiento de electrones son los no conductores; también encontraremos una categoríaintermedia con una estructura relativamente estable, pero, que ante algunas condiciones detensión o de contacto con otro tipo de estructuras atómicas permiten el flujo de electrones, estosson los semiconductores.

Ley de ohm

La intensidad de corriente que circula a través de un circuito eléctrico es directamente proporcionala la tensión, pero, inversamente proporcional a la resistencia por la que deba circular, estoexpresado matemáticamente se conoce como ley de ohm y se expresa:

I=V/RDonde I = IntensidadV = VoltajeR = Resistencia


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Planteando un circuito simple podemos entender mejor este principio

o6.- Circuito eléctrico simple

En el circuito planteado tenemos:

V=12[V]R=2[Ω]

Aplicando la fórmula descrita

I=12/2 I=6[A]

Despejando esta relación matemática podemos, a partir de dos de estas variables, obtener larestante,

R=V/I y V=I×RUn método sencillo para recordar estas relaciones es identificarlas en un triangulo

7.- Triángulo ley de ohm

El comportamiento de la corriente eléctrica a través de un circuito dependerá del tipo de circuito,

por lo tanto para explicar el comportamiento de la corriente debemos distinguir los tipos de circuitosque existen.


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8.- Circuito en serie

Tomando el esquema 8 tenemos un circuito en serie de dos resistencias,

R = R1 + R2

I = V / R = V / (R1 + R2)

En un circuito en serie las resistencias se comportan como una sola, es decir se suman, por lo quela corriente o intensidad es la misma para todo el circuito

V1 + V2 = VT

La tensión en este tipo de circuito será proporcional a cada resistencia y a la intensidad que circulapor el circuito

V1=R1×I y V2=R2×I


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9.- Circuito paralelo

En un circuito paralelo tenemos que la tensión se distribuye por igual a cada una de lasresistencias que parten de un mismo nodo (punto en que se divide un circuito), por lo que tenemosque la intensidad será una para cada resistencia de acuerdo a su valor, sin embargo, la resistenciatotal o equivalente del circuito corresponderá a la suma de las intensidades para cada resistenciaen función de la tensión del circuito

Re = V/(I1+I2)

En algunos casos no podremos determinar la intensidad total, por ejemplo cuando enfrentamos uncircuito combinado, en estos casos podemos calcular la resistencia equivalente del circuitoteniendo el valor de cada resistencia del circuito a través de la siguiente fórmula.

Re (resistencia total en paralelo)= 1 / (1/R1 + 1/R2 + 1/R3...+…1/RN)

Es importante notar que en un circuito paralelo la resistencia equivalente siempre será menor a lamenor de las resistencias que integren este circuito.

También debemos recordar que en la mayoría de las ocasiones encontraremos circuitoscombinados, es decir, serie paralelo, para determinar las tensiones es importante ir despejandopreviamente los circuitos en paralelo.

10.- Circuito serie paralelo


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La potencia es normalmente un dato que viene calculado en cada consumidor, es decir, cualquierartefacto eléctrico tiene como referencia nominal una potencia, este dato nos permitirá saber enfunción de una fuente determinada la cantidad de corriente o intensidad que se requiere para sufuncionamiento, con esto podrá uno verificar por ejemplo si una instalación ha sido hechacorrectamente o bien usar los componentes adecuados cuando debamos realizar una instalación.

Además, en combinación con la ley de ohm podemos encontrar otras formas de resolver el cálculode la potencia en función de la resistencia y el voltaje por ejemplo

P = V2 / R o también P = I2 x R en función de la intensidad y la resistencia.

Formulario general en función de las leyes de Ohm y Joule.

Definiciones importantes

Ohm [ohmio] (Ω): Unidad de medición de la resistencia eléctrica, representada por la letra griega(Ω) omega.Es la resistencia que produce una tensión de 1 voltio cuando es atravesada por una corriente de 1amperio.

Ampere: [Amperio] (A): Unidad de medida de la corriente eléctrica, es la cantidad de carga quecircula por un conductor por unidad de tiempo I = Q/t Es la corriente eléctrica (I) que produce una fuerza de 2 x 10

-7newton por metro entre dos

conductores paralelos separados por 1 metro.1 A = 1 Coulombio / segundo1 A = 1000 mA (miliamperio)

Coulomb [coulombio] (C): Unidad de medición de la carga eléctrica. Carga Q que pasa por unpunto en un segundo cuando la corriente es de 1 amperio. 1 Coulomb = 6.28x10

18 electrones.


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Volt [voltio] (V): Unidad de medición de la diferencia de potencial eléctrico o tensión eléctrica,comúnmente llamado voltaje.Es la diferencia de potencial entre dos puntos en un conductor que transporta una corriente de 1amperio, cuando la potencia disipada entre los puntos es de 1 watt.

Watt [Vatio] (W): Unidad de la potencia. Potencia (P) requerida para realizar un trabajo a razón de1 julio (joule) por segundo.

Henry [henrio] (H): Unidad de medida de los inductores/ bobinas.Es la inductancia (L) en que 1 voltio es inducido por un cambio de corriente de 1 amperio porsegundo.

Joule [julio] (J): Es el trabajo (W) hecho por la fuerza de un Newton actuando sobre la distancia de1 metro. Hertz [hercio] (Hz): Cantidad de ciclos completos de una onda en una unidad de tiempo1 Hertz = 1 ciclo/seg

Farad [Faradio] (F): Unidad de medida de los capacitores / condensadores. Es la capacitancia (C)en donde la carga de 1 coulombio produce una diferencia de potencial de 1 voltio

Múltiplos y submúltiplos

Múltiplo Símbolo Valor Valor

exa E 10 1 000 000 000 000 000 000peta P 10 1 000 000 000 000 000tera T 10 1 000 000 000 000giga G 10 1 000 000 000mega M 10 1 000 000kilo k 10 1 000hecto h 10 1 00deca da 10 1 0

Submúltiplo Símbolo Valor Valor

deci d 10- 0.1centi c 10

- 0.01

mili m 10-

0.001micro 10

- 0.000 001

nano n 10-

0.000 000 001pico p 10

- 0.000 000 000 001

femto f 10-

0.000 000 000 000 001atto a 10

- 0.000 000 000 000 000 001

Ejemplos :

100mF = 100 x 10-3

= 100 x 0.001 = 0,1 faradios100 mili faradios = 0,1 faradio

2,5KV = 2.5 x 103

= 2.5 x 1000 = 2.500 voltios2,5 kilo voltios = 2.500 voltios


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Magnetismo

Se conoce como magnetismo a la propiedad de un metal para atraer a otro, no todos los materialesposeen esta propiedad, dicho de mejor modo, encontramos sólo algunos materiales que puedenser influenciados por una onda magnética, diremos que estos son permeables magnéticamente;otros en cambio no son influenciables por estos flujos magnéticos entonces son impermeablesmagnéticamente o diamagnéticos.

Los materiales capaces de atraer a otros materiales metálicos son conocidos como imanes. Unimán podrá atraer al hierro que es un metal ferromagnético. Si colocáramos viruta o polvo de hierroen un papel y bajo este un imán veremos algo similar a la figura que sigue.

11- influencia del flujo magnético sobre el hierro

Esto ocurre debido a que el flujo o corriente magnética se desplaza en forma ordenada alrededordel imán, observando la figura 11 vemos que este flujo de mueve en un sentido que se denomina

polaridad

12- Polaridad magnética


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13- Permeables: Concentran el flujo magnético

14- Diamagnéticos: Repelen el flujo magnético

15- Paramagnéticos: indiferentes al flujo magnético

Los extremos de un imán se denominan polos, estos polos cunado son opuestos se atraen, por elcontrario, al acercar extremos de la misma polaridad estos se repelen.

16- principio de atracción y repulsión


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Electromagnetismo

Si acercamos una brújula a un conductor energizado, la aguja indicadora esta se moverá, estodebido a que al ocurrir un flujo de electrones a través de un conductor se genera un campomagnético alrededor de este conductor.

17 Campo magnético en un conductor

El campo generado se moverá alrededor del conductor de norte a sur dependiendo del sentido dela corriente que pasa por el conductor

18.- Comportamiento del campo magnético en relación al flujo de la corriente


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19.- Campo magnético creado por una corriente rectilínea.

Una corriente rectilínea I crea un campo magnético cuyas líneas de fuerza son circunferencias queestán contenidas en un plano perpendicular a I y siguen el sentido del sacacorchos que avanza enel sentido de la I, y cuyo valor es:

H=I/2×r

20.- Campo magnético creado por una espira plana

Una espira plana recorrida por una corriente I crea un campo magnético perpendicular a la espira,cuya dirección es la del sacacorchos que gira en el sentido de la corriente, y cuyo valor es:

H=I/2×r


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Se llama solenoide a un conjunto de espiras planas recorridas todas ellas por la misma corriente I.En la práctica, un solenoide es un carrete de hilo con las espiras bobinadas muy juntas unas aotras.

21.- Campo magnético en el interior de un solenoide

El valor del campo para un punto situado en el eje, y en el interior del solenoide es

H=n×I/L

De esto se desprende que a mayor cantidad de espiras, mayor será la intensidad del campomagnético

Además al agregar un núcleo de un material permeable al centro de la espira, aumentaremos laintensidad de este campo magnético.

22.- Ventaja del núcleo de hierro

Por medio de solenoides se construyen los electroimanes, estos son bobinas, que al ser excitadaspor una corriente eléctrica, atraen los cuerpos ferromagnéticos. Un caso típico de aplicación es elrelevador o relé.

Cuando un material ferromagnético, sobre el cual ha estado actuando un campo magnético, cesa

la aplicación de éste, el material no anula completamente su magnetismo, sino que permanece uncierto magnetismo residual.Para desimantarlo será precisa la aplicación de un campo contrario al inicial.Este fenómeno se llama HISTERESIS magnética, que quiere decir, inercia o retardo.


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Inducción

Así como se genera un campo magnético al hacer pasar corriente a través de un conductor, demodo inverso, al mover un conductor dentro de un campo magnético se generará un flujo deelectrones en este, este principio de inducción se utiliza para generar corriente como es el caso delalternador.

23.- Principio de inducción

Fuerza electro magnética (fem)

Cuando colocamos un conductor en un campo magnético y hacemos circular una corriente a travésde él, este será impelido de acuerdo al principio de repulsión electromagnética.

24.- Reacción de un conductor excitado a un campo magnético


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Bajo este principio se construyen los motores eléctricos como los motores de alza vidrios, dearranque, de limpia para brisas, etc.

Aplicaciones prácticas

Podemos encontrar una serie de aplicaciones a posprincipios o fundamentos referidos. En primerlugar el análisis de los circuitos a través de diagramas nos servirá no sólo para interpretarmanuales, también se podrán construir circuitos y calcular los componentes correctos de acuerdo ala necesidad que se plantea

En cuanto a los usos de los principios de magnetismo, inducción o fem, encontraremos una granvariedad de aplicaciones para ellos como relés, sensores, motores, etc.

Tomaremos a los relés o relevadores para ejemplificar estas aplicaciones prácticas, sin embargo,no debemos olvidar que existen una gran variedad de componentes de un circuito eléctrico y que ala hora de realizar un diseño todas son importantes.

Relé

Es un interruptor electromagnético que permite accionar un componente de elevada potencia

eléctrica desde un dispositivo de control de potencia mucho menor actuando como un adaptadorde consumo. Es uno de los elementos electromagnéticos más utilizados en automóviles.

Todo relé está formado por un electroimán que acciona magnéticamente un par de contactos ointerruptor.

26.- Funcionamiento de un relé normalmente abierto y uno normalmente cerrado


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26.- Relé simple

27.- Construcción de un relé


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28.- Identificación de las clavijas de un reléEn la base de un relé podrá encontrar una serie de clavijas o pines, cada uno con una numeraciónnormada, de acuerdo a la figura 28 tenemos

85: Positivo excitación de control86: Negativo excitación de control87: Salida de potencia30: Entrada de potencia

29.- Relé en un circuito de bocina

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