Electricidad y Electrnica Industrial Unidad 1 Electricidad Bsica

Electricidad y Electrónica Industrial Unidad 1 Electricidad Básica 1. 1 Introducción a la Electricidad 1. 2 Conceptos de Magnitudes Eléctricas 1. 3 Circuito Eléctrico 1. 4 Medición de Magnitudes Eléctricas 1. 5 Conceptos Básicos de las leyes de Ohm, Kirchhoff, Lenz, Faraday y Watts 1. 6 Aplicación

INTRODUCCION A LA ELECTRICIDAD La materia está formada por átomos (partículas muy pequeñas que no se ven a simple vista) A su vez los átomos están formados por partículas aún más pequeñas: Los protones, neutrones y electrones. Los protones y neutrones están inmóviles en el centro del átomo (núcleo). Por el contrario, los electrones son móviles y orbitan alrededor del núcleo del átomo y hay tantos electrones como protones, por lo que el átomo se encuentra equilibrado eléctricamente. Estas partículas subatómicas poseen una propiedad llamada carga eléctrica: · Protones (+): partículas con carga eléctrica positiva. · Neutrones (0): partículas sin carga (neutra). · Electrones (-): partículas con carga eléctrica negativa. Electrón (carga negativa - ) Protón (carga positiva +) Neutrón (carga neutra 0)

En situación normal los átomos contienen el mismo número de protones (+) que electrones (-), por lo que los átomos presentan carga total nula (0). La materia en reposo es, por tanto, neutra. Sin embargo, como los electrones están girando alrededor del núcleo, éstos pueden ser arrancados de unos átomos y cedidos a otros átomos. Ello significa que la materia puede cargarse positivamente o negativamente, dependiendo de si pierde o gana electrones. La cantidad de carga que posee un cuerpo, sea positiva o negativa, se mide en Culombios (C). Los cuerpos cargados positivamente o negativamente experimentan fuerzas de atracción y repulsión, según su carga. Por ello, se puede decir que la carga es una forma de energía (energía eléctrica).

Hay fenómenos que consiguen mover electrones de las órbitas externas de un átomo, quedando entonces con una falta de cargas negativas. A estos átomos se les conoce como ion positivo. “hueco” Ion positivo Átomo A estos átomos se les conoce como ion negativo. Ion negativo

Al producirse el abandono de un electrón de su órbita queda en su lugar un “hueco” el cual atraerá a un electrón de un átomo contiguo, de este modo se desencadena una cascada de electrones arrancados de otros átomos contiguos para ir rellenando huecos sucesivos, y así se produce una circulación de electrones. Electrón libre Ion positivo

Las seis fuentes de energía externa que son capaces de separar los electrones del núcleo de un átomo son: Por Inducción. Si se desplaza un conductor eléctrico en el interior de un campo magnético, aparece una diferencia de potencial en los extremos del mismo. Los generadores industriales de electricidad están basados en esta propiedad electromagnética. Por calentamiento. Cuando se calienta una soldadura de dos metales distintos, aparece una tensión eléctrica. Esta tensión es muy pequeña, por lo que suele tener aplicaciones para la medida de temperaturas. Por transformación química. Al sumergir dos metales diferentes, o un metal y carbón, en una solución apropiada, se origina una diferencia de potencial entre los dos metales. Las pilas se basan en este hecho.

Por presión. Algunos materiales tienen la propiedad de que, al serles aplicadas fuerzas de compresión o de tracción, aparecen tensiones eléctricas en sus superficies. Este fenómeno piezoeléctrico es característico de algunos cristales, principalmente cuarzo, y tiene diferentes aplicaciones para la producción de pequeñas corrientes: micrófono, reloj de cuarzo o mechero. El reloj de cuarzo posee una pieza de cuarzo que sirve para generar los impulsos necesarios que permitirán la medición del tiempo. Se diferencia de otros relojes (reloj de agua, reloj de arena, etc. ) en que la electricidad necesaria para activar el cuarzo es proporcionada por una pila eléctrica, mientras que en los otros los impulsos son generados por medios físicos o mecánicos. Por fricción. Al frotar dos objetos entre sí puede producirse una diferencia de potencial entre ellos. Por ejemplo, la electricidad estática que suele acumular un coche está ligada al rozamiento del aire con la carrocería y al propio rozamiento de las ruedas. Igualmente, al frotar una varilla de vidrio o plástico con un trozo de lana aparece una acumulación de cargas de diferente signo en ambos objeto.

Por acción de la luz. Al incidir los fotones de la luz sobre ciertos materiales aparece un flujo de corriente de cierta importancia. Las células fotovoltaicas aprovechan esta energía. Las células fotovoltaicas del panel solar están construidas de materiales semiconductores como el germanio y el silicio. Estas sustancias cuando reciben los fotones de la luz producen una corriente de electrones (corriente eléctrica). A este efecto se le conoce con el nombre de efecto fotovoltaico.

1. 2 CONCEPTOS DE MAGNITUDES ELECTRICAS Como recordamos, la materia está constituida por moléculas, que a su vez están constituidas por átomos. El átomo, lo forman un núcleo que contiene protones y neutrones, y alrededor de dicho núcleo giran los electrones Cuando el número de electrones y de protones son iguales en un átomo, se dice que el átomo es neutro. Cuando el número de electrones es menor que el de protones, se dice que el átomo está cargado positivamente. Y cuando el número de electrones es mayor que el de protones, se dice que está cargado negativamente.

VOLTAJE Para que los electrones se desplacen por un conductor es necesaria una diferencia de potencial o voltaje (V) entre sus extremos. Su unidad es el Voltio. Esto se consigue conectando cargas de distinto signo en sus extremos UNIDADES DE TENSIÓN

CORRIENTE ELECTRICA La intensidad de corriente (I) es la cantidad de carga eléctrica que pasa por una sección de conductor en la unidad de tiempo. Se mide en amperios (A) en el Sistema Internacional (SI). En la medición de la carga eléctrica, la unidad que se emplea es el culombio. Un culombio es igual a 6. 26 trillones de electrones aproximadamente, es decir, 6. 260. 000, y esto puede darnos una idea de lo pequeñísimo que es un electrón.

RESISTENCIA Resistencia eléctrica es toda oposición que encuentra la corriente a su paso por un circuito eléctrico cerrado, atenuando o frenando el libre flujo de circulación de las cargas eléctricas o electrones. Cualquier dispositivo o consumidor conectado a un circuito eléctrico representa en sí una carga, resistencia u obstáculo para la circulación de la corriente eléctrica El ohm es la unidad de medida de la resistencia que oponen los materiales al paso de la corriente eléctrica y se representa con el símbolo o letra griega " " (omega). La razón por la cual se acordó utilizar esa letra griega en lugar de la “O” del alfabeto latino fue para evitar que se confundiera con el número cero “ 0”.

POTENCIA ELECTRICA Energía o trabajo eléctrico es lo que hace moverse a un conjunto de cargas. Sólo habrá trabajo cuando exista movimiento de cargas en el circuito. La potencia es el trabajo desarrollado en la unidad de tiempo. Cuanto mayor sea la potencia de un aparato, mayor será la energía o trabajo que pueda desarrollar o que consuma en un tiempo determinado, por ello se trata de una característica fundamental de los receptores eléctricos. Se mide en Watts [W].

1. 3 CIRCUITO ELECTRICO Un circuito eléctrico es un conjunto de elementos unidos entre si formando un camino cerrado por el que puede circular corriente eléctrica. El circuito básico está constituido por: • Un generador, que proporciona la diferencia de potencial. Puede ser una batería para obtener una tensión continua o un alternador para obtener una alterna. • Un receptor o carga que es todo aparato que consume energía eléctrica. Por ejemplo, una lámpara, un horno eléctrico, un televisor, una lavadora, o cualquier otro aparato que se alimente con electricidad. • Un conductor que une eléctricamente los distintos elementos del circuito. Suele ser cable de cobre o de aluminio. • Un interruptor como elemento de control para permitir o cortar el paso a la corriente. Conectando los distintos elementos según el esquema se crea un circuito eléctrico en el que en el momento en que se cierra el interruptor, se establece un flujo de corriente eléctrica que partiendo de la fuente de tensión atraviesa el interruptor cerrado y por el conductor llega al receptor poniéndolo en funcionamiento, por último las cargas retornan por el conductor hasta el generador. Para que exista corriente eléctrica se deben cumplir una serie de condiciones: Debe existir un camino cerrado para el paso de la corriente, ese camino constituye un circuito eléctrico. Cuando el interruptor está abierto se interrumpe el circuito y el paso de la corriente. El circuito debe estar constituido por elementos conductores (que permitan el paso de corriente, con mayor o menor facilidad) En el circuito tiene que haber al menos una fuente de tensión que produzca la diferencia de potencial que provoca el paso de corriente. Se puede hacer la siguiente clasificación de las partes que constituyen un circuito: Elementos activos: son aquellos que aportan energía al circuito, es decir los generadores eléctricos. Elementos pasivos: aquellos que consumen la energía aportada por los elementos activos y la transforman en otro tipo de energía

Circuito serie. Un circuito serie, es aquel que tiene conectados sus receptores uno a continuación del otro. La resistencia total del circuito es la suma de las resistencias que lo componen. La corriente que circula es la misma por todos los elementos. La fuerza electromotriz generada por el generador se reparte entre los distintos elementos. Circuito paralelo. Un circuito paralelo, es aquel que tiene conectados los terminales de sus receptores unidos entre si. La resistencia total del circuito es la inversa de la suma de las inversas de las resistencias que lo componen. La corriente total que sale del generador se reparte por todos los elementos. La fuerza electromotriz generada por el generador llega por igual a todos los elementos. Circuito mixto. Un circuito mixto, es aquel que tiene elementos en paralelo y en serie.

EJERCICIOS: Encontrar la resistencia total o equivalente de las siguientes resistencias. R 1 R 2 R 3 R 4

R 1 R 2 R 3 R 4 Video

Comportamiento del VOLTAJE, CORRIENTE y RESISTENCIA en los circuitos serie y paralelo. CIRCUITO EN SERIE CIRCUITO EN PARALELO Vt = V 1 + V 2 + V 3 Vt = V 1 = V 2 = V 3 90 Ω VOLTAJE 60 Ω 6 V 30 Ω 4 V 2 V It = I 1 = I 2 = I 3 I 1 CORRIENTE I 2 It = I 1 + I 2 + I 3 I 1 I I 2 I 3 I RESISTENCIA Rt = R 1 + R 2 + R 3 Rt = 1 / [1/R 1 + 1/R 2 + 1/R 3].

1. 4 MEDICION DE MAGNITUDES ELECTRICAS MEDICION DE VOLTAJE A TRAVES DE UN VOLTIMETRO DEFINICION Un voltímetro es aquel aparato o dispositivo que se utiliza a fin de medir, de manera directa o indirecta, la diferencia potencial entre dos puntos de un circuito eléctrico. Para poder realizar la medición de la diferencia potencial (VOLTAJE), ambos puntos deben encontrarse de forma paralela al elemento a medir. En otras palabras, que estén en paralelo quiere decir que se encuentre en derivación sobre los puntos de los cuales se quiere realizar la medición. NOTA Cuando use este instrumento para medir voltaje de corriente directa, asegúrese de conectarlo de modo que el voltaje en la terminal positiva del instrumento y sea el lado positivo del elemento del circuito.

MEDICION DE LA CORRIENTE ELECTRICA A TRAVES DE UN AMPERIMETRO DEFINICION Se conoce como amperímetro al dispositivo que mide la intensidad de corriente eléctrica. La corriente es una de las cantidades más importantes que uno quisiera medir en un circuito eléctrico. + 50 V - Motor La corriente que se va a medir debe pasar directamente por el amperímetro, debido a que éste debe conectarse a la corriente. Los alambres deben cortarse para realizar las conexiones en el amperímetro. Cuando use este instrumento para medir corrientes continuas, asegúrese de conectarlo de modo que la corriente entre en la terminal positiva del instrumento y salga en la terminal negativa.

MEDICION DE RESISTENCIA A TRAVES DE UN OHMETRO Y MEGGER DEFINICION OHMETRO Aparato que mide el valor de las resistencias, y que de forma obligatoria hay que colocar en paralelo al componente estando éste separado del circuito (sin que le atraviese ninguna intensidad). Mide resistencias en Ohmios (Ω). DEFINICION MEGGER El Megger o Megohmetro, es un instrumento con el cual se realiza el análisis del aislamiento de un cable o de un devanado de un transformador o de un motor para conocer la existencia o no de corrientes de fuga a través del aislamiento medido. También sirve para medir la resistencia del suelo y analizar los electrodos de la tierra. Mide resistencias en Ohmios (Ω).

MEDICION DE POTENCIA A TRAVES DE UN WATTHORIMETRO DEFINICION DE WATTHORIMETRO Instrumento eléctrico que mide y registra la integral con respecto al tiempo, de la potencia activa del circuito en que se conecta. Esta integral de potencia es la energía consumida por el circuito durante al intervalo de tiempo en que se realiza. La energía eléctrica es especificada en Watts-hora debido a que es de uso común en la industria, aunque en el sistema internacional de unidades la unidad de energía eléctrica es el joule. 1 W hr = 3 600 j Mide potencia eléctrica en watts x hora (Whr).

DEL CIRUITO ELECTRICO DIBUJA COMO HARIAS LA MEDICION DEL: a). - El Voltaje en la Resistencia R 2 b). - El flujo de corriente en la Resistencia R 4 c). - La Resistencia en el resistor R 3 + Nota: Indique en que posición debe estar el Selector del instrumento. -

1. 5 CONCEPTOS BÁSICOS DE LAS LEYES OHM, KIRCHHOFF, LENZ, FARADAY Y WATTS. LA LEY DE OHM. La ley de Ohm recibe este nombre del físico Alemán Georg Simon Ohm, el cual estableció la relación entre el voltaje aplicado V, la corriente I, y la resistencia R. Encontró que para un valor fijo de resistencia, circula una corriente para un voltaje aplicado. Si el voltaje se duplica, también se duplica la corriente, si se triplica el voltaje se triplica la corriente. Es decir, “Si se mantiene el valor de la resistencia constante, la corriente es directamente proporcional al voltaje”. Amperes, I Esta relación se puede mostrar en forma gráfica de la siguiente manera: Resistencia, R 3 2 1 0 10 20 30 Voltaje, V

Originalmente, esta relación la expresó Ohm de la siguiente forma: V Donde: R = Resistencia Eléctrica en Ohms (Ω) R = ---V = Voltaje (V) I I = Corriente en amperes (A) Ejemplo: Calcular la Resistencia del resistor de la gráfica anterior para 10, 20 y 30 V. Solución: A). - El Valor de la resistencia, para cuando V = 10 V y I = 1 A 10 V R = ----- = 10 Ω 1 A B). - El Valor de la resistencia, para cuando V = 20 V y I = 2 A 20 V R = ----- = 10 Ω 2 A c). - El Valor de la resistencia, para cuando V = 30 V y I = 3 A 30 V R = ----- = 10 Ω 3 A

Un término eléctrico que en este momento debemos incluir en nuestro aprendizaje es el de la potencia eléctrica P, que se define como la medición de la capacidad de trabajo que se ha desarrollado y se mide en Watts. Cuando un Volt hace circular un Amper de corriente a través de 1 Ohm de resistencia, se libera una cierta cantidad de calor y el resultado es 1 Watt de potencia. El trabajo, en este caso es el calor creado. La fórmula para determinar la potencia en una carga resistiva es la siguiente: P = V * I Donde: P = Potencia Eléctrica en watts (W) I = Corriente en amperes (A) V = Voltaje en volts (V) Esta expresión para la potencia eléctrica y la ley de Ohm se pueden relacionar mediante la siguiente gráfica. Potencia WATTS Resistencia OHMS Corriente AMPERES Voltaje VOLTS

Ejemplo: Un amperímetro localizado en la línea de fuerza que alimenta a un motor, lee 0. 950 Amperes, el voltaje en la terminales del motor es de 50 V. ¿Cuál será la potencia de entrada al motor? Solución: Amperímetro + Usando P = V * I Sustituyendo P = 50 * 0. 950 = 47. 5 Watts. 50 V - Motor Ejemplo: Un tostador eléctrico tiene una resistencia de 15Ω. Cuando está caliente, ¿Cuál será la intensidad de la corriente que fluirá al conectarlo a una línea de 120 V? . Solución: Usando V I = --- R Sustituyendo 120 I = ----- = 8 Amp. 15

Ley de OHM: En cualquier circuito eléctrico la corriente, que fluye por él, es directamente proporcional al voltaje aplicado, e inverso a su resistencia. Video

Realiza el siguiente ejercicio, dibujando el tipo de circuito y usando la ley de Ohm. Circuito Conexión Voltaje de la Resistencia R 1 Resistencia R 2 Resistencia Rt Corriente I 1 Fuente (V) (Ohms) A Serie 48 12 12 ? B Paralelo 36 18 18 ? ? C ? ? 8 4 12 2 D Paralelo 12 ? ? (Amperes) Corriente I 2 Corriente It (Amperes) ? ? ? 2 4

Se tienen los siguiente valores. R 1=4Ω R 2=6Ω R 3=10Ω R 4=2Ω. El Voltaje aplicado es de 12 Volts. Determinar… 1). La resistencia equivalente de las resistencias 2 y 3. 2). La resistencia total del circuito. 3). La corriente total del circuito. 4). El voltaje en la resistencia 1. 5). El voltaje en las resistencias 2 y 3 (obvio es el mismo en ambas). 6). La corriente que circula por la resistencia 2. 7). La corriente que circula por la resistencia 3. 8). El voltaje en la resistencia 4.

LA LEY DE KIRCHHOFF. Las leyes de Kirchhoff, reciben este nombre del científico Alemán Gustav Robert Kirchhoff. Estas leyes son completamente simples pero extremadamente importantes. La primera ley del Kirchhoff es llamada, Ley de CORRIENTES de Kirchhoff (LCK), y dice: “La suma algebraica de las corrientes que entran en cualquier nodo es igual a cero” I 1 + I 2 + I 3 + I 4 …. . In = 0 -------- Nodo 1 La segunda ley del Kirchhoff es llamada, Ley de VOLTAJES de Kirchhoff (LVK), y dice: “La suma algebraica de los voltajes en cualquier malla es igual a cero” V 1 + V 2 + V 3 + V 4 …. . Vn = 0 -------- Malla 1 Para comprender e interpretar las leyes de kirchhoff se deberá entender claramente los conceptos de nodo, malla y rama, para ello dibujaremos el siguiente circuito eléctrico.

NODO: Se llama nodo al punto en el cual tres o más elementos tienen una conexión eléctrica común. Este circuito eléctrico tiene nodos. + − + _

RAMA: Se llama RAMA a la parte del circuito que contiene un sólo elemento y un nodo en cada extremo. Este circuito eléctrico tiene ramas. = + − + _

MALLA: Una MALLA es simplemente cualquier trayectoria cerrada a través del circuito en la cual ningún nodo se encuentra mas de una vez. Este circuito eléctrico tiene 13 mallas. 1. - A, 1, 3, 2, A 2. - 1, B, 4, 3, 1 3. - 2, 3, 5, C, 2 4. - 3, 4, D, 5, 3 A B 5. - A, 1, 3, 5, C, 2, A 6. - 1, B, 4, D, 5, 3, 1 7. - A, 1, B, 4, 3, 2, A 8. - 1, B, 4, D, 5, 3, 1 9. - A, 1, 3, 4, D, 5, C, 2, A 10. - A, 1, B, 4, D, 5, 3, 2, A 11. - A, 1, B, 4, 3, 5, C, 2, A 12. - 1, B, 4, D, 5, C, 2, 3, 1 + − + _ C 13. - A, 1, B, 4, D, 5, C, 2, A 14. - A, 1, 3, 4, D, 5, 3, 2, A Esta trayectoria NO puede formar una malla. D

PRIMERA LEY DE KIRCHHOFF. “La suma algebraica de las corrientes que entran en cualquier nodo es igual a cero”. i 2 i 1 i 3 A B i 4 i 5 + − i 6 + _ C i 7 D i 8

Primero lo que haremos es: Identificar el número de nodos: 5 1, 2, 3, 4, y 5 Identificar el número de ramas: 8 1 -2, 1 -3, 1 -4, 2 -3, 2 -5, 3 -4, 3 -5 y 4 -5 Identificar el número de mallas: 4 A, B, C y D 4 mallas de 13 posibles Para resolver este circuito es necesario seguir los pasos siguientes: 1. - Aplicar el primer criterio Iniciar del lado izquierdo del Nodo y luego en sentido de Las manecillas de del reloj. 2. - Aplicar el segundo criterio Para considerar si una corriente es + ó -, debemos basarnos en lo siguiente: Si una corriente entra a un nodo es (+) Si una corriente sale de un nodo es (-) Las ecuaciones que resultan del circuito anterior aplicando la ley de corrientes de Kirchhoff son: i 1 - i 3 - i 2 = 0 Nodo 1 - i 1 + i 4 - i 6 = 0 Nodo 2 - i 4 + i 2 + i 5 - i 7 = 0 Nodo 3 - i 5 + i 3 + i 8 = 0 Nodo 4 i 6 + i 7 - i 8 = 0 Nodo 5

Ejercicio: Encontrar las ecuaciones que resultan del siguiente circuito aplicando la ley de corrientes de Kirchhoff. Así como indicar el número de nodos, ramas y mallas. i 1 i 2 i 3 A i 4 i 5 B i 12 i 13 C i 6 + − i 7 E D i 11 i 10 F i 8 i 9

Ahora encontraremos las corrientes desconocidas en este circuito. 60 m. A 20 m. A i 1 i 4 i 5 i 6 40 m. A 30 m. A

Primero definiremos las ecuaciones de cada uno de los nodos. i 1 - 20 - 60 = 0 Nodo 1 - i 1 + i 4 + i 6 = 0 Nodo 2 - i 4 + 60 + i 5 - 40 = 0 Nodo 3 i 5 + 20 - 30 = 0 Nodo 4 - i 6 + 40 - 30 = 0 Nodo 5 Simplificando y sustituyendo queda que: i 1 = 80, i 4 = 70, i 5 = 50 e i 6 = 10 60 m. A 20 m. A i 1 i 4 i 5 i 6 40 m. A 30 m. A

Ejercicio: Del siguiente circuito encontrar el valor de i 1 (6 m. A) 4 m. A 10 m. A i 1 Ejercicio: Del siguiente circuito encontrar el valor de i 1 (8 m. A) e i 2 (5 m. A) i 1 3 m. A i 2 12 m. A + _ 4 m. A

SEGUNDA LEY DE KIRCHHOFF. La segunda ley de Kirchhoff es llamada, Ley de VOLTAJES de Kirchhoff (LVK), y dice: “La suma algebraica de los voltajes en cualquier malla es igual a cero”. Como en la primera ley de Kirchhoff, en la segunda ley identificaremos los mismo conceptos iníciales (Número de Nodos, Ramas y Mallas). a). - Para resolver este circuito es necesario seguir los pasos siguientes: 1. - Aplicar el primer criterio Iniciaremos nuestro análisis en sentido de rotación de las manecillas del reloj a partir de la fuente de mayor voltaje. 2. - Aplicar el segundo criterio El signo algebraico que se indica en los voltajes de los elementos será utilizado para dar la polaridad al voltaje en cada uno de ellos. Aplicaremos la segunda ley Kirchhoff al siguiente circuito. R 1 b a c − + V R 1 − + 5 V + _ 30 V V R 2 + f − R 3 + − V R 3 e 15 V d

Primero definiremos la de malla de este circuito. 30 - VR 1 + 5 - VR 2 + 15 - VR 3 = 0 Lo que también se puede escribir como: - VR 1 - VR 2 - VR 3 = -30 -5 - 15 ( -1 ) x - VR 1 - VR 2 - VR 3 = -30 -5 – 15 x ( -1 ) + VR 1 + VR 2 + VR 3 = 30 + 5 + 15 = 50

Ejercicio: Aplicando la segunda ley de Kirchhoff (LVK), Establecer la ecuación de malla del siguiente circuito y encontrar el valor del voltaje total de la fuente VT. R 1 − + 5 Ω VT = ? + _ 5 V R 2 IT = 3. 5 A R 3 + − 15 V 10 Ω 30 Ω