Unidad Didáctica 1: La electricidad y el circuito - Tecnologia

Transcripción

Electrotecnia. U.D. 1: La electricidad y el Circuito eléctrico.
Unidad Didáctica 1: La electricidad y el circuito
eléctrico.
Dpto. de Tecnología del I.E.S. “Santa María de Alarcos”
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Índice de contenido
1.1.-Introducción a la electrotecnia...................................................................................................... 2
1.2.-Naturaleza de la electricidad......................................................................................................... 3
Ley de Coulomb. Fuerza entre cargas..............................................................................................4
Campo eléctrico............................................................................................................................... 4
1.3.-Energía potencial eléctrica. Potencial eléctrico.............................................................................5
Diferencia de potencial (ddp).......................................................................................................... 7
Intensidad de corriente eléctrica...................................................................................................... 7
Resistencia eléctrica. Resistividad. Conductividad. Conductancia.................................................8
Efectos de la electricidad................................................................................................................. 9
1.4.-Clasificación de materiales según su conductividad................................................................... 10
Conductores................................................................................................................................... 10
Semiconductores............................................................................................................................ 10
Aislantes, materiales dieléctricos o no conductores...................................................................... 11
Superconductores........................................................................................................................... 11
1.5.-Circuito eléctrico......................................................................................................................... 12
Generadores:.................................................................................................................................. 12
Conductores: ................................................................................................................................. 14
Elementos de mando: ....................................................................................................................14
Elementos de protección: ..............................................................................................................14
Receptores: ....................................................................................................................................15
Simbología..................................................................................................................................... 19
1.6.-Instrumentos de medida.............................................................................................................. 21
Bibliografía.........................................................................................................................................24
1.1.-Introducción a la electrotecnia
La electrotecnia es una parte de la técnica que trata de la aplicación práctica de los fenómenos
eléctricos y magnéticos así como de las relaciones existentes entre ellos.
El origen del estudio de esta ciencia viene de los griegos, primero, y de los científicos del siglo
XVII planteándose las causas de los fenómenos eléctricos, que al irlos comprendiendo establecieron
sus bases.
Desde el punto de vista cronológico:
•
1600.-El término electricidad se le atribuye a William Gilbert en la obra “De Magnete”
en la que expone la teoría del magnetismo terrestre.
•
1672.-Otto von Guericke construye la primera máquina electrostática para producir
cargas eléctricas.
•
1745.-Pieter van Musschenbroek y Ewald Georg von Kleist inventan el primer
condensador o ampolla de Leyden.
•
1785.-Charles Augustin de Coulomb obtiene la ley que rige las atracciones y repulsiones
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entre cargas eléctricas.
•
1800.-Alessandro Volta construye la pila eléctrica denominada “galvánica”.
•
1826.-Georg Simon Ohm estudia la conducción eléctrica en los metales y formula la ley
que relaciona voltaje, intensidad de corriente y resistencia.
•
1827.-André Marie Ampère estudia la acción entre el imán y las corrientes eléctricas y
formula las leyes básicas del electromagnetismo.
•
1831.-Michael Faraday descubre la inducción electromagnética.
•
1845.-Gustav Robert Kirchhoff formula las leyes de nudos y mallas que posteriormente
permitirán resolver circuitos complejos.
•
1868.-Jmes Clerk Maxwell formula el fundamento teórico del eletromagnetismo.
•
1879.-Thomas Alba Edison inventa la lámpara de filamento de grafito y desarrolla el
alumbrado eléctrico.
•
1882.-Lucian Gaulard y John Dixon inventan el transformador.
•
1884.-Meinrich Hertz demuestra que la electricidad se puede transmitir en forma de
ondas electromagnéticas que se propagan a la velocidad de la luz.
•
1887.-Mijail Osipovich Dolivo-Dobrowoslki desarrolla el sistema de corrientes
trifásicas.
•
1893.-Wihelm Conrad Röntgen descubre la descarga eléctrica en gases enrarecidos y los
rayos X.
•
1897.-Joseph John Thomsom estudia las propiedades de la materia en relación con la
electricidad y descubre el electrón como partícula constituyente.
1.2.-Naturaleza de la electricidad
La electricidad es una característica de la materia, puesto que su origen está
en el átomo.
El átomo (indivisible en griego) durante mucho tiempo se consideró la
partícula más pequeña de la materia. Más tarde, a partir de Rutherford y Bohr se
descubrió que los átomos estaban formados por otras partículas: electrones,
protones, neutrones, positrones, mesones, neutrinos, antiprotones, etc.
Si partimos del modelo atómico de Bohr, por su simplicidad, las partículas
subatómicas son los electrones, los protones y los neutrones.
Los protones y los neutrones se sitúan en el núcleo del átomo. En la corteza del mismo,
orbitando, se desplazan a gran velocidad los electrones. La masa de protones y neutrones es de casi
2000 veces la del electrón.
En los estudios se constató que, en circunstancias normales,
•
Existían el mismo número de electrones que de protones y neutrones, para átomos de un
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mismo elemento
•
El que el electrón orbite a esa velocidad sin escapar de la influencia del núcleo del átomo no
podía responder a una fuerza exclusivamente gravitatoria, debía existir “algo más” que
ejerciese atracción.
•
Que electrones de un mismo átomo entre sí ejercían fuerzas de repulsión.
•
Que cuanto más alejado esté el electrón del núcleo, menos energía hay que suministrarle
para conseguir que venza la fuerza de atracción y hacer que salte de la última capa.
•
Cuando a un átomo le faltan electrones tienden a captarlos de su entorno. Esto es lo que
ocurre cuando se frota un bolígrafo y se acercan trozos de papel, por ejemplo.
Con todo ello se estableció por convenio que la fuerza que mantenía a los
electrones orbitando alrededor del núcleo se llamase atracción eléctrica, al
fenómeno electricidad y las partículas se les cuantificó la fuerza o carga
asignándoles un signo negativo a los electrones y positivo a los protones.
De tal manera que, la interacción de cargas de igual signo o naturaleza
produce fuerzas de repulsión, mientras que de distinto signo de atracción.
Ley de Coulomb. Fuerza entre cargas.
En el siglo VII a.C. Tales de Mileto observó que frotando un trozo de ámbar (resina fosilizada)
con un paño de lana, atraía mágicamente plumas o pequeñas pajas. Lo que ocurría es que al frotar el
ámbar, electrones de átomos del paño se pasaban al ámbar concediéndoles una carga negativa. Caso
contrario ocurre, por ejemplo con el cristal, que al ser frotado pierden electrones quedando cargados
positivamente Si los acercamos, veremos que se atraen. Se dice, pues, que el cristal y el ámbar han
quedado electrizados. Este tipo de energía se denomina electroestática.
La ley de Coulomb permite cuantificar la fuerza de atracción o repulsión entre dos cargas (Q y
Q') indicando que es directamente proporcional al producto de las mismas e inversamente
proporcional al cuadrado de la distancia (r) que las separa.
'
 = K⋅Q⋅Q
F
Donde K es una constante que depende del medio que las rodea definiéndose
2
r
2
1
9 N⋅m
como K =
siendo en el aire o en el vacío K =9⋅10 ⋅ 2
4⋅⋅
C
 recibe el nombre de permitividad o constante dieléctrica del medio. Se puede definir la
r : permitividad relativa

permitividad relativa r =
Donde: : permitividad del medio
o
0 : permitividad del vacío
A
En el caso de que haya tres o más cargas eléctricas puntuales, la fuerza eléctrica resultante que
ejercen sobre una de las cargas es la suma vectorial de las fuerzas que actúan sobre ésta.
Campo eléctrico
Se define campo eléctrico debido a una carga Q como la región del espacio alrededor de esta
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carga en el que se manifiestan las fuerzas de atracción o repulsión sobre otras cargas eléctricas
situadas en este espacio.
El campo eléctrico se representa mediante líneas de fuerza, que corresponden a los caminos que
seguiría una carga eléctrica puntual positiva al ser atraída o repelida por la carga eléctrica que ha
creado el canpo.
La intensidad de campo eléctrico 
E creada por una carga Q en un punto es la fuerza eléctrica
que actúa sobre una unidad de carga situada en este punto

F
Q⋅Q ' 1 K⋅Q  K⋅Q

E = =K⋅ 2 ⋅ = 2 ⇒ E
= 2
Q'
Q'
r
r
r
 =Q '⋅
Despejando de la fórmula anterior la fuerza: F
E lo que indica que la dirección del
campo eléctrico en un punto es la misma que la de la fuerza aplicada sobre una carga positiva en ese
punto, o bien, la tangente a las líneas de fuerza del campo.
Si en lugar de una carga hay varias, el campo eléctrico resultante es la suma de los campos,
cumpliéndose el principio de superposición.

E = E1 E2  E 3... En= ∑ E i ,∀ i
1.3.-Energía potencial eléctrica.
Potencial eléctrico
Para levantar un objeto desde el suelo hasta una altura “h” debemos realizar un trabajo que
venza a fuerza de gravedad de la Tierra. Este trabajo se almacena en forma de energía potencial
mecánica (Ep).
F : fuerza aplicada
m
: masa del objeto
E p =F⋅h ; F =m⋅g ⇒ E p =m⋅g⋅h Siendo:
g : aceleración de la gravedad
h : altura del objeto
Al dejar caer el objeto, en un sistema sin rozamiento, esta energía se transforma en energía
cinética (Ec), de manera que la suma de las dos energías siempre será igual al trabajo (W) realizado.
1
E c = ⋅m⋅v 2 Siendo v: la velocidad del objeto y el trabajo: W =E p E c
2
Lo mismo que ocurre a nivel mecánico, se puede aplicar al campo eléctrico. Si queremos acercar
una carga eléctrica a otra del mismo signo, debemos realizar un trabajo externo parecido al de
levantar un objeto del suelo. Este trabajo se almacena en energía potencial eléctrica en la carga, ya
que, si la dejamos libre, ésta regresará a su posición original.
El trabajo realizado para mover una carga Q' de un punto B a otro A en el seno de un campo
eléctrico creado por otra carga Q, equivale a la variación de la energía potencial eléctrica cambiada
de signo
 E=−W =−F⋅ r Si desplazamos muy poco la carga dr , realizaremos un dW por
 o dW =Q '⋅Ea⋅d r .
medio de la aplicación de una fuerza Fa de tal manera que dW = F a⋅dr
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El trabajo total de desplazar la carga de B a A se obtiene integrando la expresión anterior:
A
A

A
Q
1
1 1
W B  A=∫ Q '⋅
E⋅d r =∫ Q '⋅K⋅ 2 ⋅d r =K⋅Q⋅Q ' ∫ 2 ⋅d r =K⋅Q⋅Q '⋅ −
rA rB
r
B
B
B r
Q⋅Q '
Q⋅Q '
−K⋅
Por lo que W B  A= K⋅
rA
rB
, si se define la

E p B como
Q⋅Q '
Q⋅Q '
E p B=K⋅
⇒ E p=K⋅
rB
r
Si el radio es infinito, r=∞ , entonces
Q⋅Q '
E p ∞= K⋅
=0
∞
Se define el potencial eléctrico (V) en un punto es el trabajo (cambiado de signo) que hay que
hacer para vencer las fuerzas del campo eléctrico, para trasladar una unidad de carga positiva desde
el infinito hasta el punto.
Esto equivale al cociente entre la energía potencial eléctrica de una carga Q' colocada en este
punto y la carga, es decir, la energía potencial eléctrica por unidad de carga.
V A=
E p Q '⋅E⋅r
=
=E⋅r (V)
Q' Q '
La unidad en el SI es el voltio (V): voltioV =
julio J 
culombioC 
Si en lugar de una carga puntual tenemos una distribución de cargas, el potencial será la suma de
los potenciales que crean cada una de las cargas.
El signo del potencial es positivo o negativo en función del signo de la carga.
Todos los puntos que se encuentran a una misma distancia de la carga Q tienen el mismo
potencial. Estos puntos pertenecen a una superficie esférica que tiene por radio la distancia r hasta
la carga; esta superficie se denomina superficie equipotencial. Si tenemos sólo una carga, las
superficies equipotenciales son esferas concéntricas.
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Diferencia de potencial (ddp)
Se define la diferencia de potencial eléctrica como el trabajo necesario para trasladar una carga
entre dos puntos de este campo.
Si partimos de la expresión obtenida anteriormente en el cálculo de la diferencia de energía
potencial eléctrica entre dos puntos, tendremos:
Q⋅Q '
Q⋅Q '
−W = E p = K⋅
−K⋅
=E⋅Q '⋅r A−E⋅Q '⋅r B =Q '⋅V A−Q '⋅V B ⇒− W =Q '⋅ V A−V B 
rA
rB
La expresión V A−V B se reconoce con el nombre de diferencia de potencial entre dos puntos,
− W
despejando de la expresión anterior:  V A−V B  =
Luego la diferencia de potencial entre
Q'
dos puntos es el trabajo necesario para trasladar la unidad de carga positiva desde B hasta A,
cambiado de signo.

− W  E p
1 1
V A−V B =
=
⇒ V A−V B=K⋅Q⋅ −
Q'
Q'
rA rB

Intensidad de corriente eléctrica
La intensidad de corriente eléctrica es un fenómeno resultante de la propiedad que tienen todos
los cuerpos de neutralizarse electrónicamente. Así, un cuerpo cargado negativamente tiende a ceder
su exceso de electrones, mientras que su cuerpo cargado positivamente tiende a neutralizarse
capturando electrones de átomos que tienes en exceso.
La intensidad de corriente eléctrica (I) es la cantidad de carga eléctrica que pasa por una sección
transversal de un conductor en la unidad de tiempo.
Si la carga eléctrica que circula por un conductor es constante, tendremos:
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I=
Q Q : carga eléctrica en culombiosC 
⇒ I : intensidad eléctrica en amperios  A
t
t : tiempo en segundoss 
Si el flujo de carga no fuera constante, tomaremos la carga como
Q
suficientemente pequeño  t , entonces: I =
t
Q en un tiempo
Según sea el flujo de cargas, podemos tener diferentes tipos de corriente eléctrica:
•
Corriente continua o constante es aquella en la que el flujo de cargas o electrones es
constante en todo momento y no cambia de sentido.
•
Corrientes variables:
◦ Corriente continua variable en el tiempo si el sentido
de circulación de la corriente eléctrica es siempre el
mismo con variaciones en la magnitud.
◦ Corriente alterna, si el sentido de circulación de la
corriente eléctrica es alternativo y, en función de la forma de la señal, distinguiremos
corriente alterna senoidal o sinusoidal y corriente pulsante.
Resistencia eléctrica. Resistividad. Conductividad. Conductancia.
La resistencia eléctrica es la oposición que presentan los materiales al paso de la corriente
eléctrica por su seno. La resistencia de un conductor depende de su naturaleza, longitud y de su
sección.

•
Naturaleza o estructura atómica del conductor representada por la resistividad
de cada material.
•
Cuanto mayor longitud tenga el material, mayor será la oposición al paso de electrones por
su seno ya que el número de colisiones entre electrones.
•
Cuanto mayor sea la sección del material, menor será la resistencia puesto que facilitamos el
paso de electrones.
propia
De tal manera que el valor de la resistencia de un material se define como:
R : resistencia   
l
R=⋅ ⇒  : resistividad   m 
S l : longitud  m 
S : sección  m 2 
El material más empleado como conductor eléctrico es el cobre, porque presenta una baja
resistividad, es muy dúctil y es uno de los más económicos. En microelectrónica se emplea también
el oro, ya que no se oxida.
Experimentalmente se ha observado que la resistividad de un material depende de la
temperatura. En los metales aumenta con la temperatura según la expresión:
T = 20ºC⋅ 1⋅ T −20ºC  
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Se da la circunstancia que algunos metales (mercurio, aluminio o estaño), cerca del cero
absoluto de temperatura, su resistividad es nula y su comportamiento es diamagnético llamándose a
estos materiales superconductores.
La conductancia (G) es la magnitud inversa de la resistencia, ya que indica la facilidad que
1
tiene un conductor al paso de electrones por su seno. G =
R
La conductividad    es la inversa de la resistividad y representa la aptitud de un material
para la conducción de la corriente eléctrica.
Efectos de la electricidad
La corriente eléctrica a su paso por el seno de un material puede producir los siguientes efectos:
calorífico, magnético, luminoso, químico, fisiológico
•
Efecto calorífico: al pasar la corriente eléctrica por un conductor, los choques
producidos por los electrones y la variación de fuerzas en los átomos debida a la
intensidad de corriente hace vibrar la red cristalina del material. Esa vibración es reflejo
de un aumento de su energía interna y que conocemos como calor.
•
Efecto magnético: cuando por un conductor circula una corriente eléctrica, a su
alrededor genera un campo magnético. Es el principio de funcionamiento de los motores
eléctricos.
•
Efecto luminoso: puede producirse por varias causas.
◦ Lámparas de incandescencia: realmente corresponde al efecto calorífico pero en el
que la temperatura coloca al filamento, primero, al rojo, después al naranja, al
amarillo y finalmente al blanco.
◦ Lámparas fluorescentes. Algunas sustancias, al ser bombardeadas por electrones
producen radiaciones luminosas, a ese efecto se denomina fluorescencia.
◦ LED (Light Emitting Diode), IRED (Infrared Emitting Diode), diodo UV
(ultravioleta) o diodo láser, son emisores de luz. Los electrones de algunos materiales
semiconductores al abandonar la banda de valencia hacia la de conducción, pierden
energía que puede emitirse como fotones (partículas de luz).
•
Efecto químico: el paso de una corriente por un electrolito produce reacciones químicas
como la electrólisis que se emplea para recubrimientos metálicos como el cromado o el
galvanizado.
•
Efecto fisiológico: el paso de la corriente eléctrica a través del cuerpo humano puede
producir lesiones o incluso la muerte. Estos efectos se emplean en pistolas de sacrificio
de ganado.
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1.4.-Clasificación de materiales según
su conductividad
Teniendo en cuenta ciertas propiedades eléctricas, los cuerpos se pueden clasificar en:
superconductores, conductores, semiconductores y aislantes.
Conductores
En los metales, los átomos están unidos por enlaces metálicos, por
lo que dan una estructura geométrica muy rígida. Para este tipo de
enlace no son necesarios todos los electrones del átomo, y alguno de
ellos quedan sujetos al núcleo atómico. Estos electrones recorren el
metal de manera libre y desordenada y se denominan electrones libres.
Los electrones libres son la causa de que los metales sean buenos
conductores de la electricidad y del calor.
Semiconductores
Algunos elementos, como el selenio, el silicio y el germanio, tienen cuatro
electrones de valencia y para formar su estructura comparten estos electrones con
electrones de átomos próximos. Este tipo de enlace se denomina enlace covalente y
proporciona fuerzas atractivas muy fuertes entre los diferentes átomos. Al aumentar la temperatura
en estos materiales se rompen algunos de estos enlaces y quedan electrones libres, por lo tanto, se
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convierten en conductores bajo determinadas circunstancias. Su conductividad dependerá del
número de electrones libres existentes.
Aislantes, materiales dieléctricos o no conductores
Estas sustancias, a diferencia de los metales, no disponen de electrones libres
porque necesitan todos sus electrones de valencia para realizar sus enlaces.
Superconductores
Los materiales superconductores se caracterizan por los siguientes aspectos:
•
Resistencia indetectable: de ahí que se diga que no presentan resistividad. Lo cierto es
que la sensibilidad de los instrumentos de medida existentes es insuficiente.
•
En superconductores tipo 1: se cumple el Efecto Meissner, por debajo de una
temperatura, consiste en un comportamiento diamagnético perfecto, es decir, bajo la
acción de un campo magnético, expulsa la líneas de campo fuera de su seno.
•
En superconductores tipo 2 o inperfectos, se presentan vórtices de Abrikosov o fluxones,
que presenta zonas de efecto Meissner y otras no.
Permiten realizar bobinas en las que se
inyectan grandes corrientes eléctricas, sin
pérdidas, que producen grandes campos
magnéticos. Al no presentar resistencia, no
produce calor por efecto Joule. El problema de
estos materiales es la temperatura a la que
presentan estas condiciones, que son muy bajas.
Para metales puros (mercurio, estaño o aluminio),
la temperatura es cercana al cero absoluto, con lo
que el sistema de refrigeración es muy caro. Los
nuevos materiales superconductores, de alta
temperatura, 90 K, son óxidos cerámicos con
estructura perovsquita. Empleados en: aparatos de
resonancia magnética nuclear, separadores para
metales en minas, barras para centrales de
transformación eléctrica.
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1.5.-Circuito eléctrico
Un circuito eléctrico es la unión coherente de los operadores eléctricos para conseguir, por
medio de la electricidad, un determinado fin.
Los elementos componentes se representan gráficamente mediante símbolos elementales
normalizados para su interpretación a nivel internacional. Los operadores eléctricos de circuitos se
pueden clasificar en: generadores, conductores, elementos de mando, elementos de protección y
receptores.
Generadores:
Son los aparatos que transforman el trabajo u otro tipo de energía cualquiera en energía
eléctrica. Son los elementos que aportan los electrones al circuito. De entre ellos destacaremos:
generadores, baterías y acumuladores.
Se denomina fuerza electromotriz (FEM) de un generador al trabajo realizado por unidad de
W
carga que cruza el generador. e  FEM  =
No se puede medir directamente pero sí se puede
Q
medir su efecto, la diferencia de potencial (ddp) o tensión que aparece en los extremos del
generador.
La FEM es la causa del movimiento de las cargas por el interior del generador y la diferencia de
potencial es la causa del movimiento de las cargas por el resto del circuito. Estos dos valores
raramente coinciden porque en el interior del generador existen pérdidas.
Para generar la FEM hay varios sistemas: reacciones químicas,
inducción electromagnética, efecto piezoeléctrico, efecto
fotoeléctrico, efecto termoeléctrico, frotación
•
Reacciones químicas: las pilas y baterías son
dispositivos en los que, mediante una reacción química
entre el electrolito y las placas sumergidas en una
disolución, los electrones de la placa de cobre se
desplazan a la de cinc, donde se acumulan, con lo que
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se crea una diferencia de potencial.
•
Inducción electromagnética: es un efecto que se basa en el principio de Faraday que
establece que al mover un conductor en el seno de un campo magnético produce en sus
extremos una diferencia de potencial. Es la base del funcionamiento de los alternadores
de las centrales eléctricas o de las dinamos.
•
Efecto piezoeléctrico: algunos materiales, cuarzo o turmalina, al deformar su estructura
cristalina por compresión o tracción entre dos de sus caras (opuestas) transversalmente,
acumula cargas eléctricas positivas en un lado y negativas en el otro, proporcionando
una diferencia de potencial.
•
Efecto fotoeléctrico: algunos materiales,
generalmente metálicos o semiconductores litio,
cesio, selenio, silicio, etc., al ser bombardeados
por fotones (partículas luminosas), la energía
que proporcionan, producen que electrones se
liberen de sus átomos creando entre sus caras
una diferencia de potencial. Es el principio de
las células fotovoltaicas.
•
Efecto termoeléctrico o efecto Seebeck
(termopar): su fundamento consiste en que si
unimos dos materiales A y B por medio de
soldaduras A-B y existe una diferencia de
temperatura entre sus soldaduras, en los
extremos libres del hilo, se acumulan cargas,
generando una diferencia de potencial. Se emplea para medir temperatura y es el efecto
contrario al Peltier.
•
Frotación: el origen del descubrimiento de la electricidad estática del paño y el cristal, o
cuero y la ebonita o ámbar, que al ser frotados acumulan cargas, es el fundamento de los
generadores de Van der Graff con los que se pueden conseguir tensiones cercanas a
megavoltios.
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Conductores:
Es cualquier material que tenga las siguientes propiedades: que no ofrezca resistencia apreciable
al paso de corriente y que no aparezca diferencia de potencial entre sus extremos cuando circule una
corriente eléctrica. En los circuitos eléctricos, normalmente, se emplean cables metálicos de cobre o
aluminio. Cables que pueden ir aislados por materiales plásticos.
Elementos de mando:
Gobiernan circuitos interrumpiendo o cambiando de camino la corriente eléctrica dentro del
circuito. De entre ellos destacaremos: pulsadores, interruptores y conmutadores.
•
Pulsadores: conectan (normalmente abierto, NA) o desconectan (normalmente cerrado,
NC) parte del circuito al ser y mientras que se mantiene pulsado. Volviendo a la posición
estable de reposo en cuanto se deja de pulsar.
•
Interruptores: su misión es como la del pulsador, interrumpir el paso de corriente pero
con dos posiciones estables: conectado (cerrado), sin conectar (abierto).
•
Conmutadores: su función consiste en activar y desactivar partes del circuito.
Elementos de protección:
Su función consiste en proteger al circuito de corrientes que lo dañarían total o en parte o
proteger al usuario de contactos indirectos. Los más comunes son los fusibles, los interruptores
magnetotérmicos y los interruptores automáticos diferenciales.
•
Fusibles: se denomina fusible a un dispositivo, constituido por un soporte
adecuado, un filamento o lámina de un metal o aleación de bajo punto de
fusión que se intercala en un punto determinado de una instalación eléctrica
para que se funda, por Efecto Joule, cuando la intensidad de corriente supere,
por un cortocircuito o un exceso de carga, un determinado valor que pudiera
hacer peligrar la integridad de los conductores de la instalación con el consiguiente
riesgo de incendio o destrucción de otros elementos.
•
Interruptores magnetotérmicos: o disyuntor termomagnético, es
un dispositivo capaz de interrumpir la corriente eléctrica de un
circuito cuando ésta sobrepasa ciertos valores máximos. Su
funcionamiento se basa en dos de los efectos producidos por la
circulación de corriente eléctrica en un circuito: el magnético y el
térmico (efecto Joule). El dispositivo consta, por tanto, de dos
partes, un electroimán y una lámina bimetálica, conectadas en
serie y por las que circula la corriente que va hacia la carga.
•
Interruptores automáticos diferenciales: también llamado disyuntor por corriente
diferencial o residual, es un dispositivo electromecánico que se coloca en las
instalaciones eléctricas con el fin de proteger a las personas de las derivaciones causadas
por faltas de aislamiento entre los conductores activos y tierra o masa de los aparatos. En
esencia, el interruptor diferencial consta de dos bobinas, colocadas en serie con los
conductores de alimentación de corriente y que producen campos magnéticos opuestos y
un núcleo o armadura que mediante un dispositivo mecánico adecuado puede accionar
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unos contactos.
Receptores:
Transforman la energía eléctrica en otra forma de energía, es decir, realizan la función inversa a
la de los generadores. De entre los elementos receptores destacar: resistores, condensadores,
bobinas, electroimanes, relés, transformadores, motores, lámparas, timbres y zumbadores.
•
Resistores: son aquellos cuya característica principal es la resistencia eléctrica. Se
pueden clasificar según la tecnología constructiva, por la potencia que es capaz de
soportar o por su valor en: fijas y variables y, dentro de estas últimas, independientes o
dependientes. Los resistores fijos, también llamados coloquialmente resistencias, se
indica su valor con un código de bandas de colores.
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•
Condensadores: es un dispositivo que es capaz de almacenar cargas. Consta de
electrodos metálicos donde se almacenan cargas y un material dieléctrico que las aisla.
Existen de muchos tipos de entre los que destacaremos: cerámicos, de mica, aire o
electrolíticos. Sus valores llegan hasta milifaradios. Su comportamiento varía según la
naturaleza de la corriente que circula por él: en corriente continua trabaja como un
circuito abierto, mientras que en corriente alterna no. La capacidad de un condensador
viene modelizada por la siguiente expresión:
C : capacidad
q1
q2
C=
=
⇒ siendo q1 : carga almacenada en la placa 1
V 1−V 2 V 2 −V 1
V 1 −V 2 : diferencia de potencial entre la placa 1 y la 2
•
Bobinas o inductores: son componentes
pasivos de un circuito eléctrico que, debido al
fenómeno de la autoinducción, almacenan
energía en forma de campo magnético. Se trata
de hilos conductores dispuestos de tal manera
que forman espiras. Su comportamiento
depende de la naturaleza de la corriente: en
corriente contínua se puede considerar un
cortocircuito (o un conductor) mientras que en
alterna no. La energía que es capaz de
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almacenar es:
E : energía almacenada
1
E = ⋅L⋅I 2 ⇒ siendo L :inductancia de la bobina
2
I : intensidad de corriente
•
Electroimán: es un dispositivo que se comporta
como un imán de manera que el campo magnético se
produce por causa de una corriente eléctrica,
desapareciendo en cuanto cesa dicha ésta. Se trata de
una
bobina,
generalmente
con
núcleo
ferromagnético o ferrimagnético. Su empleo en
altavoces, electroválvulas, relés o imanes
industriales de gran potencia fabricados con
materiales superconductores es muy extendido.
•
Relé: o relevador, es un dispositivo electromecánico. Funciona
como un interruptor controlado por un circuito eléctrico en el
que, por medio de una bobina y un electroimán, se acciona un
juego de uno o varios contactos que permiten abrir o cerrar otros
circuitos eléctricos independientes. Fue inventado por Joseph
Henry en 1835. Dado que el relé es capaz de controlar un
circuito de salida de mayor potencia que el de entrada, puede
considerarse, en un amplio sentido, como un amplificador
eléctrico. Como tal se emplearon en telegrafía, haciendo la
función de repetidores que generaban una nueva señal con
corriente procedente de pilas locales a partir de la señal débil
recibida por la línea. Se les llamaba "relevadores". De ahí "relé".
•
Transformadores. Se denomina
transformador
o
trafo
(abreviatura) a un dispositivo
eléctrico que permite aumentar o
disminuir la tensión en un
circuito eléctrico de corriente
alterna,
manteniendo
la
frecuencia. La potencia
que
ingresa al equipo, en el caso de
un transformador ideal (esto es,
sin pérdidas), es igual a la que se
obtiene a la salida. Las máquinas
reales presentan un pequeño porcentaje de pérdidas, dependiendo de su diseño, tamaño,
etc. El transformador es un dispositivo que convierte la energía eléctrica alterna de un
cierto de nivel de voltaje, en energía alterna de otro nivel de voltaje, por medio de la
acción de un campo magnético. Está constituido por dos o más bobinas de material
conductor, aisladas entre sí eléctricamente por lo general arrolladas alrededor de un
mismo núcleo de material ferromagnético. La única conexión entre las bobinas la
constituye el flujo magnético común que se establece en el núcleo. Los transformadores
son dispositivos basados en el fenómeno de la inducción electromagnética y están
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constituidos, en su forma más simple, por dos bobinas devanadas sobre un núcleo
cerrado de hierro dulce o hierro silicio. Las bobinas o devanados se denominan primario
y secundario según correspondan a la entrada o salida del sistema en cuestión,
respectivamente. También existen transformadores con más devanados; en este caso,
puede existir un devanado "terciario", de menor tensión que el secundario.
•
Motores: son máquinas eléctricas que transforman
energía eléctrica en energía mecánica por medio de
interacciones electromagnéticas. Algunos de los
motores eléctricos son reversibles, pueden transformar
energía mecánica en energía eléctrica funcionando
como generadores. Los motores eléctricos de tracción
usados en locomotoras realizan a menudo ambas
tareas, si se los equipa con frenos regenerativos. Son
ampliamente utilizados en instalaciones industriales,
comerciales y particulares. Pueden funcionar
conectados a una red de suministro eléctrico o a
baterías. Así, en automóviles se están empezando a utilizar en vehículos híbridos para
aprovechar las ventajas de ambos.
•
Lámparas: coloquialmente llamadas bombillas, son dispositivos que convierten energía
eléctrica en lumínica por varios medios, ya comentados en esta unidad.
•
Timbres y zumbadores: son dispositivos que transforman la
energía eléctrica en mecánica, sonido, empleando diferentes
medios: campanas con electroimán, materiales piezoeléctricos
y altavoces.
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Simbología
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1.6.-Instrumentos de medida
Son aparatos que se usan para averiguar magnitudes físicas por comparación. Se pueden clasificar
en función de la tecnología o de la magnitud a medir.
Según la tecnología podemos diferenciar los instrumentos de medida en analógicos y digitales.
Según la magnitud, en este caso eléctrica, a medir tenemos:
• Voltímetro: sirve para medir la
diferencia de potencial o tensión
eléctrica, voltios, entre dos puntos de un
circuito.
Sirve para medir diferencias de potencial
(tensión eléctrica) entre dos puntos de un
circuito. Puede medir tensión en alterna o en
continua. Como instrumento de medida
independiente se emplea en fuentes de
alimentación de laboratorio o cuadros de
medida de estaciones transformadoras. Un tipo
especial de este medidor son los “vumeter” o
relojes que se colocan en equipos de sonido:
mesas
de
mezclas,
amplificadores,
ecualizadores...
El funcionamiento del voltímetro de reloj
consiste en un motor asociado a un muelle en
espiral.
El voltímetro electrónico se resuelve con
circuitos integrados (chip) específicos. En el
ejemplo se muestra el de un “vumeter”.
• Amperímetro: sirve para medir la intensidad de
corriente eléctrica, amperios, de una rama de un
circuito.
Es un instrumento de medida de la intensidad de
corriente eléctrica ya sea en alterna o en continua. Su
funcionamiento es igual que el anterior. Como
instrumento de medida independiente, al igual que el voltímetro, se emplea en
fuentes de alimentación de laboratorio o cuadros de medida de estaciones
transformadoras.
Se puede medir la corriente que pasa por un conductor sin necesidad de tocarlo,
por medio de las pinzas amperimétricas que consiste en una pinza (espira), que
abraza el conductor a medir, conviertiéndose en un transformador de corriente,
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es decir, se induce una corriente en la espira que es proporcional a la que pasa por el conductor.
• Ohmetro: mide la resistencia eléctrica, ohmios, de un determinado receptor, también se
emplea para comprobar continuidad en un conductor y fusibles.
Es un instrumento de medida de la resistencia eléctrica de un elemento-componente. Su
funcionamiento consiste en aplicar una tensión a un circuito resistivo en el que el elemento a medir
es la carga en bornes del aparato y se comprueba la tensión en sus extremos. Para realizar la medida
correctamente, el estado de las pilas del aparato debe ser el adecuado.
En la imagen,
• Las resistencias “Ra”, “Rb”, “Rc” y “Rd” establecen
junto con “R1”, “R2” y “R3” las escalas de medición
(“1”, “2”, “3” respectivamente) del aparato.
• “Rx” corresponde el elemento a medir.
• “E” representa el valor de tensión de la batería.
• El círculo con la flecha simboliza la medida en bornes
del aparato o, que es lo mismo, “Rx”.
Como se puede observar, la medida de resistencia es en
realidad una medida de tensión empleando la ley de ohm.
• Por un lado, E=R equivalente⋅I ⇒ E = RaRbRcR1R1Rx ⋅I
• Por otro lado, la medida “V” que toma el instrumento es V =Rx⋅I
V
• Como la corriente “I” es la misma, entonces se puede sustituir en su valor I =
Rx
en
la
ecuación
anterior,
de
tal
manera
que
tenemos
que
 RaRbRcR1R1 Rx⋅V
E=
Rx
• Si despejamos “Rx” de la ecuación anterior, puesto que el resto de valores los
conocemos, tendremos la resistencia del elemento.
 Ra Rb RcR1R1Rx ⋅V
 Ra RbRc R1R1⋅V Rx⋅V
Rx=
⇒ Rx=

⇒
E
E
E
 RaRbRcR1R1⋅V
Rx⋅V Ra RbRcR1 R1⋅V
V
Rx−
=
⇒ Rx⋅1− =
⇒
E
E
E
E
Quedando:
 Ra Rb RcR1 R1⋅V
Rx=
 E −V 
• Vatímetro: mide la potencia activa de un circuito en vatios.
El vatímetro es un instrumento electrodinámico para medir
la potencia eléctrica o la tasa de suministro de energía eléctrica
de un circuito eléctrico dado. El dispositivo consiste en un par
de bobinas fijas, llamadas «bobinas de corriente», y una
bobina móvil llamada «bobina de potencial».
Las bobinas fijas se conectan en serie con el circuito,
mientras la móvil se conecta en paralelo. Además, en los
vatímetros analógicos la bobina móvil tiene una aguja que se
mueve sobre una escala para indicar la
potencia medida. Una corriente que
circule por las bobinas fijas genera un
campo electromagnético cuya potencia es
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proporcional a la corriente y está en fase con ella. La bobina móvil tiene, por regla general, una
resistencia grande conectada en serie para reducir la corriente que circula por ella.
En instalaciones eléctricas, es el elemento que han empleado las compañías suministradoras para
comprobar el consumo, recibiendo el nombre de contador. Actualmente, se están sustituyendo estos
instrumentos por vatímetros y maxímetros digitales, que ofrecen mayores prestaciones.
•
Capacímetro: mide la capacidad de carga en
microfaradios de condensadores.
El capacímetro es un equipo de prueba electrónico utilizado para
medir la capacidad o capacitancia de los condensadores.
Dependiendo de la sofisticación del equipo, puede simplemente
mostrar la capacidad o también puede medir una serie de
parámetros tales como las fugas, la resistencia del dieléctrico o la
componente inductiva.
• Frecuencímetro: mide la frecuencia en Hertzios de una
señal alterna o pulsante. Exteriormente es similar al
capacímetro pero con las escalas correspondientes que van desde Hz, KHz, Mhz y Ghz. Para
rangos de frecuencia grandes suelen llevar un dispositivo llamado “prescaler” que no es más
que un divisor de frecuencia.
• Osciloscopio u osciloscipiode: permite representar magnitudes de tensión frente a tiempo en
una pantalla plana. Permite ver la forma de la señal. Es un instrumento de medición
electrónico para la representación gráfica de señales eléctricas que pueden variar en el
tiempo. Es muy usado en electrónica de señal, frecuentemente junto a un analizador de
espectro.
Presenta los valores de las señales eléctricas en forma de coordenadas en una pantalla, en la que
normalmente el eje X (horizontal) representa tiempos y el eje Y (vertical) representa tensiones. La
imagen así obtenida se denomina oscilograma. Suelen incluir otra entrada, llamada "eje Z" o
"Cilindro de Wehnelt" que controla la luminosidad del haz, permitiendo resaltar o apagar algunos
segmentos de la traza.
Los osciloscopios, clasificados según su funcionamiento interno, pueden ser tanto analógicos como
digitales, siendo el resultado mostrado idéntico en cualquiera de los dos casos, en teoría.
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Bibliografía
Libros de texto:
•
“Electrotecnia. Bachillerato”,Ed. Mc Graw Hill, M. Guasch Vallcorba y otros.
•
“Electrotecnia. Grado Medio”,Ed. Santillana, Germán Santamaría y Agustín Castejón.
Internet:
•
Wikipedia: http://es.wikipedia.org/wiki/Wikipedia:Portada
•
Diccionario de la Real Academia Española de la lengua: http://www.rae.es/rae.html
•
Página de Tecnología eléctrica: http://www.tuveras.com/
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Unidad Didáctica 1: La electricidad y el circuito - Tecnologia

Transcripción

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