GC Tema 21

TEMA

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Electricidad y Electromagnetismo. Corriente eléctrica: tensión, intensidad y resistencia. Ley de Ohm. Caída de tensión. Asociación de componentes eléctricos. Energía de la corriente eléctrica. Potencia Potencia eléctrica. eléctrica . Magnetismo: campo magnético creado por la corriente eléctrica. Solenoide. Electroimán y relé. Fuerza electromotriz inducida. Fuerza electromotriz de autoinducción GUARDIA CIVIL (MATERIAS SOCIO-CULTURALES Y TÉCNICO-CIENTÍFICAS)

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ELECTRICIDAD Y ELECTROMAGNETISMO

1. ELECTRICIDAD Y MAGNETISMO

1.1. LA ELECTRICIDAD: INTRODUCCION Todos los cuerpos, ya sean sólidos, líquidos o gaseosos pueden ser divididos sucesivamente en pequeñas partículas que seguirán manteniendo la misma estructura y naturaleza que el cuerpo o materia de la que proceden originalmente. Estas partículas se denominan MOLÉCULAS. Las moléculas a su vez pueden ser divididas en otras partículas aun más pequeñas denominadas ÁTOMOS pero que ya no mantienen la misma naturaleza que el cuerpo del que provienen. Los átomos a su vez están compuestos, por un núcleo rodeado de partículas denominadas electrones (cargas negativas), que giran en torno a él en distintas órbitas. El núcleo lo forman los protones (que presentan carga positiva) y los neutrones (con carga eléctrica neutra). El átomo, y dependiendo de la configuración física que presenta en la naturaleza, puede decirse, salvo influencias del exterior, que es eléctricamente neutro, o, lo que es lo mismo, que, debido a que presenta el mismo número de cargas positivas que negativas, se encuentra en reposo. De todas formas, como ya se ha sugerido, este equilibrio puede alterarse por diversos métodos; por ejemplo, obligando a un átomo a liberar electrones libres (quedando cargado positivamente al presentar más cargas de este tipo) o a tomarlos (con lo que se carga negativamente al tener un exceso de cargas negativas). Puede desprenderse de lo anteriormente explicado que la electricidad es un déficit o exceso de electrones, ya que solamente ellos intervienen en el proceso de electrificación. Se denomina CONDUCTIVIDAD a la propiedad que presentan algunos cuerpos de transmitir de un punto a otro de su masa ya sea el calor o la electricidad. La conductividad eléctrica se denomina CONDUCTANCIA y su inversa RESISTIVIDAD O RESISTENCIA. Son cuerpos conductores de la electricidad aquellos cuyos átomos presentan en su orbita más externa un déficit de electrones, es decir, tienen en su orbita más exterior menos del 50% de su capacidad existiendo espacios que facilitan el paso de electrones. Los cuerpos aislantes, al contrario de los conductores, tienen átomos que en su capa más externa presentan un exceso de electrones y en consecuencia impiden el transito de electrones a través de ellos. Existe un tercer tipo de materia que se comporta como conductor o como aislante en función del campo magnético al que se vea sometido, este tipo de material se denomina semiconductor. Tal como se ha venido explicando los átomos pueden perder o aceptar electrones y en consecuencia pueden quedar cargados positivamente o negativamente en función de que presenten un defecto de electrones o un exceso de los mismos. Los sistemas que podemos utilizar para dotar a un cuerpo naturalmente neutro de carga son:

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–

El frotamiento: Al obligar mediante este trabajo mecánico a pasar electrones de un cuerpo a otro a través del punto de roce.

–

El contacto: Al aproximar un cuerpo cargado a otro neutro, ya que el primero intentará por todos los medios recuperar el equilibrio perdido, tomando o liberando electrones, dejando tras este proceso cargado al segundo con el mismo signo que él tenía inicialmente. GUARDIA CIVIL (MATERIAS SOCIO-CULTURALES Y TÉCNICO-CIENTÍFICAS)


–

La inducción: Método según el cual sometemos a un cuerpo neutro conectado a masa (inducido) a la influencia por proximidad, que no contacto, de otro fuertemente cargado (inductor). En este caso la carga adquirida por el inducido es siempre de sentido contrario a la del inductor y, además, no hay paso de electrones de un cuerpo a otro, sino que entran o salen de masa (tierra), la cual puede considerarse como un depósito eléctricamente infinito.

1.2. LA CORRIENTE ELÉCTRICA Como ya se ha comentado, los electrones libres que forman parte de cualquier conductor se encuentran en reposo, es decir, que, aunque su movimiento es errático en torno al núcleo, no hay intercambio de unos átomos a otros y, por tanto, no se produce circulación, situación que se prolongará hasta que por algún medio externo sea introducida alguna diferencia de potencial entre los extremos del conductor, o, lo que es lo mismo, utilizamos ese mismo conductor para poner en comunicación dos puntos que presentan una gran diferencia de cargas positivas y negativas, las cuales intentarán rápidamente equilibrarse, provocando un movimiento de electrones libres desde el punto de menor potencial (-) hacia el de mayor potencial (+), hasta que se iguale la diferencia entre ambos. Si, por algún sistema, hacemos que esa diferencia de potencial se mantenga permanentemente, hemos conseguido el paso continuo de electrones a través de ese conductor. Se define, pues, la corriente eléctrica como la circulación ordenada de electrones a través de un conductor que pone en comunicación dos puntos con distinto potencial eléctrico .

Existen tres tipos de corriente eléctrica: –

Corriente continua : No varía con el tiempo de magnitud ni de sentido.

–

Corriente pulsatoria : Varía con el tiempo de magnitud, pero no de sentido.

–

Corriente alterna : Varía con el tiempo de magnitud y sentido.

El símil más acertado para su comprensión es el de los depósitos comunicados por un conductor: el agua fluye del depósito A al B mientras que exista una diferencia de nivel y agua en el primero. Si hacemos que, por medio de una turbina, retorne el agua al depósito A, mantendremos esta diferencia de nivel entre el agua contenida en ambos depósitos, y por lo tanto continuamente habrá circulación por el conductor. Cuando esta diferencia de potencial no es mantenida, en cuanto los electrones sobrantes del polo negativo alcanzan el positivo y se igualan los potenciales cesa la corriente, por lo que se hace necesario un dispositivo, que llamaremos generador eléctrico, capaz de suministrar una fuerza (fuerza electromotriz ) que transporte cargas negativas del terminal positivo al negativo por dentro del generador. En resumen, la fuerza electromotriz (fem) es la causa y la diferencia de potencial (ddp) el efecto.

En la parte inferior puede apreciarse un circuito eléctrico con funcionamiento similar al hidráulico, donde el generador mantiene la diferencia de potencial necesaria entre dos puntos del mismo, permitiendo el movimiento constante de cargas eléctricas en él. GUARDIA CIVIL (MATERIAS SOCIO-CULTURALES Y TÉCNICO-CIENTÍFICAS)

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Los dispositivos que pueden mantener la ddp entre los terminales, bornes o polos son varios aunque pueden destacarse: Las pilas o acumuladores: Las pilas aportan electricidad sin que anteriormente se les

haya suministrado energía, mediante un proceso químico desencadenado por los elementos que la componen. Los acumuladores, en cambio, reciben energía eléctrica y la guardan transformándola en energía química. Alternador y dínamo: Son máquinas que generan corriente eléctrica mediante pro-

cedimientos mecánicos. Su fundamento radica en que todo conductor que gira dentro de un campo magnético genera una corriente eléctrica. Si los terminales se conectan a dos anillos metálicos continuos de los que se extrae la corriente, hablamos de un alternador, y si hay un solo anillo y este se encuentra partido en dos mitades tendremos una dínamo.

Gráficamente, en un circuito, un generador de corriente se simboliza por dos trazos paralelos, uno más grueso y corto y otro más fino y amplio, dibujados en sentido perpendicular al conductor del circuito. El primero representa al polo negativo y el segundo al positivo.

1.3. TENSIÓN, INTENSIDAD Y RESISTENCIA 1.3.1. Tensión El desequilibrio electrónico producido mediante alguno de los procedimientos antes mencionados crea una diferencia de potencial eléctrico (ddp) o tensión eléctrica, que se cuantifica mediante el término voltaje, ya que la unidad utilizada para referirnos a ella es el voltio. Debido a que tanto la fem como la ddp se miden en voltios, se hace necesario hacer la salvedad de que no siempre toda la fuerza electromotriz del generador es transformada en ddp o voltaje, es decir, que debido a la resistencia interna del generador o dínamo se producen una serie de pérdidas que hacen que la fem de estas máquinas sea superior a la ddp que suministran, perdiendo, a causa de su rozamiento interno, parte de su potencial en forma de calor. 260

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La tensión o voltaje se mide con un aparato llamado voltímetro, que se conecta a los extremos del circuito cuya diferencia de potencial queremos medir. A este tipo de conexión se denomina en paralelo con la carga. Normalmente, cuando queremos representar la tensión de un circuito, en expresiones matemáticas, la representamos por V , aunque, a veces, también se utiliza la letra E como representación de la tensión o diferencia de potencial (ddp). Otros fracciones del voltio son el milivoltio (milésima parte del voltio) y el microvoltio (millonésima parte del voltio). El múltiplo más utilizado es el Kilovoltio (mil voltios).

1.3.2. Intensidad Se define la intensidad como la cantidad de carga eléctrica que cruza la sección transversal de un conductor en un segundo, o, dicho de otro modo, es la velocidad de

flujo de electrones que pasa por un punto del conductor en un segundo. La unidad de intensidad es el Amperio y su representación simbólica es la letra I. Son fracciones del Amperio el miliamperio, microamperio, nanoamperio y picoamperio. La intensidad de la corriente se mide por los efectos que produce en los llamados amperímetros, que son los aparatos utilizados para medirla, los cuales siempre se colocan en serie con la carga. Matemáticamente su valor se expresa como: I=

Q t

Q es la carga y t el tiempo Así, un amperio es la intensidad de corriente de un culombio por segundo.

1.3.3. Resistencia de un conductor Todo conductor, en función de su propia naturaleza, presenta un determinado grado de dificultad al paso de la corriente eléctrica. Esta oposición a ser recorrido por la corriente es lo que definimos como resistencia eléctrica. Los factores que con carácter general influyen en la resistencia de un conductor son los siguientes: –

La materia que lo forma y, concretamente, la cantidad de electrones libres que

posea. –

La forma: el mismo material presenta más resistencia cuando tiene forma espiral

o de ángulo recto. –

La longitud, ya que a mayor longitud mayor resistencia.

–

La sección, pues a menor sección mayor resistencia.


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Lo anteriormente explicado tiene la siguiente traducción aritmética: R=

L S

En ella  es la resistividad propia de cada material, L la longitud y S la sección del conductor. La unidad de resistencia eléctrica es el Ohmio, cuyo símbolo es la letra griega omega, , y se define como «la resistencia que presenta un conductor cuando, al someterlo a una diferencia de potencial de un voltio, circula por él una intensidad de corriente de un amperio». Cuando hablamos de resistencia podemos referirnos a la propia de un material, a la interna de un dispositivo o bien a los resistores, que son componentes fabricados para presentar valores de resistencias conocidos y con ello la caída controlada de la tensión. Estos últimos pueden clasificarse en bobinadas (en espiral) y de composición.

1.4. LEY DE OHM 1.4.1. Generalidades Cuando una corriente circula a través de una resistencia se produce un debilitamiento o freno de la misma siendo retenida parte de esta, fenómeno que se conoce como caída de tensión. De todo lo expuesto anteriormente, y tras constatar que en todo circuito eléctrico se producen una serie de modificaciones en lo que se refiere a los valores de tensión aplicada (caídas de tensión), unas veces intencionadas (a colocación de resistencias) y otras propias de los mismos elementos que forman la instalación (resistencias internas o de los materiales), vamos a conocer con más detenimiento este fenómeno, que vamos a definir como las distintas pérdidas de tensión que se producen al paso de la corriente y que pueden ser de dos tipos: –

Caída de tensión interna, presente en todo generador y que provoca su propia

resistencia interna, producida por los materiales que lo forman. –

Caída de tensión exterior, producida por la resistencia total de la o las cargas

conectadas al generador, siendo esta la suma de la propia del conductor más el resto. Experimentalmente se comprueba que, en todo circuito eléctrico, a la salida de bornes del generador, existe una diferencia de potencial ddp que es la que permite el establecimiento de la corriente eléctrica a lo largo del conductor conectado entre sus polos. Pero durante este recorrido, el efecto de las resistencias intercaladas hace que, en cada una de ellas, por la Ley de Ohm, se vaya perdiendo tensión. Debido a que cuando se conectan resistencias en serie, la intensidad que circula es la misma, I, el cálculo de la caída de tensión en cada resistencia se realiza, por Ohm, multiplicando esta resistencia por la intensidad. V1 = R1 I 262



En un circuito eléctrico cerrado, la ddp entre bornes de un generador será equivalente a la suma de las caídas de tensión en cada una de las resistencias conectadas en serie en el circuito (las resistencias conectadas en paralelo tienen todas ellas la misma caída de tensión, por lo que su cálculo se reduce a conocer su resistencia equivalente y multiplicarla por la intensidad del circuito). De esta forma, la tensión total, o ddp del generador, se reparte en las caídas de tensión de cada resistencia: Vtotal = V1 + V2 + V3 + ... El físico alemán George Simon Ohm descubrió experimentalmente los vínculos que relacionan este fenómeno, dentro de un circuito, y estableció el comportamiento de la tensión, la intensidad y la resistencia, así como la distribución de la fem a lo largo del mismo. Estos trabajos le permitieron enunciar la que se conoce como Ley de Ohm, la cual establece que: Entre dos puntos de un circuito, la intensidad que circula es directamente proporcional a la tensión existente entre los mismos e inversamente proporcional a la resistencia entre ellos, o lo que es lo mismo. La Ley de Ohm se expresa matemáticamente de las siguientes maneras: E = R x I , R = E/ I , I = E/ R Siendo I la intensidad (en amperios), E la tensión (en voltios) y R la resistencia (en ohmios).

1.4.2. Ley de Ohm generalizada La Ley de Ohm generalizada se utiliza para determinar la tensión que se hará presente en los bornes de un generador, una vez que se hayan tomado en consideración tanto la carga conectada a él mismo como su propia resistencia interna, es decir, que, como ya se estudió anteriormente, la ddp suministrada siempre es menor que la fem del generador, debido a las pérdidas en forma de calor que estas máquinas presentan. Matemáticamente se expresa de la siguiente manera: E = Eg - rgI (el producto rgI representa las pérdidas producidas por la resistencia interna del generador)

Siendo E la ddp en bornes, Eg la fem del generador, rg la resistencia interna del generador e I la intensidad total del circuito.

1.5. POTENCIA ELÉCTRICA Se denomina potencia (P) a la energía consumida por un circuito o que éste ha disipado en forma de calor. La unidad en que se mide esta magnitud es el vatio, el cual se corresponde con la potencia consumida entre dos puntos del circuito cuando al ser aplicada una ddp de 1 voltio circula entre ellos 1 amperio . GUARDIA CIVIL (MATERIAS SOCIO-CULTURALES Y TÉCNICO-CIENTÍFICAS)

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Dado que la potencia es el trabajo en la unidad de tiempo, la expresión de la potencia eléctrica vendrá dada por la expresión: P = W/t = V I t/t = V I P = VI Siendo V la tensión e I la intensidad. Según la Ley de Ohm V = RI, por lo tanto, la expresión anterior también admite la forma siguiente: P = R I I = R I2 = V2 /R

1.6. ENERGÍA DE LA CORRIENTE ELÉCTRICA 1.6.1. Energía o trabajo eléctrico Cuando una corriente se desplaza por un conductor que une dos puntos de distinto potencial, se produce un trabajo. La diferencia de potencial necesaria para generar ese trabajo se mide en voltios, definiéndose pues un voltio como la diferencia de potencial existente entre dos puntos de un circuito tal que es necesario realizar un trabajo de 1 julio para mover entre ellos una carga de un culombio. Generalizando podemos

decir que eléctricamente la diferencia de potencial es igual al trabajo dividido por la unidad de carga. V= W/Q (siendo V la diferencia de potencial, W el trabajo y Q la carga) De esta fórmula despejando podemos decir que, trabajo o energía eléctrica es igual a la diferencia de potencia por la carga. W= V Q También sabemos que la intensidad que circula por un conductor es la cantidad de carga eléctrica que cruza una sección transversal del mismo durante un segundo, lo cual nos lleva a enunciar este concepto como:

I= Q/t (siendo I la intensidad, Q la unidad de carga y t el tiempo en segundos) Despejando de la definición de intensidad tenemos que la carga es igual a: Q= I t Y sustituyendo este último valor en la fórmula W=VQ tenemos que: W= V (I t) De donde enunciamos que el trabajo o energía eléctrica vendrá dado por la fórmula: E= V I t (siendo E la energía eléctrica, I la intensidad del circuito en amperios, V la

diferencia de potencial en voltios y t el tiempo que dura el paso de la corriente, lo que nos da una resultante en julios). 264



Esta energía puede ser consumida en formas diferentes, ya sea trabajo mecánico (motores eléctricos), reacciones químicas (galvanostegia y galvanoplastia) y la más usual, en forma de calor.

1.6.2. Energía calorífica de la electricidad. Ley de Joule La resistencia que presenta un conductor al paso de la corriente obstaculiza la circulación de los electrones, los cuales deben realizar un cierto trabajo para vencer esta oposición, liberándose energía calorífica durante el proceso. Es el llamado efecto Joule, cuyo cálculo se determina inicialmente partiendo de la ya conocida fórmula del trabajo o energía eléctrica es decir: E calorífica = V I t Sabemos que según la fórmula de la ley de Ohm V= I R, por lo que si tal fórmula la intercalamos en la anterior tendremos que: E calorífica= V I t= I R I t = I2 R t. Si en esta fórmula insertamos el valor de I despejado de la Ley de Ohm, tendremos igualmente E calorífica=I2 R t= (V/R)2 R t = V2t /R (una vez desarrollado el paréntesis y simplificado una R) Energía calorífica= V 2 t / R magnitud que se presenta en julios.

Si la cantidad de calor la quisiéramos expresar en calorías, al ser un julio igual a 0,24 calorías, la expresión quedaría de la siguiente forma: Calor= 0,24 R I 2 t calorías

Sus aplicaciones son muy variadas: hornos, estufas, termos, bombillas de incandescencia etc.

2. MAGNETISMO: INTRODUCCIÓN La capacidad que presentan algunos materiales (imanes) de crear una fuerza de atracción o repulsión (fuerza magnética), que puede llegar a influenciar eléctricamente a otros, es lo que se conoce como magnetismo. Se denomina sustancia magnética a la que puede ser atraída por las fuerzas magnéticas y adquirir magnetismo. De lo anteriormente expuesto se deduce que, en el espacio que rodea a un imán, se hace presente una fuerza que se extiende alrededor de él y que decrece a medida que nos alejamos del mismo. La atracción es muy fuerte en los extremos o polos y nula en el cenGUARDIA CIVIL (MATERIAS SOCIO-CULTURALES Y TÉCNICO-CIENTÍFICAS)

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tro o línea neutra, atrayéndose los polos opuestos y repeliéndose los iguales. Los imanes pueden ser naturales, tales como la magnetita, o artificiales, a los que se les ha dotado

de la propiedad magnética mediante alguno de los siguientes medios: –

Por influencia: Aproximando una sustancia magnética a un imán fuerte.

–

Por frotamiento : Produciendo un roce continuado entre un imán y alguna sustan-

cia magnética. –

Por corriente: Es el método más eficaz y se basa en la inducción electromagnética.

En un imán artificial se distinguen los polos Norte (N) y Sur (S), quedando entre ellos la zona donde la atracción magnética es nula. Norma general de los imanes es que los polos del mismo signo se repelen y los de distinto signo se atraen. Una de las aplicaciones más conocidas de los imanes es la brújula, aparato compuesto por una aguja imanada que gira libremente sobre un eje y que, permanentemente, señala con su norte el Norte geográfico (coincidente, aunque algo desviado, con el Sur magnético terrestre). Al contrario de lo que les ocurre a las cargas eléctricas, que pueden aislarse las negativas de las positivas, los polos magnéticos no pueden separarse. Un imán está constituido por múltiples imanes pequeños (llamados dipolos) orientados todos en el mismo sentido; de esta forma, cuando un imán se parte, cada uno de los trozos, son imanes, con la misma orientación que el primitivo.

2.1. CAMPO MAGNÉTICO Si colocamos bajo un cristal, un imán en forma de barra, y dispersamos limaduras de hierro, se dispondrán de tal forma que simularán unas líneas cerradas que rodean al imán de un extremo a otro.

A estas líneas se les denomina líneas de fuerza magnética, y tienen la característica de que son curvas que salen de un extremo del imán y regresan al extremo contrario. Entendemos por campo magnético el espectro de dichas líneas, es decir, la zona de influencia de un imán, y se considera como un flujo o corriente de magnetismo que circula por el circuito: salen del Polo Norte, circulan alrededor y regresan por el Polo Sur del imán, volviendo por su interior hasta el Polo Norte. La configuración que se observa no es el campo en sí, (ya que es invisible), sino una representación de la fuerza magnética dentro de él. Las líneas de fuerza son simplemente una representación, de forma que, cuanto más densamente aparezcan, indicarán una mayor fuerza. 266



Se define intensidad del campo en un punto concreto del mismo, a la fuerza en “dinas” que actúa sobre la unidad de masa magnética situada en ese punto. La unidad de inducción magnética es el gauss. Cuando una superficie plana corta transversalmente un campo magnético definimos como flujo al número total de líneas de fuerza que lo atraviesan. Su valor se expresa con el símbolo « » y su unidad en el sistema Giorgi o MKS es el weber y en el CGS, el Maxwell. El aparato para medir el flujo magnético se denomina fluxímetro. Un campo uniforme tendría la misma intensidad, dirección y sentido en todos sus puntos, es decir, se verían líneas paralelas. No todos los materiales presentan la misma disposición a ser recorridos por un campo magnético. Podemos definir la permeabilidad como la mayor o menor facilidad que tienen las sustancias para permitir el flujo de líneas de fuerza magnéticas. Existen materiales, tales como el oro o el cinc, que, ante la presencia de un campo magnético potente, son rechazados; a estas sustancias se les llama diamagnéticas. Otras son débilmente atraídas, como el aluminio: son las llamadas sustancias paramagnéticas. Por último, sustancias tales como el hierro o el acero, que son fuertemente atraídas por un imán, se les llama ferromagnéticas. Esta respuesta de atracción o repulsión entre distintos cuerpos, que tiene su razón de ser en la atracción o repulsión de las cargas microscópicas que los componen, está en la base de todos los fenómenos eléctricos conocidos y da sentido al más común de todos ellos, la corriente eléctrica.

2.2. CAMPO MAGNÉTICO CREADO POR UNA CORRIENTE ELÉCTRICA: LA INDUCCIÓN ELECTROMAGNÉTICA Hans Christian Oersted, profesor danés de la Universidad de Copenhague, demostró experimentalmente que la electricidad produce magnetismo. Al magnetismo creado por este medio lo llamó electromagnetismo. Los experimentos de Oersted nos vienen a probar que, alrededor de todo conductor por el que circula una corriente eléctrica, se genera un campo muy parecido al producido por un imán. En el caso que nos ocupa, el campo es perpendicular a la corriente y circular con centro en la misma, demostrando tener, a su vez, dirección, sentido e intensidad.

La intensidad aumenta o disminuye en función de la corriente, y el sentido varía si cambia el sentido de la corriente. Regla de la mano derecha :

El sentido del campo magnético puede determinarse mediante esta sencilla experiencia: Si se toma el conductor con la mano derecha, de forma que el dedo pulgar apunte en la dirección de la corriente eléctrica, los demás dedos de la mano indicarán el sentido del campo. GUARDIA CIVIL (MATERIAS SOCIO-CULTURALES Y TÉCNICO-CIENTÍFICAS)

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2.2.1. El solenoide. Campo magnético generado por un solenoide o bobina con núcleo de aire Si tomamos un conductor por el que esté circulando una corriente eléctrica y lo doblamos formando una espira, el campo magnético creado seguirá rodeándolo y, además, el flujo entrará por una cara y saldrá por la otra. Llegados a este punto, y por afinidad a los imanes, decimos que una espira también tiene un polo Norte (por donde salen las líneas) y otro Sur (por donde entran).

Una sucesión de espiras mediante arrollamiento se denomina solenoide o bobina con núcleo de aire. En la bobina, el flujo de cada una de las espiras se une al siguiente a lo largo del interior de la misma, y las líneas de fuerza entran por un lado y salen por el otro formando curvas cerradas. Como puede apreciarse, en tales condiciones un solenoide o bobina se comporta igual que un imán. La polaridad de la bobina puede determinarse por el mismo método que comentábamos antes para el sentido de los campos generados por corrientes eléctricas; se toma el solenoide con la mano izquierda y se extiende el pulgar y los demás dedos señalarán el sentido de la corriente y el pulgar el Norte.

2.2.2. El electroimán Como ya sabemos, cuando el núcleo de una bobina (el interior de la misma) es de aire recibe el nombre de solenoide, pero cuando este arrollamiento se realiza sobre un núcleo de material ferromagnético, habitualmente hierro dulce, le llamamos electroimán. Este material, colocado en el interior de bobina y con posibilidades de imantación, debidas a su propia naturaleza, hace que sus átomos se orienten homogéneamente (dipolos), de forma tal, que en él aparece una zona Norte y otra Sur, es decir, se convierte en un imán. Al cesar la corriente eléctrica, el efecto imán cesa prácticamente, quedando sólo lo que se llama magnetismo remanente. Si este magnetismo remanente es muy pequeño, casi imperceptible, hemos conseguido lo que se conoce como electroimán, es decir, un imán temporal que mantiene su magnetismo mientras circula corriente por su circuito eléctrico. Si en lugar de introducir en el interior del solenoide un trozo de hierro dulce, colocamos un trozo de acero, cuyo magnetismo remanente es muy considerable, al cesar la corriente del solenoide, aquél queda convertido en un imán permanente. Los electroimanes son de gran aplicación en la vida diaria, pudiendo encontrarlos en timbres, teléfonos, relés, contactores, frenos magnéticos, etc., y su utilidad en otras máquinas conversoras de energía, tales como transformadores, generadores eléctricos, etcétera.

2.2.3. Los relés Los relés de inducción (así llamados para diferenciarlos de los térmicos, cuyo principio de funcionamiento es distinto), son unos dispositivos electromagnéticos de pequeñas dimensiones, que constan, básicamente, de un electroimán y de una pieza llamada armadura que cierra el circuito magnético cuando por aquél circula corriente. 268



En el caso de que la armadura sea una pieza móvil que es atraída por el núcleo de hierro del electroimán, a ésta se le acopla uno más contactos que cierran o abren interruptores del circuito que se quiere controlar o proteger. Existen dos tipos de relés en función de su estado de partida: –

Normalmente cerrados o de reposo , que se abren al paso de la corriente por su

bobina. –

Normalmente abiertos o de trabajo, que se cierran cuando el relé es excitado

(pasa la corriente). Con los anteriores, y eligiendo el más útil para cada cometido, se puede, mediante variaciones de corriente en el circuito de mando de donde se alimenta el relé, controlar o proteger el funcionamiento del circuito principal por medio de los contactos ya aludidos. Los tipos de relés se pueden clasificar teniendo en cuenta múltiples circunstancias: por su base de funcionamiento, por su aplicación, etcétera. –

Por su funcionamiento : se dividen en relés térmicos (cuya base de funciona-

miento en un trozo de bimetal que al calentarse se dobla provocando el cambio de posición de los contactos de trabajo) y los relés basados en fenómenos electromagnéticos, los cuales pueden ser:

–

–

*

De armadura o lengüeta: Consisten en que la armadura es móvil y articulada, de forma que cuando la bobina del relé es excitada, el núcleo de hierro la atrae y mueve los contactos del circuito de trabajo, abriéndolos o cerrándolos según su posición inicial.

*

De núcleo deslizante. En este caso es el núcleo de hierro el que se desplaza por el interior de la bobina cuando ésta se excita, abriendo o cerrando, igualmente, los contactos del circuito principal.

*

De cilindro de inducción. De funcionamiento similar a los contadores eléctricos; trabaja sólo con corriente alterna.

Por su aplicación:

*

De protección de excesos en las características de funcionamiento del circuito principal, tales como sobreintensidades, sobretensiones, diferenciales, de mínima tensión, etc.

*

De control, permitiendo manipular o controlar circuitos con elevadas tensiones o intensidades, en los que sería peligroso hacerlo directamente, usando estos relés comandados por pequeñas corrientes.

Por el tiempo de retardo en su funcionamiento

*

Instantáneos.

*

A tiempo fijo.

*

A tiempo inverso.


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–

Por su forma de conexión :

*

Primarios, si la bobina se alimenta directamente del circuito de trabajo, pasando por ella la misma intensidad de aquél.

*

Secundarios, si esta bobina se alimenta a través de un transformador, con lo que la intensidad que la atraviesa es menor.

2.3. EL CIRCUITO MAGNÉTICO Un circuito magnético es el camino cerrado que siguen las líneas de fuerza en una bobina de N espiras que soporta el paso de una corriente I. Puede ser expresado por la fórmula:  = F/R

Siendo  el flujo, F la fuerza magnetomotriz y R la reluctancia u oposición que presenta el circuito al paso de flujo. Las unidades para las magnitudes referidas son, según el sistema de referencia: MKS: Weber = Flujo magnético F = Amperio-Vuelta R = Rels (Amperio-Vuelta/weber) CGS: Maxwel = Flujo magnético F = Gilbertio R = Oesterio Si un imán es sometido a la influencia de un campo magnético que aumenta su intensidad, observaremos que la fuerza de atracción de sus polos va aumentando pero solo hasta un limite, lo cual se debe a que aunque la densidad del flujo crece con la fuerza magnetomotriz, este aumento tiene un “tope” cuando se alcanza el punto de saturación, a partir del cual, aunque se aumente la fuerza magnetomotriz, las ganancias en el flujo son poco apreciables porque todos los imanes interiores ya se encuentran ya ordenados; por otro lado, hay que señalar que en este proceso de magnetización también se produce lo que se denomina histéresis, que es el retraso que experimenta la magnetización del núcleo con relación a la fuerza que lo magnetiza. Este retraso se debe al magnetismo remanente que tiende a conservar el núcleo.

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2.4. LA INDUCCIÓN ELECTROMAGNÉTICA 2.4.1. Introducción Henry Faraday fue el primero que, en 1831, descubrió los principios de la inducción electromagnética. Puede demostrarse experimentalmente que, si conectamos un voltímetro a un conductor y éste es movido de arriba a abajo en las proximidades de un imán, la aguja se desplazará coincidiendo con los cortes producidos sobre las líneas de fuerza del campo magnético. Sólo se producirá presencia de tensión cuando los movimientos de corte sean perpendiculares a las líneas del campo. Todo lo anterior nos lleva a enunciar que «siempre que hay un movimiento relativo entre un conductor y un campo magnético aparece una tensión en el conductor , tanto si un conductor móvil corta a un campo fijo, como si un conductor fijo corta a un campo móvil. El voltaje que aparece se denomina tensión o fem inducida; la corriente, corriente inducida; y el fenómeno que lo genera inducción electromagnética». La tensión inducida por este medio es directamente proporcional a los siguientes elementos: – El número de espiras del conductor. – La intensidad del campo. – La velocidad de corte.

2.4.2. Fuerza electromotriz inducida en un circuito próximo. Ley de Lenz Cuando colocamos dos bobinas próximas, cualquier alteración de corriente en una de ellas produce una variación de flujo en la otra. Este fenómeno, que llamamos inducción mutua, produce una fem que se opone a las variaciones del flujo y que es directamente proporcional al aumento de la corriente en la primera bobina. Se denomina transformador al conjunto formado por dos bobinas próximas montadas normalmente sobre un núcleo de hierro dulce. Se utiliza un núcleo de material magnetizable para que aumente la inductancia y de esa forma poder reducir el número de espiras. La función de este núcleo es facilitar la generación del campo magnético y agrupar las líneas de fuerza al paso por el mismo. Llamamos primario o inductor, al bobinado que soporta la corriente, y secundario o inducido al que genera la fem. El sentido de esta tensión inducida en el secundario es contrario al del primario, razón por la cual, tal como se explicó anteriormente, se opone a las variaciones que se producen en el primario. En la práctica esto se traduce en que, cuando el flujo del primario esta creciendo, el del secundario se opone a este crecimiento y, cuando decrece, el producido en el secundario se opone a esta disminución. En este caso los dos sentidos son iguales. La fuerza electromotriz inducida en el secundario es proporcional a los siguientes parámetros: 1. Su número de espiras. 2. La cantidad de flujo que lo corta. 3. La velocidad con que varía el flujo que lo corta. GUARDIA CIVIL (MATERIAS SOCIO-CULTURALES Y TÉCNICO-CIENTÍFICAS)

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Se define autoinducción como la tendencia de todo circuito eléctrico a evitar los cambios de corriente, característica que se aprecia especialmente en las bobinas. Como ya sabemos, cuando por una bobina circula una corriente se crea un flujo magnético, pues bien, cuando esta corriente varía se induce una fem en la propia bobina que denominamos fem de autoinducción, la cual puede definirse como una fuerza contraelectromotriz, ya que su sentido siempre se opone a la causa que lo produce. La fem de autoinducción crece con el número de espiras y con mayores velocidades de variación en la corriente (o lo que viene a ser igual, del flujo). Su valor se ve aumentado igualmente por la permeabilidad del núcleo, la mayor sección transversal del mismo o su mayor longitud. Su unidad es el henrio (H) y sus divisores el milihenrio

 H     1.000  y

el microhenrio

  H  . 1.000.000 

Para terminar, estudiaremos el concepto de extracorrientes o tensiones de ruptura , las cuales son las tensiones generadas por autoinducción al cerrar o abrir un circuito. La tensión así originada aparece en el interruptor originando chispas, que pueden terminar por destruir los contactos del mismo.

3. ASOCIACIÓN DE COMPONENTES ELÉCTRICOS Con carácter general se define un circuito eléctrico como aquel que reúne los siguientes elementos: –

Un generador que suministre una ddp estable a los extremos del circuito.

–

Una carga que consuma la energía aportada.

–

Un conductor que, partiendo del polo negativo, llegue a la carga y regrese hasta el

polo positivo. De entre todos los elementos que pueden ser introducidos en un circuito como cargas, destacamos dos por su especial relevancia: las resistencias y los condensadores.

3.1. ASOCIACIÓN DE RESISTENCIAS 3.1.1 Asociación de resistencias en serie Cuando en la práctica sea necesario asociar resistencias en serie, la regla matemática que habrá de aplicarse será la siguiente: Rt = r1 + r2 + r3 + … «La resistencia total de dos o más resistencias en serie será la suma de cada una de ellas».

La intensidad es la misma en todas, o sea, It = i1 = i2 = i3 =…; esta intensidad se calcula mediante la Ley de Ohm, es decir, It = E/Rt (tensión dividida por la resistencia total). 272



3.1.2. Asociación en paralelo Cuando en la práctica sea necesario asociar resistencias en paralelo la regla matemática que habrá de aplicarse será la siguiente: 1/Rt = 1/r1+ 1/ r2+ 1/r3+… «El valor total de dos o más resistencias en paralelo es inversamente proporcional a la suma de cada una de sus inversas». La tensión en todas las ramas del circuito es la misma; en este caso lo que varía es la intensidad, circulando por cada resistencia una fracción de la intensidad total, proporcional a la resistencia atravesada.

3.1.3. Asociaciones de resistencias mixtas: serie-paralelo Son combinaciones de circuitos serie-paralelo o paralelo-serie. Para solucionarlos se aplican las reglas anteriores por partes, es decir, la resistencia total será la suma de todas las que estén en paralelo más las que se encuentren en serie. Tomando este valor podrá determinarse la intensidad o tensión total según sean requeridas.

3.2. ASOCIACIÓN DE CONDENSADORES Existe otro efecto en la corriente eléctrica que, aunque no se va a tratar a fondo, lo comentamos brevemente para conocer los tipos de asociaciones a que puede dar lugar. Es el efecto capacitivo o de condensador. Un condensador es el conjunto formado por dos conductores de cualquier tipo (armaduras), separados por un elemento aislante (dieléctrico) y muy próximos entre sí, que tiene la capacidad de almacenar carga. Se representa por dos líneas de igual trazo y tamaño, paralelas entre sí y dispuestas transversalmente al circuito. La unidad de almacenamiento de carga, es decir, de capacidad de los condensadores, es el faradio, y se representa como «F», aunque es muy frecuente utilizar submúltiplos de él, como el picofaradio o el nanofaradio. Al aumentar la carga de las armaduras de un condensador, aumenta la diferencia de potencial entre éstas, de forma que: Q = C V ; siendo Q la carga, en culombios, almacenada; C la capacidad en faradios de

un condensador y V la tensión en voltios entre armaduras. Se puede pensar que, aumentando la tensión entre armaduras indefinidamente, se pueden conseguir aumentos de almacenamiento de carga igualmente indefinidos; pero esto no es así, ya que, llegados a determinados valores de tensión (tensión de trabajo o de ruptura), cualquier elevación de la misma originaría una descarga brusca entre placas a través del dieléctrico, destruyendo el aislamiento. La máxima tensión que puede soportar el dieléctrico antes de ser perforado se llama rigidez dieléctrica. GUARDIA CIVIL (MATERIAS SOCIO-CULTURALES Y TÉCNICO-CIENTÍFICAS)

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Al igual que ocurre con las resistencias eléctricas, podemos asociar condensadores, bien para conseguir acumular más carga de la que soportaría uno solo, bien para que cada uno soporte menor ddp y evitar estas perforaciones. Estas asociaciones pueden hacerse en serie, en paralelo y mixtas o serie-paralelo. Como curiosidad o sistema útil para recordar lo que a continuación estudiaremos,

puede decirse que las reglas matemáticas para las asociaciones de condensadores son las mismas que las de las resistencias pero al contrario, es decir, por ejemplo, que la regla para las resistencias en serie es la misma que para los condensadores en paralelo.

3.2.2. Asociación de condensadores en serie Con disposición similar a las resistencias, es decir, uno tras otro unidos por sus armaduras de signos contrarios. La capacidad total viene dada por la expresión. 1/Ct = 1/c1+ 1/c2+ 1/c3+... «El valor total de dos o más condensadores en serie en inversamente proporcional a la suma de cada una de sus inversas».

La diferencia de potencial en los extremos de la asociación será la suma de las ddp de cada condensador.

3.2.3. Asociación de condensadores en paralelo En la práctica esta formación corresponde a unir por un lado las placas positivas y por otro las negativas. La capacidad total viene dada por la expresión: Ct = c1 + c2+ c3 + ... « La capacidad total de dos o más condensadores en paralelo será la suma de cada una de ellos».

3.3.4. Asociación de condensadores mixta o serie-paralelo Calcularemos previamente las capacidades equivalentes de los condensadores conectados en serie y, posteriormente, sumaremos todos los paralelos. En resumen, sólo queda por apuntar que, en cualquier circuito donde existan condensadores, la corriente continua sólo circula en los periodos de carga y descarga.

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GC Tema 21

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