Instituto Universitario de TecnologaJos Antonio AnzoteguiUnidad Curricular: Electrotecnia

Tema I: Parmetros fundamentales del circuito elctrico en corriente contina y corriente alterna. Tema II: Leyes fundamentales de la electricidad y electromagnetismo.

PARTE I. PARMETROS FUNDAMENTALESGracias a la electricidad y los fenmenos elctricos podemos darle movimiento o poner a funcionar cualquier aparato elctrico o electrnico. Es por esta razn que es muy importante conocer su historia y los conceptos bsicos necesarios para entender que elementos la componen y como funciona.QU ES ELECTRICIDAD?La electricidad (del griego elektron) es un fenmeno fsico cuyo origen son las cargas elctricas y cuya energa se manifiesta en fenmenos mecnicos, trmicos, luminosos y qumicos, entre otros. En otras palabras, la electricidad es el flujo de electrones. Se puede observar de forma natural en fenmenos atmosfricos, como los rayos, los cuales son descargas elctricas producidas por la transferencia de energa entre la ionosfera y la superficie terrestre.Otros mecanismos elctricos naturales se pueden encontrar en procesos biolgicos, como el funcionamiento del sistema nervioso.La electricidad es la base del funcionamiento de muchas mquinas, desde pequeos electrodomsticos hasta sistemas de gran potencia como los trenes de alta velocidad, y asimismo de todos los dispositivos electrnicos.CUL ES EL ORIGEN DE LA ELECTRICIDAD?La electricidad es originada por las cargas elctricas, en reposo o en movimiento, y las interacciones entre ellas. Cuando varias cargas elctricas estn en reposo relativo se ejercen entre ellas fuerzas electrostticas. Cuando las cargas elctricas estn en movimiento relativo se ejercen tambin fuerzas magnticas. Se conocen dos tipos de cargas elctricas: positivas y negativas. Los tomos que conforman la materia contienen partculas subatmicas positivas (protones), negativas (electrones) y neutras (neutrones).QU ES UNA CARGA ELCTRICA?La carga elctrica es una propiedad que poseen algunas partculas subatmicas y que se manifiesta mediante las fuerzas observadas entre ellas. La materia cargada elctricamente es influida por los campos electromagnticos siendo, a su vez, generadora de ellos.Las dos partculas elementales cargadas que existen en la materia y que se encuentran de forma natural en la Tierra son el electrn y el protn, los cuales hacen parte de los tomos que conforman la materia.Cuando un tomo gana o pierde un electrn, queda cargado elctricamente. A estos tomos cargados se les denomina iones.

CLASES DE ELECTRICIDADPodemos clasificar la electricidad en dos tipos: esttica y dinmica. A su vez la electricidad dinmica se divide en corriente continua o directa (CD) y corriente alterna (CA). ELECTRICIDAD ESTTICASe denomina electricidad esttica a aquella que no se mueve respecto a la sustancia determinada.Si frotamos una varilla de vidrio (material no conductor) con un pao de seda, tanto el pao como la varilla quedan cargados elctricamente (el pao con carga negativa y la varilla con carga positiva). La electricidad acumulada en ambos materiales permanecer sin moverse a menos que los pongamos en contacto, o se conecten por medio de un conductor.Desde el punto de vista de los electrones libres, la electricidad esttica se refiere al estado en el que los electrones libres estn separados de sus tomos y no se mueven en la superficie de los materiales.A la cantidad de electricidad con que se carga una sustancia se le llama carga elctrica, se representa por la letra (Q) y se mide en el sistema internacional (S.I.), en culombios (C).

LEY DE COULOMBComo consecuencia del experimento anterior, Coulomb estableci la siguiente ley: La fuerza de atraccin o repulsin sobre dos cargas puntuales (Q1, Q2) es directamente proporcional al producto de las cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia entre ambas.siendo:Q1, Q2 = las cargas puntuales;d = distancia entre cargas;K = constante que depende del medio;F = fuerza de atraccin o repulsin.DIFERENCIA DE POTENCIAL

La tensin, voltaje, fuerza electromotriz o diferencia de potencial es una magnitud fsica que impulsa a los electrones a lo largo de un conductor en un circuito elctrico cerrado, provocando el flujo de una corriente elctrica. La diferencia de potencial tambin se define como el trabajo por unidad de carga ejercido por el campo elctrico, sobre una partcula cargada, para moverla de un lugar a otro.En el SI, la diferencia de potencial se mide en voltios (V), al igual que el potencial. La tensin es independiente del camino recorrido por la carga, y depende exclusivamente del potencial elctrico de los puntos A y B en el campo.Si dos puntos que tienen una diferencia de potencial se unen mediante un conductor, se producir un flujo de electrones. Parte de la carga que crea el punto de mayor potencial se trasladar a travs del conductor al punto de menor potencial y, en ausencia de una fuente externa (generador), esta corriente cesar cuando ambos puntos igualen su potencial elctrico (Ley de Henry). Este traslado de cargas es lo que se conoce como corriente elctrica.Cuando se habla sobre una diferencia de potencial en un slo punto, o potencial, se refiere a la diferencia de potencial entre este punto y algn otro donde el potencial sea cero.Existe una diferencia de potencial cuando por intermedio de una fuente de energa, se logra mantener en dos puntos cargas desiguales. Esta fuerza de energa puede ser una pila, batera, o generador, y los dos puntos se llaman bornes.CORRIENTE ELCTRICALos electrones que se encuentran en las rbitas ms alejadas del ncleo se les conoce tambin como electrones libres, estos electrones son los responsables de la mayora de los fenmenos elctricos y electrnicos ya que al estar dbilmente atrados por los protones del ncleo, pueden MOVERSE fcilmente de un tomo a otro.Los electrones libres, al desplazarse constituyen la CORRIENTE ELCTRICA a travs de un conducto que puede ser slido, lquido o gaseoso.Entonces lo que conocemos como corriente elctrica no es otra cosa que la circulacin de cargas o electrones a travs de un circuito elctrico cerrado, que se mueven siempre del polo negativo al polo positivo de la fuente de suministro de fuerza electromotriz (FEM).La corriente elctrica est definida por convenio en el sentido contrario al desplazamiento de los electrones.

En el Sistema Internacional de Unidades se expresa en C/s-1 (culombios sobre segundo), unidad que se denomina amperio.Histricamente, la corriente elctrica se defini como un flujo de cargas positivas y se fij el sentido convencional de circulacin de la corriente como un flujo de cargas desde el polo positivo al negativo. Sin embargo posteriormente, gracias al efecto Hall, se observ que en los metales los portadores de carga son negativos, estos son los electrones, los cuales fluyen en sentido contrario al convencional.El resultado es que el sentido convencional y el real son ciertos en tanto que los electrones fluyen desde el polo negativo hasta llegar al positivo (sentido real), cosa que no contradice que dicho movimiento se inicia al lado del polo positivo donde el primer electrn se ve atrado por dicho polo creando un hueco para ser cubierto por otro electrn del siguiente tomo y as sucesivamente hasta llegar al polo negativo (sentido convencional) es decir la corriente elctrica es el paso de electrones desde el polo negativo al positivo comenzando dicha progresin en el polo positivo.REQUISITOS PARA QUE CIRCULE AL CORRIENTE ELCTRICAPara que una corriente elctrica circule por un circuito es necesario que se disponga de tres factores fundamentales: Una fuente de fuerza electromotriz (FEM) como, por ejemplo, una batera, un generador o cualquier otro dispositivo capaz de bombear o poner en movimiento las cargas elctricas negativas cuando se cierre el circuito elctrico. Un camino que permita a los electrones fluir, ininterrumpidamente, desde el polo negativo de la fuente de suministro de energa elctrica hasta el polo positivo de la propia fuente. En la prctica ese camino lo constituye el conductor o cable metlico, generalmente de cobre. Una carga o consumidor conectado al circuito que ofrezca resistencia al paso de la corriente elctrica. Se entiende como carga cualquier dispositivo que para funcionar consuma energa elctrica como, por ejemplo, una bombilla o lmpara para alumbrado, el motor de cualquier equipo, una resistencia que produzca calor (calefaccin, cocina, secador de pelo, etc.), un televisor o cualquier otro equipo electrodomstico o industrial que funcione con corriente elctrica.INTENSIDAD DE CORRIENTELa cantidad de electrones que circula por un conductor dentro circuito cerrado, es la intensidad de corriente, la cual depende fundamentalmente de la tensin o voltaje (V) que se aplique y de la resistencia (R) que ofrezca al paso de esa corriente la carga o consumidor conectado al circuito. Si una carga ofrece poca resistencia al paso de la corriente, la cantidad de electrones que circulen por el circuito ser mayor en comparacin con otra carga que ofrezca mayor resistencia y obstaculice ms el paso de los electrones.La intensidad de la corriente elctrica se designa con la letra (I) y su unidad de medida en el Sistema Internacional (SI) es el ampere (llamado tambin amperio), que se identifica con la letra (A).TIPOS DE CORRIENTEEn la prctica, los dos tipos de corrientes elctricas ms comunes son: corriente directa (CD) o continua y corriente alterna (CA). La corriente directa circula siempre en un solo sentido, es decir, del polo negativo al positivo de la fuente de fuerza electromotriz (FEM) que la suministra. Esa corriente mantiene siempre fija su polaridad, como es el caso de las pilas, bateras y dinamos.La corriente alterna se diferencia de la directa en que cambia su sentido de circulacin peridicamente y, por tanto, su polaridad. Esto ocurre tantas veces como frecuencia en hertz (Hz) tenga esa corriente. A la corriente directa (C.D.) tambin se le llama "corriente continua" (C.C.).

La corriente alterna es el tipo de corriente ms empleado en la industria y es tambin la que consumimos en nuestros hogares. La corriente alterna de uso domstico e industrial cambia su polaridad o sentido de circulacin 50 60 veces por segundo, segn el pas de que se trate. Esto se conoce como frecuencia de la corriente alterna.En los pases de Europa la corriente alterna posee 50 ciclos o hertz (Hz) por segundo de frecuencia, mientras que los en los pases de Amrica la frecuencia es de 60 ciclos o hertz.MATERIALES CONDUCTORES O AISLANTESLos materiales conductores son todos aquellos materiales o elementos que permiten que los atraviese el flujo de la corriente o de cargas elctricas en movimiento. Los materiales conductores, poseen la caracterstica de que los electrones en las rbitas ms externas necesitan poca energa para salir de ellas. De hecho, estos tomos comparten estos electrones con tomos cercanos, con lo que se forma la llamada nube electrnica de los metales. Sin embargo, en los materiales aislantes, los electrones estn fuertemente ligados a su orbita, siendo muy difcil o prcticamente imposible sacarlos de ella. Cuando esto ocurre, es generalmente porque se produce la destruccin del aislante. RESISTENCIA ELCTRICAResistencia Elctrica es la dificultad u oposicin que un material pone al paso de la corriente elctrica. En otras palabras, la resistencia elctrica es el grado de oposicin o impedimento de un material a la corriente elctrica que lo recorre. Todos los conductores elctricos ofrecen mayor o menor resistencia al paso de la corriente elctrica. LEY DE OHMColoquemos un circuito bsico como el de la figura. Observamos que la intensidad que por l circula (I) es directamente proporcional a la tensin aplicada (U), e inversamente proporcional a la resistencia del circuito (R).

En el caso a) el ampermetro marca 1,5 A.En el caso b) el ampermetro marca 3 A.Deducimos Amperios = Esta relacin se define como ley de Ohm.CAPACITORSe denomina capacitor al dispositivo que es capaz de acumular cargas elctricas. Los capacitores nunca estn ausentes en los circuitos electrnicos, stos consisten bsicamente de dos placas metlicas separadas por un material aislante (llamado dielctrico). Este material dielctrico puede ser aire, mica, papel, cermica. La acumulacin de cargas elctricas entre las lminas da lugar a una diferencia de potencial o tensin sobre el capacitor y la relacin entre las cargas elctricas acumuladas y la tensin sobre el capacitor es una constante denominada capacidad capacitorLa unidad de medida de la capacidad es el faradio y como dicha unidad es muy grande se utilizan submltiplos de la misma. El valor de la capacidad depende del tamao y la forma del capacitor. El valor de un capacitor se determina por la superficie de las placas y por la distancia entre ellas, la que est determinada por el espesor del dielctrico, dicho valor se expresa en trminos de capacidad. La unidad de medida de dicha capacidad es el faradio (F). Los valores de capacidad utilizados en la prctica son mucho ms chicos que la unidad, por lo tanto, dichos valores estarn expresados en microfaradios (1 mF = 1 x 10-6 F), nanofaradios (1nF=1x10-9F) o picofaradios (1pF=1x10-12F)

Qu aplicaciones tiene un capacitor? Para aplicaciones de descarga rpida, como un Flash, en donde el condensador se tiene que descargar a gran velocidad para generar la luz necesaria (algo que hace muy fcilmente cuando se le conecta en paralelo un medio de baja resistencia) Como Filtro, Un condensador de gran valor (1,000 uF - 12,000 uF) se utiliza para eliminar el "rizado" que se genera en el proceso de conversin de corriente alterna a corriente continua. Para aislar etapas o reas de un circuito: Un condensador se comporta (idealmente) como un corto circuito para la seal alterna y como un circuito abierto para seales de corriente continua, etc.BOBINALa bobina es un elemento muy interesante. A diferencia del condensador, la bobina por su forma (espiras de alambre arrollados) almacena energa en forma de campo magntico. Todo cable por el que circula una corriente tiene a su alrededor un campo magntico generado por la mencionada corriente, siendo el sentido de flujo del campo magntico el que establece la ley de la mano derecha. Al estar la bobina hecha de espiras de cable, el campo magntico circula por el centro de la bobina y cierra su camino por su parte exterior.Una caracterstica interesante de las bobinas es que se oponen a los cambios bruscos de la corriente que circula por ellas. Esto significa que a la hora de modificar la corriente que circula por ellas (ejemplo: ser conectada y desconectada a una fuente de poder), esta tratar de mantener su condicin anterior.Las bobinas se miden en Henrios (H), pudiendo encontrarse bobinas que se miden en miliHenrios (mH). Qu aplicaciones tiene una bobina? Una de la aplicaciones ms comunes de las bobinas y que forma parte de nuestra vida diaria es las bobinas que se encuentran en los transformadores para reducir o elevar el Voltaje. En los sistemas de iluminacin con tubos fluorescentes existe un elemento adicional que acompaa al tubo y que comnmente se llama reactor En las fuentes de alimentacin tambin se usan bobinas para filtrar componentes de corriente alterno y solo obtener corriente continua en la salida.Smbolo de la bobina

POTENCIALa potencia de un aparato electrnico es la energa elctrica consumida en una unidad de tiempo (por lo general, un segundo).Potencia = energa consumida/ tiempo P=E/tLa unidad de potencia en el SI es el vatio (W). A menudo la potencia viene expresada en kilowatios. 1kW= 1000 W.P = V*IDe esta ecuacin se deduce que: Una diferencia de potencial ms elevada origina una potencia mayor, porque cada electrn transporta mucha ms energa. Una intensidad mayor incrementa la potencia, pues hay ms electrones que gastan su energa cada segundo.CONSUMO DE ENERGA ELCTRICALa energa elctrica consumida se calcula a partir de la expresin de la potencia multiplicada por el tiempo-Energa consumida = potencia * tiempo E=P*tLa energa viene dada en Julios (1 Julio = 1 vatio * 1 segundo). No obstante, esta no es la unidad de energa elctrica que aparece en algunos sitios, sino el kilovatio por hora. 1Kw *h = 3600000 J.

PARTE II: EL CIRCUITO ELCTRICO

MLTIPLOS Y SUBMLTIPLOS

RESUMEN DE LAS UNIDADES UTILIZADAS EN ELECTRICIDAD

Unidad de frecuenciaUn hertz (Hz) es la frecuencia de un fenmeno peridico cuyo periodo es 1 segundo.Unidad de fuerza Un newton (N) es la fuerza que, aplicada a un cuerpo que tiene una masa de 1 kilogramo, le comunica una aceleracin de 1 metro por segundo cuadrado.Unidad de presinUn pascal (Pa) es la presin uniforme que, actuando sobre una superficie plana de 1 metro cuadrado, ejerce perpendicularmente a esta superficie una fuerza total de 1 newton.

Unidad de energa, trabajo, cantidad de calorUn joule (J) es el trabajo producido por una fuerza de 1 newton, cuyo punto de aplicacin se desplaza 1 metro en la direccin de la fuerza.Unidad de potencia, flujo radianteUn watt (W) es la potencia que da lugar a una produccin de energa igual a 1 joule por segundo.Unidad de cantidad de electricidad, carga elctricaUn coulomb (C) es la cantidad de electricidad transportada en 1 segundo por una corriente de intensidad 1 ampere.Unidad de potencial elctrico, fuerza electromotrizUn volt (V) es la diferencia de potencial elctrico que existe entre dos puntos de un hilo conductor que transporta una corriente de intensidad constante de 1 ampere cuando la potencia disipada entre estos puntos es igual a 1 watt.Unidad de resistencia elctricaUn ohm (W) es la resistencia elctrica que existe entre dos puntos de un conductor cuando una diferencia de potencial constante de 1 volt aplicada entre estos dos puntos produce, en dicho conductor, una corriente de intensidad 1 ampere, cuando no haya fuerza electromotriz en el conductor.Unidad de capacidad elctricaUn farad (F) es la capacidad de un condensador elctrico que entre sus armaduras aparece una diferencia de potencial elctrico de 1 volt, cuando est cargado con una cantidad de electricidad igual a 1 coulomb.Unidad de flujo magnticoUn weber (Wb) es el flujo magntico que, al atravesar un circuito de una sola espira produce en la misma una fuerza electromotriz de 1 volt si se anula dicho flujo en un segundo por decaimiento uniforme.Unidad de induccin magnticaUna tesla (T) es la induccin magntica uniforme que, repartida normalmente sobre una superficie de 1 metro cuadrado, produce a travs de esta superficie un flujo magntico total de 1 weber.Unidad de inductanciaUn henry (H) es la inductancia elctrica de un circuito cerrado en el que se produce una fuerza electromotriz de 1 volt, cuando la corriente elctrica que recorre el circuito vara uniformemente a razn de un ampere por segundo.

SMBOLOS ELCTRICOS.