ÁREA: INDUSTRIAL ELECTRICIDAD

Á R E A :

E L E C T R I C I D A D

Á R E A : I N D U S T R I A L

E L E C T R I C I D A D

I N D U S T R I A L

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Área: Industrial Curso: Electricidad Edición: Diciembre 2011

Electricidad. ÍNDICE I.1

ÍNDICE

MÓDULO I: CORRIENTE CONTINUA

1.1 Introducción

1.2 Constitución electrónica de la materia 1.3 Ley de Coulomb

1.4 Corriente eléctrica 1.5 Magnitudes eléctricas

1.5.1 Unidades de uso frecuente 1.5.2 Medidores

2. Efectos de la corriente

2.1 Introducción

2.2 Efectos térmicos de la corriente 2.2.1 Densidad de corriente 2.2.2 Unidad de calor 2.2.3 Ley de Joule

2.3 Efectos químicos de la corriente 2.3.1 Pilas 2.3.2 Acumuladores 2.3.3 Impacto ambiental 3. Circuitos eléctricos 3.1 Ley de Ohm 3.2 Componentes de un circuito 3.3 Potencia y ley de Ohm

4. Resistencias

4.1 Introducción

4.2 Acoplamiento serie de resistencias 4.2.1 Resistencia equivalente 4.2.2 Caída de tensión

4.2.3 Potencia absorbida

4.3 Acoplamiento paralelo de resistencias 4.3.1 Resistencia equivalente

4.3.2 Corriente eléctrica 4.3.3 Potencia absorbida

4.4 Acoplamiento mixto de resistencias 4.4.1 Resistencia equivalente

4.4.2 Corriente, caída de tensión y potencia absorbida. 4.5 Acoplamientos especiales

4.5.1 Acoplamiento en estrella 4.5.2 Acoplamiento en triángulo 4.6 Características de las resistencias 4.7 Tipos de resistencias

Electricidad. ÍNDICE I.2 5. Generadores

5.1 Introducción

5.2 Acoplamiento serie de generadores

5.3 Acoplamiento paralelo de generadores

5.4 Acoplamiento mixto de generadores 6. Leyes y Teoremas

6.1 Introducción

6.2 Primera ley de Kirchhoff

6.3 Segunda ley de Kirchhoff

6.4 Teorema de Thevenin 6.5 Teorema de Norton 7. Condensadores Y Bobinas 7.1 Introducción 7.2 Condensadores 7.3 Acoplamiento de condensadores 7.4 Tipos de condensadores 7.5 Bobinas 7.6 Acoplamiento de bobinas 7.7 Tipos de bobinas

MÓDULO II: CORIENTE ALTERNA

8.1 Magnetismo

8.2 Electromagmetismo

8.3 Generador elemental de corriente alterna

8.4 Caracterización de la corriente alterna

8.5 Corriente alterna monofásica

8.6 Efecto producido por una bobina

8.7 Efecto producido por un condensador 9. Circuitos simples de corriente alterna

9.1 Introducción

9.2 Circuito óhmico

9.3 Circuito inductivo

9.4 Circuito capacitivo

9.5 Aplicación de la ley de Ohm

10. Circuitos serie de corriente alterna

10.1 Introducción

10.2 Circuito serie con resistencia y autoinducción

10.3 Circuito serie con resistencia y capacidad

10.4 Circuito serie con autoinducción y capacidad

Electricidad. ÍNDICE I.3 11. Circuitos paralelo de corriente alterna

11.1 Introducción

11.2 Circuito con resistencia óhmica y autoinducción

11.3 Circuito con resistencia óhmica y capacidad

11.4 Circuito con autoinducción y capacidad

11.5 Circuito con resistencia óhmica, autoinducción y capacidad 12. Potencias en circuitos de corriente alterna

12.1 Potencias en circuitos serie

12.2 Potencias en circuitos en paralelo

12.3 Relación entre las potencias

12.4 Factor de potencia

13. Corriente alterna trifásica

13.1. Introducción

13.2. Representación

13.3. Generación

13.4. Tipos de conexión

13.5. Potencias

MÓDULO III: APARATOS DE MEDIDA 14. Instrumentos de medida

14.1 Introducción

14.2 Generalidades sobre los instrumentos analógicos

14.3 Clasificación de los instrumentos de medida

14.4 Instrumentos de uso común 1. Voltímetro 2. Amperímetro 3. Ohmetro 4. Vatímetro 5. Capacímetro 6. Frecuencímetro 7. Fasímetro 8. Multímetro 9. Osciloscopio

CORRIENTE ALTERNA CORRIENTE CONTINUA 1. CORRIENTE ELÉCTRICA 1.1 Introducción

El conocimiento de la electricidad ha permitido, y sigue permitiendo, aplicar sus propiedades y efectos a múltiples elementos de uso cotidiano.

¿Podemos los miembros de esta sociedad imaginar el mundo actual sin iluminación, electrodomésticos, ordenadores, teléfonos móviles, Internet, etc.?. Previsiblemente nadie lo imagine, y bien podemos afirmar que somos una sociedad “eléctrico dependiente”.

Sin embargo, no todos los aparatos o instalaciones necesitan el mismo tipo de electricidad. Unos necesitan pequeñas corrientes continuas, como las que entregan las pilas, y otros necesitan grandes corrientes alternas, como la que entrega la red eléctrica. Por eso los dos módulos de este curso se denominan “corriente continua” y “corriente alterna”.

La mayor parte de la producción y transporte de la corriente es alterna, por lo que se debe transformar en continua, ya que es la que utilizan la mayoría de los aparatos; si bien, la conversión de una a otra es muy fácil con los actuales sistemas electrónicos, como por ejemplo los cargadores de móviles, o las fuentes de alimentación que incorporan ordenadores, televisores, etc…

Se conoce como corriente continua a aquella que siempre va en el mismo sentido y fluye de manera constante.

Por el contrario, la corriente alterna varía su sentido y puede también variar la cantidad de electricidad.

MOLÉCULA DE AGUA

O H

H

1.2 Constitución electrónica de la materia

Empezaremos estudiando, de forma elemental, la constitución electrónica de la materia

(sustancia que ocupa espacio y posee un peso), base de la corriente eléctrica.

Todos los cuerpos o elementos, ya sean estos sólidos, líquidos o gaseosos (una barra de acero, un trozo de madera, un litro de agua, o el aire que respiramos, …), están formados por distintas sustancias, que denominamos materia.

Si la sustancia que conforma la materia es única hablamos de cuerpos simples (hidrógeno, oxigeno, aluminio, ...) y si esta compuesta por dos o más sustancias se conoce como cuerpos compuestos (agua: oxígeno + hidrógeno).

A su vez, es conocido que la parte más pequeña de la materia que conserva sus mismas propiedades es la molécula, que a su vez esta constituida por átomos, que por si solos ya no conservan las propiedades de la materia a la que pertenecen.

Constitución de la materia

Si nos detenemos en el análisis del agua, observamos que sus moléculas están formadas por dos átomos de Hidrógeno (H) y uno de Oxígeno (O).

Materia (Molécula): AGUA

-+

₊

+

Estructura de los átomos

Los átomos poseen una parte central denominada núcleo y por uno o varios niveles de energía (capas) orbitando elípticamente a su alrededor, en las que se mueven partículas que conocemos con el nombre de electrones (partículas cargadas con electricidad negativa). La siguiente imagen representa de dos formas diferentes (a partir de ahora continuaremos con la de la derecha), la estructura de los átomos.

Para la molécula de agua su estructura atómica es la siguiente:

Materia (Molécula): AGUA ÁTOMOS Hidrógeno Hidrógeno Oxigeno

CAPAS 1 1 2

ELECTRONES 1 1 8

A su vez, el núcleo de los átomos está formado por protones (partículas cargadas de electricidad positiva) y neutrones (partículas sin carga eléctrica) cuyas dos características más importantes al igual que las de los electrones son su masa y su carga eléctrica.

La siguiente imagen representa un átomo con 3 protones, 4 neutrones y 3 electrones, de estos 1 es fijo y 2 son electrones libres, los de la última capa. La diferencia entre los electrones fijos y los libres, es que estos últimos pueden saltar de un átomo a otro, mientras que los fijos no pueden hacerlo.

PARTÍCULA MASA (M) (en kilogramos: Kg) CARGA (Q) (en culombios: C) Electrón 9,1091*10-31 -1,602 *10-19 Neutrón 1,6750*10-27 0 Protón 1,6725*10-27 +1,602*10-19

Además de la fuerza gravitatoria entre los electrones y los neutrones existen fuerzas de atracción y repulsión debidas a la carga eléctrica que presentan.

Electrones y protones se repelen entre sí, siendo esta fuerza de atracción cuando se aproximan un electrón y un protón.

Ya podemos ahora completar la estructura atómica de la molécula de agua:

Todos los átomos de un elemento químico tienen en el núcleo el mismo número de protones. Este número, que caracteriza a cada elemento y lo distingue de los demás, es el número atómico (Z).

Por lo general, los átomos son eléctricamente neutros, debido a que tienen igual número de protones que de electrones, de forma que el número atómico coincide con el número de electrones.

Pero debido a la energía de los electrones libres (los del ultimo nivel) un átomo puede ceder o ganar electrones. Así si el número de protones (Z) no coincide con el de electrones, diremos que se trata de un átomo con carga eléctrica. Esta carga será positiva si Z > nº de electrones y negativa en caso contrario (Z < nº de electrones).

Átomo neutro Átomo con carga negativa Átomo con carga positiva

El número de electrones que tiene en su último nivel, es decir los que pueden saltar de un átomo a otro se conoce como la valencia del elemento: Capacidad de combinación con respecto a otros elementos, cuando forman entre sí diferentes compuestos. En la anterior figura, el átomo neutro tiene valencia 2, el de carga negativa 4 y de carga positiva 1.

La valencia de referencia es la del elemento hidrógeno y se le asigna el valor unidad. Los demás elementos químicos tienen valencias cuyos valores son múltiplos de la del hidrógeno, pudiendo un mismo elemento tener distintas valencias en función del tipo de compuesto químico que pueda formar.

Materia (Molécula): AGUA

ÁTOMOS Hidrógeno Hidrógeno Oxigeno

CAPAS 1 1 2

ELECTRONES 1 1 8

PROTONES 1 1 8

+

-+

+

Además de la fuerza gravitatoria, entre los electrones y los protones existen fuerzas de atracción y repulsión debidas a la carga eléctrica que presentan. Electrones y protones se repelen entre sí, siendo esta fuerza de atracción cuando se aproximan un electrón y un protón.

Fue el físico francés Charles-Augustin de Coulomb quién formuló matemáticamente la ley de atracción entre cargas eléctricas, y que en su honor es conocida, como “ley de Coulomb”:

“La fuerza con la que se atraen o repelen dos cargas eléctricas es directamente proporcional al producto de las cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia”.

Formulación matemática de la ley de Coulomb

donde:

“F” representa la fuerza de atracción o repulsión expresada en Newton, las “q” son las respectivas cargas de los conductores expresadas en Culombios, “d” la distancia entre las cargas, expresada en metros y,

A

B

La corriente eléctrica es consecuencia del movimiento de los electrones libres. Movimiento que se produce a una velocidad 300.000 kilómetros por segundo.

En la imagen aparecen dos sustancias con una diferencia de electrones libres dispuestos a saltar de una a otra. Al tener la sustancia A más electrones que la B, podemos afirmar que

“la A más negativa que B”.

Si ponemos en contacto ambas sustancias, por frotamiento por ejemplo, los electrones saltarán de A a B (esta corriente se conoce como REAL); mientras que la corriente convencional (la que se consideraremos a partir de ahora) va de la sustancia más positiva a la más negativa; es decir de B a A.

Conductores, semiconductores y aislantes

En función del número de electrones libres que tienen las distintas sustancias, éstas pueden ser catalogadas como CONDUCTORES (gran cantidad), AISLANTES (no tienen electrones libres) o SEMICONDUCTORES (sustancias con electrones libres pero no en gran cantidad). Son por tanto los conductores los que mejor transportan la electricidad, y entre ellos los metales (cobre, aluminio, plata, …).

Fuerza electromotriz (fem)

Si bien los electrones libres son los que generan la corriente, es necesario que una fuerza les de el primer impulso para iniciar sus desplazamientos. Esta fuerza es conocida como fuerza electromotriz “E”(abreviadamente fem).

La fem es la energía suministrada por alguna fuente, medio o dispositivo que posibilite la corriente eléctrica.

Para ello se necesita poner en contacto sustancias conductoras con diferente número de electrones libres (diferencia de potencial) a fin de que se produzca el deseado movimiento.

Carga eléctrica

Además de la cantidad de electrones en circulación (corriente eléctrica) interesa conocer su número, que junto con el número de protones (Z) conforman lo que se conoce como carga eléctrica.

Ya sabemos que si Z > nº de electrones se trata de un cuerpo con carga positiva y si Z < nº de electrones el cuerpo tiene carga negativa.

Por tanto: LA CARGA ELÉCTRICA ES UN EXCESO (carga negativa) O DEFECTO (carga positiva) DE ELECTRONES.

1.4 Magnitudes eléctricas

La corriente eléctrica se caracteriza por un conjunto de magnitudes que hay que conocer, y que estarán presentes durante todo el curso.

Entre las más importantes se encuentran las siguientes:

Cantidad de electricidad

Intensidad de corriente

Densidad de corriente

Tensión o diferencia de potencial

Resistencia eléctrica

Energía y Potencia Cantidad de electricidad

A la cantidad de electrones en circulación se le conoce como cantidad de electricidad “Q”. Aunque la unidad elemental de carga eléctrica es el electrón, tanto para conocer su cantidad, como la de electricidad, y dado que la carga de los electrones es muy pequeña, se ha adoptado el Culombio como unidad de medida.

1 Culombio = 6,3 x 1018 electrones

Intensidad de corriente

A la mayor o menor circulación de corriente por unidad de tiempo se le denomina

intensidad de corriente “I”.

Conocida la cantidad de electricidad podemos calcular la intensidad de corriente en un tiempo determinado:

PILA + -I B A Densidad de corriente

La densidad de corriente “d” informa acerca de la intensidad de corriente por unidad de superficie.

Donde “I” se expresa en Amperios y “S” (la sección del conductor) en mm2_.

Diferencia de potencial

Ya sabemos que la fuerza electromotriz “E” es la que provoca el movimiento de los electrones libres cuya consecuencia es que entre dos puntos (A y B) del conductor se origine una diferencia eléctrica. Esta diferencia se conoce como tensión “V” o diferencia de potencial (VAB = VA-VB), (abreviadamente ddp).

En la figura la pila es la fuente que proporciona la fem para que por el circuito circule la corriente I, la bombilla luzca y entre los puntos A y B exista un ddp (VAB).

La unidad que sirve para medir tanto la fem como la tensión o diferencia de potencial es el

Voltio (V).

Resistencia eléctrica

A pesar de la gran velocidad con que circulan los electrones por un conductor, estos encuentran una resistencia “R”.

La resistencia que ofrecen los conductores al paso de la corriente viene determinada por: su longitud “l” en metros; su sección “S” medida en mm2 y por la resistividad “

ρρρρ

La resistividad es la resistencia que presenta cualquier conductor de un metro de longitud y un milímetro cuadrado de sección.

Las dos formas más usuales de representar una resistencia entre dos puntos son las siguientes:

PILA +

-I

B A

La propiedad inversa a la resistencia se denomina conductancia “G”, y representa la facilidad que ofrecen los conductores al paso de corriente eléctrica. G=1/R

Su unidad es el Siemens y representa la conductancia de un conductor que posee una resistencia de un ohmio.

Energía y Potencia

En electricidad se produce un trabajo cuando los generadores (la pila en la imagen) mueven las cargas eléctricas Q entre dos puntos (A y B) que se encuentran a una diferencia de potencial (V).

Por tanto, se puede expresar este trabajo o energía como el producto de la cantidad de electricidad “Q” por la diferencia de potencial “V”: E = V*Q

Y como ya sabemos que Q = I*t; entonces E =V*I*t

Si la V se expresa en Voltios, la I en Amperios y la t en segundos, la energía vendrá dada en Julios. Si medimos ese trabajo en un instante, podemos calcular la potencia “P”.

Es decir la potencia es transferencia de energía por unidad de tiempo y puede ser medida en cualquier instante, mientras que la energía debe ser medida durante un cierto periodo.

Un mismo receptor, por ejemplo la bombilla de la imagen, trabajará más, y por tanto disipará más potencia cuanto mayor sea la intensidad “I”, o mayor sea su diferencia de potencial “V”.

1.5.1 Unidades de uso frecuente

A veces, por la dimensión de las distintas magnitudes es necesario utilizar múltiplos o submúltiplos de ellas

En la siguiente tabla se muestra la equivalencia entre las unidades más frecuentes utilizadas para medir las magnitudes eléctricas que se han visto en este apartado.

MAGNITUD SIMBOLO UNIDAD 1.000.000 1.000 UNIDAD

Cantidad de electricidad Q _{Culombio Culombio}

Intensidad de corriente I _{Amperio X miliAmperio}

Longitud l

metro X milimetro

Kilometro X metro

Sección S _m2 _{X mm}2 Fuerza electromotriz, tensión o diferencia de potencial E, U, VAB Voltio X miliVoltio Kilovoltio X Voltio Resistencia eléctrica R Kilo ohmio (K ΩΩΩΩ) X Ohmio (Ω Mega ohmio (MΩΩΩΩ) X

Energía _E Kilovatio hora

(Kwh) 3,6 x 106 Julio X Vatio hora (Wh) Potencia P Kilovatio (Kw) X Vatio (W)

W

V

1.5.2 Medidores

Si bien más adelante, en el tema dedicado a los aparatos de medida, los estudiaremos en profundidad, por ahora es suficiente con saber su denominación:

- La corriente eléctrica se mide con un instrumento denominado Amperímetro: - La diferencia de potencial entre dos puntos se mide con el Voltímetro:

- Las resistencias son medidas con el Ohmetro: - La potencia eléctrica se mide con un Watímetro:

Frecuentemente, para realizar estas medidas se utiliza un multímetro o polímetro como el de la figura.