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Conceptos Fundamentales de la Conceptos Fundamentales de la ElectricidadElectricidad

Unidad 01Unidad 01

Fundamentos de ElectrotecniaFundamentos de Electrotecnia

• Conceptos fundamentales de electricidad

• Tension,corriente,Resistencia

• Leyes fundamentales de la electricidad• Ley de Ohm

• Leyes de Kirchhoff

• Circuitos de corriente continua

Serie,paralelo,mixto• Circuitos de corriente alterna: RC,RL,RLC

Parámetros Eléctricos

Potencia Eléctrica

Energia electrica.Eficienia eléctrica

Circuitos trifasicos: simetricos y asimetricosU01 Conceptos Fundamentales de la Electricidad 2

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INTRODUCCIÓNLa electricidad es una de las formas de energía que mas ventajas y comodidades aporta a los seres humanos en la actualidad. Con ella conseguimos que funcionen, entre otras, las siguientes aplicaciones:Luz con lámparas eléctricas, calor con cocinas, hornos y calefacciones, frío con frigoríficos y equipos de aire acondicionado; fuerza motriz con motores (ascensores, vehículos eléctricos, electrodomésticos, etc.), y muchas mas aplicaciones que con el paso de los años aparecerán.

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Conocer los conceptos fundamentales de la electricidad.

Conocer las diversas formas de generación de tensión eléctrica

Comprender las diferencias entre tensión continua y alterna

OBJETIVOS

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Es una manifestación física que tiene que ver con las modificaciones que se dan en las partes mas pequeñas de la materia, en los átomos y más concretamente en el electrón.

El estudio del movimiento electrónico explica muchos fenómenos en la naturaleza.

De hecho el término “electricidad” viene de la palabra “electrón”.

ELECTRICIDAD

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EL ÁTOMO

En el núcleo se encuentran los protones y neutrones. En la corteza se encuentran los electrones, recorriendo trayectorias circulares o elípticas (órbitas).

Todo átomo tiene un número de protones igual al número de electrones.

Los electrones de la última orbita forman los electrones de valencia.

En física y química, átomo (Del latínatomum, y éste del griego άτομον, indivisible) es la unidad más pequeña de un elemento químico que mantiene su identidad o sus propiedades, y que no es posible dividir mediante procesos químicos.

El átomo es la partícula mas pequeña de un elemento que aún mantiene las propiedades químicas de éste.A la combinación de dos o más átomos iguales o diferentes se le denomina: molécula.

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La diferencia entre uno y otro elemento radica, básicamente, en la cantidad de protones y electrones que tenga el átomo en el núcleo y en las órbitas, respectivamente.

HidrógenoHidrógeno CarbonoCarbono CobreCobre

1 protón1 protón 6 protones6 protones 29 protones29 protones

1 electrón1 electrón 6 electrones6 electrones 29 electrones29 electrones

EL ÁTOMO

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ESTRUCTURA ATÓMICAEl núcleo positivo atrae a los electrones orbitales, pero estos no caen al núcleo debido a la fuerza centrifuga (hacia fuera) creada por su movimiento orbital y el electrón está en equilibrio.

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La fuerza centrífuga es más débil en los electrones de las orbitas más alejadas del centro.El cobre tiene un electrón de valencia, que puede ser arrancado de la órbita por una débil fuerza, esto hace que sea buen conductor.Los mejores conductores son el cobre, el oro y la plata por que tienen un único electrón de valencia.

EL ÁTOMO

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+ + (Repulsión)

Protón Protón

- - (Repulsión)

Electrón Electrón

+ - (Atracción)

Protón Electrón

CARGA ELECTRICATodo objeto cuyo número de electrones sea distinto al de protones tiene carga eléctrica. Si tiene más electrones que protones la cargaes negativa. Si tiene menos electrones que protones, la carga es positiva.Cargas eléctricas de distinto signo se atraen y cargas eléctricas de igual signo se repelen.

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COMO SE CARGAN LOS CUERPOS?

Carga por Fricción.La fricción como ya se sabe, trae muchas cosas por descubrir una de ellas es la transferencia de electrones de un material a otro, nos podemos dar cuenta de esto cuando nos peinamos o acariciamos un gato.

Hay materiales que mediante la fricción quedan electrizados durante un tiempo, y esto es por la transferencia de electrones de un cuerpo a otro.

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CARGA ELÉCTRICA

• Si el número de protones de un átomo es igual al número de electrones, la carga neta del átomo es: cero. (cuerpo neutro)

• Entonces, para cargar eléctricamente un cuerpo habría que agregar o retirar electrones de las últimas órbitas de sus átomos.

• Si agregamos electrones, el átomo se cargará negativamente.

• Si retiramos electrones, el átomo se cargará positivamente,suponiendo que el átomo, inicialmente, es neutro.

• La unidad de la carga eléctrica es el “Coulombio” (C), en el que 1 C = 6.3x1018 electrones. Es decir un exceso o defecto de 6 trillones de electrones.

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• Un cuerpo con carga positiva y otro con carga negativa generarán una diferencia de carga eléctrica.

• Si estos cuerpos se unen con un conductor eléctrico, el exceso de electrones de uno será atraído por el defecto de electrones del otro (carga positiva) hasta que se establezca un equilibrio.

• A través del conductor aparece una circulación de electrones que va del polo negativo al positivo, este movimiento de electrones se denomina corriente eléctrica.

MOVIMIENTO ELECTRÓNICO

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Una fuente de tensión tiene por misión separar cargas eléctricas en dos bornes.

++

- -

Norma IEC Norma NEMA

U E

Símbolos de fuentes de tensión

Unidad ……… V(voltio)

TENSIÓN ELÉCTRICA

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SIGLAS SIGNIFICADO DE LAS SIGLAS

UNE Unificación Normas Españolas, organismo español de publicación de normas.

IEC International Electrotechnical Commission. En esta comisión participan y colaboran las principales naciones industrializadas. Las recomendaciones que hace la IEC son tomadas en parte o totalmente por las diferentes comisiones nacionales.

DIN Deutsche Industrienormen. Normas alemanas para la industria.

UTE Union Technique de I’Electricité. Asociación electrónica francesa.

BS British Standard. Normalización inglesa, que acoge en gran parte las normas IEC.

ANSI American National Standards Institute. Instituto de normalización nacional de USA.

NEMA National Electrical Manufactures Association. Asociación de fabricantes de productos electrotécnicos de USA.

SEV Schweizerischer Elektrotechnischer Verein. Entidad electrónica suiza.

NF Normas francesas.

IS Indian Standard. Prescripciones indias unificadas en gran parte con IEC.

JIS Japonese Industrial Standard. Prescripciones japonesas.

CEE International Comission on Rules for the Approval of Electrical Equipment. Prescripciones internacionales preferentemente para aparatos de instalación de baja tensión hasta 63ª.

AS Australian Standard. Prescripciones australianas unificadas en gran parte con IEC.

CSA Canadian Standard Association. Asociación para la normalización en Canadá.


Múltiplos

KV = 103 V MV = 106 V

Submúltiplos

mV = 10-3 V µV = 10-6 V nV = 10-9 V pV = 10-12 V

UNIDADES DE TENSION ELECTRICA


• Tensión por frotamiento Al frotar materiales plásticos se obtiene un desequilibrio de cargas

FORMAS DE OBTENER TENSIÓN ELECTRICA

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Las nubes, empujadas por el viento, se cargan eléctricamente, hasta tal punto que deben descargarse para neutralizar este exceso. Este fenómeno natural es el rayo.

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b) Tensión por inducción magnéticaLa diferencia de cargas se obtienen al mover una bobina en un campo magnético o al mover un imán en una bobina fija.


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c) Tensión por presión

Al variar la presión o la tracción aparece una diferencia de cargas entre las superficies de determinados cristales (por ejemplo, cuarzo). El valor de la diferencia de cargas depende de la intensidad del esfuerzo exterior.


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d) Tensión por calor

Al calentar el punto de contacto de dos metales (Termocupla) diferentes aparece una pequeña tensión.

++ -


24

Termómetros digitales Termocupla o Termopar

Estos termómetros miden la temperatura en el punto de conexión de dos alambres finos colocados en la punta de la sonda.

http://www.pueblo.gsa.gov/cic_text/food/therm/thermo.jpg

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e) Tensión por luz:

Célula fotovoltaica

Cuando la luz incide sobre determinados materiales (silicio, germanio) provoca una separación de cargas.


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Las células fotovoltaicas convierten la luz solar directamente en electricidad. Éstas células, también llamadas células solares, normalmente están hechas de silicio, cuya materia prima es arena. Un pedazo de semiconductor fino recibe un tratamiento especial para que forme un campo eléctrico, positivo en un lado y negativo en el otro. Cuando la energía luminosa del sol llega a la célula, se liberan los electrones de los átomos en el material semiconductor, lo cual crea una corriente eléctrica. Usualmente, cada célula puede generar aproximadamente 1 vatio de electricidad.

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f) Tensión por procesos químicos

Cuando se sumergen dos conductores diferentes en un líquido conductor también se produce una separación de cargas, fenómeno que se utiliza en todas las fuentes de tensión electroquímicas.


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FORMAS DE CONECTAR LAS PILAS ELECTRICAS..

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TIPOS DE TENSIONa) Tensión Continua (DC):

Es aquella en la que su polaridad no cambia en el tiempo y su magnitud permanece constante

Símbolo :_______

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b) Tensión Alterna (AC):

Es aquella en la que su polaridad varia con el tiempo y su magnitud es variable.

Símbolo:

TIPOS DE TENSION

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c) Tensión Mixta:

Es la suma de las dos anteriores. Su magnitud no es constante, oscilando alrededor de un valor medio.

Símbolo:

TIPOS DE TENSION


POTENCIAL ELECTRICOEs la tensión de un punto respecto de otro “referencia” o “tierra”. Y la diferencia de potencial entre dos puntos es la diferencia aritmética entre el punto de mayor potencial menos el punto de menor potencial.

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Potencial (V)

0

+10+20

+30

-10

-20-30

20V

20V

30V 10V

60V30V

POTENCIAL ELECTRICO


CIRCUITO ELECTRICO:

Carga o

receptor+

-

Fuente de tensión

interruptor

Conductor

Se define como un conjunto de elementos conductores que forman un camino cerrado (malla) por el cual circula una corriente eléctrica.

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38

39

Intensidad de corriente

La intensidad de corriente eléctrica es la cantidad de carga que circula por segundo a través de una sección del conductor.

Intensidad de corriente = Cantidad de carga Tiempo de circulación

Símbolo ………………… I

Unidad ……………….. A (Amperio)

KA (kiloamperio) = 1 000 A

mA (miliamperio) = 0.001A

t

causa efectoproduce

tensión corriente

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TIPOS DE CORRIENTEa) Corriente Continua (DC):

Es aquella en la que su magnitud permanece constante con el tiempo y su valor permanece constante

IDC(A)

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b) Corriente Alterna (AC):

Es aquella en la que su sentido de movimiento varia con el tiempo y su magnitud es variable.

iAC(a)

+ +- -

t(s)

TIPOS DE CORRIENTE


MEDICION DE LA TENSION ELECTRICAEl instrumento que mide tensión es el:

VSímbolo del voltímetro

Esquema eléctrico para medir tensión

voltímetro

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44

Unidades de Prefijo en Ingeniería

PrefijoPrefijo AbreviaciónAbreviación ValorValor

TeraTera TT 10101212

GigaGiga GG 101099

MegaMega MM 101066

KiloKilo kk 101033

(nada)(nada) 101000

MiliMili mm 1010-3-3

MicroMicro µµ 1010-6-6

NanoNano nn 1010-9-9

PicoPico pp 1010-12-12

FemptoFempto ff 1010-15-15

AttoAtto aa 1010-18-18


a) Una destrucción de electrones.b) Una marcha de electrones de sus átomos.c) Un intercambio de electrones entre átomos.

Marque la alternativa correcta.

1. La electricidad es:

a) Gran resistencia al paso de los electrones.b) Una desviación en el camino de los electrones.c) Poca resistencia al paso de los electrones.

2. Un cuerpo aislante presenta:

3. La intensidad eléctrica es:

a) El paso de electrones por un conductor.b) La cantidad de electrones que pasan.c) Los electrones que circulan cada segundo.


4. ¿Cuántos mA hay en 2.5 A?

a) 25 mA.b) 250 mA.c) 2500 mA.

5. ¿Cuántos A hay en 25 mA?

a) 25000 A.b) 0.0025 A.c) 0.025 A.

a) 25000 mV.b) 0.025 mV.c) 2500000 mV.

6. ¿Cuántos mV hay en 2.5 KV?

a) 25000 KV.b) 0.025 KV.c) 25000 KV.

7. ¿Cuántos KV hay en 25 MV?

Tecsup 2010-II

U01 Conceptos Fundamentales de la Electricidad 47

Por un cable pasan 24 trillones de electrones en 2 segundos. Calcular la intensidad en A que pasa, si se supone que 1 culombio tiene 6 trillones de electrones.

Solución:

Por un conductor circulan 32 microamperios o millonésimas de amperio. ¿Cuántos culombios pasan en 2 segundos?

Solución:

Tecsup 2010-II


Calcular los mA que circulan por un cable conductor que es atravesado por 10 culombios en 2 segundos.

Solución:

Por un cable circulan 1.800 culombios en un tiempo de 3 minutos. Calcular la corriente eléctrica.

Solución:

Tecsup 2010-II



CORRIENTE

Y

RESISTENCIA ELECTRICA

Hernando Prada 51

•Describir los tipos de corriente y sus efectos.

•Analizar las magnitudes que afectan las resistencias eléctricas.

OBJETIVOS

Esta sesión aporta al logro del siguiente Resultado de la Carrera:

“Los estudiantes aplican matemáticas, ciencia y tecnología en el diseño, instalación, operación y mantenimiento de sistemas eléctricos”.

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INTENSIDAD DE CORRIENTEINTENSIDAD DE CORRIENTE

• DEFINICIÓN:

La corriente eléctrica de un conductor se define como la cantidad neta de carga que pasa por él, por unidad de tiempo, en cualquiera de sus puntos.

tQ

I∆∆=

Hernando Prada

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INTENSIDAD DE CORRIENTEINTENSIDAD DE CORRIENTE

Hernando Prada

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Intensidad de CorrienteIntensidad de Corriente

• La carga de un cuerpo se mide por el número de electrones que posee en exceso o por defecto, esta carga se expresa en Couloms(C).

• Un cuerpo tiene una carga de 1C si ganó o perdió 6.25*1018 electrones.

• De la relación anterior deducimos que un electrón tiene una carga de 1.6*10-19 C

Hernando Prada

55

• Calcular la intensidad de Corriente que circula por un conductor durante 16 segundos si han pasado por la seccion circular del conductor 2*1019 electrones

Rpta: 0.2 A

Ejemplo:Ejemplo:

Hernando Prada

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Hernando Prada

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UNIDADES Y MÚLTIPLOS:

Hernando Prada

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• Ordenes de Magnitud:

Hernando Prada

Hernando Prada 59

La corriente eléctrica es la circulación de cargas o electrones a través de un circuito eléctrico cerrado, que se mueven siempre del polo negativo al polo positivo de la fuente de suministro de fuerza electromotriz (FEM).

¿Qué provoca el movimiento de los electrones en un conductor?

Para que por un conductor circule una corriente eléctrica, es necesario que entre sus extremos haya una diferencia de carga eléctrica, de manera que los electrones circularán desde donde hay más cantidad hasta donde hay menos.

Circuito Eléctrico

Hernando Prada 60

Circuito Eléctrico y Circuito Hidráulico Cerrado

Hernando Prada 61

La corriente, al igual que el agua, circula a través de unos canales o tuberías; son los cables conductores y por ellos fluyen los electrones hacia los elementos consumidores.

Símil hidráulico:Diferencia de niveles de fluido:Diferencia de potencial

Flujo de agua:Corriente eléctrica

Bomba hidráulica:Fuente de voltaje


MEDICION DE LA CORRIENTE ELECTRICA

Esquema eléctrico para medir corriente

El instrumento que mide corriente es el Amperímetro

Símbolo: A

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Hernando Prada 64

Sentido de la Corriente Eléctrica

El sentido de la corriente en el interior de la fuente de tensión, es del borne positivo al borne negativo, este es el verdadero sentido de la corriente, llamado sentido real o sentido electrónico.

Hernando Prada 65


Hernando Prada 66


Sin embargo, asumimos que el sentido de la corriente es el contrario al sentido verdadero, a esto se conoce como sentido técnico de la corriente.

En el presente curso asumiremos que la corriente circula en el sentido técnico.

Hernando Prada 67

Efectos de la corriente eléctrica

•Efecto calorífico

•Efecto luminoso

•Efecto químico

•Efecto fisiológico

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Hernando Prada 69

La Resistencia depende de:

1.- La sección del conductor

2.- La longitud del conductor

Mayor área ===>Menor Resistencia

Menor área ===>Mayor Resistencia


“La resistencia eléctrica es la mayor o menor oposición que ofrecen los cuerpos Conductores al paso de la corriente eléctrica”

La resistencia de un conductor aumenta con su longitud

Hernando Prada 70

3. La resistividad

La resistividad de un conductor o la resistencia eléctrica especifica, es una característica propia de cada elemento o material y se define como la resistencia de un conductor de un metro de longitud y un m2 de sección.

Hernando Prada 71

3.- La resistividad depende del material

Algunas resistividades…

Hernando Prada 72

De lo visto anteriormente podemos relacionar lo siguiente:

Hernando Prada 73

Definimos la resistencia eléctrica como la oposición que ejerce un material al paso de la corriente eléctrica.


representación

Símbolo: R

Unidad:

Ω (Ohmio)

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Medición de la resistencia eléctrica

El instrumento que mide la resistencia eléctrica es el ohmímetro

Símbolo: Ω

Conexión para medir resistencia eléctrica

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Medición de resistencia eléctrica con el multimetro Analógico

Procedimiento

1. Gire el selector de función a la escala y posición de ohmios.

2. Cortocircuite (unir) las puntas de prueba para obtener cero ohmios.

3. Gire la perilla de ajuste de cero hasta obtener cero ohmios.

4. Conectar las puntas de prueba al resistor y leer los valores obtenidos.

5. Cada vez que cambie de escala poner a cero el ohmímetro.

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Prueba de continuidad

Si tenemos un ohmímetro, podemos realizar pruebas sencillas que nos determinen el estado de algunos dispositivos, aparatos o máquinas eléctricas.

Por ejemplo, necesitamos saber si la bobina de un motor está “abierta” o cerrada “, si un interruptor esta en ON (cerrado) o en OFF (abierto).

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VARIACION DE LA RESISTENCIA POR EFECTO DE LA TEMPERATURA

El calor es el movimiento de las moléculas o de los átomos. Por tanto al aumentar la oposición a la circulación de los electrones aumenta la resistencia.

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Formas de calentar un conductor

a) Calentamiento interno o propio: Producido por la circulación de corriente en un conductor (efecto joule)

b) Calentamiento externo o indirecto: Producido por influencia externa.

RF = Ri [1 + α ( TF - Ti ) ]

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Clasificación de las resistencias

Hernando Prada 80

Potenciómetros de ajuste (trimmer)

potenciómetros giratorios

Potenciómetro de cursor

Resistencia bobinadas Resistencias de película

Tipos de Resistencias

Fotorresistencias (LDR)

http://www.alibaba.com/catalog/11285760/Cds_Photoconductive_Cell_Photoresistor_LDR.html

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TiposTipos

Hernando Prada

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TiposTipos

Hernando Prada

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TiposTipos

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TiposTipos

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TiposTipos

Hernando Prada

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TiposTipos

Hernando Prada

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TiposTipos

Hernando Prada

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Códigos de identificación de resistencias eléctricas

1. Mediante letras y cifras

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Códigos de identificación de resistencias eléctricas

2. Mediante código de colores

Hernando Prada 90

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Rectangle 15

4 7 102 10%±

Primera banda & Segunda banda x tercera banda = valor nominal

4 7 100 = 4700

Valor nominal = 4700

Tolerancia = 10%

Valor máximo = 4700 +10 % de 4700 = 5170

Valor mínimo = 4700 – 10 % de 4700 = 4230

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ASOCIACION DE RESISTENCIAS

Resistencias en Serie

Se dice que varias resistencias están en serie cuando van conectadas unas detrás de otras.

RT = R1 + R2 + R3 + . . . Rn

La resistencia total será: 10 + 20 + 5 = 35 Ω.

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ASOCIACION DE RESISTENCIAS

Resistencias en Paralelo

Varias resistencias están en paralelo cuando tienen unidos los extremos en un mismo punto.

nTRRRRR11111

321

++++=

12

13

4

1

3

1

2

11 =++=TR

===>13

12=TR Ω

Hernando Prada 94

Hernando Prada 95

Hernando Prada 96

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EJERCICIOS

Un alambre de cobre de 800m y un área 8mm2 tiene una resistividad de 1.72x10-6 Ωmm2/m y otro alambre de aluminio de 950m de largo cuya resistividad es de 2.63x10-6 Ωmm2/cm. están conectados en serie ¿cual es la resistencia total del conductor? Si el alambre de aluminio tiene un diámetro de 3mm. (π = 3.1416)

Hernando Prada 98

EJERCICIOS

Calcular la resistencia equivalente del circuito mostrado

4 Ω

220V

6 Ω

4 Ω

4 Ω 2 Ω

25 Ω

16 Ω

9 Ω

7 Ω12 Ω9 Ω

27/6 Ω

5 Ω

I

Hernando Prada 99

• La resistencia final de un termómetro de platino es de 135Ω a 80ºC, hallar el valor de su resistencia inicial a 25ºC. coeficiente de temperatura de la resistencia de platino 0.00392 ºC-1.

• Un cable circular de cobre, de 1milímetro de diámetro tiene una resistividad de 0.0175Ω mm2/m y el valor de su resistencia es de 10 Ω. Calcular su longitud. (π=3.14)

• Calcular la resistencia equivalente del siguiente circuito

• Calcular la resistencia de un conductor de aluminio cuya longitud es de 42m y sección 1.55mm2,ρAl= 0.028 Ωxmm2/cm

Hernando Prada 100

MUCHAS GRACIAS