CLASE N2 CORRIENTE ELECTRICA

1.- CORRIENTE ELECTRICA: Corresponde a la circulación de cargas eléctricas por el interior de un conductor debido a una “Diferencia de Potencial o Voltaje”. Se admite por convención para todo los cálculos prácticos que nosotros consideraremos , que la corriente esta formada por cargas positivas que van en forma “natural” desde el cuerpo positivo(alto voltaje) al negativo (bajo voltaje) tal como se ve en la figura , esta es llamada la “Corriente Convencional”:

La “Corriente Real” ,es la que circula en la realidad en los conductores , como sabemos son los electrones (negativos) que van en sentido contrario es decir del cuerpo negativo al positivo es decir de bajo voltaje a alto voltaje .

2.-INTENSIDAD DE CORRIENTE:La intensidad de una corriente en un conductor se define mediante la expresión:

donde:

Q: Carga eléctrica que atraviesa una sección (A) de cable conductor [C]t: Tiempo [s]I : Corriente en Amperios [A]

3.-DENSIDAD DE CORRIENTE:Corresponde a la relación entre la corriente que circula por un conductor y la sección transversal del mismo tal como se ve en la figura:

Donde

I: Corriente que atraviesa la sección [A].S: Sección transversal del conductor [mm2]

J: Densidad de corriente [A/mm2]

Esta cantidad se limita reglamentariamente para evitar calentamiento excesivo por efecto Joule. En el caso de conductores de Cobre desnudos en líneas aéreas:

S: Sección Conductor [mm2] J: Densidad máxima de corriente [A/mm2]De 1 a 5 6

De 6 a 15 5De 16 a 50 3

De 51 a 100 2.5

Ejemplo: Para un cable conductor de 50mm2 de Sección por el que pasan 5*10-4

[C] en 10[s] determinar:a) Corriente que circula.b) Densidad de corriente

4.-TIPOS DE CORRIENTE ELECTRICA:

Debemos mencionar que usualmente el termino genérico “corriente”, hace referencia tanto al voltaje como a la corriente propiamente tal.

a)Corriente Continua(CC o DC ):Circula siempre en un mismo sentido manteniéndose constante en magnitud tal como se observa en la figura con el voltaje que entrega una batería de automóvil. La CD produce las Pilas y Baterías.

b) Corriente Alterna Monofasica : (CA o AC):

Cambia su sentido de circulación en forma periódica, dependiendo su valor del tiempo en forma explicita tal como se observa en la figura:

Matemáticamente podemos representar un voltaje o corriente alternos de una frecuencia dada como:

V(t) = VP sen(2πf t + )

Donde:

Vo =VP : Amplitud de voltaje o Voltaje Peak [V]

f : Frecuencia [Hz]

t : Tiempo [s]

T = 1/f : Periodo [s]

: Angulo de Fase [rad] o º

V(t) : Voltaje en función del tiempo[V]

I(t) : Corriente en función del tiempo[V]

Ejemplo: Graficar un voltaje alterno Monofásico con V0 =300 V y f = 50Hz. Suponga nulo el ángulo de fase, indicando cuanto dura en [s] un ciclo de la corriente

c) Corriente Alterna Trifasica :

Son tres corrientes Monofásicas de igual amplitud y frecuencia pero con desfase de 120º entre ellas, tal como se ve en la figura:

V1 (t) = VP sen(2πf t )

V2 (t) = VP sen(2πf t + 120º )

V3 (t) = VP sen(2πf t + 240º )

d) Frecuencias de CA:

En buques mercantes el voltaje alterno es de 450V y 60Hz o bien de 380V y 50Hz, dependiendo de su origen. En el caso Domiciliario Nacional tenemos 220V a 60Hz, mientras que en el extranjero por lo general se manejan 120V a 50Hz en Europa y 60Hz en Norteamérica.

Voltaje o Corriente Efectivo o RMS de una CA:

El Voltaje o Corriente Efectiva”RMS” de una CA, se define como:

VRMS = VP / √2 ,

Corresponde a un valor efectivo en términos de la generación de calor es decir ,1[A] Peak de CA, genera el Mismo Calor en una resistencia que una CC de 0.707[A] .

Ejemplo: Determinar el Vp del voltaje domiciliario.

5.-DISPOSITIVOS GENERADORES DE VOLTAJE CONTINUO

La generación de corriente se obtendrá mediante un dispositivo generador de la fuerza impulsora necesaria, es decir de Diferencia de Voltaje o Tensión Eléctrica. Consideremos brevemente los dos casos

a) BATERIA RECARGABLE O ACUMULADOR

La Batería mantiene un voltaje Constante, generado al “Separar” mediante un proceso químico Reversible, cargas eléctricas obtenidas de un Material denominado Electrolito.

Al ser el proceso Químico de la batería Reversible, es factible la recarga de esta ultima un numero Finito de veces, mediante la circulación de Corriente en dirección opuesta a la que ella entrega. OBS: En un auto el proceso de recarga lo realiza el alternador que funciona con el motor encendido

La “Batería” esta formada de una serie de “Acumuladores”, cada uno de los cuales suministra un voltaje fijo o FEM, que resulta accesible mediante dos terminales o Bornes llamados Ánodo (Positivo) y Cátodo (Negativo) que se indican mediante el símbolo de la figura:

En la figura vemos un esquema simplificado de una batería, con un acumulador compuesto en términos generales de:

1.-Electrodos (Ánodo y Cátodo): También llamados Acumuladores, son Conductores Metálicos como el Zinc( Oxido de Plomo) y Cobre (Plomo), que tienen abundancia de electrones (Cátodo) o abundancia de carga positiva (Ánodo).

2.-Electrolito: Sustancia liquida como el (H 2 SO4 ), que al disolverse en agua se separa en iones H+ y SO4

- , y que pueden mantenerse separados por acción de las moléculas del agua , generando así el voltaje entre los electrodos.

OBS: Notar que la corriente Convencional circula en sentido “opuesto” al indicado en la figura.

Ejemplo: La batería de un automóvil está formada internamente de 6 acumuladores de Plomo (Muy Tóxicos) cada uno suministra unos 2 V, por lo que el conjunto entrega los habituales 12 V, o bien por 12 acumuladores de 2V, generando 24 V para los camiones.

b) PARAMETROS BASICOS DE UNA BATERIA RECARGABLE

1.-Voltaje que puede suministrar durante el ciclo de descarga (supuesto constante) El voltaje “por acumulador”, varía usualmente entre 1V y 4V.

2.-La corriente máxima que puede suministrar. Una pila de 1.5V puede suministrar una corriente máxima de ~ 0.2A, mientras que una batería común de 12V de un auto mediano puede entregar un máximo ~ 60A

3.-Capacidad Eléctrica de la batería mide la carga en relación a los tiempos de carga y descarga de la batería.

C = it Donde

i: Corriente constante que entrega o recibe la batería[A]

t : Tiempo de operación hasta la carga o descarga [s]

C : Capacidad de la Batería en [C]o [As]

Aun cuando usualmente C se mide en [Ah] o Amperio-hora, y en tal caso el tiempo se medirá claramente en horas. Capacidades típicas de baterías de auto están en torno a 75Ah

Ejemplo: Una batería de Litio de 3V tiene una capacidad nominal de 235mAh y una corriente máxima de 3mA .

Ejemplo: Si una batería puede entregar 125 [mA] durante 4h, determinar su capacidad en [Ah] , [As] y [C] .

OBS: Resulta de interés mencionar que baterías con Acumuladores de Plomo tienen tiempos de recarga de entre 8h y 16h, proceso que se puede realizar entre 20 y 30 veces. En el caso de Ion-Li es posible bajar tiempos de carga hasta 2 o 3 h y aumentar el numero de recargas hasta 4000 veces.

c) Recarga de una batería de auto por movimiento:

La batería suministra en forma continua carga eléctrica en forma de corriente al auto para las luces, encendido, bujías etc. Esta perdida es compensada con la generación que se obtiene con el alternador que genera corriente de Recarga al estar el motor encendido.

d) Recarga de una Batería:

Como resultado de la entrega de corriente a la “carga” del circuito, se produce la descarga definitiva y la detección de la corriente.

La recarga de una batería se realiza en general, con una FEM mayor que es conectada a otra con una menor de forma tal que la corriente circule en este ultimo de + a - , es decir en dirección opuesta a la usual, de – a + .

El generador de FEM mayor estará “cargando” el de FEM menor tal como se ve en las figuras con la batería de 10V y 6V o con el proceso de carga de una batería descargada en un automóvil. Notar en este último caso que las polaridades tanto de la batería descargada del vehículo, como la de la batería externa usada para cargarla junto con la dirección de la corriente son iguales a las del circuito anterior:

d) BATERIA DESECHABLE O PILA ELECTRICA

La “Pila Eléctrica” genera una diferencia de potencial o voltaje permanente en forma artificial, mediante un Proceso Químico similar al anterior, siendo las principales diferencias:

a)Electrolito No Liquido .

b) Proceso Químico No Reversible y por tanto No recargable.

6.-DISPOSITIVOS GENERADORES DE VOLTAJE ALTERNO

Se genera mediante un “Alternador”, que consiste básicamente en un circuito conductor que rota (Rotor) “dentro de un campo magnético Fijo producido por imanes (Estator). Es un hecho Experimental descubierto por Faraday, que en tales condiciones se genera en el conductor, un voltaje alterno de igual frecuencia a la de rotación del conductor rotatorio. El símbolo de la generación de CA se indica a la derecha, y un esquema de su estructura se muestra abajo:

Debemos tener presente que se conseguiría el mismo efecto si el circuito permanece fijo y los imanes con el campo magnético permanecen en rotación.

a) Generación de Voltaje Alterno Trifásico

En la práctica el conductor es un devanado o bobina continúa .Si las bobinas del rotor son tres independientes y están desfasadas en 120º en torno del Rotor , se lograran voltajes Monofásicos en cada conductor, con desfase de 120º entre ellos En la figura podemos ver “fases” separadas en 120º en los terminales aa’ , bb’ y cc’:

b) Ciclo del Conductor Rotatorio para la generación de Voltaje

El desarrollo del voltaje alterno según la posición del circuito conductor respecto del campo magnético, se indica en la figura, para un periodo del voltaje:

c) Frecuencia de la CA generada

El voltaje generado depende de la intensidad del campo magnético utilizado, mientras que como sabemos, la frecuencia de la CA esta relacionada directamente con la velocidad de giro del Rotor, la que se expresa como:

f = p n /120 Donde:

p: Nº de polos del Generador n : Velocidad del motor en [RPM]f :Frecuencia de la CA obtenida [Hz]

Ejemplo: Suponga que el generador de CA mostrado al comienzo del punto 6 de la Figura anterior, gira a 3000RPM. Determinar la frecuencia de la CA generada.

d) Generación de CA con motores Diesel

En la práctica diaria y también en un buque , los generadores de CA Monofásica o Trifásica, que también como veremos posibilitan la posterior creación de CD, alimentan el giro de su Rotor con ejes conectados a motores Diesel de alta velocidad.

Ejemplo: Generador Diesel de CA de 5000W 380/220V y frecuencia de salida de 50Hz

7.-DIFERENCIAS Y SIMULITUDES ENTRE LOS TIPOS DE CORRIENTE

a) Diferencias prácticas entre CA Monofásica y Trifásica:

La desventaja de la CA Monofásica esta en el hecho de ser “Pulsante”. En condiciones de bajo consumo resulta ser conveniente como en el uso Domiciliario e incluso motores eléctricos pequeños. En condiciones de alto consumo, la potencia pulsante es una desventaja pues se requiere Uniformidad, por lo que se usa Trifásica en la que las pulsaciones se reducen drásticamente.

b) Diferencias practicas entre CA y CD:

Las grandes ventajas de la CD es que puede ser “almacenada” en baterías y ser trasladada en forma portátil en pequeñas cantidades, cosa que no ocurre con la CA. Además su tratamiento es más simple al ser sus valores constantes en el tiempo.

Las grandes ventajas de la CA es que su voltaje y corriente pueden ser alterados de forma simple con un Transformador, facilitando así su capacidad de transmisión a grandes distancias y en grandes cantidades, cosa que no ocurre con la CD

8.-EFECTOS DE LA CORRIENTE ELECTRICA:

a) Calóricos: La corriente genera calor al circular por los conductores lo que se conoce como Efecto Joule

b) Luminosos: La corriente al circular por conductores puede volverlos incandescentes generando luz.

c) Magnéticos: La corriente crea un campo magnético alrededor del conductor por el que circula, lo que se manifiesta en las brújulas situadas cerca de ellos, las que alteran notoriamente su dirección alineándose con el campo magnético del alambre. Adicionalmente, otro conductor eléctrico que este en las cercanías y lleve corriente eléctrica, experimentara fuerzas que dependen de su orientación en el campo magnético

9.-CORRIENTE ELECTRICA USADA EN BUQUES:

El sistema Eléctrico es usado para llevar potencia desde las fuentes o Generadores a cargas varias como Motores, Iluminación, Sistemas etc. La Energía tiene su origen en los Generadores de Servicio del buque Diesel, de Turbina o a Vapor.

Usualmente se dispone de generación Alterna Trifásica de 450V y 60Hz o bien 380Hz y 50Hz, dependiendo de la Nave, aun cuando en muchas situaciones se necesita mucho menos energía por lo que se dispone de la opción Monofásica de 115V o 220V en situaciones como la iluminación de camarotes y artefactos eléctricos menores.

La necesidad de Corriente Directa es frecuente, y se obtiene por Baterías o Rectificadores de CA.

La conexión Eléctrica del buque, a diferencia de la domiciliaria, No esta puesta a tierra (Ungrounded), es decir, todo el sistema de cables, esta “aislado” del Casco. Esto aumenta la confiabilidad de los equipos pero No la seguridad personal. Esta ultima puede ser mejorada encapsulando cuando sea posible los envases metálicos en plástico u otro aislante

PREGUNTAS:1.-Que es la corriente eléctrica? Que es la corriente Convencional y en que dirección viaja? Que es la corriente Real y en que dirección viaja?2.-Defina Intensidad de corriente. Defina densidad de corriente3.-Cuales son los tipos de corriente eléctrica y cuales son sus características?4.-Que dispositivos generan voltaje continuo? Como funcionan?5.-Que es el ánodo? Que es el cátodo?6.-Cuales son los parámetros básicos de una batería ¿Como se recarga?

7.- Que dispositivo generan voltaje alterno? Como funcionan?8.-Explique el ciclo rotatorio de un motor de CA.9.-Porque una pila indica el polo positivo y el negativo, no así un enchufe domiciliario?10.-Cual es la diferencia entre el Voltaje Peak y el RMS ¿11.-Como se genera CA Trifásica?12.-Que ventajas tiene la CC sobre la CA ¿ 13.-Que ventajas tiene la CA sobre la CC ¿ 14.- Que ventajas tiene la CA Trifásica sobre la monofásica ¿

PROBLEMAS

1.-Si una batería es cargada durante 8h con una corriente 600[mA], determinar:a) Su capacidad en Ahb) Cuanto tiempo podrá trabajar entregando 1.5A

2.-Determinar la máxima corriente permitida en un conductor de cobre de 1.54mm2

de sección, si la densidad de corriente máxima es de 6 A/mm2 (R :9.24 A )

3.-Por un conductor circula durante 15 minutos 54.1022 electrones. Calcular la intensidad de esa corriente.

4.- ¿Qué cantidad de corriente en Coulombs habrá pasado por un conductor en 30 minutos?. Si la intensidad de la corriente es de 15 A.

5.-Un generador bipolar de CA que gira a 3600RPM genera 220V efectivos Mostrar en una grafica su voltaje en función del tiempo.