Electrónica y electricidad

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ELECTRICIDAD Y

ELECTRÓNICA

INDUSTRIAL

Héctor Chévez Gallegos

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Acerca del autor

Héctor Chévez Gallegos, estudió la licenciatura en la Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica (ESIME) del Instituto Politécnico Na-cional.

Obtuvo la Maestría en Planificación de Empresas y Desarrollo Regional en el Instituto Tecnológico de Oaxaca. Además se especializó en pruebas y mantenimiento a equipo eléctrico.

Dentro de la experiencia docente ha impartido diferentes asig-naturas en el área de ingeniería a nivel licenciatura en el Instituto Tec-nológico de Oaxaca e Instituto TecTec-nológico de Villahermosa, como son: Sistemas Eléctricos de Potencia, Diseño de Líneas de Transmisión, Di-seño de Subestaciones Eléctricos de Potencia, Coordinación de Pro-tecciones en Redes de Distribución, Diseño y Construcción de Redes, Uso eficiente de la Energía, Control de Producción, Electricidad y Elec-trónica Industrial, Control Estadístico de Calidad, Estudio del Trabajo I, Estudio del Trabajo II, Ingeniería de Calidad, Ingeniería de Materiales entre otras.

En el campo laboral se desempeñó en el Laboratorio de física de la UNAM. Fue Supervisor Técnico en la compañía Construcciones en Instalaciones Eléctricas S.A (CIESA) en la ciudad de México. En la Comisión Federal de Electricidad División Sureste, desempeñó en va-rios cargos como Jefe del departamento de Distribución de Zona, Jefe del área de Líneas de Subtransmisión, Subestaciones Eléctricas. En Oficinas Divisionales fue jefe de Estudios y Sistemas de Distribución en el Departamento de Planeación de Divisional.

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Contenido

UNIDAD 1

1.1 Introducción a la electricidad 6

1.2 Conceptos de magnitudes eléctricas 20

1.3 Circuito Eléctrico 26

1.4 Medición de magnitudes eléctricas 27

1.5 Conceptos básicos de las leyes de Ohm, Kirchhoff, Lenz, Faraday y Watts

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1.6 Aplicaciones de los conceptos básicos de electricidad 40

UNIDAD 2

2.1 Tipos y características de generadores 55 2.2 Motores de corriente directa y alterna 86 2.3 Transformadores monofásico y trifásico 102 2.4 Reglamento de obras e instalaciones eléctricas R.O.I.E.) 134 2.5 Elementos eléctricos de control industrial (Relevadores) 157

2.6 Aplicaciones 159

UNIDAD 3

3.1 Introducción a la electrónica industrial 164 3.2 Elementos básicos de electrónica analógicos (Diodo, diodo

emisor de luz, transistor, SCR, TRIAC).

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3.3 Elementos básicos de electrónica digital(compuertas lógicas, tablas de verdad, temporizadores, contadores, sumadores)

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3.4 Aplicación de los conceptos básicos de la electrónica. 193

UNIDAD 4

4.1 Sensores y transductores eléctricos. 198 4.2 Dispositivo de control eléctrico y electrónico. 202

4.3 Funcionamiento básico del PLC. 210

Glosario 220

Referencias 226

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Prólogo

Este libro es el resultado de más de veinte años de enseñanza, capacitación y asesoría sobre la energía eléctrica. Se ha escrito mucho sobre electricidad y electrónica, pero es difícil encontrar un texto que contenga toda la información del curso, es por ello que esta obra es una herramienta perfecta para que los estudiantes en la materia de Electricidad y Electrónica Industrial puedan reforzar conocimientos fundamentales básicos relacio-nados con la ley de Ohm, leyes de Kirchhoff, ley de Lenz, ley de Faraday, entre otras.

Se aborda también de manera sencilla y breve los diferentes tipos de generación de energía eléctrica; se describen las características y operación de los transformadores de distribución monofásicos y trifásicos, sus conexiones, etc. Se incluye una parte im-portante de las maquinas rotativas que son los motores eléctricos de corriente directa y de corriente alterna. En las dos últimas unidades se habla sobre los elementos básicos electrónica analógicos, como son los diodos, transistores y aplicaciones en general.

Por todo lo anterior, el contenido del presente se pone a disposición de los estu-diantes, profesores y personas interesadas, para que consulten y apliquen la informa-ción aquí compilada sobre la materia de Electricidad y Electrónica Industrial, en sus respectivas áreas. Cabe mencionar que para este autor es muy importante enriquecerse de cualquier sugerencia u observación que permita la mejora del presente libro.

Por último quiero expresar mi agradecimiento a la Academia de Ingeniería Indus-trial por la autorización y revisión del texto; a la Maestra Juanita Morejón, Presidenta de Academia; al Ingeniero Francisco Feito Pérez, por su paciencia en la revisión del trabajo en la primera edición; a todos los profesores de Ingeniería Industrial y a los estudiantes del área, por su aportación y comentarios sobre el tema.

Héctor Chévez G. Agosto de 2012.

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Unidad

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1.1 Introducción a la electricidad

En el estudio de la electricidad y de la electrónica se considera principalmente la pro-ducción, transmisión o transporte, distribución y utilización de la energía eléctrica y elec-trónica, así como el uso de la misma en las telecomunicaciones.

El aprendizaje de la electricidad y, más concretamente de la electrotecnia, debe consti-tuir para el estudiante el descubrimiento de una ciencia y técnicas esenciales en su nuevo estudio profesional y de trabajo.

Para que este aprendizaje sea a la vez atractivo y riguroso, y se relacione fácilmente con lo que cada día vemos u observamos, se ha optado por un orden que parte de lo práctico y de lo próximo, para ir después hacia fundamentos más teóricos o complejos. Por ello, se inicia el estudio con la electrodinámica, pasando después a la electrostática.

El propósito de esta obra de “electricidad y de electrónica industrial” es poner al alcance de los alumnos que cursan la asignatura de electricidad y electrónica en el área de In-geniería Industrial de los Instituto Tecnológicos y de Universidades. El desarrollo tec-nológico de la electricidad, mayormente la electrónica y sus aplicaciones nos han lle-vado a ser una sociedad basada en el consumo intensivo de la energía.

Leyes de la corriente continua y corriente alterna

La electrodinámica

El estudio de la electricidad en movimiento se lleva a cabo en aquella parte de la elec-trología1 _{a la cual se designa como electrodinámica. En otras palabras la}

electrodiná-mica consiste en el movimiento de un flujo de cargas eléctricas que pasan de una mo-lécula a otra, utilizando como medio de desplazamiento un material conductor.

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Para poner en movimiento las cargas eléctricas o de electrones, podemos utilizar cual-quier fuente de fuerza electromotriz (fem), ya sea de naturaleza química (como una ba-tería) o magnética (como la producida por un generador de corriente eléctrica), aunque existen otras formas de poner en movimiento las cargas eléctricas.

Electrología es un método de depilación permanente. Este proceso, a menudo llamado electrólisis, incluye el envío de una corriente eléctrica muy pequeña a la base del folículo piloso. Una aguja muy fina se inserta en el folículo para entregar la corriente. Esta co-rriente destruye el folículo para que no pueda crecer un nuevo cabello.

Hay tres métodos utilizados en Electrología. El método utiliza la corriente eléctrica gal-vánica solamente, y se denomina electrólisis de verdad. Alternativamente, el método de termólisis utiliza el calor en lugar de corriente eléctrica para destruir los folículos pilosos. Algunos profesionales prefieren el método combinado, que utiliza tanto electricidad como calor para detener el crecimiento del cabello.2

Breve historia de la electricidad

La palabra “electricidad” viene del griego elektron (electrón), que significa ámbar amari-llo. Este elemento tiene la propiedad de atraer a los cuerpos más livianos después de haber sido frotada contra ciertos materiales más ligeros. Los griegos ya conocían algu-nos usos elementales de la electricidad estática en el año 600 A.C.

Se le atribuye a Tales de Mileto uno de los siete sabios de Grecia en observar los fenó-menos eléctricos cuando al frotar una barra de ámbar con un paño, notó que se atraían pequeños objetos. Los antiguos también descubrieron que una piedra negra pesada atraía con frecuencia al hierro. Esto ocurría con cierta frecuencia en Asia Menor llamada magnesia, a estas piedras se les llama magnetos, imanes o piedra imán magnetita.3

2 _{www.pagerankstudio.com}

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A finales del siglo XVI, alrededor del año 1600, Guillermo Gilbert, médico inglés observó que el vidrio, el azufre, algunas resinas y otras substancias tenían la misma propiedad eléctrica del ámbar y fue cuando clasificó los materiales en eléctricos y no eléctricos. En el siglo XVII Otto de Guerike, físico e ingeniero alemán inventó la primera máquina electrostática que consistía en un globo de azufre o de ámbar cubriendo con una mano mientras lo hacía girar rápidamente con la otra. Con esta máquina Guerike percibió el ruido y el fulgor de la chispa lo cual le llevó a especular sobre la naturaleza eléctrica de los relámpagos. Descubrió también el fenómeno de la repulsión eléctrica cuando dos cargas eléctricas de la misma naturaleza se rechazan.

En el siglo XVIII por el año de 1773, un francés Carlos Francisco de Cisternay Dufay y el inglés Esteban Gray establecieron algunas ideas sobre la naturaleza de la electricidad mediante la observación del fenómeno de atracción y repulsión que experimentaban los cuerpos electrizados. Dufay observó que un trozo de vidrio eléctricamente cargado atraía objetos también cargados y se repelía con otros objetos cargados, lo que él llamó a este efecto “electricidad vítrea” y “electricidad resinosa”, concluyendo que existían dos tipos de electricidad. Gray quien se mantenía en contacto con Dufay, había logrado di-vidir como resultado de sus estudios a los cuerpos buenos y malos conductores de la electricidad. Actualmente esta clasificación se conoce como materiales conductores y no conductores. Con el descubrimiento de Gray se pudieron establecer las bases cien-tíficas para el diseño del electrómetro o electroscopio.

En la segunda mitad del siglo XVIII, Benjamín Franklin realizó estudios sobre fenómenos eléctricos, en 1747 escribe su obra científica “experimentos y observaciones sobre elec-tricidad”, en ella demostró que las nubes están cargadas de electricidad y los rayos son descargas eléctricas. Inventó el pararrayos y encontró que las cargas eléctricas son positivas y negativas.

El Dr. Luis Galvani, médico, fisiólogo y físico italiano dio a conocer sus experiencias , sus estudios le permitieron descifrar la naturaleza eléctrica del impulso nervioso. Expe-rimentando con animales, se convenció de que lo que se veía eran los resultados de lo que llamó "electricidad animal". El experimento del Dr. Galvani consistió en observar las

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convulsiones que sufría una rana muerta en el proceso de disecación al aplicarle una pequeña corriente a la médula espinal, colocada a cierta distancia de una máquina elec-trostática, la cual al ser tocada con un bisturí en sus sistema nervioso manifestaba con-tracciones en los músculos de sus miembros inferiores; cada que esto se repetía la máquina sacaba chispa. En realidad lo que Galvani hizo fue demostrar que al aplicar la corriente en uno de los músculos de la rana la corriente se transmitía a través de éstos utilizándolos como conductores.

Alejandro Volta no convencido de los resultados del Dr. Galvani siguió investigando y tomando los trabajos o experimentos de Galvani, desarrolló el estudio de las cargas eléctricas en movimiento, en esta etapa marca el nacimiento de la electrodinámica. Volta desarrolló la primera pila voltaica.

En la época de Franklin los científicos consideraban que la electricidad era un fluido y que podía tener cargas positivas y negativas; pero en la actualidad la ciencia considera que la electricidad se produce por partículas muy pequeñas llamadas electrones y pro-tones.4

Resumen de la historia de la electricidad.

Tales de Mileto Nació en la ciudad de Mileto, en el 624 a.C., y murió en el 546a.C. Fue el primero en descubrir la electricidad al frotar el ámbar y adquiere el poder de atracción sobre algunos obje-tos.

4_{Mileaf (2005). Electricidad, p.1-3, editorial Limusa, México.}

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Guillermo Gilbert Médico y físico nació en Inglaterra en 1540, murió en 1603.Fue uno de los primeros en realizar experimentos con la electrostática y el magnetismo, clasificó los materiales en conductores y aislantes e ideó el primer electroscopio. Descubrió la imanta-ción por influencia, y observó que la imantaimanta-ción del hierro se pierde cuando se calienta al rojo. Estudió la inclinación de una aguja magnética concluyendo que la Tierra se comporta como un gran imán.

Otto de Guerike Físico alemán, nació en 1602 y murió en 1686). Inventó la primera máquina electrostática. Investigó sobre la naturaleza de los relámpagos y fue uno de los primeros en afirmar que puede predecirse el retorno de los cometas.

Esteban Gray Nació en 1666 y murió en 1736. Observó los tipos de mate-riales, los que conducen energía y los que no (bueno o malo), estableciendo las bases científicas para el diseño del electró-metro o electroscopio.

Charles Francois de Cisternay Dufay

Físico francés, nació en París en 1698 y murió en 1739. Descubrió la existencia de dos clases de electricidad, positiva

y negativa, puso de manifiesto la repulsión entre cuerpos cargados de electricidad del mismo signo.

Benjamín Franklin Nació el 17 de enero de 1706 en Boston, Massachusetts y murió en 1790.Fue un prolífico científico e inventor. Además del pararrayos, inventó también el llamado horno de Franklin o chimenea de Pensilvania. Estudió también las corrientes oceánicas calientes de la Costa Este de Norteamérica.

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Joseph Priestley Nació en Hackney, Inglaterra, en 1733 y muere en 1804. En-tre sus experimentos, destacó el que le llevó a aislar, por pri-mera vez, el oxígeno (1774), demostró que la carga eléctrica se distribuye uniformemente en la superficie de una esfera hueca, y que en el interior de la misma, no hay un campo eléctrico, ni una fuerza eléctrica.

Charles Augustin de Coulomb

Físico e ingeniero francés, nació en Angulema, Francia, 14 de junio de 1736 y murió en París Francia el 23 de agosto de 1806. Mediante una balanza de torsión, Coulomb encontró que la fuerza de atracción o repulsión entre dos cargas pun-tuales es inversamente proporcional al cuadrado de la distan-cia que las separa. Entre sus teorías y estudios está la teoría de la torsión recta y un análisis de falla del terreno dentro de la mecánica de suelos.

Luigi Galvani Médico, fisiólogo y físico nació en Bolonia, Italia en 1737 y muere en 1798.Construyó la primera máquina electrostática. Dio a conocer su “electricidad animal”.

Alessandro Volta Conocido como Alejandro Volta, físico italiano nació 1745 y murió en 1827. Famoso principalmente por haber desarro-llado la pila eléctrica en 1800, capaz de producir corriente eléctrica.

André Marie Ampere Niño prodigio, nació en Lyon, Francia, en 1775 y muere en Marsella, Francia, en 1836. Establece los principios de la electrodinámica, cuando llega a la conclusión de que la Fuerza Electromotriz es producto de dos efectos: La tensión eléctrica y la corriente eléctrica

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Hans Chistian Oesterd Físico y químico danés, nació en Rudkobing, Dinamarca en 1777 y murió en Copenhague, 1851.Encontró la relación que existe entre la electricidad y el magnetismo. Observó que un campo eléctrico influía sobre un imán. Y así se demostró que un conductor eléctrico por el que circula una corriente eléc-trica crea a su alrededor un campo magnético.

Georg Simón Ohm Físico y matemático alemán, nació el 16 de marzo de 1789 y murió en 1854.Estudió la relación que existe entre la intensi-dad de una corriente eléctrica, su fuerza electromotriz y la re-sistencia, conocido como la ley de Ohm.

Samuel Finley Morse Nace en Boston, Massachusetts, Estados Unidos, en 1791 – y fallece en Nueva York, en 1872. Inventó el telégrafo y la Morsa de banco con el método de transmisión ideado por él.

Michael Faraday Nace en Newington, Gran Bretaña en 1791 y muere en 1867. Faraday descubrió que cuando un conductor que forma un circuito cerrado se mueve por algún medio mecánico en un campo magnético, un voltaje se produce de alguna manera y este produce una circulación de corriente.

Charles Wheatstone El puente de Wheatstone instrumento eléctrico inventado por Samuel Hunter Christie en 1832, mejorado y popularizado por Carlos Wheatstone en 1843.Inventó el estereoscopio, un te-légrafo gráfico y un péndulo electromagnético.

Heinrich Friederich Lenz

Físico ruso nació en Dorpat en 1804 y murió en Roma en 1865.Basándose de la ley de Faraday, Lenz estableció la re-lación que resulta en la transformación electromecánica. La ley de Lenz, nos dice que en todos los casos de inducción

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electromagnética, un voltaje inducido puede causar que cir-cule una corriente en un circuito cerrado, de manera tal que la dirección del campo magnético producido por la corriente, se opondrá al cambio producido por la corriente.

James Prescott Joule _{Físico inglés, nació en Salford, Mánchester en 1818 murió} en 1889. Descubrió el efecto Joule o generación de calor al paso de una corriente eléctrica, enunció la Ley de Joule. Fue el fundador experimental de la teoría mecánica del calor y determinó los equivalentes mecánico y eléctrico de la calo-ría.

León Foucault Historiador y filósofo francés nació en1926 y murió en1984.Demostró experimentalmente la rotación terrestre mediante un enorme péndulo (péndulo de Foucault) que se balanceaba en el observatorio de París. Otras contribuciones, midió la velocidad de la luz, hizo las primeras fotografías del Sol e inventó el giroscopio. Demostró la rotación de la tierra, mediante su famoso péndulo y midió la velocidad de la luz, mediante espejos giratorios.

Gustav Robert Kirchhoff

Nació en Königsberg, Prusia (actualmente Kalingrado Rusia) en 1824y fallece en Berlín en1887. Formuló las leyes que lleva su nombre sobre los voltajes y corrientes (ley de los no-dos y ley de las mallas) y las tres leyes de la espectroscopia (emisión de luz por objetos incandescentes).

James Clerk Maxwell Nació en Edimburgo, Escocia en 1831 y muere en Cam-bridge, Inglaterra, en1879. Desarrolló la teoría electromagné-tica clásica. Demostró que era posible realizar fotografías en color utilizando una combinación de filtros rojo, verde y azul.

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Descubrió las ecuaciones llamadas ecuaciones de Maxwell, y que se definen como las relaciones fundamentales entre las perturbaciones eléctricas y magnéticas.

George Westinghouse Nació en Nueva York en 1846 y fallece en 1914.Fue el prin-cipal responsable para la introducción de la corriente alterna para el suministro de energía eléctrica en Estados Unidos. Fundó en Pittsburgh la "Westinghouse Electric & Manufactu-ring Company”.

Alexander Graham Bell

Nació en Edimburgo, Escocia, en el año 1847.Inventor del te-léfono. En 1872 fundó una Escuela de Formación de

Profe-sores para Sordos. Contribuyó al desarrollo de las

telecomu-nicaciones y la tecnología de la aviación. Murió en 1922, dejó dieciocho patentes a su nombre.

Thomas Alva Edison Nació en Milán, Ohio, EE.UU. en 1847 y murió en West Orange, Nueva Jersey, EE.UU. en 1931. Fue empresario y un prolífico inventor. Inventó el fonógrafo y la lámpara incan-descente, aunque este último dicen que únicamente fue per-feccionado por él.

John Hopkinson Ingeniero Mecánico, nació en Manchester, Inglaterra en1849 y falleció en Suiza en1898. La contribución más importante de Hopkinson fue su sistema de distribución de tres hilos, pa-tentado en 1882. En 1883 Hopkinson demostró matemática-mente que es posible conectar dos dínamos de corriente al-terna en paralelo.

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Nicola Testa Ingeniero mecánico e ingeniero eléctrico, inventor. Nació en Smiljan (Croacia) en 1856 y murió en nueva York en 1943.In-ventor de la radio. Desarrollo trabajos en electromagnetismo e ingeniería electromecánica. Contribuyó en gran medida al desarrollo de la robótica, el control remoto, el radar, las cien-cias de la computación, la balística, la física nuclear y la física teórica.

Heinrich Rudolf Hertz (1857-1894)

Físico alemán, nació en Hamburgo en 1857 y murió en 1894 a la edad de 37 años. Basándose en las ecuaciones de Max-well, intuyó la existencia de las ondas electromagnéticas, aunque nunca pudo comprobar nada. Por medio de un osci-lador elemental demostró en la práctica las predicciones de Maxwell, donde se decía que las ondas electromagnéticas no solo se propagan a través del espacio sino que poseen pro-piedades de reflexión refracción, polarización e interferencia y que se propagan a la velocidad de la luz.

Guglielmo Marconi (1874-1937)

Ingeniero eléctrico nació en Bolonia en 1874 y murió en Roma en 1937, desarrolló un sistema de telegrafía o radio-telegrafía sin hilos y obtuvo el premio nobel de física en 1909.

Edwin Howard Arms-trong (1890-1954)

Ingeniero eléctrico, nació en Nueva York en 1890 y murió en 1954, Armstrong inventó la radio en frecuencia modulada (FM). También inventó el circuito regenerativo.

Joseph Henry(1797-1878)

Físico estadounidense nació en Albany (Nueva York), cono-cido por su trabajo acerca del electromagnetismo, en electro-imanes y relevadores. Fue fundador del Renselaer

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nical Institute. Descubrió la inducción electromagnética des-pués de Faraday. Descubrió el telégrafo en 1831. A la unidad de inductancia se le llamó Henrio en su honor.

Composición de la materia

La materia según el diccionario es cualquier substancia extensa e impenetrable, sus-ceptible a toda clase de formas y por supuesto ocupa un lugar en el espacio; por ejemplo la tierra, el sol, el mar, etc. La palabra materia deriva del latín mater, madre. Se encuen-tran en tres estados: sólido, líquido y gaseoso. Cualquiera que sea su estado físico está formado por partículas denominadas moléculas. Las moléculas están constituidas por combinaciones de tipos diferentes de partículas mucho muy pequeñas llamadas áto-mos. Un átomo es la menor cantidad de un elemento químico que tiene existencia pro-pia, y que no es posible dividir mediante procesos químicos.

Los átomos están formados por un núcleo que contiene dos tipos de partículas: proto-nes, los que tiene carga eléctrica positiva y los neutrones sin carga eléctrica. Ambas partículas tienen una masa similar. Alrededor del núcleo se encuentran los electrones que tienen carga eléctrica negativa y una masa mucho más pequeña que la de los protones y neutrones.

Para comprender de una manera más clara lo que es el átomo, se puede hacer una semejanza con el sistema planetario en el que el núcleo está en el centro y los electro-nes giran a su alrededor. En este caso los planetas giran en trayectorias establecidas alrededor del sol, estas trayectorias reciben el nombre de órbitas. En los átomos se cuenta con un núcleo alrededor del cual se desplazan en órbitas definidas, pequeñas partículas que son los protones, electrones y los neutrones.

La acumulación de electrones en un cuerpo caracteriza la carga eléctrica del mismo y son numerosos a pesar de que los electrones libres constituyen una pequeña parte del número de electrones presentes en la materia.

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El núcleo de cada átomo está formado a su vez por protones y neutrones. Lo podemos imaginar como un racimo de partículas, pues neutrones y protones se encuentran en contacto unos con otros.

Los electrones tienen carga eléctrica negativa (-e), los protones la misma carga, pero positiva (+e), y los neutrones no tienen carga. Los núcleos son por consiguiente positi-vos. La fuerza fundamental que mantiene a los electrones unidos a su respectivo núcleo es la eléctrica; sabemos que cargas opuestas se atraen y cargas del mismo signo se repelen.

Figura 1.1 Imagen del átomo.

Fuente: Floyd Thomas (2005). Dispositivos electrónicos. Editorial Limusa, México, 28.

Los átomos se componen de neutrones, que son eléctricamente neutros, protones que están cargados positivamente y electrones que tienen carga negativa. Los protones y neutrones constituyen casi toda la masa de un átomo, éstos residen en el núcleo ató-mico, cuyo tamaño es infinitesimalmente pequeño (tabla 1.1).

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Los átomos normalmente son eléctricamente neutros, pues el número de electrones orbitales es igual al número de protones en el núcleo. A este número se le denomina número atómico, se representa con la letra Z (del alemán: Zahl, que quiere decir

nú-mero) y distingue a los elementos químicos. Ahora bien, los electrones orbitales se

en-cuentran colocados en capas. La capa más cercana al núcleo es la capa K; le siguen la capa L, la M, la N y así sucesivamente.

Una clasificación de los elementos la constituye la tabla periódica, en que a cada ele-mento se le asocia su correspondiente Z (véase la figura 1.2). En la tabla 1.1 se dan ejemplos de algunos elementos ligeros, incluyendo el número de electrones que co-rresponde a cada capa; la capa K se llena con 2 electrones, la L con 8, etc.

Tabla 1.2 Configuración electrónica de los elementos

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Se conocen más de 100 elementos. Nótese que nombrar el elemento equivale a esta-blecer su número atómico.6 Si por algún proceso físico un electrón se separa de su átomo correspondiente, se dice que sucede una ionización. El átomo resultante, ahora con una carga neta positiva, se llama ion positivo, o átomo ionizado. La ionización puede tener lugar en cualquiera de las capas atómicas, denominándose ionización K, L y M. Cuando sucede una ionización de capa interna, como la K, queda un espacio vacante en la capa. El átomo tiene la tendencia entonces a llenar este lugar con un electrón de una capa externa. Al suceder esto, hay una emisión de radiación electro-magnética (luz visible, rayos ultravioleta, o rayos X), como lo muestra la figura 1.2.

Figura 1.2 Posible ionización en la capa K, un electrón de la capa L.

Fuente: bibliotecadigital. Íbid, p.3.

Los electrones en las orbitas más alejadas del núcleo están débilmente ligados al núcleo como es el caso de M que los más cercanos al núcleo, debido a la fuerza de atracción entre el nú-cleo cargado positivamente y los electrones cargados negativamente disminuye al aumentar la

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distancia. Cuando un átomo absorbe energía de una fuente calorífica o de la luz los niveles energéticos de los electrones se elevan, es lo que se llama ionización.

1.2 Conceptos de magnitudes eléctricas

Carga eléctrica

La carga eléctrica es una propiedad física intrínseca de algunas partículas, que las ca-racteriza y por la cual sufren la interacción electromagnética, lo constituye el electrón y protón. Al ser de una unidad tan pequeña, se establece como unidad de carga eléctrica el coulomb ( q ), que equivale a la carga de 6.23 x 1023 _{electrones; pero es 1840 veces}

más ligero que el protón. Los electrones son más fáciles de mover. Se ha dicho que los electrones giran en órbitas alrededor del núcleo de un átomo y tienen cargas eléctricas negativas.

Figura 1.3 Niveles energéticos y distancia al núcleo.

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Ley de las cargas eléctricas

El estudio de las cargas eléctricas en reposo recibe el nombre de electrostática, la elec-tricidad es una forma de energía llamada energía estática, es una energía almacenada que puede ser aprovechada en cualquier momento para hacer un trabajo.

Las cargas eléctricas dan lugar a lo que se conoce como campo eléctrico, lo cual se puede manifestar experimentalmente. Debido a la forma en que interactúan estos cam-pos, las partículas cargadas pueden atraerse o repelerse entre sí. La ley de las cargas eléctricas establece que las partículas que tienen cargas del mismo signo se repelen y las que tienen cargas diferentes, se atraen.

Ley de Coulomb

En 1736 nace un hombre de ciencia llamado Charles Augustin (Carlos Agustin) de Coulomb quien experimentó con cargas electrostáticas formuló la ley de atracción elec-trostática, que se conoce Ley de Coulomb: “La fuerza que se ejerce entre dos cuerpos cargados de electricidad separados por aire, es directamente proporcional al producto de las dos cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia existente entre ellos”

Si se consideran dos cargas q1 y q2, concentradas en dos puntos separados por aire y a la distancia d, la ley de Coulomb se expresa por

22 donde:

F = magnitud de la fuerza (electrostática) entre las cargas eléctricas q1 y q2 en N

k = constante de proporcionalidad (en vacío es 9x109₎

q1, q2 = cargas eléctricas de las dos partículas en Coulomb (q )

d = distancia de separación entre los cuerpos o partículas en metros ( m )

Energía del electrón

Se ha dicho que todos los electrones tienen carga negativa, pero no todos los electrones tienen el mismo nivel de energía. Los electrones orbitan al núcleo a ciertas distancias de él. Los electrones cercanos al núcleo poseen menos energía que los que orbitan más distantes. Cuanto más lejanas estén las órbitas electrónicas del núcleo, mayor será su energía.7_{Cada distancia discreta (órbita) al núcleo corresponde a un cierto nivel}

ener-gético. En un átomo las órbitas se agrupan en bandas magnéticas conocidas como ca-pas. Un átomo dado posee un número fijo de capas, cada capa tiene un número máximo fijo de electrones en niveles energéticos permisibles (órbitas). Las diferencias en niveles energéticas dentro de una capa son mucho menores que las diferencias en energía entre las capas.

Conductores y aislantes

Para que pueda existir una corriente eléctrica a través de un conductor se debe a la posibilidad de que los electrones periféricos de sus átomos pueden dejar el átomo de-bido a alguna influencia externa. Y la facilidad para que esto ocurra depende de lo ale-jado del núcleo que estén los electrones periféricos, ya que la fuerza de atracción que ejerce el núcleo sobre ellos disminuye con la distancia. Los materiales son los mejores conductores de electricidad cuando menos electrones periféricos tengan sus átomos y más alejados se encuentran del núcleo en general los que tienen muchos electrones libres. Los átomos de los conductores tienen sólo 1 o 2 electrones de valencia.

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Los conductores pueden dividirse en tres clases: metálicos, electrolíticos y gaseosos. Los mejores conductores son los metálicos entre los que se encuentran el oro, la plata, el cobre y aleaciones. Entre los conductores electrolíticos están las soluciones de áci-dos, bases y sales. Los electrolíticos tienen una conductividad variable, pero sólo en el sentido electrolítico.

Los materiales aislantes de la electricidad, aquellos que debido a su estructura atómica no dan lugar a una circulación ordenada de electrones y prácticamente no permiten el paso de la corriente de allí el término aislante.8_{Como ejemplo se puede mencionar el}

vidrio, la cerámica y los plásticos. Se puede decir que un conductor eléctrico es un ma-terial que ofrece pequeña o nula resistencia al paso de los electrones y un aislante

eléc-trico es el que presenta resistencia a la corriente eléctrica.

Ley de ohm

La importancia que tiene la electricidad en nuestra vida individual y colectiva se ha hecho tan evidente que no es preciso ponderarla. Desde hace mucho tiempo ciudades y pueblos enteros por pequeños que sean necesitan energía eléctrica para su alum-brado, sus transportes, su abastecimiento de agua, sus ascensores, sus comunicacio-nes, para la industria, incluyendo automóviles no pueden funcionar sin energía eléc-trica para el encendido.

La energía eléctrica se puede transportar económicamente a grandes distancias para utilizarla donde sea más conveniente, como en los centros de población, en los trenes eléctricos, en las fábricas y en los centros industriales. El uso que se le da a la energía es muy variado, se puede usar en maniobras de ascensores, accionamiento de má-quinas eléctricas, hornos eléctricos y la iluminación. Los numerosos usos y aplicacio-nes de la electricidad pueden conseguirse solo si se posee un conocimiento completo de las leyes de la corriente eléctrica, sus relaciones con el magnetismo, así como la manera de producirla y de obtener efectos electromecánicos y electroquímicos.

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A principios del siglo XIX, el físico alemán Georg Simón Ohm realizó muchos experi-mentos sobre la electricidad, hizo varios descubrimientos importantes acerca de la resistencia eléctrica. En su honor, la unidad de resistencia se le ha llamado ohm. Se dice que un conductor tiene una resistencia de un ohm cuando una fuerza electromo-triz (fem) de 1 volt produce el flujo de una corriente de 1 ampere a través de ese con-ductor.

La ley de Ohm constituye el fundamento del cálculo de los circuitos eléctricos y elec-trónicos. Por medio de esta ley se pueden calcular la resistencia, la corriente y la ten-sión o voltaje.

Resistencia eléctrica

La corriente eléctrica que circula por un conductor no depende solamente de la fuerza electromotriz aplicada en sus terminales, sino también de las propiedades del mismo. Por ejemplo si un conductor de cobre se conecta a las terminales de una pila se pro-duce una corriente a lo largo del conductor. Si hay un contacto deficiente en una de las terminales de la pila la corriente será menos intensa, aun cuando la fuerza electro-motriz (fem) o tensión permanece constante. También en el punto del contacto defi-ciente habrá disipación de calor. Del mismo modo si se intercala una lámpara incan-descente en el circuito formado por el conductor de cobre, el filamento de la lámpara se calentará y podrá ponerse incandescente; la corriente en el circuito disminuirá. En ambos casos, el calor se manifiesta especialmente en los puntos en que están inter-calados los elementos que son peores conductores. También en ambos casos dismi-nuye la corriente por el hecho de haber intercalado un medio menos conductor, siem-pre que la fem permanezca constante.

Esta propiedad del circuito eléctrico que tiende a oponerse a la corriente y que al mismo tiempo es causa de transformación de la energía eléctrica en calor recibe el nombre de resistencia.

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La corriente eléctrica

El movimiento de electrones libres o en movimiento es lo que se llama corriente eléc-trica, la que produce luz y calor, además de que proporciona la energía eléctrica para hacer funcionar los motores, calefactores, calefactores, radios, televisores, etc.; de la misma manera que ocurre con la fuerza magnética, no nos resulta visible, pero su existencia queda claramente manifiesta por los efectos que produce.

La corriente o intensidad eléctrica es el movimiento o flujo de carga por unidad de tiempo que recorre un material y se puede definir de la siguiente manera: “es la circu-lación ordenada de electrones libres a través de un conductor”. Para que este movi-miento se lleve a cabo es necesario disponer de una fuerza electromotriz o tensión que impulse a los electrones para hacerlos fluir:

1) Establecer previamente el recorrido que seguirán estos electrones en el cir-cuito eléctrico.

2) Definir los usos a los cuales se destinará el flujo eléctrico y colocar los ele-mentos necesarios en el recorrido que realizará este flujo para aprovecharlo. El instrumento usado para medir la intensidad de la corriente eléctrica es el galvanó-metro, calibrado en amperes, se llamaampérmetro, colocado en serie con el conductor cuya intensidad se desea medir.

Las unidades de medida de la corriente eléctrica se le designa ampere y se abrevia con la letra I. Cuando esta unidad es muy grande se utiliza el miliampérmetro que es una milésima de ampere o el microampere que es una millonésima de ampere. La resistencia de un conductor determina cuanta corriente fluirá a través del conductor cuando se conecta a una fuente de tensión. Hay que tomar en cuenta en relación con el flujo de corriente. Uno de ellos es la resistencia del conductor permita el flujo de cierta cantidad de corriente, no pueda fluir más corriente de la que la fuente pueda emitir o transportar. Las fuentes tienen un límite de seguridad de corriente máxima que pueden alimentar o transportar antes de que se queme el conductor.

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El segundo factor que debe considerase es la cantidad de corriente que el conductor pueda transmitir sin peligro; tomar en cuenta que la corriente eléctrica calienta el con-ductor y la cubierta aislante puede dañarse y hasta quemarse totalmente.

Fuerza electromotriz o tensión(fem)

Para conseguir que la corriente circule entre dos puntos es necesario que exista una diferencia de potencial, se puede llamar fuerza electromotriz o tensión (fem). La fuerza electromotriz es la energía que proviene de cualquier fuente, medio que suministre corriente eléctrica. Para ello se requiere que exista una diferencia de potencial entre dos puntos o polos, uno positivo y otro negativo. La unidad de esta fuerza es el volt. También puede designarse fuerza electromotriz como una presión o una tensión eléc-trica. Se utiliza el término baja tensión las mediciones que se hacen a todos los equipos conectados en baja tensión. Existen tensiones o voltajes de media y alta tensión que se verá más adelante.

1.3 Circuito eléctrico

Un circuito eléctrico es un conjunto de elementos que unidos de forma adecuada per-miten el paso de electrones.

Los generadores son dispositivos o elementos capaces de mantener una diferencia de potencial entre los extremos de un conductor, dentro de estos se encuentran las plantas de generación, acumuladores (corriente continua), subestaciones eléctricas, líneas de transmisión y distribución, protecciones eléctricas, interruptores, transforma-dores de potencia y de distribución, entre otros.

Se ha mencionado que en el estudio de la electricidad se considera principalmente la producción, la transmisión y la distribución de la energía eléctrica. Algunos suelen tratar la electricidad en reposo, llamada también electricidad estática, es la electricidad en movimiento o sea la corriente eléctrica, la que más importancia tiene en

electro-27

tecnia. Si se desea conocer la potencia consumida en una parte de un circuito eléc-trico, sólo es necesario intercalar un ampérmetro para medir la corriente en esa parte del circuito, y aplicar un vóltmetro para medir las tensión a los extremos de esa parte del circuito; el producto de la lectura del ampérmetro por la lectura en el vóltmetro da directamente la potencia en watt.

Debido a la semejanza de las corrientes de agua con las corrientes eléctricas, muchas veces nos valemos de ellas para comprender lo relativo a la circulación de la corriente

Figura 1.5 Circuito eléctrico

Fuente: elaboración del autor.

en los conductores eléctricos.9_{Cuando se considera el flujo de electricidad deben} te-nerse siempre en cuenta tres factores:

1. Corriente de flujo de electricidad a lo largo de un conductor. 2. Tensión, lo que causa la circulación de la corriente.

3. Resistencia, lo que se opone a la circulación de la corriente.

1.4 Medición de magnitudes eléctricas

La importancia de los instrumentos eléctricos demediciónes muy satisfactoria, ya que mediante el uso de ellos se miden e indican magnitudes eléctricas, como corriente, carga, potencial y energía, o las características eléctricas de loscircuitos, como la re-sistencia, la capacidad, la capacitancia y la inductancia. Además permiten localizar las

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causas de una operación defectuosa en aparatos eléctricos en los cuales, no es posi-ble apreciar su funcionamiento en una forma visual, como en el caso de un aparato mecánico.

Figura 1.6 Circuito eléctrico (existe resistencia, corriente y tensión)

Fuente: apuntes del autor.

La información que suministran los instrumentos de medición eléctrica se da normal-mente en una unidad eléctrica estándar: ohm, volt, ampere, coulomb, henry, farad, watt, joule, etc.

Si se desea determinar la tensión necesaria para hacer circular una corriente a través de un conductor, se utiliza la ley de Ohm de la siguiente forma.

Tensión en volt( V ) = corriente en ampere( A ) x por resistencia en ohm( ohm)

1.5 Conceptos básicos de las leyes de Ohm, Kirchhoff,

Lenz, Faraday y Watt

Ley de Ohm. Corriente

La corriente en un circuito es igual al cociente entre la tensión y la resistencia.

Corriente en ampere( A ) = Tensión en volt( V ) / resistencia en ohm( R )

Ley de Ohm. Tensión

Si se desea determinar la tensión necesaria para hacer circular una corriente a través de un conductor, se utiliza la ley de Ohm de la siguiente forma.

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Ley de Ohm. Resistencia

A veces se desea limitar la corriente en un aparato a cierto valor, si se conoce la co-rriente y se conoce la tensión, se utiliza la ley de Ohm para calcular la resistencia.

Resistencia en ohm(R) = Tensión en volt( V ) / corriente en ampere( A )

La ley de Ohm se usa en las tres formas no es propiamente una ecuación matemática, es una proporción y podemos memorizarlos fácilmente, utilizando una forma diagra-mática donde se oculta el símbolo que se desea encontrar.

Figura 1.7 Ley de Ohm

E= tensión en volt I = corriente en ampere R = resistencia en ohm

Fuente: elaboración del autor.

Leyes de Kirchhoff

Las leyes Kirchhoff fueron enunciadas por primera vez en 1845 por el físico alemán Gustav Robert Kirchhoff, se basan en la conservación de la energía y la carga en los circuitos eléctricos y son utilizados ampliamente en ingeniería eléctrica.

Cuando se conectan entre sí dos o más elementos simples de circuito, se origina un conjunto que recibe el nombre de red. Si esa red contiene por lo menos un camino cerrado, entonces recibe el nombre de circuito. Si por otro lado, una red contiene una o más fuentes de tensión o de corriente, recibe el nombre de red activa.

Para realizar el análisis de un circuito, la determinación de las relaciones entre tensiones y corrientes en cada uno de los elementos que lo constituyen, se considera que los conductores que conectan entre sí a los elementos tienen resistencia nula y que los elementos son concentrados. Las leyes mencionadas reciben el nombre de ley de los nodos y ley de las mallas.

E

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La ley de los nodos de Kirchhoff

Establece que: “la suma algebraica de las corrientes que entran a un nodo cualquiera

de un circuito, es igual a cero en cualquier instante”, matemáticamente de la siguiente

manera:

∑

I

I

En el nodo de la figura 1.9 se ve que entran las corrientes i1, i2, i3 e i4

En esta ecuación implica que necesariamente algunas de las corrientes tienen signo negativo o, en otras palabras, un sentido de circulación contrario al que se muestra en la figura 1-9, pues el nodo no puede estar almacenando carga, ni ésta puede estarse destruyendo. Por convención, se asignará un signo positivo a las corrientes que entran al nodo y negativo a las que salen.

Figura 1-8 Ley de Kirchhoff de nodos.

Fuente: elaboración del autor.

La ley de las tensiones de Kirchhoff

Esta ley establece que: “la suma algebraica de las tensiones en el circuito, cualquiera

que sea la naturaleza de los componentes, para un instante cualquiera, calculadas al recorrer un camino cerrado cualquiera, es igual a cero”.

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Σ i_n = i₁ + i₂ + i₃ + i₄ = 0

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Figura 1-9 Ley de Kirchhoff de tensiones.

Fuente: Serway (1997). Electricidad y magnetismo, editorial Mac Graw Hill. México, p.41

Considerando el circuito de la figura 1-10 constituido por cuatro resistencias y una fuente. En este circuito se pueden establecer tres caminos cerrados diferentes. El pri-mero formado por la fuente y las resistencia R1, R2 y R3; el segundo formado por la

fuente y por las resistencias R1, R2 y R5 y el tercero, formado por R3 y R5.

Para cada camino cerrado o malla, se puede considerar una corriente ficticia, llamada corriente de malla, que se supondrá circulando a través de todos los elementos que constituyen cada malla.

Las corrientes que circulan realmente a través del circuito son las corrientes de rama, cuya relación con las corrientes de malla es simple. Si la rama es externa Ambas co-rrientes son iguales como en el caso de las resistencias R1 y R5 del circuito de la citada

figura 1-10. Si la rama pertenece a dos mallas adyacentes, la corriente de rama es igual a la suma algebraica de las corrientes de las dos mallas, como es el caso de la resis-tencia R3 de ese mismo circuito.

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Figura 1-10 Ejemplo Ley de Kirchhoff de tensiones.

Fuente: González Aguilar F. (1987) Introducción al análisis de circuitos, editorial Limusa, México,p.66.

Ley de Lenz

De acuerdo con los trabajos de Faraday, Heinrich Friederich Lenz, estableció en el año de 1833 una relación que resulta básica en la transformación de la energía elec-tromecánica. Lenz plantea que las tensiones inducidas serán de un sentido tal que se oponga a la variación del flujo magnético que las produjo.

El flujo de un campo magnético uniforme a través de un circuito plano viene dado por:

donde:

Φ = Flujo magnético. La unidad en el SI(sistema internacional) es el weber (Wb).

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B = Inducción magnética. La unidad en el SI(sistema internacional)es el tesla

(T).

S = Superficie del conductor.

α = Ángulo que forman el conductor y la dirección del campo.

Figura 1.11 Un imán que se mueve hacia el lazo conductor estacionario induciendo corriente en a y b.

Fuente: Serway A. Raymond (2001).Ibíd., p.269.

En la figura 1.11, cuando el imán se mueve hacia el lazo conductor estacionario, se in-duce una corriente en la dirección que se señala(a). La corriente inducida proin-duce su propio flujo hacia la izquierda para contrarrestar el flujo externo creciente hacia la de-recha.

La ley de Lenz, se puede enunciar: “Un cambio en la corriente produce una fuerza

elec-tromotriz (Fem), cuya dirección es tal que se opone al cambio de la corriente”.10

Ley de Faraday

El físico y químico británico Michael Faraday en sus estudios de electromagnetismo y electroquímica, descubrió el efecto de la inducción electromagnética. Ha servido de base para la construcción de generadores y motores eléctricos. En 1831 Faraday expe-rimentó que cuando un conductor que forma un circuito cerrado se mueve por algún

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medio mecánico, en un campo magnético, un voltaje se produce de alguna manera y este produce una circulación de corriente.

En base a este descubrimiento sobre la inducción electromagnética se le dio el nom-bre ley de Inducción de Faraday, y puede escribirse con la fórmula:

Figura 1.12 Campo magnético en un circuito cerrado.

Fuente:Serway A. Raymond (2001) op. Cit., p.262.

Esta ecuación señala que que el voltaje inducido es directamente proporcional a la ve-locidad con la que cambia el flujo magnético que atraviesa una superficie con el circuito como borde. Cuando se energiza un conductor, la corriente crea un campo magnético, esto es una consecuencia del principio de la conservación de la energía.

De acuerdo con las investigaciones de Faraday, se supo también el hecho de que el magnetismo se puede generar por una corriente eléctrica que pasa a través de una bobina y que los polos iguales de un imán se repelen, en tanto los contrarios se atraen. Estos fenómenos, asociados a ciertas reglas y leyes eléctricas, constituyen la base para el estudio de los generadores y motores eléctricos. La ley de Faraday se puede enunciar como “el voltaje inducido en una espira o bobina de un conductor, es proporcional al índice de cambio de las líneas de fuerza que pasan a través de una bobina”.11

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Potencia y energía eléctrica

La potencia eléctrica se puede definir como la capacidad de realizar un trabajo que tiene la electricidad. La energía puede ser aplicada o gastada en una forma lenta o bien puede suceder que dicha energía se manifieste en su totalidad de una manera violentísima, en cuyos dos casos se producen dos magnitudes de potencia, si las cantidades de energía puestas en juego son iguales.

Para establecer las características de un aparato eléctrico, se acostumbra a dar, no solamente el valor de la tensión sino también el valor de la energía que consume o produce. Este valor de energía consumida por unidad de tiempo se llama potencia y se mide en watt o kilowatt. Cuando se hable de una lámpara de 100 watt con una tensión de 120 volt. En los aparatos electrodomésticos la mayor o menor energía que consu-men, se expresa por el término de potencia, ya se dijo que la unidad es el watt.

También se pueden obtener otro tipo de energía, por ejemplo la energía mecánica para mover las turbinas de una planta hidroeléctrica, además el agua que se encuen-tra almacenada en las presas posee capacidad de realizar un encuen-trabajo. En las plantas de combustión interna, también se realiza trabajo mecánico, y por medio de la com-bustión se convierte en energía.

Figura 1.13 Relaciones de Faraday.

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Diferentes expresiones de la potencia

Así como la ley de Ohm, puede expresarse en tres formas: 1) I = E/R, 2) E = IR, 3) R = E/I, También puede expresarse con la ecuación de potencia P = IR, puede te-ner tres formas como se indica a continuación:

- Como E = IR, puede sustituirse en la ecuación de P = IE, obteniéndose P = I ( IR ) = I2 _R

- En forma similar, debida a que I = E/R, puede sustituirse en la misma ecuación y se tiene:

P = (E/R) E = E2 _{/ R}

- Estas tres ecuaciones son las diferentes expresiones de la potencia: P = E/R = I2 _{R = E}2 _{/ R}

Conociendo estas fórmulas, se ahorra trabajo matemático, aplicando directamente la fórmula adecuada a cada problema. Si se conoce la tensión y la corriente se aplica la fórmula P = E/R; cuando se conoce la corriente y la resistencia se aplica I2 _{R; y cuando}

se conoce la tensión y la resistencia se aplica E2 _{/ R.}

Determinación de la potencia eléctrica en un circuito eléctrico

Si se desea conocer la potencia consumida en un circuito o una parte de un circuito eléctrico, lo que se hace es intercalar un ampérmetro para medir la corriente en ese circuito o en esa parte del circuito y aplicar un vóltmetro para medir la tensión a los ex-tremos de esa parte medida; el producto de la lectura del ampérmetro por la lectura en el vóltmetro da directamente la potencia en watt. Esto en forma de ecuación se esta-blece:

Watts (consumida en el circuito) = volt (aplicados al circuito) x los ampere (la corriente en el circuito).

Las mismas precauciones que se toman para aplicar la ley de Ohm deben tenerse al aplicar la fórmula de la potencia, es decir, que la tensión y la corriente deben medirse en esa parte o en todo ese circuito.

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Kilowatt y caballo de vapor

Debido a que el watt es una unidad demasiado pequeña para expresar conveniente-mente la potencia útil de las máquinas modernas, se utiliza generalconveniente-mente una unidad mil veces mayor igual a 1000 watt llamada kilowatt.

Trabajo

Si se desea obtener el trabajo desarrollado por una máquina es necesario conocer el tiempo que ha funcionado y la potencia que ha estado desarrollando. Si la potencia se mide en caballos-vapor y el tiempo en horas, el trabajo se medirá en caballos-hora y es el producto de los caballos-vapor por las horas.

Ahora si la potencia se mide en kilowatt y el tiempo en horas, el trabajo se medirá en kilowatt-horas y es el producto de los kilowatt por las horas.

Cuando una persona utiliza energía para funcionar su fábrica, debe pagar no solamente por la potencia utilizada, sino también de acuerdo con el número de horas que utilice esa potencia.

Energía eléctrica y energía térmica

La corriente eléctrica que circula por una resistencia produce una pérdida de energía en forma de calor. En los aparatos eléctricos proyectados como calentadores esta energía eléctrica transformada es útil y deseable. En otros aparatos las corrientes eléctricas se utilizan para producir movimiento, como en los motores eléctricos; para producir luz como en una lámpara. Todos estos aparatos tienen resistencia eléctrica, así también en los conductores conectados a ellos, por lo que la corriente desarrollará calor en ellos además del movimiento mecánico o de iluminación. Como resultado se tiene que nin-guno de estos aparatos transforma totalmente la energía que recibe de la línea; parte de la misma se pierde en calor. Este calor se produce al vencer la resistencia eléctrica, así como se produce calor en una máquina al vencer la fricción mecánica.

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Unidades de calor

La energía eléctrica puede transformarse en energía mecánica o térmica, las unidades de energía eléctrica pueden ser reducidas a unidades de calor o a unidades mecánicas. La unidad corriente de energía térmica es la caloría. Una caloría es la unidad de calor necesaria para elevar la temperatura de un gramo de agua en un grado centígrado (1°C).

El calor que se genera debido a la corriente que circula por un conductor, se puede medir por el aumento de temperatura de una determinada cantidad de agua; de esta forma se puede determinar que un watt-segundo de energía eléctrica es equivalente a 0.24 calorías. Quiere decir que una corriente de un ampere en una resistencia de un ohm producirá un calentamiento suficiente como para elevar la temperatura de un gramo de agua en 0.24°C. En forma de expresión la ecuación queda de la siguiente forma:

Q = 0.24 I2 _{R t.} Q = calor en calorías. I = corriente en ampere. R = resistencia en ohm. t = tiempo en segundos. Si I2 _{R = watt}

Entonces Q = I2 _{R t = watt-segundo o joule.}

Al factor 0.24, se le conoce como equivalente térmico de la electricidad.

Unidades de potencia y de trabajo

Se ha escrito las unidades de trabajo y de potencia de uso más común en mediciones eléctricas, mediciones de calor y mediciones mecánicas. Es necesario establecer las relaciones entre las unidades a fin de recordar los conocimientos adquiridos.

Primeramente se debe entender con claridad y precisión cuáles son las unidades de potencia y cuáles son las unidades de trabajo o energía. Las unidades de potencia son las mostradas en la figura 1.14.

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Figura 1.14 Círculo de memoria para usar las leyes de Ohm y Watt.

Fuente: Harper Enrique (2009). Manual del instalador electricista, editorial Limusa. México, p. 45.

Tabla 1.3 Equivalencias

Unidades de potencia

a Eléctricas Watt

kilowatt = 1000 watt (kW)

b Mecánicas kilográmetro/segundo

Caballo de vapor = 75 kgm/segundo (CV)

c Térmicas Caloría/segundo

BTU/segundo = 252 calorías/segundo

Unidades de trabajo o energía

a Eléctricas Watt/segundo

kilowatt-hora

b Mecánicas kilográmetro

Caballo-hora

c térmicas Caloría

Unidad térmica inglesa

Algunas equivalencias más útiles

a kilowatt 1.36 caballos-vapor b Watt-segundo 0.24 calorías c BTU 252 calorías

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1.6 Aplicaciones de los conceptos básicos de electricidad

Electrostática

La materia que nos rodea está formada por átomos. Los átomos a su vez están forma-dos por partículas distribuidas en el núcleo y la corteza. En el núcleo nos encontramos con los neutrones (partículas sin carga y con masa) y protones (partículas con carga positiva y masa).En la corteza girando alrededor del núcleo se encuentran a los elec-trones (partículas con masa despreciable y carga negativa).Cuando el número de pro-tones y electrones es el mismo tenemos átomos neutros, mientras que si el número de ambos no coincide tenemos iones, átomos cargados. Estos iones pueden ser:

 Iones positivos. El número de protones es mayor que el número de electrones.

 Iones negativos. El número de electrones es mayor que el número de protones. Con anterioridad se ha mencionado que la corriente eléctrica es el movimiento de elec-trones libres y según el tipo de desplazamiento diferenciamos entre corriente continua (cc) y la corriente alterna (ca).En la corriente continua los electrones se desplazan siem-pre en el mismo sentido y en la corriente alterna los electrones cambian de sentido en su movimiento 50 veces por segundo en el caso europeo y 60 veces por segundo en América (México). El movimiento descrito por los electrones en este caso es sinusoidal.

Figura 1.15 Representación fasorial de una onda senoidal.

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Magnitudes básicas

Por magnitud física entendemos cualquier propiedad de los cuerpos que se puede me-dir o cuantificar. En los circuitos eléctricos tenemos:

Voltaje o tensión eléctrica. Energía por unidad de carga que hace que éstas circulen por el circuito. Se mide en volt (V).

Intensidad. Número de electrones que atraviesan la sección de un conductor en la uni-dad de tiempo. Se mide en ampere (A).

donde: q es la carga y t el tiempo.

El ampere es una unidad muy grande equivalente al paso de 6.24 x1018 _{electrones por}

segundo.

Resistencia: Mide la oposición que ofrece un material al paso de corriente eléctrica. Se mide en Ohm.

La resistencia que ofrece un material al paso de corriente eléctrica viene determinada por su longitud, su sección y sus características según la ecuación:

donde: R = resistencia en ohm( Ω ). L = longitud en metro (m).

Ƿ = resistividad del cobre en ohm x metro ( Ω x m). S= área de la sección transversal del conductor en m2_.

A menudo es más conveniente pensar en términos de paso de la corriente eléctrica en vez de la resistencia, y por ello la cantidad conductividad eléctrica δ se define como el recíproco de la resistividad eléctrica.

Las unidades para la conductividad eléctrica son (ohm x metro)-1 _{= Ω x m}-1 _{.La unidad}

del Sistema Internacional (SI) para el recíproco del ohm el siemens.

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Conductores. Permiten el paso de corriente eléctrica, metales y agua.

Aislantes. No permiten el paso de corriente eléctrica, madera, plástico, entre otros.

Ley de Ohm

Ohm realizó numerosos experimentos analizando los valores de estas tres magnitudes observando que si aumentaba la resistencia manteniendo fija la intensidad, aumentaba el voltaje. Si aumentaba la intensidad manteniendo fija la resistencia, aumentaba el vol-taje. Es decir la resistencia y la intensidad son directamente proporcionales al volvol-taje. Estos experimentos llevaron a Ohm a enunciar su ley para el cálculo de las magnitudes básicas de un circuito eléctrico de la siguiente forma:

V = I · R

donde V = voltaje o tensión eléctrica I = corriente eléctrica.

R = resistencia eléctrica.

Instrumentos de medida

Para medir las diferentes magnitudes eléctricas, existen instrumentos específicos siendo los más utilizados el vóltmetro, el ampérmetro.

Vóltmetro. Mide el voltaje o tensión eléctrica. El aparato se conecta en paralelo con el componente o generador cuya tensión se quiere medir. La resistencia interna del apa-rato es muy alta de modo que a través de él casi no circula corriente. Suele tener varias escalas, volt o milivolt siendo preciso elegir la escala adecuada a la tensión que se va a medir. Si trabajamos con tensiones muy elevadas debemos tener cuidado para no da-ñarlo. El aislamiento del aparato no es adecuado para voltajes elevados.

Ampérmetro. Mide la intensidad de la corriente. Se conecta en serie con el circuito. La resistencia interna del aparato es muy pequeña por lo que apenas afecta a la corriente del circuito. También aquí debemos seleccionar la escala adecuada a la intensidad que vamos a trabajar. Si conectamos el aparato en paralelo podemos dañarlo.

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Circuito serie. Es una configuración de conexión en la que los bornes o terminales de los dispositivos generadores, resistencias, condensadores, interruptores, entre otros) se conectan secuencialmente. La terminal de salida de un dispositivo se conecta a la terminal de entrada del dispositivo siguiente.

Las cuatro resistencias conectadas en serie de la figura 1.16 tienen la misma corriente I. el voltaje en todo el circuito es la suma de los voltajes individuales. Una resistencia única equivalente Req remplaza a las cuatro resistencias:

V = V1 + V2 + V3 + V4

IReq = I (R1 + R2 + R3 +R4)

Req = R1 + R2 + R3 + R4

Figura 1.16 Resistencias conectadas en serie

Fuente: elaboración del autor en base a los apuntes de clase.

Circuito paralelo. Es una conexión donde todos los componentes tienen la misma tensión o voltaje. En los circuitos en paralelo existen uno o más puntos donde la co-rriente se divide y sigue trayectorias diferentes. La coco-rriente que circula por cada uno de los componentes depende del valor de la resistencia del conductor. La resistencia equivalente de un circuito en paralelo es siempre menor que la resistencia más baja que haya en el circuito.

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Figura 1.17 Resistencias conectadas en paralelo.

Fuente: elaboración del autor en base a los apuntes de clase.

En una conexión de cuatro resistencias en paralelo figura 1.17, la corriente total es la suma de las cuatro corrientes individuales.

I = I1 + I2 + I3 + I4

V / Req = V ( 1/R1 + 1/R2 + 1/R3 + 1/R4 )

1/ Req = 1/R1 + 1/R2 + 1/R3 + 1/R4

Figura 1.18 Comparación de circuitos en serie y en paralelo

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Tabla 1.4 Características de circuito serie-paralelo.

Fuente: Mileaf Harry (2005) Electricidad serie 1-7, editorial Limusa. México, p. 2-97.

En la figura 1.18, se observa los circuitos serie en paralelo son una combinación de circuito en serie y circuitos en paralelo. En la tabla 1.3 se describen las características y el comportamiento que adquieren: la corriente, la tensión o voltaje y la resistencia.

Factor de potencia

En la mayoría de los equipos eléctricos que requieren magnetización para su funciona-miento y que los de cargas inductivas como son los transformadores, motores, balas-tros, necesitan de la energía reactiva para su funcionamiento adecuado. Ahorra ener-gía corrigiendo tu factor. Estos equipos mencionados consumen enerener-gía activa, es de-cir es la energía que realiza el trabajo y se mide en kilowatt.

¿Qué es el factor de potencia?

Es un indicadorsobre el correcto aprovechamiento de la energía, de forma general es la cantidad de energía que se ha convertido en trabajo. El factor de potencia puede to-mar valores entre 0 y 1.

Dicho de otra forma:

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Figura 1.19 Triangulo de potencias.

Fuente: elaboración del autor

Es bien importante señalar que además de los incentivos o bonificaciones que tienen contemplado la compañía suministradora por tener un factor de potencia alto, provoca reducción en la capacidad disponible de los transformadores, cables y un alto costo de energía por las pérdidas que ocasiona el sistema.

La solución para reducir pérdidas eléctricas en los cables, transformadores y mejorar el factor de potencia es la instalación de capacitores de potencia en alta o baja tensión asegurando un alto ahorro en el costo de la energía.

Liberación de carga del sistema

La única potencia que crea trabajo es la activa, por lo cual, si el sistema se dedica a transportar potencia reactiva su capacidad se ve disminuida notablemente.

En la figura 1.20 se observa que el tener factor de potencia unitario representa la me-jor opción, además que la compañía suministradora le ofrece una bonificación por te-ner un factor de potencia mayor al 0.9 o 90 por ciento.

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Figura 1.20 Liberación de carga en el sistema.

Fuente: apuntes del autor de General Electric en capacitores RTC.

Como se observa en los diagramas cuando se tiene un factor de potencia unitario, re-presenta la mejor opción. Estos son diagramas esquemáticos de los calibres del con-ducto requerido para transportar la misma cantidad de kilowatt (potencia activa) con diferentes valores de potencia. Reducción del calibre del conductor para transportar los mismos 1000 kW (potencia activa) con valores de factor de potencia de 0.7 a 1.0.

Tabla 1.5 Potencia necesaria del capacitor para corregir el factor de potencia.

48 Resumen, prácticas y preguntas del capítulo 1 Combinación en serie

La corriente que circula por un circuito serie es la misma en todo el circuito.

La tensión a través de una combinación serie es igual a la suma algebraica de las tensiones de cada una de las partes.

La resistencia en una combinación serie es la suma de las resistencias de cada una de las partes.

Combinación en paralelo

La tensión aplicada a una combinación en paralelo es la misma que la tensión en cada una de sus ramas.

La corriente a través de una combinación en paralelo es la suma de las corrientes de todas las ramas.

La resistencia en una combinación en paralelo es menor que la resistencia de la rama menor resistencia. Se encuentra aplicando la ley de Ohm.

La ley de Ohm se puede aplicar a cualquier circuito de la siguiente manera:

a) Los amperes a través de cualquier parte de un circuito son igual a los volts apli-cados a la misma parte del circuito, dividido por los ohm de esa parte del circuito. b) Las combinaciones de los circuitos en serie y en paralelo, pueden separarse en partes más pequeñas y aplicar la ley de Ohm a cada una de las partes, a fin de encontrar la distribución de tensiones, corrientes y resistencias.