UT1 : “CONCEPTOS BÁSICOS DE ELECTRÓNICA Y ELECTRICIDAD”
1. CONCEPTO DE ELECTRICIDAD
La electricidad es una de las formas de energía, con la que se consigue hacer que
funcionen electrodomésticos, ordenadores, lámparas eléctricas, motores eléctricos y otros
muchos equipos y maquinarias utilizadas por el hombre.
Esta forma de energía se encuentra en la naturaleza y el hombre ha sabido transformarla
para transportarla fácilmente y poderla consumir. Esta energía es la energía eléctrica.
Esta energía eléctrica es invisible, pero podemos ver sus efectos como son:
El efecto térmico que se produce cuando fluye por determinados materiales, llamados
resistivos, como por ejemplo el carbón, produciendo calor en ellos utilizando este efecto en
aplicaciones como la calefacción, hornos, calentadores de agua, etc.
El efecto luminoso producido cuando la corriente eléctrica fluye por un material que al
calentarse irradia luz.
El efecto químico que se produce al fluir la corriente eléctrica por ciertos líquidos,
disgregándose dando lugar a la electrólisis.
El efecto magnético, que consiste en que al fluir la corriente eléctrica por yn conductor se
produce un campo magnético alrededor de este que es capaz de atraer a ciertos metales. En
este efecto se basan algunos motores eléctricos, altavoces o instrumentos de medida.
1.1. ORIGEN DE LA ELECTRICIDAD
La energía eléctrica está asociada a la materia y sus partículas fundamentales,
concretamente los átomos y las modificaciones que sufren, en relación a una de sus partículas
que se encuentra girando alrededor del núcleo del átomo y que se denomina electrón.
Los electrones giran alrededor del núcleo, donde se encuentran otras partículas
denominadas protones y neutrones, el giro es debido al equilibrio de dos fuerzas: la fuerza
propia del electrón que lo mantiene siempre en movimiento y la fuerza de atracción que ejerce
el núcleo sobre el electrón. Los electrones que se encuentran en la órbita más lejana del
núcleo pueden salirse de sus órbitas, aplicándoles alguna fuerza externa como un campo
magnético o una reacción química. A este tipo de electrones se les conoce como electrones
libres. El movimiento de electrones libres de un átomo a otro origina lo que se conoce como
corriente de electrones, o lo que también se denomina corriente eléctrica. Ésta es la base de la
electricidad.
1.2. FUERZA ENTRE CARGAS ELÉCTRICAS ESTÁTICAS
La esencia de la electricidad es la carga eléctrica. Esta cualidad existe en dos clases distintas,
que se denominan cargas positivas y negativas. Las cargas eléctricas de la misma clase o signo
se repelen mutuamente y las de signo distinto se atraen.
En realidad, la carga eléctrica de un cuerpo u objeto es la suma de las cargas de cada uno de
sus constituyentes mínimos: moléculas, átomos y partículas elementales.
En el estado normal de los cuerpos materiales, las cargas eléctricas mínimas están
compensadas, es decir el número de cargas positivas, representadas por los protones, es igual
de negativas, representadas por los electrones, por lo que dichos cuerpos se comportan
eléctricamente como neutros. Hace falta una acción externa para que un objeto material se
electrice.
La electrización de un cuerpo se consigue extrayendo del mismo las cargas de un signo y
dejando en él las de signo contrario. En tal caso, el cuerpo adquiere una carga eléctrica neta no
nula.
Los fenómenos de la electrización y la conducción pueden explicarse como el resultado de la
acción de fuerzas eléctricas. Entre dos cargas próximas inicialmente en reposo siempre se
establece un tipo de fuerzas, llamadas electrostáticas, de tal forma que, si las partículas
cargadas son suficientemente pequeñas como para que puedan considerarse puntuales, se
cumple en las siguientes condiciones:
 La fuerza establecida entre ambas tiene una dirección que coincide con una línea recta
imaginaria que une las dos cargas.
 La fuerza ejercida sobre una carga apunta hacia la otra cuando las dos tienen distinto
signo (fuerza atractiva).
 El sentido de la fuerza se dirige hacia el lado opuesto de la carga cuando ambas tienen
el mismo signo (fuerza repulsiva).
La magnitud de las fuerzas eléctricas de atracción y repulsión entre cargas se rige por
el principio fundamental de la electrostática, también llamado ley de Coulomb. Esta ley
establece que la fuerza de atracción (o repulsión) entre dos cargas eléctricas puntuales de
distinto (o igual) signo es directamente proporcional al producto del valor de sus cargas e
inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa:
La constante de proporcionalidad K se define del modo siguiente:
donde
ε0
8,8542·10
es una constante denominada permitividad eléctrica del vacío, cuyo valor es
-12
C2/N·m2.
2. ENERGÍA. TENSIÓN O DIFERENCIA DE POTENCIAL
Se denomina energía eléctrica a la forma de energía que resulta de la existencia de
una diferencia de potencial entre dos puntos, lo que permite establecer una corriente
eléctrica entre ambos cuando se los pone en contacto por medio de un conductor eléctrico. La
energía eléctrica puede transformarse en muchas otras formas de energía, tales como
la energía lumínica o luz, la energía mecánica y la energía térmica.
La generación de energía eléctrica se lleva a cabo mediante técnicas muy diferentes. Las
que suministran las mayores cantidades y potencias de electricidad aprovechan un
movimiento rotatorio para generar corriente continua en una dinamo o corriente alterna en
un alternador. El movimiento rotatorio resulta a su vez de una fuente de energía
mecánica directa, como puede ser la corriente de un salto de agua o la producida por el viento,
o de un ciclo termodinámico. En este último caso se calienta un fluido, al que se hace recorrer
un circuito en el que mueve un motor o una turbina. El calor de este proceso se obtiene
mediante la quema de combustibles fósiles, reacciones nucleares y otros procesos.
La diferencia de potencial o tensión eléctrica es la diferencia de cargas que se
establece entre dos cuerpos cargados eléctricamente y que es causante del movimiento de
electrones.
Son los generadores eléctricos los encargados de crear estas diferencias de cargas y
para ello el generador tiene que arrancar electrones de un polo positivo y depositarlos en un
polo negativo y para ello el generador necesita desarrollar una energía.
A la fuerza necesaria para trasladar los electrones desde el polo positivo al negativo y
así crear la diferencia de cargas, se la denomina fuerza electromotriz (fem).
La diferencia de potencial o tensión eléctrica se mide en Voltios (V) y el símbolo es U o
V.
2.1. MEDIDA DE LA TENSIÓN
Para medir la tensión eléctrica se precisa un aparato de medida que sea capaz de captar el
desnivel eléctrico o diferencia de cargas entre un punto y otro.
Este aparato se llama voltímetro. El voltímetro se colocara siempre entre dos puntos entre
los que se quiere determinar la tensión.
Esta forma de conectar el voltímetro se denomina conexión en paralelo o derivación.
Ejemplo
de
esquema
de
conexión
de
un
voltímetro
Actividad experimental
Toma un voltímetro ( o en su defecto un polímetro ) y mide la tensión que aparece entre los
polos de una pila. Cuando realices las conexiones cuida de que el aparato de medida sirva para
medir corriente continua, que las polaridades sean las correctas u que la escala elegida sea la
adecuad con la magnitud que vamos a medir.
3. CORRIENTE ELÉCTRICA
Es el movimiento de las cargas (normalmente electrones) en el interior del material.
3.1. INTENSIAD DE CORRIENTE ELECTRICA
La intensidad de la corriente eléctrica es la cantidad de electricidad que recorre un circuito en
la unidad de tiempo
I = Q/t
Q se mide en culombios
T se mide en segundos
La unidad de medida de la intensidad (símbolo I) de corriente eléctrica es el amperio (A). de
esta manera, cuando en un circuito se mueve una carga de un culombio en un tiempo de un
segundo, se dice que la corriente tiene una intensidad de un amperio.
1 amperio = 1 culombio/1 segundo
Ejercicio:
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.
Solución: I = Q/t = 4/2 = 2 A
3.2. MEDIDA DE LA INTENSIDAD DE LA CORRIENTE ELECTRICA
Para medir la intensidad de la corriente eléctrica utilizamos un aparato de medida llamado
amperímetro.
El amperímetro se intercalará en el conductor. Dado que la intensidad de la corriente
es igual en todos los puntos del circuito, es indiferente dónde se conecte el amperímetro.
Ejemplo de esquema de conexión de un amperímetro
Actividad experimental
Toma un amperímetro ( o en su defecto un polímetro ) y mide la intensidad que fluye por una
lámpara al ser conectada a una pila. Cuando realices las conexiones cuida de que el aparato de
medida sirva para medir corriente continua, que las polaridades sean las correctas u que la
escala elegida sea la adecuad con la magnitud que vamos a medir.
4. CONDUCTORES Y AISLANTES
Conductores son todos aquellos materiales o elementos que permiten que los
atraviese el flujo de la corriente o de cargas eléctricas en movimiento. Si establecemos la
analogía con una tubería que contenga líquido, el conductor sería la tubería, y el líquido el
movimiento de las cargas.
Cuando se aplica una diferencia de potencial a los extremos de un trozo de metal, se
establece de inmediato un flujo de corriente, pues los electrones o cargas eléctricas de los
átomos que forman las moléculas del metal, comienzan a moverse de inmediato empujados
por
la
presión
que
sobre
ellos
ejerce
la
tensión
o
voltaje.
Esa presión procedente de una fuente de fuerza electromotriz (FEM) cualquiera
(batería, generador, etc.) es la que hace posible que se establezca un flujo de corriente
eléctrica a través del metal.
4.1. BUENOS Y MALOS CONDUCTORES DE LA CORRIENTE ELÉCTRICA
Los mejores conductores de la corriente eléctrica son los metales, porque ceden más
fácil que otros materiales los electrones que giran en la última órbita de sus átomos (la más
alejada del núcleo). Sin embargo, no todos los metales son buenos conductores, pues existen
otros que, por el contrario, ofrecen gran resistencia al paso de la corriente y por ello se
emplean como resistencia eléctrica para producir calor. Un ejemplo de un metal que se
comporta de esa forma es el alambre nicromo (NiCr).
(Resistencia de alambre nicromo utilizada como.elemento calefactor en un secador de pelo.)
El más utilizado de todos los metales en cualquier tipo de circuito eléctrico es el cobre
(Cu), por ser relativamente barato y buen conductor de la electricidad, al igual que el aluminio
(Al). Sin embargo, los mejores metales conductores son el oro (Au) y la plata (Ag), aunque
ambos se utilizan muy limitadamente por su alto costo.
El oro se emplea en forma de hilo muy fino para unir los contactos de los chips de
circuitos integrados y microprocesadores a los contactos que los unen con las patillas
exteriores de esos elementos electrónicos, mientras que la plata se utiliza para revestir los
contactos eléctricos de algunos tipos de relés diseñados para interrumpir el flujo de grandes
cargas de corriente en amperios.
El aluminio, por su parte, se emplea para fabricar cables gruesos, sin forro. Este tipo de
cable se coloca, generalmente, a la intemperie, colgado de grandes aislantes de porcelana
situados en la parte más alta de las torres metálicas destinadas a la distribución de corriente
eléctrica de alta tensión
A)
(B)
.
cable
cable
o
o
conductor
conductor
compuesto
compuesto
por
por
un solo alambre rígido
varios alambres flexibles
de.cobre.
de.cobre.
Ambos tipos de conductores poseen un forro aislante de PVC.
La mayoría de los conductores que emplean los diferentes dispositivos o aparatos
eléctricos poseen un solo hilo de alambre de cobre sólido, o también pueden estar formado
por varios hilos más finos, igualmente de cobre. Ambos tipos de conductores se encuentran
revestidos con un material aislante, generalmente PVC (cloruro de polivinilo). Mientras mayor
sea el área transversal o grosor que tenga un conductor, mejor soportará el paso de la
corriente eléctrica, sin llegar a calentarse en exceso o quemarse.
4.2. MATERIALES SEMICONDUCTORES Y AISLANTES DE LA CORRIENTE ELÉCTRICA
Existen también otros elementos denominados metaloides, que actúan como
semiconductores de la corriente eléctrica. Entre esos elementos o materiales se encuentran el
silicio (Si), el galio (Ga) y el germanio (Ge).
Los átomos de esos elementos son menos propensos a ceder electrones cuando los
atraviesa una corriente eléctrica y su característica principal es dejarla pasar en un solo sentido
e impedirlo en sentido contrario.
El cristal de silicio es el elemento más utilizado en la actualidad como material
semiconductor para fabricar diodos, transistores, circuitos integrados y los microprocesadores
que utilizan los ordenadores o computadoras personales, así como otros dispositivos digitales.
Por último están los materiales aislantes, que no conducen la corriente eléctrica, cuyos
átomos ni ceden ni captan electrones. Entre esos materiales se encuentran el plástico, la mica,
el vidrio, la goma, la cerámica, etc. Todos esos materiales y otros similares con iguales
propiedades, oponen total resistencia al paso de la corriente eléctrica.
Si establecemos de nuevo una analogía con un líquido que circule a través del circuito
hidráulico de una tubería, como se hizo al principio de este tema con los conductores, el
aislador sería el equivalente al mismo tubo del circuito hidráulico, pero en este caso
conteniendo líquido congelado, lo cual obstruiría por completo el movimiento de los átomos
del líquido a través de la tubería. Esto sería algo similar a lo que ocurre con las cargas eléctricas
cuando tropiezan con un material aislante que le interrumpe el paso en un circuito eléctrico.
Esa es, precisamente, la función de los aisladores que vemos colgando de las torres de
distribución eléctrica, para soportar los cables y evitar que la corriente pase a la estructura
metálica o de cemento de la torre.
5. DENSIDAD DE CORRIENTE
Ahora veremos un concepto que es la densidad de corriente eléctrica, dato muy importante
para la elección de los cables eléctricos en viviendas o naves industriales, pues cada cable
puede soportar una cantidad de electrones máxima por unidad de sección. Si pasaran más,
éste acabaría calentándose demasiado pudiendo provocar un incendio...
La densidad de corriente, designada por el símbolo J, es la corriente media por unidad
de área (sección trasversal) del conductor, es decir, suponiendo una distribución uniforme de
la corriente:
En cuanto a sus unidades, J se mide en el S.I. en A/m2 pero es frecuente expresarlo en
A/mm ya que, evidentemente, al tratarse de la sección de un conductor, es más manejable
realizar la medición en mm2.
2
6. RESISTENCIA ELÉCTRICA
No todos los conductores son iguales a la hora de que circulen por ellos los electrones,
pues unos son mejores que otros para tal fin. Todos los conductores tienen una resistencia al
paso de esos electrones, siendo mejor conductor cuanta menor resistencia tenga. A la hora de
diseñar un conductor eléctrico también se tiene en cuenta su precio pues no es lo mismo
fabricar un cable de platino a uno de cobre, aunque el primero sea mucho mejor conductor...
Esa resistencia depende de varios factores y sobre todo de la característica atómica de
cada material.
Seguidamente estudiaremos la resistencia de un circuito eléctrico, cuya importancia en el
circuito es acorde al de la fuente de alimentación o pila y al del conductor, ya que sin este
componente no tendríamos circuito eléctrico. Para que lo entendáis una bombilla no es más
que una resistencia que al pasar la corriente eléctrica, debido a sus características de forma y
construcción, provoca luz.
Como ya sabemos, la resistencia eléctrica (R) es la oposición que todo conductor presenta
al paso de la corriente eléctrica.
Ante esta definición, hemos de considerar que no todos los conductores presentan la
misma resistencia al ser sometidos a una diferencia de potencial en sus extremos,
dependiendo de los siguientes factores:
1. Cantidad de electrones libres que tenga el conductor (cuanto mayor sea su número, menor su
resistencia).
2. Choques que experimentan en su desplazamiento estos portadores de carga (los electrones
pueden chocar con otros electrones o con partes de átomos no fluyentes), así a mayor número
de choques, menor velocidad de desplazamiento y proporcionalmente menor cantidad de
corriente.
Para cuantificar estos factores, recurrimos a la siguiente relación (1):
Dónde en el sistema internacional:
R se expresa en ohmios (Ω)
L en metros (m)
S en metros cuadrados (m2)
ρ en Ωm2/m (Ωm)
Veamos detenidamente el significado de estos parámetros:
 Resistividad o resistencia específica, representada por ρ. Es una constante
característica de la naturaleza del conductor (despejando de la expresión 1).
De aquí deducimos fácilmente su unidad en el S.I. Hemos de considerar que:


A la vista de (1), un aislante perfecto, vendría definido por un valor de ρ=∞ y un
conductor perfecto ρ=0 (un superconductor).
Tener presente que diversos factores como impurezas, presencia de campos
magnéticos, etc. alteran el valor de la resistividad. Entre estos factores destacamos la
temperatura, cuya influencia se puede aproximar por la siguiente expresión:
Donde:
 ρ0 el valor de la resistividad del material a 0ºC.
 ρ es el coeficiente de variación de la resistividad con la temperatura (dado en ºC-1)
Por su importancia en Electrotecnia, hemos de tener presente, que para los metales, su
resistencia aumenta con la temperatura al ser α>0.
 Longitud del conductor, cuanto mayor sea esta, mayor la probabilidad de choques y
por lo tanto mayor la resistencia presentada.
 Sección del conductor, que aparece como inversamente proporcional, ya que,
lógicamente, a mayor sección menor número de choques y en consecuencia menor
resistencia.
Ejercicio
Imaginemos que tenemos un cable de cobre (Cu) de 1 km de longitud suya sección es de 2 mm2,
y queremos saber la resistencia que va a presentar al paso de una corriente, o el valor que
señalará el óhmetro en los extremos de dicho conductor.
Soluc:
Resistividad del Cu 1,72*10-8 Ω·m
Que, como comentario, es un valor resistivo muy bajo, por lo que perderemos poca energía
(en forma de calor) en el transporte por esta línea.
Ejercicio
De manera análoga al ejercicio anterior, calcular la resistencia que presenta un conductor (de
50 m de longitud y 2 mm2 de sección) a 0°C, sabiendo que se trata de Cu cuya resistividad
(viendo las tablas) es de 1,72*10-8Ω·m.
También, para ver como varía la resistividad con la temperatura, se propone que se calcule la
resistencia que presenta dicho conductor sometido a una temperatura de 50ºC, sabiendo que
según los datos facilitados sobre el Cu es que la variación de la resistividad con la temperatura
es de 0,0043 °C-1 .
7. LEY DE OHM
Ya conocemos 3 magnitudes eléctricas: La Tensión o voltaje, la Intensidad y la Resistencia. Son
las 3 magnitudes que tiene todo circuito eléctrico.
Ahora se nos plantean ciertas cuestiones:


Si aumentamos la tensión de una pila, hacemos que por el circuito haya más intensidad...
Si aumentamos la Resistencia de un circuito eléctrico, la Intensidad disminuye...
La Ley, nos relaciona las tres magnitudes básicas de la electricidad: Voltaje, Intensidad y
Resistencia.
A través de la expresión:
La fórmula anterior se conoce como Fórmula General de la Ley de Ohms, y en la
misma, corresponde a la diferencia de potencial, a la resistencia e a la intensidad de la
corriente. Las unidades de esas tres magnitudes en el sistema internacional de unidades son,
respectivamente, voltios (V), ohmios (Ω) y amperios (A).
8. CORRIENTE CONTINUA Y ALTERNA.
8.1. CORRIENTE CONTINUA.
En electricidad existen dos tipos principales de corriente eléctrica: corriente continua y
corriente alterna. La corriente continua es aquella cuyos valores instantáneos a lo largo del
tiempo son de la misma magnitud. Suele estar suministrado por pilas, baterías, dinamos,
fuentes de alimentación de corriente continua etc... Una de las características fundamentales
de la corriente continua es que tiene polaridad: Uno de los conductores es el positivo (de color
rojo) y el otro el negativo (de color negro), también llamado éste último masa. Esto implica
que los receptores deben conectarse de acuerdo a esa polaridad, de lo contrario podríamos
obtener consecuencias no deseadas, y en el mejor de los casos no funcionaran. Piensa por un
momento en una radio, un juguete, una cámara de fotos etc.., y seguro que caes en la cuenta
que las pilas o fuentes de alimentación de esos elementos sólo se pueden conectar de una
determinada manera.
8.2. CORRIENTE ALTERNA.
Una corriente que cambie de sentido a intervalos de tiempo recibe el nombre de corriente
alterna. La corriente que tenemos en las bases de enchufe de casa se denomina corriente
alterna senoidal. La forma de la onda senoidal es periódica, ya que se reproduce
idénticamente en intervalos de tiempo iguales.
Dentro de una corriente alterna senoidal se consideran los siguientes parámetros
fundamentales:
Frecuencia.- Es el número de veces que la señal alterna se repite en un segundo. La unidad
de frecuencia es el hertzio (Hz), que equivale a un ciclo por segundo (c.p.s). Se representa por
la letra f. En toda Europa la frecuencia de la corriente eléctrica de la red de alimentación a
viviendas e industrias es de 50 Hz. En América esta frecuencia es de 60 Hz.
Período.- Es el tiempo necesario para que una señal alterna se repita. (ver figura). El
período se mide en segundos y se representa por la letra T. Nótese que período y frecuencia
son dos cantidades inversas.
Valor instantáneo.- Como se ha dicho, una de las características de la corriente alterna es
tomar valores diferentes en cada instante de tiempo. Así pues, valor instantáneo es aquel que
toma la señal en cada instante. La unidad depende del valor instantáneo considerado: tensión,
intensidad, etc... Suele estar representado en minúsculas.
Valor máximo.- De todos los valores instantáneos comprendidos en un período, se
denomina valor máximo al mayor de ellos. También a este valor se le denomina amplitud de la
señal alterna y, otras veces, valor de cresta. Al igual que el valor instantáneo, su unidad
depende de la magnitud considerada. Se suele representar por letras mayúsculas seguidas del
subíndice máx . En las señales alternas senoidales, el valor máximo coincide, en valor absoluto,
con el valor mínimo. A cualquiera de estos valores se les designa también con el nombre de
valor de pico. Interesante, a veces, en el tratamiento de la señal alterna, es el valor
comprendido entre dos picos consecutivos, denominado valor de pico a pico.
Valor eficaz.- Es el valor más importante a considerar en el tratamiento de las señales
alternas, para poder operar con ellas, pues con él se obtiene matemáticamente el mismo
resultado que operando con valores instantáneos continuamente variables.
Físicamente, el valor eficaz de una corriente alterna es aquél que produce los mismos
efectos caloríficos, a través de una resistencia, que una corriente continua del mismo valor. El
valor eficaz de una corriente alterna senoidal es igual al valor de pico dividido entre la raíz
cuadrada de dos.
9. POTENCIA ELÉCTRICA
La potencia eléctrica se puede entender, en general, como la rapidez con que se transforma un
tipo de energía en otro tipo de energía, en un determinado intervalo de tiempo. La potencia
eléctrica, en particular, corresponde a la cantidad de energía eléctrica que un objeto consume
o genera en un intervalo de tiempo. POR EJEMPLO: si tenemos dos equipos de sonido de
distinta potencia eléctrica cada uno, el de mayor potencia es capaz de transformar MÁS
ENERGÍA ELÉCTRICA en sonido, en el mismo tiempo, que el de menor potencia; por ello es el
sonido del equipo de mayor potencia se escucha más intenso.
Matemáticamente la potencia eléctrica es:
P = E/t donde P es la potencia eléctrica, E es la energía eléctrica (generada o disipada) y t es el
tiempo que tarda en disiparse o generarse esta energía eléctrica.
9.1. POTENCIA EN CORRIENTE CONTINUA
Cuando se trata de corriente continua (CC) la potencia eléctrica desarrollada en un cierto
instante por un dispositivo de dos terminales, es el producto de la diferencia de
potencial entre dichos terminales y la intensidad de corriente que pasa a través del dispositivo.
Por esta razón la potencia es proporcional a la corriente y a la tensión. Esto es
P = W/t
Donde W es la energía.
W= U*I*t
Entonces
P= U*I*t/t
Simplificando el tiempo queda.
P=U*I
Donde I es el valor instantáneo de la corriente y V es el valor instantáneo del voltaje. Si I se
expresa en amperios y V en voltios, P estará expresada en watts (vatios). Igual definición se
aplica cuando se consideran valores promedio para I, U y P.
Cuando el dispositivo es una resistencia de valor R o se puede calcular la resistencia
equivalente del dispositivo, la potencia también puede calcularse como,
P = R * I2 = U2 / R
9.2. POTENCIA EN CORRIENTE ALTERNA
El cálculo de la potencia eléctrica en circuito de corriente alterna se hace más complejo
debido al desfase que provocan ciertos consumidores entre la corriente y la tensión.
Por esto cuando se trata de corriente alterna (AC) sinusoidal, el promedio de potencia
eléctrica desarrollada por un dispositivo de dos terminales es una función de los valores
eficaces o valores cuadráticos medios, de la diferencia de potencial entre los terminales y de la
intensidad de corriente que pasa a través del dispositivo.
Si a un circuito se aplica una tensión sinusoidal V(t) con velocidad angular w y valor de pico V0
de forma que. V(t) = V0 * sen(wt)
Esto provocará, en el caso de un circuito de carácter inductivo (caso más común),
una corriente I(t) desfasada un ángulo Ø respecto de la tensión aplicada.
I(t) = I0 * sen (wt - Ø)
Para el caso puramente resistivo, se puede tomar el ángulo de desfase como cero. La potencia
instantánea vendrá dada como el producto de las expresiones anteriores:
P(t) = V0 * I0 * sen (wt) * sin (wt - Ø)
Aplicando trigonometría, la expresión anterior puede transformarse en la siguiente:
P(t) = U0 * I0 *
Sustituyendo los valores del pico por los eficaces:
P(t) = V * I cos(Ø) – V * I cos(2wt - Ø)
Se obtiene así para la potencia un valor constante, V * I cos(Ø) y otro variable con el tiempo V
* I cos(2wt - Ø) , al primer valor se le denomina potencia activa y al segundo potencia
fluctuante.
Tanto en los circuito inductivos como capacitivos la corriente se desfasa de la tensión en
ángulo Ø esto provoca que aparezcan componentes activos y reactivos en la corriente eléctrica
y que la corriente total o aparente del circuito sea la suma vectorial de ambos componentes,
algo muy similar sucede con la potencia eléctrica del circuito.
La figura muestra el comportamiento de la tensión y la corriente en circuitos inductivos y
capacitivos, aquí se puede apreciar que el componente activo de la corriente se encuentra en
fase con la tensión y el componente reactivo se encuentra en cuadratura con ella.
Los valores de estas componentes pueden ser calculados de la siguiente forma.
Ia = I * cos Ø
Ir = I* sen Ø
El surgimiento de una componente activa y reactiva en la corriente, provoca que la potencia se
comporte de igual modo dando lugar a que en los circuitos de corriente alterna aparezcan tres
tipos de potencia.
Potencia total o aparente que se representa con la letra S.
Potencia reactiva que se representa con la letra Q.
Potencia activa que se representa con la letra P.
Potencia aparente o total
La potencia aparente (S), llamada también "potencia total", es el resultado de la suma
geométrica de las potencias activa y reactiva. Esta potencia es la que realmente suministra una
planta eléctrica cuando se encuentra funcionando al vacío, es decir, sin ningún tipo de carga
conectada, mientras que la potencia que consumen las cargas conectadas al circuito eléctrico
es potencia activa (P).
La potencia aparente se representa con la letra “S” y su unidad de medida es el voltampere (VA). La fórmula matemática para hallar el valor de este tipo de potencia es la
siguiente:
S=V*I
Donde:
S = Potencia aparente o total, expresada en volt-ampere (VA)
V = Voltaje de la corriente, expresado en volt
I = Intensidad de la corriente eléctrica, expresada en ampere (A)
Potencia activa
Es la potencia en que el proceso de transformación de la energía eléctrica se
aprovecha como trabajo útil, los diferentes dispositivos eléctricos existentes convierten la
energía eléctrica en otras formas de energía tales como: mecánica, lumínica, térmica, química,
etc. Está dado por un numero real “La intensidad y la tensión en una resistencia por ejemplo
un calefactor, conectada en un circuito de corriente alterna tienen la misma fase. La curva de
potencia activa es siempre positiva.”
Cuando se conecta una resistencia (R) o carga resistiva en un circuito de corriente alterna, el
trabajo útil que genera dicha carga determinará la potencia activa que tendrá que
proporcionar la fuente de fuerza electromotriz (FEM). La potencia activa se representa por
medio de la letra (P) y su unidad de medida es el watt (W).
Los múltiplos más utilizados del watt son: el kilowatt (kW) y el megawatt (MW) y los
submúltiplos, el miliwatt (mW) y el microwatt ( W).
La fórmula matemática para hallar la potencia activa que consume un equipo eléctrico
cualquiera cuando se encuentra conectado a un circuito monofásico de corriente alterna es la
siguiente:
P = I * U cos ϕ
Donde:
V = Voltaje de la corriente, expresado en volt
I = Intensidad de la corriente eléctrica, expresada en ampere (A)
cos ϕ = cos del ángulo o factor de potencia.
Potencia reactiva
Potencia disipada por las cargas reactivas (Bobinas o inductores y capacitores o
condensadores). Se pone de manifiesto cuando existe un trasiego de energía entre los
receptores y la fuente, provoca pérdidas en los conductores, caídas de tensión en lo mismos, y
un consumo de energía suplementario que no es aprovechable directamente por los
receptores. Como está conformada por bobinas y capacitores es importante saber que las
bobinas se toman positivas y los condensadores negativos. Estos se pueden sumar
algebraicamente.
Generalmente está asociada a los campos magnéticos internos de los motores y
transformadores. Se mide en KVAr. Como esta energía provoca sobrecarga en las líneas
transformadoras y generadoras, sin producir un trabajo útil, es necesario neutralizarla o
compensarla.
La potencia reactiva está en el eje imaginario Y y la activa en el eje real X, por lo cual
forma un triángulo rectángulo cuya magnitud de la hipotenusa es denominado potencia
"aparente".
La potencia reactiva o inductiva no proporciona ningún tipo de trabajo útil, pero los
dispositivos que poseen enrollados de alambre de cobre requieren ese tipo de potencia para
poder producir el campo magnético con el cual funcionan. La unidad de medida de la potencia
reactiva es el volt-ampere reactivo(VAR). Está dada por números imaginarios.
La fórmula matemática para hallar la potencia reactiva de un circuito eléctrico es la siguiente:
Q = I * U Senϕ
Donde:
V = Voltaje de la corriente, expresado en volt
I = Intensidad de la corriente eléctrica, expresada en ampere (A)
sen ϕ = seno del ángulo.
A modo de resumen
10. MAGNETISMO Y ELECTROMAGNETISMO
El magnetismo tiene que ver con fenómenos de atracción y repulsión que se dan en
los imanes y con los materiales ferromagnéticos.
El electromagnetismo tiene que ver con fenómenos magnéticos que aparecen cuando
los conductores y bobinas son recorridos por una corriente eléctrica.
10.1.
IMANES. ELECTROIMANES
10.1.1. IMANES
Un imán es un objeto capaz de atraer objetos elaborados con metales. A estos materiales
se les llama materiales ferromagnéticos como el hierro, el acero, el cobalto o el Níquel
Polos de un imán
Los polos de un imán son las dos partes
del imán que atraen con más intensidad a los
objetos metálicos colocados cerca. Se llaman
polo norte y polo sur y se abrevian como N y S.
separados por una línea denominada línea
neutra.
En un imán con forma de barra, los polos están situados en los dos extremos del imán.
Si enfrentamos dos polos diferentes, los imanes se atraen.
Si enfrentamos dos polos iguales, los imanes se separan.
Clases de imanes
Existen dos clases de imanes:
• Imanes Naturales que son los que ese encuentran en la naturaleza como la Magnetita.
• Imanes Artificiales que son los creados por el hombre. Dentro de estos están
 Temporales => Hierro puro.
 Permanentes => Acero.
Aplicaciones
- Separadores magnéticos de no magnéticos. - Dinamos, micrófonos, altavoces, aparatos de
medida analógicos
10.1.1. TEORÍA MOLECULAR DE LOS IMANES.
Si rompemos un imán en dos, las dos partes resultantes son dos imanes completos con
sus polos correspondientes. Si volviésemos a romper una de estas partes obtendríamos otros
dos nuevos imanes. Este proceso se puede repetir multitud de veces, hasta alcanzar lo que
vendremos a llamar molécula
magnética.
Todos los elementos
ferromagnéticos
están
compuestos por MOLÉCULAS
MAGNÉTICAS. En un imán las
Moléculas Magnéticas están
perfectamente orientadas. Un trozo de hierro sin imantar está compuesto por Moléculas
Magnéticas desorientadas.
En el caso de los imanes permanentes, aparece una especie de rozamiento interno
entre las moléculas que dificulta el retorno al estado inicial una vez orientadas y magnetizadas.
Al contrario, en los imanes temporales las moléculas magnéticas se ordenan y
desordenan con facilidad, en función de la influencia ejercida por la acción de un campo
magnético externo al mismo.
10.1.2. CAMPO MAGNÉTICO DE UN IMÁN.
Zona del espacio, próximo al imán, en el cual son apreciables los fenómenos magnéticos
originados por dicho imán. El campo magnético de un imán es más intenso en unas partes que
otras. Adquiere su máxima intensidad en los polos, disminuyendo paulatinamente según nos
alejamos de ellos. A estas cadenas se las conoce por el
nombre de líneas de fuerza del campo magnético.
Las líneas de Fuerza: Representan la forma del
campo magnético. Salen del polo norte y entran por el sur.
En el interior del imán van de sur a norte.
Si acercamos dos imanes por los polos, los polos
opuestos se atraen y los mismos polos se repelen.
10.2.
ELECTROMAGNETISMO
Los imanes producen un campo magnético considerable, pero para ciertas aplicaciones
éste resulta todavía muy débil. Para conseguir campos más intensos utilizaremos bobinas
fabricadas con conductores eléctricos, que al ser recorridos por una corriente eléctrica
desarrollan campos magnéticos, cuya intensidad depende fundamentalmente de la intensidad
de la corriente y del número de espiras de la bobina.
Cuando un conductor es atravesado por una corriente eléctrica, a su alrededor
aparece un campo magnético. Las líneas de fuerza toman la forma de círculos concéntricos que
se cierran a lo largo de todo el conductor.
Regla del sacacorchos o de Maxwell.
Si situamos varias agujas imantadas alrededor del conductor, podremos observar que
su orientación depende del sentido de la corriente. El sentido de las líneas de fuerza es el que
indicará el giro de un sacacorchos que avance en el mismo sentido que la corriente. A más
intensidad de corriente, más intensidad de campo.
10.2.1. CAMPO MAGNÉTICO EN UN CONDUCTOR EN ANILLO.
Un conductor recto produce un campo magnético muy disperso y, por tanto, muy
débil. La forma de conseguir que el
campo magnético sea más fuerte es
disponer el conductor en forma de
anillo El sentido de las líneas de fuerza
de una parte del conductor se suma a la
del otro, para formar un campo
magnético mucho más intenso en el
centro de la espira.
10.2.2. CAMPO MAGNÉTICO FORMADO POR UNA BOBINA.
El campo magnético de cada espira se suma al de la siguiente, concentrándose éste en
el centro de la misma.
El campo resultante es uniforme en el centro de la
misma y mucho más intenso que en el exterior.
En los extremos de la bobina se forman los
polos magnéticos. El Polo Norte es por donde salen las
líneas de fuerza. El Polo Sur es por donde entran las
líneas de fuerza.
10.2.3. MAGNITUDES MAGNÉTICAS.
Flujo magnético (Ф)
El campo magnético se representa a través de las líneas de fuerza. La cantidad de
estas líneas se denomina flujo magnético. Se mide en Weber (Wb)
Inducción magnética (B)
Se define como la cantidad de líneas de fuerza que atraviesan perpendicularmente la
unidad de superficie. Indica lo concentradas que están las líneas de fuerza en una parte del
campo magnético. Se mide en Tesla (T)
Fuerza magnetomotriz (F)
Capacidad que posee una bobina de generar líneas de fuerza en un circuito magnético.
F=N·I
Se mide en amperios-vuelta (AV)
Donde:
N = Número de espiras
I = Intensidad de corriente (A)
Intensidad de campo magnético (H)
Indica lo intenso que es el campo magnético
H = N.I/L
Se mide en (AV/m)
Donde:
N = Número de vueltas de la bobina
I = Intensidad de la corriente (A)
L = Longitud de la bobina (m).
Permeabilidad magética (µ)
Cuando se introduce en el núcleo de una bobina una sustancia ferromagnética, se aprecia un
notable aumento de las propiedades ferromagnéticas de dicha bobina.
10.3.
ELECTROIMANES.
Consiste en un núcleo de hierro
rodeado de una bobina, que se imanta a
voluntad cuando hacemos pasar una corriente
eléctrica, y se desimanta en el momento en
que interrumpimos esta corriente.
Los electroimanes son fabricados en gran
escala cada vez más perfectos y sofisticados
permitiendo la creación e innovación de una serie de artefactos que desarrollan un trabajo
satisfaciendo así las necesidades humanas, entre estas aplicaciones tenemos:
1.
2.
3.
4.
5.
En la químicas: Es un hecho conocido que los campos magnéticos pueden cambiar las
reacciones químicas y ser utilizados en la catálisis.
Médicina: Se han aplicado campos magnéticos para arreglar arterias, sacar tumores y para
sanar aneurismas sin cirugía. También se estudia la influencia de los campos magnéticos
en las funciones vitales del cuerpo humano
Producción de energía: Corriente alterna Hoy día se produce en gran escala la energía
eléctrica, siendo una de las más importantes aplicaciones de los campos magnéticos a
través de los generadores electromagnéticos, que producen energía eléctrica por la
transformación de energía mecánica aplicada a un conductor que se mueve en el campo
magnético de un inductor En esta forma, la energía mecánica se transforma en energía
eléctrica. Un inductor llamado también bobina es un artefacto que reacciona contra los
cambios bruscos de la corriente que circula a través de él, generando un voltaje que se
opone al voltaje aplicado y es proporcional al cambio
de la corriente.
Separación
magnética: Ésta
se
aplica
comercialmente
para
separar
materiales
paramagnéticos y materiales ferromagnéticos: en la
industria del caolín, para separar sustancias
magnéticas de la arcilla; para la limpieza mag nética
selectiva del carbón, o sea, separar sustancias
minerales de sustancias orgánicas.
Limpieza de aguas contaminadas: Por medio de c
ampos magnéticos se pueden separar las impurezas
que al estar disueltas en agua quedan ionizadas y al
fluir a través de un campo magnético pueden ser
desviadas por éste y ser apartadas del agua.
6. Aceleradores de mucha energía: Se han podido desarrollar electroimanes dipolares y
cuadrupolares oscilantes de materiales superconductores, capaces de generar los campos
magnéticos más intensos de la historia
para su utilización en aceleradores de
partículas de energía muy grandes.
7. Construcciòn de motores eléctricos: es
una máquina eléctrica que transforma
energía eléctrica en energía mecánica por
medio
de
interacciones
electromagnéticas. Algunos de los
motores eléctricos son reversibles, es
decir, pueden transformar energía
mecánica
en
energía
eléctrica
funcionando como generadores.
10.4.
CONTACTORES Y RELÉS
Los relés y los contactores son componentes parecidos y que realizan funciones
similares pero con una diferencia esencial y que es necesario conocer.
Tanto los contactores como los relés son elementos que existen en prácticamente
cualquier máquina, automatismo o instalación. Por tanto son de especial importancia ya que
seguro que nos los hemos encontrado o nos los vamos a encontrar en prácticamente cualquier
automatismo o mantenimiento de máquina.
Los relés y los contactores son equipos parecidos a un interruptor (por ejemplo el que
activa la iluminación) con la diferencia de que los interruptores son comandados por la mano
del usuario y los relés y contactores son comandados por una tensión. Por tanto un relé o un
contactor es un interruptor automático; con él podemos realizar diversas combinaciones y sus
aplicaciones son múltiples. Las clases y características de los relés varían según la función a
realizar y fabricante
Tanto los relés como los contactores hacen la misma función (abrir y cerrar contactos), pero
para distintas potencias, es decir hay que saber diferenciar entre relé y contactor.
Básicamente los relés son para comandar pequeñas potencias o potencias de control,
por tanto están en los circuitos de control o en circuitos cuyas cargas (motores, equipos
consumidores en general) son de pequeñas potencias. Suelen representarse por la letra R.
Si el receptor que tiene que gobernar
el relé tiene un consumo elevado, este tiene que
tener unas características especiales para soportar
los altos valores del receptor (Intensidad, Potencia,
tensión…), en este caso ya no hablamos de relé; nos
referimos al contactor.
Un contactor es de constitución parecida a la
del relé pero tiene la capacidad de soportar grandes
cargas en sus contactos principales, aunque
la tensión de alimentación de su bobina sea pequeña.
Por el contrario los contactores son relés que disponen de contactos de potencia, es
decir contactos que tienen la capacidad de abrir y cerrar contactos por los que circula mayor
intensidad. Suelen representarse por la letra K.
En resumen los relés se utilizan para pequeñas potencias y los contactores para potencias
mayores. Por tanto los relés se suelen utilizar como dispositivos de maniobra para el mando.
Pero el principio de funcionamiento es el mismo, ambos constan una bobina y unos contactos,
que pueden estar abiertos o cerrados, y que hacen de interruptores apertura y de cierre de la
corriente en el circuito.
La bobina es un electroimán que acciona los contactos, abriendo los cerrados y
cerrando los contacto abiertos. Cuando le deja de llegar corriente a la bobina los contactos
vuelven a su estado de reposo.
Aquí vemos un contactor real y el símbolo que se utiliza para los circuitos:
10.5.
TRANSFORMADORES
Un transformador es una máquina estática de corriente alterna, que permite variar
alguna función de la corriente como el voltaje o la intensidad, manteniendo la frecuencia y la
potencia, en el caso de un transformador ideal.
Para lograrlo, transforma la electricidad que le llega al devanado de entrada
en magnetismo para volver a transformarla en electricidad, en las condiciones deseadas, en el
devanado secundario.
La importancia de los transformadores, se debe a que, gracias a ellos, ha sido posible el
desarrollo de la industria eléctrica. Su utilización hizo posible la realización práctica y
económica del transporte de energía eléctrica a grandes distancias.
Los transformadores se basan en la inducción electromagnética . Al aplicar una fuerza
electromotriz en el devanado primario, es decir una tensión, se origina un flujo magnético en
el núcleo de hierro. Este flujo viajará desde el devanado primario hasta el secundario. Con su
movimiento originará una fuerza electromagnética en el devanado secundario.
Según la Ley de Lenz, necesitamos que la corriente sea alterna para que se produzca
esta variación de flujo. En el caso de corriente continua el transformador no se puede utilizar.
La relación de transformación del transformador eléctrico
Una vez entendido el funcionamiento del transformador vamos a observar cuál es la
relación de transformación de este elemento.
Donde N p es el número de vueltas del devanado del primario, N s el número de vueltas del
secundario, V p la tensión aplicada en el primario, V s la obtenida en el secundario,
I s la intensidad que llega al primario, I p la generada por el secundario y r t la relación de
transformación.
Como observamos en este ejemplo si queremos ampliar la tensión en el secundario tenemos
que poner más vueltas en el secundario (N s), pasa lo contrario si queremos reducir la tensión
del secundario.
Aplicaciones de los transformadores
Los transformadores son elementos muy utilizados en la red eléctrica.
Una vez generada la electricidad en el generador de las centrales, y antes de enviarla a la red,
se utilizan los transformadores elevadores para elevar la tensión y reducir así las pérdidas en el
transporte producidas por el efecto Joule. Una vez transportada se utilizan los
transformadores reductores para darle a esta electricidad unos valores con los que podamos
trabajar.
Los transformadores también son usados por la mayoría de electrodomésticos y aparatos
electrónicos, ya que estos trabajan, normalmente, a tensiones de un valor inferior al
suministrado por la red
Por último hacer mención a que uno de los elementos de seguridad eléctrica del hogar utiliza
transformadores. Se trata del diferencial . Este dispositivo utiliza transformadores para
comparar la intensidad que entra con la que sale del hogar. Si la diferencia entre estos es
mayor a 10 mA desconecta el circuito evitando que podamos sufrir lesiones.