Tema 1. Electricidad y Electrónica

Tema 1: Electricidad y Electrónica.

ÍNDICE 1. ELECTRÓNICA

4

1.1. Importancia ................................................................................................................................................ 4 1.2. Definición ................................................................................................................................................... 4 1.3. Tipos ............................................................................................................................................................ 4 1.3.1. Electrónica Analógica

4

1.3.2. Electrónica Digital

6

1.3.3. Ventajas de la electrónica digital frente a la analógica

7

1.3.4. Tipos de sistemas

8

1.4. Circuito electrónico................................................................................................................................. 8 1.5. Componentes electrónicos..................................................................................................................... 8

2. ELECTRICIDAD

9

2.1. Importancia ............................................................................................................................................... 9 2.2. Origen ......................................................................................................................................................... 9 2.3. Sistema de producción y consumo de la electricidad................................................................... 9 2.4. Efectos de la electricidad ...................................................................................................................11 2.5. Definición................................................................................................................................................. 12 2.5.1. Estructura del átomo

13

2.5.2. Tipos de átomos

13

2.5.3. Fenómenos de atracción y repulsión en las cargas eléctricas

15

2.6. Electricidad estática ........................................................................................................................... 15 2.6.1. Experimento con barra de vidrio

15

2.6.2. Experimento con barra de ebonita

16

2.6.3. Cuerpos con mismo signo se repelen

16

2.6.4. Cuerpos con distinto signo se atraen

16

2.7. Carga eléctrica....................................................................................................................................... 17 2.7.1. Definición

17

2.7.2. Ley de Coulomb

18

2.7.3. Campo eléctrico

19

2.7.4. Corriente eléctrica

20

2.8. Electricidad atmosférica .................................................................................................................... 21 2.9. Formas de producir la electricidad ................................................................................................. 21

Encarnación Marín Caballero

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2.10. Circuito eléctrico ............................................................................................................................... 25 2.10.1. Elementos fundamentales

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2.10.1.1. Generador eléctrico

26

2.10.1.2. Conductores

27

2.10.1.3. Receptores

29

2.10.2. Elementos de maniobra

30

2.10.3. Elementos de protección

30

2.10.4. Tipos de circuitos

31

2.10.4.1. Abierto

31

2.10.4.2. Cerrado

31

2.11. Magnitudes eléctricas ....................................................................................................................... 32 2.11.1. Símil hidráulico

32

2.11.2. Intensidad de corriente eléctrica

34

2.11.2.1. Sentido de la corriente eléctrica

34

2.11.2.2. Instrumento de medida

35

2.11.3. Tensión eléctrica

36


37

2.11.4. Resistencia eléctrica

38


38

2.11.5. Resistencia de un conductor

40

2.11.5.1. Influencia de la temperatura sobre la resistividad

42

2.11.6. Ley de Ohm

45

2.11.7. Ley de Watt. Potencia eléctrica

47


49

2.11.8. Energía eléctrica

49

2.11.9. Ley de Joule

50

2.11.10. Tabla – Resumen

51

2.11.11. Fórmulas

51

2.11.12. Polímetro

52

2.12. Tipos de corriente eléctrica ........................................................................................................... 54 2.12.1. Corriente continua (C.C. ó D.C.)

55

2.12.2. Corriente alterna (C.A. ó A.C.)

57

3. DIFERENCIAS

61

ENTRE ELECTRICIDAD Y ELECTRÓNICA


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4. PROTECCIÓN

62

DEL CIRCUITO ELÉCTRICO

4.1. Cortocircuito .......................................................................................................................................... 62 4.1.1. ¿Por qué se producen “cortocircuitos” en las instalaciones eléctricas?

64

4.2. Sobrecargas........................................................................................................................................... 64 4.3. Fusibles ................................................................................................................................................... 65 4.3.1. Tipos de fusibles

66

4.4. Interruptores automáticos ............................................................................................................... 67

5. DETECCIÓN

68

DE AVERÍAS

5.1. Cortocircuito .......................................................................................................................................... 68 5.2. Circuito abierto .................................................................................................................................... 68

6. FACTORES

69

DE RIESGOS ELÉCTRICOS MÁS COMUNES

7. ORGANIZACIÓN

DEL TALLER.


LAS 5 S

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1. ELECTRÓNICA 1.1. Importancia La electrónica forma parte de nuestra vida cotidiana, hasta el punto de que podemos decir que vivimos en la era de la Electrónica. Ejemplos: 

Electrodomésticos en el hogar.



Sistemas de comunicación: móviles, televisión, ordenadores, etc.



Robótica.

La electrónica surge a comienzos del siglo XX. Concretamente fue en 1947 con la invención del transistor, el cual supuso un gran impulso para su desarrollo. Y en 1958 se fabricó el primer circuito integrado.

1.2. Definición La electrónica es la parte de la electricidad que estudia el funcionamiento del estudio de los circuitos y de los componentes que permiten modificar la corriente eléctrica . Algunas de las modificaciones que se pueden realizar son: 

Aumentar o reducir la intensidad de corriente (amplificación o atenuación).



Obligar a los electrones a circular en un único sentido (rectificación).



Dejar pasar solamente aquellos electrones que circulen a una determinada velocidad (filtrado).

La electrónica es, por tanto, una disciplina que abarca un amplio abanico de actividades relacionadas con la generación y transmisión de información por medio de señales eléctricas .

1.3. Tipos La electrónica se divide en dos grandes áreas: 

Electrónica analógica: temperatura, radio, televisión, presión, tiempo, etc.



Electrónica digital: audio (MP3, CD, Mini Disc, etc.). televisión digital, telefonía digital, fotografía digital, telecomunicaciones, Internet, instrumentos de medida, etc.

1.3.1. Electrónica Analógica La electrónica analógica se fundamenta en el tratamiento y manejo de señales eléctricas de tipo analógico. NOTA: Una señal eléctrica es la variación de una magnitud (tensión o intensidad) a medida que pasa el tiempo. Todos los circuitos funcionan con señal eléctrica. Reciben señales para su entrada y proporcionan otras señales en su salida.


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Una señal analógica es aquella que varía de forma continua, tal como lo hacen las magnitudes físicas en la naturaleza.

Ejemplo: Señal analógica obtenida al procesar una señal de audio con un micrófono.

Existe el Teorema de muestreo de Nyquist que nos garantiza que cualquier señal se puede representar mediante números y que con éstos se puede construir la señal original .

Ejemplo: Digitalización de una conversación telefónica.


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1.3.2. Electrónica Digital digital.

La electrónica digital se fundamenta en el tratamiento y manejo de señales eléctricas de tipo

Las señales digitales son mucho más simples que las analógicas, ya que la información se procesa y codifica en dos únicos estados (0 -falso- y 1 –verdadero-). “0 lógico” corresponde al nivel bajo de tensión (0 V). “1" lógico” corresponde al nivel alto de tensión (5 V en TTL y 12 V en CMOS).

La señal digital toma sólo dos valores (0 y 1) en un determinado intervalo de tiempo , por lo que se dice que toma un conjunto de valores discretos.

La electrónica digital opera con números. La información está contenida en los números y no en la forma de la señal eléctrica. Una señal eléctrica siempre se puede convertir a número y un una vez procesada, recuperarse posteriormente. Ejemplo: Proceso de conversión de una señal digital en una analógica.


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Las ventajas de la electrónica digital son: 

Ofrece mayor inmunidad al ruido.



Proporciona elevada densidad de integración en chips semiconductores.



Presenta mayor facilidad de acoplamiento entre sus sistemas.



Permite un diseño más sistemático.



Garantiza un comportamiento totalmente predecible.



Hace posible una codificación sencilla.

1.3.3. Ventajas de la electrónica digital frente a la analógica

La electrónica digital, de más reciente creación, está desplazando a la analógica, ya que es más fácil de desarrollar y menos complicada de estudiar. A pesar de ello, en ciertas aplicaciones donde intervienen fenómenos físicos como la temperatura, la presión, etc., su uso es imprescindible. En la mayoría de las aplicaciones actuales las señales de entrada y de salida son analógicas y su procesado y almacenamiento se realiza de forma digital. Para combinar ambas y poder resolver cualquier problema que se proponga se utilizan circuitos denominados convertidores. A la entrada del sistema se colocan convertidores analógicos/digitales, que transforman las señales analógicas en valores digitales, que serán procesados y/o almacenados. Y a la salida, en cambio, se colocan convertidores digitales/analógicos, para transformar de nuevo las señales digitales en analógicas que, de esta forma, actúen de la manera requerida, como en el siguiente ejemplo.


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Ejemplo: Aplicación en un casete de audio.

Ahora bien, en este sistema a controlar participan ambos tipos de señales (analógica y digital), tanto en las entradas como en las salidas. Las señales analógicas se pueden convertir en digitales y viceversa. Esto puede realizarse con convertidores AD y DA.

1.3.4. Tipos de sistemas Basándonos en el tipo de señal podemos definir los siguientes sistemas: 

Sistemas analógicos: son aquellos donde tanto las entradas como las salidas son del tipo analógico.



Sistemas digitales: son aquellos donde tanto las entradas como las salidas son del tipo digital.

1.4. Circuito electrónico Los circuitos electrónicos son circuitos formados por componentes electrónicos.

1.5. Componentes electrónicos Los componentes empleados para construir sistemas electrónicos pueden ser de dos tipos: 

Componentes pasivos. Son aquellos componentes que suponen un gasto de energía. No producen ni amplifican voltaje, intensidad y potencia. Ejemplos: resistencias, condensadores y bobinas.



Componentes activos. Son los componentes encargados de suministrar la energía a los pasivos . Pueden modificar el voltaje, la intensidad y la potencia. Están fabricados con materiales semiconductores. Ejemplos: diodos, transistores, componentes optoelectrónicos y circuitos integrados lineales.

NOTA: Los materiales semiconductores tienen un comportamiento intermedio entre los aislantes y los conductores. Los más importantes son el silicio, selenio y germanio. Algunos componentes están integrados y otros son discretos o individuales.


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2. ELECTRICIDAD 2.1. Importancia La electricidad es una de las formas de energía que más ventajas y comodidades aporta a los seres humanos en la actualidad. Con ella conseguimos que funcionen, entre otras, las siguientes aplicaciones: luz con las lámparas eléctricas; calor con cocinas, hornos y calefacciones; frío con frigoríficos y equipos de aire acondicionado; fuerza motriz con motores (ascensores, máquinas herramientas, vehículos eléctricos, electrodomésticos, etc.); sistemas de información, automatización y telecomunicación con ordenadores, microprocesadores, sistemas robotizados, televisores, radio, etc., y muchas otras aplicaciones que con el paso de los años aparecerán.

2.2. Origen En la primera mitad del siglo XIX, aparece la iluminación mediante gas. En 1879, Thomas Edison inventa la luz incandescente a través de la energía eléctrica. En 1880, Thomas Edison diseña la primera instalación con luz incandescente en Nueva York. A principios del siglo XX, surgen las lámparas de 15 y 25 vatios y tensión de 125-220 voltios. En la actualidad, el alumbrado es de 230 voltios y la industria de 400 voltios.

2.3. Sistema de producción y consumo de la electricidad

La electricidad se produce, fundamentalmente, en las centrales eléctricas. Su misión consiste en transformar cualquier forma de energía primaria (hidráulica, térmica, nuclear, solar, etc.) en energía eléctrica. Dada la facilidad con que se transporta la electricidad, por medio de las líneas eléctricas, la ventaja fundamental que conseguimos con esto es que producimos energía eléctrica en las zonas donde podemos acceder con facilidad a la energía primaria, para luego consumirla en ciudades, empresas o cualquier otro centro de consumo.


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El generador eléctrico, que se utiliza habitualmente en una central eléctrica, se basa en un fenómeno que fue descubierto en 1820 por Faraday. «Cuando se mueve un conductor eléctrico (hilo metálico), en el seno de un campo magnético (imán o electroimán) aparece una corriente eléctrica por dicho conductor. Lo mismo ocurre si se mueve el imán y se deja fijo el conductor».

En un generador eléctrico se hacen mover bobinas en sentido giratorio en las proximidades de campos magnéticos producidos por imanes o electroimanes.

Para transportar la energía eléctrica producida por el generador hasta los centros de consumo se utilizan las líneas eléctricas. Como éstas no son perfectas, ya que poseen resistencia eléctrica, se producen grandes pérdidas de energía en forma de calor . Para reducir estas pérdidas se utilizan líneas de alta tensión (220.000, 380.000 V). De esta forma, se disminuye la intensidad de la corriente eléctrica y la electricidad puede recorrer grandes distancias con pocas pérdidas. Los aparatos que consiguen elevar la tensión son los transformadores eléctricos. Estos dispositivos solamente funcionan para la corriente alterna. Por último, se sitúan transformadores cerca de los consumidores con el fin de reducir la tensión hasta los 230 o 400 voltios (baja tensión). Estas tensiones son ya mucho menos peligrosas para las personas que utilizan la electricidad.


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2.4. Efectos de la electricidad Pero, ¿qué es exactamente la electricidad? Podríamos decir, que es lo que hace girar los motores, lucir las lámparas, etc., en definitiva, una fuerza, que como tal es invisible y de la cual sólo se notan sus efectos. Los efectos fundamentales que se conocen de la corriente eléctrica son: 

Efecto térmico. Al fluir la corriente eléctrica por ciertos materiales conductores, llamados resistivos, como el carbón, se produce calor en los mismos, pudiendo construirse, gracias a este efecto, calefacciones, cocinas, hornos, calentadores de agua, planchas, secadores, etc.



Efecto luminoso. En una lámpara eléctrica incandescente, al fluir por su filamento resistivo una corriente eléctrica, éste se calienta a altas temperaturas, irradiando luz.



Efecto químico. Al fluir la corriente eléctrica por ciertos líquidos, éstos se disgregan, dándose el nombre de electrólisis. Gracias a este efecto se pueden producir productos químicos y metales, baños metálicos (galvanización) y recarga de baterías de acumuladores.


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

Efecto magnético. Al conectar una bobina a un circuito eléctrico, aquélla produce un campo magnético similar al de un imán, lo que origina un efecto de atracción sobre ciertos metales. Aprovechando este efecto se pueden construir electroimanes, motores eléctricos, altavoces, instrumentos de medida, etc.

2.5. Definición La electricidad es una manifestación física que tiene que ver con las modificaciones que se dan en los átomos, y más concretamente en el electrón. La electricidad es el movimiento de electrones que han sido sacados de sus órbitas . Estos electrones son llamados electrones libres, que al ser sacados de sus órbitas dentro del átomo se mueven con facilidad por la materia.

Tales de Mileto en el siglo VII a.C. comprobó que al frotar un trozo de ámbar con un paño de lana, éste atraía pequeñas plumas, pajas, papeles, etc. Curiosidad: El nombre de electricidad deriva del nombre griego del ámbar (elektron). Ejemplo: Atracción eléctrica por frotamiento (o fricción).

Después de frotar el bolígrafo los trozos de papel son atraídos por aquél, lo que indica que a causa del frotamiento se han desarrollado determinadas fuerzas debido a las cargas eléctricas, que previamente no existían. Por tanto, el fenómeno de electrización son los cambios que se producen en las partes más pequeñas de la materia. Encarnación Marín Caballero

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2.5.1. Estructura del átomo La materia de los materiales está compuesta básicamente por moléculas, las cuales a su vez se dividen en átomos. El átomo es la partícula más pequeña que posee todas las propiedades físicas y químicas del material original. Es del orden de una diezmillonésima de milímetro. El átomo está compuesto de partes todavía más pequeñas, como el núcleo y los electrones. 

El núcleo del átomo está formado por partículas elementales, tales como los protones y neutrones.



Los electrones (e-) giran a gran velocidad en órbitas alrededor del núcleo.

Características del átomo: 

El protón tiene carga eléctrica positiva.



El electrón tiene carga eléctrica negativa.



Los neutrones no poseen carga eléctrica y aportan masa al núcleo del átomo .

En un átomo, los protones se concentran en el núcleo junto a los neutrones y algunas partículas atómicas. A pesar de que los protones poseen carga positiva y que entre ellos existe una gran fuerza

repulsiva, éstos se mantienen confinados y muy próximos entre sí en el núcleo, debido a las enormes fuerzas de carácter nuclear. Masa del protón = 1.836,11 veces superior a la del electrón El electrón posee una masa muy pequeña, en torno a algo más de la milésima parte de la masa de un protón. Además, los electrones más alejados del núcleo son atraídos con menor fuerza por éste, lo que hace posible su movilidad hacia otros átomos. Masa del electrón = 9,1091 · 10-31 Kg

Curiosidad: Los trabajos de Rutherford, Bohr y otros investigadores revelaron que el átomo está formado por los electrones, los protones, los neutrones, los positrones, los mesones, los neutrinos, los antiprotones, etc. Centremos nuestra atención en los electrones y los protones porque su estudio es de importancia para producir la electricidad.

2.5.2. Tipos de átomos Teniendo en cuenta la estructura interna del átomo, éste puede comportarse de dos formas distintas: 

Estable.



No estable.


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Un átomo está estable cuando el número de electrones es igual al número de protones . Por lo que se dice que el átomo es eléctricamente neutro. 

Átomo con carga neutra. Un átomo en estado normal posee el mismo número de electrones que de protones. Esto hace que exista un equilibrio entre las fuerzas de carácter eléctrico que se dan entre protones y electrones, y, por tanto, que dicho átomo permanezca eléctricamente neutro. Ejemplo: Un átomo de litio posee 3 protones y 3 electrones: 3 (+) + 3 (-) = 0

Nº de electrones = Nº de protones Un átomo no está estable cuando el número de electrones es distinto al número de protones . Si hay más protones que electrones, se dice que el átomo tiene carga positiva. Pero si tiene más electrones que protones, se dice que el átomo tiene carga negativa.



Átomo con carga positiva. Si por algún medio consiguiésemos arrancar electrones de las últimas órbitas de los átomos, surgiría un desequilibrio entre el número de cargas negativas y positivas, siendo mayores estas últimas y confiriendo, por tanto, una carga positiva a dicho átomo. Este defecto de electrones produce una carga positiva en el átomo. Ejemplo: Al frotar con un paño el litio, es posible que se arranque un electrón de su última órbita, quedando el átomo cargado positivamente por poseer un defecto de electrones: 3 (+) + 2 (-) = 1 (+)

Nº de electrones < Nº de protones 

Átomo con carga negativa. De la misma manera, si por algún procedimiento conseguimos agregar electrones a un átomo eléctricamente neutro. Este exceso de electrones produce una carga negativa en el átomo. Ejemplo: Al añadir un electrón al átomo de litio en su última órbita da como resultado una carga negativa: 3 (+) + 4 (-) = 1 (-)

Nº de electrones > Nº de protones Encarnación Marín Caballero

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2.5.3. Fenómenos de atracción y repulsión en las cargas eléctricas Si fuera posible situar un electrón frente a un protón, se podría observar un fenómeno de atracción. Al contrario, si enfrentamos dos electrones o dos protones éstos se repelen, se produce el fenómeno de repulsión.

Esto nos indica que tanto el electrón como el protón poseen una propiedad que se manifiesta en forma de fuerzas de atracción y de repulsión; nos estamos refiriendo a la carga eléctrica. Esta carga eléctrica es de diferente signo para el electrón y para el protón.

2.6. Electricidad estática La electricidad estática aparece principalmente por el efecto de la fricción entre dos cuerpos. Al frotar determinados materiales aislantes, éstos pierden o ganan electrones, lo que origina cargas eléctricas estáticas en dichos materiales. Ejemplo: Este efecto se da cuando se camina sobre una alfombra, cuando una persona se peina, el roce entre el peine y el cabello causa que un cuerpo pierda y el otro gane electrones, etc. Cuando hay contacto entre dos cuerpos, hay electrones de un cuerpo que pasan al otro , de manera que un cuerpo queda con más electrones y en consecuencia más negativo y otro con menos electrones (los electrones que acaba de perder) y en consecuencia más positivo. Como no existe un camino para que los electrones regresen al cuerpo original, este desbalance se mantiene. En caso de que el rozamiento no se mantuviera, la electricidad estática desaparecería poco a poco.

2.6.1. Experimento con barra de vidrio Si se frota una barra de vidrio con un paño de lana, los electrones se transfieren del vidrio hacia el paño, quedando electrizado el primero con carga positiva.


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2.6.2. Experimento con barra de ebonita Si lo que frotamos es una barra de ebonita (resina artificial) con una piel de animal, los electrones son transferidos de la piel a la ebonita, quedando esta última cargada negativamente.

2.6.3. Cuerpos con mismo signo se repelen Ejemplo: ¿Qué ocurre si después de frotar dos barras de vidrio se acercan? Las dos barras que están cargadas positivamente se repelen.

2.6.4. Cuerpos con distinto signo se atraen ¿Qué ocurre si después de frotar una barra de vidrio y una de ebonita las barras se acercan?

Las dos barras que están cargadas con diferente carga se atraen.


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2.7. Carga eléctrica

2.7.1. Definición posee:

Se conoce como carga eléctrica de un cuerpo al exceso o defecto de electrones que éste



Carga negativa significa exceso de electrones. Al material se le agregan electrones y su carga total será negativa.



Carga positiva significa defecto de electrones. Al material se le quitan electrones y su carga total será positiva.

El átomo, al perder un electrón, queda instantáneamente sin equilibrio eléctrico , ya que el número de protones es superior al de electrones. En este caso, diremos que el átomo quedará cargado positivamente y se convertirá en un ión positivo o catión. Si, en el caso contrario, un átomo captura un electrón, quedará cargado negativamente y se convertirá en un ión negativo o anión.

La unidad de carga eléctrica se representa con la letra Q y su unidad es el culombio (C).

Submúltiplos 1 mC = 10-3 C 1 µC = 10-6 C 1 nC = 10-9 C 1 pC = 10-12 C Un culombio equivale aproximadamente a un exceso o defecto de 6 trillones de electrones. 1 culombio = 6,3 · 1018 electrones 1 electrón tiene Q = -1,602 · 10-19 C Ejemplo: Determina la carga eléctrica que tiene una barra de ebonita, si una vez frotada posee un exceso de 25,2 · 1018 electrones:

Q

25,2  1018 electrones  4culombios de carga negativa 6,3  1018 electrones / C

O bien

Q  25,2  1018 electrones  1,602  10 19 C / electrones  4,04  4culombios


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2.7.2. Ley de Coulomb Dos cargas eléctricas puntuales Q1 y Q2 ejercen una sobre otra fuerzas de atracción y repulsión, que son directamente proporcionales al producto de dichas cargas, e inversamente proporcionales al cuadrado de la distancia que las separa.

F K

Q1  Q2 d2

F: fuerza de atracción y repulsión (Newtons, N). Q1 y Q2: cargas eléctricas (culombios, C). d: distancia entre las cargas (metros, m). K: constante de proporcionalidad (N·m2·C-2, En el aire o en el vacío,

N  m2 ). C2

K  8,987 109 N  m 2  C 2  9 109

N  m2 C2

En cualquier otro medio, su valor es siempre más pequeño, lo que provoca que la interacción entre las cargas disminuya. En el Sistema Internacional (SI) se define como

K

1 , donde ε es 4

permitividad o constante dieléctrica del medio, que, por lo tanto, también es una constante.

Definimos εr como permitividad relativa, que es la relación entre la permitividad del medio (ε) y la permitividad del vacío (ε0).

r 

 0

En caso de que haya tres o más cargas eléctricas puntuales, la fuerza eléctrica resultante que ejercen sobre una de las cargas es la suma vectorial de las fuerzas que actúan sobre ésta. A continuación, se muestra la tabla de la constante de permitividad en los diferentes medios.


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Ejemplo: Dos cargas puntuales de 20 μC y –35 μC se encuentran en el vacío separadas por una distancia de 20 cm. ¿Cómo es la fuerza y qué valor tiene? Datos: Q1 = 20 μC = 20 · 10-6 C Q2 = –35 μC = -35 · 10-6 C d= 20 cm = 20 · 10-2 m = 0,2 m

K vacío  9  10 9

N  m2 C2

Operaciones: Al ser las dos cargas de signo contrario, la fuerza entre ellas es de atracción y de valor:

F  9  10 9

N  m 2 20  10 6 C  35  10 6 C   157,5 N C2 0,04m 2

Solución: F = 157,5 N

2.7.3. Campo eléctrico Un campo eléctrico es una región del espacio en el que una carga eléctrica está sometida a una

fuerza de carácter eléctrico.

El campo eléctrico se representa mediante las líneas de fuerza, que corresponden a los

caminos que seguiría una carga eléctrica puntual positiva al ser atraída o repelida por la carga eléctrica que ha creado el campo. 

Líneas de fuerza de carga eléctrica aislada:



Líneas de fuerza de dos cargas del mismo signo:



Líneas de fuerza de dos cargas de diferente signo:


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Tema 1: Electricidad y Electrónica. 

La intensidad de campo eléctrico ( E ) creada por una carga Q1 en un punto del espacio es la fuerza eléctrica que actúa sobre una unidad de carga situada en este punto. 

E1  

   Q Q Q Q 1 Q Q 1 F F ; E1  K  21 y E2  ; E2  K  22 K 1 2 2  K 1 2 2  d d Q2 d Q2 Q1 Q1 d



E 1 y E 2 : intensidad de campo eléctrico (

N ). C

Q1 y Q2: cargas eléctricas (culombios, C). d: distancia entre las cargas (metros, m). K: constante de proporcionalidad (N·m·C-2,

N m C 2 ).

Ejemplo: Calcula la intensidad de campo eléctrico del ejemplo anterior. Datos: Q1 = 20 μC = 20 · 10-6 C Q2 = –35 μC = -35 · 10-6 C d= 20 cm = 20 · 10-2 m = 0,2 m

K vacío  9  10 9

N  m2 C2

Operaciones: Para cada carga, se calcula su intensidad de campo eléctrico: 

N  m 2 20 10 6 C N   4,50 10 6 2 2 C C 0,04m



N  m 2  35 10 6 C N   7,87 10 6 2 2 C C 0,04m

Q1 

E 1  9 109

Q2 

E 2  9 109

Solución:



E 1  4,5 10 6

N  6 N , E 2  7,87  10 C C

2.7.4. Corriente eléctrica Algunos materiales como los “conductores” tienen electrones libres que pasan con facilidad de un átomo a otro. Estos electrones libres, si se mueven en una misma dirección conforme saltan de un átomo a átomo, se vuelven en su conjunto, una corriente eléctrica.

Así pues, la corriente eléctrica es el movimiento de electrones que se establece por el conductor eléctrico desde un cuerpo con exceso de electrones a otro con defecto de ellos (del negativo al positivo). El cuerpo con más carga positiva atrae al cuerpo con exceso de carga negativa. Aparece un movimiento de electrones por dicho camino hasta que las cargas queden compensadas, es decir, hasta que la diferencia de cargas deja de existir . El galvanómetro es el instrumento que nos permite medir la corriente eléctrica. Encarnación Marín Caballero

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2.8. Electricidad atmosférica La electricidad atmosférica es la primera forma de electricidad que se conoce. Un caso por todos conocido son los rayos que saltan de una nube a otra o que saltan a la Tierra . Esta diferencia de voltaje (o diferencia de potencial) creada por el roce entre nubes se hace muy grande al punto que se crea un arco de corriente que todos llamamos rayo.

2.9. Formas de producir la electricidad Existen varias formas de producir electricidad, de las cuales se construyen los diferentes tipos de generadores.



Por frotamiento. ¿Has sentido alguna vez un calambrazo y oído un chisporroteo al quitarte un jersey o al mover una alfombra? Al andar sobre una alfombra, se produce un frotamiento entre ésta y los pies, lo cual genera una acumulación de cargas eléctricas en la superficie de ésta . Esta carga eléctrica puede originar tensiones del orden de algunos miles de voltios y se la denomina carga electrostática. Esta acumulación de cargas puede ser peligrosa, ya que se pueden descargar, en cualquier momento, a través de las personas y ocasionar accidentes.


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Ejemplo: ¿Por qué razón crees que los coches, a veces, llevan colocada una cinta antimareo en la parte trasera de la carrocería, haciendo contacto entre ésta y la tierra? Porque el automóvil acumula cargas electrostáticas y gracias a esta cinta se evita el peligro.

Aprovechando las fuerzas que aparecen entre las cargas eléctricas, se pueden construir dispositivos que aprovechen estas propiedades. Ejemplos: o

Las impresoras láser y las fotocopiadoras.

o

Máquinas de pintura por rociado.

o

Recogida de polvo mediante precipitadores electrostáticos.

Fundamento de la impresora láser



Por reacción química. Las pilas y acumuladores son generadores que, aprovechando la energía que se desarrolla en determinadas reacciones químicas, producen electricidad.


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Ejemplo: Podemos fabricar una pila sencilla. Introducimos una barra de cobre (Cu) y una barra de cinc (Zn) en una disolución de agua (H20) con unas gotas de ácido sulfúrico (H2S04). Los terminales de ambas barras se conectan a un voltímetro.



Por presión o por efecto piezoeléctrico. Existen ciertos materiales, como los cristales de cuarzo, que, cuando son golpeados o presionados entre sus caras, aparece una tensión eléctrica.

Ejemplos:



o

Agujas para tocadiscos.

o

Micrófonos piezoeléctricos.

o

Encendedores de cocina.

Por acción de la luz. Mediante las células fotovoltaicas es posible transformar directamente la energía luminosa en energía eléctrica.

Ejemplo: o

Generadores de energía eléctrica para satélites espaciales.


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

Por acción del calor. Algunos cuerpos poseen propiedades termoeléctricas, con los cuales se pueden construir pares termoeléctricos. Éstos constan de dos metales distintos y unidos, que, al ser calentados, manifiestan una diferencia de potencial entre sus extremos.

Ejemplo: o

Termómetro con termopar.

Este efecto se puede revertir si aplicamos una tensión eléctrica a dos termopares. Se conoce como efecto Peltier. Al hacer circular una corriente continua por los dos termopares, en uno de los puntos de unión aparece un aumento de temperatura, mientras que en el otro aparece una disminución de la misma.

Aprovechando este fenómeno es posible construir pequeños elementos de refrigeración. Ejemplos:



o

Neveras portátiles para el automóvil.

o

Refrigeración de equipos electrónicos (ordenadores).

o

Termómetros (especialmente para medir temperaturas en hornos).

Por acción magnética. Se basa en el principio de Faraday. Se produce la energía en las grandes centrales eléctricas mediante los alternadores o, en otros casos, con las dinamos en forma de corriente continua.


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Ejemplo: Cuando se mueve un conductor eléctrico (hilo metálico) en el seno de un campo magnético (imán o electroimán) aparece una corriente eléctrica por dicho conductor. Lo mismo ocurre si se mueve el imán y se deja fijo el conductor. En un generador eléctrico se hacen mover bobinas en sentido giratorio en las proximidades de campos magnéticos producidos por imanes o electroimanes.

2.10. Circuito eléctrico Un circuito eléctrico es un conjunto de elementos que unidos entre sí, permiten una circulación de electrones (corriente eléctrica) desde un punto de partida (fuente), recorre un camino y vuelve a ese mismo punto.

2.10.1. Elementos fundamentales Los elementos fundamentales para que un circuito eléctrico funcione son tres: 

Generador (pila, acumulador, …). Proporciona la energía necesaria para poner en movimiento los electrones.



Receptor (lámpara, motor, etc.). Es el elemento que recibe y consume la energía eléctrica suministrada por el generador de corriente.



Conductor (cables). Une los diferentes componentes y transporta los electrones.

Sin embargo, en la mayoría de los circuitos además tenemos controladores, que son los

componentes eléctricos encargados de regular la corriente. Ejemplos: Elementos de maniobra y elementos de protección.

Se denomina esquema eléctrico al dibujo eléctrico en donde se representan sus elementos (pila, conductor, interruptor y lámpara) mediante símbolos normalizados.


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2.10.1.1. Generador eléctrico Es todo aparato o máquina capaz de producir corriente eléctrica a expensas de cualquier otro tipo de energía. Se distinguen dos tipos fundamentalmente: 1) Pilas y acumuladores (o baterías). En estos generadores se obtiene electricidad a partir de la conversión de energía química en eléctrica. Si tomamos una varilla de carbón y otra de cinc (electrodos) y las sumergimos en una disolución de ácido sulfúrico (electrolito), habremos construido una pila elemental. Ejemplos:

Pilas.

Batería del automóvil.

2) Dinamos y alternadores. Transforman energía mecánica en eléctrica. Se fundamentan en el principio de inducción electromagnética que dice: “Si movemos un conductor, de forma que corte las líneas de fuerza de un campo magnético, se puede hacer circular en él una corriente de electrones”. Ejemplos:

Dinamo.


Alternador.

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2.10.1.2. Conductores Los conductores son los operadores que transportan energía eléctrica. Son el camino por el que circulan los electrones. Teniendo en cuenta ciertas propiedades eléctricas, los materiales se pueden clasificar en conductores, aislantes y semiconductores.

Pero también existen otros materiales que dependen de la temperatura que son los superconductores.

1) Conductores: Existen materiales que permiten el paso de la corriente, a estos materiales se les denomina conductores. Cuando sobre una estructura atómica actúa una determinada energía puede ocurrir que uno o más electrones escapen de su órbita. Los electrones que están poco sujetos al núcleo atómico son los que recorren el metal de manera libre y desordenada y se denominan electrones libres. Los electrones libres son la causa de que los metales sean buenos conductores de la electricidad y del calor. Un conductor es aquel material que ofrece poca resistencia al paso de la corriente eléctrica , por lo tanto, se denomina que es un buen conductor. Ejemplos: los metales (cobre, plata, oro, hierro, aluminio, ...) y los materiales no metálicos como: el grafito o las disoluciones y las soluciones salinas (agua del mar).

Cables de cobre.


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2) Aislantes: Sin embargo, existen otros que no permiten o dejan pasar poca corriente eléctrica. A éstos últimos los denominamos aislantes. Esto es debido a que no disponen de electrones libres. Por tanto, resisten el paso de la corriente a través del elemento que alberga. Un aislante es aquel material que ofrece mayor oposición al paso de corriente eléctrica y por eso se denomina un mal conductor de la corriente eléctrica. Ejemplos: la madera, el corcho, el plástico, el vidrio, el agua 100% pura y la porcelana.

Cinta aislante, madera y guantes de plástico. 3) Semiconductores: También, existen los materiales semiconductores que tienen un comportamiento intermedio entre los aislantes y los conductores. Su conductividad dependerá del número de electrones libres existentes.

El elemento se comporta como un conductor o como aislante dependiendo de diversos factores como, el campo eléctrico o magnético, la presión, la radiación que le incide, o la temperatura del ambiente en el que se encuentre. Un semiconductor es aquel material que conduce la corriente eléctrica mejor que un aislante,

pero peor que un conductor.

Ejemplos: los más importantes son el silicio, selenio y germanio. Ejemplo: El silicio es usado para fabricar diodos y transistores, los cuales permiten el paso de la corriente en un solo sentido.


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4) Superconductores: Por último, existen ciertos materiales en los que, en determinadas condiciones de temperatura, aparece un fenómeno denominado superconductividad, en el que el valor de la resistencia es prácticamente nulo. Un superconductor es aquel material que conduce la corriente eléctrica mejor que un conductor, ya que no opone resistencia.

2.10.1.3. Receptores Son los operadores que reciben la energía eléctrica y la transforman en otros tipos de energía . 

Bombillas que transforman energía eléctrica en luminosa.



Motores que transforman energía eléctrica en mecánica de rotación.


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2.10.2. Elementos de maniobra Son los elementos que nos permiten manejar el circuito a voluntad . 

Interruptores. Sirven para realizar las operaciones de apertura o cierre de un circuito.



Pulsador. Son operadores que cierran el circuito cuando se presiona sobre él (timbres, cerraduras eléctricas, etc.)



Conmutador. Su forma exterior es igual a los interruptores. Su función consiste en cambiar (conmutar) la conexión de contacto entre un polo llamado común y cualquiera de los otros dos. Se utilizan en instalaciones de alumbrado donde queramos accionar la luz desde dos puntos diferentes (dormitorios, pasillos, ...).

Ejemplos:

Interruptor.

Pulsador.

Conmutador.

2.10.3. Elementos de protección Son los elementos que protegen a los circuitos de sobrecargas (cortocircuitos) y protegen también a las personas de posibles accidentes. Ejemplos: Fusibles, Automáticos y Diferenciales.

Fusibles. Modelos comerciales del Interruptor Diferencial.


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2.10.4. Tipos de circuitos Un circuito eléctrico puede presentarse en dos situaciones: abierto y cerrado.

2.10.4.1. Abierto Un circuito eléctrico es abierto cuando no hay paso de electrones por estar interrumpido el circuito a través del interruptor.

2.10.4.2. Cerrado Un circuito eléctrico es cerrado cuando hay paso de electrones, ya que el circuito queda conectado, cerrado, a través del interruptor.


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2.11. Magnitudes eléctricas

2.11.1. Símil hidráulico Ejemplo 1: Símil hidráulico y tubería de agua. Si comparamos un circuito hidráulico y uno eléctrico podremos entender mejor su funcionamiento y el conjunto de magnitudes que los caracterizan. Podemos suponer que la corriente eléctrica está formada por gotas de agua que se encuentran en un vaso (pila) en dos compartimentos separados marcados con (+) y (-) en la siguiente figura.

En este doble vaso (pila) encontraremos que uno de ellos está casi lleno y el otro casi vacío. Cuando abrimos la llave de paso (interruptor) el agua (electrones) comenzará a circular por las tuberías (conductores), gracias al desnivel existente y moverá el ventilador (receptor) dispuesto en la tubería.

En este circuito hidráulico se pueden definir tres magnitudes fundamentales, las mismas que a continuación definiremos para un circuito eléctrico: 

Desnivel (ddp): diferencia de altura entre los niveles superiores del agua en los dos depósitos .



Caudal: cantidad de agua que circula en cada unidad de tiempo . Se mide en litros por segundo, que podemos medir calculando la capacidad de un depósito y el tiempo que tarda en vaciarse.



Resistencia: todo aquello que se opone a la circulación del agua en el circuito . Viene determinada por las longitudes, diámetros y formas de las tuberías.


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Ejemplo 2: Símil hidráulico y generador eléctrico. Si comparamos el circuito eléctrico con un circuito hidráulico, tenemos que por el circuito hidráulico habrá una circulación de líquido mientras haya una diferencia de nivel, y para mantener esta diferencia de nivel necesitamos una bomba hidráulica. Lo mismo sucede en un circuito eléctrico; para mantener la diferencia de potencial y proporcionar la energía capaz de crear la corriente eléctrica es necesario un dispositivo llamado generador eléctrico.

A continuación, vamos a hacer una comparación entre un circuito hidráulico y un circuito eléctrico.


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2.11.2. Intensidad de corriente eléctrica La intensidad de corriente eléctrica es la cantidad de carga eléctrica (electrones) que circula

por el circuito en la unidad de tiempo.

Esta magnitud es comparable al caudal de agua que fluye por una tubería.

La intensidad se simboliza con la letra I y su unidad es el amperio (A), pueden emplearse submúltiplos como mA (que equivale a 10-3 A) y µA (que equivale a 10-6 A). Ejemplo:

Matemáticamente se expresa con la siguiente fórmula:

I

Q t

I: intensidad de corriente (amperios, A). Q: carga eléctrica (culombios, C). t: tiempo (segundos, s). Ejemplo: Determina la intensidad de corriente que se ha establecido por un conductor eléctrico, si por él ha fluido una carga de 4 culombios en un tiempo de 2 segundos. Datos: Q=4C t= 2 s Operaciones:

I

Q 4C   2A t 2s

Solución: I = 2 A

2.11.2.1. Sentido de la corriente eléctrica En un circuito eléctrico, el sentido de la corriente eléctrica lo determina el movimiento de electrones.


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La corriente eléctrica que circula del polo negativo (-) al positivo (+) del generador a través del circuito. A este sentido de circulación se le llama sentido real. Es el tipo de corriente que obtenemos de las dinamos, las pilas y los acumuladores. Sin embargo, se suele tomar como sentido de la corriente el que va del polo positivo (+) al negativo (-), que fue el que adoptaron los primeros descubridores de la electricidad. A esto se le conoce como sentido convencional.

2.11.2.2. Instrumento de medida El amperímetro es el instrumento que nos permite medir la intensidad eléctrica. Este aparato se debe conectar siempre en serie con lo que se desee medir.

Su símbolo es:

Se debe conectar interrumpiendo el circuito, para obligar a que todas las cargas eléctricas circulen a través de él. Este tipo de conexión se denomina conexión en serie.

Dado que la intensidad de la corriente es igual en todos los puntos del circuito , es indiferente dónde conectemos el amperímetro. PRECAUCIONES: Al hacer el montaje, ten cuidado de que el aparato de medida sirva para medir corriente continua, que las polaridades sean las correctas y que la escala elegida sea la adecuada con la magnitud a medir, ya que, de otra manera, podríamos estropear el instrumento medidor. Encarnación Marín Caballero

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2.11.3. Tensión eléctrica La tensión eléctrica, también llamada voltaje o diferencia de potencial (ddp), indica la

diferencia de energía (por unidad de carga) entre dos puntos cualesquiera del circuito y es la causa de que los electrones circulen por el circuito si éste se encuentra cerrado. Esta magnitud es similar al desnivel en un circuito hidráulico.

VA

VB

La tensión se simboliza con la letra V (ó U) y su unidad es el voltio (V), pueden emplearse submúltiplos como mV (que equivale a 10-3 V) y µV (que equivale a 10-6 V). Ejemplo:

El generador eléctrico es el encargado de crear la diferencia de cargas. Para crear esta diferencia de cargas, el generador tiene que arrancar electrones del polo positivo y depositarlos en el polo negativo. Para realizarlo, necesita desarrollar una fuerza.

A la fuerza necesaria para trasladar los electrones desde el polo positivo (+) al negativo (-) y así crear la diferencia de cargas, se le denomina fuerza electromotriz (f.e.m., ε). Se mide en voltios (V) y en realidad es la tensión interna o de vacío que posee el generador . ε = VA – VB

VA


VB

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Dicho de otro modo, el voltaje es la energía por unidad de carga que hace que las cargas circulen por un circuito. Matemáticamente se expresa con la siguiente fórmula:

V  V A  VB 

E Q

VA: voltaje en el punto A (voltios, V). VB: voltaje en el punto B (voltios, V). E: energía (julios, J). Q: carga eléctrica (culombios, C).

2.11.3.1. Instrumento de medida El voltímetro es el instrumento que nos permite medir la diferencia de potencial o el voltaje que existe entre dos puntos de un circuito . Es imprescindible conectar el voltímetro siempre en paralelo con lo que se desee medir.

Su símbolo es:

La diferencia de potencial, como la misma palabra indica, es la diferencia de potencial entre dos puntos, y para poderla medir deberemos conectar el voltímetro entre estos dos puntos. Esta conexión se denomina conexión en paralelo.

PRECAUCIONES: De la misma manera que se hizo al medir la intensidad de la corriente, al hacer las conexiones cuida que el aparato de medida sirva para medir corriente continua, que las polaridades sean las correctas y que la escala elegida sea la adecuada con la magnitud que vamos a medir. Encarnación Marín Caballero

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2.11.4. Resistencia eléctrica La resistencia eléctrica es una característica asociada a los materiales de uso común en electricidad. Conociendo el valor de la resistencia de un conductor o aislante podremos determinar su comportamiento en un circuito. Por lo que nos va a ayudar a diferenciar los cuerpos que son mejores conductores de los que son peores, de tal manera que podremos decir que un mal conductor posee mucha resistencia eléctrica, mientras que uno bueno tiene poca. De esta manera podemos decir que: La resistencia, también llamada resistor, es la mayor o menor dificultad que presenta un

elemento al paso de la corriente eléctrica.

La resistencia se simboliza con la letra R y su unidad es el ohmio (Ω), pueden emplearse múltiplos como KΩ (que equivale a 103 Ω) y MΩ (que equivale a 106 Ω). Los símbolos más utilizados para representar la resistencia son:

En electricidad, la resistencia tiene como misión oponerse al paso de la corriente y transformar la energía en calor. Este efecto es beneficioso en algunos casos (como resistencias calefactoras de estufas y cocinas eléctricas, filamentos de lámparas incandescentes, etc.) y es perjudicial en otros (como calentamiento de conductores y pérdida de potencia). Sin embargo, en los circuitos electrónicos, la resistencia tiene un papel muy importante:

distribuir adecuadamente la tensión y la corriente eléctrica en los diferentes puntos del circuito .

2.11.4.1. Instrumento de medida El óhmetro, también llamado ohmímetro, es el instrumento que nos permite medir la resistencia eléctrica de un circuito, de un receptor o de un resistor .

Su símbolo es:


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PRECAUCIONES: De la misma manera que se hizo al medir la intensidad de la corriente y la tensión, hay que tener unas ciertas precauciones al medir el valor óhmico de la resistencia. 1.

No conecte nunca el aparato sobre un componente por el que circule corriente. Por tanto, asegúrese de desconectar el circuito de la alimentación y al menos desconectar un extremo o terminal de la resistencia a medir. En caso contrario, podría dañar el aparato.

2. Asegúrese de que el aparato está ajustado a cero de escala. Si esto no es así, proceda a su ajuste. De lo contrario, la lectura no sería correcta. 3. No toque las puntas de prueba con los dedos, esto farsearía la lectura al conectar en paralelo con la resistencia, la propia resistencia corporal. La lectura sería, entonces, una resistencia menor que la real.

Ejemplo: Medir la resistencia eléctrica de una lámpara.

Para realizar la medida de una resistencia en un circuito hay que proceder de la siguiente manera: 

Asegurarse que en el circuito o en la resistencia no haya tensión, ya que eso puede provocar el deterioro del aparato y la medida realizada no sería la correcta. Por eso, te recomendamos siempre que desconectes el circuito o resistencia de la fuente de alimentación o generador.



Si el aparato que se va a utilizar es analógico o de aguja, deberás unir las dos puntas del óhmetro y actuar sobre la resistencia ajustable para calibrar el aparato a cero.



Para efectuar la medida, deberemos conectar el óhmetro entre los dos puntos entre los que queremos medir la resistencia.


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2.11.5. Resistencia de un conductor La resistencia de un conductor depende de su naturaleza (del tipo de material del que esté compuesto) y sus dimensiones (de su longitud y sección). Esto tiene una especial importancia en los cálculos de la sección de conductores eléctricos, ya que una resistencia elevada provoca su calentamiento y su probable deterioro .



La naturaleza o estructura atómica del conductor, que se expresa mediante una constante llamada resistividad (ρ) propia de cada material.

Así pues, cada material tendrá un determinado valor de resistencia por cada metro y milímetro cuadrado de sección del mismo. ρ es la resistencia que presenta un conductor de 1 m de longitud y 1 mm2 de sección.



La longitud (L), ya que cuanto más largo es el conductor, más grande es la dificultad por circular, es decir, a más longitud, más resistencia. Así pues, la resistencia de un conductor es directamente proporcional a su longitud.



La sección (S), ya que al aumentar la sección del conductor facilitamos el paso de los electrones y disminuimos, por lo tanto, su resistencia. Es decir, a mayor grosor, menos resistencia.

Estos factores nos determinan el valor de la resistencia de un hilo conductor:

R

L S

R: resistencia del conductor (ohmios, Ω).

  mm 2 ρ: coeficiente de resistividad a 20 C (Ω·mm2/m, ). m L: longitud del conductor (m). S: sección del conductor (mm2). La sección del cable se calcula de la siguiente forma:

S

 d2 4

,

S   r2

d: diámetro del conductor (mm). r: radio del conductor (mm). De esta fórmula se deduce:

L

RS



y

S

RL



En la siguiente tabla se muestran los valores de la resistividad, a 20 C de temperatura, para diferentes materiales.


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El material más utilizado para conductores eléctricos es el cobre, porque presenta una baja resistividad, es muy dúctil y es uno de los más económicos. En microelectrónica o en circuitos electrónicos de muy alta precisión se utiliza el oro, ya que es un material que no se oxida. Ejemplo 1: Si midiésemos la resistencia de un conductor de cobre de un metro de longitud y de un milímetro cuadrado de sección, obtendríamos un resultado de 0,017 Ω. Este resultado nos indica que, por cada metro de conductor de cobre de un milímetro cuadrado de sección, la resistencia será de 0,017 Ω.

Ejemplo 2: Si el cable de cobre tiene ahora una longitud de 2 m. Calcula el valor de su resistencia específica. ¿Qué sucede? Datos: L=2m S = 1 mm2

 Cu  0,017

  mm 2 m

Operaciones:

  mm 2 2m R  0,017   0,034 m 1mm 2 Si la longitud del cable aumenta al doble, la resistencia también aumenta al doble. Solución: R =0,034 Ω Encarnación Marín Caballero

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2.11.5.1. Influencia de la temperatura sobre la resistividad También se ha observado experimentalmente que la resistividad de un material depende de la temperatura. Ejemplo: Medir una bombilla en frío y cuando está encendida.

Al medir la resistencia con el óhmetro, la lámpara está apagada y, por tanto, el filamento se encuentra frío, es decir, a temperatura ambiente (20 C). Por otro lado, cuando aplicamos la ley de Ohm para calcular la resistencia, se hace con los datos correspondientes al estado de encendido de la lámpara. Hay que tener en cuenta que en este estado, el filamento se encuentra a una temperatura de unos 2.000 C. Y es que la resistencia eléctrica se eleva sustancialmente en casi todos los conductores al elevarse su temperatura, de ahí que en una lámpara incandescente la resistencia en frío sea muy inferior a cuando está caliente.

En los conductores metálicos, la resistividad aumenta con la temperatura. Este incremento depende de la naturaleza del conductor y viene determinado por la expresión:

 T    ( 20C )  1    T  20C  T: temperatura (˚C). ρ(T): resistividad eléctrica a una temperatura (Ω·m). ρ(20˚C): coeficiente de resistividad a 20 C (Ω·m).

:

coeficiente de temperatura (˚C-1). Representa el aumento de resistencia del material en cuestión por cada grado que aumentamos la temperatura.


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En las siguientes tablas se muestran los valores de la resistividad y temperatura para diferentes materiales.

En el cero absoluto de temperatura, la resistividad que presentan algunos metales como el hierro, el cobre, la plata, el platino y el oro es nula. Este fenómeno se conoce con el nombre de superconductividad.

Otra forma de calcular la resistencia a una temperatura dada (R(T)) es conociendo la temperatura de la resistencia en frío (R(20C)), la elevación de la temperatura (ΔT) y el coeficiente de temperatura (  ) que será diferente para cada material.

RT   R20C   1    T  ΔT = T – 20 ˚C

Si la resistencia no está a temperatura ambiente (20 C) sino a otra (T1) y se quiere elevar la temperatura (T2), entonces las fórmulas serían:

RT2  RT1  1    T  ΔT = T2 – T1

Ejemplo: Calcula la resistencia eléctrica de un conductor de cobre, de una longitud de 10 m y una sección de 0,75 mm2, a una temperatura de 35 °C. Datos: L = 10 m S = 0,75 mm2 = 7,5 · 10-7 m2 T = 35 ˚C

 Cu  3,9  10 3C 1 Operaciones: Hay dos formas de resolverlo: Encarnación Marín Caballero

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1) Podemos obtener el valor de la R(35˚C) a partir del coeficiente de resistividad a 20 C del cobre y del valor de la resistencia en frío (R(20C)).

  mm 2 m   mm 2 10m  0,017   0,23 m 0,75mm 2

 Cu  0,017 R20C 

ΔT = T – 20 ˚C = 35 ˚C – 20 ˚C = 15 ˚C

R35C   R20C   1    T 



R35C   0,23  1  3,9  10 3C 1  15C



R35C   0,23  1  0,0585  0,23  1,0585  0,24 2) Podemos obtener el valor de la R(35˚C) a partir del coeficiente de resistividad del cobre a temperatura ambiente (20 C) y a 35 C.

 Cu  1,72  10 8   m

 35C    ( 20C )  1    T  20C 

 35C   1,72  10 8   m  1  3,9  10 3C 1  35C  20C 

 35C   1,72  10 8   m  1  3,9  10 3C 1  15C   35C   1,72  10 8  1  0,0585  m  35C   1,72  10 8  1,0585  m  1,82  10 8   m R35C   1,82  10 8   m 

10m  0,24 7,5  10 7 m 2

Solución: R(35˚C) = 0,24 Ω

De la anterior formulación se puede sacar las siguientes conclusiones: 

A mayor longitud, mayor resistencia.



A mayor grosor (o sección), menor resistencia.



A mayor temperatura, mayor resistividad del cable.

En cualquier circuito eléctrico que se monte debemos saber que todo receptor o consumidor de corriente eléctrica, se debe considerar como una resistencia.


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2.11.6. Ley de Ohm El valor de la intensidad de corriente eléctrica que recorre un circuito depende directamente de la tensión existente entre los extremos del mismo e inversamente de la resistencia eléctrica.

Fue George Ohm quién descubrió la relación matemática entre la intensidad y la diferencia de potencial. Hoy se conoce esta relación como Ley de Ohm y se expresa así: Ley de Ohm:

I

V R

R: resistencia (ohmios, Ω). V: tensión eléctrica (voltios, V). I: intensidad (amperios, A). 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.

Tensión

Resistencia

De esta fórmula se deduce: V  I  R ,

R

Intensidad

V V e I  I R

Las expresiones anteriores nos facilitan el cálculo de cualquiera de las magnitudes (V, R, I) si conocemos las otras dos. Ejemplo: Calcula la intensidad que circula por la resistencia de un circuito electrónico de 100 Ω, cuando está sometida a una tensión de 4 V. Datos: V= 4 V R = 100 Ω Operaciones:

I

V 4V   0,04 A  40mA R 100

Solución: I = 40 mA Encarnación Marín Caballero

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Ejemplo 1: 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.

Ejemplo 2: 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.

De la formulación se puede sacar las siguientes conclusiones: 1) Manteniendo la resistencia constante, la intensidad de corriente que recorre un circuito eléctrico varía en proporción directa con la tensión. 2) Si se mantiene la tensión constante y variamos el valor de la resistencia, la intensidad de corriente varía en razón inversa con el valor de la resistencia .

Ejemplo: Los medios de transmisión utilizan conductores metálicos para la transmisión de la señal y están sujetos a la Ley de Ohm y a las leyes fundamentales que rigen el electromagnetismo.


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2.11.7. Ley de Watt. Potencia eléctrica En Física, la potencia es la cantidad de trabajo efectuado por unidad de tiempo . Esto es equivalente al tiempo empleado en realizar un trabajo.

P

W t

P: potencia (vatios, W). W: trabajo (julios, J).

t: tiempo (segundos, s). Si se produce más trabajo en el mismo tiempo, se es más potente. Y si se produce el mismo trabajo en menos tiempo, se es más potente.

La potencia se representa con la letra P y su unidad es el vatio (W). Un vatio (o watt) 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”. En honor a James Watt, se llamó watt (W) a la unidad de potencia eléctrica.

Cuando hablamos de potencia eléctrica manejamos el mismo concepto, pero podemos definir también otros efectos. Ejemplos: 

Si una lámpara da más luz, es más potente.



Si un soldador se calienta antes, es más potente.

Por tanto, todos los receptores eléctricos transforman la energía eléctrica en otras formas de energía. Con lo que la potencia eléctrica es la magnitud que mide la energía consumida por unidad de tiempo.

P

E t

P: potencia (vatios, W). E: energía (julios, J). t: tiempo (segundos, s). Por otro lado, como sabemos que la tensión es la energía por unidad de carga que hace que las cargas circulen por un circuito, podemos despejar la energía y obtendríamos:

V 

E ; E V Q Q

A continuación, sustituimos el valor de la energía en la fórmula de la potencia eléctrica.

P

E V Q  t t


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Además, como sabemos que la intensidad es la cantidad de carga eléctrica (electrones) que circula por el circuito en la unidad de tiempo, podemos sustituirla en la fórmula de arriba:

I

Q t

Así pues la potencia eléctrica es:

P

E V Q  V I t t

Ejemplo:

Por tanto, la potencia de un circuito eléctrico es la relación entre intensidad y voltaje. Esta relación se conoce como Ley de Watt. Matemáticamente se expresa así:

P V I P: potencia (vatios, W). V: tensión (voltios, V). I: intensidad (amperios, A). Esta relación la podemos representar y manejar también con el triángulo mágico.

Ejemplo: Calcula la potencia que consume una resistencia limitadora al conectarla a una tensión de 12 V, si su resistencia es de 1 KΩ. Datos: V = 12 V R = 1 KΩ = 1.000 Ω Operaciones: Primero, calculamos la intensidad, aplicando la Ley de Ohm:

I

V 12V   0,012 A R 1.000

Y después calculamos la potencia, usando la Ley de Watt:

P  V  I  12V  0,012 A  0,144W Solución: P = 0,144 W Encarnación Marín Caballero

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2.11.7.1. Instrumento de medida El vatímetro es el instrumento que nos permite medir la potencia eléctrica. En realidad, se mide por separado la tensión y la intensidad de la corriente, para después realizar la operación P  V  I .

2.11.8. Energía eléctrica De la expresión que relaciona la energía con la potencia, se deduce que la energía es el producto de la potencia por el tiempo.

E  Pt E: energía (julios, J). P: potencia (vatios, V). t: tiempo (segundos, s). El cálculo de la energía eléctrica consumida por un receptor es muy interesante, especialmente, para los consumidores, ya que sobre él se establecen los costes que facturan las compañías eléctricas.

¿Cuál es la unidad de medida de la energía eléctrica? Todo dependerá de las unidades que se tomen de la potencia y del tiempo.

E  Pt P (W)

t (s)

E = W·s = Julios

P (KW)

t (h)

E = KW·h = kilovatios · hora

El julio es la unidad perteneciente al Sistema Internacional. Como es muy pequeña, se suele utilizar más el KW·h. Ejemplo: Calcula la energía, en KW·h y Julios, consumidos por un televisor de 200 W en 8 horas de funcionamiento. Datos: P = 200 W = 200 · 10-3 KW t = 8 horas = 8 · 60 · 60 = 28.800 s Operaciones: Primero, calculamos la energía en KW·h consumida durante ese período de tiempo es:

E  P  t  200  10 3 KW  8h  1,6KW  h Y, después, calculamos la energía en julios consumida durante ese período de tiempo es:

E  P  t  200W  28.800s  5.760.000Julios Solución: E = 1,6 KW·h = 5.760.000 Julios Encarnación Marín Caballero

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2.11.9. Ley de Joule El físico P. James Joule estudió la relación que existe entre la energía y su transformación

plena en calor.

El roce del flujo de cargas eléctricas (electrones libres) con los átomos produce un calentamiento del material. Por ello, todos los materiales conductores, al ser atravesados por una corriente eléctrica, se calientan. Este fenómeno se conoce como efecto Joule. El efecto Joule consiste en el proceso de transformación de energía eléctrica en energía térmica en una resistencia atravesada por una corriente.

H  0,24  E H: calor generado (calorías, cal). E: energía (julios, J). Ejemplo: Calcula el calor desprendido por una resistencia perteneciente a la placa de un circuito impreso, si su potencia es de 1 W y está funcionando durante 8 horas. Datos: P=1W t = 8 horas = 8 · 60 · 60 = 28.800 s Operaciones: Primero, calculamos la energía en julios consumida durante ese período de tiempo es:

E  P  t  1W  28.800s  28.800Julios Y después calculamos el calor desprendido, usando la Ley de Joule:

H  0,24  E  0,24  28.800  6.912calorías Solución: H = 6.912 calorías

Otra forma de enunciarlo es del siguiente modo: “la cantidad de calor producida por el paso de la corriente eléctrica a través de cierto material depende de tres factores: la intensidad de la corriente, la resistencia del material y el tiempo durante el cual está pasando dicha corriente .” La expresión matemática es la siguiente:

H  0,24  I 2  R  t H: calor generado (calorías). I: intensidad (amperios, A). R: resistencia (ohmios, Ω). t: tiempo (segundos, s).


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2.11.10. Tabla – Resumen Magnitud Eléctrica

Símbolo

Carga eléctrica

Q

Unidad de Medida Culombio (C)

µC

Aparato de Medida Galvanómetro Amperímetro

Intensidad

I

Amperio (A)

mA, µA

Voltímetro

Voltaje

Resistencia

V

R

Voltio (V)

mV, µV

Ohmio (Ω)

Óhmetro

KΩ, MΩ Vatímetro

Potencia

P

Vatio (W)

Energía eléctrica

E

Julios (J)

---

Calor

H

Calorías (cal)

---

2.11.11. Fórmulas

P: potencia (W)

I: intensidad (A)

R: resistencia (Ω)

V: tensión o voltaje (V)


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2.11.12. Polímetro El polímetro, también llamado multímetro, es un instrumento que puede medir tensión, intensidad y resistencia, así como otras magnitudes. Posee varias escalas y están dotadas de una rueda giratoria o unos agujeros con los que se selecciona la magnitud que se desee medir. Sirven tanto como para corriente continua como para corriente alterna.

Polímetro analógico

Polímetro digital


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2.12. Tipos de corriente eléctrica Se llama corriente eléctrica, al paso ordenado de electrones a través de un conductor. En la siguiente figura, se muestra el movimiento de electrones por el conductor eléctrico.

Pero se puede hacer que estos electrones pasen siempre en la misma dirección (corriente continua) o que cambien el sentido de paso e incluso que varíe la cantidad de electrones que pasan cada vez (corriente alterna).

Corriente continua

Corriente alterna Según sea el receptor que queremos alimentar debemos utilizar una u otra. La conversión de corriente alterna en continua o viceversa es muy fácil con los sistemas electrónicos actuales. La inmensa mayoría de aparatos electrónicos utilizan la corriente continua, ya que deben controlar el paso de los electrones de una forma muy selectiva. Sin embargo, la mayor parte de la producción y transporte de la corriente es alterna, por lo que se debe transformar la corriente alterna en continua.


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2.12.1. Corriente continua (C.C. ó D.C.) La corriente continua se puede obtener por medio de métodos químicos, como lo hacen las pilas y baterías, por métodos mecánicos como lo hace una dinamo, o por otros métodos, fotovoltaico, par térmico, etc. Su símbolo de representación es ─. Una corriente continua se caracteriza porque los electrones libres siempre se mueven en el mismo sentido por el conductor con una intensidad constante.

El valor que caracteriza a la corriente continua es el voltaje (Vcc), que permanece invariante en el tiempo, no varía, es constante.

Corriente continua (C.C.) Por tratarse de un valor de tensión que permanece constante en el tiempo, dificulta la interrupción de la misma cuando los valores son elevados, por lo que se utiliza en aparatos de muy baja tensión, hasta 24 Voltios.

Los usos que se hacen de la C.C. son muy variados: baños electrolíticos, alimentación de aparatos electrónicos, tracción eléctrica (coches, tranvías, etc.) y otros muchos más.

Ejemplo: VCC = 10 V


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En ella, y mientras no se gaste la pila o la batería, o mientras tengamos encendida la fuente de alimentación, se producirá el movimiento de los electrones siempre del negativo al positivo.

Ejemplo: I = 1 A

El aparato que convierte la corriente alterna en corriente continua se llama fuente de alimentación. Una de sus aplicaciones es cargar los teléfonos móviles.

Cargador de móviles


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2.12.2. Corriente alterna (C.A. ó A.C.) La corriente alterna se puede obtener por métodos mecánicos como lo hace un alternador, o por conversión de la corriente continua en alterna, el aparato que hace esto se llama inversor. Su símbolo de representación es

.

Una corriente alterna se caracteriza porque el flujo de electrones se mueve por el conductor en un sentido y en otro, y, además, el valor de la corriente eléctrica es variable .

Se trata de un valor de tensión que varía constantemente en el tiempo , tomando valores positivos, cero y negativos. La corriente alterna tiene forma senoidal (sinuosidal).

Ejemplo: V = 10 V


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En la corriente alterna el camino de los electrones cambia de sentido alternativamente . Cuando se le llena el “vaso” a la fuente de corriente alterna, se le da la vuelta. Esto hace que los electrones cambien de sentido y fluyan hacia el otro lado.

La corriente circula en un sentido (valores positivos) durante los primeros 10 ms y en el contrario (valores negativos) durante los siguientes 10 ms. Este mismo proceso se repetirá continuamente mientras el generador estuviese suministrando corriente eléctrica al circuito.

Ejemplo: La lámpara se enciende y se apaga rápidamente, siguiendo los cambios de la corriente. Pero no podemos ver este fenómeno, ya que el ojo humano no es capaz de percibirlo.

Ejemplo: I = 10 A


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Los valores que caracterizan a la corriente alterna son:

Magnitudes de la corriente alterna (C.A.)



Valor máximo (Vmax): es el valor de cresta que alcanza la corriente alterna, puede ser positivo o negativo, también se le conoce como valor de pico (Vp). Para la tensión de la red es de ± 400 V.



Valor pico-pico (Vpp): es el doble del valor máximo. Se calcula a partir de la fórmula: Vpp = 2 · Vmax Ipp = 2 · Imax



Valor instantáneo (Vi): es el valor que toma la corriente en un momento determinado . Se calcula a partir de la fórmula: Vi = Vmax · sen (wt) Ii = Imax · sen (wt) Donde wt es el ángulo en el que deseamos obtener el valor instantáneo .



Valor eficaz (Vef): es el valor de corriente continua por el que debemos sustituir la corriente alterna para que produzca el mismo efecto. Se calcula con la fórmula: Vef = Vmax / √2 = 0.707 · Vmax Ief = Imax / √2 = 0.707 · Imax Para la corriente de la red es de 230 V.

Conociendo el valor eficaz, el máximo se desprende de las siguientes fórmulas: Vmax = Vef · √2 Imax = Ief · √2


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

Valor medio (Vmed): es la media algebraica de los valores instantáneos durante un periodo . Se calcula con la fórmula: Vmed = 0.637 · Vmax



Periodo (T): es el tiempo que tarda en producirse un ciclo completo de la corriente . Corresponde con 360º. Para la corriente de red es de 20 ms.



Frecuencia (F): es el número de ciclos completos que se producen en 1 segundo . Se calcula con la fórmula: F=1/T Para la corriente de la red es de 50 Hz (= 1/20 ms = 1/0,02 s).

Ejemplo: Valor máximo de una C.A.

Ejemplo: Comparación de dos C.A.s de igual frecuencia y distinta fase.

Al comparar dos corrientes alternas de igual frecuencia no sólo hay que tener en cuenta su magnitud, que se expresa generalmente en valor eficaz, sino también el adelanto o retraso de fase entre ambas. Las dos corrientes alternas representadas en la figura se diferencian en: 1) El voltaje eficaz de la mayor es de 100 V y de la menor 10 V. 2) La tensión alterna de 10 V está retrasada 90° con respecto a la de 100 V.


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Una ventaja de la corriente alterna es que en cada ciclo el valor de la tensión pasa por cero, y esto facilita la desconexión de los aparatos.

Otras ventajas frente la corriente continua son: 

Permite aumentar o disminuir el voltaje por medio de transformadores.



Se transporta a grandes distancias con poca pérdida de energía.



Es posible convertirla en corriente continua con facilidad.

3. DIFERENCIAS

ENTRE ELECTRICIDAD Y ELECTRÓNICA

Aparentemente puede parecer que la electrónica y la electricidad son lo mismo y no es así. La electricidad trabaja con conductores y la electrónica con semiconductores que tienen unas propiedades diferentes. La electrónica ha permitido la miniaturización de los aparatos, la posibilidad de automatización y programación de procesos y un gran desarrollo de las tecnologías de la información y la comunicación.

Para que se produzca electricidad (conducción eléctrica) hacen falta: 1) Electrones libres. 2) Que exista una diferencia de potencial. 3) Un medio físico por donde discurran los electrones libres.

NOTA: Un electrón es una partícula subatómica, que se encuentra alrededor del núcleo, tiene una masa muy pequeña y carga negativa. Se dice que un electrón es libre cuando tiene energía suficiente para escapar a la fuerza de atracción del núcleo .


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4. PROTECCIÓN

DEL CIRCUITO ELÉCTRICO

Los excesos de temperatura que se pueden producir en los conductores por el efecto Joule los pueden destruir inmediatamente. Éste es el caso del cortocircuito y la sobrecarga. Aun así, los excesos constantes de temperatura de los materiales aislantes hacen que se envejezcan con más rapidez, limitando la vida útil del conductor (los aislantes sometidos a altas temperaturas acaban volviéndose quebradizos y perdiendo parte de sus propiedades aislantes).

Para la protección contra cortocircuitos y sobrecargas se emplean los fusibles y los

interruptores automáticos.

4.1. Cortocircuito El cortocircuito es cuando la corriente atraviesa por el circuito sin ningún tipo de resistencia y oposición. Es decir, es el choque de 2 polos: negativo - positivo. Es cuando la fase toca algún otro material que sea conductor, en algunos casos se calienta por la corriente y puede producir fuego. Estos accidentes suelen ser provocados por un error en el montaje del circuito, fallo de un aislamiento que separa las partes activas del circuito eléctrico o por una falsa maniobra. Ejemplo: Cuando se unen eléctricamente mediante un conductor los dos terminales de la batería (negativo – positivo) se produce un cortocircuito.

Ejemplo: Si por casualidad en un circuito eléctrico se unen cualquier parte metálica de dos conductores de diferente polaridad que hayan perdido su recubrimiento aislante , la resistencia en el circuito se anula y el equilibrio que proporciona la ley de Ohm se pierde.

En el cortocircuito la corriente se vuelve muy elevada, ya que al no haber ninguna resistencia el voltaje se divide por cero, esto es igual a que no habrá un límite estimado en los valores de corriente.

I

V 1   R 0

Esta corriente al ser muy elevada no puede durar mucho tiempo porque destruye todos los elementos del circuito que se encuentran a su paso.


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La corriente eléctrica siempre trata de circular por donde existe menor o nada de resistencia. Al hilo conductor se le puede considerar resistencia cero.

Por tal motivo la corriente I, evitará pasar por R y ésta no cumplirá ninguna función. A dicho fenómeno se le llama cortocircuito.

Ejemplo: Si se divide cualquier número (voltaje) digamos 5 entre resistencia aproximadamente igual a cero, la intensidad dará indeterminado (la corriente que se alcanza tiende al infinito).

I

V 5   R 0

La temperatura que produce el incremento de la intensidad de corriente en amperios cuando ocurre un cortocircuito es tan grande que puede llegar a derretir el forro aislante de los cables o conductores, quemar el dispositivo o equipo de que se trate si éste se produce en su interior, o llegar, incluso, a producir un incendio. Ejemplo:

Utilizando la ley de Ohm, el valor de la corriente es:

I

V 12   12 A R 1

Ejemplo: Para hacernos una idea de lo grande que es este valor, es bueno saber que la corriente que circula por una lámpara común de 100 W (como las de nuestras casas) es de 0,45 A. Ejemplo: Cuando se sueldan metales, aparecen unas enormes chispas . Eso es un cortocircuito. Si ocurre algo así en un dispositivo, se fundirá claro y la chispa será más pequeña.


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Ejemplo: Si en un circuito eléctrico hay 2 puntos con el mismo voltaje , se dice que entre dichos puntos existe un cortocircuito, ya que al conectarlos mediante un cable (resistencia nula) entre ellos no circularía corriente por no haber diferencia en el potencial eléctrico.

4.1.1. ¿Por qué se producen “cortocircuitos” en las instalaciones eléctricas? Diez formas de hacer cortos circuitos en las instalaciones eléctricas: 1) Amarres, empalmes, derivaciones o uniones defectuosas. 2) Sobrecargas en los conductores por conexión de aparatos de gran consumo eléctrico. 3) Utilización de accesorios de baja calidad, “clones”. 4) Conexiones erróneas en la ampliación de instalaciones eléctricas. 5) Realización de actos intencionales o accidentales en contactos. 6) Baja calidad de los conductores eléctricos. 7) Conexión de aparatos de consumo eléctrico con mal funcionamiento. 8) Ésta no es causa de “cortocircuitos” pero influye. Colocación o reemplazo de fusibles o pastillas termomagnéticas de mayor capacidad a la necesaria en el Interruptor de Seguridad y en el Centro de Carga. Entre más ajustado esté el fusible o la pastilla termomagnética a la instalación eléctrica la respuesta a un “cortocircuito” será más rápida, evitando por lo tanto que los aparatos conectados a la instalación estén mucho tiempo expuestos a sufrir daños. 9) Reparaciones temporales tipo “parches” en toda la instalación. 10) En general actos inseguros. Cuando se trabaja con electricidad más vale que estés seguro de lo que estás haciendo. Los casos anteriores son representativos de la multiplicidad de eventos que pueden presentarse en las instalaciones eléctricas residenciales, comerciales e industriales. Gran parte de los “cortocircuitos” pueden evitarse utilizando personal y equipo calificado en su construcción, mantenimiento y operación.

4.2. Sobrecargas Se produce una sobrecarga cuando hacemos pasar por un conductor eléctrico más intensidad de corriente que la nominal (intensidad para la que ha sido calculada la línea). Las sobrecargas pueden venir provocadas por conectar demasiados receptores en una línea eléctrica, por un mal funcionamiento de un receptor o componente electrónico que tiende a un mayor consumo eléctrico o por un motor eléctrico, que es obligado a trabajar a mayor potencia que la nominal.

Las sobrecargas originan un aumento de intensidad por los conductores que, con el tiempo suficiente, puede llegar a provocar su destrucción por elevación de temperatura. Las sobrecargas tardan más en dañar el conductor que el cortocircuito.


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4.3. Fusibles Para proteger los circuitos eléctricos de los “cortocircuitos” y las “sobrecargas” existen diferentes dispositivos de protección. El más común es el fusible.

El fusible está constituido por una lámina o hilo metálico (como, por ejemplo, plomo) que se funde con el calor producido por el paso de la corriente. El fusible permite el paso de la corriente mientras ésta no supere un valor establecido . Si el valor de la corriente que pasa, es superior a éste, el fusible se derrite, se abre el circuito y no pasa corriente. Si esto no sucediera, el equipo que se alimenta se puede recalentar por consumo excesivo de corriente (un cortocircuito) y causar hasta un incendio. Para que el hilo del fusible se caliente antes que los conductores de la línea, debe ser de mayor resistencia eléctrica. Esto se consigue con un hilo de menor sección o con un hilo de mayor coeficiente de resistividad. Por otro lado, este hilo debe tener un punto de fusión más bajo que los conductores de línea que protege. Ejemplo: Cortocircuito accidental.

Ejemplo: Si tenemos un fusible de 1 A, éste soportará una corriente de hasta 1 A. Cuando por cualquier circunstancia la corriente sea mayor a 1 A, él se cortará.

Cuando el fusible tiene que soportar la elevación brusca de una corriente en amperios, superior a la que puede resistir en condiciones normales de trabajo , el hilo o la lámina se funde y el circuito se abre inmediatamente, protegiéndolo de que surjan males mayores. El resultado de esa acción es similar a la función que realiza un interruptor, que cuando lo accionamos deja de fluir de inmediato la corriente.

El fusible tiene como finalidad resguardar la integridad del resto de los componentes. Encarnación Marín Caballero

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El fusible normalmente se coloca entre la fuente de alimentación y el circuito a alimentar . En equipos eléctricos o electrónicos comerciales, el fusible está colocado dentro de éste.

Cuando se queme un fusible, siempre hay que reemplazarlo por uno de las mismas características, sin excepciones, previa revisión del equipo en cuestión, para determinar la causa de que el fusible se haya quemado.

4.3.1. Tipos de fusibles 

Fusible desnudo: constituido por un hilo metálico (generalmente de plomo) que se funde por efecto del calor.



Fusible encapsulado de vidrio: utilizado principalmente en equipos electrónicos.



Fusible de tapón enroscable: pieza cilíndrica de porcelana o similar, sobre la cual se pone una camisa roscada que sirve para que sea introducido en el circuito. El alambre (fusible) se coloca internamente, se fija con tornillos y se protege con una tapa roscada.



Fusible de cartucho: está constituido por una base de material aislante, sobre la cual se fijan unos soportes metálicos que sirvan para introducir a presión el cartucho (véase la siguiente figura).

Algunos símbolos de fusibles se pueden ver a continuación:

Hoy en día, para la fabricación de hilos de los fusibles, se emplean aleaciones especiales estudiadas para conseguir los mejores resultados. Estas aleaciones pueden ser de cobre-plata, plomoestaño, etc.

Cuando un hilo de fusible se funde, las gotas de material en estado líquido se proyectan, lo que puede producir quemaduras y accidentes, incluido el peligro de incendio. Por esta razón, los hilos de fusibles se deben colocar en el interior de recipientes herméticamente cerrados, llamados cartuchos de fusibles.


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Ejemplo: Aspecto de una gama de cartuchos de fusibles comerciales de diferente tamaño, así como sus calibres en amperios.

Una de las ventajas de los cartuchos de fusible es que están calibrados en amperios. El calibre de un fusible nos indica la intensidad que puede pasar por él sin fundirse. Cuando se supera esta intensidad, el fusible corta el circuito. La rapidez con que lo hace está en función de lo alta que sea la intensidad del fallo. Los fusibles resultan muy seguros en la protección de cortocircuitos, pero presentan el inconveniente de que son difíciles de reponer. Al fundirse el fusible queda inutilizado, por lo que hay que encontrar otro de las mismas características y realizar la operación de recambio. En muchas ocasiones esta operación resulta engorrosa y, si no se hace por un especialista, puede ser hasta peligrosa. Además, los fusibles reaccionan muy lentamente ante las sobrecargas.

4.4. Interruptores automáticos Los interruptores automáticos, también conocidos como disyuntores, están sustituyendo en muchas aplicaciones a los fusibles, ya que protegen bien contra los cortocircuitos y actúan ante las sobrecargas más rápidamente y de forma más selectiva. Ejemplo: Para proteger la línea de corriente eléctrica que llega hasta nuestras casas, se instalan interruptores diferenciales e interruptores automáticos, que realizan la misma función que el fusible, pero que no hay que sustituirlos por otro nuevo cuando ocurre un cortocircuito. En la siguiente imagen se puede ver un interruptor automático de protección contra cortocircuitos.

Cuando los circuitos están protegidos por un diferencial y por interruptores automáticos, una vez que queda resuelta la avería que ocasionó que se abriera el circuito, solamente será necesario accionar su palanquita, tal como se hace con cualquier interruptor común, y se restablecerá de nuevo el suministro de corriente. Tanto los fusibles como los dispositivos automáticos se ajustan de fábrica para trabajar a una tensión o voltaje y a una carga determinada, para lo cual incorporan un dispositivo térmico que abre el mecanismo de conexión al circuito cuando la intensidad de la corriente sobrepasa los límites previamente establecidos.

Los fusibles también muestran entre sus especificaciones, el voltaje máximo al que se puede conectar. Encarnación Marín Caballero

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5. DETECCIÓN

DE AVERÍAS

Se trata de descubrir por qué el circuito no funciona como debería. Los dos tipos de averías más comunes son: dispositivo en cortocircuito y dispositivo en circuito abierto.

5.1. Cortocircuito Sus características son: 

La tensión es cero en el dispositivo.



La corriente es desconocida.

Ejemplo: Una resistencia puede estar en cortocircuito si durante el horneado y soldadura de una tarjeta de circuito impreso, se cae una gota de soldadura y conecta 2 pistas cercanas, que es conocido como Puente de Soldadura, esto es, cortocircuitar un dispositivo entre 2 pistas.

Hay que mirar en el resto del circuito para calcular la I.

5.2. Circuito abierto Sus características son: 

La corriente es cero a través del dispositivo.



La tensión es desconocida.

Ejemplo: En circuitos impresos una mala soldadura significa la “no” conexión normalmente. Esto es conocido como Unión de Soldadura Fría y significa que el dispositivo está en circuito abierto.


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6. FACTORES

DE RIESGOS ELÉCTRICOS MÁS COMUNES


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7. ORGANIZACIÓN

DEL TALLER.

LAS 5 S Las 5 S

Orden y Limpieza


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Comparativa entre una organización que “NO” aplica las 5 S y otra que “SÍ” las aplica


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Tema 1. Electricidad y Electrónica

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