Conceptos Fundamentales de la Electricidad
Unidad 01 Fundamentos de Electrotecnia
• Conceptos fundamentales de electricidad • Tension,corriente,Resistencia • Leyes fundamentales de la electricidad • Ley de Ohm • Leyes de Kirchhoff • Circuitos de corriente continua
Serie,paralelo,mixto Circuitos tos de corriente corriente altern alterna: a: RC,RL, RC,RL,RLC RLC • Circui Parámetros Eléctricos Potencia Eléctrica Energia Ene rgia elect electrica. rica.Efic Eficienia ienia eléc eléctrica trica Circuitos Circuit os trifasic trifasicos: os: simetri simetricos cos y asimetricos asimetricos
• Conceptos fundamentales de electricidad • Tension,corriente,Resistencia • Leyes fundamentales de la electricidad • Ley de Ohm • Leyes de Kirchhoff • Circuitos de corriente continua
Serie,paralelo,mixto Circuitos tos de corriente corriente altern alterna: a: RC,RL, RC,RL,RLC RLC • Circui Parámetros Eléctricos Potencia Eléctrica Energia Ene rgia elect electrica. rica.Efic Eficienia ienia eléc eléctrica trica Circuitos Circuit os trifasic trifasicos: os: simetri simetricos cos y asimetricos asimetricos
La electricidad es una de las formas de energía que mas ventajas y comodidades aporta a los seres humanos en la actualidad. Con ella conseguimos que funcionen, entre otras, las siguiente siguientess aplicacio aplicaciones: nes: Luz con lámparas eléctricas, calor con cocinas, hornos y calefacciones, frío con frigoríficos y equipos de aire acondicionado; fuerza motriz con motores (ascensores, vehíc ehícul ulo os elé lécctric trico os, el eleectro ctrod domés méstico ticoss, etc.) tc.),, y much muchaas mas aplicaciones que con el paso de los años aparecerán.
INTRODUCCIÓN
OBJETIVOS Conocer los conceptos fundamentales de la electricidad. Conocer las diversas formas de generación de tensión eléctrica Comprender las diferencias entre tensión continua y alterna
ELECTRICIDAD Es una manifestación física que tiene que ver con las modificaciones que se dan en las partes mas pequeñas de la materia, en los átomos y más concretamente en el electrón. El estudio del movimiento electrónico explica muchos fenómenos en la naturaleza. De hecho el término “electricidad” viene de la palabra “electrón”.
EL ÁTOMO En física y química, átomo (Del latín atomum, y éste del griego άτομον, indivisible) es la unidad más pequeña de un elemento químico que mantiene su identidad o sus propiedades, y que no es posible dividir mediante procesos químicos. El átomo es la partícula mas pequeña de un elemento que aún mantiene las propiedades químicas de éste. A la combinación de dos o más átomos iguales o diferentes se le denomina: molécula. En el núcleo se encuentran los protones y neutrones. En la corteza se encuentran los electrones, recorriendo trayectorias circulares o elípticas (órbitas). Todo átomo tiene un número de protones igual al número de electrones. Los electrones de la última orbita forman los electrones de valencia.
EL ÁTOMO
La diferencia entre uno y otro elemento radica, básicamente, en la cantidad de protones y electrones que tenga el átomo en el núcleo y en las órbitas, respectivamente. Hidrógeno
Carbono
Cobre
1 protón
6 protones
29 protones
1 electrón
6 electrones
29 electrones
El núcleo positivo atrae a losATÓMICA electrones orbitales, pero ESTRUCTURA estos no caen al núcleo debido a la fuerza centrifuga (hacia fuera) creada por su movimiento orbital y el electrón está en equilibrio.
EL ÁTOMO
La fuerza centrífuga es más débil en los electrones de las orbitas más alejadas del centro. El cobre tiene un electrón de valencia, que puede ser arrancado de la órbita por una débil fuerza, esto hace que sea buen conductor. Los mejores conductores son el cobre, el oro y la plata por que tienen un único electrón de valencia.
CARGA ELECTRICA Todo objeto cuyo número de electrones sea distinto al de protones tiene carga eléctrica. Si tiene más electrones que protones la carga es negativa. Si tiene menos electrones que protones, la carga es positiva. Cargas eléctrica icas de distinto signo se atraen y cargas eléctricas de igua ig uall sig ign no se re repe pele len n. P ro t ó n
Pro t ó n
+
+
Ele c t ró n
Ele c t ró n
-
-
P ro t ó n
Ele c t ró n
+
(Repulsión)
(Repulsión)
(Atracción)
COMO SE CARGAN LOS CUERPOS? Cargaa por Carg por Fric Fricci ción ón.. La fricción como ya se sabe, trae muchas cosas por descubrir una de ellas es la transferencia de electrones de un material a otro, nos podemos dar cuenta de esto cuando nos pein einamos amos o acari carici cia amos mos un gato gato.. Hay materiales que mediante la fric fricci ción ón qued quedan an elec electr triz izad ados os dura durant nte e un tiempo, y esto es por la transferencia de electrones de un cue cuerpo a otro.
CARGA ELÉCTRICA 1. Si el número de protones de un átomo es igual al número de electrones, la carga neta del átomo es: cero. ( cuerpo neutro) 2. Entonces, para cargar eléctricamente un cuerpo habría que agregar o retirar electrones de las últimas órbitas de sus átomos. 3. Si agregamos electrones, el átomo se cargará negativamente. 4. Si ret retira iramos mos el elect ectron rones es,, el átomo se car cargar gará á pos positi itivam vament ente, e, supon ponien iendo que el átomo tomo,, ini inicialm almente ente,, es neu neutro. tro. 5. La unidad de la carga eléctrica es el C o u l o m b i o (C ) , en el que 1 C = 6.3x1018 electrones. Es decir un exceso o defecto de 6 tril rillones de electrones. “
” ”
MOVIMIENTO ELECTRÓNICO • Un cuerpo con carga positiva y otro con carga negativa
generarán una diferencia de carga eléctrica. • Si estos cuerpos se unen con un conductor eléctrico, el
exceso de electrones de uno será atraído por el defecto de electrones del otro (carga positiva) hasta que se establezca un equilibrio. • A través del conductor aparece una circulación de
electrones que va del polo negativo al positivo, este movimiento de electrones se denomina corriente eléctrica.
TENSIÓN ELÉCTRICA Una fuente de tensión tiene por misión separar cargas eléctricas en dos bornes. Símbolos de fuentes de tensión
+
U
-
Norma IEC Unidad
……… V(voltio)
E
+ Norma NEMA
SIGLAS
SIGNIFICADO DE LAS SIGLAS
UNE
Unificación Normas Españolas, organismo español de publicación de normas.
IEC
International Electrotechnical Commission. En esta comisión participan y colaboran las principales naciones industrializadas. Las recomendaciones que hace la IEC son tomadas en parte o totalmente por las diferentes comisiones nacionales.
DIN
Deutsche Industrienormen. Normas alemanas para la industria.
UTE
Union Technique de I’Electricité. Asociación electrónica francesa.
BS
British Standard. Normalización inglesa, que acoge en gran parte las normas IEC.
ANSI
American National Standards Institute. Instituto de normalización nacional de USA.
NEMA
National Electrical Manufactures Association. Asociación de fabricantes de productos electrotécnicos de USA.
SEV
Schweizerischer Elektrotechnischer Verein. Entidad electrónica suiza.
NF
Normas francesas.
IS
Indian Standard. Prescripciones indias unificadas en gran parte con IEC.
JIS
Japonese Industrial Standard. Prescripciones japonesas.
CEE
International Comission on Rules for the Approval of Electrical Equipment. Prescripciones internacionales preferentemente para aparatos de instalación de baja tensión hasta 63ª.
AS
Australian Standard. Prescripciones australianas unificadas en gran parte con IEC.
UNIDADES DE TENSION ELECTRICA Múltiplos
KV = 103 V MV = 106 V Submúltiplos
mV V nV pV
= 10-3 V = 10-6 V = 10-9 V = 10-12 V
FORMAS DE OBTENER TENSIÓN ELECTRICA a) Tensión por frotamiento Al frotar materiales plásticos se obtiene un desequilibrio de cargas
Las nubes, empujadas por el viento, se cargan eléctricamente, hasta tal punto que deben descargarse para neutralizar este exceso. Este fenómeno natural es el rayo.
FORMAS DE OBTENER TENSIÓN ELECTRICA b) Tensión por inducción magnética La diferencia de cargas se obtienen al mover una bobina en un campo magnético o al mover un imán en una bobina fija.
FORMAS DE OBTENER TENSIÓN ELECTRICA c) Tensión por presión Al variar la presión o la tracción aparece una diferencia de cargas entre las superficies de determinados cristales (por ejemplo, cuarzo). El valor de la diferencia de cargas depende de la intensidad del esfuerzo exterior.
FORMAS DE OBTENER TENSIÓN ELECTRICA d) Tensión por calor Al calentar el punto de contacto de dos metales (Termocupla) diferentes aparece una pequeña tensión.
++
-
Termómetros digitales
Termocupla o Termopar
Estos termómetros miden la temperatura en el punto de conexión de dos alambres finos colocados en la punta de la sonda.
FORMAS DE OBTENER TENSIÓN ELECTRICA e) Tensión por luz: Cuando la luz incide sobre determinados materiales (silicio, germanio) provoca una separación de cargas.
Célula fotovoltaica
Las células fotovoltaicas convierten la luz solar directamente en electricidad. Éstas células, también llamadas células solares, normalmente están hechas de silicio, cuya materia prima es arena. Un pedazo de semiconductor fino recibe un tratamiento especial para que forme un campo eléctrico, positivo en un lado y negativo en el otro. Cuando la energía luminosa del sol llega a la célula, se liberan los electrones de los átomos en el material semiconductor, lo cual crea una corriente eléctrica. Usualmente, cada célula puede generar aproximadamente 1 vatio de electricidad.
FORMAS DE OBTENER TENSIÓN ELECTRICA f) Tensión por procesos químicos Cuando se sumergen dos conductores diferentes en un líquido conductor también se produce una separación de cargas, fenómeno que se utiliza en todas las fuentes de tensión te nsión electroquímicas.
FORMAS DE CONECTAR LAS PILAS ELECTRICAS..
TIPOS DE TENSION a) Tensión Continua (DC): Es aquella en la que su polaridad no cambia en el tiempo y su magnitud permanece constante
Símbolo :
_______
TIPOS DE TENSION b) Tensión Alterna (AC): Es aquella en la que su polaridad varia con el tiempo y su magnitud es variable.
Símbolo:
TIPOS DE TENSION c) Tensión Mixta: Es la suma de las dos anteriores. Su magnitud no es constante, oscilando alrededor de un valor medio.
Símbolo:
POTENCIAL ELECTRICO Es la tensión de un punto respecto de otro “referencia” o “tierra”. Y la diferencia de potencial entre dos puntos es la diferencia aritmética entre el punto de mayor potencial menos el punto de menor potencial.
POTENCIAL ELECTRICO Potencial (V)
+30 +20 +10 0 -10 -20 -30
20V 20V 60V 30V 30V
10V
CIRCUITO ELECTRICO: Se define como un conjunto de elementos conductores que forman un camino cerrado (malla) por el cual circula una corriente eléctrica. interruptor
Carga o
+ Fuente de tensión
receptor
Conductor
Intensidad de corriente causa tensión
produce
efecto corriente
La intensidad de corriente eléctrica es la cantidad de carga que circula por segundo a través de una sección del conductor.
t Intensidad de corriente = Cantidad de carga Tiempo de circulación
Símbolo ………………… I
KA (kiloamperio) = 1 000 A
Unidad ……………….. A (Amperio)
mA (miliamperio) = 0.001A
TIPOS DE CORRIENTE a) Corriente Continua (DC): Es aquella en la que su magnitud permanece constante con el tiempo y su valor permanece constante
IDC(A)
TIPOS DE CORRIENTE b) Corriente Alterna (AC): Es aquella en la que su sentido de movimiento varia con el tiempo y su magnitud es variable. i AC(a) +
+ -
t(s) -
MEDICION DE LA TENSION ELECTRICA El instrumento que mide tensión es el:
Símbolo del voltímetro Esquema eléctrico para medir tensión
voltímetro
V
Unidades de Prefijo en Ingeniería Prefijo
Abreviación
Valor
Tera
T
1012
Giga
G
109
Mega
M
106
Kilo
k
103 100
(nada) Mili
m
10-3
Micro
10-6
Nano
n
10-9
Pico
p
10-12
Fempto
f
10-15
Atto
a
10-18
Marque la alternativa correcta. 1. La electricidad es:
a) Una destrucción de electrones. b) Una marcha de electrones de sus átomos. c) Un intercambio de electrones entre átomos. 2. Un cuerpo aislante presenta: a) Gran resistencia al paso de los electrones. b) Una desviación en el camino de los electrones. c) Poca resistencia al paso de los electrones. 3. La intensidad eléctrica es: a) El paso de electrones por un conductor. b) La cantidad de electrones que pasan. c) Los electrones que circulan cada segundo.
4. ¿Cuántos mA hay en 2.5 A? a) 25 mA. b) 250 mA. c) 2500 mA. 6. ¿Cuántos mV hay en 2.5 KV? a) 25000 mV. b) 0.025 mV. c) 2500000 mV.
5. ¿Cuántos A hay en 25 mA? a) 25000 A. b) 0.0025 A. c) 0.025 A. 7. ¿Cuántos KV hay en 25 MV? a) 25000 KV. b) 0.025 KV. c) 25000 KV.
Por un cable pasan 24 trillones de electrones en 2 segundos. Calcular la intensidad en A que pasa, si se supone que 1 culombio tiene 6 trillones de electrones. Solución: Por un conductor circulan 32 microamperios o millonésimas de amperio. ¿Cuántos culombios pasan en 2 segundos? Solución: Tecsup 2010-II
Calcular los mA que circulan por un cable conductor que es atravesado por 10 culombios en 2 segundos. Solución:
Por un cable circulan 1.800 culombios en un tiempo de 3 minutos. Calcular la corriente eléctrica. Solución:
Tecsup 2010-II
Tecsup 2010-II
CORRIENTE Y RESISTENCIA ELECTRICA
OBJETIVOS •Describir los tipos de corriente y sus efectos. • Analizar las magnitudes que afectan las resistencias eléctricas.
Esta sesión aporta al logro del siguiente Resultado de la Carrera: “Los estudiantes aplican matemáticas, ciencia y tecnología en el
diseño,
instalación, eléctricos”.
operación
y mantenimiento
de
sistemas
INTENSIDAD DE CORRIENTE • DEFINICIÓN:
La corriente eléctrica de un conductor se define como la cantidad neta de carga que pasa por él, por unidad de tiempo, en cualquiera de sus puntos.
I
Q t
INTENSIDAD DE CORRIENTE
Intensidad de Corriente • La carga de un cuerpo se mide por el número de
electrones que posee en exceso o por defecto, esta carga se expresa en Couloms(C). • Un cuerpo tiene una carga de 1C si ganó o
perdió 6.25*1018 electrones. • De la relación anterior deducimos que un
electrón tiene una carga de 1.6*10-19 C
Ejemplo: • Calcular la intensidad de Corriente que circula
por un conductor durante 16 segundos si han pasado por la seccion circular del conductor 2*1019 electrones Rpta: 0.2 A
Intensidad de Corriente
Intensidad de Corriente
UNIDADES Y MÚLTIPLOS:
Intensidad de Corriente • Ordenes de Magnitud:
Circuito Eléctrico La corriente eléctrica es la circulación de cargas o electrones a través de un circuito eléctrico cerrado, que se mueven siempre del polo negativo al polo positivo de la fuente de suministro de fuerza electromotriz (FEM).
¿Qué provoca el movimiento de los electrones en un conductor? Para que por un conductor circule una corriente eléctrica, es necesario que entre sus extremos haya una diferencia de carga eléctrica, de manera que los electrones circularán desde donde hay más cantidad hasta donde hay menos.
Circuito Eléctrico y Circuito Hidráulico Cerrado
Símil hidráulico:
Diferencia de niveles de fluido: Diferencia de potencial Flujo de agua: Corriente eléctrica Bomba hidráulica: Fuente de voltaje
La corriente, al igual que el agua, circula a través de unos canales o tuberías; son los cables conductores y por ellos fluyen los electrones hacia los elementos consumidores.
MEDICION DE LA CORRIENTE ELECTRICA
El instrumento que mide corriente es el Amperímetro
Símbolo:
A
Esquema eléctrico para medir corriente
Sentido de la Corriente Eléctrica El sentido de la corriente en el interior de la fuente de tensión, es del borne positivo al borne negativo, este es el verdadero sentido de la corriente, llamado sentido real o sentido electrónico .
Sentido de la Corriente Eléctrica
Sentido de la Corriente Eléctrica Sin embargo, asumimos que el sentido de la corriente es el contrario al sentido verdadero, a esto se conoce como sen tid o t é cn ic o d e la co rr ien te.
En el presente curso asumiremos que la corriente circula en el s en tid o t é c n ic o .
Efectos de la corriente eléctrica Efecto
calorífico
Efecto luminoso Efecto químico Efecto
fisiológico
RESISTENCIA ELECTRICA “La resistencia eléctrica es la mayor o menor oposición que ofrecen los cuerpos Conductores al paso de la corriente eléctrica”
La Resistencia depende de: 1.- La sección del conductor Mayor área ===>Menor Resistencia
Menor área ===>Mayor Resistencia
2.- La longitud del conductor La resistencia de un conductor aumenta con su longitud
3. La resistividad La resistividad de un conductor o la resistencia eléctrica especifica, es una característica propia de cada elemento o material y se define como la resistencia de un conductor de un metro de longitud y un m 2 de sección.
3.- La resistividad depende del material Algunas resistividades…
De lo visto anteriormente podemos relacionar lo siguiente:
RESISTENCIA ELECTRICA Definimos la resistencia eléctrica como la oposición que ejerce un material al paso de la corriente eléctrica.
representación
Símbolo: Unidad:
R Ω (Ohmio)
Medición de la resistencia eléctrica El instrumento que mide la resistencia eléctrica es el ohmímetro
Símbolo:
Ω
Conexión para medir resistencia eléctrica
Medición de resistencia eléctrica con el multimetro Analógico Procedimiento 1. Gire el selector de función a la escala y posición de ohmios. 2. Cortocircuite (unir) las puntas de prueba para obtener cero ohmios. 3. Gire la perilla de ajuste de cero hasta obtener cero ohmios. 4. Conectar las puntas de prueba al resistor y leer los valores obtenidos. 5. Cada vez que cambie de escala poner a cero el ohmímetro.
Prueba de continuidad Si tenemos un ohmímetro, podemos realizar pruebas sencillas que nos determinen el estado de algunos dispositivos, aparatos o máquinas eléctricas. Por ejemplo, necesitamos saber si la bobina de un motor está “abierta” o cerrada “, si un
interruptor esta en ON (cerrado) o en OFF (abierto).
VARIACION DE LA RESISTENCIA POR EFECTO DE LA TEMPERATURA El calor es el movimiento de las moléculas o de los átomos. Por tanto al aumentar la oposición a la circulación de los electrones aumenta la resistencia.
Formas de calentar un conductor a) Calentamiento interno o propio: Producido por la circulación de corriente en un conductor (efecto joule) b) Calentamiento externo o indirecto: Producido por influencia externa. RF = Ri [1 +
( TF - Ti ) ]
Clasificación de las resistencias
Tipos de Resistencias
Potenciómetros de ajuste (trimmer)
potenciómetros giratorios Potenciómetro de cursor
Fotorresistencias (LDR) Resistencia bobinadas
Resistencias de película
Tipos
Tipos
Tipos
Tipos
Tipos
Tipos
Tipos
Códigos de identificación de resistencias eléctricas 1. Mediante letras y cifras
Códigos de identificación de resistencias eléctricas 2. Mediante código de co lores
4
7
Primera banda & Segunda banda 4
7
102
10%
x tercera banda = valor nominal 100
Valor nominal = 4700 Tolerancia
= 10%
Valor máximo = 4700 +10 % de 4700 = 5170 Valor mínimo = 4700 – 10 % de 4700 = 4230
=
4700
ASOCIACION DE RESISTENCIAS Resistencias en Serie Se dice que varias resistencias están en serie cuando van conectadas unas detrás de otras. RT = R1 + R2 + R3 + . . . Rn
La resistencia total será:
10 + 20 + 5 = 35 .
ASOCIACION DE RESISTENCIAS Resistencias en Paralelo Varias resistencias están en paralelo cuando tienen unidos los extremos en un mismo punto.
1 R
T
1 R1
1 R
R
T
1 R2
1
T
===>
2
1
12
13
3
1 R3
4
1 R
n
1
13
12
EJERCICIOS Un alambre de cobre de 800m y un área 8mm 2 tiene una resistividad de 1.72x10-6 Ωmm2/m y otro alambre de aluminio de 950m de largo cuya resistividad es de 2.63x10-6 Ωmm2/cm. están conectados en serie ¿cual es la resistencia total del conductor? Si el alambre de aluminio tiene un diámetro de 3mm. (π = 3.1416)
EJERCICIOS Calcular la resistencia equivalente del circuito mostrado 4Ω
4Ω
2Ω
6Ω
16 Ω
I 220V
5Ω
25 Ω
27/6 Ω
9Ω
9Ω 12 Ω
4Ω
7Ω
• La resistencia final de un termómetro de platino es de 135 Ω a 80ºC, hallar el
valor de su resistencia inicial a 25ºC. coeficiente de temperatura de la resistencia de platino 0.00392 ºC-1. • Un cable circular de cobre, de 1milímetro de diámetro tiene una resistividad de 0.0175Ω mm2/m y el valor de su resistencia es de 10 . Calcular su longitud. (π=3.14) • Calcular la resistencia de un conductor de aluminio cuya longitud es de 42m y sección 1.55mm2,ρ Al= 0.028 Ωxmm2/cm • Calcular la resistencia equivalente del siguiente circuito
