JUAN JESÚS CALDERA INSTRUCTOR
Presentación: Este curso básico de electricidad, ha sido diseñado para personal técnico de mantenimiento del sector productivo, con la intención de fortalecer y ampliar los conocimientos, habilidades y destrezas entre los participantes, con el fin de promover permanentemente el desarrollo y perfeccionamiento de las capacidades profesionales. Debido a la demanda de profesionales existente en la industria se ha desarrollado el presente curso con la finalidad de que los participantes logren las competencias necesarias para trabajar de manera segura y eficaz, concientizándolos que de ellos depende, en parte, el cuidado y una larga vida útil de los equipos eléctricos.
Objetivo del curso: El objetivo de este curso es comprender qué es la electricidad, como se produce y como se usa. Transmitir los conocimientos y competencias básicas necesarias para la óptima instalación, diagnóstico y corrección de las posibles fallas que se presenten en los equipos eléctricos.
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Índice
Presentación
Objetivo
Capítulo I: CONCEPTOS BÁSICOS DE ELECTRICIDAD --------------------------------------- Página 3
Introducción
¿Qué es la electricidad?
El átomo y la corriente eléctrica
Página 4
¿Cómo se produce la electricidad?
Página 6
Capítulo II: VARIABLES ELÉCRICAS ---------------------------------------------------------- Página 10
¿Qué es la corriente eléctrica?
Tensión o voltaje
Pág. 14
Resistencia
Pág. 16
Inductancia, capacitancia, etc.
Pág. 18
Elementos de un circuito eléctrico
Pág. 20
Ley de Ohm
Pág. 21
Circuitos en serie y paralelo
Pág. 24
Potencia eléctrica
Pág. 30
Condensadores
Pág. 31
Normas de seguridad
Pág. 34
Introducción a la simbología eléctrica
Pág. 36
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I.- CONCEPTOS BÁSICOS DE ELECTRICIDAD Introducción: La electricidad esa una forma de energía que se produce por la existencia de unas diminutas partículas, llamadas electrones libres, en los átomos de ciertos materiales y sustancias. El desplazamiento de estas partículas a través de la materia se denomina corriente eléctrica. La electricidad es la más flexible y versátil de todas las formas de energía. Tiene numerosas aplicaciones tanto domésticas, comerciales e industriales. La electricidad es la forma de energía más utilizada, debido a que puede transmitirse a gran distancia, se puede almacenar, y sobre todo, se puede transformar en otras energías y viceversa. Todo esto ha influido en la mejora de nuestra calidad de vida con avances tecnológicos.
¿Qué es la electricidad? La palabra electricidad procede del vocablo griego “electrón”. La materia está formada por átomos que, a su vez, están constituidos por distintas partículas diminutas. Algunas de ellas (los protones y los electrones) tienen una propiedad especial llamada carga eléctrica. Cuando las cargas eléctricas circulan por un conductor, existe una corriente eléctrica. La carga eléctrica es una propiedad que tienen todos los cuerpos. Existen dos tipos de cargas eléctricas: negativas y positivas. Las cargas de distinto signo se atraen mientras que las cargas del mismo signo se repelen. Cuando ponemos en contacto dos cuerpos que tienen cargas de distinto signo, como estas se atraen, se produce un flujo de cargas de uno a otro cuerpo. A este flujo lo llamamos corriente eléctrica. Los metales son buenos conductores, mientras que la madera, el plástico o el vidrio no, y se llaman aislantes. Se llama resistencia a la mayor o menor dificultad que presenta un cuerpo al paso de la corriente eléctrica. La medimos en una unidad llamada ohmio, cuyo símbolo es la letra griega Ω.
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Aquí se presenta un cuadro con los mejores conductores y los mejores aislantes: Conductores
Oro Plata Platino Cobre Aluminio
Aislantes
Vidrio Cerámica Porcelana Plásticos Madera
El átomo De acuerdo con la teoría electrónica, todos los fenómenos eléctricos y electrónicos son causados, bien por el movimiento de los electrones de un lugar a otro, bien por la existencia de un número excesivo o insuficiente de electrones en un determinado lugar y en un instante dado. Representación de un átomo.
Toda la materia está compuesta de átomos cuyos tamaños, grados de complejidad estructural y peso pueden ser muy diferentes, pero todos ellos se parecen en lo referente a su composición, ya que están formados por un núcleo (que es diferente de uno a otro átomo entre los correspondientes a los 116 elementos químicos existentes en la naturaleza o que han sido creados por el hombre) y de un número variable de electrones que se mueven alrededor de este núcleo.
La estructura del átomo Tenemos ahora el átomo más pequeño de la naturaleza, el hidrógeno. Para verlo sería necesario una enorme ampliación.
Si pudiéramos verlo por un microscopio, aparecería como un sol con un planeta girando alrededor de él. El “sol” representa el núcleo del átomo y el “planeta” el único electrón que posee el átomo de hidrógeno. 4 Caldera
Este electrón (lo mismo que todos los que se pueden encontrar en cualquier parte del universo) tiene una carga negativa de electricidad, mientras el núcleo tiene una carga positiva. En todos los átomos, los electrones cargados negativamente giran alrededor de su núcleo cargado positivamente a distancias muy grandes si las comparamos con los tamaños de los núcleos y de los propios electrones, lo que significa que la mayor parte del volumen que ocupa cualquier átomo, por pequeño que sea, está formado por espacio vacío. El núcleo de un átomo contiene a su vez un cierto número de partículas llamadas “protones”, cada una de las cuales posee una carga positiva de electricidad (conjuntamente con un número de otras partículas que no poseen carga eléctrica). El número de protones del núcleo es exactamente igual al número de electrones que giran en órbitas alrededor de él; la consecuencia es que, en condiciones normales, el átomo está eléctricamente equilibrado, es decir, el número de cargas eléctricas positivas es el mismo que el de negativas.
Corriente eléctrica. Los componentes de los átomos permanecen agrupados por el efecto de poderosas fuerzas de atracción existentes entre el núcleo y sus electrones. Los electrones situados en las órbitas exteriores de un átomo son atraídos por su núcleo con menos fuerza que los electrones cuyas órbitas están más cercanas al núcleo. En ciertos materiales (denominados conductores eléctricos) estos electrones exteriores están débilmente ligados al núcleo, que pueden separarse fácilmente de él y quedar errantes entre los otros átomos, moviéndose fortuitamente. Estos electrones se denominan electrones libres, y es precisamente el movimiento de estos electrones libres lo que constituye la corriente eléctrica.
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¿Cómo se produce la electricidad? En los átomos de cada trocito de material existentes en el universo hay enormes cantidades de electricidad latente o, por decirlo así, durmiendo. Sin embargo, en tanto que estos átomos permanezcan “eléctricamente equilibrados”, esta electricidad no puede ser liberada ni aprovechada en el uso práctico. Para que esto ocurra es necesario que sea aplicada de una forma de energía externa a una cantidad dada de átomos, de modo que separe de su núcleo positivo algunos de sus electrones negativos. De esta manera, la energía externa aplicada originará energía eléctrica. Las seis fuentes de energía externa que son capaces de separar los electrones negativos de los núcleos positivos de un átomo son: • El calor • El rozamiento • La acción química • La luz • La presión • El magnetismo
¿Cómo produce electricidad el calor? La primera fuente de energía externa que puede separar los electrones de su átomo es el calor y la manera más usual de aplicar el calor para este fin es aplicarlo en la zona donde dos metales diferentes están unidos. Por ejemplo, si se retuercen los extremos de un hilo de cobre y un hilo de hierro formando una unión, y se calienta esta unión, aparecerá una carga eléctrica. El que esta carga sea mayor o menor dependerá de la diferencia de temperatura entre la unión y los extremos opuesto de los hilos, cuanto mayor sea la diferencia de temperatura, mayor será la carga. Una unión de este tipo se llama termopar y producirá electricidad mientras se le aplique calor. Esta relación puede emplearse para la medida precisa de temperaturas mediante un termopar en el que una de las uniones se mantiene a una temperatura de referencia conocida (por ejemplo, un baño de hielo) y la otra se coloca en el lugar cuya temperatura quiere medirse. 6 Caldera
¿Cómo produce electricidad el rozamiento? La segunda fuente de energía externa que puede separar los electrones de su átomo es el rozamiento. Si se frotan entre sí materiales diferentes, se puede conseguir que los electrones que pertenecen a uno de los dos materiales salgan de sus órbitas, transferirlos al otro material y retenerlos en él. Naturalmente el material que pierde los electrones adquiere una carga positiva y el material que los captura, adquiere una carga negativa. La distribución resultante de carga eléctrica recibe el nombre de electricidad estática. Entre los materiales que adquieren fácilmente electricidad estática se incluyen el vidrio, el ámbar, el caucho, las ceras, la franela, la seda, el rayón y el nylon.
¿Cómo produce electricidad la acción química? La tercera fuente de energía externa que puede separar los electrones de su átomo es la acción química. La acción o reacción química que tiene lugar en las pilas y baterías se aprovecha en la práctica para producir electricidad. Cuando dos o más pilas se conectan entre sí se forma una batería. Observando las partes de una pila y los electrones, veríamos que el líquido llamado electrolito está expulsando los electrones de una de las placas y conduciéndolos a la otra placa. El resultado de esta acción es un exceso de electrones, o carga negativa, en una de las placas, por lo que el hilo unido a esta placa se llama Terminal negativo. La otra placa se pierde electrones y se carga positivamente, por lo que el hilo unido a ella se le denomina Terminal positivo. 7 Caldera
¿Cómo produce electricidad la luz? La cuarta fuente de energía externa que puede separar los electrones de su átomo es la luz. La manera más usual de utilizar la luz para producir electricidad, consiste en emplear una clase especial de célula o pila que contiene material fotosensible, el cual tiene la propiedad de crear una carga eléctrica cuando la luz incide en él. Esta fotocélula consiste en un conjunto metálico en forma de disco que s e compone de tres capas de material diferentes. Una de las capas exteriores es de hierro y la otra está formada por una película de material a través del cual puede pasar la luz. La capa interior o intermedia del conjunto está formada por una aleación de selenio.
¿Cómo produce electricidad la presión? La quinta fuente de energía externa que puede separar los electrones de su átomo es la presión. Cuando hablamos por teléfono o delante de cualquier otro tipo de micrófono análogo, las ondas de presión de la energía sonora que la voz genera ponen en movimiento a un diafragma. El movimiento del diafragma se puede utilizar para generar una carga eléctrica. Existen en la naturaleza ciertos materiales cuyos cristales generan una carga eléctrica cuando se ejerce presión sobre ellos (como ocurre cuando se mueve el diafragma). Son ejemplos el cuarzo, la turmalina, las sales de Rochelle. Si se colocase un cristal de uno de estos materiales entre las placas metálicas y se ejerciese presión sobre las placas de la manera ilustrada en la figura, aparecerían cargas eléctricas opuestas en las placas. La cantidad de estas cargas eléctricas dependerá de la magnitud de la presión ejercida.
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¿Cómo produce electricidad el magnetismo? La sexta fuente (y la más comúnmente utilizada) de energía externa que puede separar los electrones de su átomo es el magnetismo. El propio magnetismo no se utiliza como fuente directa de esta energía externa. Son producidas grandes cantidades de energía eléctrica en las máquinas giratorias llamadas generadores, en virtud de una acción que tiene lugar entre el devanado del generador y algunos potentes imanes colocados en éste de manera apropiada. Como es natural para que el generador entregue energía eléctrica, debe recibir energía mecánica. Esta energía mecánica puede serle suministrada mediante una turbina hidráulica, un motor de combustión interna o una turbina de vapor. Al girar el generador, hace uso de las propiedades del magnetismo para la suficiente energía externa al átomo para separar de él alguno de sus electrones, lo que hace posible la obtención de la corriente eléctrica.
En resumen, se produce energía eléctrica cuando un electrón de la órbita exterior de un átomo es obligado a salir de ella por una fuente externa de energía. Las seis fuentes de energía externa que actualmente se pueden utilizar para producir la electricidad son: CALOR. Se produce la electricidad calentando la unión de un termopar. ROZAMIENTO. Se produce electricidad estática mediante el roce o fricción de dos materiales. ACCIÓN QUÍMICA. En una pila o en un acumulador eléctrico. LUZ. Se produce electricidad cuando la luz incide en un material fotosensible. PRESIÓN. Se produce electricidad aplicando presión a ciertas clases de cristales. MAGNETISMO. Se produce electricidad mediante movimiento relativo de un imán y una bobina de hilo conductor cuando son cortadas las líneas del campo magnético del imán por el hilo conductor. 9 Caldera
II.- VARIABLES ELÉCTRICAS ¿QUÉ ES LA CORRIENTE ELÉCTRICA? Los electrones de las órbitas exteriores de un átomo pueden ser fácilmente obligados a salir de ellas, porque están atraídos por el núcleo con menos fuerza que los electrones cuyas órbitas están más cerca del núcleo. En ciertos materiales, llamados conductores, se necesita muy poca energía para extraer del átomo sus electrones exteriores, ya que su última capa está incompleta (es inestable) y muy alejada del núcleo, con lo cual, la fuerza de atracción es reducida. En la práctica, el calor existente a la temperatura ambiente es suficiente para liberar los electrones exteriores de los materiales que son buenos conductores, resultando así que en estos materiales existen normalmente un gran número de electrones “libres”. Recordemos que un átomo es extraordinariamente pequeño y que en un centímetro cúbico de cualquier sustancia, hay un número enorme de átomos. Por ejemplo en un centímetro cúbico de cobre, el número de átomos que hay es aproximadamente 1024, o sea, un “1” seguido de 24 ceros. Supongamos ahora un alambre o hilo de cobre y cuyos extremos están unidos respectivamente a un polo positivo y a un polo negativo respectivamente. Todos los electrones libres en el cobre serán atraídos por el extremo positivo y repelidos por el extremo negativo. Este movimiento de electrones libres en el mismo sentido a lo largo del hilo es lo que se llama corriente eléctrica. Al unir los extremos del hilo respectivamente a los polos positivo y negativo, decimos que se provoca una corriente eléctrica porque hay una diferencia de potencial entre los extremos del cable. Si observáramos una botella en posición horizontal llena de agua, veríamos que el agua permanece estancada en su interior. Si eleváramos la parte trasera de la botella provocaríamos una diferencia de altura (diferencia de potencial) que haría que se moviese el agua hacia fuera de la botella (corriente eléctrica). Las leyes que gobierna el comportamiento de la electricidad son perfectamente comparables a las que definen el comportamiento de los fluidos. 10 Caldera
CÓMO SE MIDE LA CORRIENTE Cómo se miden las cargas eléctricas Sabemos que la unidad básica o elemental de carga eléctrica es la cantidad de carga negativa que posee un electrón, pero esta carga es enormemente pequeña, por lo que en todas las aplicaciones prácticas se utiliza una unidad más cómoda. Para medir el agua u otro líquido cualquiera siempre se han utilizado unidades de medida razonables, pero a nadie se le hubiera ocurrido medir contando el número de gotas de líquido contenidas en un recipiente. Así mismo para medir los de cereales se emplean unidades adecuadas, pero no se cuentan los millones de granos de trigo, por ejemplo cuando éste se compra o vende. En la medición de la carga eléctrica, la unidad que se emplea es el culombio. Un culombio es igual a 6.260.000.000.000.000.000 de electrones aproximadamente, es decir, 6.26 trillones, y esto puede darnos una idea de lo pequeñísimo que es un electrón. Intensidad de corriente eléctrica. Unidad de medida La corriente eléctrica, como ya sabemos, está producida por un gran número de electrones que se mueven en el mismo sentido a través de un material conductor. La unidad con que se mide la intensidad de la corriente eléctrica es el amperio. Recordemos que, mientras un culombio es una medida de cantidad y representa solo el número de electrones que pasan por el conductor, un amperio es una medida de intensidad, o sea cantidad de electrones que pasa por un conductor en un tiempo determinado (caudal de electrones).
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Medición de la intensidad de corriente El dispositivo que se utiliza para medir la intensidad de la corriente que pasa por un conductor, se llama amperímetro.
El amperímetro debe conectarse de forma que pueda “contar” todos los electrones que pasen por el hilo y la única manera de conseguirlo es “abrir la línea” e intercalar en ella el amperímetro, esto es, una conexión en serie. Sería igual que si quisiéramos contar el aire que entra a un motor, cortaríamos el tubo de entrada de aire al colector de admisión e intercalaríamos en él un caudalímetro de aire, de forma que todo el aire que entra al motor pase a través del mismo.
Cualquiera que sea la magnitud que se desea medir, siempre es conveniente utilizar una unidad adecuada. Para medir grandes intensidades, el amperio es la unidad más adecuada, pero frecuente mediremos intensidades de corriente menores que un amperio, es decir, solo algunas milésimas o incluso millonésimas de amperios, es por ello que es muy habitual el uso de concepto como miliamperio (mA) o microamperio (µA). 12 Caldera
¿QUÉ ES LO QUE PRODUCE LA ELECTRICIDAD? Sabemos que la corriente eléctrica aparece en un material cuando el movimiento casual o arbitrario de los electrones libres es sustituido por un movimiento ordenado y en un solo sentido, de dichos electrones. También sabemos que este movimiento (siempre de negativo a positivo) continuará mientras exista una diferencia de potencial de carga entre dos puntos del material, de la misma forma que una botella llena de agua estaría vertiendo su contenido mientras esta esté inclinada o exista una diferencia de altura entre sus extremos. La diferencia de potencial de carga solo puede ser creada por una fuente externa que entregue la energía necesaria para mover los electrones, de modo que en un punto dado haya una deficiencia o exceso de ellos. Cualquiera que sea la fuente de energía empleada (calor, presión, magnetismo, etc.), esta energía externa se convierte en energía eléctrica potencial en el instante en que se crea la diferencia de carga. La energía eléctrica potencial creada origina lo que se llama fuerza electromotriz, que se escribe abreviadamente “f. e. m.”. Esta f.e.m. es la causa que produce la corriente eléctrica, y la energía eléctrica de esta se emplea en hacer que los electrones se muevan.
Aunque como concepto la fuerza electromotriz y la diferencia de potencial no sean la misma cosa, en la práctica si lo son, y es por ello que la unidad de medida para medir la f.e.m. y la diferencia de potencial, es el voltio. La diferencia de potencial tiene también el nombre de tensión. 13 Caldera
CIRCUITO ELÉCTRICO Cuando pasa la corriente por un hilo conductor, millones y millones de electrones almacenados en el terminal negativo de la batería, salen de él atravesando el cable, y entran en la batería por su terminal positivo. Cualquier combinación de conductor y fuente de energía electromotriz que permita el desplazamiento continuo de los electrones, forma lo se llama circuito eléctrico.
LA TENSIÓN Tensión, voltaje, diferencia de potencial o fuerza electromotriz se mide en voltios. Es la fuerza que obliga a que la corriente circule. El instrumento de medición para medir el voltaje es el Voltímetro. La tensión se representa indistintamente con una V o bien con una U o una E.
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UNIDADES DE TENSIÓN Kilovoltio, voltio, milivoltio, microvoltio,….
El aparato para medir la tensión es al voltímetro y se conecta en paralelo entre los puntos a medir. El voltímetro nos indica la diferencia de potencial entre dos puntos.
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LA RESISTENCIA Hemos definido la corriente eléctrica como el movimiento ordenado de los electrones a través de un conductor. Para que esto se produzca hay que vencer una doble oposición. Por una parte la tendencia del átomo a retener sus electrones libres, esto depende de cada material y por ello hay materiales que son conductores y otros aislantes. Por otra, los impedimentos que encuentre el electrón en su desplazamiento incluido el propio hilo conductor.
La unidad de resistencia La unidad fundamental de resistencia es el ohmio. Un ohmio es el valor de la resistencia de un conductor, por el que circula una intensidad de un amperio, cuando se aplica entre sus extremos una diferencia de potencial (tensión) de un voltio. En un circuito eléctrico, aunque los conductores (cables) tienen una resistencia, mayor cuanto más largos y más finos sean, su resistencia se desestima. Lógicamente siempre que el circuito esté debidamente diseñado.
Para medir una resistencia es necesario desconectarla o extraerla del circuito donde esté instalada.
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Conversión de unidades de medida Nos evitaremos muchas confusiones aplicando la tabla que se incluye a continuación para convertir las unidades que utilizaremos comúnmente con su dimensión adecuada. En la electricidad o electrónica se tendrá que convertir con frecuencia una unidad de medida en otra, no solo cuando hablemos de amperios, ohmios o voltios, sino también de otras unidades como, vatios y faradios, que más adelante estudiaremos. A todas ellas les son aplicables las mismas reglas de conversión. Se utiliza un sistema de prefijos que se antepone a los nombres de las unidades fundamentales de medida para indicar si es un múltiplo o un submúltiplo de dicha unidad fundamenta. A cada prefijo se le ha asignado un símbolo o abreviatura para ahorrar tiempo y espacio en su manejo. He aquí las tablas:
Supongamos que se desea convertir miliamperios (por ejemplo 35) en amperios. Haciendo uso de la columna Equivalente matemático de la primera tabla y del sistema decimal, verá que:
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Inductancia Es el campo magnético que crea una corriente eléctrica al pasar a través de una bobina de hilo conductor enrollado alrededor de la misma que conforma un inductor. Al utilizar un inductor con un condensador, la tensión del inductor alcanza su valor máximo a una frecuencia dependiente de la capacitancia y de la inductancia. La inductancia depende de las características físicas del conductor y de la longitud del mismo. Si se enrolla un conductor, la inductancia aumenta. Con muchas espiras (vueltas) se tendrá más inductancia que con pocas. Si a esto añadimos un núcleo de ferrita, aumentaremos considerablemente la inductancia.
Capacitancia Se define como la razón entre la magnitud de la carga de cualquiera de los conductores y la magnitud de la diferencia de potencial entre ellos. La capacitancia siempre es una cantidad positiva y puesto que la diferencia de potencial aumenta a medida que la carga almacenada se incrementa, la proporción Q / V es constante para un capacitor dado. En consecuencia la capacitancia de un dispositivo es una medida de su capacidad para almacenar carga y energía potencial eléctrica.
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Reactancia En electrónica se denomina reactancia a la oposición ofrecida al paso de la corriente alterna por inductores (bobinas) y condensadores, se mide en Ohmios y su símbolo es Ω. Junto a la resistencia eléctrica determinan la impedancia total de un componente o circuito, de tal forma que la reactancia (X) es la parte imaginaria de la impedancia (Z) y la resistencia (R) es la parte real.
Impedancia La impedancia (Z) es la medida de oposición que presenta un circuito a una corriente cuando se aplica un voltaje. La impedancia extiende el concepto de resistencia a los circuitos de corriente alterna (CA), y posee tanto en magnitud y fase, a diferencia de la resistencia, que sólo tiene magnitud. Cuando un circuito es accionado con corriente continua (CC), no hay distinción entre la impedancia y la resistencia.
Conductancia La conductancia está directamente relacionada con la facilidad que ofrece un material cualquiera al paso de la corriente eléctrica. La conductancia es lo opuesto a la resistencia. A mayor conductancia la resistencia disminuye y viceversa, a mayor resistencia, menos conductancia, por lo que ambas son inversamente proporcionales. Existen algunos materiales que conducen mejor la corriente que otros. Los mejores conductores son, sin duda alguna, los metales, principalmente el oro (Au) y la plata (Ag), pero por su alto costo en el mercado se prefiere utilizar, en primer lugar, el cobre (Cu) y, en segundo lugar, el aluminio (Al), por ser ambos metales buenos conductores de la electricidad y tener un costo mucho menor que el del oro y la plata.
Conductividad La conductividad eléctrica es la capacidad de un cuerpo de permitir el paso de la corriente eléctrica a través de sí. También es definida como la propiedad natural característica de cada cuerpo que representa la facilidad con la que los electrones (y huecos en el caso de los semiconductores) pueden pasar por él. Varía con la temperatura. Es una de las características más importantes de los materiales.
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ELEMENTOS DEL CIRCUITO ELÉCTRICO Para poder relacionar las magnitudes eléctricas, vamos a suponerlas en su contexto habitual, el circuito eléctrico. Ya hemos visto lo que es y vemos ahora las partes que lo componen en su forma más básica. La comparación con el circuito hidráulico nos ayudará a fijar los conceptos.
El generador eléctrico genera una diferencia de potencial o tensión que mantiene los electrones que mantiene los electrones en circulación en el circuito eléctrico, de la misma forma que una bomba eleva el agua a un nivel superior para mantenerla circulando en un conducto. El consumidor en este caso una lámpara, es el punto de consumo que es recorrido por la corriente procedente del generador, produce energía luminosa como la turbina accionada por el agua impulsada por la bomba produce energía mecánica. La línea está formada por un conjunto de conductores metálicos que conectan el generador al punto de consumo y a través del cual fluye la corriente, así como fluye el agua por el conducto que une la bomba a la turbina.
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LEY DE OHM Esta ley muestra la relación que existe entre la corriente, la tensión y la resistencia que concurren en un circuito eléctrico, que es la misma relación que habría en un circuito hidráulico entre el caudal, las dimensiones de la tubería y la diferencia de altura o presión.
Así pues, se cumple que la intensidad de la corriente en un circuito eléctrico aumenta si aumenta la diferencia de potencial (voltaje), siempre que la resistencia se mantenga constante. De la misma forma se cumple, que la intensidad de la corriente (Amperios) disminuye si la resistencia aumenta, siempre que la tensión (diferencia de potencial) se mantenga constante.
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La relación mencionada se enuncia de la siguiente manera:
Esta relación la podemos representar y manejar con facilidad si utilizamos el triángulo mágico.
Si tapamos con un dedo la letra del triángulo cuyo valor queremos conocer, y la fórmula para calcular su valor quedará indicada por las otras dos letras restantes.
Si quisiéramos saber el valor de la tensión en un circuito, conociendo los valores de la resistencia y la intensidad, el valor de la tensión aparecerá multiplicando la intensidad por la resistencia.
Si quisiéramos saber el valor de la resistencia en un circuito, conociendo los valores de la tensión y la intensidad, el valor de la resistencia aparecerá dividiendo la tensión por la intensidad.
Si quisiéramos saber el valor de la intensidad en un circuito, conociendo los valores de la tensión y la resistencia, el valor de la intensidad aparecerá dividiendo la tensión por la resistencia.
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Recordar siempre que para utilizar correctamente la ley de Ohm es necesario expresar correctamente las unidades de medida:
La intensidad siempre en
Amperios
La tensión siempre en
Voltios
La resistencia siempre en
Ohmios
Si suponemos a modo de ejemplo, que en un circuito hemos medido una resistencia de 10 Ohmios y una corriente de 300 miliamperios. Haciendo previamente la conversión de los 300 miliamperios a amperios para escribir todos los factores de la formula en los términos mencionados anteriormente, la solución nos la proporcionará la fórmula de la Ley de Ohm aprendida:
Otra regla que debemos aplicar para utilizar eficaz y correctamente la Ley de Ohm es la de dibujar siempre un esquema del circuito en cuestión antes de hacer cálculos.
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CIRCUITO EN SERIE En un circuito en serie solo hay un camino para la corriente, esto significa que la misma corriente debe pasar por cada una de las resistencias del circuito.
Con este principio se usan los fusibles en serie, para proteger los circuitos cuando se someten a intensidades elevadas.
Propiedades de un circuito en serie Las tres propiedades más importantes de los circuitos en serie son: 1. La intensidad es la misma en todos los componentes o partes del circuito, esto es: It = I1 = I2 = I3, etc. 2. La resistencia total del circuito es igual a la suma de las resistencia individuales , esto es: Rt = R1 + R2 + R3, etc.
3. La suma de las caídas de tensión producidas en un circuito en serie es igual a la tensión total aplicada , esto es: Vt = V1 + V2 + V3, etc.
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Estas tres propiedades, aplicadas conjuntamente con la ley de Ohm sirven para calcular los valores de los circuitos completos o partes de ellos.
El circuito equivalente. La ecuación Rt = R1 + R2 + R3, etc. da lugar a una simplificación muy útil. Si compara los dos circuitos representados abajo, verá que el de la derecha es prácticamente el mismo que el de la izquierda, es decir una versión "equivalente" de uso más cómodo.
Haciendo uso de la ley de Ohm y de los datos consignados en el circuito equivalente, (V = 6 y R = 12), calculará inmediatamente el valor de los intensidad (la I en el triángulo mágico, que habrá que tapar con el dedo).
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CIRCUITO EN PARALELO Un circuito en paralelo se reconoce porque en él existen intersecciones o “nudos”. Cuando se conectan resistencias en paralelo a una fuente de tensión, la tensión entre los extremos de cada una de las resistencias es siempre la misma. La intensidad de corriente que pasa por cada una de las resistencias es, sin embargo, proporcional al valor de cada una de las resistencias. El hecho de que las tensiones aplicadas a cada una de las resistencias en un circuito paralelo sean siempre las mismas, tiene una importante consecuencia práctica: Todas las resistencias que se conecten en paralelo tienen la misma "tensión nominal".
En un automóvil este hecho permite que “todos” los componentes estén alimentados con 12 voltios para su correcto funcionamiento.
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Intensidad en los circuitos paralelos En el circuito de la figura para una corriente total de 9 amperios que circula por un circuito paralelo que comprende dos resistencias, R1 y R2 de las cuales R1 tiene doble resistencia que R2.
La corriente se divide en proporción inversa a las resistencias de los dos resistores; solo pasan 3 A por R1 cuya resistencia es de 40 ohmios, mientras que pasan 6 A por R2 cuya resistencia es de 20 ohmios. Esto demuestra que con una tensión aplicada igual. La intensidad es proporcionalmente mayor cuando la resistencia es menor. También se observa en el ejemplo otro detalle: La intensidad que sale de un nudo es la suma de las intensidades que entran.
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Propiedades de un circuito en paralelo Según la Ley de Ohm, en los circuitos en paralelo se observan tres propiedades muy importantes que definen sus características: 1. La intensidad total se reparte proporcionalmente en cada rama del circuito en función de su resistencia. It = I1 + I2 + I3, etc. 2. La resistencia total del circuito disminuye si aumenta el número de resistencias, ya que cada nueva resistencia supone un nuevo camino para la circulación de la corriente. Por tanto el valor de la resistencia total siempre es menor que el valor de la resistencia más pequeña. La expresión matemática se enuncia como sigue: La inversa de la resistencia total es igual a la suma de las inversas de cada una de las resistencias. 1 1 1 1 = + + +... Rt R1 R 2 R 3 3. La tensión entre los extremos de cada una de las resistencias de un circuito paralelo es la misma e igual a la de la fuente de tensión. Vt = V1 = V2 = V3, etc.
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Intensidades en los circuitos serie-paralelo La intensidad de la corriente total del circuito serie-paralelo depende de la resistencia total equivalente de todo el circuito cuando está conectado entre los terminales de una fuente de tensión. La corriente se reparte en todas las ramas o caminos en paralelo, y luego todas las corrientes individuales correspondientes a estas ramas confluyen y se suman en las partes del circuito conectadas en serie.
La intensidad de la corriente total del circuito es la misma en los dos extremos de un circuito serie-paralelo que es igual a la intensidad de la corriente que sale de la fuente de tensión.
Tensiones en los circuitos serie – paralelo Las caídas de tensión en un circuito serie-paralelo, se producen de la misma manera que en los circuitos serie y paralelo. En las partes serie de un circuito, las caídas de tensión en las resistencias dependen de los valores individuales de estas de éstas. En las partes paralelo del circuito, cada rama tiene la misma tensión entre sus extremos y por cada una de ellas pasa una corriente cuya intensidad depende de la resistencia de la rama particular.
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POTENCIA ELÉCTRICA En Física, potencia es la cantidad de trabajo efectuado por unidad de tiempo. Esto es equivalente al tiempo empleado en realizar un trabajo. La unidad fundamental con que se mide la potencia eléctrica es el vatio. Un vatio se puede definir como "la velocidad a la que se realiza el trabajo en un circuito en el cual circula una corriente de un amperio cuando haya aplicada una diferencia de potencial de un voltio".
La potencia es la relación entre el trabajo y el tiempo, si se produce más trabajo en el mismo tiempo, se es más potente, si se produce el mismo trabajo en menos tiempo, se es más potente. Cuando hablamos de potencia eléctrica manejamos el mismo concepto pero podemos definir también otros efectos. Si una lámpara da más luz, es más potente. Si un soldador se calienta antes, es más potente.
La potencia de un circuito eléctrico es la relación entre intensidad y voltaje, y sus valores resueltos con el mismo método del triángulo.
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CONDENSADORES Los condensadores son componentes que permiten almacenar energía eléctrica, este efecto se puede aprovechar en un circuito eléctrico con diferentes objetivos, por ejemplo, para disparar el flash de una cámara fotográfica, para mantener la corriente en un circuito y evitar caídas de tensión o para la activación de los inyectores de los sistemas Common Rail. A esta propiedad de almacenamiento de carga se le denomina capacidad. Fundamentalmente los condensadores se componen de dos placas metálicas de poco espesor que pueden ser cargadas eléctricamente y que "están separadas por un material aislante llamado "dieléctrico. Los materiales dieléctricos comúnmente más utilizados son el aire, la mica y el papel encerado.
La capacidad del condensador varía en función de: El material dieléctrico
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La superficie de las placas
La distancia entre las placas
La capacidad se mide en Faradios (F), siendo 1 faradio la capacidad de un condensador en el que, sometidas sus armaduras a una diferencia de potencial de 1 voltio, éstas adquieren una carga eléctrica de 1 culombio. La capacidad de 1 faradio es mucho más grande que la de la mayoría de los condensadores, por lo que en la práctica se suele indicar la capacidad en micro- µF = 10-6, nano- F = 10-9 o pico- F = 10-12 -faradios.
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El montaje de condensadores en serie o paralelo también modifican la capacidad.
Cuando en un circuito de corriente continua está insertado un condensador, solo circula corriente mientras se está “llenando” de electrones, cuando el condensador está completamente cargado la corriente se interrumpe. Ya que esto suele durar muy poco tiempo, se dice que un condensador interrumpe (resistencia infinita) un circuito de corriente continua. Cuando esto mismo sucede en un circuito atravesado por una corriente alterna, el condensador se comporta como un corto (resistencia cero). Esto sucede porque la corriente alterna cambia constantemente de polaridad y el condensador así, se carga y descarga cada vez que cambia el sentido de la corriente.
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NORMAS DE SEGURIDAD DE LA MANIPULACIÓN DE ELECTRICIDAD
Recomendaciones generales La manipulación de circuitos eléctricos debe realizarse siempre con precaución, aunque no con miedo. Las personas sin conocimientos de electricidad deben evitar la manipulación de circuitos. En caso de necesidad hay que demandar la ayuda de alguien capacitado. No tocar un hilo conductor si no estamos seguros de que no circula corriente eléctrica por él. Y antes de manipular algún cable o enchufe, desconectar la corriente y estar calzado. Debemos señalizar adecuadamente los cables o contactos que puedan representar peligro por su situación, estado, y si es posible, reparar la avería y sustituir el elemento dañado. Revisar los cables, enchufes, etc., de manera periódica para corregir los posibles deterioros. No mojar los aparatos eléctricos bajo ningún concepto. Situarlos alejados de humedades. No sobrecargar los enchufes conectando muchos aparatos en una misma toma.
Reglas de seguridad para trabajos de electricidad
Se debe de usar ropa adecuada para este trabajo. Es necesario usar zapato dieléctrico y guantes, pantalón de mezclilla, lentes protectores. Sirve para evitar un arco al no estar aterrizado y servir como vía de escape a la corriente eléctrica. Cuando los voltajes son altos es necesario usar traje para ArcFlash dependiendo el nivel de la señal hay varios tipos de traje medidos en cal/cm2.
No usar en el cuerpo piezas de metal, ejemplo, cadenas, relojes, anillos, etc. ya que podrían ocasionar un corto circuito. Al tener metales conductores de electricidad en el cuerpo y hubiera un accidente con la línea viva esta puede realizar un corto y accidentándonos con ella. 34
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Cuando se trabaja cerca de partes con corriente o maquinaria, usar ropa ajustada y zapatos antideslizantes.
De preferencia, trabajar sin energía para evitar algún accidente. Es preferente trabajar con el sistema desenergizado.
Calcular bien las protecciones eléctricas, (fusibles, termomagnéticos) para la correcta protección del cableado como de los dispositivos eléctricos. Calculando de forma sobrada pero menor a la capacidad de corriente del cableado, Tener en cuenta que una protección bastante grande no serviría como protección perdería utilidad.
Es conveniente trabajar con guantes adecuados cuando se trabaja cerca de líneas de alto voltaje y proteger los cables con un material aislante, ya que el alto voltaje puede "brincar" (comúnmente llamado arcflash) por eso es necesario estar bien aislados.
Si no se tiene la seguridad del voltaje, o si esta desactivado, no correr riesgos, verificar si hay señal en el sistema.
Deberán abrirse los interruptores completamente, no a la mitad, y no cerrarlos hasta estar seguro de las condiciones del circuito.
Si se desconoce el circuito o si es una conexión complicada, familiarizarse primero y que todo este correcto. Hacer un diagrama del circuito y estudiarlo detenidamente.
Hacer uso de herramientas adecuadas para el manejo de interruptores de alta potencia.
DE SER POSIBLE OPERAR EL CIRCUITO CON UNA SOLA MANO. ¿Por qué operar con una sola mano? La electricidad pasa por donde menos resistencia encuentre, entonces si trabajamos con las dos manos la corriente pasa por una y sale por otra. El problema consiste que pasa por el corazón causando arritmia o paro cardiaco.
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INTRODUCCIÓN A LA SIMBOLOGÍA ELÉCTRICA Accionadores actuadores y mandos
Acoplamientos controles mecánicos
Adaptabilidad variabilidad
Arrancadores de motores
Cajas, registros canalizaciones
Condensadores capacitores
Conectores, clavijas tomas y enchufes
Conmutación de potencia
Convertidores de potencia
Corrientes eléctricas
Dependencia operativa
Efecto o dependencia Radiación
Estaciones de generación de energía eléctrica
Fuentes térmicas
Fuerzas movimientos y flujos
Fusibles y otros protectores eléctricos
Generadores eléctricos
Iluminación
Inductancias bobinas eléctricas
Instrumentación eléctrica contadores y registradores
Interruptores contactos y accionadores
Interruptores y contactos representación unifilar
Líneas de transmisión y redes de distribución
Motores eléctricos
núcleos férricos
Ondas, pulsos e impulsos
Relés mandos electromagnéticos
Resistores resistencias eléctricas
Transformadores eléctricos y autotransformadores
Otros dispositivos eléctricos y electrónicos
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