Módulo 1
NOCIONES BÁSICAS DE LA ELECTRICIDAD
Naturaleza de la electricidad – Corriente eléctrica – Tensión – Resistencia – Ley de Ohm – Potencia y Energía.
E.E.S.T.
Nº 8
Ing. Rodríguez, Diego E.E.S.T. Nº 8
Módulo 1 E.E.S.T. Nº 8
NATURALEZA DE LA ELECTRICIDAD
¿Qué es la electricidad?
La electricidad es la acción que producen los electrones al trasladarse de un punto a otro, ya sea por su falta o exceso de los mismos en un material.
Pero… ¿Cómo se desplaza el electrón en un material?
Para que los electrones puedan moverse es necesario que alguna forma de energía se convierta en electricidad. Se pueden emplear distintas formas de energía, cada una de la cuales podría considerarse como fuente independiente de electricidad.
Para entender bien estos conceptos, debemos empezar por el principio:
conociendo al electrón, al átomo y a la estructura atómica de la materia.
Estructura de la materia
La materia puede definirse como cualquier cuerpo que ocupa un lugar en el espacio y tiene peso. Por ejemplo la madera, el aire, el agua, etc. Toda materia está compuesta de moléculas formadas por combinaciones de átomos, los cuales son partículas muy pequeñas. Los principales elementos que forman al átomo son el electrón, el protón, el neutrón y el núcleo.
Estructura de un átomo
La estructura de un átomo está formada por:
protones, que tienen una carga positiva (+) neutrones, que no poseen carga.
electrones, que se encuentran girando en órbitas alrededor del núcleo y tienen una carga negativa (-).
Fig. 1 – Átomo de Carbono
NÚCLEO
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Algunos conceptos importantes de los átomos son:
Cualquier átomo está formado por un núcleo con carga positiva rodeado de electrones de carga negativa.
Los electrones de todos los átomos son idénticos (cada uno tiene la misma carga eléctrica y la misma masa).
Los protones y neutrones forman el núcleo. La cantidad de carga positiva de los protones es igual a la carga negativa de los electrones (a pesar de la diferencia entre sus masas). Los neutrones tienen una masa un poco mayor que los protones y no tienen carga neta.
En general, los átomos tienen igual cantidad de electrones que de protones, por lo que el átomo tiene carga neta igual a cero.
Entonces… ¿Qué es la electricidad?
Los electrones giran alrededor del núcleo debido al equilibrio de dos fuerzas: la fuerza propia del electrón que lo mantiene siempre en movimiento y la fuerza de atracción que ejerce el núcleo sobre el electrón.
Los electrones que se encuentran en la órbita más lejana del núcleo pueden salirse de sus órbitas, aplicándoles alguna fuerza externa como un campo magnético o una reacción química. A este tipo de electrones se les conoce como electrones libres.
El movimiento de electrones libres de un átomo a otro origina lo que se conoce como corriente de electrones, o lo que también se denomina corriente eléctrica. Ésta es la base de la electricidad.
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El átomo, al perder un electrón, queda instantáneamente sin equilibrio eléctrico, ya que el número de protones es superior al de electrones. En este caso, diremos que el átomo quedara cargado positivamente y se convertirá en un ión positivo o catión. Si, en el caso contrario, un átomo captura un electrón, quedara cargado negativamente y se convertirá en un ión negativo o anión.
Conservación de la carga
En un átomo neutro, como mencionamos antes, no hay carga neta. Lo positivo compensa totalmente lo negativo. Si a un átomo se le quita un electrón, ya no sigue siendo neutro; entonces el átomo tiene una carga positiva más (protón) que cargas negativas (electrones), y se dice que tiene carga positiva (catión).
Los objetos materiales están formados por átomos (es decir, protones, electrones y neutrones) y en consecuencia, son eléctricamente neutros. Pero si hay un pequeño desequilibrio en esas cantidades, el objeto adquiere carga eléctrica. Aunque los e- más cercanos al núcleo están muy fuertemente enlazados con el núcleo, los e- más alejados se pueden desprender con facilidad. Entonces un objeto que tiene cantidades distintas de e- y p+ se carga eléctricamente.
Es importante destacar que cuando se carga algo no se crean ni se destruyen electrones. Sólo pasan de un material a otro. La carga se conserva, y esto es lo que se conoce como el principio de conservación de la carga.
MAGNITUDES ELE CTRICAS
Corriente eléctrica
El origen de todos los fenómenos eléctricos es la existencia de la carga eléctrica Q y el movimiento de la misma. La unidad de carga en el sistema SI es el culombio, y se representa por la letra C. Las cargas eléctricas pueden ser positivas y negativas.
La corriente eléctrica es el movimiento de las cargas eléctricas a lo largo de caminos específicos y se representa por la letra I. La corriente eléctrica representa la variación de la carga Q con respecto al tiempo t que se produce en la sección transversal de un conductor, es decir:
[ ]
La unidad de la corriente eléctrica es el amperio (A). La corriente eléctrica se considera que es el movimiento de cargas positivas (convenio debido a Benjamín Franklin), aunque sabemos que la conducción en los metales, se debe en realidad al movimiento de los electrones libres.
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De acuerdo con la Norma UNE-EN 60375:2004 (CEI 60375:2003) Convenios relativos a los circuitos eléctricos y magnéticos, para indicar el sentido de la corriente eléctrica en un conductor, se utiliza una flecha de referencia encima o al lado de aquél, que muestra también el valor o magnitud de la corriente.
(Debe destacarse aquí que la corriente eléctrica es una magnitud escalar, el vector adyacente al conductor indica en realidad el sentido vectorial de la velocidad de las cargas positivas que se mueven dentro del conductor).
En la Fig. 2 se muestra un tramo de conductor que lleva una corriente que se dirige de A a B y vale 5 amperios. Cuando se invierte la corriente y circula de B a A como se muestra en la Fig. 2b, entonces su valor cambia de signo, es decir .5 A, siempre que se conserve el sentido de la flecha apuntando de A a B, o podemos poner - 5 A si se cambia el sentido de la flecha.
Sentido de la corriente eléctrica
La corriente eléctrica es el movimiento de electrones por un conductor, que saldrán del polo negativo (–) del generador y se dirigirán, por el exterior, hacia el polo positivo (+), circulando en sentido contrario a las líneas del campo eléctrico. Pero en la práctica se utiliza el sentido contrario, llamado sentido convencional, que es el que escogió Michael Faraday antes de averiguar que la corriente era el movimiento de cargas eléctricas negativas (figura 3). Con eso no se alteran los resultados finales y los esquemas lógicos de razonamiento a veces son más sencillos.
Fig. 2 – Sentidos de referencia de la corriente eléctrica
Fig. 3 – Sentidos de referencia de la corriente eléctrica
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Tipos de corriente eléctrica
Según como sea el flujo de cargas, podemos tener diferentes tipos de corriente eléctrica (figura 4).
- La corriente continua constante es aquella en la que el flujo de cargas o electrones es constante en todo momento y no cambia de sentido.
- Las corrientes eléctricas cuya intensidad es variable en el tiempo se denominan corrientes variables. Hay muchos tipos de corrientes variables, dependiendo de su variación en el tiempo y su sentido de circulación.
- Si el sentido de circulación de la corriente eléctrica es siempre el mismo, diremos que se trata de una corriente continua variable en el tiempo.
- Si el sentido de circulación de la corriente eléctrica es alternativo, será una corriente alterna y su nombre dependerá de la forma de la señal. La más utilizada es la sinusoidal (forma de la función sen(t) ) y la pulsante.
Prefijos más usados para la corriente eléctrica
Fig. 4 – Tipos de corriente eléctrica
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Fuerza electromotriz, Diferencia de potencial, Tensión, Voltaje
Para que exista una corriente eléctrica se requiere de algo que fuerce a que los electrones circulen ordenadamente; una fuerza de origen eléctrica, denominada fuerza electromotriz (f.e.m), cuya unidad es el volt (V). Esta fuerza es la que proporcionan los generadores de electricidad como las pilas, baterías, alternadores, etc. En los generadores de electricidad, como consecuencia de algún tipo de proceso, se produce en su interior lo que se llama una f.e.m la cual se puede definir de la siguiente manera:
La tensión eléctrica, que se expresa en volts, es la fuerza que hace que los electrones se muevan ordenadamente en una cierta dirección a través de las líneas conductoras (circuito), o sea, lo que hace que aparezca una corriente eléctrica. Este principio se ilustra en la figura:
A la diferencia de tensión se la llama generalmente tensión o voltaje y es el dato que tendrá para nosotros verdadero interés. Al poner en contacto dos cuerpos a diferente potencial, el paso de electrones desde el polo negativo, al positivo que los atrae depende únicamente de la diferencia entro sus tensiones y no de los voltajes absolutos que puede tener cada cuerpo.
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Potencial eléctrico
Se define por potencial eléctrico en un punto al trabajo necesario para trasladar la unidad de carga eléctrica positiva desde el infinito hasta dicho punto. Es un trabajo por unidad de carga, que se mide en volts (V).
La unidad volt resulta ser el trabajo de un Joule (J) sobre la carga de un Coulomb (C);
Se define por diferencia de potencial entre dos puntos al trabajo necesario para que la unidad de carga se traslade de un punto a otro. La diferencia de potencial también se mide en volts.
Por ejemplo, respecto a una pila de 9 V se puede decir :
que la pila proporciona una tensión de 9 V,
que entre sus terminales [positivo (+) y negativo (-)] aparece la diferencia de potencial de 9 V, o
simplemente que genera un voltaje de 9 V.prefijos más usados para el voltaje
Para medir la diferencia de potencial entre dos puntos, se utiliza un instrumento de medición llamado voltímetro
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Resistencia eléctrica
La resistencia, R, es la mayor o menor dificultad que opone un conductor al paso de la corriente eléctrica. La resistencia de un conductor depende de las características del material, es decir, de su resistividad, así como de la longitud y la sección del conductor. Todos estos parámetros se relacionan mediante la expresión:
[ ]
Donde,
R es la resistencia y su unidad es el ohm (Ω)
ρ
es la resistividad del material y se mide en (Ω.mm2/m) (o en Ω.m) L la longitud del hilo conductor (m)S la sección del hilo conductor (mm2).
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Si pudiéramos comparar como circula la corriente eléctrica por el interior de distintos conductores, igual que vemos correr el agua por dos mangueras transparentes de distinta rugosidad interior, comprobaríamos que cada material ofrece una oposición distinta al paso del fluido en función de sus características internas. A esto es a lo que llamamos resistividad (ρ) de un conductor. Del mismo modo, observaríamos que el fluido circula mejor por tuberías (conductores) de menor longitud y de mayor sección.
Otra propiedad de los materiales es la resistividad o la resistencia específica.
La resistividad es la resistencia que ofrece un conductor de 1 m de longitud y 1 mm2 de sección a una temperatura de 20°C.
A cada tipo de material le corresponde un coeficiente de resistividad, es decir, indica el grado de resistencia que opone ese material al paso de la corriente.
Se representa por y se mide en [Ω. mm2/m].
Algunos valores de resistividad se muestran en la sig. tabla:
La resistencia es el elemento del circuito en el que se disipa energía eléctrica.
En la Figura 5 a) se muestra el símbolo de la resistencia eléctrica, en el que se incluye el valor de la misma en ohms y los sentidos de referencia asociados de tensión y corriente. En el caso de que la resistencia sea variable se emplea el símbolo de la Figura 5 b) (indicando el rango de variación de la misma).
En el mercado se encuentra una gran variedad de tipos de resistencias: fijas y variables que pueden estar hechas de carbón, de hilo bobinado, líquidas, etc., las hay también especiales: variables con la tensión (VDR), variables con la luz (fotorresistores), resistencias que disminuyen con la temperatura (NTC o termistores) etc. Las resistencias regulables de pequeña potencia se
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denominan potenciómetros y las de gran potencia reciben el nombre de reóstatos que pueden ser a su vez de arranque, de regulación y de carga.
A la hora de especificar una resistencia no es suficiente indicar su valor óhmico, sino que es necesario detallar la máxima potencia que es capaz de transformar en calor por efecto Joule sin calentarse (también puede indicarse la máxima corriente admisible). El valor de la resistencia puede indicarse directamente escribiendo su valor en la superficie o puede emplearse como se hace en electrónica, un código de colores como se muestra en la Figura 6. En este caso la resistencia presenta cuatro bandas de colores, numerados a partir de la banda más cercana a uno de los extremos. La 1º y 2º banda constituyen las cifras significativas, la 3º banda indica el factor multiplicador o número de ceros que hay que añadir a las cifras significativas y la 4º banda indica la tolerancia dentro de la cual el fabricante garantiza el valor de la resistencia.
Fig. 5 – Símbolo de resistencia eléctrica
Fig. 6 – Especificación de resistencias
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El significado de los colores es el que se indica en la Tabla
Ejemplo:
0
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La resistencia varía con la temperatura de acuerdo con la siguiente expresión:
[ ( )]
Siendo R1 la resistencia a la temperatura T1, y R2 la resistencia a la temperatura T2, α indica el coeficiente de variación de la resistencia con la temperatura.
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LEY DE OHM
Georg Simon Ohm descubrió, a principios del siglo XIX, que en los circuitos la intensidad, la resistencia y la tensión se relacionan según la ley que lleva su nombre, la ley de Ohm, cuya expresión es:
En otras palabras, esta ley nos dice:
• A más voltaje, más corriente; a menos voltaje, menos corriente.
• A más resistencia, menos corriente; a menos resistencia, más corriente.
Existe una manera sencilla de saber cuál es la fórmula que se debe utilizar en un momento dado:
Usando un triángulo donde se colocan la corriente, el voltaje y la resistencia.
Para utilizar el triángulo, se cubre el valor que se desea calcular y las letras restantes hacen la fórmula.
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POTENCIA Y ENERGI A
Es probable que, por experiencia propia, ustedes ya sepan que la mayor parte de los equipos eléctricos indican su voltaje y potencia, en volts y watts. Las lámparas eléctricas de 220 volts, también indican sus watts y suelen identificarse más en watts que en volts.
¿Qué significa esta indicación en watts para los equipos eléctricos?
Los watts de las lámparas eléctricas y otros equipos indican la velocidad con que la energía eléctrica se convierte en otra forma de energía, como calor o luz.
Cuanto mayor sea la rapidez con que la lámpara convierte energía eléctrica en luz, mayor será su luminosidad. De este modo, una lámpara de 100 watts suministra más luz que una de 75 watts.
La expresión para la potencia eléctrica es la siguiente:
Utilizando la Ley de Ohm, tenemos:
Y de las expresiones de potencia y energía se obtiene:
Esta última expresión permite calcular la energía consumida por una carga (receptor), y la misma depende de la potencia y del tiempo que ese receptor esté funcionando.
En algunos casos la energía se expresa en kilowatt – hora [kW-h], tal es el caso de los detalles de las facturas del servicio eléctrico, donde la potencia se mide en kW y el tiempo en horas.
Los medidores de energía permiten registrar la energía eléctrica (en kW-h) que ha consumido un circuito durante un tiempo determinado. Consiste en un pequeño motor eléctrico que hace girar un disco de aluminio. A mayor consumo, la velocidad aumenta. En la actualidad, este tipo de medidores está sustituyéndose por otros electrónicos.
[W]
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Trabajo Pra ctico Nº 1
1 - Se desea construir una resistencia de 20 Ω con un hilo de cobre de 0,6 mm2 de sección. ¿De qué longitud es el hilo que debemos utilizar?
2 - Determina la resistencia que tendrá el filamento de una lámpara de 60 W y 220 V. ¿Qué intensidad circulará por ella? ¿Qué energía consumirá si la dejamos conectada una semana?
3 - Utilizando la Ley de Ohm, completar la siguiente tabla:
4- Calcular la potencia que consume una plancha que se conecta a 220 V y consume 3 A.
5 - ¿Qué intensidad pasa por un tubo fluorescente de 40 W instalado en una red de 220 V?
6 - Calcular la resistencia interna de un aparato de radio que consume 200 mA y una potencia de 100 W.
7 – La resistencia a 20ºC de una bobina de cobre es de 5 Ω. Calcular la resistencia de la bobina a 80ºC.
8 - Calcula la resistencia eléctrica que presenta una parte de una instalación realizada con un conductor de cobre de 1,5 mm2 de sección y 28 m de longitud, si a causa de una sobrecarga eléctrica ésta se calienta a una temperatura de 70 °C.
9 – Calcular la potencia que consume un horno eléctrico si se conecta a una tensión de 220 V y su resistencia es de 50 Ω.
10 – La placa de una cocina eléctrica indica que consume una potencia de 2,5 kW conectada a 220 V. Calcular:
a) La corriente eléctrica b) La resistencia
c) La energía que consumirá en un mes si funciona 2 horas por día.
