1 CONOCIMIENTOS BÁSICOS DE ELECTRICIDAD

ESTRUCTURA ATÓMICA DE LA MATERIA Todo aquello que tiene peso y ocupa espacio

ESTADOS DE LA MATERIA SÓLIDO LÍQUIDO GASEOSO

Materia, moléculas y átomos

MOLÉCULA La parte más pequeña de la materia que puede existir en estado libre conservando las mismas propiedades

ÁTOMOS (Del griego: sin división) Las moléculas están constituidas por átomos La menor partícula que es capaz de intervenir en una combinación química Estructura que forma la unidad básica de todo elemento

Tipos de moléculas Las moléculas pueden estar constituidas por Un átomo (Gases nobles y algunos metales preciosos) He, Ne, A, Kr, Xe, Rn Au, Ag Varios átomos Iguales (generalmente dos) O 2, N 2, H 2 DesigualesH 2 O, FeO 2, ClNa

Configuración del átomo El átomo es una especie de sistema solar constituido por una serie de partículas elementales fuertemente interrelacionad as entre sí

Modelo atómico de Bohr

Proporciones del átomo

Características de las partículas elementales NEUTRÓN1,6744 x Neutro PROTÓN1,6721 x ,602 x ELECTRÓN0,911 x ,602 x — PARTÍCULAMASA (gr) CARGA (Culombio) SIGNO Masa protón = Masa neutrón = Masa de e –

Características de los átomos Cargas eléctricas de igual signo se repelen y de distinto signo se atraen Un átomo eléctricamente neutro tiene igual nº de protones que de electrones Los electrones (e - ) son partículas elementales giran a gran velocidad alrededor del núcleo y son los causantes de todos los fenómenos eléctricos

Iones Ión POSITIVO Ha perdido electrones y en cómputo global de e – y protones hay un exceso de cargas positivas Ión NEGATIVO Ha ganado electrones y en cómputo global de e – y protones hay un exceso de cargas negativas Si un átomo (o grupo de átomos) pierde o gana uno o mas electrones se convierte en ion

Distribución de los electrones en el átomo Se distribuyen en la corteza del átomo en capas u órbitas a distintos niveles del núcleo, y en ellas caben un cierto número concreto de ellos

Modelo estratiforme del átomo

Nº máximo de electrones en cada nivel de energía CAPASSubcapasNº de e – Nº de e – total de la capa 1K1s22 2L 2s 2 8 2p 6 3M 3s p 6 3d 10 4N 4s p 6 4d 10 4f 14 5O 5s p 6 5d 10 6P 6s p 6 6d 4 7Q 7s 22

Distribución electrónica del átomo de aluminio

Características de los niveles de energía La atracción que ejerce el núcleo sobre los electrones es más débil según las capas sean mas alejadas El nivel exterior se denomina capa de valencia y contiene como máximo 8 e – (solo se pueden llenar las subcapas s y p)

Características de los niveles de energía Del nº de electrones alojados en la capa de valencia dependen las propiedades químicas y eléctricas del átomo Los e – de la capa de valencia son los que intervienen en los fenómenos eléctricos y químicos

Características de los niveles de energía Un átomo con 8 e – en la capa de valencia adquiere una configuración de estabilidad El penúltimo nivel no puede contener mas de 18 e – (llenan sus tres primeras subcapas: s,p, d)

Tipos de átomos según nº de electrones en la órbita de valencia Nº de electrones en la órbita de valencia Tendencia Se convierten en CaracterísticasEjemplos 1 Tienden a perderlosIones + Buenos conductores de la electricidad Cobre (Cu), Plata (Ag) 2Hierro (Fe) 3Aluminio (Al) 4 Indiferentemente tienden a ganar o perder 4e - Iones + ó -SemiconductoresSilicio (Si) 5 Tienden a ganar 3, 2 ó 1 electrón para completar la órbita Iones -Materiales aislantes Fósforo (P) 6Azufre (S) 7Iodo (I) 8Capa periférica completa y estableGases nobles Neon (Ne), Argón (A), Henón (Xe)

Cuerpos conductores Constituidos por átomos con 1, 2 ó 3 e – en la capa periférica Están ligados de forma débil al núcleo Tienen tendencia a perderlos y convertirse en iones positivos Se denominan electrones libres Pueden pasar del átomo en el que están a otro próximo

Cuerpos conductores El hueco que dejan puede ser ocupado por otro electrón libre El átomo que pierde un electrón libre, queda desequilibrado eléctricamente (con carga +) y atrae un electrón libre cercano El movimiento de electrones libres es desordenado, salvo que se aplique una fuerza eléctrica

Semi-conductores Tienen 4 e – en la capa periférica Se comportan como conductores en determinadas circunstancias y como aislantes en otras Los afectan factores como la luz, la temperatura, la composición química, etc. El tipo de comportamiento puede depender del tipo de impureza que contengan

Cuerpos aislantes Constituidos por átomos con 5, 6 ó 7 e – en la capa periférica Esos e – tienen poca movilidad salvo que se apliquen grandes fuerzas eléctricas Tienen tendencia a ganar e – para completar la capa y se convierten en iones positivos

Corriente eléctrica

“Corriente eléctrica es el movimiento ordenado de electrones a través de un conductor” En el conductor habrá siempre el mismo nº de electrones ya que si entra alguno por un extremo (el de potencial negativo) ha de salir otro por el extremo conectado a potencial positivo

Circuito eléctrico básico

Elementos de un circuito eléctrico Generador de corriente Receptor Interruptor Conductores

Generador de corriente Es capaz de crear un impulso electrónico que provocará una corriente eléctrica a través de un conductor Es algo que es capaz de producir fuerza electromotriz (f.e.m.) que producirá diferencia de potencial (d.d.p.)

Bornes de un generador POSITIVO: defecto de electrones NEGATIVO: exceso de electrones

Receptor La fuerza electromotriz es la energía eléctrica que se transforma en el interior de un receptor en: –Energía calorífica –Energía luminosa –Energía mecánica –Energía química

Interruptor El interruptor establece o no la continuidad del circuito dejando pasar la corriente o no

Conductores La unión entre generador y receptor se debe hacer a través de hilos de material conductor tanto desde el generador hasta el receptor como desde este al generador: Conductor de ida Conductor de vuelta

Circuito eléctrico en el automóvil

Corriente continua y alterna

Corriente continua (DC) La fuerza eléctrica se aplica de manera constante y en el mismo sentido Los electrones circulan ininterrumpidamente por el conductor y siempre en la misma dirección

Sentido de la corriente continua -+-+ Sentido real o electrónicoSentido técnico

Corriente alterna (AC) La fuerza eléctrica cambia constantemente de sentido Los electrones son empujados unas veces en un sentido y otras en sentido contrario 50 Hz (50 veces por seg.)

Magnitudes eléctricas fundamentales Carga eléctrica Intensidad de corriente Tensión Resistencia

Carga eléctrica ( q ) La carga eléctrica elemental es la carga del electrón Unidad de carga en el Sistema Internacional  Culombio ( C )

Intensidad de corriente

Intensidad de corriente ( I ) “Cantidad de electricidad (carga eléctrica) que circula por un conductor en la unidad de tiempo” Intensidad Carga eléctrica Tiempo

Unidades de intensidad Unidad de intensidad en el Sistema Internacional  Amperio ( A ) “1 Amperio es la corriente continua que al pasar por una disolución de nitrato de plata (NO 3 Ag) deposita 0, gramos de plata por cada segundo”

Submúltiplos miliamperio ( mA )  1 mA = 0,001 A microamperio (  A )  1  A = A

Aparatos de medida de intensidad Amperímetro Se debe instalar en serie intercalado en el circuito Galvanómetro Amperímetro muy sensible Pinza Amperimétrica Amperímetro que no necesita ser intercalado en el circuito A I

Amperio-hora De la ecuación de intensidad se deduce que la cantidad de electricidad que atraviesa un circuito es: amperio-hora es por tanto un múltiplo del culombio

Tensión

Tensión (E) o voltaje “ Fuerza de tipo eléctrico capaz de hacer circular los e - por un circuito de forma ordenada” El origen de la tensión está en los generadores de corriente, capaces de crear una diferencia de potencial entre sus bornes Al aplicar esta ddp a un circuito, se produce una circulación ordenada de cargas eléctricas y por tanto, una intensidad de corriente

Un generador eléctrico produce f.e.m. La f.e.m. crea una d.d.p. entre los bornes del generador La d.d.p. aplicada a un circuito provoca una corriente eléctrica

Potencial eléctrico Sentido convencional de la corriente: La corriente eléctrica va desde un punto con > potencial a otro de < potencial Sentido real Los e - se desplazan desde un punto con potencial – a otro con potencial +

Unidades de tensión (Sistema Internacional)Voltio(V) Múltiplos KilovoltioKV1 KV = 10 3 V MegavoltioMV1 MV = 10 6 V Submúltiplos MilivoltiomV1 mV = V Microvoltio VV1  V = V

Aparato de medida de tensión VOLTÍMETRO Mide la diferencia de potencial entre dos puntos de un circuito Se monta en derivación V V

Resistencia eléctrica (R) “Dificultad de un cuerpo para ser recorrido por la corriente eléctrica”

Unidades de resistencia Óhmio (  ) “Resistencia a 0 ºC de una columna de Hg de 1 mm 2 de sección y 106,6 cm de longitud” Múltiplos Kiloohmio KK 1 K  = 10 3  Megaohmio MM 1 M  = 10 6  Submúltiplos Miliohmio mm 1 m  =  Microohmio  1  = 

Resistencia de un conductor Resistencia (  ) Resistividad específica del material (Ω * mm 2 / m ) Longitud del conductor (m) Sección del conductor (mm 2 )

Resistividad específica de un material (ρ) (Letra griega, llamada rho) “La resistencia que presenta al paso de la corriente eléctrica un conductor de 1 metro (m) de longitud y una sección de 1 milímetro cuadrado (mm 2 ) fabricado con ese material”

A cerca de la resistividad Las aleaciones tienen mayor resistividad que los elementos en estado puro; las impurezas aumentan la resistividad La resistividad aumenta con la temperatura El Constantan es una aleación de Cobre y Níquel con una característica eléctrica interesante: su resistencia eléctrica prácticamente no sufre variaciones con la temperatura. Por ello se emplea para fabricar resistencias patrón

Aparato de medida de resistencia OHMETRO Mide la resistencia entre dos puntos de un circuito Se monta en derivación La medida ha de hacerse a circuito abierto 

Ley de Ohm

Ohm, Georg Simon Físico alemán (Erlangen 1789-Munich 1854). Enunció en 1827 las leyes fundamentales de las corrientes eléctricas e introdujo las nociones de cantidad de electricidad y de fuerza electromotriz

Ley de Ohm V R I Intensidad (Amperio) Tensión (Voltio) Resistencia (Ω)

Otras expresiones de la Ley de Ohm

Triángulo de Ohm E I R E I R E I R E I R

Definiciones de unidades AMPERIO “La intensidad que circula por un circuito que dispone de una d.d.p. de 1 voltio y tiene 1  de resistencia” VOLTIO “La tensión aplicada a una resistencia de 1  que produce una intensidad de corriente de 1 amperio”

Cortocircuito V R I Rc Resistencia de contacto

Agrupación en serie Varios componentes están conectados en serie cuando se disponen uno a continuación de otro

Características de una asociación en serie La intensidad es la misma para cada resistencia (la totalidad de la carga pasa por cada uno de ellos) La corriente al pasar por cada resistencia produce una caída de tensión R1R1 I R2R2 R3R3 A B C D

Cálculo de la resistencia resultante: circuito equivalente RTRT I E AD

Aplicando la Ley de Ohm a cada una de las resistencias del circuito en serie: R1R1 I R2R2 R3R3 A B C D

Sumando miembro a miembro las tres ecuaciones Circuito equivalente

Aplicación de la Ley de Ohm a un circuito abierto La intensidad es la misma para todo el circuito Tal como circula la intensidad, el potencial a la entrada de una resistencia es > que a la salida (caida de potencial) En este caso, de la forma que está situado el generador, aumenta el potencial que recibe ABCDE R1R1 R2R2 R3R3 ee I

Aplicando la Ley de Ohm a cada tramo: sumando miembro a miembro las ecuaciones (la 3ª multiplicada por –1) despejando la intensidad

Aplicación de la Ley de Ohm a un circuito cerrado La intensidad I que recorre el circuito es única y lo hace por todos los elementos Es necesario establecer un sentido predeterminado para la intensidad e1e1 A e2e2 R2R2 R1R1 DC B I

Aplicando la Ley de Ohm a cada tramo: sumando miembro a miembro las ecuaciones (la 4ª multiplicada por –1) despejando la intensidad Las fem se considerarán + si colaboran en el sentido establecido de al intensidad I

Ley de Ohm a un circuito cerrado considerando la resistencia interna de los generadores r 1 y r 2 La intensidad I que recorre el circuito es única y lo hace por todos los elementos Es necesario establecer un sentido predeterminado para la intensidad I e1r1e1r1 R2R2 A e2r2e2r2 R1R1 DC B I

Aplicando la Ley de Ohm a cada tramo: sumando miembro a miembro las ecuaciones (la 4ª multiplicada por –1) despejando la intensidad Las fem se considerarán + se colaboran en el sentido establecido de al intensidad I

Agrupación en derivación

Agrupación en paralelo (derivación) Todos los componentes tienen la misma d.d.p. entre sus extremos Al llegar a la bifurcación la intensidad se reparte entre los distintos ramales R1R1 R2R2 R3R3 B A I3I3 I2I2 I1I1 I e

Cálculo de la resistencia resultante. Circuito equivalente: RTRT I e BA

Ley de Ohm a cada uno de los ramales del circuito superior y al circuito equivalente: teniendo en cuenta

Casos particulares de conexionado en derivación Si todas las resistencias tienen el mismo valor (R): siendo n el nº de resistencias iguales conectadas en derivación R1R1 R2R2 B A I2I2 I1I1 I e Circuito con 2 resistencias en derivación (Producto sobre suma)

Ejemplo 1

Ejemplo 2 VER

Agrupación mixta

Determinados elementos en serie y otros en paralelo En 1º lugar se resuelve el conexionado en derivación y luego la agrupación en serie R1R1 R2R2 R3R3 B A I3I3 I2I2 I1I1 I e R4R4

Caso particular de asociación mixta R1R1 R2R2 R3R3 BA I2I2 I1I1 I e

Consideraciones del conexionado en serie Los elementos se conectan uno a continuación del otro La intensidad que recorre todos los elementos es la misma La resistencia del conjunto aumenta (suma de todas las resistencias) Cada elemento produce una caída de tensión proporcional a su resistencia y a la intensidad del circuito La suma de todas las caídas de tensión coincide con la d.d.p. entre los extremos

Consideraciones del conexionado en paralelo (1 de 2) Los elementos se conectan con los extremos en común La d.d.p. es idéntica para cada elemento La inversa de la resistencia equivalente es la suma de las inversas de las resistencias conectadas en derivación La resistencia total es tanto menor cuanto mayor es el número de resistencias conectadas

Consideraciones del conexionado en paralelo (2 de 2) La resistencia total es menor que la resistencia mas pequeña conectada La intensidad que llega al punto común se bifurca en cada uno de los ramales proporcionalmente a la resistencia La intensidad del circuito aumentará al aumentar el número de elementos conectados

Conductores eléctricos Son los “caminos” por donde circula la corriente eléctrica

Partes de un conductor Parte conductora: Es por donde circula la corriente eléctrica Puede ser monofilamento o multifilamento En algunos casos estos hilos pueden estar estañados Parte aislante: Protege la parte conductora de contactos no deseados Puede ser de plástico o goma y estar formado por una o varias capas La necesidad de mayor o menor aislamiento depende de la tensión (voltaje) de la corriente a conducir

Resistencia de un conductor. Factores El material con el que esté fabricada la parte conductora (resistividad) La sección de la parte La longitud del conductor

Caída de tensión provocada por un conductor Los conductores se conectan en serie con los receptores y por tanto están sometidos a las leyes de este tipo de circuitos La resistencia (R C ) de un conductor provoca una caída de tensión (V C ) en el circuito eléctrico que depende de la intensidad (I) de la corriente y de la resistencia del conductor (ley de Ohm)

Caída de tensión producida por los conductores de un circuito R I e BA caída de tensión producida por el cableado

Cálculo de la sección de un conductor por CAIDA DE TENSIÓN ADMISIBLE Se puede definir para una determinada instalación eléctrica la caída de tensión máxima admisible para el cableado Se suele expresar como una fracción de la tensión nominal Para el cable del motor de arranque se admite un 4 % Para el resto de circuitos se tolera un 2,5 % Se calcula la resistencia del conductor para que con la intensidad que soportará el circuito no produzca una caída de tensión superior a la admitida

Cálculo de la sección de un conductor por densidad de corriente admisible Se expresa en la máxima intensidad que puede circular por mm 2 de sección de conductor Suele ser de 2 a 3 A/ mm 2 Si superamos esa densidad de corriente, se produciría un calentamiento excesivo de los conductores además de una excesiva caída de tensión

Trabajo eléctrico (T) Para desplazar una determinada carga eléctrica (Q) a lo largo de un cuerpo que provoca una d.d.p. (E) entre sus extremos, es necesario realizar un trabajo eléctrico (T) 1 Julio = 1 Culombio x 1 Voltio

Potencia eléctrica (W) Significa la velocidad con la que realiza el trabajo eléctrico: “el trabajo eléctrico (T) desarrollado en la unidad de tiempo (t)”

Unidades de potencia MÚLTIPLOS: Kilovatio (Kw) = w Megavatio (Mw) = 10 6 w Caballo de Vapor (CV) = 736 w ¿?

Potencia, tensión e intensidad Otra definición de vatio: “1 w es la potencia consumida en un tramo de un circuito eléctrico por el que circula una intensidad de 1 A y entre sus extremos hay una d.d.p. de 1 V” I

Triángulo de potencia W E I W E I W E I W E I

Otra unidad de trabajo eléctrico (energía eléctrica): el Kilovatio-hora (Kw-h) 1 Julio = 1 vatio x 1 seg Julio = 1 vatio x seg Julio = 1 vatio x 1 hora Julio = vatio x 1 hora Julio = 1 Kw x 1 h 1 Kilovatio-hora (Kw-h) = 3, Julio “1 Kw-h es la energía consumida por un elemento de 1 Kw de potencia funcionando durante 1 h

Potencia útil y potencia absorbida Potencia absorbida WaWa La suministrada a la máquina para que funcione Potencia útil WuWu La desarrollada por la máquina Potencia disipada WdWd Perdida en rozamientos, calor, etc.

Rendimiento Se define el rendimiento (  ) de una máquina eléctrica como la relación entre la potencia útil (W u ) proporcionada por la máquina y la potencia absorbida (W a ) se suele expresar en %

James Prescott Joule Físico. (Salford ) El calentamiento de un conductor depende de su resistencia y del cuadrado de la corriente que lo atraviesa.

Efecto Joule Experimentalmente se demuestra que el paso de una corriente eléctrica por un cuerpo que tiene exclusivamente resistencia óhmica se transforma íntegramente en calor R I E BA

Efecto Joule R I E BA El trabajo eléctrico (en julios) consumido por la resistencia será (tras aplicar la Ley de Ohm): aplicando el equivalente mecánico del calor La energía eléctrica consumida por una resistencia se transforma en energía calorífica

¿? Aplicaciones del efecto Joule en automoción Calentadores para calefacción Calentadores diesel Encendedor de cigarrillos Lámparas de incandescencia Fusibles Efectos indeseables: –Cortocircuitos –Resistencias de contacto –Cortocircuito interno en una batería

Magnitudes y unidades del Sistema Internacional MagnitudSímboloFórmulaUnidadesSímbolo Cantidad de electricidad Q 6,25 · electrones Culombio C Fuerza de atracción entre cargas F Newton N Potencial eléctrico U Voltios V Intensidad de campo eléctrico E Newton/Culombio N/V Intensidad de corriente I Amperios A Resistencia eléctrica R Ohmios Ω Energía eléctrica T Julios J Potencia eléctrica P Vatios W Generación de calor Q Calorías cal

Kirchhoff, Gustav Robert ( ), físico alemán. Hijo de un abogado, nació en Königsberg (actualmente Kaliningrado, Rusia) Kirchhoff dirigió importantes investigaciones sobre la transferencia de calor y también expuso dos reglas, actualmente conocidas como leyes de Kirchhoff, con respecto a la distribución de corriente en circuitos eléctricos.

1ª Ley de Kirchhoff: Ley de los nudos o de las corrientes concurrentes “La suma algebraica delas corrientes que confluyen en un nudo es igual a 0” I1I1 I2I2 I3I3 I4I4 I5I5 Nudo: confluencia de varios conductores con contacto eléctrico Es necesario establecer un criterio para el signo de las intensidades. Positivas: intensidades que “entren” en el nudo Negativas: intensidades que “salgan” del nudo

2ª Ley de Kirchhoff: Ley de las mallas o de los contornos cerrados “En una malla la suma algebraica de todas las fuerzas electromotrices presentes en ella es igual a la suma de todas las caídas de tensión que se producen al circular la corriente” R3R3 R2R2 R4R4 R1R1 I1I1 I2I2 I4I4 I2I2 E1E1 E4E4 E2E2 +

2ª Ley de Kirchhoff Malla: Recorrido cerrado que permite volver al mismo punto de partida. Una malla puede ser una parte de un circuito más complejo o constituir un circuito por sí misma Es necesario fijar de antemano un sentido de circulación como positivo Las f.e.m. que colaboren en el sentido prefijado serán +, las que se opongan – Las intensidades que coincidan con el sentido prefijado serán +, las que no – R3R3 R2R2 R4R4 R1R1 I1I1 I2I2 I4I4 I3I3 E1E1 E4E4 E2E2 +  E i =  I i R i E 1 – E 2 + E 4 = I 1 R 1 – I 2 R 2 – I 3 R 3 + I 4 R 4

Resolución de circuitos de mallas Para la resolución de circuitos complejos compuestos de mallas es necesario obtener tantas ecuaciones como incógnitas haya Para ello se podrá aplicar: La 1ª Ley a todos los nudos menos 1 La 2ª Ley a todas las mallas del circuito El sentido inicial asignado a las intensidades se modificará si los resultados obtenidos son negativos

Puente de Wheatstone Aplicaciones: medición de resistencias desconocidas con cierta precisión G RARA RBRB RXRX RVRV A B C D RA,RBRA,RB Resistencias fijas de valor conocido RVRV Resistencia variable de valor conocido GGalvanómetro RXRX Resistencia a medir

Operación de equilibrado del Puente de Weatstone (1 de 2) Se cierran los interruptores Se eligen adecuadamente las resistencias R A y R B y se regula R V hasta que el galvanómetro no acuse paso de corriente alguna G RARA RBRB RXRX RVRV A B C D I1I1 I1I1 I2I2 I2I2

Operación de equilibrado del Puente de Weatstone (2 de 2) B y D están al mismo potencial La intensidad que circula por AB es la misma que la que circula por BC La intensidad que circula por AD es la misma que la que circula por DC G RARA RBRB RXRX RVRV A B C D I1I1 I1I1 I2I2 I2I2

Puente de Weatstone G RARA RBRB RXRX RVRV A B C D I1I1 I1I1 I2I2 I2I2 Se resta la 1ª a la 2ª Se resta la 2ª a la 1ª Se dividen

Puente de Weatstone En la práctica, R A y R B son resistencias intercambiables de valores a elegir entre 10, 100 ó , según interese; y la resistencia variable R V lo es entre amplios límites. De esta forma el valor de R A /R B puede tomar valores de 1, 1/10, 1/100, 10 ó 100, y al multiplicarlo por el valor de R V obtenido en la operación de equilibrado, proporciona un amplio campo de medidas G RARA RBRB RXRX RVRV A B C D I1I1 I1I1 I2I2 I2I2

Puente de hilo Es una modificación del puente de Wheatstone Consigue una mayor rapidez en las operaciones de equilibrado y determinación del valor de la resistencia desconocida Se basa en un hilo metálico calibrado en forma de arco y un cursor móvil apoyado en este G RXRX R RARA RBRB LBLB LALA A D C B

Puente de hilo Eligiendo adecuadamente R y desplazando el cursor a lo largo del hilo calibrado se consigue equilibrar el puente, de forma que no circule corriente por G G RXRX R RARA RBRB LBLB LALA A D C B I1I1 I2I2

Puente de hilo G R RXRX RARA RBRB LBLB LALA A D C B I1I1 I2I2