16-Aplicación de corriente directa - Conalep SLP · 2013. 9. 30. · 4.2.1 Estructura del...

Colegio Nacional de Educación profesional Técnica Aplicación e Corriente Directa

Mantenimiento de Sistemas Automaticos, Mantenimeinto de Motores y Planeadores y Sistemas Electroniocs de Aviacion 1

Manual Teórico Práctico del

Módulo Autocontenido Transversal:

Aplicación de Corriente Directa Para las carreras de Profesional Técnico-Bachiller en:

Capacitado por: Educación-Capacitación Basadas en Competencias Contextualizadas

e-cbcc

Mantenimiento de SistemasAutomáticos

Mantenimiento de Motores y Planeadores

Sistemas Electrónico s de Aviacion



PARTICIPANTES

Suplente del Director General Joaquín Ruiz Nando

Secretario de Desarrollo Académico y de Capacitación Marco Antonio Norzagaray Director de Diseño de Curricular de la Formación Ocupacional Gustavo Flores Fernández Coordinadores de Área: Jaime G. Ayala Arellano Grupo de Trabajo para el Diseño del Módulo Especialistas de Contenido Asociacion Mexicana de Ingenieros Mecanicos y Electricistas A.C Especialista Pedagógico Asociacion Mexicana de Ingenieros Mecanicos y Electricistas A.C Revisor del Contenido ----------------- Revisión Pedagógica ------------------ Revisores de Contextualización Agustín Valerio Guillermo Prieto Becerril

Índice

I. Mensaje al alumno 5 II. Como utilizar este manual 6 III. Propósito del módulo autocontenido 9 IV. Normas de competencia laboral 10 V. Especificaciones de evaluación 11 VI. Mapa curricular del módulo autocontenido 12

Manual del curso – módulo Autocontenido Transversal “Aplicación de Corriente DIrecta” Mantenimiento de Sistemas Automáticos, Mantenimiento de motores y planeadores y Sistemas electronicos de aviación. D.R. © 2003 CONALEP. Prohibida la reproducción total o parcial de esta obra, incluida la portada, por cualquier medio sin autorización por escrito del CONALEP. Lo contrario representa un acto de piratería intelectual perseguido por la Ley Penal. E-CBCC

Av. Conalep N° 5, Col. Lázaro Cárdenas, C.P. 52140 Metepec, Estado de México.



Capitulo 1 Introducción a la Electricidad 16 1.1 Teoría del electrón 17 1.1.1 Estructura molecular de aislantes, semiconductores y conductores 22 1.2 Electroestática 25 1.2.1 Conducción de electricidad en solidos, líquidos, gases y en el vació 33 1.3 Terminología Eléctrica 35 1.3.1 Ley de Ohm 42 Capitulo 2 Generación de Electricidad 45 2.1 Producción de electricidad 47 2.1.1 Producción de electricidad por magnetismo o electromagnética 55 2.2 Resistencia y resistores 56 2.2.1 Operación, construcción y uso 67 2.2.2 Cálculo de resistencias 70 2.3 Capacitancia 71 2.3.1 Capacitor 74 2.3.2 Calculo de capacitancia y tensión en circuitos 83 Capitulo 3 Introducción al magnetismo 87 3.1 Teoría del magnetismo 89 3.1.1 Propiedades de un magneto 93 3.2 Inductor / Inductancia 97 3.2.1 Fuerza de electromotriz (FEM) autoinduccion 109 3.3 Fuerza magnetomotriz 121 Capitulo 4 Fuentes de alimentación eléctrica de corriente directa 124 4.1 Construcción y acción química básica de celdas 126 4.1.1Costruccion y operación 155 4.2 Generadores de corriente directa 156 4.2.1 Estructura del generador de corriente continua 159 4.3 Motores de corriente directa 162 4.3.1 Clasificación de los motores de corriente continua 173 4.3.2 Potencia nominal de motores de corriente continua 174 Practicas y Lista de Cotejo 176 Autoevaluacion de Conocimientos 278 Respuestas a la autoevaluacion de conocimientos 279 Referencias documentales 281



I. MENSAJE AL ALUMNO

¡CONALEP TE DA LA BIENVENIDA AL CURSO-MÓDULO AUTOCONTENIDO TRANSVERSAL MANEJO DEL PROCESO ADMINISTRATIVO! EL CONALEP, a partir de la Reforma Académica 2003, diseña y actualiza sus carreras, innovando sus perfiles, planes y programas de estudio, manuales teórico-prácticos, con los avances educativos, científicos, tecnológicos y humanísticos predominantes en el mundo globalizado, acordes a las necesidades del país para conferir una mayor competitividad a sus egresados, por lo que se crea la modalidad de Educación y Capacitación Basada en Competencias Contextualizadas, que considera las tendencias internacionales y nacionales de la educación tecnológica, lo que implica un reto permanente en la conjugación de esfuerzos. Este manual teórico práctico que apoya al módulo autocontenido, ha sido diseñado bajo la Modalidad Educativa Basada en Competencias

Contextualizadas, con el fin de ofrecerte una alternativa efectiva para el desarrollo de conocimientos, habilidades y actitudes que contribuyan a elevar tu potencial productivo y, a la vez que satisfagan las demandas actuales del sector laboral, te formen de manera integral con la oportunidad de realizar estudios a nivel superior. Esta modalidad requiere tu participación y que te involucres de manera activa en ejercicios y prácticas con simuladores, vivencias y casos reales para promover un aprendizaje integral y significativo, a través de experiencias. Durante este proceso deberás mostrar evidencias que permitirán evaluar tu aprendizaje y el desarrollo de competencias laborales y complementarias requeridas. El conocimiento y la experiencia adquirida se verán reflejados a corto plazo en el mejoramiento de tu desempeño laboral y social, lo cual te permitirá llegar tan lejos como quieras en el ámbito profesional y laboral.



II. CÓMO UTILIZAR ESTE MANUAL Las instrucciones generales que a continuación se te pide que cumplas, tienen la intención de conducirte a vincular las competencias requeridas por el mundo de trabajo con tu formación de profesional técnico. Redacta cuáles serían tus objetivos personales al estudiar este curso-módulo autocontenido. Analiza el Propósito del curso-módulo autocontenido que se indica al principio del manual y contesta la pregunta ¿Me queda claro hacia dónde me dirijo y qué es lo que voy a aprender a hacer al estudiar el contenido del manual? Si no lo tienes claro, pídele al docente te lo explique. Revisa el apartado Especificaciones de evaluación, son parte de los requisitos por cumplir para aprobar el curso-módulo. En él se indican las evidencias que debes mostrar durante el estudio del mismo para considerar que has alcanzado los resultados de aprendizaje de cada unidad. Es fundamental que antes de empezar a abordar los contenidos del manual tengas muy claros los conceptos que a continuación se mencionan: competencia laboral, competencia central, competencia básica, competencia clave, unidad de competencia (básica, genéricas específicas), elementos de Analiza la Matriz de contextualización del autocontenido transversal operación de Herramientas de Cómputo. Puede ser entendida como la forma en que, al darse el proceso de aprendizaje, el sujeto establece una relación activa del conocimiento y sus habilidades sobre el objeto desde un contexto científico, tecnológico, social, cultural e histórico que le permite hacer significativo su aprendizaje, es decir, el sujeto aprende durante la interacción social, haciendo del conocimiento un acto individual y social.

competencia, criterio de desempeño, campo de aplicación, evidencias de desempeño, evidencias de conocimiento, evidencias por producto, norma técnica de institución educativa, formación ocupacional, módulo autocontenido, módulo integrador, unidad de aprendizaje, y resultado de aprendizaje. Si desconoces el significado de los componentes de la norma, te recomendamos que consultes el apartado Glosario, que encontrarás al final del manual. Analiza el apartado Normas Técnicas de Competencia Laboral, Norma Técnica de Institución Educativa. Revisa el Mapa Curricular del módulo autocontenido transversal operación de Herramientas de Cómputo. Esta diseñado para mostrarte esquemáticamente las unidades y los resultados de aprendizaje que te permitirán llegar a desarrollar paulatinamente las competencias laborales requeridas por la ocupación para la cual te estás formando. Revisa la Matriz de Competencias del autocontenido transversal operación de Herramientas de Cómputo. Describe las competencias laborales, básicas y claves que se contextualizan como parte de la metodología que refuerza el aprendizaje lo integra y lo hace significativo En el desarrollo del contenido de cada capítulo, encontrarás ayudas visuales como las siguientes, haz lo que ellas te sugieren. Si no lo haces no aprendes, no desarrollas habilidades, y te será difícil realizar los ejercicios de evidencias de conocimientos y los de desempeño.



Realiza la lectura del contenido de cada capítulo y las actividades de aprendizaje que se te recomiendan. Recuerda que en la educación basada en normas de competencia laborales la responsabilidad del aprendizaje es tuya, pues eres quien desarrolla y orienta sus conocimientos y habilidades hacia el logro de algunas competencias en particular.



IMÁGENES DE REFERENCIA

Estudio Individual

Consulta con el docente

Comparación del resultado con otros compañeros

Trabajo en equipo

Realización del Ejercicio

Observación

Investigación de campo

Investigación documental

Redacción de trabajo

Repetición del ejercicio

Sugerencias o notas

Resumen

Consideraciones sobre seguridad e higiene

Portafolio de evidencias

III. Propósito del módulo autocontenido



Este módulo está diseñado para desarrollar habilidades en el manejo de electrónica básica, que los alumnos de la carrera de P.T.-B. en Mantenimiento de Sistemas Automáticos, requieren para instalar, operar y dar mantenimiento a controles y sistemas de automatización. Resulta de vital importancia el estudio de éste módulo dentro de la carrera, debido a que los módulos restantes aplicarán las competencias desarrolladas en este módulo. El propósito dará como resultado un desarrollo incremental del alumno para competir en el ambiente laboral de este país, contribuyendo el buen desarrollo y desempeño del puesto que tenga a su cargo, destacando por el conocimiento que este obtenga con el modulo aquí presentado. Este modulo basado en lo que se denomino competencias contextualizadas crea en el alumno una base de los conocimientos que se deben de tomar en cuenta para así facilitar al alumno el porque de cada tema y porque la importancia de este. Como se ha mencionado a lo largo de este contexto el propósito principal de este modulo es que el alumno obtenga el mayor beneficio que pueda para así sobresalir y que este destaque por sus habilidades y que de mayor confianza a todo aquel alumno que egrese del CONALEP. Además de que los conocimientos adquiridos gracias a este modulo sirvan para que el individuo aplique lo que aprendió durante el transcurso de su vida, y que por lo tanto forme parte de su formación como técnico y como persona.



IV. NORMAS TÉCNICAS DE COMPETENCIA LABORAL

Para que analices la relación que guardan las partes o componentes de la NTCL o NIE con el contenido del programa del curso–módulo autocontenido de la carrera que cursas, te recomendamos consultarla a través de las siguientes opciones: Acércate con el docente para que te permita revisar su programa de estudio del curso-módulo autocontenido de la carrera que cursas, para que consultes el apartado de la norma requerida.

Visita la página WEB del CONOCER en www.conocer.org.mx en caso de que el programa de estudio del curso - módulo ocupacional esta diseñado con una NTCL. Consulta la página de Intranet del CONALEP http://intranet/ en caso de que el programa de estudio del curso - módulo autocontenido está diseñado con una NIE



V. ESPECIFICACIONES DE EVALUACIÓN Durante el desarrollo de las prácticas de ejercicio también se estará evaluando el desempeño. El docente, mediante la observación directa y con auxilio de una lista de cotejo, confrontará el cumplimiento de los requisitos en la ejecución de las actividades y el tiempo real en que se realizó. En éstas quedarán registradas las evidencias de desempeño. Las autoevaluaciones de conocimientos correspondientes a cada capítulo, además de ser un medio para reafirmar los conocimientos sobre los contenidos tratados, son también una forma de evaluar y recopilar evidencias de conocimiento.

Al término del curso-módulo deberás presentar un Portafolios de Evidencias1, el cual estará integrado por las listas de cotejo correspondientes a las prácticas de ejercicio, las autoevaluaciones de conocimientos que se encuentran al final de cada capítulo del manual y muestras de los trabajos realizados durante el desarrollo del curso-módulo, con esto se facilitará la evaluación del aprendizaje para determinar que se ha obtenido la competencia laboral. Deberás asentar datos básicos, tales como: nombre del alumno, fecha de evaluación, nombre y firma del evaluador y plan de evaluación

1El portafolio de evidencias es una compilación de documentos que le permiten al evaluador, valorar los conocimientos, las habilidades y las destrezas con que cuenta el alumno, y a éste le permite organizar la documentación que integra los registros y productos de sus competencias previas y otros materiales que demuestran su dominio en una función específica (CONALEP. Metodología para el diseño e instrumentación de la educación y capacitación basada en competencias, Pág. 180).



VI. Mapa curricular del módulo ocupacional

Resultado de aprendizaje


1.1 Identificar la estructura molecular del átomo de los diferentes elementos aislantes y conductores. 5 hrs.

1.2 Identificar la conducción de la electricidad a través de sólidos, líquidos y en el vacío. 4 hrs.

1.3 Identificar la diferencia entre voltaje, corriente y resistencia para la aplicación de la Ley de Ohm en los diferentes circuitos eléctricos. 6 hrs.

2.1 Identificar las diferentes formas de producir electricidad para alimentar los equipos eléctricos. 16 hrs.

2.2 Identificar los tipos y características de los resistores para su operación en los diferentes circuitos donde se aplican. 15 hrs.

2.3 Identificar las características y tipos de los condensadores para su operación en los diferentes circuitos. 15 hrs.

3.1 Identificar las propiedades y tipos del magnetismo para su empleo en los equipos eléctricos. 7 hrs.

3.2 Identificar los principios, efectos y factores de inducción que se emplean en los circuitos eléctricos para aplicarlas en las leyes de Faraday y Lenz. 7 hrs.

3.3 Identificar los términos de permeabilidad, ciclo de histéresis, y retentividad para utilizarlos en los diferentes equipos y circuitos donde se utiliza la fuerza magnetomotriz.

7 hrs.

4.1 Identificar la construcción y acción química de las celdas para los diferentes

tipos de baterías empleadas en los circuitos y equipos eléctricos. 8 hrs.

4.2 Identificar la estructura del generador de corriente directa para su funcionamiento con otros componentes eléctricos donde se aplican. 9 hrs.

4.3 Identificar su clasificación y sus partes de los motores de corriente directa para su funcionamiento en los diferentes circuitos y equipos eléctricos. 9 hrs.

ód l

Unidad de Aprendizaje

Aplicación de

Corriente Directa

108 Hrs.

2. Generación de Electricidad.

46 Hrs.

3. Introducción al Magnetismo

21 Hrs.

4. Fuentes de Alimentación Eléctrica de Corriente Directa.

26 Hrs.

1. Introducción a la Electricidad.

15 Hrs.



1 INTRODUCCIÓN A LA ELECTRICIDAD

Al finalizar la unidad, el alumno identificara la estructura molecular del átomo, la conducción de la electricidad y la diferencia entre voltaje, corriente y resistencia.



Mapa curricular del módulo ocupacional Resultados de aprendizaje

1.1 Identificar la estructura molecular del átomo de los diferentes elementos

aislantes y conductores. 5 hrs.

1.2 Identificar la conducción de la electricidad a través de sólidos, líquidos y en el vacío. 4 hrs.

1.3 Identificar la diferencia entre voltaje, corriente y resistencia para la aplicación de la Ley de Ohm en los diferentes circuitos eléctricos. 6 hrs.

Módul


Aplicación de

Corriente Directa

108 Hrs.


46 Hrs.


21 Hrs.


26 Hrs.




I Introducción a la electricidad

Sumario

Teoría del electrón

Electrostática

Ley de Coulomb

Terminología eléctrica

Flujo de electrones

Ley de Ohm

RESULTADO DE APRENDIZAJE

1.1 Identificar la estructura molecular del átomo de los diferentes elementos aislantes y conductores.

1.2 Identificar la conducción de la electricidad a través de sólidos, líquidos y en el vacío.

1.3 Identificar la diferencia entre voltaje, corriente y resistencia para la aplicación de la Ley de Ohm en los diferentes circuitos eléctricos.

Propósito de la Unidad I

El propósito de esta unidad es el saber utilizar el principio de los materiales eléctricos así como identificar su comportamiento eléctrico, sus características y algunos de los parámetros que caracterizan su comportamiento, aquellos conocidos como elementos conductoras que gracias a estos componentes como son capaces de lograr el flujo eléctrico. Entender su importancia en el ahorro de tal, pues sin ella, no existiría iluminación conveniente, ni comunicaciones de radio y televisión, ni servicio telefónico, y las personas tendrían que prescindir de aparatos eléctricos que ya llegaron a constituir parte integrante del hogar. Además, sin la electricidad el campo del transporte no seria lo que es en la actualidad. De hecho, puede decirse que la electricidad se usa en todas partes.

Otro aspecto importante que abarca esta unidad y que es indispensable que se estudie para un entendimiento posterior son los fenómenos como los campos eléctricos y campos magnéticos, que

gracias a estos se presentan ciertos fenómenos, como el de poner en movimiento motores eléctricos, el estudio de la fuerza con la que giran y como la corriente que pasa por algún conductor presenta ciertos fenómenos muy curiosos que gracias a estos hay un sin numero de aplicaciones en la vida cotidiana.

Sin embargo todo esto tiene una cierta explicación es por eso que se complementa con el uso y aplicación de ciertas técnicas de análisis

Aplicación de Corriente Directa

Introducción a la Electricidad.

La electricidad es una de las principales formas de energía usadas en el mundo actual. Sin ella, no existiría iluminación conveniente, ni comunicaciones de radio y televisión, ni servicio telefónico, y las personas tendrían que prescindir de aparatos eléctricos que ya llegaron a constituir parte integrante del hogar. Además, sin la electricidad el campo del transporte no sería lo



que es en la actualidad. De hecho, puede decirse que la electricidad se usa en todas partes.

Identificar la estructura molecular del átomo de los diferentes elementos aislantes y conductores.

1.1 Teoría del electrón.

La teoría del electrón indica que la corriente fluye de una carga negativa a una carga positiva.

Este hecho, en principio contradictorio, se debe a razones históricas: Las teorías básicas que explican el funcionamiento de la electricidad, son anteriores al conocimiento de la existencia de los electrones. En todas estas teorías y estudios iniciales se tomó, por convenio (acuerdo entre todos los científicos), que este era el sentido de circulación de la corriente eléctrica.

Para crear y mantener la corriente eléctrica (movimiento de electrones), deben darse dos condiciones indispensables:

1. Que haya una fuente de electrones o dispositivo para su generación (generador), pila, batería, fotocélula, etc.

2. Que exista un camino, sin interrupción, en el exterior del generador, por el cual, circulen los electrones. A este Camino se le conoce como conductor.

Además de estas dos condiciones indispensables, en la mayoría de los casos, existe un elemento llamado receptor, que es el que recibe los

electrones y aprovecha la energía de su movimiento para conseguir el efecto deseado: luz, calor, etc.

• Estructura y distribución de carga eléctrica.

• Ley de las cargas eléctricas

La carga, negativa de un electrón es igual, pero opuesta, a la carga positiva de un protón. Las cargas de un electrón y un protón se llaman cargas electrostáticas. Las líneas de fuerza asociadas con cada partícula producen campas electrostáticos. Debido a la forma en que interactúan estos campos, las partículas cargadas pueden atraerse o repelerse entre si. La ley de las cargas eléctricas dice que las partículas que tienen cargas del mismo tipo se repelen y las que tienen cargas diferentes, se atraen.

Un protón (+) repele a otro protón (+)

Un electrón (-) repele a otro electrón (-)

Un protón (+) atrae a un electrón (+)

Debido a que los protones son relativamente pesados, tiene poco efecto la fuerza de repulsión que ejercen entre si dentro del núcleo de un átomo.

• Cargas atómicas.



Normalmente, un átomo contiene el mismo número de electrones y protones, de manera que las cargas iguales y o puestas,1 es decir las negativas y positivas, se equilibran entre sí y hacen que el átomo sea eléctricamente neutro. Ahora bien, según ya se explicó, lo que le da al átomo de un elemento sus propiedades características, es el número de los protones que tiene en el núcleo; pero el número de electrones puede variar. Si un átomo contiene menos electrones que protones, tendrá una carga positiva. Si tiene más electrones que protones tendrá una carga negativa. Los átomos cargados reciben el nombre de iones.

• Materiales eléctricamente cargados

Cuando en un trozo eléctricamente neutro muchos átomos pierden o ganan electrones, el material quedara cargado. Hay muchas maneras de producir estos cambios en los átomos, el método que descubrieron los antiguos griegos fue el de la fricción. Por ejemplo, si se frota una varilla de vidrio con un trozo de seda, la varilla de vidrio le donara algunos electrones a la seda. La varilla se cargara positivamente y la seda quedara negativamente. Se puede cargar negativamente una varilla de caucho frotándola con piel. Mediante esta varilla de caucho cargada, ahora se pueden cargar otros materiales, por ejemplo cobre, con sólo tocarlos. Este método recibe el nombre de carga por contacto, y se basa en el hecho de que la carga negativa de la varilla tiende a repeler electrones de la superficie de la varilla. Los electrones en la superficie de la varilla de caucho pasarán a la superficie de la varilla de cobre suspendida para darle una carga negativa.

Si en lugar de 'una varilla de caucho negativa se usa una varilla de vidrio positiva, los electrones de la superficie de la varilla de cobre al ser atraídos le darán una carga positiva.

• Carga por inducción

Debido a que los electrones y los protones tienen fueras, de atracción y repulsión, un objeto se puede cargar sin que lo toque el cuerpo cargado, por ejemplo, si la varilla de caucho cargada negativamente le acerca a una pieza de aluminio, la fuerza negativa de la varilla de caucho repelara los neutrones de la varilla del aluminio hacia el otro extremo. Un extremo de la varilla será entonces negativo y el otro positivo. Cuando se aleja la varilla de caucho, los electrones, en la varilla de aluminio se redistribuirán para neutralizar la carga de la varilla. Si se desea que el aluminio permanezca cargado, hay que acercar nuevamente la varilla de caucho y luego tocar con el dedo el extremo negativo. Entonces, los electrones saldrán de la varilla a través del cuerpo del operario. (La carga son sumamente pequeñas, de manera que no se tiente nada) Después, si se retira el dedo antes de alejar la varilla de caucho, la varilla de aluminio permanecerá cargada. Este método se llama el de carga por inducción.



• Neutralización de una carga

Después de frotar el vidrio con la seda, ambos se cargan con electricidad. Pero, si la varilla de vidrio y la seda se juntan nuevamente entonces por la atracción de los iones positivos en la varilla los electrones salen de la seda, hasta que ambos materiales queden de nuevo eléctricamente neutros. Los cuerpos cargados también pueden conectarse con un alambre para descargarlos. Pero, si las cargas en ambos materiales son suficientemente grandes, pueden descargarse a través de un arco, como sucede en el caso del rayo. Suponga que se tienen dos varillas: una de vidrio que esta cargada positivamente, después de frotarla con seda y una varilla de caucho que se froto con piel para darle carga negativa. A continuación se experimenta con el vidrio, caucho seda y piel, pero sin que se toquen y se observa que:

Cargas similares se repelen.

Cargas diferentes se atraen.

• Composición del átomo, molécula e iones.

• Los elementos y compuestos

Elementos son los materiales básicos que constituyen toda la materia. El oxígeno y el hidrógeno son elementos, lo mismo que el

aluminio, el cobre, plata, oro y mercurio. En efecto, existen poco más de 100 elementos conocidos, 92 de los cuales son naturales y los demás son artificiales, o hechos por el hombre. En los últimos años, se han obtenido varios de estos elementos nuevos y se espera que el hombre los irá produciendo en número aún mayor.

Todo lo que nos rodea está formado de elementos pero ellos mismos no pueden ser producidos por la simple combinación química ni por la separación de otros elementos.

Desde luego, hay mucho más materiales que elementos. Esto se debe a que los elementos pueden combinarse para producir materiales cuyas características son totalmente distintas de las que tienen los elementos constitutivos. El agua, por ejemplo, es un compuesto formado por los elementos: hidrogeno y oxigeno; la sal de mesa ordinaria está formada por los elementos sodio y cloro. Cabe notar que el hidrógeno y el oxígeno, aunque son gases, pueden producir el agua que es un líquido.

• La molécula

La molécula es la partícula más pequeña a la que puede reducirse un compuesto, antes de que se descomponga en sus elementos. Por ejemplo, si se tomara un gramo de sal de mesa y se le



dividiera sucesivamente en dos, hasta obtener el trocito más pequeño posible, seguiría siendo sal v el trocito sería una molécula de sal. Si nuevamente se lograra dividirlo en dos, la sal se descompondría en sus elementos. El átomo es la partícula más pequeña a la que se puede reducir un elemento y que conserva las propiedades de ese elemento. Si una gota de agua se reduce a su tamaño mínimo, se producirá una molécula de agua. Pero si la molécula se redujera aún más, aparecerían átomos de hidrógeno y oxígeno.

• Estructura del átomo

Ahora bien, si el átomo de un elemento se divide aún más, este elemento deja de existir entre las partículas que quedan. Estas partículas más pequeñas, que el átomo son encuentras presentes en todos los átomos de los diferentes elementos. El átomo de un elemento difiere del átomo de otro elemento sólo en virtud de que los dos contienen números diferentes de estas partículas subatómicas. Básicamente, un átomo está formado de tres tipos de partículas subatómicas que son de interés en el estudio de la electricidad: electrones, protones y neutrones. Los protones y neutrones se localizan en el centro, o núcleo del átomo y los electrones giran en órbitas alrededor del núcleo.

• El núcleo

El núcleo es la parte central de un átomo. Contiene los protones y neutrones del átomo. E! número de protones en el núcleo determina la forma en que el átomo de un elemento difiere de otro. Por ejemplo. e! núcleo de un átomo de hidrógeno contiene un protón, el oxígeno con tiene 8, el cobre 29, la plata 47 y el oro 79. De hecho, ésta es la forma en que se identifican los diferentes elementos, es decir, por sus números atómicos, como lo muestra la tabla de los elementos pasada. El número atómico es el número de protones que contiene cada átomo en su núcleo.

Aunque un neutron, en realidad, a una partícula en si, generalmente se la considera como la combinación de un electrón y un protón y es eléctricamente neutro. Puesto que los neutrones son eléctricamente neutros, no son muy importantes en el estudio de la naturaleza eléctrica de los átomos.

• El protón

El protón es muy pequeño. Se estima que tiene 1.778 trillonésimas de milímetro de diámetro; el protón mide la tercera parte del diámetro de un electrón, pero tiene casi 1,840 veces la masa de un electrón; es decir, el protón es casi 1,840 veces más pesado que el electrón. Es muy difícil desalojar el protón del núcleo de un átomo. Por lo tanto, en la teoría eléctrica, se considera que los protones son partes permanentes del núcleo. Los protones no toman parte activa en el flujo o transferencia de energía eléctrica. El protón tiene una carga eléctrica positiva. Las líneas de fuerza de esta carga irradian desde el protón en toda dirección.

• El electrón

Según se ha explicado anteriormente, el electrón tiene un diámetro tres veces mayor que el del protón, o sea, aproximadamente 5.588



trillonésimas de milímetro; pero es 1,840 veces más ligero que el protón. Los electrones son más fáciles de mover. Son las partículas que participan activamente en el flujo o transferencia de energía eléctrica. Los electrones giran en órbitas alrededor del núcleo de un átomo y tienen cargas eléctricas negativas. Las líneas de fuerza de estas caigas vienen desde todas partes, en forma radial, directamente hacia el electrón.

1.1.1 Estructura molecular de aislantes, semiconductores y conductores.

• Conductores

La capa de valencia puede contener hasta ocho electrones y cualquier energía que se aplique a uno de ellos se reparte entre todos los electrones de valencia. Por lo tanto, los átomos que tienen menos electrones de valencia, les dejarán liberarse más fácilmente. Los materiales cuyos electrones se liberan fácilmente se llaman conductores. Los átomos de los conductores tienen sólo 1 ó 2 electrones de valencia. Los que sólo tienen 1 electrón de valencia, son los mejores conductores eléctricos. Si se examina la tabla de los elementos en la página 1-25 pueden determinarse los buenos conductores. Todos tienen un electrón en su capa exterior. La mayor parte de los metales son buenos conductores Los mas conocidos son: cobre (núm. 29), plata (núm. 47) y oro (núm. 79).

• Aislantes

Los aisladores son materiales que no dejan que sus electrones se liberen fácilmente. Los átomos de los aisladores tienen capas de valencia que están llenas con 8 electrones o bien llenas a más de la mitad. Cualquier energía que se aplique uno de estos átomos se distribuirá entre un número de electrones relativamente grande. Además, estos átomos se resisten a desprenderse de sus electrones debido a un fenómeno que se conoce como estabilidad química.

Un átomo es completamente estable cuando su capa exterior está completamente saturada o cuando tiene ocho electrones de valencia. Un átomo estable resiste cualquier tipo de actividad. En efecto, no se combinará con ningún otro átomo para formar compuestos. Existen seis elementos que son naturalmente estables: helio, neón, argón, kriptón, xenón y radón.

A éstos se les conoce como gases inertes.

Todos los átomos que tienen menos de 8 electrones de valencia, tienden a alcanzar el estado estable. Los que están llenos a menos de la mitad (los conductores), tienden a liberar los electrones para vaciar la capa inestable. Pero los que están llenos a más de la mitad (los aisladores) tienden a recoger electrones para llenar la capa de valencia. Así pues, no solamente es difícil liberar a sus electrones, sino que los átomos de aisladores también se opondrán a la producción de electricidad debido a su tendencia a atrapar a cualesquiera electrones que puedan ser liberados. Los átomos con siete electrones de valencia, son los que tratan más activamente de llenar la capa



de valencia y constituyen excelentes aisladores eléctricos.

• Compuestos como aisladores.

La tendencia de los átomos a volverse estables es un factor fundamental para determinar cómo se combinan los átomos de los elementos para formar las moléculas de un compuesto. Los átomos tienden a combinarse de manera que la molécula contenga 8 electrones de valencia.

Por ejemplo, considérese el agua: su fórmula es H2O. Esto significa que, en una molécula de agua hay dos átomos de hidrógeno y uno de oxigeno. Si se observan los elementos 1 y 8 de la tabla vista de elementos y capas atómicas se vera que cada uno de los átomos de hidrógeno tiene un electrón de valencia y el átomo de oxigeno tiene 6, lo cual da un total de 8 electrones de valencia. Cada átomo de hidrogeno comparte su electrón de valencia con el átomo de oxigeno. Los electrones compartidos unen los átomos para formar la molécula H2O. Este tipo de unión se llama covalente. El agua pura, por lo tanto, es un buen aislante. En otros compuestos' por ejemplo el cloruro de sodio (NaCÍ), un átomo entrega un electrón para volverse ion positivo y el otro toma este electrón para convertirse en ion negativo; entonces los dos iones quedan ligados por atracción Este tipo de unión se conoce como unión iónica o electrovalente. La molécula completa tiene 8 electrones de valencia lo que la hace estable Debido a la tendencia hacia la estabilidad que tienen los átomos cuando se combinan la mayor parte de los compuestos, por ejemplo, vidrio: madera, caucho, plástico, mica, etc., constituyen buenos aislantes. Sin embargo, cabe notar que no existe tal cosa como un aislador perfecto Simplemente es muy difícil liberar electrones de tales materiales.

• Semiconductores

Puesto que los conductores tienen sus capas de valencia llenas a menos de la mitad, y los aisladores tienen las suyas llenas a más de la mitad, las substancias que tienen átomos con cuatro electrones de valencia reciben el nombre de semiconductores. Estos conducen mejor que los aisladores, pero no tan bien como los conductores. Algunos ejemplos son: el germanio, el silicio y el selenio. Sin embargo, cuando se

combinan los átomos de los semiconductores, comparten sus electrones de tal manera que se llenan las capas de valencia. Por lo tanto, los materiales semiconductores, puros, también tienden a ser buenos aisladores. Pero eso sólo ocurre a la temperatura del cero absoluto, porque a temperaturas altas y aun a la temperatura ambiente normal, la energía ocasiona la liberación de numerosos electrones de valencia de manera que el material se comporta como semiconductor.

Por otra parte, muchos compuestos que tienden a ser estables, generalmente contienen impurezas que facilitan la conducción eléctrica. Por lo tanto, si el agua y el óxido de cobre contienen impurezas, no son ya aisladores, sino semiconductores. De hecho, el óxido de cobre se fabrica con cantidades controladas de impurezas, de manera que se pueda usarlo como rectificador semiconductor de circuitos de potencia. Los compuestos que conservan las características de buenos aisladores, son los que están menos afectados por la temperatura y sólo contienen pequeñas cantidades de impurezas.

• Comparación de los conductores

Algunos metales son mejores conductores que otros. Por ejemplo, aun cuando los átomos de cobre, plata y oro tienen, cada uno, un solo electrón de valencia que puede liberarse fácilmente, la plata es el mejor conductor. Le sigue el cobre y luego el oro. Esto se debe al hecho de que en una cantidad dada de material la plata tiene más átomos que los demás metales y por consiguiente, se dispone de un mayor número de electrones libres.

• Comparación de los conductores, aisladores y semiconductores



Los conductores son materiales que tienen electrones cuya liberación fácil. La mayor parte de los metales que son buenos conductores electos, generalmente se describen como materiales con muchos electrones “libres".

Los aisladores más usados son el vidrio, hule, plástico, madera y cerámica. Es muy difícil liberar los electrones en estos materiales. Por ello se dice que contienen muy pocos electrones libres. Los semiconductores son materiales con mayor número de electrones libres que los aisladores pero menor que los conductores.

Resumen

Analizar y resumir el comportamiento de las cargas eléctricas en los diferentes elementos

Identificar la conducción de la electricidad a través de sólidos, líquidos y en el vacío para conocer la

1.2 Electrostática.

La electrostática se encarga del estudio de las cargas eléctricas, las fuerzas que se ejercen entre ellas y su comportamiento en los materiales

• Electricidad estática y distribución de carga.

La electricidad estática es el exceso de cargas eléctricas que acumulan determinados materiales, normalmente por rozamiento (por ejemplo al frotar un bolígrafo con el cabello humano), y que no puede escapar de ellos.

La electricidad estática recibe este nombre porque se refiere a electrones que se mueven de un lugar a otro, más que a los que fluyen en una corriente. En un objeto sin carga de electricidad estática, todos los átomos tienen un número normal de electrones. Si alguno de los electrones se transfiere a otro objeto, por ejemplo, al frotar o cepillar con fuerza, el otro objeto se carga negativamente en tanto que el objeto que pierde sus electrones se carga positivamente. Entonces se crea un campo eléctrico alrededor de cada objeto.

Las fuerzas eléctricas provienen de las partículas que componen los átomos, esto es los protones (con carga +), los electrones (con carga -) y los neutrones (con carga neutra, por lo que no atrae ni rechaza a los electrones ó a los protones).

La carga permite que exista el comportamiento de atracción y repulsión. La regla fundamental y básica que subyace a todo fenómeno eléctrico nos dice:



"LAS CARGAS ELÉCTRICAS IGUALES SE REPELEN; LAS CARGAS OPUESTAS SE ATRAEN".

• Ión: Este nombre lo recibe cualquier átomo con carga, puede ser negativo (si ha ganado electrones), ó positivo (si ha perdido electrones).

Todo objeto cuyo número de electrones sea distinto al de protones tiene carga eléctrica. Si tiene más electrones que protones, la carga es negativa. Si tiene menos electrones que protones, la carga es positiva.

Los electrones no se crean ni se destruyen, sino simplemente se transfieren de un material a otro. LA CARGA SE CONSERVA.

Un punto importante, es que un átomo siempre va a perder ó ganar electrones, nunca protones, ya que son los electrones los que se mueven de un material a otro.

• ¿Que es la corriente eléctrica?

En el material presentado hasta ahora, se explicó lo que es la electricidad y cómo se producen las cargas eléctricas. En particular, se estudiaron temas relativos a la electricidad estática, es decir, a la carga eléctrica en reposo. Pero, por lo general, una carga eléctrica estática no puede desempeñar una función útil. Si se quiere usar energía eléctrica para realizar algún trabajo, es preciso que la electricidad se "ponga en marcha". Esto sucede cuando se tiene una corriente eléctrica. La corriente se produce, cuando en un conductor hay muchos electrones libres que se mueven en la misma dirección. Como se verá más adelante, todo electrón tiene cierta energía que puede producir determinados efectos. Los electrones suelen moverse en diversas direcciones, de manera que tales efectos se anulan. Pero cuando se hace que los electrones se muevan en la misma dirección, es decir, hay una corriente que fluye, entonces sus efectos se suman y la energía que liberan puede aprovecharse para realizar algún trabajo. Además, mientras mayor sea el número de electrones que se mueven en la misma dirección, mayor será el flujo de corriente y se dispondrá de mayor energía para efectuar algún trabajo. Por lo tanto, las corrientes mayores o menores, las produce un número mayor o menor,

respectivamente de electrones "puestos en marcha", en la misma dirección.

• Electrones libres

Para comprender cómo pueden los electrones producir corriente eléctrica, será útil ilustrar la forma en que los átomos de un buen conductor, por ejemplo el cobre, están unidos en un trozo del metal en estado sólido. Todos los materiales deben tener sus átomos (o moléculas) unidas en alguna forma, pues de lo contrario se desintegrarían. Existen diferentes tipos y formas de uniones; por eso, unos elementos son gases, algunos son líquidos y otros sólidos. Además, existen varias formas en que los átomos de los sólidos están unidos, y por esta razón algunos metales son suaves y otros duros. El tipo de unión que nos interesa para el estudio de la electricidad básica es la unión metálica.

En un conductor de cobre cada uno de los átomos tiene un electrón de valencia, que apenas se mantiene en órbita. Además, los átomos están tan próximos, uno del otro, que las órbitas exteriores se sobreponen. Al girar el electrón de un átomo, puede ser atraído por otro átomo e incorporarse a la órbita de éste. Aproximadamente al mismo tiempo, un electrón en el segundo átomo se desprende y pasa a la órbita de otro átomo.

La mayor parte de los electrones exteriores continuamente cambian de órbita en esta forma, de manera que los electrones de valencia en realidad no están asociados con ningún átomo particular. Más bien, todos los átomos comparten a todos los electrones de valencia y así se unen entre sí. Los electrones están "libres" para moverse al azar. La acción es continua, de manera que todo átomo siempre tiene un electrón, cada electrón siempre está en un átomo. Por lo tanto, no hay carga eléctrica, pero el conductor tiene un gran número de electrones libres.



• Movimiento de los electrones

Para producir una corriente eléctrica, los electrones libres en el conductor de cobre deben moverse en la misma dirección, y no al azar. Esto se puede hacer aplicando cargas eléctricas en cada extremo del alambre de cobre; una carga negativa en un extremo y una carga positiva en el otro.

Puesto que estos electrones son negativos, la carga negativa los repele y los atrae la positiva. Debido a ello, no pueden pasar a aquellas órbitas que los harían moverse contra las cargas eléctricas. En cambio, se desplazan de órbita en órbita hacia la carga positiva, haciendo que se produzca una corriente eléctrica en 'esta dirección. Se puede ver en el diagrama que la densidad de los átomos en el alambre de cobre es tal que las órbitas de valencia de cada átomo se superponen de manera que los electrones pasan fácilmente de un átomo a otro. La trayectoria que recorre el electrón depende de la dirección de las órbitas que el electrón encuentra en el camino que lo lleva hacia la carga positiva. Puede verse que no siguen una línea recta. Pero en los extremos del conductor, donde las cargas son más intensas, éstas ejercen mayor control sobre cada electrón, de modo que sigue una trayectoria más próxima a la recta y se mueve con mayor rapidez a través del conductor.

• Flujo de corriente

Aunque a veces es más fácil considerar que los electrones que sen mueven libremente constituyen la corriente eléctrica, es importante recordar que esto no es exacto. El movimiento del electrón libre produce la corriente. Esto se entiende mejor, si se compara la velocidad de un electrón con la de la corriente. La velocidad del electrón puede variar, según el material conductor y el número de cargas eléctricas usadas. Pero la velocidad de la corriente siempre será la misma.

El electrón libre que se mueve al azar, lo hace con rapidez relativa debido a que está únicamente bajo la influencia de las fuerzas atómicas orbítales; su velocidad puede ser de unos cuantos cientos de kilómetros por segundo.

El electrón libre que se encuentra bajo la influencia de las cargas electrostáticas tiene que oponerse a alguna de las fuerzas orbítales atómicas de manera que su velocidad disminuye considerablemente. 'En ciertos casos avanza velocidades que pueden medirse en centímetros por segundo. Esto es sumamente lento, en comparación con la velocidad de la corriente eléctrica, que es igual a la de la luz: 300,000 kilómetros por segundo.

• El impulso de corriente

La corriente eléctrica, en realidad es el impulso de energía eléctrica que transmite un electrón a otro, al cambiar de órbita. Cuando se aplica energía a un electrón y éste se desprende de su órbita, al salir de ella, tiene que toparse con alguna órbita de otro átomo, ya que todas las órbitas exteriores se superponen y obstruyen el paso libre del



electrón. Cuando el electrón liberado entra a la nueva órbita, su carga negativa reacciona con la carga negativa del electrón que se encontraba en la órbita antes de él. El primer electrón repele al otro, expulsándolo de la órbita y, a la vez, trasmitiéndole su energía. El segundo electrón, al encontrarse en la órbita siguiente, repite lo que hizo el primero. Este proceso continúa en todo el alambre. El impulso de energía, transferido de un electrón al siguiente, constituye la corriente eléctrica.

• Velocidad de la comente eléctrica

Puesto que los átomos están muy próximos uno de otro y las orbitas se superpone, el electrón liberado no tiene que ir muy lejos para encontrar una orbita nueva. El momento en que entra a la nueva orbita, transfiere su energía al siguiente electrón, liberándolo. La acción es casi instantánea lo mismo ocurre con todos los electrones en movimiento, de manera que aunque cada electrón se mueve con relativa lentitud, el impulso de la energía eléctrica se transfiere a través de la línea de átomos a una velocidad muy grande: 300,000 kilómetros por segundo Se considera que los electrones libres son portadores de corriente.

Una buena analogía de esta transferencia de impulso seria una larga hilera de bolas de billar. Cuando la bola que juega choca con la que esta en el extremo de la fila, su fuerza se transmite de una bola a la siguiente hasta que salga disparada a la bola en el otro extremo. La última bola se separa de la fila casi en el mismo instante en que es tocada la primera.

• El circuito completo (cerrado)

Si se aplicara una carga negativa en un extremo del alambre, esta carga repelería a los electrones libres del otro extremo del alambre. La debido a que todo quedaría, en reposo. Para tener una corriente eléctrica, los electrones libres deben mande energía para aplicar cargas opuestas a ¡os dos extremos del alambre. Entonces, la carga negativa repelerá los electrones en todo el alambre. En el lado positivo, los electrones serán atraídos a la fuente; pero por cada electrón que entre en la fuente, habrá otro electrón que ésta suministrará al alambre por el lado negativo. Por consiguiente, la corriente seguirá fluyendo a través del alambre en tanto se continúe aplicando

las cargas eléctricas de la fuente de energía. A esto se llama circuito completo o cerrado. Una batería es un típica fuente de energía eléctrica. El circuito debe ser completo o cerrado para que fluya la corriente.

• Circuito abierto

Si el alambre se rompiera en cualquier punto, entonces, en la parte conectada al lado negativo de la batería, los electrones se acumularían en el extremo en que se rompió el alambre, mientras que, en la otra parte, el lado positivo de la batería atraería los electrones hacia si. Así se establecerla una carga en la apertura, suspendiéndose el movimiento de los electrones. La corriente cesaría de fluir. Un circuito abierto no conducirá corriente.

• Ley de Coulomb.



La expresión matemática de la ley de Coulomb es:

En donde q y q' corresponden a los valores de las cargas que interaccionan tomadas con su signo positivo o negativo, r representa la distancia que las separa supuestas concentradas cada una de ellas en un punto y K es la constante de proporcionalidad correspondiente que depende del medio en que se hallen dichas cargas.

El hecho de que las cargas aparezcan con su signo propio en la ecuación anterior da lugar a la existencia de dos posibles signos para la fuerza Fe, lo cual puede ser interpretado como el reflejo de los dos tipos de fuerzas, atractivas y repulsivas, características de la interacción electrostática. Así, cargas con signos iguales darán lugar a fuerzas (repulsivas) de signo positivo, en tanto que cargas con signos diferentes experimentarán fuerzas (atractivas) de signo negativo. Consiguientemente el signo de la fuerza en la ecuación anterior expresa su sentido atractivo o repulsivo.

La constante de proporcionalidad K toma en el vacío un valor igual a

K = 8,9874 · 109 N · m2/C2

Esa elevada cifra indica la considerable intensidad de las fuerzas electrostáticas. Pero además se ha comprobado experimentalmente que si las cargas q y q' se sitúan en un medio distinto del aire, la magnitud de las fuerzas de interacción se ve afectada. Así, por ejemplo, en el agua pura la intensidad de la fuerza electrostática entre las mismas cargas, situadas a igual distancia, se reduce en un factor de 1/81 con respecto de la que experimentaría en el vacío. La constante K traduce, por tanto, la influencia del medio.

Finalmente, la variación con el inverso del cuadrado de la distancia indica que pequeños aumentos en la distancia entre las cargas reducen considerablemente la intensidad de la fuerza, o en otros términos, que las fuerzas electrostáticas son muy sensibles a los cambios en la distancia r.

• Campos electrostáticas

Las fuerzas de atracción y repulsión entre los cuerpos cargados se deben a las líneas de fuerza electrostática que existen alrededor de los mismos. En un objeto cargado negativamente, las líneas de fuerza de los electrones que hay en exceso, se suman para producir un campo electrostático, el cual consta de líneas de fuerza que llegan al objeto desde todas direcciones.

En un objeto cargado positivamente faltan electrones y esto ocasiona que las líneas de fuerza de los protones que quedaron en exceso, se sumen para producir un campo electrostático cuyas líneas de fuerza salen del objeto, hacia todas direcciones. Estos campos electrostáticos pueden ayudarse o bien oponerse para atraer o repeler.

La intensidad de la fuerza de atracción o repulsión depende de dos factores: 1) la cantidad de carga que está en cada objeto, y 2) la distancia entre los objetos. Cuanto mayor sean las cargas eléctricas en los objetos, mayor será la fuerza electrostática. Y cuanto más próximos estén entre sí los objetos cargados, mayor será la fuerza electrostática. La fuerza de atracción o repulsión se debilita si disminuye alguna de las cargas o bien los objetos se alejan uno del otro.

Durante el siglo XVIII, un hombre de ciencia llamado Coulomb experimentó con cargas electrostáticas, gracias a lo cual pudo formular la ley de atracción electrostática, que se conoce comúnmente como Ley de las cargas electrostáticas de Coulomb. La ley postula que la fuerza de atracción o repulsión electrostática es directamente proporcional al producto de las dos cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa. Por supuesto, mientras más electrones en exceso tengan un objeto cargado, mayor será su carga negativa; y mientras más electrones le falten, mayor será su carga positiva.



• Atracción y repulsión.

Suponga que se tienen dos varillas: una de vidrio que esta cargada positivamente, después de frotarla con seda y una varilla de caucho que se froto con piel para darle carga negativa. A continuación se experimenta con el vidrio, caucho seda y piel, pero sin que se toquen y se observa que:

Cargas similares se repelen.

Cargas diferentes se atraen.

• Unidades de carga

La unidad con la cual se mide la carga eléctrica es el coulomb (C), en honor a Charles Coulomb. Corresponde a la siguiente carga:

1 Coulomb = 6,25x10 18 electrones

de donde podemos decir que la carga del electrón es igual a

Para cargas más pequeñas se usan los submúltiplos:

1 coulomb = 3x10 9 stat-coulomb (stc) 1 milicoulomb = 1mC = 0,001 C = 1x10 –3 C 1 microcoulomb = 1?C = 0,000001 C = 1x10 – 6 C

• Unidades eléctricas de medida

Ahora puede verse que existen dos condiciones para que haya flujo de corriente: 1) cargas eléctricas para mover a los electrones libres, y 2) un circuito completo por el que pueda fluir la corriente eléctrica. Se pueden usar diferentes cantidades de carga eléctrica y pueden producirse diferentes cantidades de corriente. Para medir todos estos valores, existen unidades apropiadas. La carga eléctrica que adquiere un objeto se llama potencial eléctrico, debido a que los electrones desplazados acumulan energía potencial que se puede utilizar para mover a otros electrones. Puesto que se necesitan dos cargas para completar un circuito, la diferencia de potencial entre estas dos cargas es lo que proporciona la fuerza eléctrica. Se considera que el negativo es un

potencial bajo y el positivo es un potencial alto. La corriente eléctrica de un alambre siempre va del potencial bajo al alto. Esto también significa que la corriente fluirá de un potencial positivo bajo a un potencial positivo alto, así como entre dos potenciales negativos.

Trabajo en equipo

Comparación de resultados con otros compañeros

Elaborar el mapa conceptual de electrostática y formulario.

1.2.1 Conducción y electricidad estática.

• Conducción eléctrica de los materiales

No todos los materiales conducen la electricidad de la misma forma. Para diferenciarlos, decimos que algunos presentan mayor “resistencia” que otros a conducir la electricidad.

La resistencia eléctrica es una medida cuantitativa respecto de cuán buen conductor es un material. La resistencia eléctrica se mide en ohmios, en honor a Georg Simon Ohm (1787-1854), que desarrolló los principios agrupados en la ley de



Ohm. A los materiales que presentan baja resistencia eléctrica se les llama buenos conductores eléctricos. A su vez, a aquellos que poseen alta resistencia eléctrica se les denomina malos conductores eléctricos. Cambios en la resistencia ¿Qué puede hacer cambiar la resistencia eléctrica en un material conductor? Volvamos a nuestro modelo del “juego de las manzanas verdes”. Si permitimos que más individuos se incorporen al juego y, de este modo, aumentamos la longitud del grupo en relación al campo de juego, ¿qué sucederá con la conducción de las manzanas? Pues bien, dado que ahora existe una mayor cantidad de individuos a través de los cuales debe pasar cada manzana, observaremos que la conducción cambia. Esto, pues habiendo una mayor cantidad de personas, aumenta el número de manzanas que se caen al suelo, o bien el número de ellas que son mordisqueadas, lo que trae como consecuencia que la conducción empeore.

Por otra parte, si en vez de aumentar la longitud del grupo, aumentamos el espacio por donde pasarán las manzanas es decir, aumentamos el ancho, incorporando más jugadores distribuidos en el campo de juego, también observaremos que la conducción cambia. Puesto que, si bien en este caso, al aumentar la cantidad de individuos, es mayor la cantidad de manzanas que se caen al suelo o son mordisqueadas, a su vez es mayor también la cantidad de manzanas que circulan por el grupo, dado que al aumentar el ancho de este hay más personas sacando manzanas desde los cajones, con lo cual observaremos -contrario al caso anterior, donde solo saca manzanas quien está al comienzo de la fila de jugadores que la conducción de manzanas mejora.

Análogamente a nuestro modelo, en un material conductor la resistencia eléctrica aumenta mientras mayor sea el largo del conductor por el cual circula una corriente, y disminuye cuando aumenta el área de este.

• Electricidad estática.

La corriente eléctrica fluye, es decir, que se mueve de un lugar a otro a través de un conductor, y lo hace a una gran velocidad; pero hay otro tipo de energía eléctrica, que es la electricidad estática, la cual, como su nombre lo indica, permanece en un

lugar. Un ejemplo: Si usted frota en su ropa un globo inflado (de preferencia un suéter de lana) o en su propio cabello, puede poner el globo contra la pared y ahí permanecerá. ¿Por qué? Cuando es frotado, el globo toma electrones del suéter o del cabello y adquiere una ligera carga negativa, la cual es atraída por la carga positiva de la pared.

Ahora, de la manera indicada, frote usted dos globos inflados, a cada uno de ellos áteles un hilo y trate de que se acerquen uno al otro. ¿Qué ocurre? Los globos evitan tocarse entre sí. ¿Por qué? La explicación es que ambos tienen cargas negativas y éstas se repelen. Las cargas positivas se repelen y las cargas negativas también. En cambio, las cargas diferentes se atraen. Esto mismo ocurre con los polos de cualquier imán: el "norte" tiende a unirse con el "sur", pero los polos iguales siempre se repelen entre sí.

La electricidad estática puede ocasionarnos descargas o lo que llamamos "toques". Si usted camina sobre una alfombra o tapete, su cuerpo recoge electrones y cuando toca algo metálico, como es el picaporte de la puerta o cualquier otra cosa con carga positiva, la electricidad produce una pequeña descarga entre el objeto y sus dedos, lo que, además de sorpresivo, a veces, resulta un tanto doloroso.

Otra manifestación de la electricidad estática son los relámpagos y truenos de una tormenta eléctrica: las nubes adquieren cargas eléctricas por la fricción de los cristales de hielo que se mueven en su interior, y esas cargas de electrones llegan a ser tan grandes que éstos se precipitan hacia el suelo o hacia otra nube, lo cual provoca el relámpago y éste el trueno. El relámpago viaja a la velocidad de la luz (más de 300 mil kilómetros por segundo) y el trueno a la velocidad del sonido (poco más de 300 metros por segundo). Por esta razón es que primero vemos el relámpago y después escuchamos el trueno.

• Conducción de electricidad en sólidos, líquidos, gases y en el vacío.

Cuando fluye una corriente eléctrica por un conductor metálico, el flujo sólo tiene lugar en un sentido, ya que la corriente es transportada en su totalidad por los electrones. En cambio en los líquidos y gases, se hace posible un flujo en dos



sentidos debido a la ionización. En una solución líquida, los iones positivos se mueven en la disolución de los puntos de potencial más alto a los puntos de potencial más bajo; los iones negativos se mueven en sentido opuesto. De forma similar, en los gases —que pueden ser ionizados por radiactividad, por los rayos ultravioletas de la luz solar, por ondas electromagnéticas o por un campo eléctrico muy intenso— se produce un movimiento de iones en dos sentidos que produce una corriente eléctrica a través del gas.

• Conducción de electricidad en el vació

Tal como se había observado antes para un vacío pobre, Plucker vio cómo se iluminaba todo el tubo al aplicar electricidad a las placas. Sin embargo, cuando casi todo el gas era evacuado notó que esa luz desaparecía quedando tan sólo un resplandor verdoso en el vidrio cercano a la zona de la placa conectada a la terminal positiva de su fuente de electricidad (el ánodo); la imagen luminosa no dependía mucho de la posición de ese electrodo. Más bien, parecía como si la luminosidad en esa zona fuera producida por algún tipo de rayos emitidos por la placa conectada al cátodo, y que viajaban de una placa a la otra a través del vacío. Plucker también observó que la posición de la imagen luminosa podía ser modificada si se acercaba un imán a la zona del ánodo. Un alumno de Plucker, J. W. Hittorf, encontró que al interponer objetos entre el cátodo y el ánodo se producían sombras en la imagen luminosa, con lo que reforzó la idea del origen catódico para esos rayos. El nombre de rayos catódicos fue introducido años después por el investigador alemán Eugen Goldstein, quien además demostró que las propiedades de esos rayos no dependían

del material de que estuviera hecho el cátodo.

Trabajo en equipo

Analizar las diferencias entre conducción y electricidad estática.

Identificar la diferencia entre voltaje, corriente y resistencia para la aplicación de la Ley de Ohm en los diferentes circuitos eléctricos.

1.3 Terminología eléctrica.

Dentro de la terminología eléctrica se utilizan estas unidades y conversiones:

• Unidades de tensión

Una carga de 1 Coulomb = 6,25x10 18 electrones Una fem de 1 volt (v) = 1 Coulomb que electrón un trabajo de 1 joule

1microvolt (µV) 0 1/1,000,000 volts 1 milivolts (mV) = 1/1000 volt 1 Kvolts (kV) = 1000 volt 1 Megavolts (Mvolts) = 1,000,000 volts

• Fuerza electromotriz (FEM).

La carga eléctrica que adquiere un objeto está determinada por el número de electrones que pierde o gana. Puesto que el número de electrones que se mueven así es sumamente grande, se usa una unidad llamada coulomb para indicar la carga. Si un objeto tiene una carga negativa de 1 coulomb, esto indica que ha ganado 6.28 X 10" (trillones) de electrones extras. Esto es 6,280,000,000,000,000, 000 electrones.

Cuando dos cargas tienen una diferencia de potencial, la fuerza eléctrica resultante se llama



fuerza electromotriz (fem). La unidad que se usa para indicar la intensidad de la fem es el volt. Cuando una diferencia de potencial causa el paso de 1 coulomb de comente para producir 1 Joule de trabajo, la fem es un volt. Algunas tensiones típicas que probablemente conoce el lector son: 1.5 volts para una pila de batería de mano; 6 volts para las baterías de automóviles antiguos- 12 volts para las mas modernas; 115 volts en el hogar; 220 volts para potencial industrial, etc. De hecho, los voltajes varían desde microvolts (millonésimas de volt) a megavolts (millones de volts). Los términos potencial, fuerza electromotriz (fem) y tensión o voltaje con frecuencia se usan indistintamente.

La fuente de potencia produce energía eléctrica por medios químicos, magnéticos u otros. Esta energía generalmente tiene la forma de una diferencia de potencial eléctrico entre las terminales de salida de la fuente y se le llama fuerza electromotriz. Generalmente, se utiliza la abreviatura fem en lugar de la expresi6n fuerza electromotriz. La fem se mide en volts por lo que a la fuente que la produce también se le llama fuente de voltaje o fuente de tensión. La polaridad de la fuente de tensión determina la dirección en la que habrá de fluir la corriente en el circuito y la cantidad de tensi6n suministrada por la fuente, determina cuál será el valor de la corriente que fluya.

• Diferencia de potencial.

La diferencia de potencial entre dos puntos de un campo eléctrico es el trabajo necesario para

trasladar la unidad de carga positiva desde un punto al otro punto.

El potencial eléctrico es una magnitud escalar y sus dimensiones son la de un trabajo por unidad de carga. Se mide en volts (V).

El potencia V en un punto, expresado en voltios (V), debido a una carga electrica q, en culombios (C), a una distancia r, en metros (m), viene dado por:

V = k q/r

• Usos prácticos de la electricidad

En realidad, cuando un alambre que es buen conductor se pone en contacto con las dos terminales de una batería o generador, se produce un corta circuito, porque así circula mucha más corriente de la que puede suministrar la batería o generador. La batería o generador puede quemarse y el alambre se calentara excesivamente. Por esta razón se utilizan fusibles protectores. Cuando fluye demasiada corriente, éstos se funden y "abren" el circuito. El alambre sirve para llevar corriente a otros elementos que van a realizar algún trabajo. Por ejemplo, conduce corriente que calienta el filamento de un foco eléctrico, para que emita luz; suministra energía eléctrica para hacer girar un motor, sonar una campana, calentar un tostador, etc.

• Unidades eléctricas de medida

Ahora puede verse que existen dos condiciones para que haya flujo de corriente: 1) cargas eléctricas para mover a los electrones libres, y 2) un circuito completo por el que pueda fluir la corriente eléctrica. Se pueden usar diferentes cantidades de carga eléctrica y pueden producirse diferentes cantidades de corriente. Para medir todos estos valores, existen unidades apropiadas.

La carga eléctrica que adquiere un objeto se llama potencial eléctrico, debido a que los electrones desplazados acumulan energía potencial que se puede utilizar para mover a otros electrones. Puesto que se necesitan dos cargas para completar un circuito, la diferencia de potencial entre estas dos cargas es lo que proporciona la fuerza eléctrica. Se considera que el negativo es un potencial bajo y el positivo es un potencial alto. La



corriente eléctrica de un alambre siempre va del potencial bajo al alto. Esto también significa que la corriente fluirá de un potencial positivo bajo a un potencial positivo alto, así como entre dos potenciales negativos.

• Flujo de electrones.

Cuando los electrones abandonan uno de los extremos de un conductor, este adquiere carga positiva, haciendo que todos los electrones libres del conductor se muevan en esa dirección. Este movimiento, que se produce simultáneamente en todo el conductor, aleja a los electrones del otro extremo de este y permite la entrada de nuevos electrones en ese punto; a este movimiento se le conoce como flujo de electrones o flujo de corriente.

• ¿Que es la corriente eléctrica?

En el material presentado hasta ahora, se explicó lo que es la electricidad y cómo se producen las cargas eléctricas. En particular, se estudiaron temas relativos a la electricidad estática, es decir, a la carga eléctrica en reposo. Pero, por lo general, una carga eléctrica estática no puede desempeñar una función útil. Si se quiere usar energía eléctrica para realizar algún trabajo, es preciso que la electricidad se "ponga en marcha". Esto sucede cuando se tiene una corriente eléctrica. La corriente se produce, cuando en un conductor hay muchos electrones libres que se mueven en la misma dirección.

Como se verá más adelante, todo electrón tiene cierta energía que puede producir determinados efectos. Los electrones suelen moverse en diversas direcciones, de manera que tales efectos se anulan. Pero cuando se hace que los electrones se muevan en la misma dirección, es decir, hay una corriente que fluye, entonces sus efectos se suman y la energía que liberan puede aprovecharse para realizar algún trabajo. Además, mientras mayor sea el número de electrones que se mueven en la misma dirección, mayor será el flujo de corriente y se dispondrá de mayor energía para efectuar algún trabajo. Por lo tanto, las corrientes mayores o menores, las produce un número mayor o menor, respectivamente de electrones "puestos en marcha", en la misma dirección.

• Electrones libres

Para comprender cómo pueden los electrones producir corriente eléctrica, será útil ilustrar la forma en que los átomos de un buen conductor, por ejemplo el cobre, están unidos en un trozo del metal en estado sólido. Todos los materiales deben tener sus átomos (o moléculas) unidas en alguna forma, pues de lo contrario se desintegrarían. Existen diferentes tipos y formas de uniones; por eso, unos elementos son gases, algunos son líquidos y otros sólidos. Además, existen varias formas en que los átomos de los sólidos están unidos, y por esta razón algunos metales son suaves y otros duros. El tipo de unión que nos interesa para el estudio de la electricidad básica es la unión metálica.

En un conductor de cobre cada uno de los átomos tiene un electrón de valencia, que apenas se mantiene en órbita. Además, los átomos están tan próximos, uno del otro, que las órbitas exteriores se sobreponen. Al girar el electrón de un átomo, puede ser atraído por otro átomo e incorporarse a la órbita de éste. Aproximadamente al mismo tiempo, un electrón en el segundo átomo se desprende y pasa a la órbita de otro átomo.

La mayor parte de los electrones exteriores continuamente cambian de órbita en esta forma, de manera que los electrones de valencia en realidad no están asociados con ningún átomo particular. Más bien, todos los átomos comparten a todos los electrones de valencia y así se unen entre sí. Los electrones están "libres" para moverse al azar. La acción es continua, de manera que todo átomo siempre tiene un electrón, cada electrón siempre está en un átomo. Por lo tanto, no hay carga eléctrica, pero el conductor tiene un gran número de electrones libres.

• Movimiento de los electrones

Para producir una corriente eléctrica, los electrones libres en el conductor de cobre deben moverse en la misma dirección, y no al azar. Esto se puede hacer aplicando cargas eléctricas en cada extremo del alambre de cobre; una carga negativa en un extremo y una carga positiva en el otro.

Puesto que estos electrones son negativos, la carga negativa los repele y los atrae la positiva. Debido a ello, no pueden pasar a aquellas órbitas



que los harían moverse contra las cargas eléctricas. En cambio, se desplazan de órbita en órbita hacia la carga positiva, haciendo que se produzca una corriente eléctrica en 'esta dirección.

Se puede ver en el diagrama que la densidad de los átomos en el alambre de cobre es tal que las órbitas de valencia de cada átomo se superponen de manera que los electrones pasan fácilmente de un átomo a otro. La trayectoria que recorre el electrón depende de la dirección de las órbitas que el electrón encuentra en el camino que lo lleva hacia la carga positiva. Puede verse que no siguen una línea recta. Pero en los extremos del conductor, donde las cargas son más intensas, éstas ejercen mayor control sobre cada electrón, de modo que sigue una trayectoria más próxima a la recta y se mueve con mayor rapidez a través del conductor.

• Flujo de corriente

Aunque a veces es más fácil considerar que los electrones que sen mueven libremente constituyen la corriente eléctrica, es importante recordar que esto no es exacto. El movimiento del electrón libre produce la corriente. Esto se entiende mejor, si se compara la velocidad de un electrón con la de la corriente. La velocidad del electrón puede variar, según el material conductor y el número de cargas eléctricas usadas. Pero la velocidad de la corriente siempre será la misma.

El electrón libre que se mueve al azar, lo hace con rapidez relativa debido a que está únicamente bajo la influencia de las fuerzas atómicas orbítales; su velocidad puede ser de unos cuantos cientos de kilómetros por segundo.

El electrón libre que se encuentra bajo la influencia de las cargas electrostáticas tiene que oponerse a alguna de las fuerzas orbítales atómicas de manera que su velocidad disminuye considerablemente. 'En ciertos casos avanza velocidades que pueden medirse en centímetros por segundo. Esto es sumamente lento, en comparación con la velocidad de la corriente eléctrica, que es igual a la de la luz: 300,000 kilómetros por segundo.

• El impulso de corriente

La corriente eléctrica, en realidad es el impulso de energía eléctrica que transmite un electrón a otro, al cambiar de órbita. Cuando se aplica energía a un electrón y éste se desprende de su órbita, al salir de ella, tiene que toparse con alguna órbita de otro átomo, ya que todas las órbitas exteriores se superponen y obstruyen el paso libre del electrón. Cuando el electrón liberado entra a la nueva órbita, su carga negativa reacciona con la carga negativa del electrón que se encontraba en la órbita antes de él. El primer electrón repele al otro, expulsándolo de la órbita y, a la vez, trasmitiéndole su energía. El segundo electrón, al encontrarse en la órbita siguiente, repite lo que hizo el primero. Este proceso continúa en todo el alambre. El impulso de energía, transferido de un electrón al siguiente, constituye la corriente eléctrica.

• Velocidad de la comente eléctrica

Puesto que los átomos están muy próximos uno de otro y las orbitas se superpone, el electrón liberado no tiene que ir muy lejos para encontrar una orbita nueva. El momento en que entra a la nueva orbita, transfiere su energía al siguiente electrón, liberándolo. La acción es casi instantánea lo mismo ocurre con todos los electrones en movimiento, de manera que aunque cada electrón se mueve con relativa lentitud, el impulso de la energía eléctrica se transfiere a través de la línea de átomos a una velocidad muy grande: 300,000 kilómetros por segundo Se considera que los electrones libres son portadores de corriente.

Una buena analogía de esta transferencia de impulso seria una larga hilera de bolas de billar. Cuando la bola que juega choca con la que esta



en el extremo de la fila, su fuerza se transmite de una bola a la siguiente hasta que salga disparada a la bola en el otro extremo. La última bola se separa de la fila casi en el mismo instante en que es tocada la primera.

• El circuito completo (cerrado)

Si se aplicara una carga negativa en un extremo del alambre, esta carga repelería a los electrones libres del otro extremo del alambre. La debido a que todo quedaría, en reposo. Para tener una corriente eléctrica, los electrones libres deben mande energía para aplicar cargas opuestas a ¡os dos extremos del alambre. Entonces, la carga negativa repelerá los electrones en todo el alambre. En el lado positivo, los electrones serán atraídos a la fuente; pero por cada electrón que entre en la fuente, habrá otro electrón que ésta suministrará al alambre por el lado negativo. Por consiguiente, la corriente seguirá fluyendo a través del alambre en tanto se continúe aplicando las cargas eléctricas de la fuente de energía. A esto se llama circuito completo o cerrado. Una batería es una típica fuente de energía eléctrica. El circuito debe ser completo o cerrado para que fluya la corriente.

• Circuito abierto

Si el alambre se rompiera en cualquier punto, entonces, en la parte conectada al lado negativo de la batería, los electrones se acumularían en el extremo en que se rompió el alambre, mientras que, en la otra parte, el lado positivo de la batería atraería los electrones hacia si. Así se establecerla una carga en la apertura, suspendiéndose el movimiento de los electrones. La corriente cesaría de fluir. Un circuito abierto no conducirá corriente.

• Tensión, corriente y resistencia.

Probablemente en determinado momento sea necesario calcular la corriente que fluye en un' circuito. Se sabe que esto se puede hacer mediante la ley de Ohm, de manera que lo primero es decidir cuál de las ecuaciones de la ley de Ohm puede usarse. Una buena práctica que conviene establecer en este punto, es pensar en función de cantidades conocidas e incógnitas. En toda ecuación, la incógnita es el término cuyo valor se quiere encontrar. Siempre es el término que está a la izquierda del signo igual. Las

cantidades conocidas son todos los demás términos de la ecuación. Estos se encuentran a la derecha del signo de igualdad.

En el problema indicado, se trata de encontrar el valor de la corriente, la ecuación de la ley de Ohm en la cual I es la incógnita es

I = E/R

Por lo tanto, ésta es la ecuación que debe usarse cuando se calcula la corriente en un circuito mediante la ley de Ohm.

El diagrama del circuito de la izquierda muestra un resistor de 20 ohms usado como carga en un circuito con una batería de 100 volts, como fuente de tensión. Si el resistor tiene una capacidad de corriente máxima nominal de 8 amperes, ¿se excederá su capacidad al cerrar el interruptor?

Después de leer la pregunta anterior y estudiar el diagrama, -puede concluirse que en realidad son dos preguntas: 1) ¿Qué cantidad de corriente se produciría al aplicar una tensión de 100 volts a través de una resistencia de 20 ohms?, y 2) ¿Es esta corriente desconocida mayor de 8 amperes? Para contestar la primera pregunta, la incógnita es la corriente, por lo que se usa la ecuación

I = E/R

I = E/R = 100 volts/20 ohms = 5 amperes

La segunda pregunta se puede contestar entonces con una simple comparación. Puesto que sólo fluye una corriente de 5 amperes, no se excede la capacidad de 8 amperes en el resistor.



¿Qué pasará ahora si se usa un resistor de 10 ohms, también con capacidad máxima de 8 amperes? Se usa nuevamente la ecuación 1 = E/R.

I = E/R = 100 volts/10 ohms = 10 amperes

La corriente resultante de 10 amperes excede al límite de 8 amperes. El resistor probablemente se quemará.

• Flujo convencional de corriente.

Según la ley de Ohm, la resistencia se calcula por medio de la ecuación:

R = E/I

Debe aplicarse esta ecuación a fin de seleccionar el resistor de tamaño adecuado para conectar en un circuito o determinar la resistencia de \ID resistor u otra carga ya en el circuito.

En el circuito del diagrama fluye una corriente de 3 amperes cuando el reóstato se ajusta a la mitad de su rango. ¿A cuánto debe ascender la resistencia del circuito? Lo que en realidad se pregunta aquí es lo siguiente: Cuál es la resistencia que, si se le aplica una tensión de 60 volts, produciría una corriente de 3 amperes? Puesto que la resistencia es la incógnita, se emplea la ecuación:

R = E/l.

R = E/l = 60 volts/3 amperes = 20 ohms

En el circuito anterior, ¿cuánta resistencia tendría que añadir el reóstato al circuito para aumentar la corriente a 6 amperes? También en este caso, la resistencia es la incógnita y se usa la ecuación

R = E/I

R = E/I = 60 volts/6 amperes =

10 ohms

Así pues, para duplicar el valor de la corriente, el de la resistencia debe reducirse a la mitad.

• Conductancia de carga

La tensión se calcula por medio de la ley de Ohm, mediante la ecuación:

E = IR

Si el foco del circuito del diagrama tiene una resistencia de 100 ohms y una corriente de 1 ampere en el circuito cuando se cierra el interruptor, ¿cuál es la tensión de salida de la batería?

Después de estudiar el diagrama del circuito se puede ver que, en realidad, la pregunta es la siguiente: ¿Cuál será la tensión producida por el flujo de una corriente de 1 ampere a través de una resistencia de 100 ohms? La tensión es la incógnita, de manera que se aplica la ecuación

E = IR = 1 ampere X 100 ohms = 100 volts

Si la batería ilustrada en el circuito se desgasta de manera que sólo se tienen 0.5 amperes len el circuito, ¿cuál es la tensión de salida de la batería?; Nuevamente se aplica la ecuación de tensión.

E = IR = 0.5 ampere X 100 ohms = 50 volts



De esto se puede concluir que, cuando la tensión de la fuente disminuyó a la mitad, también la corriente se redujo a la mitad.

1.3.1 Ley de Ohm

A principios del siglo XIX, el físico alemán Georgy Simon Ohm efectuó numerosos experimentos con electricidad e hizo algunos de los primeros descubrimientos importantes acerca de la naturaleza de la resistencia eléctrica. En su honor, la unidad de resistencia se ha llamado ohm. Se dice que un conductor tiene una resistencia de 1 ohm cuando una fem de 1 volt produce el flujo de una corriente de 1 ampere a través de ese conductor. Naturalmente, si 1 volt produce solamente % ampere de corriente, entonces el conductor tiene 2 veces la resistencia o sea 2 ohms. Gracias a esta relación, es posible determinar la resistencia exacta de todos los tipos, tamaños y formas de conductores. La resistencia puede variar desde fracciones de 1 ohm hasta kilohms (1,000 ohms) y megohms (1.000,000 ohms). Suele usarse la letra griega omega (n) como símbolo del ohm.

Según ya se ha indicado, puesto que la tensión produce el flujo de corriente en un circuito cerrado y la resistencia se opone al, flujo de ella, existe una relación entre tensión, corriente y resistencia. Esta relación fue determinada primeramente en una serie de experimentos efectuados por Georg Simon Ohm quien, según se recordará de la página 2-16 es el científico en cuyo honor se ha dado nombre a la unidad de resistencia.

Ohm encontró que si la resistencia en un circuito se mantenía constante y aumentaba la tensión de la fuente, se produciría un aumento correspondiente en la corriente. Asimismo, una disminución en tensión produciría una disminución en la corriente. Expresado de otra manera,

Ohm observó que en un circuito de cc, la corriente es directamente proporcional a la tensión. Ohm también descubrió que si la tensión de la fuente se mantenía constante, en tanto que la resistencia del circuito aumentaba, la corriente disminuía. En forma similar, una disminución en la resistencia tendría por resultado un aumento en la corriente. En otras palabras, la corriente es inversamente proporcional a la resistencia. Esta relación entre corriente, tensión y resistencia, en un circuito de cc se conoce como ley de Ohm y se puede resumir como sigue: en un circuito de cc, la corriente es directamente proporcional a la tensión e inversamente proporcional a la resistencia. Hablando estrictamente la ley de Ohm es un enunciado de proporción y no una ecuación matemática. Sin embargo, si se da la corriente en amperes, la tensión en volts y la resistencia en ohms, entonces la ley de Ohm se puede expresar según la ecuación;

I = E/R

que indica que la corriente (I) es igual a ]a tensión (E) dividida entre la resistencia (R). Hay dos formas de esta ecuación que son muy útiles para analizar circuitos de cc;



R = E/I

que indica que ]a resistencia (R ) es igual a la tensión (E) dividida entre ]a corriente (1) y

E = IR

que establece que ]a tensión (E) es igual a la corriente (1) multiplicada por la resistencia (R).

Gracias a estas tres ecuaciones, cuando se conocen dos de los tres elementos del circuito, el tercero se puede encontrar fácilmente. Es muy importante memorizar estas tres ecuaciones. Se usarán repetidas veces al estudiar y trabajar con circuitos.

Realización del ejercicio

Elaborar formulario y realizar ejercicios de ley de Ohm.

Sugerencias o Notas

Consideraciones sobre

seguridad e higiene

Realizar el trabajo en forma eficiente y oportuna. Practicas de Ejercicio y listas de cotejo


El alumno, realizará los ejercicios y prácticas incluidas en este manual con

orden, limpieza, eficiencia y responsabilidad.



2 GENERACIÓN DE ELECTRICIDAD

Al finalizar la unidad, el alumno identificara las diferentes formas de producir electricidad, las características de los resistores y condensadores para su operación en los diferentes circuitos.



Mapa curricular del módulo ocupacional

2.1 Identificar las diferentes formas de producir electricidad para alimentar

los equipos eléctricos. 16 hrs.


2.2 Identificar los tipos y características de los resistores para su operación en los diferentes circuitos donde se aplican. 15 hrs.

2.3 Identificar las características y tipos de los condensadores para su operación en los diferentes circuitos. 15 hrs.

Módul


Aplicación de

Corriente Directa

108 Hrs.


46 Hrs.


21 Hrs.


26 Hrs.




2. Generación de Electricidad

Sumario

Producción de electricidad

Resistencia y resistores

Capacitancia


2.1 Identificar las diferentes formas de producir electricidad para alimentar los equipos eléctricos.

2.2 Identificar los tipos y características de los resistores para su operación en los diferentes circuitos donde se aplican.

2.3 Identificar las características y tipos de los condensadores para su operación en los diferentes circuitos.

Identificar las diferentes formas de producir electricidad para alimentar los equipos eléctricos.

2.1 Producción de electricidad por acción química

Las substancias químicas pueden combinarse con ciertos metales para iniciar una actividad química en la cual habrá transferencia de electrones, produciéndose cargas eléctricas. Esta es la forma en que funciona una batería ordinaria. El proceso se basa en el principio de la electroquímica. "Un ejemplo es la pila húmeda básica. Cuando en un recipiente de cristal se mezcla ácido sulfúrico con agua (para formar un electrolito} el ácido sulfúrico se separa en componentes químicos de hidrógeno (H) y sulfato (SO,), pero debido a la naturaleza de la acción química, los átomos de hidrógeno son iones positivos (Ht) y los átomos de sulfato son iones negativos (S04-2). El número de cargas positivas y negativas son iguales, de manera que toda la solución tiene una carga neta nula. Luego, cuando se introducen en la solución barras de cobre y cinc, estas reaccionan con ella.

El cinc se combina con los átomos de sulfato; y puesto que esos átomos son negativos, la barra de cinc transmite iones de cinc positivos (Zn+); los electrones procedentes de los iones de cinc quedan en la masa de cinc de manera que la barra de cinc tiene un exceso de electrones, o sea, un

carga negativa. Los iones de cinc se combinan con iones de sulfato y los neutralizan, de manera que ahora la solución de iones de sulfato tienen más cargas positivas. Los iones positivos de hidrógeno atraen a electrones libres de la barra de cobre para neutralizar nuevamente la solución. Pero ahora la barra de cobre tiene una deficiencia de electrones, por lo que presenta una carga positiva.

• Pilas

Otra fuente de energía usada comúnmente es la acción química de las pilas eléctricas.

La pila suele usarse para obtener corriente eléctrica portátil o para casos de emergencia. Toda linterna o equipo eléctrico portátil emplea pilas como fuente de energía. Las pilas constituyen la principal fuente de electricidad de los submarinos modernos. Además existe una amplia gama de equipos que utilizan pilas como fuente de energía normal o de emergencia. Una de las causas comunes de falla en los equipos son las pilas “descargadas”, fallas que pueden ser muy graves.



Las pilas secas y baterías se dividen en dos tipos: pilas primarias y pilas secundarias.

Observando las partes de la pila y los electrones dentro de ella vería que el líquido, que se denomina electrolito, lleva electrones a una placa y los saca de la otra. Esta acción da como resultado la acumulación de un exceso de electrones o carga negativa en una de las placas de manera que al conductor adherido a .esa placa se lo denomina terminal negativa. La otra placa pierde electrones .Y adquiere carga positiva, de modo que el conductor adherido a ella se llama terminal positiva.

La acción del electrolito al llevar electrones de una placa a otra es en realidad una reacción química entre el electrolito y las dos placas. Esta acción convierte la energía química en cargas eléctricas en las placas y terminales de la pila.

Si las terminales de la pila no están conectadas, verá que los electrones se acumulan en la placa negativa hasta que no caben más. El electrolito tomará de la placa positiva una cantidad de electrones igual a la que acumuló en la placa negativa. Entonces ambas placas estarán cargadas al máximo y no habrá movimiento de electrones entre ellas.

Al conectar un conductor entre las terminales negativa y positiva de la pila, los electrones de la terminal negativa la abandonan y viajan por el conductor hasta la terminal positiva. Dado que ahora habrá más lugar en la terminal negativa, el electrolito transportará más electrones desde la placa positiva a la negativa. Mientras los electrones sigan abandonando la terminal negativa podrá viajar a la terminal positiva por fuera de la pila, el electrólito continuará llevando electrones de la placa positiva a la placa negativa dentro de la pila.

Mientras el electrólito transporta electrones, verá que la placa negativa se va Corroyendo y que aparecen burbujas en la terminal positiva. Eventualmente la placa negativa se disolverá por completo en el electrólito debido a la acción química, y la pila quedará "muerta" o incapaz de suministrar carga hasta que se reemplace la placa negativa. Por este motivo a esta pila se la llama pila primaria, lo que significa que una vez descargada por completo ya no se la puede volver a cargar si no se utilizan materiales nuevos.

Como placas para pilas primarias se pueden emplear carbón y la mayoría de los metales, mientras que como electrólito se pueden utilizar ácidos o compuestos salinos. Las pilas secas, como las de las linternas, son pilas primarias.

En las pilas primarias pueden emplearse casi todos los metales, ácidos y sales. Muchos tipos de pilas primarias se usan en laboratorios y con fines especiales, pero la que habrá utilizado usted y que utilizará con mayor frecuencia es la pila seca. Utilizará pilas secas de distintos tamaños, formas y pesos, desde la pila de la linterna tipo lápiz hasta la pila extra grande de las linternas de emergencia. Cualquiera sea su tamaño, siempre encontrará que el material empleado y el funcionamiento de toda pila seca son los mismos.

En el interior de una pila seca, encontrada que consiste en un recipiente de cinc que hace las veces de placa negativa, una varilla de carbón suspendida en el centro del recipiente como placa positiva, y una solución de cloruro de amonio en pasta como electrolito. En el fondo del recipiente de cinc hay un círculo de cartón alquitranado Para impedir que la varilla de carbón toque el recipiente de cinc. En la parte superior el recipiente contendrá capas de aserrín, arena y resina. Estas capas sirven Para mantener a la varilla de carbón en su lugar e impedir la filtración del electrolito.

Cuando la pila seca suministra electricidad, el recipiente de cinc y el electrólito se van gastando gradualmente. Una vez desaparecidos el cinc útil y el electrólito, la pila ya no puede dar carga y debe cambiarse por otra. Las pilas de este tipo son herméticas y se pueden almacenar por cierto tiempo sin que se deterioren. Cuando se conectan varias de estas pilas, se las llama batería seca. Como no se puede utilizar pilas secas para suministrar grandes cantidades de corriente, usted las encontrará solamente donde se les da un uso infrecuente o de emergencia.



La batería o acumulador de pilas secundarias puede suministrar grandes cantidades de energía por breve tiempo y se la puede volver a cargar. Las baterías de este tipo requieren mayor atención y cuidado que las baterías de pilas secas, pero se las emplea ampliamente en equipos en los cuales se necesitan cantidades de electricidad por periodos cortos de tiempo.

Las pilas secundarias de las baterías acumuladores son del tipo de plomo. En esta pila el electrolito es ácido sulfúrico, mientras que la placa positiva es peróxido de plomo y la negativa de plomo. Durante la descarga de la pila, el ácido se va diluyendo y ambas placas se modifican químicamente, transformándose en sulfato de plomo.

El recipiente de la pila de plomo es de baquelita o vidrio, que impide la corrosión y las pérdidas de ácido. En un espacio situado en el fondo se acumula el sedimento formado a medida que se va utilizando la pila. La tapa del recipiente se puede levantar y sirve de soporte para las placas.

Debido a que los materiales activos no tienen suficiente rigidez como para poderlos montar independientemente, se emplea una rejilla especial de metal inactivo para sostenerlos. Para obtener el máximo de acción química es deseable una gran superficie de placa, de manera que cada placa positiva está entrelazada entre dos placas negativas. En una pila secundaria típica se encontrará siete placas positivas unidas a un soporte común, entrelazadas con ocho placas negativas adheridas a un soporte distinto. Los separadores, que se hacen de madera o vidrio poroso, mantienen separadas a cada una de las placas positivas y negativas dejando pasar entre ellas al electrolito.

Las placas positivas y negativas están aseguradas a la tapa del recipiente, que, a su vez, se mantiene en su lugar mediante un alquitrán especial resistente al ácido. En la tapa hay un orificio con un tapón por el cual se agrega agua al electrolito para reemplazar el agua que se evapora. El tapón, a su vez, tiene un pequeño agujero de ventilación para permitir la salida de gas, porque cuando la pila funciona se forma gas en la placa positiva.

Estas pilas requieren terminales y conductores más grandes porque suministran grande cantidades de electricidad. Las conexiones y terminales se hacen con barras de plomo porque los otros metales sufrirían rápidamente la corrosión debido al electrolito ácido.



• Acumuladores

La batería es una de las fuentes de energía más importantes en la actualidad debido a que produce energía por si sola. Esta es una ventaja que no tiene ninguna de las demás fuentes de energía. A todas éstas primero hay que alimentarlas con energía de fuera por ejemplo calor, luz o energía mecánica, antes de que puedan producir electricidad. En cambio, la energía eléctrica de la batería se produce por la energía química contenida dentro de ella misma.

La batería se usa fundamentalmente cuando se necesita una fuente de energía que sea portátil; por ejemplo, en lámparas y linternas, en el sistema eléctrico de un automóvil, en fotografía para encender los bulbos aviones y barcos, juguetes, relojes, relojes de pulso, etcétera. De hecho, la batería es la fuente de energía más versátil que existe en la actualidad. La batería también sirve como fuente de voltaje, calibrada en un voltaje estándar. Típica de esta aplicación es la celda estándar que usa el National Bureau of Standards para establecer otras unidades de electricidad,'tales como el ohm y el ampere.

Básicamente, las baterías se clasifican en primarias o secundarías según la manera como convierten su energía química en energía eléctrica. La batería primaria convierte energía química directamente en energía eléctrica, usando los materiales químicos que se hallan dentro de la celda para iniciar la acción. La batería secundaria debe cargarse primeramente con energía eléctrica, antes de que pueda convertir energía química en energía eléctrica. La batería secundaria suele llamarse acumulador, ya que almacena ("acumula") la energía que se le suministra.

Las baterías se clasifican también en celdas húmedas o celdas secas. En la batería de celda húmeda se utilizan substancias químicas en estado líquido, en tanto que las celdas llamadas secas contienen una pasta química, La celda es la unidad básica de una batería. Una batería a menudo consta de numerosas celdas conectadas de manera que alimenten un voltaje o corriente mayor que la que pueda proporcionar una sola celda. Sin embargo, actualmente se utilizan indistintamente los términos celda y batería.

La batería primaria se usa principalmente cuando se requiere una cantidad limitada de corriente. Probablemente las baterías primarias más comunes son las celdas secas. La batería secundaria generalmente son celdas húmedas.



• Luz solar o fotoeléctrica.

Se puede producir electricidad utilizando como fuente de energía la luz, que se convierte en electricidad. Cuando la luz incide sobre ciertos materiales, éstos pueden conducir cargas eléctricas con mayor facilidad, desarrollar carga eléctrica, emitir electrones libres o convertir luz en calor.

El más útil de estos efectos es la producción de una carga eléctrica por una célula fotoeléctrica cuando la luz llega al material fotosensible de la célu1a.

La célula fotoeléctrica es un "sandwich" o disco metálico compuesto por tres capas de material. Una de las capas externas es de hierro. La otra capa externa es una película de material transparente o semitransparente que permite el paso de la luz. La capa central consiste en una aleación de selenio. Las dos capas externas hacen las veces de electrodos. Cuando se enfoca el haz de luz sobre la aleación de selenio a través del material transparente, se produce una carga eléctrica entre las dos capas externas. Si se conecta un medidor entre esas capas se puede medir la cantidad de carga. Una aplicación directa de este tipo de célula es el fotómetro común, que se utiliza en fotografía para determinar la cantidad de luz presente

La célula fotoeléctrica, comúnmente denominada "ojo eléctrico" o "célula PE", acciona en base al principio de la célula fotosensible. Sin embargo, la célula fotoeléctrica depende de una batería o de alguna otra fuente de electricidad en su función de determinar variaciones de luz. La célula fotosensible tiene muchas aplicaciones, algunas de las cuales son los aparatos automáticos para reducir la luz de los faros de los automóviles, máquinas cinematográficas, abridores de puertas

automáticos y fuentes de soda.

• Fotoceldas

Las fotoceldas son pequeños dispositivos que producen variación eléctrica en respuesta a un cambio en la intensidad luminosa. Las fotoceldas pueden clasificarse en: fotovoltaicas y fotoconductoras.

Una celda fotovoltaica es una fuente de engría cuyo voltaje de salida varia en relación a la intensidad luminosa en su superficie.

• Electricidad producida por luz

La luz en si misma es una forma de energía y muchos científicos la consideran formada de pequeños "paquetes" de energía llamados fotones. Cuando ^fotones de un rayo luminoso inciden sobre un material liberan su energía. En algunos materiales, la energía procedente de los fotones puede ocasionar la liberación de algunos electrones de los átomos. Materiales tales como potasio, sodio, cesio, litio, selenio, germanio, cadmio y sulfuro de plomo, reaccionan a la luz en esta forma. El efecto fotoeléctrico se puede usar de tres maneras:

1. Fototensión

La energía fotónica de un rayo de luz puede causar la liberación de electrones de la superficie de un cuerpo que se encuentra en un tubo de vació. Entonces la placa recoge estos electrones.

2. Fotovoltaica

La energía luminosa que se aplica sobre una de dos placas unidas, produce la transmisión de electrones de una placa a la otra. Entonces las placas adquieren cargas opuestas, en la misma forma que una batería.

3. Fotoconducción

La energía luminosa, aplicada a algunos materiales que normalmente son malos conductores, causa la liberación de electrones en los materiales, de manera que éstos se vuelven mejores conductores.



• Calor o termoeléctrica

Debido a que algunos materiales liberan fácilmente sus electrones y otros materiales los aceptan, puede haber transferencia de electrones, cuando se ponen en contacto dos metales distintos, por ejemplo: Con metales particularmente activos, la energía calorífica del ambiente a temperatura normal es suficiente para que estos metales liberen electrones. Por ejemplo, el cobre y el cinc se comportan de esta manera. Los electrones saldrán de los átomos de cobre y pasarán al átomo de cinc. Así pues, el cinc adquiere un exceso de electrones, por lo que se carga negativamente. El cobre, después de perder electrones, tiene una carga positiva. Sin embargo, las cargas originadas a la temperatura ambiente son pequeñas, debido a que no hay suficiente energía calorífica para liberar más que unos cuantos electrones. Pero, si se aplica calor a la unión de los dos metales para suministrar más energía, se liberarán más electrones. Este método es llamado termoelectricidad. Mientras mayor sea el calor que se aplique, mayor será la carga que se forme. Cuando se retira la fuente de calor, los metales se enfriarán y las cargas se disiparán. El dispositivo descrito recibe el nombre de termopar. Cuando se unen entre sí varios termopares, se forma una termo pila.

• Termocuplas y pirómetro

El dispositivo más común para medir temperatura en procesos industriales es la termocup/a. Una termocupla es un par de conductores metálicos distintos unidos entre sí formando una bucla completa como se muestra en la Figura (a).

Los conductores distintos tienen dos puntos de unión, uno a cada lado de la buela. Una unión, denominada la unión caliente, está sometida a la alta temperatura y la otra unión, la unión fría, está sometida a una baja temperatura. Cuando se hace esto, se crea un pequeño voltaje neto en la buela; este voltaje es proporcional a la diferencia entre la temperatura de las dos uniones.

Lo que sucede en una buela de termocupla es que se produce un pequeño voltaje en cada unión de los metales distintos, debido a un fenómeno no muy claro denominado el efecto Seebeck. Entre mayor sea la temperatura de la unión, mayor es el voltaje producido por dicha unión. Además, la relación entre el voltaje y la



temperatura es aproximadamente lineal; es decir un aumento dado en temperatura produce un aumento dado en voltaje. La constante de proporcionalidad entre el voltaje y la temperatura depende del par de metales que se utilicen. Dado que una buela completa siempre tiene dos uniones, se producen dos voltajes. Estos voltajes se oponen entre sí en la buela, tal como lo muestra la Figura anterior (b). El voltaje neto disponible para manejar una corriente a través de la resistencia de la buela es la diferencia entre los dos voltajes individuales de las uniones, los cuales dependen de la diferencia entre las dos temperaturas de las uniones.

Para medir la diferencia de temperatura, solamente es necesario abrir la buela en un punto conveniente (en algún punto frío) e insertar un voltímetro. El voltímetro debe ser bastante sensible dado que el voltaje producido por una buela de termocupla está en el rango de los milivoltios. Entonces la lectura de voltaje puede convertirse en una medida de temperatura

• Presión o piezoeléctrica.

Cuando se aplica presión a algunos materiales, la fuerza de la presión pasa través del material a sus átomos, desalojando los electrones de sus órbitas y empujándolos en la misma dirección que tiene la fuerza. Estos huyen de un lado del material y se acumulan en el lado opuesto Así pues, se originan cargas positivas y negativas, en los lados opuestos. Cuando cesa la presión, los electrones regresan a sus órbitas, Los materiales se cortan en determinadas formas para facilitar el control de las superficies que habrán de cargarse; algunos materiales reaccionarán a una presión de flexión en tanto que otros responderán a una presión de torsión

Piezoelectricidad es el nombre que se da a las cargas eléctricas producidas por el efecto de la presión. Pieza es un término que se deriva de la palabra griega que significa presión. El efecto es más notable en los cristales por ejemplo sales de Rochelle, y en ciertas cerámicas como el titanio de bario. Los cristales piezoeléctricos se usan en algunos micrófonos y en pastillas de fonógrafo.

Investigación documental

Investigar las diferentes formas de producir electricidad para alimentar los equipos eléctricos.

2.1.1. Producción de electricidad por magnetismo o electromagnética.

• Inducción electromagnética

Todos conocen los imanes, y los han manejado alguna que otra vez. Por lo tanto, podrán haber observado que, en algunos casos, los imanes se atraen y en otros casos se repelen. La razón es que los imanes tienen campos de fuerza que actúan uno sobre otro recíprocamente.

La fuerza de un campo magnético también se puede usar para desplazar electrones. Este fenómeno recibe el nombre de magnetoelectricidad; a base de éste un generador produce electricidad. Cuando un buen conductor, por ejemplo, el cobre, se hace pasar a través de un campo magnético, la fuerza del campo suministrará la energía necesaria para que los átomos de cobre liberen sus electrones de valencia. Todos los electrones se moverán en cierta dirección, dependiendo de la forma en que el conductor cruce el campo magnético; el mismo efecto se obtendrá si se hace pasar el campo a lo largo del conductor. El único requisito es que haya



un movimiento relativo entre cualquier conductor y un campo magnético.

• Movimiento.

• Electricidad producida por fricción

Este es el método que fue descubierto por los griegos, y que ya ha sido descrito en este mismo libro. Una carga eléctrica se produce cuando se trotan uno con otros dos pedazos de ciertos materiales; por ejemplo seda y una varilla de vidrio, o cuando uno se peina el cabello. ¿Alguna vez ha camino el lector sobre una alfombra y experimentado una descarga eléctrica al tocar una perilla metálica? Las suelas de los zapatos se cargan al frotarlos sobre la alfombra y esta carga se transfiere a la persona que, luego, se descarga en la perilla. Estas cargas reciben el nombre de electricidad estática, la cual se produce cuando un material transfiere sus electrones a otro.

Esto es algo que aún no se entiende perfectamente. Pero una teoría dice que en la superficie de un material existen muchos átomos que no pueden combinara con otros en la misma forma en que lo hacen, cuando están dentro del material; por lo tanto, los átomos superficiales contienen algunos electrones libres, esta es la razón por la cual los aisladores, por ejemplo vidrio y caucho, pueden producir cargas de electricidad estática La energía calorífica producida por la fricción del frotamiento se imparte a los átomos superficiales que entonces liberan los electrones Esto se conoce como efecto triboeléctrico. Realización del ejercicio

Observación

Identificar la producción de electricidad de forma magnética o electromagnética

Identificar los tipos y características de los resistores para su operación en los diferentes circuitos donde se aplican

2.2 Resistencia y resistores

• Resistencia y factores que la afectan.

El término conductancia se usa para describir el grado de eficacia con que un material permite el flujo de la corriente. Cuanto más alta sea la clasificación de conductancia de un metal, mayor cantidad de comente conducirá. De la misma manera, cuanto más baja sea la clasificación de conductancia de un metal, menor será la comente que conduzca. Otra forma en que se puede expresar esto es diciendo que los materiales de baja conductancia se oponen o resisten al flujo de la comente eléctrica. Algunos materiales, pues, ofrecen mayor resistencia al flujo de los electrones que otros. En realidad ésta es la forma en que se clasifican los materiales en el campo de la electricidad. Los buenos conductores tienen baja resistencia y los buenos aisladores, tienen alta resistencia.

• Diferentes conductores



Puesto que los diferentes metales tienen diferentes clasificaciones de conductancia, también deben tener diferentes clasificaciones de resistencia. Las clasificaciones de resistencia de los diferentes metales se pueden determinar experimentando con un trozo estándar de cada metal en un circuito eléctrico. Si de cada uno de los metales más comunes se corta una pieza de tamaño estándar o normal y luego se conectan una por una a una batería, se podrá observar que fluirán diferentes cantidades de corriente. Cada material ofrece una resistencia diferente al movimiento de los electrones.

El tamaño normal que generalmente se utiliza para probar la resistencia de los metales es un cubo de un centímetro por lado. La. Gráfica de barras muestra la resistencia de algunos metales comunes en comparación con el cobre. La plata es mejor conductor que el cobre debido que el cobre, por lo que el cobre conducirá 60 veces más corriente que el nicróm el en caso de conectarlos a la misma batería, primero uno y luego el otro.

• Reducción de la resistencia

En realidad, la resistencia de todo material depende del número de electrones libres que tenga. Si se tiene presente, se recordará que la corriente eléctrica se mide en amperes; un ampere es 6,280,000,000,000,000,000 electrones libres por segundo que pasan por determinado punto de un conductor. Por lo tanto, un buen conductor debe tener el número suficiente de electrones libres para permitir el flujo de vanos amperes. Puesto que la corriente es una medida de los electrones que pasan por un punto en un conductor, se puede hacer que haya más

electrones disponibles, mediante una pieza de metal más gruesa de manera que fluya más corriente.

Un trozo de cobre de 2 centímetros de altura y 1 centímetro de anchura tendrá el doble de electrones libres disponibles a lo largo del punto en que se mide la comente que un trozo de cobre de sólo 1 centímetro de altura y 1 centímetro de anchura. El cobre que tiene dos veces la altura del otro conducirá el doble de la corriente. Si se usa cobre de 2 centímetros de anchura, se duplicará la corriente y nuevamente la resistencia se reducirá a la mitad. Cuando se aumenta la anchura o la altura de una pieza de metal, se aumenta su área transversal. Cuanto mayor sea el área transversal de un conductor, más baja será su resistencia.

• Aumento de la resistencia

Al aumentar el área transversal de un conductor, habrá un mayor número de electrones libres para corriente disminuyendo la resistencia del conductor. De ahí se podría suponer que al cambiar la longitud de un trozo de cobre, sucedería lo mismo. Sin embargo, esto no ocurre así. Aunque un trozo de cobre más largo tenga más electrones libres en toda su extensión, los electrones libres adicionales no están a lo largo de la línea de medición de corriente. En realidad, cada longitud de conductor tiene cierta cantidad de resistencia y cuando se agrega una longitud adicional de cobre, se está aumentando la



resistencia. Cuanto más largo sea un alambre, mayor resistencia tiene.

• Cómo se controla la resistencia

Ahora puede verse que la resistencia de un alambre será mayor mientras más largo sea éste, y menor mientras más corto. También se puede reducir la resistencia aumentando su sección transversal o elevarla disminuyendo su sección transversal. Si se duplica la longitud, se duplicará la resistencia. Debido a esta relación, se dice que la resistencia de un alambre es directamente proporcional a su longitud.

Si se duplica el área transversal del alambre, se reducirá la resistencia a la mitad. En consecuencia, se dice que la resistencia de un alambre es inversamente proporcional a su sección transversal. Así pues, eligiendo el material apropiado para un conductor y haciéndolo de cierta sección transversal y determinada longitud, se puede producir cualquier clase de efecto de resistencia que se desee.

• Coeficiente de conductancia.

No todos los materiales conducen la corriente con la misma eficacia si se recuerda algo de la teoría eléctrica básica se sabrá que existen dos clases básicas de material que interesan en materia de electricidad. Estos son los conductores y los aisladores. Los conductores facilitan el flujo de la

corriente y los aisladores se oponen a este flujo. La razón de esto es que los conductores tienen muchos electrones libres.

La mayor parte de los metales son buenos conductores. Sin embargo algunos son mejores que otros debido a que no todos tienen el mismo numero de electrones libres. La facilidad con que un metal deja fluir la comente se describe con el término conductancia. Si se usa la misma fuente de tensión con metales diferentes, por los metales con alta conductancia fluirá una corriente mayor. La gráfica de barras da la conductancia comparada de algunos metales similares. La plata tiene la conductancia más elevada; pero como el cobre se usa con mayor frecuencia que la plata porque cuesta menos; al cobre se le da una clasificación de conductancia de 1 ya los otros metales se les dan valores en comparación con el del cobre. Por ejemplo, el tungsteno que se usa en los focos, sólo tiene 0.312 de la conductancia del cobre. Por lo tanto, el cobre dejará fluir más de 3 veces la cantidad de corriente que el tungsteno si ambos se conectan a la misma fuente de energía eléctrica.

• Tipos de resistores.

• Resiores

Con frecuencia ocurre que, si se conecta una carga a una fuente de tensión dada, puede fluir demasiada Corriente en el circuito. Esto podría suceder si la resistencia de la carga fuese muy baja o la tensión de salida de la fuente, muy alta. La corriente puede reducirse, bajando la tensión de la fuente; sin embargo, esto es generalmente imposible, o por lo menos impráctico. Como ya se sabe, la única otra forma que existe para disminuir la corriente, es agregar resistencia al circuito, lo cual se puede hacer aumentando la resistencia de la fuente de tensión, de la carga o de los conductores de conexión. Sin embargo, las resistencias de la fuente y la carga son intrínsecas a los dispositivos y no se pueden cambiar. Sólo quedan los conductores; pero su resistencia es tan baja que se necesitarían muchos kilómetros de alambre para agregar unos cuantos cientos de ohms a un circuito. Naturalmente, se pueden usar conductores de mayor resistencia y, de hecho, a esto se recurrió en el pasado para ciertas aplicaciones. Sin embargo, si siempre se hiciera



esto, aumentaría grandemente el número de tipos diferentes de conductores usados para interconectar circuitos eléctricos. Así pues, lo que se necesita es un método para sumar fácilmente varias cantidades de resistencia a un circuito sin cambiar drásticamente su tamaño físico ni los materiales usados para construirlo. Los resistores son los componentes del circuito eléctrico que se usan para lograrlo.

• Uso de los resistores

Los resistores se usan para aumentar resistencia a un circuito eléctrico. Básicamente, son materiales que ofrecen una alta resistencia al flujo de la comente. Los materiales que más se usan en los resistores son el carbón y aleaciones especiales de metal tales como nicromo, constantano y manganana. Un resistor se conecta a un circuito de tal manera que la comente de circuito pase a través de él y también a través de la carga de la fuente. Entonces, la resistencia total del circuito es la suma de las resistencias individuales de la carga, la fuente, los conductores de conexión y el resistor. De lo anterior, es posible concluir que, con sólo agregar el resistor apropiado a un circuito, puede cambiarse la resistencia de éste casi a cualquier valor.

• Tolerancia

La característica básica de cualquier resistor es el número de ohms de resistencia que tiene. A esto se le llama valor del resistor y normalmente está marcado sobre el resistor, de alguna manera. Pero, en realidad, el valor marcado en un resistor es sólo un valor "nominal". El valor real puede ser un poco

más alto o más bajo. La razón es que los resistores por lo general se fabrican en serie y, como todos los productos de este tipo, puede haber variaciones durante su manufactura. Para tomar en cuenta estas variaciones, los resistores se marcan con una tolerancia.

La tolerancia de un resistor generalmente se representa por un porcentaje que indica cuánto puede variar la resistencia efectiva en relación con el valor nominal de resistencia. Así pues, como a un resistor marcado con 100 ohms y una tolerancia de 10%, en realidad podría tener un valor de resistencia en algún punto entre 90 y 110 ohms. Las tolerancias más comunes son 20, 10, 5 y \%, Como puede deducirse de lo anterior, cuanto menor sea la tolerancia, más caro será el resistor.

• Dosificación de corriente

Como ya se sabe, una corriente que fluye en un alambre genera calor en éste. La causa de esto es la resistencia del alambre. Cuanto mayor sea esta resistencia, mayor cantidad de calor se produce. En un resistor, la resistencia está concentrada en un área pequeña, de modo que el calor generado por el paso de la comente también se concentra en un área pequeña. Como resultado, un resistor puede calentarse mucho cuando se conecta a un circuito. Esto significa que debe tener capacidad para resistir el calor generado o bien de expulsarlo hacia el ambiente exterior. Si no puede hacerse ninguna de estas dos cosas, a la larga puede dañarse o destruirse. Aun en el caso de que el calor no sea tan intenso como para dañar el resistor, puede causar un cambio considerable en la resistencia ya que, si el lector recuerda, cuando la temperatura cambia, la resistencia de todos los materiales también cambia.

Cada resistor tiene su dosificación de corriente máxima y no debe usarse en un circuito que lleve más de esta corriente máxima. En caso contrario,



el resistor puede quemarse. La clasificación de comente de un resistor normalmente equivale a la clasificación en watts del propio resistor.

• Tipos de resistores

Con base en lo que ya se sabe de resistores, podría pensarse que la selección de un resistor para un circuito es una cuestión sencilla; sólo se trataría de escoger aquel que tuviera la resistencia y la tolerancia adecuadas y que también pudiera conducir la corriente del circuito sin quemarse. Aunque estas consideraciones son importantes, no son las únicas que deben hacerse. Existen muchas más, tales como costo del resistor, su solidez, cómo está montado en un circuito y la consideración de si el tiempo o el uso prolongado habrán de causar cambios en el valor de su resistencia. Así pues, deben considerarse muchos puntos cuando se selecciona un resistor. Sin embargo, no todos esos puntos son importantes en todos los casos.

Por ejemplo, el costo de los resistores para un pequeño radio de mesa puede ser muy importante para el fabricante, pero no sus tolerancias. Si se fabricara un solo tipo de resistor que pudiera usarse en todos los circuitos y en toda circunstancia, sería muy costoso y tendría muchas características que frecuentemente serían innecesarias. En lugar de ello, se fabrican diferentes tipos de resistores, cada uno de ellos adecuado para ciertos usos.

La mayor parte de los resistores que se usan actualmente son de uno de dos tipos básicos: resistores de composición o resistores devanados. Sin embargo, cada vez se usa más un tercer tipo, llamado resistores de película.

• Resistores de composición

En la mayor parte de los casos en que se emplea un resistor, los requisitos no son difíciles de satisfacer y lo que se necesita es un resistor que cumpla su función en la forma más económica posible. El tipo de resistor que se usa con más frecuencia en estos casos es el resistor de composición. El tipo más común de resistor de composición consta esencialmente de un elemento de resistencia de carbón pulverizado, una caja plástica para sellar y proteger al elemento de resistencia y terminales para conectar el resistor en

el circuito según puede apreciarse en la gráfica de barras el carbón tiene una resistencia de 2,030 veces superior a la del cobre. Por lo tanto, sólo se necesitan pequeñas cantidades de carbón para obtener una alta resistencia. El carbón pulverizado se mezcla con un material aislante, y el valor del resistor depende de las cantidades relativas de carbón y material aglutinante que se usen.

Los resistores de composición ir hacen con valore, de resistencia que varían desde menos de 10 ohms hasta más de 20 millones de ohms (20mohms) y con tolerancias de 20, 10 y 5%. No pueden transmitir altas corrientes, sin sobrecalentarle y tienen elevado, coeficientes de temperatura. Sin embargo, tienen ventajas por su tamaño reducido, solidez y bajo costo. En general, los resistores de composición se usan en aplicaciones en lasa que no se manejan corrientes elevadas ni se requieren tolerancias estrechas.

• Resistores devanados

Las dos desventajas principales de los resistores de composición son su limitada capacidad de conducción de comente y la dificultad de construirlos con tolerancias bajas. Sin embargo, ambas limitaciones se pueden superar aunque con un aumento en costo, utilizando alambre especial de resistencia, en lugar de carbón pulverizado. Generalmente se necesitan tramos largos de alambre para obtener los valores de resistencia necesarios; para mantener a] resistor en el valor mínimo posible, el alambre se devana sobre un núcleo. Los resistores así elaborados, reciben el nombre de resistores devanados (de alambre).

Existen dos tipos básicos de resistores devanados: el de potencia y el de precisión. El de potencia se usa para circuitos que tienen grandes corrientes, en tanto que el de precisión se usa cuando se requieren resistencias con tolerancias muy pequeñas. Esencialmente, ambos tipos se construyen devanando alambre de aleación especial sobre un núcleo aislante aplicando después un recubrimiento de cerámica plástica u otro tipo de material aislante. Los extremos del devanado están unidos a casquillos metálicos en ambos extremos del núcleo. Los casquillos tienen alguna forma de terminal para conectar el resistor a un circuito. Las altas corrientes que se usan con resistores de potencia generan gran cantidad de



calor, el cual debe ser transferido a ambiente circundante, o disipado.

Por consiguiente, estos resistores son grandes, ya que mientras mayor superficie externa tenga un cuerpo, mayor cantidad de calor puede transferir. Los resistores devanados de potencia se hacen para valores de resistencia que varían desde unos cuantos hasta miles (K) de ohms, con tolerancias de 10 ó 20'%. Los resistores devanados de precisión se hacen para valores bajos de resistencia, desde 0.1 ohm y con tolerancias tan pequeñas como 0.1%. Para obtener tolerancias tan pequeñas, se usan materiales y métodos de construcción caros y, como resultado, los resistores de precisión también son caros.

• Resistores de película

Los resistores de película se pueden considerar como intermedios entre los resistores de composición y los resistores devanados de precisión. Tienen algo de la precisión y la estabilidad del tipo devanado, pero son más pequeños, sólidos y baratos.

Los resistores de película generalmente se fabrican depositando, mediante un proceso especial, una película delgada de material de resistencia sobre un tubo de vidrio o cerámica, Las terminales para conectar el resistor al circuito se conectan a casquillos en los extremos del tubo. Luego se moldea una capa aislante alrededor de la unidad para protegerla. La resistencia de un resistor de película está determinada por el material usado para la película y el espesor de ésta. En general los espesores varían desde 0.00025 hasta 0.00000025 milímetros. Por tal motivo, a estos

resistores se les llama frecuentemente resistores de película delgada.

• Resistores fijos

Hasta ahora se ha hablado de la forma en que se clasifican los resistores según los materiales usados para sus elementos de resistencia. Pero existe otra forma de clasificarlos, dependiendo de que el valor de resistencia sea fijo e invariable, o bien variable. Los tipos de resistores que acabamos de describir tienen dos puntas, conectadas cada una de ellas a un extremo del elemento de resistencia; cuando estos resistores se conectan en un circuito, todo su valor de resistencia se agrega al del circuito. Puede concluirse, pues, que un resistor fijo sólo tiene un valor de resistencia. Sin embargo, existe un tipo especial de resistor fijo que tiene más de un valor. Este tipo, además de las terminales en los extremos del elemento de resistencia, tiene una o más terminales adicionales en puntos intermedios entre los extremos del elemento. Conectando diferentes terminales a un circuito, se pueden obtener diferentes valores de resistencia. Sin embargo, cada una de estas resistencias diferentes sigue siendo por si misma una resistencia fija. Este tipo de resistor recibe el nombre de resistor con derivación. Los resistores fijos pueden ser del tipo de composición, devanados o de película.

• Resistores ajustables

Según se dijo en las páginas anteriores, puede concluirse que un resistor fijo no tiene flexibilidad por lo que respecta a su valor de resistencia. Tiene un valor, que no puede ser cambiado o variado. El resistor con derivación ofrece cierta flexibilidad, ya que se puede obtener más de un valor de resistencia de él. Sin embargo, el número de valores de resistencia que se pueden obtener de un resistor con derivación generalmente está limitado a tres o cuatro. En muchas aplicaciones, lo conveniente es un resistor del cual se pueda obtener un rango de valores de resistencia, desde O hasta algún máximo; por ejemplo, un resistor que puede ajustarse a cualquier valor de O a 100 ohms, o quizá de O a 25 K. Un tipo de resistor que ofrece esta flexibilidad es el resistor ajustable. Un resistor ajustable es similar a un resistor fijo, devanado con derivación, excepto que todo el devanado o parte de él está expuesto. Un cursor móvil, con una terminal hace contacto con el devanado y se puede mover a cualquier posición a



lo largo del devanado. La resistencia entre la terminal móvil y cualquiera de los extremos dependa entonces de la posición del cursor.

Estos resistores no se construyen para ser ajustados frecuentemente. Normalmente se ajustan al valor de resistencia necesario cuando se instalan en un circuito, dejándolos en ese valor.

• Resistores variables

En muchos dispositivos eléctricos frecuentemente se necesita cambiar un valor de resistencia. Por ejemplo, se tiene e) control de volumen del radio común, el control de brillantez del aparato de televisión o un atenuador de luces, o bien, un control de velocidad de un motor. Esto no se puede hacer mediante un resistor ajustable, ya que sería difícil y tardaría demasiado tiempo. Los resistores utilizados deben tener capacidad para variar continuamente dentro de cierto rango de resistencias, lo mismo que los resistores ajustables; pero también debe ser muy fácil hacerlos variar, y estar construidos para resistir ajustes frecuentes. Los resistores con estas características se llaman resistores variables. General- mente, un resistor variable consta de un elemento de resistencia circular contenido en una cubierta o caja. El elemento puede ser devanado, de composición o de película. Se puede deslizar un contacto móvil sobre el elemento, manteniendo contacto eléctrico con él.

Se hace girar el contacto móvil por medio de un eje. Por lo tanto, la resistencia entre el contacto móvil y los extremos del elemento dependen de la

posición del eje. Ambos extremos del elemento de resistencia y el contacto móvil están conectados a terminales externas. Cuando las tres terminales están conectadas al circuito, al resistor se le llama potenciómetro. Cuando sólo se usan en el circuito la terminal central y una de las terminales, el resistor recibe el nombre de reóstato. Algunas veces, se hacen reóstatos sin la terminal extrema, que no habrá de usarse. Así pues, tenga presente que los potenciómetros y los reóstatos son, ambos, resistores variables. La única diferencia es su forma de aplicación en un circuito.

• Código de colores, valores y tolerancias.

Todos los resistores tienen su valor de resistencia marcado en alguna forma. Primeramente, podría suponerse que esto se haría siempre por medio de números; por ejemplo, 50 ohms o 1,000 ohms. Los resistores de potencia más grandes, los resistores de precisión y los resistores variables se marcan en esta forma; pero esto es impráctico para resistores fijos y de composición, de tamaño pequeño. Estos resistores a menudo son demasiado pequeños para marcarlos. Además, su forma es tubular prácticamente en cualquier posición.



Si sus valores de resistencia se los resistores estuvieran conectados en el circuito. Naturalmente, los números se podrían marcar alrededor del resistor; pero esto seria difícil y costoso, desde el punto de vista, de manufactura. Este problema se ha resuelto mediante una serie de bandas de calor alrededor de los resistores para indicar sus valores de resistencia. Las posiciones de las bandas y su color, que constituyen lo que se llama código de color, indican los valores de resistencia. Se ha adoptado un solo código estándar de colores en los Estados Unidos, tanto en las Fuerzas Armadas como en la Asociación de Industrias electrónicas (EIA) para resistores de composición fija y terminales axiales.

• Potencia de utilización.

Como ya se sabe, el objeto de la fuente de energía en un circuito eléctrico es suministrar energía eléctrica a la carga. La carga aprovecha esta energía para desempeñar alguna función útil. Pero otra forma en que se puede expresar esto es decir que la carga aprovecha la energía de la fuente para efectuar trabajo. Al hacer trabajo, la carga consume energía. Esta es la razón por la que tas baterías "se desgastan" y se tiene que cargarlas de nuevo o substituirlas. La cantidad de trabajo

efectuado por una carga depende de la cantidad de energía alimentada a la carga y de la rapidez con que la carga utiliza esa energía. En otras palabras, usando cantidades iguales de energía, algunas cargas pueden efectuar más trabajo que otras en el mismo tiempo. Así pues, unas cargas trabajan más rápidamente que otras.

El término potencia se usa para referirse a la rapidez con que una carga puede efectuar un trabajo. Se puede definir como sigue: la potencia es la cantidad estándar de tiempo, generalmente un segundo. Un punto importante que debe tenerse presente es que el trabajo efectuado en un circuito eléctrico puede ser trabajo útil o desperdiciado. En ambos casos, la rapidez con que se efectúa e trabajo se mide en potencia. La operación de un motor eléctrico es trabajo útil, como lo es el calentamiento del elemento en una estufa eléctrica. Por otra parte, el calentamiento de los conductores de conexión o resistores en un circuito es trabajo desperdiciado, ya que el calor no desempeña ninguna función útil. Cuando se emplea potencia para un trabajo desperdiciado se dice que la patencia se disipa.

• La unidad de potencia

Puesto que la potencia es la rapidez con que se efectúa un trabajo, debe expresarse en unidades de trabajo y tiempo. Indudablemente que la unidad básica de tiempo es el segundo; sin embargo, puede no conocerse la unidad de trabajo. Para este curso, sólo se necesitará definir unidad de trabajo. En muchos libros de física se puede encontrar una descripción de cómo se despeja esta unidad. La unidad de trabajo eléctrico es el joule, que representa la cantidad de trabajo efectuada por un coulomb por medio de una diferencia de potencial de 1 volt. Así pues, si se tiene un flujo de 5 coulombs por medio de una diferencia de potencial de 1 volt, se efectúan 5 joules de trabajo. Puede verse que el tiempo que tardan esos coulombs en fluir por medio de la diferencia de potencial no tiene influencia sobre la cantidad de trabajo efectuada. Si esto se hace en un segundo o en un año, el trabajo efectuado será de 5 joules.

Cuando se trabaja con circuitos es más conveniente operar con amperes en lugar de coulombs; y, según se dijo en el volumen 1, un ampere es igual a 1 coulomb que pasa por un



punto en 1 segundo. Por lo tanto, usando amperes se tendrá que I joule de trabajo se efectúa en 1 segundo cuando un ampere pasa a través de una diferencia de potencial de 1 volt. Esta rapidez de 1 joule de trabajo en 1 segundo es la unidad básica de potencia y recibe el nombre de watt. Por lo tanto, un watt es la potencia consumida cuando un ampere de corriente fluye a través de una diferencia de potencial de un volt.

La potencia, mecánica generalmente se mide en unidades de caballos de fuerza o horsepower, y se abrevia hp. Algunas veces es necesario efectuar la conversión de watts a caballos de fuerza, y viceversa. Para convertir de caballos de fuerza a watts, hay que multiplicar el número de caballos de fuerza por 746. Y para convertir de watts a caballos, dividir el número de watts entre 746. Trabajo en equipo


Elaborar la tabla comparativa y formulario de los diferentes componentes resistivos

2.2.1 Operación, construcción y uso de potenciómetro.

• Cálculo de la potencia

Si se desea determinar la potencia disipada en una carga eléctrica, se pueden medir dos cualesquiera de las tres magnitudes eléctricas básicas estudiadas: corriente, tensión y resistencia. Por ejemplo, téngase presente que la potencia se calcula multiplicando voltaje por comente: P = El. Por lo tanto, si se usa un voltímetro para medir el voltaje de una carga y un medidor de comente para medir la corriente que pasa a través de la carga, se incluyen estos valores en la ecuación de potencia. En forma similar, la corriente en la carga y su resistencia se miden calculando el valor de la potencia según P = PR. O bien, se mide el voltaje que hay en la carga y su resistencia y luego se calcula la potencia según P = E2/R.

Sin embargo, en la práctica no suele ser necesario medir dos cantidades. Por lo común se conoce una y a veces dos. Por ejemplo, generalmente se sabe cuánto voltaje se aplica a la carga; por lo tanto, es suficiente medir la resistencia o la corriente. En otros casos, se conocen tanto el voltaje de la carga como su resistencia; en este caso, no es necesario efectuar mediciones, pudiéndose calcular la potencia según P = E2/R.

• Circuito del potenciómetro

En la ilustración puede advertirse que en un circuito con cargas en serie existen diferentes tensiones entre distintos puntos del circuito. Más tarde se comprenderá que esto es muy útil, ya que hace posible obtener diferentes valores de tensión de una fuente. Es obvio que cuanta más carga en serie se tengan, más valores de tensión existirán en el circuito. Pero para tener muchas tensiones en esta forma se requiere un número muy grande de cargas en serie.

Una forma de obtener muchas tensiones manteniendo el número mínimo de cargas, consiste en usar un potenciómetro como carga Se recordará que en la página 2-33 se dijo que un potenciómetro tiene tres terminales y las tres están conectadas en un circuito. Por lo tanto, la terminal conectada al brazo móvil del potenciómetro de hecho divide la resistencia total en dos resistencias en serie y cada resistencia tiene su propia caída de tensión. Al variar la resistencia del potenciómetro, puede obtenerse cualquier valor de resistencia así como cualquier valor de tensión.



• Reóstato.

Un tipo de resistencia variable llamado reóstato, se muestra en la Fig. El reóstato tiene dos conexiones, una en un extremo de la resistencia y la otra en un brazo deslizante que se mueve a lo largo de ella. Los reóstatos pueden ser de alambre o de carbón.

El símbolo para un potenciómetro, que es un reóstato que tiene conexiones en ambos extremos de la resistencia, más otra conexión en un contacto deslizante, se muestra en la siguiente figura. En la mayoría de los casos, los potenciómetros se utilizan para seleccionar una cierta parte de la tensión total a través del potenciómetro. Se emplean como divisores de tensión.

Una resistencia ajustable es una resistencia de alambre con un contacto deslizante cuya posición puede fijarse una vez determinado experimentalmente el valor de resistencia que se desea. Puede construirse en forma de reóstato, pero también puede tomar la forma de un potenciómetro cilíndrico en el que se puede fijar la posición del contacto móvil apretando un tornillo. Al ajustar estas resistencias, debe tenerse mucho cuidado con que el tornillo esté lo bastante flojo para poder mover el contacto móvil sin estropear el fino alambre de que suele hacerse la resistencia. Estas resistencias pueden estar parcialmente recubiertas por una capa vítrea, pero en parte de ellas, el alambre ha de estar desnudo a fin de que el brazo deslizante pueda hacer contacto con la resistencia.

• Puente de Wheatstone.

Cualquier discusión de los aparatos de medida debe incluir una mención de los dispositivos tipo puente. El puente de Wheatstone (siguiente figura) puede ser utilizado para realizar medidas precisas de resistencias desde una fracción de ohmio hasta cientos de miles de ohmios. La resistencia desconocida, Rx, se conecta entre los puntos A y B. Una resistencia variable, Rk, se

conecta entre los puntos X e Y. Cuando las cuatro resistencias son proporcionales de modo que R sea a Rk como Rz es a Rx, las caídas de tensión a través de Rk.Y Rx serán iguales.

No habiendo diferencia de potencial a través del medidor éste indicará el cero. Si las resistencias no son proporcionales, el medidor indicará algún valor, positivo o negativo.

El circuito puente requiere un medidor sensible de bobina móvil construido de modo que dé una lectura cero en el centro de la escala, en vez de en el extremo izquierdo. A un medidor de tal clase suele llamársele tipo galvanómetro.

La teoría de emplear un equilibrio proporcional para obtener una indicación nula se utiliza también en otros puentes. Hay muchos tipos diferentes capaces de medir impedancias, reactancias, frecuencias, capacidades e inductancias. El espacio limita esta discusión a solo otro tipo, un puente de inductancias.

Este puente utiliza una fuente de c.a, tal como un oscilador AF de válvulas de vacío, acoplada al puente por medio de un transformador. Cuando R es a Lk como Rz es a Lx, la diferencia de potencial c-a a través de los auriculares será cero y no se oirá sonido alguno. Si las proporciones no son correctas se oirá en los auriculares como sonido una señal procedente del oscilador.

La fórmula para determinar la inductancia desconocida puede ser la misma utilizada para la resistencia en el puente de Wheatstoneo Son posibles otras modalidades. Por ejemplo, puede ser más práctico utiliza Lk como valor fijo y R¡ como elemento variable. Al medir inductancias, la resistencia de la inductancia desconocida puede introducir un error. Las resistencias (inductancias o capacidades) variables utilizadas para equilibrar circuitos puente vienen en cajas de décadas. Una caja de décadas puede tener cinco o más conmutadores giratorios, el primero para



seleccionar, por ejemplo, una entre 10 resistencias de 0,1a 0,1 ohms. El segundo conmutador añade resistencias en unidades de ohmios hasta 10 ohms. El tercero añade resistencias en unidades de 10 ohms hasta 100 ohms. El cuarto añade resistencias en unidades de 100 ohms hasta 1.000 ohms. El quinto añade resistencias en unidades de 1.000 ohm hasta 10.000 ohms. Seleccionando adecuadamente la posición de los diversos conmutadores, puede tomarse cualquier valor de resistencia con intervalos de 0,1 ohms. El nombre caja de décadas viene de deca, que significa «diez». Las décadas de resistencias son muy precisas. Las décadas de condensadores lo son algo menos. Las décadas de inductancias pueden ser precisas hasta sólo el 5 por 100

2.2.2 Cálculo de resistencias en serie

La manera más simple de conectar componentes eléctricos es disponerlos de forma lineal, uno detrás del otro. Este tipo de circuito se denomina “circuito en serie”, como el que aparece en la ilustración. Si una de las resistencias (bombillas) del circuito deja de funcionar, la otra también lo hará debido a que se interrumpe el paso de corriente por el circuito.

Puesto que el flujo de la corriente depende de la resistencia total del circuito y para un circuito serie la resistencia total se obtiene sumando las resistencias de las cargas individuales, que para caso de la figura se tiene:

54321 RRRRRRT ++++=

• Paralelo.

Otra manera de conectarlo sería que cada resistencia (bombilla) tuviera su propio suministro eléctrico, de forma totalmente independiente, y así, si una de ellas se funde, la otra puede continuar funcionando. Este circuito se denomina “circuito en paralelo” que se muestra en la ilustración.

Siguiendo un modelo para el calculo de la resistencia total del circuito en paralelo, partiendo que la corriente se dividirá en la suma de tales, se concluye que será el reciproco del reciproco de la suma de los valores independientemente del valor de las resistencias.

7654321

11111111

RRRRRRR

RT

++++++=

• Mixtas.

A partir de lo visto, debe ser fácil distinguir los circuitos tanto en serie y paralelo. Pero existe otro tipo de circuito que tiene ramas, como circuito en paralelo, y cargas o componentes en serie, como los circuitos en serie. A esto se le llama circuitos serie – paralelo, puesto que es una combinación de ambos.



En un circuito en serie, la corriente es la misma en todos los puntos. A lo largo de un circuito paralelo uno o mas puntos en que la corriente se divide y fluye en ramas separadas. Y en un circuito serie - paralelo se tienen tanto las ramas separadas como cargas en serie. Por lo tanto, es fácil de comprender que la forma mas fácil de determinar que un circuito esta en serie, en paralelo o en serie – paralelo, es comenzar en la terminal negativa de la fuente de energía y rastrear la trayectoria de la corriente en el circuito hasta regresar la a la terminal positiva de la fuente de energía.

Si la corriente no se divide en ningún punto, se trata de un circuito en serie. Si la corriente se divide en ramas separadas, pero no hay cargas en serie se trata de un circuito paralelo. Y si la corriente se divide en ramas separadas y también hay cargas en serie, se trata de un circuito en serie – paralelo. Cuando se sigue el circuito de esta manera, se deberá tener en cuenta que existen dos tipos de carga en serie. Uno de ellos consta de dos o más resistencias en una rama del circuito. El otro es cualquier resistencia a través de la cual fluya la corriente total del circuito.

Para encontrar la caída de tensión en cualquiera de las cargas o la corriente en cualquiera de las ramas, generalmente hay que saber la corriente total del circuito; pero, para encontrar la corriente total, es necesario conocer, antes que nada, la resistencia total del circuito. Los medios que se usaran para analizar circuitos en serie - paralelo son principalmente combinaciones de los que ya se conocen para circuitos en serie y circuitos en paralelo.


Elaborar formulario y realizar ejercicios de circuitos serie, paralelo y mixto de resistores.

Identificar las características y tipos de los condensadores para su operación en los diferentes circuitos

2.3 Capacitancia

• Carga positiva y negativa

La capacitancia puede definirse en términos generales como la propiedad de un circuito eléctrico, que le permite almacenar energía eléctrica por medio de un campo electrostático y liberar esta energía posteriormente. Los dispositivos que introducen capacitancia a los circuitos se llaman capacitores. Físicamente, existe un capacitor siempre que un material aislante separe a dos conductores que tengan una diferencia de potencial entre sí. Los capacitores son aparatos fabricados para añadir deliberadamente capacitancia a un circuito. Sin embargo, la capacitancia también puede ser una capacitancia adicional debida a la disposición y localización de partes en un circuito o sistema eléctrico.

En este caso la capacitancia que se introduce generalmente no es deseada. En un capacitor, la energía eléctrica se almacena en forma de campo electrostático entre los dos conductores o placas, como se les llama generalmente. Los capacitores antiguamente se conocían como condensadores y, a veces, todavía se les llama así. Sin embargo, el término capacitor es más correcto.



• Factores que afectan el área de capacitancia de una placa

Los factores que determinan la capacidad son el área de las placas que se enfrentan entre sí, la separación entre las placas y la composición del material no conductor situado entre ellas.

Dos placas de un centímetro cuadrado cada una (1 cm2), separadas por 1/1.000 cm de aire, producen una capacidad de 89 pF. Si el área de cada placa se aumenta a 2 cm2 y la separación sigue siendo 0,001 cm, la capacidad se vuelve el doble, ó 178 pF. Por tanto, la capacidad es directamente proporcional a las áreas de las placas que se enfrentan entre sí.

Si la distancia entre las dos placas de 1 cm2 se aumenta a 0,002 cm, el camino de las líneas de fuerza electrostáticas entre la placa negativa y la positiva es el doble de grande, por lo que la intensidad del campo electrostático es solamente la mitad y la capacidad también es la mitad. En consecuencia, la capacidad es inversamente proporcional a la separación entre las placas.

El material no conductor entre las placas, llamado material dieléctrico, determina la concentración de las líneas de fuerza electrostáticas. Si el dieléctrico es el aire, se establece un cierto número de líneas de fuerza. Otros materiales ofrecen menos oposición al establecimiento en ellos de líneas de fuerzas electrostáticas. Por ejemplo, si en vez de aire se utiliza un cierto tipo de papel, el número de líneas de fuerza electrostática entre las placas puede ser el doble. Tal condensador tendrá el doble de capacidad, y con la misma fem de la fuente que se aplique, el número de electrones que entran y salen de él será el doble. Se dice del papel que tiene una constante dieléctrica, o poder inductivo específico, dos veces el del aire. Por tanto, la capacidad de un condensador es

directamente proporcional a la constante dieléctrica.

Una fórmula para determinar la capacidad de un condensador con dos placas que incluye estos tres factores es:

en donde e viene en pF; K es la constante dieléctrica; A es el área de una de las placas en centímetros cuadrados; y S es la separación entre las placas en centímetros.

• Distancia y numero entre placas

Esta fórmula es para un condensador con dos placas. Si se desea más capacidad es posible apilar más placas una sobre otra, separándolas por medio de láminas de material dieléctrico. Un condensador con tres placas tendrá el doble de área de las placas enfrentándose, como muestra la Fig, por lo que

su capacidad será el doble. Un condensador con cuatro placas tiene el triple de área de las placas enfrentándose, por lo que su capacidad es tres veces mayor. La fórmula para condensadores con varias placas es

en donde (N -1) es el número de placas del condensador menos l.

• Constante dieléctrica



La constante dieléctrica aproximada o poder inductivo específico de algunos de los materiales corrientes utilizados como dieléctricos en los condensadores, se da en la Tabla Material

La constante dieléctrica de los materiales dieléctricos sólidos, disminuye al aumentar la frecuencia. Aparentemente, las moléculas del dieléctrico no disponen de tiempo suficiente para adaptarse a las líneas de fuerza electrostáticas, rápidamente variables, que deben soportar. Si las líneas de fuerza no pueden desarrollarse completamente en las moléculas del dieléctrico, la constante dieléctrica disminuye y la capacidad del condensador es menor. Por tanto, un condensador de papel de 0,1 ,uF, puede tener este valor de capacidad a 1 MHz, pero tendrá mucha menos a 100 MHz. La mica es menos afectada por la frecuencia, y el aire y el vacío no lo son de modo apreciable.

Trabajo en equipo


Elaborar la tabla comparativa y formulario de los diferentes componentes capacitivos

2.3.1 Capacitor

• Funcionamiento

Para obtener un valor de capacitancia deseado, a menudo pueden conectarse los capacitares en serie. La capacitancia total de la combinación en serie es inferior a la capacitancia de cualquier capacitor particular. Esto se debe a que la combinación serie funciona como un capacitor único, cuya separación entre placas sea igual a la suma de las separaciones que hay entre las placas de cada uno de los capacitares.

Y, según se entiende, cuanto mayor sea la separación entre las placas, menor será la capacitancia. La capacitancia total de capacitares en serie se calcula de la misma manera que la resistencias total de resistores en paralelo. Sin embargo, la reactancia capacitiva total de capacitares en serie no se encuentra de la misma manera, puesto que la reactancia capacitiva es inversamente `proporcional a la capacitancia, si la capacitancia total de capacitares en serie disminuye, entonces la resistencia aumenta.

En realidad, las reactancias de cada uno de los capacitores en serie se suman igual que las resistencias en serie. También se puede encontrar la reactancia total determinando previamente la capacitancia total.

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CTOT

+++=

La caída de tensión en cada capacitor de una combinación en serie es directamente proporcional a la reactancia de ese capacitor. La caída de tensión se puede calcular por medio de la ecuación E = I Xc, donde I es la corriente del circuito en serie - que es la misma a través de cada capacitor de la combinación- y Xc es la reactancia del capacitor. Puesto que cada caída de tensión es directamente proporcional a la reactancia capacitiva que, a su vez, es inversamente proporcional a la capacitancia.

La caída de tensión también es inversamente proporcional a la capacitancia. Por lo tanto, en una combinación en serie, el capacitor con menor



capacitancia tiene la mayor caída de tensión en sus terminales.

• Capacitores en paralelo.

Cuando se conectan capacitares en paralelo, la capacitancia total es igual a la suma de cada una de sus capacitancias. Esto se debe a que los capacitares en paralelo funcionan como uno solo con una área de placas igual a las sumas de las áreas de placas de todos los capacitares. Por lo tanto, con un área de placas mayor se aumentan la capacitancia. El resultado es que la capacitancia total de capacitares en paralelo se encuentran sumando la suma de las capacitancias particulares, igual que con los resistores en serie.

Por otra parte, la reactancia capacitiva total de capacitares en paralelo se comportan a la inversa. Por lo cual la reactancia total se encuentra tratando las reactancias particulares como resistores en paralelo, o se puede encontrar determinando primero la capacitancia y luego obteniendo la reactancia correspondiente a esa capacitancia total.

......321 etcCCCCT +++=

Como en el caso de resistores en paralelo e inductores en paralelo, se aplica la misma tensión a cada capacitor de una combinación en paralelo, pero la corriente en cada uno difiere para diferentes valores de capacitancia.

• Carga y descarga de un capacitor

Para que un capacitor se cargue y, en consecuencia, almacene energía eléctrica, debe tener una diferencia de potencial o tensión aplicada a las placas. Si esta tensión es alimentada por una batería, se conecta una placa del capacitor a la terminal positiva de la batería y la otra placa a la terminal negativa. Si se coloca un interruptor en el circuito, como se indica, entonces no se aplicará tensión al capacitor en tanto el interruptor esté abierto. Consecuentemente, las placas del capacitor son neutras y no hay almacenamiento de energía.

Cuando se cierra el interruptor, los electrones fluyen de la terminal negativa de la batería, que tiene potencial negativo, a la placa del capacitor a la cual está conectada. Así, la placa adquiere un exceso de electrones o una carga negativa. Al mismo tiempo, la terminal positiva de la batería, que tiene un potencial positivo, atrae a un número igual de electrones de la placa del capacitor a la cual está conectada. Así, la placa queda con defecto de electrones, o sea, con una carga positiva.

Mientras el capacitor se carga, los electrones fluyen a través de los conductores de circuito entrando y saliendo de la batería. En otras palabras, hay corriente en el circuito. Sin embargo, debe tenerse cuidado en observar que la corriente fluye en el circuito, no fluye a través del capacitor. La corriente entra al capacitor y sale de él; pero el



aislamiento entre las placas del capacitor evita que haya corriente dentro del capacitor mismo.

Al fluir electrones hacia la placa negativa de un capacitar y salir de la placa positiva, el campo electrostático creciente origina una tensión en el capacitar. Cuando se cierra el circuito esta tensión comienza en cero y después aumenta al entrar cada vez más electrones a la placa negativa y salir un número igual de electrones de la placa positiva. La tensión originada en el capacitar tiene una polaridad que se opone a la de la batería que alimenta la corriente. Como resultado, la tensión en el capacitar se opone a la tensión de la batería. Por lo tanto, la tensión total del circuito consiste en dos tensiones opuestas en serie.

Al aumentar la tensión en el capacitar, disminuye la tensión efectiva del circuito, que es la diferencia entre la tensión de la batería y la tensión del capacitar. A su vez, esto ocasiona una disminución en la corriente del circuito. Cuando la tensión del capacitar es igual a la tensión de la batería, la tensión efectiva del circuito es nula por lo que cesa la corriente. En este punto, el capacitar está totalmente cargado y no puede haber más corriente en el circuito.

La corriente que fluye cuando el capacitar está cargándose recibe el nombre de corriente de carga. De hecho, se puede ver que la corriente de carga y la tensión en el capacitar se comportan de maneras opuestas. Cuando la carga se inicia, la corriente es máxima y la tensión del capacitar es nula. Y al aumentar la tensión en el capacitar, la corriente disminuye. Finalmente, cuando la tensión del capacitar llega a su valor máximo, la corriente es nula.

Una vez cargado un capacitar, teóricamente mantendrá indefinidamente su carga. Sin embargo, en la práctica, cuando un capacitar

cargado se retira de la fuente de carga, a la larga pierde su carga. Sin embargo, esta pérdida de carga tarda cierto tiempo, de modo que, para aplicaciones prácticas en circuitos, se puede considerar que un capacitar mantiene su carga hasta que deliberadamente se le quite la energía eléctrica que almacena. La recuperación de esta energía se conoce como descarga del capacitor.

Para descargar un capacitor, todo lo que se requiere es una trayectoria conductora entre las placas del capacitor. Los electrones libres de 1 placa negativa fluirán entonces al potencial positivo de la placa positiva. De esta manera, la placa positiva adquiere electrones en número suficiente para neutralizarse eléctricamente. Asimismo, la placa negativa, pierde electrones suficientes para neutralizarse también. Cuando ambas placas están neutras, el capacitar no tiene tensión en sus terminales y se dice que está descargado. El flujo de electrones de la placa negativa a la positiva durante la descarga constituye lo que se conoce como corriente de descarga. La trayectoria que sigue esta corriente se conoce como trayectoria de descarga.

Después de que se ha cargado un capacitor en un circuito de cc al valor de la tensión de la fuente, la corriente deja de fluir en el circuito. Así, el circuito en realidad está abierto y permanece en estas condiciones hasta que el capacitor se descarga. El capacitor no puede descargarse através de la fuente de energía, ya que la polaridad de la tensión de la fuente es tal que se opone a la tensión del capacitor. Por lo tanto, para que el capacitor se descargue, debe contarse con otra trayectoria de descarga.



Cuando se dispone de esta trayectoria, el capacitor se descargará completamente a través de ella. Durante la descarga, el capacitor y la trayectoria de descarga se pueden considerar como un circuito independiente, en el que el capacitar alimenta la tensión para el circuito. En el instante en que el capacitar comienza a descargarse también es máxima la tensión aplicada a este circuito, o sea la tensión en el capacitar, y, en consecuencia, la corriente también es máxima. Al descargar el capacitor, tanto la tensión como la corriente en el circuito de descarga disminuyen hasta que finalmente, ambas valen cero cuando el capacitor está totalmente descargado.

• Constante de tiempo

Cuando se conecta un capacitor a una fuente de tensión de cc, se carga muy rápidamente. Si no hubiese resistencia en el circuito de carga, el capacitor se cargaría totalmente en forma casi instantánea. La resistencia tiene el defecto de ocasionar una dilación en el tiempo necesario para la carga. Además, como se sabe, todo circuito tiene algo de resistencia, por lo cual se requiere cierto tiempo para que un capacitor se cargue completamente. El tiempo exacto que se necesita depende tanto de la resistencia (R) en el circuito de carga como de la capacitancia (C) del capacitor. La relación entre estas dos cantidades y el tiempo de carga se expresa según la ecuación:

t = RC

donde t es la constante capacitiva de tiempo, que representa el tiempo necesario para que el capacitor se cargue a un 63.2 por ciento de su tensión de carga total. Cada vez que transcurre un lapso igual a la constante de tiempo, la tensión en el capacitor aumenta 63.2 por ciento de lo que le falta para alcanzar la tensión máxima; así, después de transcurrir dos de estos intervalos de tiempo (2t) el capacitor se ha cargado al 86.4 por ciento de su tensión máxima; después de 3t a 94.9 por ciento después de 4t a 98.1 por ciento y después de 5t a más de 99 por ciento. Se considera que el capacitor está totalmente cargado después de un período igual a cinco veces la constante de tiempo.

• Tipos de capacitores

Condensadores electrolíticos Algunos condensadores, los de mica y papel particularmente, se construyen colocando sucesivamente, una encima de otra, una placa conductora, una hoja de dieléctrico, otra placa conductora, otra hoja de dieléctrico, etc., hasta obtener la capacidad que se desea.

Pero si el dieléctrico es flexible, suelen hacerse con dos hojas largas de aluminio separadas entre sí por otra del dieléctrico. A continuación se enrollan en forma de tubo de tamaño relativamente pequeño y se colocan dos alambres terminales, cada uno de los cuales va conectado a una de las placas.

Se ha conseguido un tipo químico de condensador que tiene la ventaja de ser físicamente pequeño y tener una capacidad relativamente grande. Se le llama condensador electrolítico. Consiste en una placa positiva recubierta de aluminio, sumergida en una solución llamada electrólito. (Un electrólito es una solución ionizada que transporta corriente cuando se la somete a una presión eléctrica.) La hoja de aluminio es la placa positiva, y el electrólito es la «placa» negativa), si a un líquido se le puede llamar placa. Para hacer una conexión eléctrica con el líquido se introduce en la solución otra hoja de metal, papel de aluminio generalmente. La placa positiva de aluminio y la solución, se someten a un potencial eléctrico para formar una película de óxido sobre la placa positiva. Esta película de óxido, es el dieléctrico que separa la placa de aluminio de la placa electrólito.

El espesor de la película formada sobre la placa positiva determina la tensión de ruptura. Los condensadores electrolíticos tienen tensiones de trabajo que van desde 6 V a 700 V, dependiendo del espesor de la película de óxido. Un condensador formado para trabajar a 450 V, si se utiliza con 150 V, termina por readaptarse al valor 150 V. El dieléctrico readaptado es más delgado, y la capacidad del condensador aumenta. En general, es buena práctica trabajar con los condensadores electrolíticos a tensiones próximas a los valores especificados para ellos.



El condensador electrolítico de tipo húmedo ha sido suplantado por otro de tipo seco. En realidad, en el tipo seco, se utiliza papel o gasa humedecida con electrólito como una de las placas, siendo la placa positiva una placa de aluminio sobre la que se ha formado el recubrimiento de óxido. Contra la gasa húmeda se apoya una segunda hoja de papel de aluminio sin recubrir, que proporciona el necesario terminal eléctrico negativo. En la práctica, la placa de papel de aluminio, con recubrimiento, la gasa y la segunda hoja de aluminio se enrollan formando un pequeño cilindro que se sella después para hacerlo hermético. Esto evita que se seque el electrólito.

El rango de capacidades de los condensadores electrolíticos de que se dispone usualmente es de 4 p,F o más de 5.000 pF.

Aunque son físicamente pequeños y relativamente baratos, los condensadores electrolíticos tienen algunas desventajas. Al cabo del tiempo se secan y pierden su valor de capacidad. Cuando trabajan tienen una pequeña corriente de fuga que tiende a elevar el factor de potencia del condensador. Su empleo con tensiones superiores a las especificadas, incrementa la corriente de fuga y produce más calor, lo que tiende a secarlos o a destruir la película dieléctrica o a producir un desprendimiento interno de vapores que les hace explotar. Sus especificaciones de tensión son relativamente bajas cuando se: les compara con algunos condensadores de mica o papel. Están polarizados, debiéndose conectar la placa positiva con recubrimiento de óxido al terminal positivo del circuito en el que se emplean. (Uno de sus terminales está marcado con + y el otro con -). Esto limita su empleo a circuitos cc o cc variables solamente. No deben ser empleados a través de una tensión alterna. Para evitar que se seque el electrólito debe impedirse su calentamiento.

Un condensador electrolítico perfeccionado, de tipo seco y compacto, es el de tántalo, que puede funcionar con temperaturas más elevadas que los antiguos.

Para motores eléctricos se fabrica un tipo especial de condensador electrolítico que puede ser utilizado con c.a, pero el condensador electrolítico utilizado en radio y en los circuitos electrónicos corrientes, es de tipo polarizado.

Condensadores variables. Hay dos tipos de condensadores que permiten que se varíe su capacidad, los ajustables y los variables.

Los condensadores ajustables se construyen generalmente con dos o más placas planas separadas por hojas de mica. Las placas están dispuestas de tal modo, que permanecen normalmente algo separadas. Dichas placas pueden acercarse apretando un tornillo, con lo que se aumenta la capacidad. Los condensadores ajustables son, a veces, denominados padders o trimmers. Generalmente, se dispone de ellos con capacidades desde unos picofaradios hasta 1.000 o más picofaradios, con tensiones de trabajo desde 300 hasta 600 v.

Los condensadores variables tienen un estator o conjunto de placas fijas, y un rotar o conjunto de placas giratorias. Si se gira el eje las placas del rotar se mezclan con las del estator (sin tocarse entre ellas), con lo que varía el área de las placas que se enfrentan y también, en consecuencia, la capacidad del condensador. Generalmente, el dieléctrico de estos condensadores es el aire, aunque existen algunos condensadores variables especiales con dieléctrico de vacío que se emplean en transmisores de radio.

Los condensadores variables se fabrican de muchas formas y tamaños. Sus valores de capacidad se extienden desde unos picofaradios hasta 1.000 o más picofaradios. Los



condensadores variables tipo receptor tienen una separación entre placas muy pequeña. Los condensadores transmisores pueden tener separaciones de 1/z cm a 2 o más centímetros, dependiendo de las tensiones existentes en la salida de los pasos en que se utilizan.

Condensadores modernos En la actualidad, hay muchos tipos de condensadores de empleo general en radio y electrónica. Algunos de ellos, se relacionan a continuación con una breve nota sobre la fuga relativa en el dieléctrico, si son de tipo fijo o variable, los rangos aproximados de tensiones de trabajo, los valores aproximados de la capacidad y las frecuencias con que pueden utilizarse.

Dieléctrico de vacío. Sin fugas prácticamente. Se construyen en los tipos fijo y variable. Trabajan con tensiones de 5.000 a 50.000 V. Capacidades de 5 a 250 pF. Relativamente eficaces hasta bien por encima de 1.000 MHz. Utilizados principalmente en transmisores.

Dieléctrico de aire. Muy poca fuga, excepto a través de los aisladores que sujetan las placas. Se construyen en los tipos fijo, ajustable y variable. Se emplean en aplicaciones de baja y alta tensión, tanto en receptores como en transmisores. Gran variedad de formas y de rangos de capacidad, tanto para los fijos como para los variables. La capacidad raramente es mucho mayor que 400 pF. Pueden utilizarse hasta más de 1.000 MHz. Los condensadores variables de aire son los elementos de sintonía usuales en receptores y transmisores.

Dieléctricos de mica. Muy poca fuga, excepto a través del material que encierra las placas y el dieléctrico. Se construyen en los tipos fijo y ajustable. El rango de tensiones de trabajo va de 350 a varios miles de voltios, dependiendo del espesor de dieléctrico utilizado. Capacidades de 1,5 pF a 0,1 pF. Se emplean en circuitos RF hasta más de 300 MHz, aunque el rendimiento disminuye por encima de 10 MHz. Los tipos fijos se emplean como condensadores de paso RF, etc. Los tipos ajustables se emplean como padders o trimmers. Los condensador es de mica plateada tienen un valor dentro del 5 por 100 de su capacidad especificada y tienden a mantener una capacidad constante incluso en condiciones adversas de funcionamiento.

Dieléctrico de cerámica. Poca fuga. Tipos fijo y ajustable. Capacidades de 1,5 pF a 0,01 flF para los tipos fijos. Hasta 100 pF para los tipos ajustables. Tensiones de trabajo de 500 V aproximadamente. Utilizables hasta más de 300 MHz con buen rendimiento. Sustituyen a los condensadores de mica en muchos circuitos.

Dieléctrico de papel. Utilizan papel impregnado de aceite. Relativamente poca fuga cuando son nuevos. Si se humedecen, la fuga se vuelve muy grande y el dieléctrico se carboniza a tensiones bajas. Tipo fijo únicamente. Rango de capacidades de 10 pF a 10 flF. Tensiones de trabajo de 150 a varios miles de voltios, dependiendo del espesor del papel. Eficientes hasta 1 Ó 2 MHz. Por encima de esta frecuencia, su rendimiento disminuye rápidamente debido a la fatiga dieléctrica y a la histéresis.

Electrolíticos. Fuga considerable, particularmente, si se utilizan con tensiones por encima del valor especificado. Tipo fijo únicamente. El rango de capacidades va de pocos a miles de microfaradios. Tensiones de trabajo de 6 V a unos 700 V. Normalmente polarizados, exigiendo que su terminal positivo se conecte con el terminal positivo del circuito. Se secan y pierden capacidad. Cabe esperar una vida limitada. Aplicables solamente a circuitos cc o a circuitos en que la componente cc es mayor que la componente c-a.

• Código de colores, valores y tolerancias

Código de colores para capacidades Los condensadores fijos, pueden llevar marcadas su capacidad y su tensión de trabajo. Las marcas pueden hacerse con números impresos o con colores, empleando el mismo código de colores utilizado para las resistencias.

El código de colores más sencillo es el de los tres puntos, empleado para condensadores de mica de 500 V, con una tolerancia del 20 por 100 .



En el código de seis puntos de la Electronic Industries Association (EIA), leyéndolos en sentido del reloj a partir del superior de la izquierda, el blanco indica mica; los dos siguientes indican valores de la capacidad; y el cuarto es el multiplicador, o número de ceros que siguen a dichos valores. La capacidad viene dada en picofaradios. El quinto punto es la tolerancia.

El sexto es el coeficiente de temperatura, creciente cuando el número correspondiente disminuye a partir de 4. Las tensiones de trabajo van desde 500 V hasta 300 V con 500 pF para las capacidades mayores.

El código militar es análogo al de los seis puntos de la EIA, con la diferencia de que un primer punto negro indica dieléctrico de mica, y plata, dieléctrico de papel.

Algunos condensadores cerámicas son cilíndricos y van marcados con una serie de puntos o franjas de colores. Como ejemplo, la figura muestra un condensador de 3.800 pF y una tolerancia del 10 por 100.

El coeficiente de temperatura es el grado en que varía la capacidad del condensador al cambiar la temperatura. Si la capacidad no cambia en absoluto, el coeficiente es cero. Si aumenta al aumentar la temperatura, el coeficiente es positivo. Si el coeficiente es -150, la capacidad disminuye 150 partes por millón por cada grado centigrado de aumento de la temperatura. La Tabla es el código de colores para el coeficiente de temperatura de condensadores cerámicos.

• Operación

Cuando se sustituyen o se compran condensadores, deben tenerse en cuenta los siguientes factores:



1. Tensión de trabajo. Si el condensador se va a emplear en un circuito a 350 V, cómprese un condensador para el que se especifique una tensión de trabajo al menos del 10 al 20 por 100 superiores a los 350 V.

2. Capacidad. Sustitúyase un condensador por otro que tenga una capacidad lo más parecida posible.

3. Tipo de dieléctrico. Para ca RF, son adecuados los condensadores con dieléctrico de mica, aire, vacío o cerámica. Para ca AF, son adecuados los condensadores con dieléctrico de mica, cerámica o papel. Para circuitos filtro cc, son adecuados los condensadores con dieléctrico de papel, o los electrolíticos.

4. Tamaño físico. Generalmente, los de cerámica son menores que sus equivalentes de mica y papel. Los electrolíticos, son mucho menores que los de papel.

5. Precio. Por microfaradio, el precio probable, en orden ascendente, es: electrolíticos, de cerámica, de papel, de mica, de aire, de vacío.

6. Variables, ajustables o fijos. Lo que exija el circuito.

7. Temperatura. En regiones cerradas, los condensadores pueden sobrecalentarse y quemarse. En particular, no es aconsejable el sobrecalentamiento de los condensadores de papel y los electrolíticos. Los electrolíticos se secan si están próximos a válvulas calientes, rectificadores o resistencias.

8. Coeficiente de temperatura. Unos condensadores tienen un coeficiente de temperatura positivo (la capacidad aumenta al aumentar el calor); otros, lo tienen negativo (la capacidad disminuye al aumentar el calor); y otros, tienen un coeficiente de temperatura cero (no hay cambio de la capacidad con el calor). Esto solamente tiene importancia cuando se requieren valores exactos de capacidad, como en los circuitos osciladores.

Trabajo en equipo


Elaborar la tabla comparativa de los códigos de colores de los condensadores.

2.3.2 Calculo de capacitancia y tensión en circuitos

• Capacitores en serie.

Para obtener un valor de capacitancia deseado, a menudo pueden conectarse los capacitares en serie. La capacitancia total de la combinación en serie es inferior a la capacitancia de cualquier capacitor particular. Esto se debe a que la combinación serie funciona como un capacitor único, cuya separación entre placas sea igual a la suma de las separaciones que hay entre las placas de cada uno de los capacitares.

Y, según se entiende, cuanto mayor sea la separación entre las placas, menor será la capacitancia. La capacitancia total de capacitares en serie se calcula de la misma manera que la resistencias total de resistores en paralelo. Sin embargo, la reactancia capacitiva total de capacitares en serie no se encuentra de la misma manera, puesto que la reactancia capacitiva es inversamente `proporcional a la capacitancia, si la capacitancia total de capacitares en serie disminuye, entonces la resistencia aumenta.

En realidad, las reactancias de cada uno de los capacitores en serie se suman igual que las resistencias en serie. También se puede encontrar la reactancia total determinando previamente la capacitancia total.

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321

etcCCC

CTOT

+++=

La caída de tensión en cada capacitor de una combinación en serie es directamente proporcional a la reactancia de ese capacitor. La caída de tensión se puede calcular por medio de la ecuación E = I Xc, donde I es la corriente del



circuito en serie - que es la misma a través de cada capacitor de la combinación- y Xc es la reactancia del capacitor. Puesto que cada caída de tensión es directamente proporcional a la reactancia capacitiva que, a su vez, es inversamente proporcional a la capacitancia.

La caída de tensión también es inversamente proporcional a la capacitancia. Por lo tanto, en una combinación en serie, el capacitor con menor capacitancia tiene la mayor caída de tensión en sus terminales.

• Capacitores en paralelo.

Cuando se conectan capacitares en paralelo, la capacitancia total es igual a la suma de cada una de sus capacitancias. Esto se debe a que los capacitares en paralelo funcionan como uno solo con una área de placas igual a las sumas de las áreas de placas de todos los capacitares. Por lo tanto, con un área de placas mayor se aumentan la capacitancia. El resultado es que la capacitancia total de capacitares en paralelo se encuentran sumando la suma de las capacitancias particulares, igual que con los resistores en serie.

Por otra parte, la reactancia capacitiva total de capacitares en paralelo se comportan a la inversa. Por lo cual la reactancia total se encuentra tratando las reactancias particulares como resistores en paralelo, o se puede encontrar determinando primero la capacitancia y luego obteniendo la reactancia correspondiente a esa capacitancia total.

......321 etcCCCCT +++=

Como en el caso de resistores en paralelo e inductores en paralelo, se aplica la misma tensión a cada capacitor de una combinación en paralelo,

pero la corriente en cada uno difiere para diferentes valores de capacitancia.

• Circuito mixto.

A partir de lo visto, debe ser fácil distinguir los circuitos tanto en serie y paralelo. Pero existe otro tipo de circuito que tiene ramas, como circuito en paralelo, y cargas o componentes en serie, como los circuitos en serie. A esto se le llama circuitos serie – paralelo, puesto que es una combinación de ambos.

En un circuito en serie, la corriente es la misma en todos los puntos. A lo largo de un circuito paralelo uno o mas puntos en que la corriente se divide y fluye en ramas separadas. Y en un circuito serie - paralelo se tienen tanto las ramas separadas como cargas en serie. Por lo tanto, es fácil de comprender que la forma mas fácil de determinar que un circuito esta en serie, en paralelo o en serie – paralelo, es comenzar en la terminal negativa de la fuente de energía y rastrear la trayectoria de la corriente en el circuito hasta regresar a la terminal



positiva de la fuente de energía.

Si la corriente no se divide en ningún punto, se trata de un circuito en serie. Si la corriente se divide en ramas separadas, pero no hay cargas en serie se trata de un circuito paralelo. Y si la corriente se divide en ramas separadas y también hay cargas en serie, se trata de un circuito en serie – paralelo. Cuando se sigue el circuito de esta manera, se deberá tener en cuenta que existen dos tipos de carga en serie. Uno de ellos consta de dos o más elementos en una rama del circuito. El otro es cualquier elemento a través de la cual fluya la corriente total del circuito. Se pueden apreciar estos dos tipos de carga en la ilustración.

Para encontrar la caída de tensión en cualquiera de las cargas o la corriente en cualquiera de las ramas, generalmente hay que saber la corriente total del circuito; pero, para encontrar la corriente total, es necesario conocer, antes que nada, la reactancia total del circuito. Los medios que se usaran para analizar circuitos en serie - paralelo son principalmente combinaciones de los que ya se conocen para circuitos en serie y circuitos en paralelo.


Elaborar formulario y realizar ejercicios de circuitos serie, paralelo y mixto de capacitores.

Sugerencias o Notas


seguridad e higiene



El alumno, realizará los ejercicios y prácticas incluidas en este manual con orden, limpieza, eficiencia y responsabilidad.



3 INTRODUCCIÓN AL MAGMNETISMO

Al finalizar la unidad, el alumno identificara las propiedades y tipos de magnetismo, los principios, efectos y factores de inducción que se emplean en los circuitos eléctricos y en los diferentes equipos y circuitos donde se utiliza la fuerza magnetomotriz.




3.1 Identificar las propiedades y tipos del magnetismo para su empleo en

los equipos eléctricos. 7 hrs.


3.2 Identificar los principios, efectos y factores de inducción que se emplean en los circuitos eléctricos para aplicarlas en las leyes de Faraday y Lenz.

7 hrs.


7 hrs.


Identificar las propiedades y tipos del magnetismo para su empleo en los equipos eléctricos

Módul


Aplicación de

Corriente Directa

108 Hrs.


46 Hrs.


21 Hrs.


26 Hrs.




Sumario

Teoría del magnetismo

Inductor / inductancia

Fuerza electromotriz (FEM) autoinducción

Fuerza magnetomotriz

Precauciones para el cuidado y almacenaje de magnetos


3.1 Identificar las propiedades y tipos del magnetismo para su empleo en los equipos eléctricos.

3.2 Identificar los principios, efectos y factores de inducción que se emplean en los circuitos eléctricos para aplicarlas en las leyes de Faraday y Lenz.


3.1 Teoría del magnetismo

• Magnetización y desmagnetización.

El magnetismo fue descubierto hace más de 2,000 años por los griegos, cuando observaron que el hierro atraía cierto tipo de piedras. Puesto que esta piedra se encontró por primera vez en la ciudad de Magnesia, en el Asia Menor, se le dio el nombre de magnetita. Más tarde, cuando se descubrió que esta piedra se alineaba espontáneamente en la dirección Norte a Sur al suspenderla de un cordel, se le llamó piedra de guía o imán. La magnetita constituye un imán natural que atrae a los materiales magnéticos.

• El magnetismo y el electrón

Aunque hay una relación estrecha entre las fuerzas eléctricas y magnéticas, las dos son totalmente diferentes. Las fuerzas magnéticas y las fuerzas electrostáticas no tienen ningún efecto una sobre otra en tanto no. haya movimiento. Pero, si el campo de fuerza de cualquiera de ellas se pone en movimiento, entonces sucede algo que origina la interacción de ambas fuerzas. Puesto que el electrón es la partícula más pequeña de la materia, se partió de ello para formular una teoría que explique la relación existente entre la electricidad y

el magnetismo. Se trata de la teoría electrónica del magnetismo.

Se sabe que el electrón tiene una carga negativa y que esta carga produce un campo de fuerza que está dirigido desde todas partes hacia el electrón. Por otra parte, según se estudia en física, una carga en rotación produce un campo magnético. Por consiguiente, debido a su rotación orbital, el electrón también tiene un campo magnético. Este campo se extiende en círculos concéntricos alrededor del electrón. Así pues, las líneas electrostáticas de fuerza y las líneas magnéticas de fuerza, al encontrarse en cualquier punto, son perpendiculares entre sí. Los dos campos



combinados constituyen un campo electromagnético.

• La molécula magnética

En realidad, los únicos metales naturalmente magnéticos son el hierro, el níquel y el cobalto. Por otra parte, puesto que todos los materiales contienen electrones, se podría preguntar por qué no todas las cosas tienen propiedades magnéticas. La respuesta es que en los átomos, los electrones orbitales que tienen un spin opuesto tienden a formar parejas, de modo que sus campos magnéticos se oponen, anulándose mutuamente. Lo anterior no quiere decir que los elementos que tienen un número impar de electrones sean magnéticos. Esto podría suceder, si se lograra aislar los átomos; pero, por lo general, los átomos, al combinarse para formar moléculas, se disponen de la manera más apropiada para tener, en total, 8 electrones de valencia y al hacerla> en la mayor parte de los materiales, los spines de los electrones orbitales anulan los campos eléctricos.

Sin embargo, en el hierro, níquel y cobalto, este proceso no se realiza de una manera tan ordenada. Cuando los átomos de dichos metales se combinan, se convierten en iones y comparten sus electrones de valencia de tal modo que muchas de las órbitas de los electrones no se anulan, sino que se suman. Esto produce en el metal regiones llamadas dominios magnéticos, o moléculas magnéticas. Estas moléculas magnéticas se comportan como pequeños imanes. Aunque el hierro, el níquel y el cobalto son los únicos materiales naturalmente magnéticos, existen procesos controlados de fabricación para obtener compuestos con buenas propiedades magnéticas.

• Magnetización del hierro

Puesto que un material magnético se puede magnetizar alineando sus moléculas, la mejor forma de hacerlo es aplicando una fuerza magnética. La fuerza actuaría contra el campo magnético de cada molécula forzándola a alinearse. Esto se puede hacer de dos maneras: 1) por frotamiento magnético, y 2) por medio de una corriente eléctrica. Cuando se pasa un imán por la superficie de una pieza de hierro no magnetizada, los campos del imán hacen que se alineen las moléculas, magnetizando al trozo de hierro.

Cuando se coloca un trozo de hierro desmagnetizado dentro de una bobina de alambre y se conecta el alambre de la bobina a una batería, la corriente eléctrica produce un campo magnético que magnetiza al hierro. Esto se explica más adelante. Cuando un material magnetizado conserva su campo magnético por largo tiempo, se dice que es un imán permanente. Si pierde rápidamente su magnetismo, se le llama imán temporal. Con el hierro duro o el acero se hacen buenos imanes permanentes. El hierro dulce se usa para imanes temporales.

• Cómo se desmagnetiza un imán

Para desmagnetizar un imán, las moléculas nuevamente deben quedar en desorden de manera que sus campos se anulen. Si se golpea fuertemente el imán, la fuerza de la sacudida hará que las moléculas se reacomoden. A veces, se necesita dar varios golpes. Si el imán se calienta, la .energía calorífica hará que las moléculas vibren lo suficiente como para acomodarse en otra forma. Si el imán se coloca en un campo magnético que alterna rápidamente, las moléculas pierden su orden, al tratar de seguir las variaciones de campo. Un campo rápidamente alternante se puede producir con corriente alterna.



• Protección contra el campo magnético.

• Campo magnético

Como puede verse por la atracción y repulsión de los polos magnéticos, existen fuerzas que se originan en los polos magnéticos y producen esos efectos, pero éstos no se producen solamente en los polos. La fuerza magnética, de hecho, rodea al imán, en un campo. Esto se puede comprobar cuando se hace mover una brújula alrededor de un imán de barra. En cualquier posición con respecto a la barra, un extremo de la aguja indicará hacia el polo opuesto de la barra. Se puede usar la brújula para verificar la distancia a que se extiende el campo magnético del imán. Retirando lentamente la brújula, se llegará a un punto en el cual la aguja de la brújula ya no está sujeta a la influencia del campo magnético del imán, sino que nuevamente la atraerá al polo magnético norte de la Tierra.

• Líneas de fuerza

El campo magnético de un imán está formado por líneas de fuerza que se extienden en el espacio partiendo del polo N del imán y dirigiéndose al polo S. Estas líneas de fuerza no se cruzan y se van apartando al alejarse del imán. Cuanto más cercanas sean las líneas de fuerza y sea mayor el número de ellas, más intenso será el campo magnético. La existencia de las líneas !le fuerza se puede demostrar rociando limaduras de hierro sobre una superficie plana y luego colocando un imán de barra sobre ellas. Las limaduras de hierro se orientarán siguiendo las líneas de fuerza y dan una imagen del campo magnético o espectro magnético. A las líneas de fuerza se les llama también líneas de flujo.

• Interacción de los campos magnéticos

Cuando dos imanes se aproximan, sus campos actúan recíprocamente. Las líneas magnéticas de fuerza no se cruzan. Este hecho determina la forma en que habrán de actuar los campos entre sí. Si las líneas de fuerza van hacia la misma dirección, se atraerán y se unirán al aproximarse. Por eso los polos diferentes se atraen. Si las líneas de fuerza van hacia direcciones opuestas, no se pueden combinar. Y, puesto que no se pueden cruzar, ejercen una fuerza opuesta entre sí. Por eso los polos semejantes se repelen. La interacción de

las líneas de flujo también se puede demostrar mediante limaduras de hierro.

• Blindaje magnético

Las líneas de flujo magnético pueden pasar a través de todos los materiales, aun de los que no tienen propiedades magnéticas. No obstante, algunos materiales ofrecen cierta resistencia al paso de las líneas de fuerza. A esta propiedad se le llama reluctancia. Los materiales magnéticos tienen muy poca reluctancia a las líneas de flujo. Por consiguiente, las líneas de flujo tienden a pasar a través de un .material magnético, aun cuando su trayectoria resulte más larga. Gracias a esta característica, los materiales magnéticos son útiles como blindaje para proteger los objetos encerrados en ellos contra las líneas de fuerza magnéticas. Por ello se utilizan en la fabricación de los relojes antimagnéticos.



• Tipos de material magnético

Los materiales naturalmente magnéticos reciben el nombre de ferromagnéticos, debido a que todos se comportan como el hierro, por lo que se refiere al magnetismo.

Puesto que los materiales magnéticos contienen moléculas magnéticas, podría pensarse que siempre se comportan como imanes. Sin embargo, no es el caso, porque en circunstancias normales, las moléculas magnéticas están dispersas y orientadas al azar, de manera que los campos magnéticos de las moléculas se anulan mutuamente. Se considera entonces que el metal está desmagnetizado. Si todas las moléculas estuvieran dispuestas de manera tal que apuntaran en la misma dirección, los campos de fuerza SV! sumarían. El metal entonces se consideraría magnetizado. Si absolutamente todas las moléculas estuviesen alineadas, se produciría un campo magnético intenso. Pero si sólo algunas de las moléculas estuviesen alineadas, se produciría un campo magnético débil. Así pues, un material magnético puede ser magnetizado parcialmente.

3.1.1. Propiedades de un magneto

• Acción de una magneto suspendida en el campo magnético de la tierra.

Puesto que la misma Tierra es una enorme masa giratoria, también produce un campo magnético. La Tierra se comporta como si tuviera un imán de barra que pasa por su centro, con un extremo cerca del polo geográfico norte y el otro cerca del polo sur.

• La brújula magnética

Puesto que un imán se alineará con el polo N hacia el norte, lo podemos usar para determinar direcciones. Una brújula consta de un pequeño imán ligero, que gira libremente y sin dificultad alguna se mantiene alineado con el polo norte magnético de la Tierra. Independientemente de cómo se haga girar la brújula, la aguja siempre señalará al Norte.

• Construcción de un electromagneto.

• Principios de operación.

• ¿Qué es electromagnetismo?

Puesto que un electrón produce su propio campo magnético, debido al spin que tiene, se podría pensar que, al haber exceso de electrones en un objeto, se produciría un campo magnético. Sin embargo, también en el caso de cargas 'estáticas, los electrones con spines opuestos forman parejas, anulándose en este proceso sus efectos magnéticos. Por consiguiente, la electricidad estática no produce un campo magnético.

Por otra parte, los electrones que se mueven a lo largo de un conductor, sujetos a la fuerza que origina el flujo de corriente, no pueden formar parejas con los de spin opuesto. Por el contrario, como todos fluyen en la misma dirección, sus campos magnéticos tienden a sumarse. En 1819,



Hans Christian Oersted, al observar la forma en que un conductor con corriente influía en una brújula, descubrió que la corriente eléctrica produce un campo magnético.

• Electromagnetismo en un conductor

Puesto que el campo magnético de un electrón forma una trayectoria cerrada a su alrededor, los campos de los electrones se combinan para formar una serie de tales trayectorias alrededor del alambre. La dirección del campo magnético depende de la dirección del flujo de corriente.

Al mover una brújula alrededor del alambre, ésta se alineará con las líneas de flujo.

Se puede usar la regla de la mano izquierda para determinar la dirección del campo magnético. Si se cierran los dedos alrededor del conductor y el pulgar señala la dirección del flujo de la corriente eléctrica, entonces los dedos indicarán la dirección del campo magnético.

• Intensidad de campo

Cuanta más corriente pase por un conductor, más intenso será el campo magnético. Así como el campo magnético, las líneas de flujo son más densas cerca del alambre y se apartan una de la otra al alejarse de éste. El campo, pues, es más intenso cerca del conductor y es más débil al aumentar la distancia.

El número de líneas de fuerza por unidad de área disminuye en proporción inversa a la distancia al conductor. Por ejemplo, a un centímetro del conductor, la densidad de fuerza es la unidad de lo que seria a medio centímetro de distancia.

• Interacción de los campos magnéticos

Si se aproximan dos conductores en los cuales la comente fluye en direcciones opuestas su, campos magnéticos tenderán a oponerse entre si, ya que I» lineal de flujo van en direcciones opuestas. Las líneas de flujo no se pueden cruzar y los campos tienden a separar los conductores uno del otro. Cuando se aproximan dos conductores recorridos por comentes que fluyen en la misma dirección, los campos magnéticos se suman, ya que la líneas de flujo llevan la misma dirección.

Las líneas de flujo se unen y forman trayectorias cerradas alrededor de ambos conductores y los campos tienden a acercarlos. Las líneas de flujo de ambos conductores se suman para originar un campo magnético mis intenso. Tres o cuatro conductores junto, en esta forma, originarían un campo magnético aun mas intenso.

• El electromagnetismo en una espira

Si el alambre se tuerce para formar una espira, los campos magnéticos producidos alrededor del conductor se orientarán de tal manera que todos entrarán en la espira por un lado y saldrán por el otro. En el centro de la espira, las líneas de flujo se comprimen para crear un campo más denso y, por consiguiente, más intenso. Esto determina los polos magnéticos: el norte se encuentra en el lado del que salen las líneas de flujo y el sur en el lado por el que entran.



• Electromagnetismo en una bobina

Si se devanan numerosas espiras en la misma dirección para formar una bobina, habrá más campos y las líneas de flujo en la bobina serán mucho más densas. E! campo magnético en la bobina se vuelve muy intenso. Cuantas más espiras se tengan, más intenso será el campo magnético. Si la bobina se comprime ligeramente, los campos se juntarán aún más para formar un electroimán fortísimo.

Para, producir un campo magnético intenso se utiliza una bobina devanada helicoidalmente que recibe el nombre de solenoide. Las líneas de flujo en un solenoide actúan en la misma forma que un imán. Salen del polo N, y dan [a vuelta para entrar al polo S. Cuando un solenoide atrae a una barra de hierro, tiende a introducir la barra dentro de la bobina. La regla de la mano izquierda, también se aplica a los solenoides. Sí los dedos se cierran sobre las espiras del solenoide, apuntando en la dirección del flujo de la comente electrónica, el pulgar señalará hacia el polo N.

• El núcleo magnético

El campo magnético en una bobina que se puede hacer más intenso aun si se introduce un núcleo de hierro dentro del embobinado. Puesto que el hierro dulce es magnético y su reluctancia es baja, habrá mayor concentración de líneas de flujo en él que en el aire. Cuantas más líneas de flujo haya,

más intenso será el campo magnético. El hierro dulce es el apropiado para el núcleo de un electroimán, pues el hierro duro se magnetizaría en forma permanente.

• Fuerza magnetomotriz

La fuerza magnetizante originada por la corriente que pasa por un conductor recibe el nombre de fuerza magnetomotriz (fmm). La fmm depende de la corriente que pase por la bobina y del número de espiras en la bobina. Si la corriente se duplica, también se duplicará la fmm. Además, si se aumenta el número de espiras en la bobina, también aumentará la fmm. Por tanto, para medir la fmm se usa la unidad llamada amper-vuelta que es la corriente eléctrica multiplicada por el número de vueltas de la bobina.

La magnitud de la fmm determina el número de líneas de flujo que existirá en el campo o la intensidad de ese campo. Al aumentar la fmm también aumenta el número de líneas de flujo. Pero se llegará a un punto en el cual la fmm, al aumentar, ya no producirá más líneas de flujo. A este punto se le conoce como punto de saturación.

• Reglas para determinar el campo magnético alrededor de un conductor.

• Reglas del funcionamiento de los motores



La regla de la mano izquierda indica la dirección de las líneas de flujo que hay alrededor de un conductor que lleva corriente. Cuando el pulgar señala en dirección de la corriente eléctrica, los otros dedos señalarán en la misma dirección que las líneas de fuerza magnéticas.

La regla de la mano derecha para motores indica la dirección en que un conductor con corriente se moverá en un campo magnético. Cuando el índice señala en dirección de las líneas de campo magnético y el dedo cordial se alinea en la misma dirección que la corriente del conductor, el pulgar señalará la dirección hacia donde se moverá el conductor

Para determinar la dirección en la que se moverá un conductor o una con corriente dentro de un campo magnético, úsese la regla de la mano derecha. Al apuntar el dedo índice en la dirección del campo magnético y el dedo medio en la dirección del flujo de la corriente. El pulgar indicará la dirección del movimiento.

La dirección en que se mueve la corriente se determina por la regla de la mano derecha. Si la corriente que fluye en el conductor siguiese la dirección opuesta, la dirección de las líneas de flujo se invertiría y el conductor sería impulsado en sentido opuesto.

Trabajo en equipo


Elaborar un mapa conceptual de los conceptos básicos sobre la inductancia y las leyes que los rigen.

Identificar los principios, efectos y factores de inducción que se emplean en los circuitos eléctricos para aplicarlas en las leyes de Faraday y Lenz

3.2 Inductor / inductancia



Puesto que para una amplitud y frecuencia dadas de una comente, la fcem producida en un conductor depende de la forma del mismo; la relación exacta entre la corriente, la fcem y la forma del conductor, puede expresarse matemáticamente asi: cuando el número de lineas de flujo producidas por la corriente se multiplica por una constante que está determinada por la forma de la bobina, el producto es igual a la fcem producida. La ecuación es como sigue;

flujodelineasdenumeroLE fcem *=

La constante L —que depende de la forma del conductor— recibe el nombre de inductancia del conductor. La inductancia de conductores rectos, generalmente es muy baja y, para las necesidades de este estudio, se puede considerar nula. Por otra parte, la inductancia de conductores embobinados puede ser elevada, y desempeña una función importante en el análisis de circuitos de ca.

Aunque la inductancia es en realidad una característica física del conductor, a menudo se la define en función del efecto que tiene en el La inductancia es la propiedad de un circuito eléctrico que se opone a cualquier cambio de corriente en el circuito. A partir de esta definición corriente directa. Sólo se opone a cambios en la corriente. Los conducir deliberadamente inductancia en el circuido y tal conductor embobinado recibe el nombre de inductor.

• Inductores

Básicamente todos los inductores se hacen devanando una longitud de conductor alrededor de un núcleo. El conductor suele ser alambre sólido de cobre revertido con aislamiento esmaltado; y su núcleo esta formado ya sea de material magnético, por ejemplo hierro pulverizado, o bien de material aislante. Cuando se devana un inductor alrededor de un núcleo aislante elle funciona sólo como soporte, ya que no tiene propiedades magnéticas. Si se usa alambre grueso y pesado en la fabricación del inductor generalmente no se necesita un núcleo; la« espiras rígida, del alambre se mantienen por si las. Cuando no se usa núcleo magnético, se dice que el inductor tiene núcleo de aire.

Los inductores con valores de inductancia fijos que no se pueden cambiar, reciben el nombre de inductores fijos. Los inductores cuya inductancia se puede variar en cierta escala, se llaman inductores variables Generalmente, los inductores variables están hechos de manera que el núcleo se puede mover dentro y fuera del devanado. Entonces la posición del núcleo determina el valor de la inductancia. A los inductores se les llama también frecuentemente chokes o bobinas. Estos tres términos significan lo mismo, y el lector debe familiarizarse con todos ellos.

• Factores que determinan la inductancia

Las características físicas, o forma geométrica, tanto del núcleo como de los devanados alrededor del núcleo, afectan a la inductancia producida. Los inductores con núcleo magnético tienen inductancias mucho mayores que los que tienen núcleos aislantes o de aire. Esto se debe a que todas las líneas de flujo producidas por un inductor, atraviesan el núcleo y, al hacerlo, lo magnetizan si está hecho de material magnético. Entonces las lineas de flujo del campo magnético del núcleo, se suman y refuerzan a las líneas de fuerza originadas por el devanado y, por lo tanto, se produce una mayor fcem. Para determinado número de espiras en el devanado inductor, un núcleo con una mayor área transversal producirá más líneas de flujo. Además, cuanto más largo sea el núcleo para un número de vueltas dado, menos líneas de flujo producirá. La inductancia, por lo tanto, es directamente proporcional al área transversal del núcleo e inversamente proporcional a su longitud. El número y espaciamiento de las espiras individuales de alambre en un inductor, también afectan considerablemente a la inductancia. Cuantas más espiras se tengan, mayor será la inductancia. Y cuanto más próximas estén las espiras entre si, también será mayor la inductancia. La relación entre la inductancia y



todos los factores físicos que la afectan, se expresa según la siguiente ecuación:

lANL μπ 24.0

=

Donde N es el número de espiras; ¡i es la permeabilidad del núcleo, la cual es grande para los materiales magnéticos y baja para otros materiales; A es el área del núcleo y L la longitud.

Para cada material de núcleo magnético existe un punto en que el núcleo se satura; entonces, ni siquiera cambios considerables en la corriente pueden aumentar el flujo y se produce muy poca fcem.

• Valores de inductancia y fcem

En realidad, la inductancia es una medida de cuánta fcem se genera en un circuito o componente para cierto cambio en la corriente a través de ese circuito o componente. En otras palabras, es la cantidad de fcem producida por un cambio unitario de corriente. La unidad de inductancia es el henry, llamada así en honor del físico americano Joseph Henry, Quien comparte con Michael Faraday el honor del descubrimiento de I ampere por segundo, produce una fcem de 1 volt. Por lo tanto, mientras mayor sea la inductancia, mayor será el número de henrys. La abreviatura para henrry es h. El henry es una unidad relativamente grande. Por esta razón, la inductancia se da frecuentemente en unidades menores, como el milihenry y el microhenry. Un milihenry es 1/1000 de un henry y un microhenry es 1/1.000,000 de un henry. Milihenry se abrevia mh y microhenry �h. Puesto que la cantidad de fcem producida es parte de la definición del henry, se puede calcular la fcem que genera un inductor en un circuito cuando se conoce el valor de su inductancia, así como la amplitud y la frecuencia de la corriente. Una forma de la ecuación para fcem es

fcem = -L(�T/�t)

El signo menos indica que la fcem es de polaridad opuesta a la tensión aplicada. El término Al, que se lee "delta I", es el cambio de corriente que tiene lugar en un intervalo At, que es el cambio en

tiempo. Por ejemplo, para aplicar la ecuación, considere la fcem desarrollada por un

Inductor cuya inductancia es de 10 henrys cuando la corriente cambia de 5 a 3 amperes en 1 segundo.

fcem = -L �/�t = -10(5-3/1) = -20 volts

Nótese que, cambiando la inductacia (L) o el ritmo de cambio de la corriente fAl/At), que es. la frecuencia, se pueden obtener varios valores de fcem. La tabla que aparece a continuación indica cómo se elevarla la fcem al aumentar el ritmo de cambio de corriente.

• Circuitos inductivos de cc

En un circuito de c –c, los únicos cambios de corriente ocurren cuando se cierra el circuito y cuando se abre. Si el circuito contiene sólo resistencia, estos cambios se pueden considerar instantáneos. Así, pues, cuando se cierra el circuito la corriente aumenta instantáneamente desde cero hasta su valor máximo. Por otra parte, cuando se cierra el circuito, la corriente baja instantáneamente a cero. Si se agrega inductancia a un circuito de cc, por ejemplo, mediante un inductor, la corriente ya no puede variar instantáneamente. Cuando el circuito se cierra, la corriente tiende a aumentar instantáneamente, pero se le opone la fcem generada por el inductor. Así, en lugar de aumentar instantáneamente, se requiere cierto tiempo para que la corriente alcance su valor máximo. Cuanto mayor sea la inductancia, mayor será la fcem producida y mayor tiempo tardara la corriente el alcanzar su máximo.

La situación es idéntica cuando el circuito se abre y la corriente tiende a disminuir instantáneamente hasta cero. La fcem se opone al cambio de manera que la comente disminuye gradualmente hasta cero. La onda de cualquier cambio de corriente de cc a través de un inductor e inductancia. Esta forma de onda indica que la corriente varía con rapidez a] principio y luego cada vez menos, hasta que llega a su valor decreciente. Debido a su forma, a esta onda se le llama onda o curva exponencial.

• Intensidad del campo magnético.



Se ha indicado ya que la acción de un campo magnético sobre un punto en el que se encuentra un polo magnético, es proporcional a la densidad de las líneas de fuerza en dicho punto. La intensidad unitaria de campo se define diciendo que es la fuerza de un campo que actúa sobre la unidad de polo con la fuerza de una dina. Una línea de fuerza que atraviesa perpendicularmente un centímetro cuadrado representa la unidad de intensidad de campo. La intensidad de campo se da en dinas por unidad de polo y se representa habitual mente por el símbolo H.

En 1930, la Comisión Electrotécnica internacional designo la unidad de intensidad de polo con el nombre de Oersted, en honor de Hans Christian Oerrsted, de Copenhague, que en 1819 demostró que un imán tiende a colocarse por si mismo en posición normal a la dirección de la corriente. Si un polo de m unidades se sitúa en un campo de intensidad de H, la fuerza que actuará sobre el será:

F = m * H dinas

Un polo colocado en dicho campo debe ser de intensidad suficientemente pequeña para que no produzca efectos perturbadores sobre el campo. Por definición, la fuerza que ejerce una unidad de polo sobre otra situada a la distancia de 1 cm, en el aire, es 1 dina. La intensidad de campo de una superficie esférica de 1 cm de radio y con una unidad de polo en el centro debe ser entonces la unidad y puede representarse por una linea por centímetro cuadrado sobre la total superficie de la esfera, como indica en la siguiente figura.

Como la superficie de una esfera de 1 cm de radio es 4πcm2 cada unidad de polo debe tener 4π ó 12.57 Maxwell que parten de él. La figura anterior representa una porción de la superficie esférica de 1 cm de radio e indica el paso de un

Maxwell a través de cada centímetro cuadrado de superficie, originándose cada línea en una unidad de polo N. Esto explica por qué aparece el término 4π frecuentemente en las fórmulas magnéticas; 4πm líneas de fuerza parten de un polo N cuya intensidad es de m unidades. Consideremos una barra imanada cuya sección transversal es de A cm2, siguiente figura en cuyos extremos hay dos polos magnéticos de m unidades de intensidad. La intensidad de imanación, o número de unidades de polo por unidad de superficie de cada extremo, es:

2cmporpolodeunidadesAm

=σ

Como el flujo saliente o entrante por los polos del imán es de 4πm Maxwell, el total en la zona neutra del imán es �0 + 4πm Maxwell, si �0 es el flujo existente en el espacio en que no hay material magnético. Empleando la fórmula anterior, la densidad de flujo es:

gaussBA

mB σφΠ+=

Π+= 44

00

Prácticamente, B0 puede despreciarse en comparación con 4π� con lo cual la anterior ecuación puede escribirse:

B = 4π� gauss

• Inducción magnética.

Si se aproxima un imán a una pieza de hierro dulce no imanada, se produce su imanación por inducción. Si el polo N del imán se aproxima al hierro dulce, se forma un polo S por inducción en la parte de la pieza de hierro más inmediata al imán inductor, y si el polo S del imán se acerca a la pieza de hierro, se forma, de modo análogo, un



polo N en ella. Esto queda indicado gráficamente en el apartado a) de la siguiente figura:

La razón por la cual un polo N induce un polo S, y viceversa, se percibe en la figura anterior en el apartado b). Las líneas de inducción, que parten del polo N del imán. se concentran en la barra de hierro dulce, porque el hierro deja pasar mucho mejor las líneas magnéticas que el aire. Como las líneas magnéticas que salen del polo N del imán deben entrar en el hierro dulce por el extremo que está más próximo a aquél, se formará en el hierro un polo S. Como las líneas de inducción magnética son continuas, deben también salir de la barra de hierro dulce, y deben hacerlo por el extremo más alejado del polo N del imán inductor. Por lo tanto, se formara un polo N en el extremo de la barra de hierro dulce más alejado del imán.

El polo N inductor atrae el polo S y rechaza el polo N inducidos en la barra de hierro dulce. Como el polo S inducido está más cerca que el otro del polo inductor, predominará la atracción.

Se observa, a veces, que si un polo N relativamente débil se acerca a un polo N más fuerte, se produce una atracción entre ellos en lugar de la repulsión que podía esperarse. Esto que rigen la atracción y la repulsión de los polos magnéticos, sino que proviene del hecho de que el polo N de gran intensidad induce un polo S que sobrepasa la del polo N débil y, por consiguiente, la atracción originada resulta predominante. De esta manera es fácil invertir la polaridad de una aguja imanada, manteniéndola en estrecho contacto con. Un polo magnético fuerte de igual polaridad.

• Ley del campo magnético.

El campo magnético tiende siempre, por sí mismo, a conformarse de tal modo que el ¡lujo sea máximo. Esta cualidad da una nueva explicación a la atracción del hierro por los polos de los imanes. Al ser atraído el hierro por el imán, las líneas magnéticas pueden utilizarlo como parte de su recorrido, ya que el hierro facilita su paso mucho mejor que el aire. El caso de la acción del imán de herradura al atraer la armadura hacia sus polos facilita la comprensión de este hecho. Al hacerlo, en efecto, el camino curvo que las lineas de fuerza

debían recorrer en el aire se reduce, con lo que se produce una concentración de líneas magnéticas. El flujo máximo se obtiene cuando la armadura está en contacto con los polos.

• Intensidad de campo.

En un campo eléctrico, la fuerza que actúa sobre la unidad de carga se llama intensidad del campo, y la representaremos por E. La intensidad de campo tiene dirección y, por consiguiente, E es un rector. En los tres sistemas de unidades, la fuerza que actúa sobre una carga q es

F = E -q unidades de fuerza.

Consideremos la esfera de la siguiente figura. Si hay + q unidades de carga, o estat culombios, sobre la superficie de la esfera, podrá determinarse la fuerza que ejerce sobre la unidad de carga, es decir, la intensidad del campo que crea E, a una distancia de r ero del centro de la esfera, aplicando la ley de Coulomb.

En el sistema c.g.s., si el medio tiene una constante dieléctrica E, = 1, la intensidad del campo es igual al número de líneas por centímetro cuadrado de superficie normal a ellas. Por consiguiente, en estas condiciones, la intensidad de campo E es numéricamente igual a la densidad del flujo, o desplazamiento, D.

Si se considera una superficie esférica no conductora, del mismo centro que la anterior y de radio r cm, la fuerza que se ejerce en cada punto de ella será de q : r2 dinas, es decir que pasarán a través de la superficie q: r2 líneas por centímetro cuadrado. Como esta superficie vale 4πr2 cm2, la atravesaran 4πr2 (q : r2) = 4πq líneas. Esto es: de la carga q salen 4πq líneas. De aquí deduce que: por unidad de carga salen o entran, 4π líneas.



• Ley de Faraday

A menudo podemos prever el resultado de un experimento al considerar cómo se relaciona éste por simetría con otros experimentos. Por ejemplo, una espira de corriente dentro de un campo magnético experimenta un momento de torsión (debido al campo) que hace girar a la espira. Consideremos una situaron similar, una espira de alambre en la que no existe corriente se coloca dentro de un campo magnético, y un agente externo aplica un momento de torsión de tal forma que haga girar a la espira. Hallamos que en la espira aparece una corriente. En una espira de alambre dentro de un campo magnético, una corriente produce un momento de torsión y un momento de torsión produce una corriente. Éste es un ejemplo de la simetría de la naturaleza.

La aparición de corriente en la espira es un ejemplo de la aplicación de la ley de la inducción

de Faraday, que constituye el tema de estudio en este capitulo. La ley de Faraday, que es una de las cuatro ecuaciones de Maxweil, se dedujo a partir de una serie de experimentos sencillos y directos, que pueden llevarse a cabo fácilmente en el laboratorio y que sirven directamente para demostrar la ley de Faraday.

La ley de la inducción de Faraday tiene su origen en los experimentos realizados por Michael Faraday en Inglaterra en 1831, y por Joseph Henry en Estados Unidos casi al mismo tiempo.* Aunque Faraday publicó sus resultados primero, lo cual le da la prioridad del descubrimiento, a la unidad de inductancia en el SI (se le llama henry (abreviatura H). Por otra parte, la unidad de capacitancia en el SI recibe el nombre de farad (abreviatura F).

En la siguiente figura se muestra una bobina de alambre como parte de un circuito que contiene un amperímetro. Normalmente, cabría esperar que el amperímetro no mostrase corriente en el circuito porque parece que no existe una fuerza electromotriz. Sin embargo, si desplazamos un imán de barra hacia la bobina, con su polo norte encarando a la bobina, ocurre un fenómeno notable. Al mover el imán, el indicador del amperímetro se mueve, demostrando con ello que pasa corriente por la bobina. Si mantenemos al imán estacionario con respecto a la bobina, el amperímetro no marca. Si movemos el imán alejándose de la bobina, el medidor muestra de nuevo una desviación, pero ahora en dirección opuesta, lo cual significa que la corriente en la bobina circula en dirección opuesta. Si usamos el extremo del polo sur de un imán en lugar del extremo del polo norte, el experimento funciona como se ha descrito, pero la desviación se invierte. Cuanto más aprisa se mueve al imán, mayor será la lectura registrada en el medidor. Experimentos posteriores demuestran que lo que importa es el movimiento relativo entre el imán y la bobina. No existe ninguna diferencia en que movamos el imán hacia la bobina o la bobina hacia el imán.



La corriente que aparece en este experimento se llama corriente inducida y se dice que se origina por una fuerza electromotriz inducida. Nótese que no existen baterías en ninguna parte del circuito. Faraday dedujo, a partir de experimentos como éste, la ley que da la magnitud y dirección de las fem inducidas. Tales fe m son muy importantes en la práctica. Es muy probable que las lámparas del salón donde usted está leyendo este libro funcionen por una fem inducida producida en un generador eléctrico comercial.

En otro experimento se emplea el aparato de la siguiente figura 2. Las bobinas se colocan una cerca de la otra pero en reposo la una con respecto a la oirá. Cuando cerramos el interruptor S, creando así una corriente estacionaria en la bobina de la derecha, el medidor marca momentáneamente; cuando abrimos el interruptor, interrumpiendo de este modo la corriente, el medidor marca de nuevo momentáneamente, pero en dirección opuesta. Ninguno de los aparatos se mueve físicamente en este experimento.

El experimento muestra que existe una fem inducida en la bobina izquierda de la figura 2 siempre que la corriente de la bobina de la derecha esté cambiando. Lo que es significativo aquí" es la velocidad a 1a que cambia la corriente v no la intensidad de la corriente.

La característica común de estos dos experimentos es el movimiento o cambio. La causa de las fem inducidas es el imán en movimiento o la comente

cambiante. En la sección siguiente damos la base matemática de estos efectos.

• Ley de inducción de Faraday

Imaginemos que existen líneas de un campo magnético provenientes del imán de barra de la figura Izquierda y de la espira de corriente de la derecha en la figura derecha. Algunas de esas líneas del campo pasan a través de la bobina izquierda en ambas figuras. Cuando se mueve el imán en la situación de la figura 1, o cuando se abre o cierra el interruptor en la figura 2, el número de líneas del campo magnético que pasan a través de la bobina de la izquierda cambia.

Como lo demostraron los experimentos de Faraday y como la técnica de Faraday de las líneas de campo nos ayuda a percibir, lo que induce la fem en el anillo es el cambio en el número de líneas de campo que pasan a través de un circuito cerrado. Específicamente, lo que determina la fem inducida es la velocidad de cambio en el número de líneas de campo que pasan a través del anillo.

Para hacer a este enunciado cuantitativo, introduzcamos el flujo magnético ØB. Al igual que el flujo eléctrico, puede considerarse que el flujo magnético es una medida del número de líneas de campo que pasan a través de una superficie. En analogía con el flujo eléctrico, el flujo magnético a través de cualquier superficie se define como

∫= dABB *φ

Esto es un elemento del área de la superficie, como se muestra en la siguiente figura, y la integración se lleva a cabo sobre toda la superficie a través de la cual deseamos calcular el flujo. Si el campo magnético tiene una magnitud y dirección constante en un área planar A, el flujo puede escribirse así:

ØB = BA cos π�

donde � es el ángulo entre la norma) a la superficie y la dirección del campo.

La unidad del flujo magnético en el SI es el tesla • metro2, al cual se le da el nombre de weber (abreviado Wb). Esto es,



1 weber = 1 tesla •metro2.

Al invertir esta relación, vemos que el tesla es equivalente al weber/metro2, el cual era la unidad usada para los campos magnéticos antes de que el tesla fuese adoptado como la unidad del SI. En términos del flujo magnético, la fem inducida en un circuito está dada por la ley de la inducción de Faraday:

La fem inducida en un circuito es igual al negativo de la velocidad con que cambia con el tiempo el flujo magnético a través del circuito.

• El motor de Faraday

Oersted descubrió que la electricidad se puede utilizar para producir movimiento. Aprovechando este descubrimiento, Faraday construyó en 1821 el primer motor eléctrico del mundo y, diez años más tarde, siguiendo el mismo razonamiento, pero en sentido inverso, descubrió el principio del generador eléctrico. Faraday trataba de hacer que el movimiento producido por el experimento de Oersted fuera continuo, en lugar de un simple desplazamiento giratorio de posición. En sus experimentos, Faraday pensaba en líneas de fuerza magnética. Visualizó la existencia de líneas de flujo alrededor de un conductor que lleva corriente y una barra magnética y, así pudo elaborar un aparato donde las diferentes líneas de fuerza podían interactuar para producir una rotación continua.

El motor básico de Faraday dispone de un conductor que puede girar libremente alrededor del extremo de un imán recto. El extremo inferior del conductor se encuentra en un depósito de mercurio, lo cual hace posible que el conductor gire y, al mismo tiempo, mantenga un circuito eléctrico cerrado.

• Efectos de la inducción.

• Constante de tiempo

En un circuito de cc que contenga inductancia y resistencia, la corriente varia gradualmente entre cero y su máximo y entre su máximo y cero. Independientemente de los valores de inductancia y resistencia la variación es máxima y luego se va reduciendo gradualmente hasta que la corriente alcanza su valor constante, que es su máximo, o bien, cero. Durante estos cambios, existe una relación entre los valores alcanzados por la corriente y el tiempo que tarda en alcanzarlos. Esta relación se expresa por medio de una cantidad llamada constante de tiempo.

La constante de tiempo se define como el tiempo que la corriente necesita para aumentar a 63.2 por ciento de su valor máximo o disminuir 63.2 por ciento de su valor máximo. En cualquier circuito de cc, la constante de tiempo depende del valor de la inductancia y resistencia. El valor de la constante de tiempo es directamente proporcional a la inductancia e inversamente proporcional a !a resistencia. Si se conocen ambas cantidades se puede calcular la constante de tiempo a partir de la siguiente ecuación:

Constante de tiempo = inductancia/resistencia

ó

t = L/R

Por medio de esta ecuación, si la inductancia está expresada en henrys y la resistencia en ohms, la constante de tiempo lo estará en segundos. En la práctica, las constantes de tiempo generalmente son muy pequeñas. Por esta razón, a menudo se expresan en nii7i'segundos, mi ero segundos; un milisegundo es un milésimo (1/1,000) de segundo, y un microsegundo un millonésimo (1/1.000,000) de segundo. Con frecuencia milisegundo se abrevia miliseg y microsegundo, μseg.

Una vez conocida la constante de tiempo para un circuito, es difícil calcular cuanto tiempo necesita la corriente para pasar del cero al máximo o del máximo a cero, ya que, como se aprecia en la siguiente ilustración, el tiempo que la corriente tarda en alcanzar su máximo o disminuir a cero es igual a cinco veces la constante de tiempo.



Aumento y disminución de la inductancia y sus efectos.

La cantidad de inductancia en un circuito de cc determina cuanto tiempo tarda la corriente en alcanzar su valor máximo cuando se cierra el circuito, así como cuánto tiempo tarda la corriente en descender hasta cero cuando se abre el circuito. Si no hay inductancia en el circuito, las variaciones de la corriente, desde el punto de vista práctico son instantáneas. El efecto que produce el aumentar inductancia es originar un retraso en el tiempo que la corriente tarda en variar. Cuanta mayor inductancia se agregue, más tardará la corriente en variar. La relación exacta entre la inductancia y el tiempo necesario para variar se obtiene mediante !a ecuación de la constante inductiva de tiempo, t -= L/R. Por ejemplo, si la resistencia de un circuito es 10 ohms y la inductancia 2 henrys, la' constante de tiempo del circuito es la siguiente:

t = L/R = 2 henrys/10 ohms = 0.2 segundos

En virtud de que la corriente cambia de cero a máximo, o viceversa, en 5 veces la constante de tiempo, se necesitan 5, 0.2 segundos, ó 1 segundo, para este cambio. Si la inductancia aumenta a 4 henrys, la constante de tiempo del circuito se vuelve


Y 5 por la constante de tiempo es igual a 5, 0.4 segundos, ó 2 segundos. Así, pues, al duplicar la inductancia se duplica también el tiempo que tarda la corriente variar entre sus dos valores. En forma similar, si la inductancia se triplica, el tiempo también se triplicará. Y si la inductancia se corta a la mitad, también el tiempo se reducirá a la mitad.

• Velocidad de cambio de flujo.

Las líneas de un campo magnético provenientes del imán de barra de la figura, pasan a través de la bobina izquierda. Cuando se mueve el imán en la situación de la figura, o cuando se abre o cierra el interruptor, el número de líneas del campo magnético que pasan a través de la bobina de la izquierda cambian, lo que induce la fem es el cambio en el número de líneas de un campo que pasan a través de un circuito cerrado,

específicamente, lo que determina la fem inducida es la velocidad de cambio en el número de líneas de campo que pasan a través del anillo. En términos del flujo magnético, la fem inducida en un circuito está dada por la ley de la inducción de Faraday:

La fem inducida en un circuito es igual al negativo de la velocidad con que cambia con el tiempo el flujo magnético a través del circuito.

• Efecto de la velocidad de cambio de una corriente primaria.

Se recordará que, cuando existe inducción mutua entre dos bobinas, no sólo la corriente del primario induce una tensión a la bobina secundaria, sino que la corriente resultante en la bobina secundaria, a su vez induce una tensión reflejada en la bobina primaria. Esto ocurre en un transformador y en gran parte es la causa de la forma como trabaja el mismo. Sin embargo, para que esto se comprenda mejor, primero se describirá el funcionamiento del transformador en el caso de que tenga un secundario abierto. En este caso no hay corriente en el secundario, de modo que no hay tensión inducida en el primario. Después de la descripción de la forma en que trabaja un transformador con secundario abierto, se describirá un transformador completo, en el cual haya corriente

En un transformador con secundario abierto, el primario funciona esencialmente como un inductor. Esto significa que la corriente primaria está atrasada con respecto a la tensión aplicada y al mismo tiempo está adelantada a la fcem. Por lo tanto, la tensión aplicada y la fcem inducida son de polaridad opuesta. La mayor parte de los transformadores están diseñados para que tengan una elevada fcem inducida en el primario cuando se abre el secundario, de manera que la corriente primaria es muy baja. Como el campo magnético correspondiente al devanado primario y causado por la comente variable en el primario, se origina y se contrae alternativamente, corta las espiras del devanado secundario, induciendo, en consecuencia, una tensión en el secundario. La tensión inducida en el secundario es máxima cuando la rapidez de cambio de la corriente primaria es máxima (0, 180 y 360 grados); es cero cuando la corriente primaria no cambia (90 y 270 grados). Cuando se representa gráficamente esta



relación, se puede apreciar que la tensión secundaria está atrasada 90 grados con respecto a la corriente primaria. Puesto que la tensión primaria aplicada está adelantada con respecto a la corriente primaria y, por lo tanto, la tensión secundaria está atrasada 180 grados con la tensión primaria. También está en fase con la fcem inducida en el primario.

Trabajo en equipo


Elaborar la construcción de una bobina, comprobando la existencia de un campo electromagnético en esa bobina.

3.2.1 Fuerza electromotriz (FEM) autoinducción

• Inducción mutua.

La autoinducción en una bobina o conductor en realidad es una fuerza contraelectromotriz que se genera cuando el campo magnético originado por el flujo de corriente corta a la bobina o conductor. Si las líneas de flujo del campo magnético se expanden o contraen en una bobina cortaran los devanados de otra bobina cercana, también se induciría una tensión en esa segunda bobina. La magnitud de la fem inducida de esta manera depende de la posición relativa de las dos bobinas. Además, cuanto mayor sea el número de vueltas que tenga la' segunda bobina y que sean cortadas por las líneas de flujo de la primera, mayor será la fem inducida. Esta inducción de fem en una

bobina, o conductor por líneas de flujo generadas en otra bobina o conductor, recibe el nombre de inducción mutua. La bobina en la cual se origina el flujo se conoce como primario, o devanado primario, y aquella en la que se induce la fem recibe el nombre de secundario. En forma similar, la corriente que fluye a través del primario es la corriente primaría y si el secundario está recibe el nombre de corriente secundaria.

Cuando la corriente fluye en el devanado secundario, establece su propio campo magnético, que también induce una tensión en el devanado primario. Así pues, cuando hay inducción mutua entre dos bobinas, existen 4 tensiones. Estas son 1) la tensión aplicada al primario; 2) la fem autoinducida en el primario; 3) la fem inducida en el secundario; 4) la fem inducida de nuevo al primario por la corriente secundaria. Por lo tanto, la inductancia real o efectiva general de las dos bobinas mutuamente acopladas, es compleja debido a las interacciones complejas entre los campos magnéticos. La inductancia efectiva de dos bobinas acopladas mutuamente recibe el nombre de inductancia mutua.

La inductancia mutua se puede considerar como la cantidad o grado de inducción mutua que existe entre dos bobinas o devanados. La inductancia mutua de dos bobinas determinadas depende del encadenamiento de flujo entre las bobinas, que a su vez dependen de las posiciones relativas que tiene entre si. El grado de encadenamiento de flujo se expresa por medio de un factor que se llama coeficiente de acoplamiento. Cuando todas las líneas de flujo de cada bobina cortan o se concatenan con la otra, el coeficiente de acoplamiento es 1, que es el valor máximo. Si sólo algunas de las líneas de flujo de cada bobina cortan a la otra, cuando no existe inductancia mutua entre dos bobinas, el coeficiente de acoplamiento entre ellas es cero. Cuando el



coeficiente de acoplamiento se aproxima a 1, ambas bobinas tienen un acoplamiento estrecho; cuando el valor es mucho menor que 1, se dice que las bobinas tienen un acoplamiento flojo o débil. El término acoplamiento critico se aplica para describir la línea divisoria entre un acoplamiento estrecho y débil.

Cuando se conoce el coeficiente de acoplamiento entre dos bobinas la inductancia total de las bobinas se determina multiplicando los valores de la inductancia de las bobinas, tomando la raíz cuadrada del resultado multiplicándola por el coeficiente de acoplamiento. En forma de ecuación, esto puede escribirse:

21 LxLkM =

donde M es la inductancia total de las bobinas mutuamente acopladas, dada en henrys; k es el coeficiente de acoplamiento; y L1 y L2 son las inductancias de cada una de las bobinas expresadas en henrys.

• Inductancia mutua sobre una tensión.

En un circuito de cc que contenga inductancia y resistencia, la corriente varia gradualmente entre cero y su máximo y entre su máximo y cero. Independientemente de los valores de inductancia y resistencia del circuito, estos cambios siguen siempre un patrón similar. Inicialmente, la variación es máxima y luego se va reduciendo gradualmente hasta que la corriente alcanza su valor constante, que es su máximo, o bien, cero. Durante estos cambios, existe una relación entre los valores alcanzados por la corriente y el tiempo que tarda en alcanzarlos. Esta relación se expresa por medio de una cantidad llamada constante de tiempo.

La constante de tiempo se define como el tiempo que la corriente necesita para aumentar a 63.2 por ciento de su valor máximo o disminuir 63.2 %de su valor máximo. en cualquier circuito cc, la constante de tiempo depende del valor de la inductancia y resistencia. El valor de la constante de tiempo es directamente proporcional a la inductancia e inversamente proporcional a la resistencia. Si se conocen ambas cantidades se puede calcular la constante de tiempo a partir de la siguiente ecuación.

Constante de tiempo = inductancia/resistencia

ó

t = L/R

Por medio de esta ecuación, si la inductancia está expresada en henrys y la resistencia en ohms, la constante de tiempo lo estará en segundos. En la practica, las constantes de tiempo generalmente son muy pequeñas Por esta razón, a menudo se expresan en milisegundos, microsegundos; un milisegundo es un milésimo (1/1,000) de segundo, y un microsegundo un millonésimo (1/1-000,000) de segundo. Con frecuencia milisegundo se abrevia miliseg y microsegundo, μseg.

Una vez conocida la constante de tiempo para un circuito, es fácil calcular cuanto tiempo necesita la corriente para pasar de cero al máximo o del máximo a cero, ya que según se aprecia en la ilustración, el tiempo en que la corriente tarda en alcanzar su máximo o disminuir a cero es igual a cinco veces la constante de tiempo.

• Aumento y disminución de la inductancia y sus efectos

La cantidad de inductancia en un circuito de cc determinada cuanto tiempo tarda la corriente en alcanzar su valor máximo cuando se cierra el circuito, así como cuánto tiempo tarda la corriente en descender hasta cero cuando se abre el circuito. si no hay inductancia en el circuito, las variaciones de corriente, desde el punto de vista práctico, son instantáneas.

El efecto que produce el aumentar inductancia es originar un retraso en el tiempo que la corriente tarda en variar.cuanta mayor inductancia se agregue, más tardará la corriente en variar. La relación exacta entre la inductancia y el tiempo necesario para variar se obtiene mediante la ecuación de la constante inductiva de tiempo, t = L/R. Por ejemplo, si la resistencia de un circuito es de 10 ohms y la inductancia 2 henris, la constante de tiempo del circuito es la siguiente:


En virtud de que la corriente cambia de cero a máximo, o viceversa, en 5 veces la constante de tiempo, se necesitan 5, 0.2 segundos, ó 1



segundo, para este cambio. Si la inductancia aumenta a 4 henrys, la constante de tiempo del circuito se vuelve


Y 5 por la constante de tiempo es igual a 5, 0.4 segundos, ó 2 segundos. Así, pues, al duplicar la inductancia se duplica también el tiempo que tarda la corriente variar entre sus dos valores. En forma similar, si la inductancia se triplica, el tiempo también se triplicará. Y si la inductancia se corta a la mitad, también el tiempo se reducirá a la mitad.

• Inductancia mutua

La inductancia mutua se puede considerar como la cantidad o grado de inducción mutua que existe entre dos bobinas o devanados. La inductancia mutua de dos bobinas determinadas depende del encadenamiento de flujo entre las bobinas, que a su vez dependen de las posiciones relativas que tiene entre si. El grado de encadenamiento de flujo se expresa por medio de un factor que se llama coeficiente de acoplamiento. Cuando todas las líneas de flujo de cada bobina cortan o se concatenan con la otra, el coeficiente de acoplamiento es 1, que es el valor máximo. Si sólo algunas de las líneas de flujo de cada bobina cortan a la otra, el coeficiente de acoplamiento tiene un valor inferior a 1. Nótese que cuando no existe inductancia mutua entre dos bobinas, el coeficiente de acoplamiento entre ellas es cero. Cuando el coeficiente de acoplamiento se aproxima a 1, ambas bobinas tienen un acoplamiento estrecho; cuando el valor es mucho menor que 1, se dice que las bobinas tienen un acoplamiento flojo o débil. El término acoplamiento crítico se aplica para describir la línea divisoria entre un acoplamiento estrecho y débil.

Cuando se conoce el coeficiente de acoplamiento entre dos bobinas, la inductancia total de las bobinas se determina multiplicando los valores de inductancia de las bobinas, tomando la raíz cuadrada del resultado y multiplicándola por el coeficiente de acoplamiento. En forma de ecuación, esto puede escribirse así:

( )21 LLKM =

donde M es la inductancia total de las bobinas mutuamente acopladas dada en henrys; k es el coeficiente de acoplamiento; y L1 y L2 son las inductancias de cada una de las bobinas expresadas en henrys.

• Ley de Lenz.

Hasta ahora no hemos especificado las direcciones de las fem inducidas. Si bien podemos hallar estas direcciones a partir de un análisis formal de la ley de Faraday, preferimos hallarlas a partir del principio de conservación de la energía. En mecánica, el principio de la energía nos permite a menudo sacar conclusiones con respecto a los sistemas mecánicos sin analizarlos en detalle. Usamos aquí el mismo enfoque. La regla para determinar la dirección de la corriente inducida, fue propuesta en 1834 por Heinrich Friedrich Lenz (1804-1865) y se conoce como la ley de Lenz.

“En un circuito conductor cerrado, la corriente inducida aparece en una dirección tal que esta se opone al cambio que lo produce.”

El signo menos en la ley de Faraday indica esta oposición.

La ley de Lenz se refiere a corrientes inducidas, lo cual significa que sólo se aplica a circuitos conductores cerrados. Si el circuito está abierto, por lo general podríamos pensar en términos de lo que sucedería si estuviese cerrado, y de esta manera determinar la dirección de la fem inducida.

Consideremos el primero de los experimentos de Faraday descritos anteriormente. La figura muestra el polo norte de un imán y una sección transversal de un anillo conductor cercano. Al empujar al imán hacia el anillo (o al anillo hacia el imán) se genera una corriente inducida en el anillo. ¿Cuál es su dirección? Una espira de corriente crea un campo magnético en puntos distantes como el de un dipolo magnético, siendo una cara del anillo un polo norte y la cara opuesta un polo sur. El polo norte, como en las barras imantadas, es aquella cara a partir de la cual salen las líneas de B. Sí, como lo predice la ley de Lenz, el anillo en la siguiente va a oponerse al movimiento del imán hacia él, la cara del anillo hacia el imán debe resultar ser un polo norte. Los dos polos norte —uno de la espira de corriente y



el otro del imán— se repelen entre sí. La regla de la mano derecha aplicada al anillo demuestra que para el campo magnético creado por el anillo al salir de la cara derecha de la espira, la corriente inducida debe ser como se muestra. La corriente va en sentido contrario a las manecillas del reloj cuando miramos a lo largo del imán hacia la espira.

Cuando empujamos el imán hacia el anillo (o al anillo hacia el imán), aparece una corriente inducida. En términos de la ley de Lenz esta acción de empujar es el "cambio" que produce la comente inducida y, de acuerdo con esta ley, la corriente inducida se opone al "empuje". Si jalamos el imán alejándolo de la bobina, la corriente inducida se opone al "jalón" creando un polo sur en la cara derecha del anillo de la figura anterior. Para hacer de la cara derecha un polo sur, la corriente debe ser opuesta a la mostrada en la figura. Ya sea que jalemos o empujemos el imán, su movimiento es automáticamente opuesto.

El agente que causa que el imán se mueva, ya sea hacia la bobina o alejándose de ella, experimenta siempre una fuerza de resistencia y, por lo tanto, debe realizar trabajo. Del principio de conservación de la energía, se concluye que este trabajo efectuado sobre el sistema debe ser exactamente igual a la energía interna (Joule) producida en la bobina, puesto que éstas son las únicas transferencias de energía que ocurren en el sistema. Si el imán se mueve más rápidamente, el agente efectúa un trabajo a una mayor velocidad y la velocidad de producción de la energía interna aumenta en consonancia. Si cortamos él anillo y luego realizamos el experimento, no existe una corriente inducida, ningún cambio en la energía interna, ninguna fuerza sobre el imán, y no se requiere ningún trabajo para moverlo. Todavía existe una fem en el anillo, pero, al igual que una

batería conectada a un circuito abierto, no se genera una corriente.

SÍ, en la figura, la corriente estuviese en la dirección opuesta a la mostrada, al mover el imán hacia el anillo, la cara del anillo hacia el imán seria un polo sur, lo cual jalaría a la barra imantada hacia el anillo. Sólo necesitaríamos empujar al imán ligeramente para comenzar el proceso y, por lo tanto, la acción sería autoperpetua. El imán aceleraría hacia el anillo, aumentando su energía cinética todo el tiempo. Al mismo tiempo, aparecería en el anillo una energía interna a una velocidad que iría aumentando con el tiempo. No es necesario aclarar aquí que esto no ocurre. Apliquemos la ley de Lenz a la figura anterior de manera diferente. La figura siguiente 6 muestra las líneas de B para una barra imantada. Desde este punto de vista el "cambio" es el aumento en øB a través del anillo provocado al acercar el imán. La comente inducida se opone a este cambio creando un campo que tiende a oponerse al aumento de flujo causado por el imán en movimiento. Así, el campo debido a la corriente inducida debe apuntar de izquierda a derecha en el plano de la bobina, de acuerdo con nuestra conclusión preliminar.

Aquí no es significativo el hecho de que el campo inducido se oponga al campo del imán sino más bien el hecho de que se opone al cambio, que en este caso es el aumento en øB a través del anillo. Si retiramos el imán, reducimos øB a través del anillo. El campo inducido debe oponerse ahora a esta disminución en øB (esto es, al cambio) reforzando el campo magnético. En cada caso el campo inducido se opone al cambio que le da origen.

Ahora podemos obtener la dirección de la corriente en la bobina pequeña C del problema muestra 1. El campo del solenoide S apunta hacia la derecha en la siguiente figura 4 y es creciente. La comente en C debe oponerse a este aumento del flujo a través de C y asi debe crear un campo que se opone al campo de S. La comente en C está, por lo tanto, en dirección opuesta a la de S. Si la corriente en S estuviese decreciendo en lugar de creciendo, un argumento similar demuestra que la corriente inducida en C tendría la misma dirección que la corriente en S.

Factores que afectan la inductancia mutua.



• Pérdidas en un transformador

Sabemos que en un transformador ideal, la potencia en el secundario es exactamente igual a la potencia en el primario. Esto ocurre en un transformador cuyo coeficiente de acoplamiento sea 1.0 (acoplamiento completo) y no tenga pérdidas internas. En la práctica, no puede hacerse un transformador así.

El grado con que un transformador cualquiera se aproxime a estas condiciones ideales, recibe el nombre de eficiencia del transformador. Matemáticamente, la eficiencia es igual a la potencia de salida (secundaria) dividida entre la potencia de entrada (primaria). O sea:

Eficiencia (%) = Potencia de entrada X 100

• Potencia de salida

Nótese en esta ecuación que, cuando las potencias de salida y de entrada son iguales, la eficiencia es cien por ciento. Cuanto menor sea la potencia de salida en relación con la potencia de entrada, menor será la eficiencia.

Puesto que las pérdidas en un transformador reducen la eficiencia del mismo y, por lo tanto, representan potencia desperdiciada, estas pérdidas suelen mantenerse al mínimo. Esto ocurre especialmente en el diseño de transformadores de núcleo de hierro, los cuales deben transmitir grandes cantidades de potencia.

• Pérdidas en el cobre y fugas

Generalmente, los devanados de un transformador están hechos de muchas espiras de alambre de cobre. Igual que con cualquier alambre, estos devanados tienen resistencia. Cuantas más espiras

tengan los devanados, mayor será la longitud necesaria del alambre y, por lo tanto, mayor la resistencia. Cuando las corrientes primaria y secundaria fluyen en los devanados, hay potencia disipada en forma de calor. Estas pérdidas PR se llaman pérdidas en el cobre y son proporcionales al cuadrado de la corriente y a la resistencia. Las pérdidas en el cobre pueden reducirse al mínimo devanando el primario y el secundario del transformador con alambre que tenga área transversal amplia; pero esto aumenta el tamaño y el peso del transformador.

Una causa de la ineficiencia en transformadores de núcleo de hierro es el hecho de que no todas las líneas de flujo producidas por los devanados primario y secundario pasan por el núcleo de hierro. Algunas de las líneas se fugan de los devanados al espacio y, por lo tanto, no unen al primario y al secundario. Esta fuga de líneas de flujo representa energía desperdiciada.

• Pérdidas por histéresis

En un transformador de núcleo de hierro, el núcleo es magnetizado por el campo magnético originado por la corriente de los devanados. La dirección de la magnetización del núcleo es la misma que la dirección del campo magnético que lo hace magnetizarse. Por lo tanto, cada vez que el



campo magnético en los devanados se expande y se contrae, también cambia la dirección en que se magnetiza el núcleo. Se recordará de lo visto en el volumen 1, que cada molécula de hierro se comporta como un pequeño imán.

Para magnetizar un trozo de hierro, todos o la mayor parte de estos pequeños imanes deben estar alineados en la misma dirección. Por lo tanto, cada vez que se invierte la dirección de magnetización del núcleo, las moléculas del núcleo giran para alinearse en la nueva dirección de las líneas de flujo. Sin embargo, las moléculas no siguen exactamente las inversiones del campo magnético.

Cuando el núcleo está magnetizado inicialmente, las moléculas están alineadas en la dirección del campo. Pero cuando el campo magnético baja hasta cero, las moléculas no vuelven a sus orientaciones erráticas originales. Como resultado, aunque la fuerza magnetizante se ha reducido a cero, el núcleo retiene aún parte de su magnetización. El campo magnético tiene que invertir su dirección y aplicar tina fuerza magnetizante en la dirección opuesta antes de que el núcleo regrese a su estado desmagnetizado. Entonces, las moléculas se invierten y se orientan en la nueva dirección del campo. El atraso de la orientación de las moléculas con respecto a la fuerza magnetizante, recibe el nombre de histéresis. La energía que debe alimentarse a las moléculas para que giren y traten realmente de alinearse con el campo magnético, recibe el nombre de pérdida por histéresis del núcleo. Cuanto más energía se necesite, mayor será la pérdida por histéresis.

• Ciclo de histéresis

Las pérdidas por histéresis dependen principalmente del tipo de material de que se

componga el núcleo. Los materiales que mantienen gran parte de su magnetización después de que se ha retirado la fuerza magnetizante tienen grandes pérdidas por histéresis y se dice que tienen alta permanencia. En un núcleo de determinado material, las pérdidas por histéresis son directamente proporcionales a la frecuencia de la corriente en el transformador. Mientras más alta sea la frecuencia, las moléculas del núcleo deberán invertir su alineamiento más veces por segundo; de manera que será mayor la energía necesaria para este fin. Esta relación entre pérdidas por histéresis y frecuencia es una de las razones principales por las que no pueden usarse transformadores con núcleo de hierro en aplicaciones de altas frecuencias.

Un ciclo de histéresis es una curva que indica la forma en que la magnetización de un material está atrasada con respecto a la fuerza magnetizante. Por lo tanto, se puede usar para indicar las pérdidas por histéresis. En la curva representada, el punto A corresponde a la ausencia de fuerza magnetizante y, por lo tanto, ausencia de flujo en el núcleo. Cuando primero se aplica la fuerza magnetizante en la dirección positiva, la curva avanza al punto B, que corresponde a flujo de núcleo en la dirección positiva.

Se puede ver que cuando la fuerza magnetizante se reduce a cero (punto C), en el núcleo aún hay flujo en la dirección positiva. La fuerza magnetizante tiene que invertir su dirección y llegar al punto D antes de que el material sea magnetizado (cero densidad de flujo). Puede seguirse el resto del ciclo de la fuerza magnetizante (D a E) y completar un segundo ciclo (EFGBCDE) y se verá cómo la magnetización del núcleo está atrasada con respecto a la fuerza magnetizante.



• Pérdidas por corrientes parásitas

Puesto que el núcleo de hierro de un transformador es un material conductor, el campo magnético del transformador induce una tensión en el núcleo. Entonces esta tensión hace que circulen pequeñas corrientes dentro del núcleo. A estas corrientes $e les llama corrientes parásitas o corrientes de remolino. Las corrientes parásitas se pueden considerar como corrientes de corto circuito, ya que la única resistencia que encuentran es la pequeña resistencia del material del núcleo. Igual que las pérdidas por histéresis las corrientes parásitas toman energía de los devanados del transformador, por lo que representan pérdidas de potencia.

Las corrientes parásitas en un núcleo de transformador se reducen dividiendo el núcleo en muchas secciones planas o laminaciones y arreglando estas laminaciones entre sí por medio de un revestimiento aislante aplicado en ambos lados de la laminación. Entonces las corrientes parásitas sólo pueden circular en las laminaciones individuales. Por otra parte puesto que las

laminaciones tienen áreas transversales muy reducidas, la resistencia que ofrecen a las corrientes parásitas aumenta considerablemente.

La pérdida de potencia debida a corrientes parásitas es proporcional a la frecuencia y a la magnitud de la corriente en el transformador. Por tanto, las pérdidas de corriente, igual que las pérdidas por histéresis, limitan el uso de transformadores de núcleo de hierro a las aplicaciones de altas frecuencias

• Pérdidas por saturación

Cuando la corriente aumenta en el primario de un transformador de núcleo de hierro, las líneas de flujo generadas siguen una trayectoria del núcleo al devanado secundario, regresando al devanado primario a través del propio núcleo. Cuando empieza a aumentar la corriente, el número de líneas de flujo en el núcleo aumenta rápidamente, cuando mas se eleva la corriente, mayor es el número de líneas de flujo existentes en el núcleo. Cuando la corriente a aumentado hasta el punto en el haya gran numero de líneas de flujo en el núcleo (alta densidad de flujo), aumentar mas la corriente solo producirá otras pocas líneas de flujo. Entonces se dice que el núcleo esta saturado. Todo aumento interior en la corriente primaria después de que se ha alcanzado la saturación en el núcleo, produce perdida de potencia, ya que el campo magnético no puede acoplar la potencia adicional al secundario.

• Numero de conductores.



Como ya se explicó en la página anterior, si no se usa un filtro, a la salida del generador básico de una espira se obtendrá un voltaje de cc fluctuante que alcanza su amplitud máxima y desciende a cero dos veces durante cada rotación completa de la espira. Esta variación en el voltaje producido se llama ondulación y hace que la salida sea inadecuada para muchas aplicaciones.

La variación u ondulación del voltaje de salida se puede reducir mediante dos espiras rotatorias, colocadas en ángulo recto entre sí. Cada terminal de ambas espiras se conecta a un segmento de conmutador separado, de manera que el conmutador tiene un total de cuatro segmentos. Todavía hay sólo dos escobillas, colocadas de manera que, al girar las espiras y los segmentos del conmutador, primero hagan contacto con los segmentos del conmutador para una espira y luego para la otra.

Para cada espira, las escobillas v segmentos del conmutador efectúan la misma función que en el generador de una sola espira. Es decir, una escobilla siempre está en contacto con el extremo de la espira que es negativo y la otra siempre está en contacto con el extremo de la espira que es positivo. Así pues, el voltaje de c-a inducido en la espira se convierte en voltaje de cc fluctuante.

Sin embargo, se observa una diferencia importante en el generador de dos espiras, la cual consiste en que una espira siempre está atrasada 90° de rotación con respecto a la otra. Así pues, cuando el voltaje de una espira disminuye, el de la otra aumenta, y viceversa. La posición de las escobillas es tal que, al girar las espiras y el conmutador, las escobillas siempre están en contacto con los segmentos del conmutador de la espira que tiene el voltaje inducido más alto. Al descender el voltaje en una espira por debajo del de la otra, las

escobillas pasan de los segmentos del conmutador de la espira que tiene voltaje decreciente a los segmentos de la espira que tiene voltaje creciente. Este cambio ocurre cuatro veces durante cada rotación completa de las dos espiras y, debido a ella, el voltaje de salida del generador, el cual se produce entre las dos escobillas, nunca desciende hasta menos de un valor de 0.707 veces la amplitud máxima del voltaje inducido en una de las espiras. Estas salidas de cc requieren menos filtraje que el generador de una sola espira. Debe notarse aquí que, aunque el uso de dos espiras separadas disminuye la fluctuación del voltaje de salida, no tiene efecto en el voltaje máximo de salida. Así pues, el voltaje medio es más alto.

Ya se ha explicado cómo, usando de dos espiras separadas en lugar de una, puede reducirse la ondulación del voltaje de salida del generador. Cuantas más espiras separadas se usen, más puede reducirse la ondulación y el voltaje de salida del generador será prácticamente cc. Entonces se necesitaría poco o ningún filtraje y la salida media sería prácticamente el voltaje máximo.

Por cada espira separada que se aumente, deben añadirse dos segmentos más del conmutador. Uno para cada extremo de la espira. Así pues, siempre se tendrá una relación de dos a uno entre el número de segmentos del conmutador y el de espiras separadas. Se necesitan cuatro segmentos para dos espiras; seis segmentos para tres, etc. Los generadores reales de cc tienen muchas espiras separadas y lo doble de segmentos en el conmutador. Por lo tanto, si se cuenta el numero de segmentos de un generador, la mitad de ese número será el de espiras separadas.

En la figura se ilustra la forma de onda de salida de un generador con cuatro espiras separadas. Ahora también debe notarse que, aunque al aumentar el número de espiras separadas disminuye la variación entre la salida máxima y mínima, no aumenta el voltaje máximo de salida sino sólo la media.

Prácticamente, en todos los generadores las espiras y el conmutador Juntos reciben generalmente el nombre de armadura y, a veces, de rotor, la armadura es, pues, en este tipo de generador, la parte que gira.



• Permeabilidad de la bobina.

• Permeabilidad (μr).

La permeabilidad relativa, o simplemente permeabilidad, de una materia es la relación entre el flujo o numero de líneas de inducción que la atraviesan y el flujo o numero de líneas de inducción que existirían si la materia fuese reemplazada por el vacyo, siendo constante la f.m.m. que actúa en el espacio considerado. La permeabilidad del vacio se toma como unidad, y exceptuados el hierro, el acero, el níquel, el oxigeno liquido y ciertos óxidos de hierro, la mayoría de los restantes materiales, incluso el aire. Puede considerarse que tienen una permeabilidad igual a la unidad. La permeabilidad del hierro y del acero industrial varía desde 50, o valores aún más bajos, hasta 2000.

• Reglas para determinar la polaridad.

La regla de la mano izquierda para generadores, es comparable a la regla de la mano derecha para motores, lo cual indica el tipo de relaciones que hay entre generadores y motores. En ambas reglas, el dedo índice señala la dirección del campo, el pulgar la dirección de movimiento del conductor y el dedo medio determina la dirección del flujo de la corriente.

Del estudio de las reglas se saca una importante conclusión: si dos de las magnitudes son iguales en un generador y un motor, la tercera será opuesta. En la ilustración, el movimiento y el flujo de corriente tienen la misma dirección en ambos; por lo tanto, las direcciones del campo en los dos serán opuestas.

• Punto de saturación.






Identificar los diferentes ejercicios con el calculo de transformadores.

Identificar los términos de permeabilidad, ciclo de histéresis, y retentividad para utilizarlos en los diferentes equipos y circuitos donde se utiliza la fuerza magnetomotriz

3.3 Fuerza magnetomotriz

• Intensidad del campo magnético.

Cuanta más corriente pase por un conductor, más intenso será el campo magnético. Así como el campo magnético, las líneas de flujo son más densas cerca del alambre y se apartan una de la otra al alejarse de éste. El campo, pues, es más intenso cerca del conductor y es más débil al aumentar la distancia.

El número de líneas de fuerza por unidad de área disminuye en proporción inversa a la distancia al conductor. Por ejemplo, a un centímetro del conductor, la densidad de fuerza es la unidad de lo que seria a medio centímetro de distancia.

Si se aproximan dos conductores en los cuales la comente fluye en direcciones opuestas su, campos magnéticos tenderán a oponerse entre si, ya que I» lineal de flujo van en direcciones opuestas. Las líneas de flujo no se pueden cruzar y los campos tienden a separar los conductores uno del otro. Cuando se aproximan dos conductores recorridos por comentes que fluyen en la misma dirección, los campos magnéticos se suman, ya que la líneas de flujo llevan la misma dirección.

Las líneas de flujo se unen y forman trayectorias cerradas alrededor de ambos conductores y los campos tienden a acercarlos. Las líneas de flujo de ambos conductores se suman para originar un campo magnético mis intenso. Tres o cuatro conductores junto, en esta forma, originarían un campo magnético aun mas intenso.

• Densidad del flujo magnético.

La densidad de flujo es el número de Maxwell por unidad de superficie tomada perpendicularmente a la dirección de las líneas de inducción. En el espacio libre, la densidad de flujo y la intensidad del campo son dos magnitudes numéricamente iguales, pero en el interior de los cuerpos magnéticos estas dos magnitudes son completamente distintas. No debe confundirse la una con la otra. La unidad c.g.s. de densidad de flujo (un maxwdl/cm2) es el gauss.

Por definición, la fuerza que ejerce una unidad de polo sobre otra situada a la distancia de 1 cm, en el aire. es 1 dina. La intensidad de campo de una superficie esférica de 1 cm de radio y con una unidad de polo en el centro debe ser entonces la unidad y puede representarse por una linea por centímetro cuadrado sobre la total superficie de la esfera, como indica la figura.

Como la superficie de una esfera de 1 cm de radio es 4πcm2, cada unidad de polo debe tener

4π ó 12.57 Maxwell que parten de él.1 La figura representa una porción de la superficie esférica de 1 cm de radio e indica el paso de un Maxwell a través de cada centímetro cuadrado de superficie, originándose cada línea en una unidad de polo N. Esto explica por qué aparece el término 4π frecuentemente en las fórmulas magnéticas; 4πm líneas de fuerza parten de un polo N cuya intensidad es de m unidades.



• Permeabilidad (μr).

La permeabilidad relativa, o simplemente permeabilidad, de una materia es la relación entre el flujo o numero de líneas de inducción que la atraviesan y el flujo o numero de líneas de inducción que existirían si la materia fuese reemplazada por el vacyo, siendo constante la f.m.m. que actúa en el espacio considerado. La permeabilidad del vacio se toma como unidad, y exceptuados el hierro, el acero, el níquel, el oxigeno liquido y ciertos óxidos de hierro, la mayoría de los restantes materiales, incluso el aire. Puede considerarse que tienen una permeabilidad igual a la unidad. La permeabilidad del hierro y del acero industrial varía desde 50, o valores aún más bajos, hasta 2000.

• Ciclo de histéresis.

Las pérdidas por histéresis dependen principalmente del tipo de material de que se componga el núcleo. Los materiales que mantienen gran parte de su magnetización después de que se ha retirado la fuerza magnetizante tienen grandes pérdidas por histéresis y se dice que tienen alta permanencia. En un núcleo de determinado material, las pérdidas por histéresis son directamente proporcionales a la frecuencia de la corriente en el transformador. Mientras más alta sea la frecuencia, las moléculas del núcleo deberán invertir su alineamiento más veces por segundo; de manera que será mayor la energía necesaria para este fin. Esta relación entre pérdidas por histéresis y frecuencia es una de las razones principales por las que no pueden usarse transformadores con núcleo de hierro en aplicaciones de altas frecuencias.

Un ciclo de histéresis es una curva que indica la forma en que la magnetización de un material está atrasada con respecto a la fuerza magnetizante. Por lo tanto, se puede usar para indicar las pérdidas por histéresis. En la curva representada, el punto A corresponde a la ausencia de fuerza magnetizante y, por lo tanto, ausencia de flujo en el núcleo. Cuando primero se aplica la fuerza magnetizante en la dirección positiva, la curva avanza al punto B, que corresponde a flujo de núcleo en la dirección positiva.

Se puede ver que cuando la fuerza magnetizante se reduce a cero (punto C), en el núcleo aún hay flujo en la dirección positiva. La fuerza magnetizante tiene que invertir su dirección y llegar al punto D antes de que el material sea magnetizado (cero densidad de flujo). Puede seguirse el resto del ciclo de la fuerza magnetizante (D a E) y completar un segundo ciclo (EFGBCDE) y se verá cómo la magnetización del núcleo está atrasada con respecto a la fuerza magnetizante.

• Punto de saturación.



Sugerencias o Notas




seguridad e higiene






4 FUENTE DE ALIMENTACIÓN ELÉCTRICA DE CORRIENTE DIRECTA

Al finalizar la unidad, el alumno identificara la construcción y acción química de las baterías, la estructura del generador y motor de corriente directa para su funcionamiento en los diferentes circuitos y equipos eléctricos.




4.1 Identificar la construcción y acción química de las celdas para los

diferentes tipos de baterías empleadas en los circuitos y equipos eléctricos.

8 hrs.


4.2 Identificar la estructura del generador de corriente directa para su funcionamiento con otros componentes eléctricos donde se aplican. 9 hrs.

4.3 Identificar su clasificación y sus partes de los motores de corriente directa para su funcionamiento en los diferentes circuitos y equipos eléctricos.

9 hrs.

4. Fuentes de Alimentación Eléctrica de Corriente Directa

Módul


Aplicación de

Corriente Directa

108 Hrs.


46 Hrs.


21 Hrs.


26 Hrs.




Sumario

Construcción y acción química básicas de celdas

Generadores de corriente directa

Estructura del generador de corriente continua

Motores de corriente directa

Clasificación de los motores de corriente continua

Potencia nominal de motores de corriente continua


4.1 Identificar la construcción y acción química de las celdas para los diferentes tipos de baterías empleadas en los circuitos y equipos eléctricos.

4.2 Identificar la estructura del generador de corriente directa para su funcionamiento con otros componentes eléctricos donde se aplican.

4.3 Identificar su clasificación y sus partes de los motores de corriente directa para su funcionamiento en los diferentes circuitos y equipos eléctricos.

Identificar la construcción y acción química de las celdas para los diferentes tipos de baterías empleadas en los circuitos y equipos eléctricos

4.1 Construcción y acción química básicas de celdas

• Baterías primarias y secundarias

• Principio de la pila eléctrica.

Si se sumergen dos cintas o placas de cobre en una solución diluida de ácido sulfúrico, y se conectan los terminales a un voltímetro, no se aprecia ningún movimiento sensible de la aguja indicadora del aparato. Esto prueba que no existe ninguna diferencia apreciable de potencial eléctrico entre las dos cintas de cobre.

Pero si reemplazamos una de las cintas de cobre por una cinta de cinc la aguja del voltímetro se moverá hasta indicar aproximadamente 1 voltio de diferencia de potencial existente entre las dos cintas. Será necesario conectar la cinta de cobre al terminal positivo y el cinc al terminal negativo del voltímetro para hacer la lectura indicada. Esto prueba que, en cuanto al circuito exterior, el cobre es positivo con relación al cinc. El mismo experimento se puede repetir con otros metales o substancias. Por ejemplo, el carbón o el plomo pueden reemplazar al cobre, y se puede obtener una diferencia de potencial entre cualquiera de estos dos y el cinc, aunque no se alcanzará el mismo valor que se obtuvo con la combinación cobre-cinc. El cinc puede ser reemplazado por varios metales y se encontrará que se producen



diferencias de potencial entre uno de ellos y el cobre.

Además, no es necesario que la solución sea precisamente de ácido sulfúrico. Otros ácidos, tales como el clorhídrico y el crómico, pueden reemplazar al sulfúrico; o también soluciones salinas, como la de sal común (cloruro de sodio), o la sal amoniaco (cloruro amónico), o el sulfato de cobre o el de cinc. Debido al primitivo descubrimiento de Galvani y de Volta, estas pilas se conocen con el nombre de pilas o elementos galvánicos o voltaicos.

Las soluciones que se utilizan para las pilas se denominan electrólitos, o conductores electrolíticos, y se definen como «medios conductores en los cuales el paso de la corriente eléctrica viene acompañado por un movimiento de materia Un electrólito se define también como una sustancia que, cuando se disuelve en un disolvente determinado (generalmente agua) se transforma en un medio conductor. Si se quiere obtener una diferencia de potencial entre dos placas metálicas, solamente se han de cumplir dos condiciones:

1. Las placas han de ser de metales distintos.

2. Se las debe sumergir en una solución de un electrolito, sea ácida, alcalina o salina.

Además, si se quiere que la pila representada en la figura que suministre energía, conectando una resistencia AB entre sus terminales la corriente exterior pasará del cobre a la resistencia AB y de ésta al cinc. En el interior de la pila, la corriente circulará desde el cinc hacia el cobre, a través del electrolito, como se indica en la figura. Como la dirección

• Definiciones de los elementos que intervienen en la electrólisis.

La pila descrita es una pila electrolítica. Estas pilas se definen como sigue:

1. Una pila electrolítica es un aparato proyectado para que se realice en él una reacción electroquímica y comprende una vasija, dos o más electrodos y uno o más electrólitos.

2. Un electrodo es un conductor que pertenece a la clase de los conductores metálicos, pero no necesariamente un metal, y a través del cual penetra o sale una corriente en una pila electrolítica.

3. Un ánodo es un electrodo a través del cual penetra la corriente en un conductor de clase no metálica.

4. Un cátodo es un electrodo a través del cual sale la corriente de un conductor de clase no metálica

En las dos últimas definiciones, el «conductor de clase no metálica es, evidentemente, el electrolito. En una pila electrolítica que suministre energía, el ánodo es el terminal negativo, o sea el cinc, y el cátodo es el terminal positivo, es decir, el cobre.

Un elemento primario es una pila destinada a generar una corriente eléctrica mediante una reacción electroquímica cuya reversibilidad no se produce con rendimiento adecuado y, por lo tanto, cuando la pila se descarga, no puede cargarse con buen rendimiento mediante una corriente eléctrica. En cambio un acumulador es una pila electrolítica destinada a la generación de energía eléctrica y que, después de descargarse, puede restituirse a la situación de cargada mediante una corriente eléctrica que circule en dirección opuesta a la de la corriente producida cuando el acumulador se descarga». Los acumuladores se denominan frecuentemente pilas secundarias. En una pila electrolítica, la energía se almacena en forma de energía química, y la energía eléctrica se produce a expensas de los electrodos, que bien pasan al electrólito, bien se convierten en una forma degradada de energía química. Por ello, una pila primaria transforma energía química en energía eléctrica.

• Pilas primarias.



Como se sabe existen muchas combinaciones de metales y de soluciones capaces de engendrar una f.e.m. y constituir así una pila, solamente un número limitado de tales combinaciones es comercialmente realizable. Las condiciones a las cuales debe ajustarse una buena pila son las que siguen:

a) No deben producirse acciones locales, es decir que no debe haber ningún o poco desgaste de materiales cuando la pila no produce corriente.

b) La f.e.m. debe ser de tal magnitud que permita a la pila suministrar una cantidad razonable de energía con una corriente moderada.

c) No debe ser necesario reemplazar los materiales con frecuencia y el coste de éstos debe ser reducido.

d) La resistencia interna y los efectos de polarización no deben ser importantes, porque de otra manera la pila no puede suministrar ni siquiera cantidades moderadas de corriente durante un tiempo adecuado.

Así, por ejemplo, la pila representada en la figura 59 (b) no sería realizable, porque el cobre y el cinc se gastarían, hasta cuando la pila no suministrase corriente alguna. La polarización sería importante, y la pila solamente podría suministrar una corriente relativamente pequeña.

• Resistencia interna.

Como se ha señalado en el capítulo III, cualquier pila o acumulador tiene una resistencia interior, que tiende al mismo tiempo a reducir la magnitud de la corriente y de la tensión entre terminales, cuando suministran corriente. Esta resistencia se produce .en los electrodos, en la superficie de contacto entre los electrodos y el electrolito y en el propio electrolito. Puede reducirse modificando las dimensiones de la pila, del mismo modo que con cualquier conductor eléctrico. La sección transversal del camino que sigue la corriente en el interior de la pila debe ser tan grande como sea posible. Esto representa que debe existir una gran superficie de contacto entre los electrodos y el electrolito. La sección transversal de los electrodos debe ser también bastante amplia para transportar la corriente a los terminales de la pila sin excesiva

caída de potencial. Se presentan ligeras dificultades para conseguir que las pérdidas de tensión en las mismas placas sean despreciables. Se comprende que a mayores electrodos corresponden mayores pilas, con mayor capacidad de corriente. Además del medio de aumentar la superficie de contacto de los electrodos con el electrolito, la resistencia de la pila puede reducirse disminuyendo la distancia entre los electrodos. Con ello se reduce la longitud del recorrido de la corriente dentro de la pila y se reduce proporcionalmente la resistencia de la pila.

Aumentando el tamaño de la pila no aumenta su f.e.m. La f.e.m. de-pende únicamente del material de los dos electrodos y del electrolito. Por ejemplo, si en dos pilas, una mucho mayor que la otra, se han empleado idénticos materiales para los electrodos y se utiliza el mismo electrolito, las dos generarán f.e.m. iguales. Es decir que si se conectan uniendo los terminales negativos y los positivos no deberá circular corriente alguna entre las dos pilas. Sin embargo, al aumentar el tamaño de los elementos de una pila, se incrementa su capacidad.

• Polarización.

Si se lleva a cabo un ensayo para determinar el descenso de la tensión entre los terminales cuando se toma corriente de una pila, como por ejemplo una pila seca, conectando un voltímetro, un amperímetro y una resistencia exterior, como en la figura anterior 60, los resultados serán aproximadamente los siguientes:

Cuando la pila está en circuito abierto, el voltímetro indicará la fem de la Pila E , indicada en la siguiente figura. Cuando se cierra el interruptor S, la corriente circula y la tensión entre los terminales descenderá rápidamente desde A hasta B. La distancia AB representa, aproximadamente, la caída de potencial debida a la resistencia interior de la pila, de la que hemos hablado más arriba. Pasando el tiempo, la tensión entre los terminales continúa descendiendo, como indica la porción BB' de la curva, aun cuando la resistencia exterior se mantenga constante. Esta ulterior caída de tensión se debe enteramente a la polarización.



Si al llegar al tiempo correspondiente al punto B', se pone la resistencia exterior en corto circuito, la tensión entre los terminales se eleva casi inmediatamente hasta el valor A', representando la distancia B'A' la caída de tensión debida a la resistencia interior de la pila. Pasado algún tiempo más, contándolo ahora de derecha a izquierda y según la escala de la parte alta del diagrama, figura anterior, la f.e.m. de la pila se recupera gradualmente, debido a que se desprenden las burbujas de hidrógeno generadas en el cátodo.

La polarización se debe al hecho de que cuando la pila suministra corriente, se forman pequeñas burbujas de hidrógeno sobre la placa positiva o cátodo, que cubren prácticamente su superficie y dan lugar a dos efectos.

1. Un aumento efectivo de la resistencia de la superficie de contacto entre el cátodo y el electrolito.

2. Una acción secundaria entre el hidrógeno y la placa positiva o cátodo, que produce una fuerza electromotriz de polarización opuesta a la de la pila.

Estos dos efectos explican la reducción de la f.e.m. y la capacidad de muchos tipos de pilas después de algún tiempo de prestar servicio.

Despolarización. Puede obtenerse una despolarización parcial o casi completa, tanto por procedimientos físicos como químicos. La despolarización física se obtiene haciendo rugosas las superficies de los-electrodos.

En ocasiones se consigue esto mediante la electrodeposición de una masa suelta de metal sobre la superficie del electrodo, como, por ejemplo, de negro de platino sobre una superficie de platino. El hidrógeno se desprende mucho más fácilmente si las superficies son rugosas.

En la práctica, sin embargo, la despolarización se realiza casi siempre por medios químicos, como los de empleo de un agente oxidante, tal como el ácido crómico o el bióxido de manganeso, dispuesto en íntimo contacto con el cátodo. El hidrógeno se combina fácilmente con el oxigeno de estos agentes para formar agua (H20). Este método se emplea en la pila de bicromato, en la de Leclanché y en las pilas secas.

Pila de Daniell. Esta pila es del tipo de dos líquidos con placas de cobre y de cinc como electrodos. Consiste en un vaso de vidrio que contiene en su interior otro recipiente menor de un material poroso dentro del cual hay una solución de sulfato de cinc o de esta sal y ácido sulfúrico. El ánodo o electrodo negativo está sumergido en este electrolito. Alrededor del vaso poroso hay una solución de sulfato de cobre con algunos cristales de esta sal en el fondo del vaso de vidrio. Una placa de cobre, que hace de cátodo, rodea el vaso poroso. Éste mantiene separadas las dos soluciones. Como el cobre se encuentra dentro de una solución saturada de sulfato de cobre no hay polarización. Esta pila está indicada para emplearla cuando el circuito esta continuamente cerrado. Si se deja abierto el circuito, los electrodos se consumen rápidamente.

Cuando la pila queda fuera de servicio por algún tiempo, conviene retirar los electrodos y lavar completamente el vaso poroso La f.e.m. de esta pila es aproximadamente de 1,1 voltios. Atendiendo al aspecto práctico de su utilización, la pila Daniell está anticuada, pero da un ejemplo del principio en que se basan las pilas de gravedad.

Pila de gravedad. Esta pila es una modificación de la de Daniell, utilizándose la diferencia de densidad y no una pared porosa para mantener separados los dos electrólitos. El cátodo, que es de cobre, está formado por cintas delgadas, unidas entre sí y colocadas en el fondo del vaso, junto con cristales de sulfato de cobre. Una solución de sulfato de cobre llena el vaso hasta poca distancia del borde. La conexión del electrodo de cobre con el terminal se suele hacer por medio de un hilo de cobre aislado, que pasa por la solución y emerge fuera del vaso. Deben que dar siempre cristales de sulfato de cobre en el fondo.

El ánodo, que es de cinc y por lo general más bien Pila de macizo, se hace fundido y en forma de pata de gallo, gravedad, disponiéndolo colgado del borde del vaso. Este electrodo está rodeado por una solución de sulfato de cinc que queda separada por densidad de la solución de sulfato de cobre, que es más pesada y tiende a quedarse en el fondo. Las soluciones deben verterse cuidadosamente, puesto que si la solución de sulfato de cobre se pone en contacto con el cinc, se forma un depósito de cobre sobre él. Este depósito se ha de quitar si por casualidad llegara a



formarse. Durante el funcionamiento de la pila, el cinc se disuelve en el sulfato de cinc, y el cobre metálico de) sulfato se deposita sobre el electrodo de cobre. El cátodo aumentará, por lo tanto, de peso mientras que el ánodo lo irá perdiendo.

Ésta es la razón por la cual se hace macizo el ánodo de cinc y delgadas las cintas del cátodo de cobre cuando se prepara la pila. La f.e.m. de la pila es prácticamente igual a la de la Daniell y aproximadamente de 1,09 voltios, variando ligeramente con la concentración de las soluciones.

Para evitar que el sulfato de cinc ascienda por capilaridad, se parafina la parte alta del vaso. Para dificultar la evaporación se suele recubrir con aceite la superficie del electrolito. Cuando se carga de nuevo la pila, se añade cinc metálico y cristales de sulfato de cobre y se quita cobre metálico y sulfato de cinc..

La pila de gravedad es del tipo de circuito cerrado y debe mantenerse así el circuito para obtener los mejores resultados. De otro modo, el sulfato

de cobre se mezclará gradualmente con el sulfato de cinc. Esta pila se ha utilizado para las señales ferroviarias, aparatos de alarma de incendio y servicios telefónicos, en cuyo caso se trabaja en circuito cerrado. Las baterías de acumuladores las han reemplazado en muchas ocasiones, y con frecuencia utilizando corriente alterna de las redes de distribución, previamente rectificada.

Pila de Leclanché. La pila de Leclanché es quizás el tipo más familiar de pila primaria, porque constituye el fundamento de la pila eca, que tan amplia aplicación ha conseguido. De hecho, la pila seca es pura y simplemente una forma de pila de Leclanché, en la cual el electrolito queda retenido por un medio absorbente. El cátodo es de carbón moldeado y el ánodo es de cinc amalgamado. El electrolito es sal amoníaco (cloruro amónico). Debido a que se polariza rápidamente, esta pila se utiliza sólo para instalaciones en circuito abierto, o sea para funcionamiento intermitente. Su f.e.m. varía entre 1,4 y 1,5 voltios, pero debido a la caída de tensión ocasionada por la resistencia interior y a la que produce la polarización, la tensión en terminales debe considerarse que es sólo de 1 voltio cuando la pila está en servicio. El medio más empleado para reducir la polarización, la tensión

en terminales debe considerarse que solo de un voltio cuando la pila esta en servicio

El medio mas empleado para reducir la polarización es poner bióxido de manganeso en contacto intimo con el carbón. El bióxido de manganeso cede fácilmente oxígeno, que se une a las burbujas de hidrógeno para formar agua.

En uno de los tipos de pilas de Leclanché se suspende una varilla de cinc en el centro de un cilindro hueco de carbón y bióxido de manganeso.

Un tipo más perfeccionado, la pila de vaso poroso, está representada en la siguiente figura. Consta de un vaso de carbón lleno de bióxido de manganeso rodeado por la placa de cinc, curvada en forma de cilindro, manganeso rodeado por la placa de cinc, curvada en forma de cilindro, manteniéndose la separación entre ambos por medio de aros de caucho.

La solución suele constituirse disolviendo 150 g de cloruro amónico en un litro de agua. Si la solución es más concentrada se producen cristales de cloruro de cinc sobre el cinc y el carbón. Para evitar que la solución ascienda por las paredes del vaso se recubren éstas con parafina y el extremo del carbón se embadurna con cera.

Debido a su simplicidad y al hecho de que no contiene ácidos o álcalis nocivos, este tipo de pila se empleó mucho para circuitos de funcionamiento intermitente, tal como timbres de puertas, teléfonos y telégrafos. La pila seca, de forma más conveniente, ha reemplazado casi completamente este tipo de pila.



Pilas secas. La pila seca es en realidad una pila de Leclanché en la que el electrolito está impregnando un material absorbente y todo el conjunto va herméticamente cerrado para evitar la evaporación. Como este tipo de pila es relativamente muy ligero, portátil y conveniente, ha reemplazado prácticamente los demás tipos de pilas primarias. El nombre «pila seca» es realmente inapropiado, puesto que ninguna pila verdaderamente seca puede suministrar una corriente apreciable. Realmente la causa primor dial de agotamiento de una pila seca es que, efectivamente, se quede seca.

La sección transversal de una pila seca típica se representa en la figura 65. El ánodo es de chapa de cinc y tiene forma de vaso cilíndrico, que sirve como envoltura de la pila. El terminal correspondiente está soldado en el borde superior del cinc, el cual está recubierto con un material no conductor, como papel secante o yeso. El cátodo está formado por una barra de carbón recubierta por una mezcla de coque, carbón, etc. La barra varía de forma según la fábrica de procedencia. Está colocada en el centro de la envoltura de cinc y el terminal correspondiente se fija en su extremo.

El agente despolarizador, polvo de bióxido de manganeso, se mezcla con coque muy fino y se comprime bien en el espacio comprendido entre el carbón y la capa de material no conductor que recubre el cinc. Se llena con ello la envoltura hasta unos 3 cm del borde. Se añade una solución de cloruro amónico con una ligera proporción de sulfato de cinc y se tapa con cera o con un producto alquitranado. La parte exterior de la envoltura de cinc se barniza las mas veces y el conjunto se pone siempre dentro de una envoltura cerrada de cartón.

La f.e.m. de una pila seca varía entre 1,5 y 1,6 voltios cuando está nueva, pero baja a 1,4 voltios con el tiempo, aun cuando la pila esté inactiva. El que la f.e.m. sea muy inferior a 1,5 voltios indica ordinariamente que se ha empezado a deteriorar. La resistencia interior de una pila nueva es de 0,1 ohmios aproximadamente y aumenta varias veces con el tiempo. El efecto de polarización es grande en comparación con la resistencia interior, de manera que un valor reducido de la resistencia interior no tiene importancia, excepto en el aspecto de indicar una pérdida de condiciones de la pila. Un método para ensayar estas condiciones es ponerla en corto circuito con un amperímetro y si marca un valor instantáneo de 1,5: 0,1 = 15 amperios, es que se halla en buenas condiciones. Cuando está nueva, la corriente llega a alcanzar, por este método, hasta 25 amperios. Cuando suministra una corriente apreciable, la tensión entre terminales se acerca mucho a 1 voltio.

Una de las causas principales de que una pila se gaste es que el cinc se deteriora como resultado de las reacciones electroquímicas en el interior de aquélla. La solución resuma por los poros y el interior se seca, con lo que la pila queda inutilizable. La vida de una pila puede prolongarse temporalmente reponiendo la solución, pero en general los resultados obtenidos están lejos de ser satisfactorios.

Como ya se sabe, las pilas secas se prestan a muchas aplicaciones. Donde pueden aplicarse es en el suministro de corrientes moderadas para servicios intermitentes, pero también permiten



suministrar una corriente ininterrumpida de una intensidad de 0,1 amperio. Se usan en gran escala para timbres de llamada, campanas eléctricas, zumbadores, teléfonos, telégrafos, encendedores de aparatos de gas, lámparas de destellos y otras muchas aplicaciones. Se emplean también como baterías A, B y C en los receptores de radio de corriente continua.

Pila de Rubén. La pila de Rubén (R. M.)1 se estudió conjuntamente por los Laboratorios Rubén y P. R. Mallory y Cía., durante la segunda guerra mundial, para cubrir las necesidades de las fuerzas armadas, en cuanto a baterías secas necesarias para sus equipos de radar y otros aparatos electrónicos que requieren una relación alta entre la capacidad en amperios hora y el volumen y densidades de corriente más elevadas que las que en general podían obtenerse con las pilas de Leclanché. El ánodo es de cinc amalgamado, y el cátodo se constituye con una íntima mezcla de óxido mercúrico, como despolarizante, y grafito, para reducir su resistividad. El electrolito es una disolución de potasa cáustica (KOH) que contiene cincato potásico. Las pilas se construyen de dos formas. En una de ellas, el ánodo consiste en una tira ondulada de cinc, arrollada en espiral (fig. 66, a), de un espesor de 0,051 a 0,13 mm, que se amalgama después de conformarla. Con la cinta de cinc se arrollan dos tiras de papel absorbente y resistente a los álcalis (electrolito), de modo que el cinc sobresale en la parte superior y el papel en la inferior. Este ánodo se aisla de la caja de acero que contiene a la pila, con un aislador de poliestireno. El despolarizador catódico se separa del ánodo con una pantalla de papel resistente a los álcalis. La tapa de la pila es de cobre que está en contacto con la cinta de cinc formando el terminal negativo. La pila se hace estanca con un anillo aislante de neopreno. La caja de acero, que es químicamente inerte para los ingredientes que contiene la pila, forma el electrodo positivo.

En el segundo tipo de pila de Rubén, denominado de «botón» (fig. 66, b), el ánodo está constituido por un disco de polvo comprimido de amalgama de cinc. Los otros elementos de la pila son idénticos a los del tipo representado en la figura 66 (a). Este segundo tipo tiene un rendimiento volumétrico superior al anterior, lo que, unido a otros factores, ha hecho que lo reemplace.

La diferencia de potencial entre bornes, en circuito abierto, es de 1,34 voltios, y no varía con el tiempo ni cambia con la temperatura. Las ventajas de esta pila son su larga «vida en almacén», que permite conservarla indefinidamente; su larga vida en servicio, que es aproximadamente el cuadruplo de la que tienen las pilas secas de Leclanché, de volumen equivalente; escaso peso; una característica de tensión muy plana, que es ventajosa para usos electrónicos, ya que las características de las válvulas varían mucho con la tensión; adaptación a trabajos con altas temperaturas, sin averías y alta resistencia a los golpes.

Como ejemplo de la alta capacidad de las pilas de Rubén en comparación con los tipos ordinarios de pilas secas, puede citarse el caso de utilización de ambos tipos en un equipo portátil de radioteléfono. La batería de pilas secas pesaba 4,3 Kg y hubo que substituirla después de un funcionamiento continuo de 7,8 horas; en cambio, la de pilas de Rubén, que tenía un peso de 4 Kg, funcionó 38 horas antes de cambiarla.

Pilas de cloruro de plata y magnesio, activadas con agua. Al comenzar la segunda guerra mundial y debido a las diversas mejoras en los equipos electrónicos de los ejércitos, se hizo imprescindible el disponer de baterías de pilas de muy poco peso, pequeño tamaño y gran capacidad. Tanto los acumuladores como las baterías de pilas que existían resultaban demasiado grandes o no tenían la capacidad necesaria para cubrir las necesidades de los nuevos equipos electrónicos ligeros y pequeños. Además, como las baterías se



empleaban en todo el mundo, era necesario que, aun al almacenarlas indefinidamente, no perdieran sus características. Como resultado de ello, los C. F. Burgess Laboratorios desarrollaron el tipo de pila de cloruro de plata y magnesio, activada con agua. El electrodo positivo está constituido por una lamina de plata de 0,025 a 0,076 mm de espesor, con un recubrimiento por deposición electrolítica de cloruro de plata v el electrodo negativo se forma con lámina de magnesio En los tipos construidos para tensión moderada, pero gran intensidad de corriente, la hoja de plata esta recubierta por ambos lados con cloruro de plata, y a cada electrodo se suelda un hilo terminal. Los dos electrodos se arrollan en espira] interponiendo entre ambos papel absorbente, lo que constituye una pila cilíndrica en cuyo extremo emergen dos hilos. La pila constituida de esta manera, totalmente en seco, es completamente inerte y se conserva indefinidamente. Cuando el papel absorbente se satura de un electrolito, preferiblemente agua dulce o salada, la pila puede suministrar una corriente eléctrica sensible. Para constituir una batería de dos o más pilas, es conveniente encintar a pila cilíndrica con cinta de plástico o papel barnizado y, entonces, enrollar sobre ella una segunda pila. Cuando se quieren obtener tensiones elevadas, pero intensidades pequeñas de corriente, las baterías se hacen preferentemente de forma plana y la hoja de plata se cubre con el cloruro de plata solamente por una cara. Las pilas pueden suministrar corriente de intensidad relativamente alta con tensiones en descarga, de 1,3 a 1,5 voltios entre terminales, que se conserva relativamente constante, aun por encima del régimen de descarga. Una pila con un electrodo de 44,5 mm de diámetro y 82,5 mm de altura tiene una capacidad de 0,875 amperios-hora cuando se descarga con tensión de un voltio y pesa 74 g, seca y 110g húmeda. El Promedio de amperios- hora y vatios-hora por kilogramo es de 6,4 y 42,7 respectivamente valores que son muy superiores a los de los otros tipos de baterías y que son el doble del que corresponde a los elementos con electrodos de plomo con electrolito acido. Además, como en todas partes se encuentra agua, las baterías pueden expedirse a cualquier lugar, sin electrolito. Estas pilas se adaptan muy bien para determinadas aplicaciones, como por ejemplo para las radios instaladas en boyas de salvamento, que se lanzan al mar desde los aeroplanos cerca de los puntos en que se encuentren las tripulaciones de aparatos

derribados Ln cuanto la boya toca al agua, el agua del mar penetra en la batería y la activa, con lo que suministra corriente a un emisor de radio automático que guía las embarcaciones de salvamento o los aeroplanos hacia el lugar adecuado. Las pilas de este tipo son caras, pero su precio está justificado por los servicios especiales que pueden prestar.

Pila patrón de Westón- En los trabajos prácticos es esencial poder contar con un Patrón de comente, de diferencia de potencial y de resistencia. Naturalmente que el conocimiento de dos de estas cantidades nos permite determinar la tercera fácilmente, por medio de la ley de Ohm. No es un problema difícil fabricar y reproducir patrones de resistencia, ya que no son más que tiras u otras formas de metal, cuidadosamente montadas y calibradas. Estos patrones son prácticamente eternos, porque su resistencia permanece constante por tiempo indefinido. Los patrones de intensidad de corriente o de tensión son mucho más difíciles de reproducir y de mantener que el patrón de resistencia, y se ha comprobado que es más fácil conseguir un patrón de diferencia de potencial que uno de intensidad de corriente. Este patrón es la f.e.m. de una pila normal o patrón. La f.e.m. de una pila depende de los materiales que la constituyen y de sus impurezas, de la concentración del electrolito, de la temperatura, de los efectos de polarización, etc. Se hace difícil, por lo tanto, elegir estos materiales para una pila de manera que permitan reproducirla en distintos momentos y en lugares diferentes con el grado suficiente de precisión. El elemento de Weston cumple dichos requisitos y en la actualidad se emplea universalmente como pila patrón.

En esta pila, el 'cátodo es de mercurio y el ánodo, de amalgama de cadmio. El electrolito escuna solución de sulfato de cadmio y sulfato mercurioso.

La pila se fabrica en dos formas, la pila patrón y la pila secundaria no saturada. En la pila patrón se dejan cristales de sulfato de cadmio en contacto con la solución, con lo que se consigue que esté siempre saturada. Su f.e.m. queda ligeramente afectada por la temperatura, produciéndose un cambio de unos 50 microvoltios por grado centígrado para temperaturas comprendidas entre 25 y 40°C, pero se pueden hacer correcciones



precisas. Es posible reproducir estas pilas con f.e.m. que difieran entre sí solamente de algunas millonésimas.

El vaso que contiene la pila es un tubo de vidrio en forma de H, cuyos brazos tienen 25 mm de diámetro. El tubo está cerrado herméticamente. El cátodo de mercurio se dispone en el fondo de uno de los brazos del tubo en H, y sobre él la pasta de sulfato mercurioso. En el fondo del otro brazo está el ánodo de amalgama de cadmio. Los terminales enlazados al cátodo y al ánodo se sueldan al fondo de los brazos. Los rápidos cambios de temperatura no afectan por igual los dos brazos, lo que da origen a errores hasta que la temperatura se estabiliza. Para reducir estos efectos al mínimo posible, se encierra la pila en una caja de baquelita (fig. 67) cuya parte frontal se ha suprimido para que se vea la forma constructiva de la pila. Recientemente se ha añadido una cubierta de cobre (fig. 67), para disminuir aún más la acción de la temperatura.

La tensión entre los terminales de cualquier pila difiere de su f.e.m. de una cantidad igual al producto RI, caída de tensión debida a la resistencia de la pila. Como la resistencia de una pila de Weston es de unos 125 ohmios, es evidente que, si suministra una corriente apreciable, su tensión entre los bornes será muy pronto distinta de su f.e.m. La pila debe emplearse, por lo tanto, de tal manera que la intensidad de la corriente producida no sea apreciable. Por medio del llamado método de Poggendorf, que se describe en el § 137, la pila se utiliza sin que produzca corriente alguna. No debe suministrar la pila más de 0,0001 amperios en ningún instante. Si se absorbe una corriente sensible, la f.e.m. cae, pero cuando el circuito se abre de nuevo, la f.e.m. vuelve lentamente a su valor inicial.

• Secundarias.

Los elementos secundarios, llamados también acumuladores, se fundan en los mismos principios que los primarios o pilas, pero ambos difieren en la manera de regenerarlos.

Los materiales de una pila primaria que se han gastado durante el proceso de generación de corriente han de reemplazarse por otros nuevos, mientras que, en un acumulador, los ateriales

constitutivos vuelven a su condición inicial haciendo pasar la corriente en sentido opuesto. Por esta razón, los productos electroquímicos que se producen durante la descarga deben conservarse dentro del acumulador. Por lo tanto, si un acumulador durante su funcionamiento da lugar a productos que escapan, ordinariamente en forma de gases, de manera que no pueden volver a recuperarse cuando se invierte la corriente, este acumulador no resultará conveniente. Por ejemplo, la pila de Leclanché desprende gas amoníaco y, por lo tanto, no puede servir de acumulador. Las pilas de Daniell y de gravedad son reversibles y, por esta razón, son teóricamente utilizables como acumuladores; pero como los materiales activos quedan disueltos y no pueden recuperarse durante el ciclo inverso, su vida como acumuladores seria muy corta. Se utilizan ordinariamente tres tipos de acumuladores: el de placas de plomo y ácido; el níquel, hierro y álcali, y el níquel, cadmio y álcali. En todos estos tipos, los elementos activos quedan en los electrodos.

Acumuladores de plomo y ácido. El principio fundamental del acumulador de placas de plomo se apoya en el siguiente y sencillo experimento: dos placas planas de plomo se sumergen en una solución de ácido sulfúrico (peso específico = 1,2 aprox.). Estas placas se conectan en serie con una lámpara de incandescencia, o una resistencia cualquiera equivalente, y el conjunto se conecta a la red de suministro de corriente continua a 115 voltios. Cuando la corriente circula por el acumulador, se desprenden burbujas de gas de las dos placas, pero se observa que estas burbujas son mucho más numerosas en una placa que en la otra. Después de cierto tiempo, se observará que una de las placas ha adquirido una coloración chocolate oscura, y que la otra aparentemente no ha cambiado de aspecto. Un examen cuidadoso, sin embargo, hará ver que el plomo compacto de la última placa comienza a hacerse esponjoso

Cuando la corriente pasa por el acumulador, se produce la carga y el voltímetro conectado a sus bornes acusa una diferencia de potencial de 2,5 voltios aproximadamente entre ellos. Si se interrumpe la corriente abriendo el interruptor, la lectura del voltímetro se reduce a unos 2,05 voltios, y el acumulador será capaz ahora de suministrar una pequeña corriente. Sin embargo, la energía que puede suministrar este acumulador es muy limitada e incluso con una pequeña



intensidad de corriente se agota en muy poco tiempo. Durante la descarga del acumulador, la tensión cae lentamente hasta 1,75 voltios, después de lo cual desciende más rápidamente hasta que llega a anularse, lo que aparentemente indica que el acumulador está agotado. El color pardo oscuro adquirido por una de las placas se volverá más claro y tenderá a parecerse más al primitivo c el acumulador recobrará ligeramente su posibilidad de suministrar corriente por un tiempo breve.

La placa que ha adquirido color chocolate oscuro durante el experimento mencionado es la placa positiva o cátodo, y la que se convirtió parcialmente en plomo esponjoso es la negativa o ánodo. Las burbujas se producen más en el ánodo y son de hidrógeno libre. Algunas burbujas que aparecen también en la placa positiva son de oxigeno. Cuando se hace pasar una corriente por un acumulador de este género, el plomo metálico de la placa positiva se convierte en peróxido de plomo, mientras que la placa negativa no cambia de composición química, pero el plomo se vuelve más poroso que el metálico ordinario, adquiriendo una estructura esponjosa más blanda. Cuando el acumulador se descarga, el peróxido de plomo de la placa positiva se transforma en sulfato de plomo, y el plomo esponjoso de la placa negativa se transforma también en sulfato de plomo, de manera que ambas placas tienden a hacerse equivalentes desde el punto de vista electroquímico.

El principio electrolítico del acumulador es el mismo que el de una pila primaria Cuando las dos placas de plomo son electroquímicamente iguales, es decir cuando ambas son de sulfato de plomo, no existe diferencia de potencial entre ellas. Cuando la placa positiva se transforma en peróxido y la negativa en plomo esponjoso por la acción de la corriente durante la carga, las dos placas dejan de ser iguales y existe entre ellas una f.e.m. Esta f.e.m. es de unos 2,05 voltios, y la diferencia entre esta f.e.m. y la de 2,50 voltios que hay entre terminales durante la carga son los 0,45 voltios necesarios para vencer la resistencia interna y los efectos de polarización. Este sencillo experimento pone de manifiesto el principio fundamental del funcionamiento de los acumuladores de placas de plomo.

Cuando se lee de izquierda a derecha esta ecuación química, representa la reacción que se produce al cargar el acumulador. Cuando se lee de derecha a izquierda, indica las reacciones que se producen durante la descarga. Cuando el acumulador está en carga, el solo cambio que se produce en el electrolito es que el agua descompone el sulfato convirtiéndose en acido sulfúrico Esto se nota porque aumenta el peso especifico del electrolito durante la carga. Durante la descarga, el ácido sulfúrico disociado por la corriente reacciona con el peróxido de plomo y forma agua. Por lo tanto, en la descarga, el peso específico del electrolito disminuye. Cuando se carga el acumulador queda hidrógeno libre en la placa negativa y oxígeno en la placa positiva. Debido a la naturaleza explosiva del hidrógeno, no debe encenderse ninguna llama en la proximidad de una batería de acumuladores que se esté cargando.

Placas Planté. No sería práctico construir los acumuladores con placas planas de plomo, como hemos visto en el experimento precedente. La superficie de las mismas expuesta a la acción electroquímica sería tan pequeña comparada con el volumen del plomo, que la capacidad del elemento en amperios-hora sería demasiado pequeña para tener un valor comercial. Además, con una carga relativamente pequeña, el peróxido oscuro que se forma en la placa positiva se desprendería en escamas y se depositaría en el fondo del elemento.

Es necesario, por lo tanto, construir placas que tengan una superficie relativamente grande expuesta a la acción electroquímica y en las que, al mismo tiempo, se reduzcan al mínimo las posibilidades de formación de escamas de peróxido en la placa positiva. Hay dos métodos para alcanzar este resultado: el de Planté y el de Faure. En el método de Planté, el materia] activo de las placas se forma a partir de plomo metálico haciendo pasar una corriente a través del acumulador, primero en una dirección y luego en la opuesta, con lo cual se transforma el plomo de la superficie de las placas en material activo.

Un método para conseguir que la superficie de contacto sea muy grande es el que se sigue con las placas Gouid, representadas en la siguiente figura. Una placa lisa de plomo atacado, sin antimonio, que se somete previamente a un proceso



mecánico de labra con discos circulares, ó de ranurado superior) para formar delgadas aletas con núcleo de plomo sólido inferior). La placa se coloca entonces en una solución oxidante y se carga. Mediante este proceso se forma en las aletas el peróxido de plomo activo, que se acusa por la presencia entre ellas de materia oscura El núcleo, de plomo sólido, queda más o menos protegido contra la acción del electrolito y permanece como elemento conductor. Al mismo tiempo proporciona el plomo necesario para, transformándose en material activo, suplir el que se desprende de la superficie o pierde el contacto con ella.

Otro tipo de placa Planté, es la Exide Manchester, que se representa en la siguiente figura. Es una rejilla constituida por una placa perforada de plomo y antimonio. El material activo consiste en una cinta ondulada de plomo, arrollada en espiral e introducida a presión en los taladros de la rejilla. El peróxido tiene mayor volumen que el plomo de que procede. Por lo tanto, cuando se carga el acumulador, las espirales se dilatan y quedan aún más adheridas a la placa. La rejilla, por su parte, no sufre un ataque apreciable, pero sirve de soporte mecánico. La ventaja de este tipo de placa es su rigidez y su resistencia mecánica. Como la rejilla actúa simplemente como soporte de las espirales de plomo, la placa puede utilizarse hasta que todo el plomo se transforme en material activo, sin que el conjunto de la placa se desintegre.

Las placas positivas Planté se considera que pueden soportar de 1800 a 2400 ciclos completos de carga y descarga. En las placas Planté, las cargas y descargas producidas mientras se utiliza el acumulador, convierten poco a poco toda la placa en material activo. Por este motivo, debe quitarse paulatinamente de las placas positivas una parte del material activo para dejar espacio para el nuevo que se forme. Por lo tanto, debe dejarse espacio suficiente entre el fondo de los vasos y el borde inferior de las placas para que el peróxido de plomo desprendido, al acumularse en el fondo, no establezca un corto circuito entre dos placas.

Las placas negativas Planté deben soportar de 2500 a 3000 ciclos completos de carga y descarga antes que su capacidad se reduzca al 80 % de su valor inicial. Su pérdida de capacidad se debe más a una degradación de su estructura esponjosa que a una desintegración mecánica de la placa.

Sólo de manera excepcional se utilizan placas negativas de tipo Planté, empleándose casi siempre placas Faure, o empastadas, incluso con placas positivas Planté.

Placas Faure o empastadas. Este tipo de placa consiste en una especie de enrejado de plomo antimonioso sobre el que se aplica el óxido de plomo en forma de pasta. Después se carga el acumulador. La pasta de la placa positiva se convierte en peróxido y la de la placa negativa en plomo esponjoso.

La principal ventaja de la placa empastada es su elevada capacidad de energía, especialmente para periodos cortos, junto con su tamaño más reducido y su menor coste y peso para determinada duración de la descarga. Se emplea mucho cuando se requiere ligereza y poco volumen, como en las baterías para vehículos eléctricos y en las de encendido y arranque de los automóviles.



También las placas positivas empastadas si se hacen lisas pierden el material activo, porque se desprende en escamas o por la erosión producida por las burbujas. Una placa empastada debe soportar de 300 a 400 ciclos completos de carga y descarga antes que su capacidad se reduzca al 80% de su valor inicial.

Colocando esterillas de fibra de vidrio sobre las placas positivas, que actúan retardando la erosión, se consigue aumentar la vida del acumulador hasta 750 ciclos, si bien sacrificando un poco sus características eléctricas, sin duda porque se retarda la circulación del electrolito libre. Estas placas se emplean también cuando quieren obtenerse las mejores cualidades eléctricas a expensas de la duración, siempre que haya otros factores que interesen más que la vida de las placas.

Las placas positivas empastadas ganan en capacidad durante sus primeros tiempos, produciéndose un aumento hasta del 120 % aproximadamente de su primitivo valor. Esta capacidad suplementaria es precisa durante la mayor parte de la vida de la placa, ya que se requiere material activo de nueva formación tan rápidamente como se va desprendiendo. Sin embargo, tan pronto como se ha utilizado toda la reserva de material activo, las erosiones que se producen después dan origen a pérdidas considerables de la capacidad. La erosión y la rapidez con que se reduce la capacidad de las placas son entonces tan considerables que la vida utilizable de la placa toca prácticamente a su fin. Si las descargas son elevadas, las placas empastadas tienen mucha más capacidad en amperios, por unidad de superficie, que las placas Planté. Por otro lado, las placas Planté son más rugosas y duran más.

En todos los acumuladores se coloca una placa negativa, más que las positivas. Esto permite que todas las placas positivas trabajen por ambas caras. Si alguna placa positiva trabaja solamente por una cara, como el material activo se dilata durante su transformación en peróxido de plomo por efecto de la carga, la dilatación que sufren las dos caras es distinta y la placa se alabea.

Acumulador blindado Exide. Para la propulsión de vehículos de varias clases y para muchas otras aplicaciones en las que conviene combinar las

características de la placa empastada con muchas de las debidas a la rugosidad y larga duración de las placas Planté, se emplea en la mayor parte de las ocasiones el acumulador blindado Exide. Sus placas positivas consisten en un bastidor de plomo antimonioso que soporta cierto número de tubos perforados de ebonita. Dentro de cada tubo se pone un núcleo de forma irregular de plomo antimonioso, que sirve de colector de corriente. El peróxido, o material activo, se comprime dentro de los tubos asta llenar el espacio que queda entre el núcleo irregular y la cara interior del tubo

Las perforaciones son tan pequeñas que el peróxido no se desprende, eliminándose así, prácticamente, el efecto de la erosión de las placas positivas. Una placa ordinaria empastada, un poco gruesa, se emplea en este acumulador como placa negativa. Aun cuando un poco más caro, este tipo de acumulador dura dos o tres veces más que el usual de placas empastadas.

También puede soportar un trabajo muy duro. La siguiente figura representa la vista y un corte parcial de un acumulador blindado Exide.

Los acumuladores pueden ser de dos tipos: fijos y transportables.

Acumuladores fijos. Las placas de este tipo de acumuladores pueden ser del modelo de Planté o del modelo empastado, según sea el servicio al que se destinen. Para un servicio de «ciclo» continuo o para una misión de regulador a una intensidad moderada, pero uniforme, de carga y de descarga, la placa Planté es preferible. Cuando



se instala una batería de acumuladores para un servicio de auxilio, que sufrirá una sobrecarga durante el corto período correspondiente a la punta que no puede soportar el generador, es preferible emplear placas empastadas Faure. Para una superficie dada en planta, una batería de placas empastadas puede suministrar por hora el doble de la corriente que una batería equipada con placas Planté,

y para la intensidad máxima de corriente esta relación es aún mayor. Este factor es muy importante en los barrios de las ciudades con gran densidad de edificación, en los que se instalan con frecuencia estas baterías, ya que en ellos la superficie disponible tiene mucho valor.

Cuando los acumuladores se deben emplear para servicios de ciclo continuo o de regulación, conviene utilizar placas de tipo Planté en las baterías fijas, debido a su gran duración. Sin embargo, en muchas de las instalaciones modernas, se utilizan placas gruesas empastadas. Debido al perfecto ajuste de los elementos del acumulador en su vaso, que permite que los separadores presionen contra las superficies de las placas, el desprendimiento de material activo se reduce al mínimo y se consigue una larga duración de las placas. Las placas empastadas ofrecen ventajas para los servicios de auxilio, ya que pueden soportar una sobrecarga elevada durante un tiempo pequeño.

Los vasos se hacen de ebonita y se proveen de tapas para evitar salpica duras de ácido. (Antes se utilizaban vasos de vidrio o de madera recubierta de plomo, pero han sido substituidos por los de ebonita).

Baterías portátiles. Las baterías para propulsión de vehículos o para el arranque e iluminación de

automóviles, es preciso que suministren una descarga intensa con un mínimo de peso y de tamaño. Para las baterías portátiles y aun para algunas baterías fijas, son importantes los dos últimos factores. Por lo tanto, se han de emplear placas empastadas, tanto para las positivas como para las negativas. Éstas se construyen de un espesor relativamente pequeño y se aíslan entre sí con separadores delgados. Se empaquetan fuertemente dentro de un vaso de ebonita de composición especial o de plástico. El conjunto es en esencia el mismo que en el acumulador blindado. La tapa se cierra herméticamente con un preparado de asfalto para evitar las salpicaduras del líquido. Hay un orificio en la parte superior del vaso, cerrado con un tapón, que hace posible reponer el agua que falte en el electrolito. Un orificio de ventilación dispuesto en el tapón permite la salida de los gases. La intensidad de descarga de este tipo de acumuladores puede ser elevada cuando, por ejemplo, se utilizan para el arranque. Además, la capacidad en amperios- hora, con relación al peso y volumen del elemento, debe ser elevada. Por esta razón, el volumen del electrolito es reducido y su densidad debe variar entre límites amplios. Cuando la batería está a plena carga, la densidad llega a valer 1,28 y 1,30, y cuando está completamente descargada, baja hasta 1,10.

Los elementos se disponen en conjuntos o en cajas para unidades múltiples, según el tipo de servicio al que han de destinarse, y se conectan por su parte superior mediante tiras de plomo empalmadas a los bornes por fusión del plomo o por medio de tuercas. Las baterías de alumbrado y arranque de automóviles se agrupan corrientemente colocando los elementos en cajas de plástico o composición especial, dando una f.e.m. de 6 voltios aproximadamente. Las cajas para unidades múltiples se adaptan para distintos tipos de servicio, tales como propulsión de vehículos, carretones industriales, locomotoras de minas y alumbrado de ferrocarriles. El número de elementos que contiene cada caja debe ser de unos ocho cuando los acumuladores son pequeños y no menor de dos si son grandes, como en los de alumbrado de ferrocarriles. Las cajas, especialmente para tamaños grandes, se hacen en general de acero, mejor que de madera, lo que permite constituir baterías de gran tamaño.



Las baterías portátiles se adquieren, por lo común, ya montadas, con su carga de electrolito y listas para su empleo en cuanto se reciben. Sin embargo, es recomendable una carga de ensayo.

Como el espacio disponible para el electrolito es muy limitado en las baterías para vehículos y hay un desprendimiento considerable de gases, el nivel del electrolito desciende muy rápidamente, de tal manera que se requieren frecuentes adiciones de agua que, por lo regular, se hacen una vez por semana de servicio activo.

Características de los acumuladores. Prácticamente todos los acumuladores tienen un tiempo nominal de duración de descarga de unas 8 horas. Así, si una batería Planté puede suministrar u0na corriente de 40 amp. Continuamente y durante 8 horas, su capacidad nominal será de 40-8 = = 320 amp.-hora. La intensidad normal de carga de esta batería sería de 40 amp. Suponiendo que fuese capaz de suministrar 40 amp. durante 8 horas, no podría proporcionar 64 amp. durante 5 horas (320 amp.-hora), sino solamente el 88 % de esta cantidad, o sea 56,3 amp. durante 5 horas. Este valor 56,3 se llama la capacidad para 5 horas.

A continuación se incluye una tabla en la que se indica el porcentaje de capacidad para varios tipos horarios de descarga.

Esta disminución de la capacidad, cuando se producen descargas rápidas, se debe a la dificultad que tiene la solución libre para penetrar rápidamente en los poros del material activo, lo que hace que no es posible reducir todo el material activo durante cortos periodos de descarga. Si la batería deja de suministrar corriente durante un tiempo corto, será posible recuperar alguna parte de energía y suministrar más corriente, aunque en apariencia la batería estaba agotada. Esto es debido a la penetración final en los poros del material activo de la solución libre.

Las baterías pueden soportar descargas extremadamente intensas durante intervalos reducidos. Por ejemplo, a una batería de arranque, que suministre 10 amp. continuos durante 8 horas, se le puede exigir durante un instante, para el arranque, una intensidad de 450 amp.

Carga. Para la carga de la batería se puede observar la regla siguiente: La intensidad de carga en amperios puede siempre igualarse al número de amperios-hora que ha suministrado la batería durante la descarga. Por ejemplo, si una batería ha suministrado 200 amp.-hora, puede utilizarse una corriente de, 200 amp. para la carga. A medida que la batería se carga, la capacidad en amperios-hora disminuye y debe reducirse proporcionalmente la intensidad de carga. La intensidad nunca debe ser tal que pueda provocar desprendimientos violentos de gases.

El escape de gases representa una disipación de energía, ya que una parte considerable de la suministrada para la carga se gasta simplemente en descomponer el agua en hidrógeno y oxigeno. Por añadidura, la producción de gases tiende a calentar la batería, se pierde ácido con las salpicaduras que producen las burbujas al romperse, y el material activo se desprende de las placas debido a la acción erosiva de las mismas burbujas. Cuando una batería está totalmente cargada, cualquier corriente producirá burbujas, pero la intensidad puede reducirse a un valor tal que la formación de gases no sea excesiva y sea prácticamente inofensiva. Este valor se denomina intensidad de final de carga.

Una batería se puede cargar en 5 horas empezando con una intensidad varias veces mayor que la final y reduciéndola paulatinamente a medida que aun entra la carga, hasta alcanzar el valor final mencionado (método del voltaje constante) o bien emplear una comente constante de intensidad moderada durante un tiempo mucho más largo, de hasta 16 horas (método de corriente constante).

Un ejemplo usual del método de corriente constante es la carga de las baterías de baja tensión utilizando las redes de distribución de 110 voltios. La figura 76 indica cómo se carga una batería para arranque, áe 6 voltios. La f.e.m. de la hateria es tan pequeña en comparación con la tensión de 110 voltios de la red, que la corriente es absorbida casi enteramente por la resistencia de un grupo de lámparas o por cualquier otra resistencia en serie. Siendo esta resistencia prácticamente constante, la corriente permanece sensiblemente constante, prescindiendo del ligero cambio producido en la f.e.m. de la batería.



Cuando no se dispone de corriente continua, se acostumbra a emplear rectificadores para convertir la corriente alterna en continua para la carga de baterías. Los rectificadores de tipo comercial más corrientes para esta utilización son los de discos secos, como los de óxido de cobre (Rectox), los de selenio y los de cátodo incandescente, como los Tungar y Rectigon (véase vol. U, cap. XV). Estos rectificadores pueden estar adaptados para carga a corriente constante o modificada, para carga a tensión constante.

Antes de conectar la batería debe confirmarse plenamente si la red suministra corriente continua, y es también necesario saber cuál de los conductores es el positivo. Si existe duda en la polaridad y no se dispone de un voltímetro, pueden introducirse los extremos de dos conductores conectados a la linea dentro de un vaso que contenga agua ligeramente acidulada o con sal. Se formarán burbujas en el negativo. Cuando se cargue empleando el método de corriente constante, la intensidad de carga deberá reducirse cuando se llegue cerca de la carga completa.

El método de potencial constante es preferible en muchos casos, porque la corriente de carga se reduce automáticamente debido a que se eleva la f.e.m. cuando se alcanza la carga completa y no se requiere ningún cuidado o muy poco. La tensión aplicada debe ser de unos 2,3 voltios por elemento de la batería cuando no se coloca una resistencia en serie en el circuito. La dinamo de polos auxiliares se adapta a este método de carea véase g 318

Con 2,3 voltios por elemento y sin resistencia en serie, la corriente al empezar la carga es por lo general excesiva, por lo cual es recomendable intercalar una pequeña resistencia en serie. Si se utiliza esta resistencia es conveniente un voltaje de 2,5 ó 2,6 voltios por elemento, como también deben hacerse otros ajustes durante el periodo de carga.

Muchas instalaciones, tales como las baterías de mando de interruptores en aceite, que se disponen en las centrales productoras de energía, se hacen funcionar como baterías tampón conectadas continuamente con las barras de salida. Por lo general, estas instalaciones se componen de 60 elementos, y las barras están a una tensión media

de 129 voltios, que corresponden a 2,15 voltios por elemento, tensión a la cual se mantienen cargados los acumuladores.

Si se requiere volver a cargar la batería después de una prolongada descarga, o para dar una carga periódica de equilibrio, se eleva un poco la tensión en las barras hasta un límite que viene determinado por el carácter de los receptores conectados.

Cuando no hay medio de elevar la tensión en las barras con el fin que se ha indicado, se utiliza un grupo elevador de tensión para que la corriente e carga alcance el potencial suficientemente alto para que circule por ia batería. El grupo está formado en general por una dinamo de baja tensión con excitación en derivación e independiente, accionada - por un motor de derivación. La figura representa el esquema de conexiones del grupo elevador. El generador tiene su terminal negativo conectado con la barra positiva y eleva la tensión de las barras desde V, hasta V, pudiendo corre-girse estos valores para que proporcione la corriente de carga que se quiera. Para poner el grupo en marcha se cierra primero el interruptor S1,con lo que el motor se pone en marcha. Se cierran luego los interruptores S2 y S3 y la corriente de excitación de la dinamo se gradúa hasta que su valor V, sea igual a la f.e.m. de la batería, lo que se logra por medio de un voltímetro V y sirviéndose del interruptor de dos posiciones $4 (doble polo-doble salida). Los interruptores Su, en general de una sola posición, se cierran a continuación, y la excitación de la dinamo se reajusta para obtener la corriente que se desee.

Como ejemplo, consideremos una instalación de 129 voltios con una batería tampón. Como el voltaje medio por elemento es de 2,15 voltios, serán necesarios 60 elementos. Supongamos que la capacidad de la batería es de 320 amp.-hora. La corriente de carga será 320/8 = 40 amp. (a la velocidad normal de carga de 8 horas). La tensión en los elementos debe elevarse para la carga a unos 2,5 voltios. Por lo tanto, la tensión total necesaria será 2,5-60 = 150 voltios. De estos 150 voltios, 129 los suministran las barras; el grupo elevador debe aportar los 21 voltios restantes y la potencia total utilizada para cargar la batería será:



La tensión en tos terminales de un elemento aumenta durante la carga. La tensión entre terminales es de unos 2,18 voltios al comenzar la carga de duración normal de 8 horas, y va aumentando paulatinamente hasta unos 2,4 voltios, y después aumenta más rápidamente hasta 2,6 voltios. Este aumento corresponde al periodo de desprendimiento de gases e indica también que el elemento está cerca de la carga completa. Es este incremento de la tensión el que produce automáticamente el cese en la acción de la corriente de carga cuando se emplea e! método de potencial constante. La tensión no aumenta tan rápidamente cuando la intensidad de carga se reduce hacia el final del periodo de carga, porque la caída IR es menor en el propio elemento.'

En la siguiente figura 78, la curva característica de carga corresponde a una temperatura de 21°C. La tensión final se sitúa entre 2,75 y 2,45 voltios para variaciones de temperatura comprendidas entre —1°C y 43°C. Por este motivo, el voltaje final de un elemento no puede tomarse como base para la carga, a menos que se tome en consideración la temperatura del electrolito. 1

La caída de tensión para distintas duraciones de la descarga está representada en la misma figura . Se puede observar que la tensión de la batería para una descarga de 8 horas de duración es prácticamente constante durante las 5 primeras horas y que. durante las horas que siguen, la variación de voltaje no es importante. Ésta es una marcada ventaja cuando se emplea la batería para la alimentación de lámparas de incandescencia.

• Acumuladores alcalinos Edison de níquel y hierbo

96. Construcción de las placas. La placa positiva está constituida por una rejilla de acero niquelado que sostiene tubos del mismo material, en uyo interior se dispone el material activo positivo. Cuando se introduce en los tubos, el material activo está en forma de hidróxido niqueloso, pero e transforma en óxido de níquel después del tratamiento de formación de las placas. Con el fin de dar al electrolito libre acceso al material activo, los tubos están perforados. Para mejorar la conductividad eléctrica, el material activo se alterna con capas de limaduras de níquel metálico puro, en el momento de meterlo en el tubo. Los tubos tienen de 0,476 a 0,635 cm de diámetro

interior y unos 10 cm de longitud y están reforzados por medio de ocho anillos sin costura, colocados a distancias iguales a lo largo del tubo.

La placa negativa es generalmente de construcción análoga a la positiva, excepción hecha de que la materia activa es óxido de hierro finamente dividido y está contenido en células rectangulares, perforadas, de acero niquelado, en lugar de colocarla en tubos. Las placas positivas y negativas están representadas en la siguiente figura.

Principios electroquímicos En lugar de emplear un ácido, el acumulador de Edison utiliza un electrolito alcalino, que consiste en una solución al 21 % de potasa cáustica, a la que se añade una pequeña cantidad de hidróxido Utico. El electrolito, en lugar de atacar los tubos de acero, células, rejillas, vaso, etc., en realidad los conserva. Las reacciones químicas que tienen lugar en el interior del acumulador son complejas, pero su naturaleza es la que indican las ecuaciones siguientes:

En ningún caso, el electrolito desintegra o disuelve tas materias activas, y, teniendo en cuenta que sólo una cantidad relativamente pequeña de la potasa cáustica y el hidróxido Utico e» absorbida por el electrodo de bióxido de níquel, la composición del electrolito no varia de su modo apreciable de uno a otro extremo del ciclo de carga y descarga. La conductibilidad y el peso especifico del electrolito son, por lo tanto, prácticamente constantes.

Estos procesos se expresan también en e) diagrama de reacciones. Durante la carga, el material activo de la placa negativa, óxido ferroso



(FeO), se reduce a hierro (Fe). El material activo de la placa positiva, óxido de níquel (NiO), se oxida formándose el bióxido (NiO^). Durante la descarga se desarrolla el proceso inverso, oxidándose la placa negativa, que se transforma en óxido ferroso, y reduciéndose la placa positiva, que pasa a óxido de níquel. Debe observarse que durante todo el ciclo de carga y descarga, la solución que tiene por composición 2KOH + HtO permanece invariable, tanto químicamente como en concentración. Por este motivo, a menos que haya evaporación, la densidad del electrolito no cambia con la carga y la descarga, como sucede en los acumuladores de plomo y ácido.

Montaje. Pasando una varilla de acero de conexión por los orificios que hay en la parte alta de las placas, se unen eléctricamente el grupo de las positivas y el de las negativas. Por medio de arandelas de acero colocadas entre las placas adyacentes y atravesadas por la varilla de conexión, se asegura la separación adecuada entre ellas.

Una arandela de cierre y su tuerca atornillada en cada uno de los extremos de la varilla de conexión sujeta firmemente en su posición las placas de un grupo. El grupo positivo y el negativo se intercalan para formar los elementos completos, manteniéndose la distancia entre la placa positiva y la negativa adyacentes por medio de rejillas o varillas verticales de ebonita.

Los elementos acoplados se colocan en un vaso o recipiente de chapa ondulada de acero niquelado y después se suelda la tapa de acero en su posición conveniente, como se indica en la figura 80. Los terminales quedan aislados de la tapa por una serie de arandelas de ebonita y de caucho, que al mismo tiempo procuran un cierre estanco para gases y liquides. En la tapa se dispone un tubo saliente, para llenar, que lleva un tapón roscado .El tapón se mantiene abierto o cerrado por medio de un cierre con resorte de acero. Del tapón está suspendida una válvula de ebonita, que cierra por su peso propio cuando el tapón está cerrado, con lo que impide la entrada del aire exterior y reduce la evaporación, pero deja salir los gases del interior

Los extremos de las piezas polares están fileteados. Inmediatamente debajo tienen una parte de

menor espesor para fijar las arandelas de los terminales de los conductores de conexión entre elementos de un grupo y entre los grupos. Las arandelas de conexión son de acero forjado y se introducen en !a parte más estrecha de las piezas polares y están unidas a conductores gruesos de cobre. Todas las arandelas, conductores y tuercas están niquelados. Los elementos están montados dentro de bastidores metálicos para formar baterías.

Característica de carga y descarga. La capacidad nominal de un elemento Edison se refiere a una descarga normal durante 5 horas hasta que la tensión se reduce a 1 voltio por elemento para los tipos A, fí, C, D, F y N. En la figura a 82 se incluyen las curvas características de carga y descarga, para el acumulador Edison tipo A. Debe observarse que la tensión media para estos tiempos de descarga es de 1.2 voltios por elemento, poco más o menos. Para periodos de descarga distintos del normal, la tensión variará desplazándose hacia arriba o hacia abajo de la curva media, como indica la figura b. Estas características de descarga se basan en considerar una carga normal de 7 horas para los elementos de los tipos A, B,C. D, F y N. La densidad del electrolito varía muy ligeramente entre la carga y la descarga, de modo que no puede emplearse para darse cuenta del estado de carga. El término de la carga completa está indicado porque el voltaje deja de subir durante un periodo de '/, hora durante la carga con corriente constante. El estado de la carga puede deducirse aproximadamente en cualquier momento por medio de un contador de amperios-hora o por medio de un aparato aplicado al elemento piloto, que indica la tensión correspondiente a un ritmo de descarga dado.

Electrolito. Como en los otros tipos de acumuladores, el nivel de la solución desciende gradualmente durante el servicio, debido a la descomposición electrolítica de! agua en hidrógeno y oxigeno, producida a cargar la batería. Las burbujas de gas arrastran, al desprenderse, pequeña; partículas de solución, la mayoría de las cuales son detenidas por la válvula especial del tapón del orificio para llenar el elemento y vuelven nuevamente al fondo. Una ligera cantidad, no obstante, se escapa y como sólo se emplea agua destilada para compensar las pérdidas, la concentración de la solución se reduce paulatinamente. Después de largo tiempo, que



dependerá de uso que se haga del elemento, la densidad de la solución llega a 1,160 t 15oC (60oF), en cuyo caso debe reemplazarse por electrolito nuevo de densidad conveniente. La densidad normal del electrolito en elementos nuevos varia entre 1,195 y 1.215 con el nivel de la solución a la altura adecuada por encima de las placas y habiendo efectuado la corrección de temperatura.

Ventaja». El acumulador alcalino de níquel-hierro ofrece grandes ventajas, que hacen que sea el preferido en los diversos servicios a los cuales se lo destina, Estas ventajas se deben a la naturaleza de los materiales empleados, al método de construcción, y al principio electroquímico en que se funda. El empleo del acero en gran escala permite mucha precisión en la fabricación y hace que el acumulador pueda resistir las vibraciones y choques que accidentalmente se presentan en servicio normal. Además, el empleo de tubos, células y rejillas de acero hace posible construir la; placas con la seguridad de que retendrán los materiales activos y de que se eliminará toda posibilidad de alabeamiento.

Aparte de su construcción robusta, el acumulador Edison tiene otras ventajas, que son su peso ligero por vatio-hora de capacidad y su resistencia contra las variaciones bruscas de corriente. Puede soportar sobrecargas, descargas excesivas, cortos circuitos accidentales, cargas en sentido contrario o el quedar fuera de servicio y descargado durante un tiempo indefinido, sin deteriorarse. Está libre de los efectos corrosivos de los vapores ácidos y no está expuesto a los males usuales de los acumuladores de plomo, como la sulfatación, sedimentación o corrosión de los terminales. Su acoplamiento y sus conexiones son simples, no requieren el recambio de separadores, de tiempo en tiempo, y no los perjudican las heladas. Su funcionamiento merece confianza durante un largo plazo de tiempo.

Aplicaciones. Los acumuladores Edison se utilizan muy especialmente en las baterías de los vehículos de servicio urbano, vagonetas para la industria, tractores y locomotoras para minas y fábricas, movidos por acumuladores; para la iluminación y el acondicionamiento de aire de los coches de pasajeros de los ferrocarriles; para el mando de vehículos de tracción de varias unidades; para todos los tipos de señalización ferroviaria tales

como los circuitos de vía, iluminación de señales, señales de los cruces, enclavamientos; para fuerza motriz e iluminación en los buques, lámparas de seguridad eléctricas para mineros, iluminación de socorro, centrales eléctrica aisladas de la red; para relojes, señales de alarma de incendio, y otros servicios. Los distintos tipos que se fabrican actualmente no se adaptan a las características del sistema de arranque a baja tensión de los automóviles y no se pueden adquirir para este uso. A continuación se reúnen en una tabla los datos relativos a los acumuladores Edison de distintos tipos:

Si bien este tipo de acumulador se emplea corrientemente en Europa, no se ha introducido ampliamente en los Estados Unidos hasta estos últimos años.

Construcción mecánica. Tanto las placas positivas como las negativas están constituidas por estrechas celdillas de acero y con pequeños agujeros, en los que queda seguramente retenido el material activo (siguiente figura). La materia activa de las placas positivas es hidróxido niquélico y grafito tratado especialmente, y las placas negativas una mezcla de óxidos de cadmio y de hierro. Los separadores son cintas delgadas de poliestireno, que permiten colocar las placas muy próximas. Este hecho combinado con la alta conductibilidad de los materiales activos hace que la resistencia del elemento es muy baja. Cada grupo completo de placas está constituido por unas cuantas placas positivas y negativas alternadas, ensambladas con pasadores y conectadas a los bornes terminales, comunes para todas las placas de a misma polaridad. El conjunto completo se dispone en un vaso estanco d acero, utilizándose poliestireno para el aislamiento. Los elementos se reúnen en cajas de madera para constituir baterías para servicios específicos.



Electrolito. El electrolito es potasa cáustica (KOH). Cuando las haterías salen de las fábricas totalmente cargadas, están llenas de electrolito cuya densidad es de 1,210 a 22°C (72°F). Al cargar el elemento, la materia activa del electrodo positivo se oxida, y la del negativo se reduce. Durante la descarga, se produce la reacción opuesta. El electrolito actúa, virtualmente, sólo como un conductor eléctrico y no toma parte en ninguna reacción química permanente con la materia activa de las placas. De aquí que su densidad permanezca constante durante la carga y la descarga. Durante la carga no se producen gases en el acumulador hasta que la tensión por elemento llega a 1,47 ó 1,48 voltios. Los gases están formados por oxígeno e hidrógeno y su presencia representa una ligera pérdida de agua, a pesar de que la válvula de ventilación (figura anterior) evita e! que escape gran parte de aquéllos. El nivel del electrolito debe ser siempre el necesario para que cubra las placas.

Carga y descarga. La carga puede realizarse tanto por el sistema de intensidad de corriente constante como por el de tensión constante, si bien es más recomendable el primero. Normalmente debe cargarse la batería en 7 horas, si bien puede hacerse más rápidamente. La tensión se mantiene constante y aproximadamente entre 1.4 y 1,5 voltios (siguiente figura. 85) hasta las proximidades del final de la carga, y entonces asciende rápidamente hasta unos 1,8 voltios. La batería debe cargarse de modo continuo. En la descarga, la tensión es constante y aproximadamente igual a 1,2 voltios y desciende después al valor final de 1 a 1,1 voltios, según el régimen de descarga

Aplicaciones y ventaja. Las baterías de níquel cadmio (nicad) se utilizan en muchos servicios, como los de autobuses, radio, iluminación de yates y casas de campo, alumbrado de vehículos ferroviarios, acondicionamiento de aire, señales ferroviarias, lámparas de mano, linternas y para el arranque de motores de combustión. Un tipo especial de las baterías nicad, la «alead», está proyectado para un régimen severo de descarga, lo que hace que se adapte especialmente para el arranque de los motores Diesel.

Las baterías nicad y alead tienen la ventaja de su robustez mecánica, no las perjudican las sobrecargas ni los largos períodos de inactividad, la materia activa no se desprende en escamas, trabajan con buenas características en amplias zonas de temperatura, no desprenden gases en la descarga y no existe corrosión, su resistencia interna es baja y la tensión es aproximadamente constante para valores de los amperios-hora de descarga muy diferentes.

.Rendimiento de las baterías de acumulador». El rendimiento de una batería es la relación entre la energía suministrada y la energía consumida en vatios-hora.

Ejemplo. Un elemento a plena carga se descarga a una intensidad uniforme de 38 amp. en 6 horas y con una tensión inedia de 1.95 voltios. El elemento se carga nuevamente a una intensidad de 40 amp. durante 6 horas y a una tensión media de 3,3 voltios. En estas condiciones, el elemento queda de nuevo en el estallo Inicial de carga. ¿Cuál es su rendimiento?

Vatios-hora suministrados = 38-1,95-6 — 445

Vatios-hora consumidos = 40-2,30-R = 552

Rendimiento 445: 552 = 0,807 u 80.7 %

Se habla con frecuencia del rendimiento en amperios-hora de una batería de acumuladores. Como los amperios-hora no son unidad de energía, el rendimiento en amperios-hora no es una medida de la capacidad de la batería para acumular energía. En el ejemplo, el rendimiento en amperios-hora se halla como sigue:

Amperios-hora suministrados = 38'6 = 228



Amperios-hora consumidos = 40'6 -= 240

Rendimiento en amperios-hora = 228: 240 = 95 %

El menor rendimiento en vatios-hura es debido a la diferencia entre las tensiones en carga y en descarga, como se indica en los gráficos de las anteriores figuras.

El rendimiento de una batería de acumuladores varia con la intensidad de la carga y descarga y con la temperatura. Como a elevada intensidad de carga y descarga corresponde una pérdida por PR relativamente alta, así como por polarización, el rendimiento tiene que ser más bajo en estas condiciones. Además, un elemento se puede cargar en 8 horas y descargar en 3 horas con un rendimiento aparente de 60 %, lo que no representa su verdadero rendimiento, ya que el elemento no se habrá descargado completamente, aunque lo parezca. Como habrá sido imposible que el ácido fresco del acumulador impregne la materia activa, mucha parte de ésta no habrá sido reducida, y después de algún tiempo se encontrará que el elemento ha recuperado una parte considerable de energía que podrá restituir.

El rendimiento en amperios-hora de una batería de acumuladores es del orden del 95 %. Para un ciclo completo, el rendimiento de una batería fija de mediano tamaño es, aproximadamente, del 75% para un periodo de carga y descarga de 8 horas. El rendimiento en vatios-hora para una gran batería fija es alrededor del 85 % en iguales condiciones. Cuando una batería trabaja como tampón y el ciclo de carga y descarga se produce en minutos y aun en segundos, el rendimiento en vatios-hora puede elevarse a 95 ó 96 %.

Al elegir una batería, el rendimiento es solamente uno de los factores que se han de tener en cuenta. El coste inicial y el de conservación tienen una influencia muy sensible sobre el coste total y por esta razón han de tenerse muy en cuenta. También otros factores como el peso, la solidez, la regularidad de tensión y la capacidad para sobrecargas deben considerarse para cada instalación en particular.

Electrólisis. El agua pura es muy mala conductora de la electricidad. En realidad puede considerarse prácticamente como aislante. Si, no obstante, se le añade una pequeña cantidad de ácido, álcali, o

sal, la solución se transforma en buena conductora. Además, si una corriente eléctrica pasa a través de dicha solución, disocia las moléculas de la sustancia disuelta, o las de la misma agua, en cuerpos simples que aparecen en el ánodo y en el cátodo. El fenómeno de disociación producida por la corriente eléctrica, en las indicadas condiciones, recibe el nombre de electrólisis. La solución que se vuelve conductora en tales condiciones se designa con el nombre de electrolito.

Si hacemos pasar una corriente por el agua ligeramente acidulada, empleando para los electrodos un material inerte como el platino, se desprenderá hidrógeno en el cátodo y oxigeno en el ánodo, y el volumen de hidrogeno liberado será doble que el volumen de oxigeno. Por esto se dice que la molécula de agua. H,0, se ha disociado en sus dos constituyentes ele-mentales.

La teoría de la electrólisis se funda en la disociación electrolítica. En la solución, las moléculas de los ácidos, álcalis y sales se disocian en iones positivos y negativos. Asi el ácido clorhídrico (HCl) se disocia en un ion positivo (+) H, y un ion negativo (—) Cl. De la misma manera, la molécula de sulfato cúprico (CuSO.4) se disocia en +Cu y en -SO,, que son respectivamente sus iones positivo y negativo. De acuerdo con la teoría electrónica, el ion negativo tiene exceso de electrones y el ion positivo está en déficit de electrones. Cuando no se aplica ninguna diferencia de potencial entre los electrodos, los iones están moviéndose en la solución. Pero cuando se aplica una diferencia de potencial a los electrodos introducidos en la solución, los iones positivos se dirigen al electrodo negativo o cátodo y por este motivo se llaman cationes. Los iones negativos se van al ánodo o electrodo positivo y por ello reciben el nombre de aniones.

Los iones positivos ceden su carga al cátodo y los negativos la ceden al ánodo, y así se produce la corriente. Por esta razón, la conducción de la corriente a través de un electrolito se produce por efecto de convección, en el que las cargas las transportan los iones a los electrodos. Así, la conducción electrolítica difiere de la conducción metálica ordinaria en que

hay en ella un transporte de materia y está acompañada de una transformación química.



En la siguiente figura 86 están indicados los efectos que se producen cuando se introducen dos placas de cobre en una solución de sulfato de cobre y se hace pasar una comente eléctrica de una a otra. Los iones positivos de cobre (Cu) se dirigen al cátodo y depositan cobre metálico. Los iones negativos del sulfato (SO,) se dirigen al ánodo y se combinan con el ion hidrógeno del agua para formar el ácido sulfúrico y dejar en libertad una molécula de oxigeno en el ánodo. La reacción es la que sigue:

SO4. + H20 = H2SO4, + O

Esta reacción tiene lugar en la fabricación electrolítica del cobre refinado. El lingote de cobre que se ha de retinar se emplea como ánodo y como cátodo una placa delgada de cobre. El cobre se disuelve en el ánodo y se deposita puro en el cátodo. Las impurezas se depositan como barro anódico en el fondo del vaso. Sin embargo, se pueden recuperar metales de gran valor, como la plata y el oro, contenidos en dicho barro.

La electrólisis no se limita a las substancias en disolución en el agua, sino que también se produce con sales fundidas. Por ejemplo, por electrólisis del cloruro de sodio fundido (NaCl) se deposita el metal sodio (Na) en el cátodo y el gas cloro (Cl) en el ánodo. El aluminio se extrae por electrólisis del óxido de aluminio o alúmina anhidra (ALO,) fundida a la temperatura de900°a 1OOO°C.

Leyes de la electrolisis de Faraday. Como resultado de sus experimentos, Faraday descubrió las dos leyes fundamentales de la electrólisis La primera ley establece que: el peso del electrolito descompuesto es proporcional a la cantidad de electricidad que ha pasado a través del mismo. Es decir, el peso:

p = �q = �it

donde � es una constante llamada equivalente electroquímico de la sustancia; q la cantidad de electricidad en culombios, í la intensidad de la corriente en amperios, y t el tiempo en segundos.

La segunda ley establece que: para una cantidad dad» de electricidad, el peso de los productos de la electrólisis es proporcional a tos respectivos equivalentes electroquímicos. Por ejemplo, el peso atómico del hidrógeno es 1,008 y 1 culombio liberará 0,0104 miligramos. El valor 0,0104 es el equivalente electroquímico del hidrógeno. A continuación se dan los valores de los equivalentes electroquímicos de algunos de los elementos simples

Los números volados indican las valencias.

• De carga ácida.

• De níquel cadmio.

• Alcalinas.

• Conectadas en serie y paralelo.

• Resistencia interna y su efecto en una batería.



Trabajo en equipo

Identificar la verificación del comportamiento de las variables de resistencia, corriente y voltaje en los diferentes tipos de agrupamientos de pilas que existen.

4.1.1 Construcción y operación de Termocuplas

Acoplando un termoelemento con un galvanómetro u otro instrumento sensible se forma un conjunto que permite medir corrientes, fundado en el efecto térmico de las mismas. Un par térmico muy pequeño está en contacto térmico con una pequeña resistencia, a través de la cual circula la corriente que se desea medir. El par y los pequeños hilos de conexión están encerrados en un tubo en el que se hizo el vacío, reduciéndose así la disipación de calor del par. Los terminales del par están conectados a un galvanómetro o a algún otro aparato sensible, del tipo de D'Arsonval. El paso de la corriente por la resistencia eleva la temperatura del par térmico y, como resultado de la f.e.m. de origen térmico que se genera, el aparato indicador se desvía. Las desviaciones son prácticamente proporcionales al cuadrado de la intensidad de la corriente. Teniendo en cuenta que los efectos de capacidad y de autoinducción

son prácticamente nulos, estos aparatos se adaptan bien a las mediciones con radiofrecuencias. El circuito de la resistencia de calefacción es delicado y no soporta mas que corrientes de muy pequeña intensidad. Para corrientes muy intensas se necesitan shunts.

• Fotoceldas

A finales del siglo pasado se descubrió que determinados elementos, como el sodio, potasio, selenio y cesio, eran sensibles a la acción de la luz y cuando ésta iniciaba sobre ellos se generaban f.e.m. débiles. En el estado actual de nuestros conocimientos este efecto no es otra cosa que el de fotoemisión, es decir la emisión de electrones por la acción de la luz incidente. En 1885, Fritts construyó una pila seca de discos de selenio

recubiertos con una fina chapa de oro, en la que «la corriente que se produce es debida a la conversión directa de la energía radiante en eléctrica, sin acción química». Si se exceptúan los perfeccionamientos que hoy tienen, la pila de Fritts reúne todos los atributos de las modernas fotocélulas o células fotoeléctricas y ha dado origen a fotómetros y relevadores fotoeléctricos similares a los actuales. A pesar de que Pritts describió ampliamente su pila en conferencias y escritos, fracasó en cuanto a su industrialización y, por el hecho de que lo se construyó en escala suficiente para permitir la conversión de potencias apreciables, no despertó interés. Hasta 1930, en que se emprendió seriamente el estudio de las fotocélulas de tipo seco consiguiendo su sencilla adaptación a las aplicaciones industriales, no fue posible disponer de ellas.

En la figura anterior 105 se representa una sección transversal de la fotocélula construida por la General Electric. Sobre una lámina de acero, como base, se dispone una capa de selenio, y encima de ella se depositan varias capas finas de metales conductores, cubriendo luego la célula completa, excepto los contactos eléctricos, con una capa de laca transparente que la protege contra los agentes atmosféricos, como la humedad por ejemplo. En la figura 106 se indica la intensidad de la corriente generada en función de la iluminación medida en lux y para diferentes valores de la resistencia R del circuito. Las células fotoeléctricas tienen muchas aplicaciones, como, por ejemplo, para fotómetros, que pueden hacerse fácilmente transportables y pueden emplearse para medir la iluminación de cualquier lugar, para mediciones de exposición en fotografía y para regular, mediante relevadores, operaciones industriales de distribución o de vigilancia.

Identificar la estructura del generador de corriente directa para su funcionamiento con otros componentes eléctricos donde se aplican

4.2 Generadores de corriente directa

Definición. Los generadores eléctricos son máquinas destinadas a transformar la energía mecánica en eléctrica. Esta transformación se con sigue por la acción de un campo magnético sobre unos conductores eléctricos dispuestos sobre una



armazón. Si mecánicamente se produce un movimiento relativo de los conductores y el campo, se generará en los primeros una fuerza electromotriz, de modo que, si se enlazan a un circuito exterior, le suministrarán energía eléctrica.

En el generador de corriente continua, o dínamo, el campo magnético es, ordinariamente, fijo y la armazón (inducido) la que gira. En muchos tipos de generadores de corriente alterna, la armazón está fija y es el campo el que gira. Lo mismo el inducido, en un caso, como el campo, en el otro, se hace girar por medio de una fuerza mecánica aplicada a su eje.

• Devanado de campo.

Los electroimanes que se usan para producir el campo magnético de un generador se llaman bobinas de campo. En un generador simple, hay dos bobinas de campo colocadas de manera que sus campos magnéticos se combinan para formar un circuito magnético. Como se ilustra en la figura, las bobinas de campo están devanadas alrededor de núcleos llamados piezas polares, que son parte de la cubierta del generador. Las dos piezas polares están separadas por un espacio donde se instala la armadura. El circuito magnético cerrado va de la pieza polar "norte" a través de la separación al polo "sur", y luego a través de la cubierta, regresando a la pieza polar norte. La cubierta del generador, igual que las piezas polares, está construida con material de buenas propiedades magnéticas, de manera que ayuda a mejorar la intensidad del campo magnético. No hay conexión eléctrica entre la

bobina de campo y las piezas polares o la cubierta del generador. Sólo forman un circuito magnético.

Las dos bobinas de campo están devanadas en serie, de manera que están energizadas por la misma fuente de energía, la cual es de cc y, como resultado, el campo magnético producido por las bobinas de campo siempre tiene la misma dirección. Ambas bobinas de campo, juntas, se llaman devanado de campo.

El generador simple tiene dos bobinas de campo y, por lo tanto, dos polos: uno norte y otro sur. Este es un generador de dos polos o bipolar. Muchos generadores existentes tienen cuatro polos, seis polos, etc. Independientemente del numero de bobinas que tenga, el número total de polos siempre es número par, ya que por cada polo norte debe existir un polo sur. Una razón para tener más de dos bobinas de campo es que, al aumentar el número de bobinas de campo o polos, se puede reducir el tamaño y el peso del generador, en tanto que su salida permanece invariable. En un generador bipolar, la mitad de las líneas de flujo debe atravesar la anchura o espesor del núcleo de la armadura, que es de un material magnético. El núcleo de la armadura debe ser lo suficientemente grueso para evitar la saturación magnética.

En un generador de seis polos, sólo es necesario que la sexta parte de las líneas de flujo atraviesen el espesor del núcleo de la armadura en cualquier punto; pero, como hay una serie de líneas de flujo, el número total es el mismo. En consecuencia, el núcleo puede hacerse mucho más delgado y aún seguirá pasando el mismo número total de líneas de flujo, encontrando poca oposición. Esto es lo mismo que sucede con la cubierta del generador, que sirve como parte de la trayectoria para las líneas de flujo. Cuanto mayor sea el número de polos, más delgada puede ser la cubierta. En efecto, cuanto mayor sea el número de polos, más trayectorias tendrán las líneas de flujo. Otra razón para aumentar el número de [rolos es que, con ciertos tipos de devanados de armadura, el voltaje de salida del generador puede aumentar.

• Devanado de armadura.



Igual que las bobinas de campo combinadas constituyen el devanado de campo, las bobinas de armadura combinadas se llaman devanado de armadura. Las terminales de la bobina de armadura se conectan a diferentes segmentos en el conmutador, en donde su fem es recogida por las escobillas. Las bobinas de todas las armaduras modernas de generadores están devanadas sobre un núcleo de hierro que tiene la forma de un tambor. El núcleo suministra un medio para hacer girar las bobinas y al mismo tiempo, es una buena trayectoria de baja reluctancia para las líneas de flujo del campo magnético establecido por el devanado de campo El núcleo tiene ranuras longitudinales y las bobinas están devanadas en estas ranuras. Los dos lados de cada bobina se hallan instalados en diferentes ranuras. En la figura puede apreciarse un núcleo típico de tambor con una bobina de armadura de tres espiras.

Las terminales de las bobinas de armadura se pueden conectar a los segmentos del conmutador de diversas maneras. La disposición que se use determina en gran medida las características de voltaje y corriente del generador. Para toda aplicación práctica, todas las diversas disposiciones se pueden dividir en dos tipos principales: devanados imbricados y devanados ondulados. Cuando se combinan los devanados imbricados y los ondulados, resulta un devanado ancas de rana, debido a la forma que resulta.

En cualquier devanado de armadura, ya sea imbricado u ondulado cabe recordar un punto importante en el sentido de que cada bobina esta devanada sobre el núcleo de tal manera que los dos lados de la bobina están separados la misma distancia que en el campo, separa a un polo norte de un polo sur. Por lo tanto, siempre que un lado de bobina este a la mitad de un polo norte, el otro

lado de la misma bobina estará a la mitad de un polo sur.

• Plano neutro

De lo estudiado cerca del conmutador básico, se recordará que si una escobilla hace contacto con dos segmentos de conmutador que tengan una bobina conectada entre ellos, la escobilla cunéela en corlo a la bobina. S. en ele momento se entiba induciendo un voltaje en la bobina pasará una corriente elevada a través de la bobina y probablemente la queme. Para evitar esto, Solo una bobina debe citar conectada en corto con una escobilla, o sea conmutada, cuando su voltaje inducido es igual a cero. Los puntos de su rotación, en los cuales una bobina tiene cero voltajes inducidos, se encuentran a lo largo de lo que se ha llamado plano neutro. Como se ilustra para un generador de dos polos, el plano neutro es perpendicular a las líneas de flujo y se encuentra a Ia mitad de las piezas polares.

El plano neutro es el mismo para todas las bobinas, y cada vez que la armadura completa una rotación, cada bobina pasa dos veces a través de él. Por lo tanto, teóricamente tendrá lugar una conmutación perfecta si las escobillas del generador se encuentran localizadas en el plano neutro. Sin embargo, en la práctica, la posición del plano neutro tiende a desplazarse cuando el generador está girando. Por lo tanto las escobillas tienen que moverse a la. Nueva posición del plano neutro, o debe hacerse algo para evitar que el plano se desplace. Las dos causas de este desplazamiento de plano neutro son: la reacción de armadura y la autoinducción de las bobinas de armadura.

Resumen

Elaborar un resumen de las características de las celdas.

4.2.1 Estructura del generador de corriente continua



• Regulación del generador de corriente continúa

Se recordará que la regulación es el proceso de mantener constante la salida en un generador. Normalmente, esto se logra por medio de un dispositivo o circuito sensible a la salida del generador, el cual controla la corriente en el devanado de campo para compensar los cambios en la salida. Las dos causas principales de cambio o inestabilidad en la salida de un generador son los cambios en la resistencia de la carga y los cambios en la velocidad de rotación del generador.

El voltaje de salida de generadores con derivación y combinados impulsados a velocidades constantes no varía mucho si las variaciones de carga se encuentran dentro del rango de diseño del generador. Como resultado, sólo se tiene regulación para estos generadores cuando se desea una salida muy estable o cuando las variaciones de carga son muy grandes.

Por otra parte, los generadores de velocidad variable requieren generalmente de regulación. Puede comprenderse el motivo, si se considera el generador del cual está provisto un automóvil. El generador es movido por el motor del automóvil, de manera que su velocidad de rotación es muy diferente cuando la máquina funciona lentamente que cuando funciona a gran velocidad. Sin embargo, a pesar de esta amplia variación en la velocidad de rotación, el generador debe suministrar un voltaje constante de 6 o 12 volts al sistema eléctrico del automóvil. Si este voltaje variase, las luces, la bocina y de hecho todo el sistema eléctrico sería afectado. La única forma en que un generador puede suministrar un voltaje estable de 6 o 12 volts, es por medio de un dispositivo regulador. Y no solamente ese dispositivo regulador debe mantener constante el voltaje de salida sino que también debe limitar la corriente de salida del generador a su valor nominal máximo para evitar que el generador se queme. Así pues, generalmente se requiere regular tanto el voltaje como la corriente en un generador de velocidad variable.

• Regulación de voltaje del generador

Un circuito típico que se utiliza para regular el voltaje de salida de un generador aparece en la

figura. Un lado del devanado de campo en derivación está conectado directamente a la salida negativa del generador. El otro lado del devanado de campo está conectado a la terminal positiva de la salida del generador ya sea a través de un resistor R y una bobina L2 o a través de los contactos C, los cuales están controlados por el campo magnético de L1. Así pues, el devanado de campo se encuentra directamente conectado a la salida del generador (C cerrado), o bien, está conectado en serie con R (C abierta).

Los contactos se mantienen cerrados por medio de un resorte, de manera que en el mismo instante en que el generador se arranca, los contactos se cierran y el devanado de campo queda conectado directamente a la salida del generador. Conforme el generador aumenta su velocidad, también aumentan el voltaje de salida y la corriente que fluye a través de L1, la cual está conectada directamente a la salida del generador. Cuando el voltaje de salida llega a cierto punto, el campo magnético de L1 es suficientemente fuerte para vencer la tensión del resorte que mantiene cerrado a C, de manera que C abre.

La corriente de campo pasa ahora a través de R y L2. Con el aumento de la resistencia en el circuito del campo, la intensidad de campo disminuye y se limita el aumento del voltaje de salida del generador. La corriente a través de L2 a origina un campo magnético en L2 y éste se opone al de L1, ya que las dos bobinas están devanadas en forma opuesta, lo cual neutraliza parcialmente la atracción magnética de L1 sobre C y el resorte cierra nuevamente a C. Como resultado, el devanado de campo queda otra vez conectado



directamente a la salida del generador, de manera que la corriente de campo asciende, aumentando el voltaje de salida que a su vez hace que C se abra debido al aumento de atracción magnética de L1.

Este ciclo se verifica con gran rapidez y muchas veces por segundo, haciendo que los contactos vibren abriendo y cerrando el circuito. El voltaje de salida del generador varía ligeramente pero con gran rapidez en torno de un valor determinado por el voltaje del resorte que mantiene cerrado a C. El voltaje de salida efectivo en cc es el valor medio entre los valores superior e inferior. Este promedio depende de si los contactos al vibrar permanecen más tiempo en una posición que en la otra. Si se mantienen cerrados un mayor tiempo del que están abiertos, el voltaje medio será mayor y viceversa. Cuando el voltaje máximo se eleva, los contactos permanecen más tiempo en la posición abierta para mantener constante la salida de voltaje. El resorte es graduable, lo cual controla la acción vibratoria de los contactos y el voltaje medio de salida del generador.

• Regulación de la corriente.

El objeto de regular la corriente de salida de un generador es evitar que la corriente exceda el valor máximo que el generador puede transmitir sin peligro. En la figura se muestra un método muy usado para regular la corriente. Esencialmente, es muy similar al método que se sigue para regular el voltaje. Según los contactos C estén abiertos o cerrados, el devanado de campo se encuentra directamente a la salida del generador o tiene resistencia R en serie con ella. La apertura y cierre de C se controla por medio de la bobina L, que está en serie con la salida del generador, de manera que lleva toda la corriente de carga. Normalmente, los contactos C se mantienen cerrados por un resorte.

Así pues, cuando el generador arranca, el devanado de campo queda conectado directamente a la salida del generador. Por lo tanto, el voltaje de salida comienza a aumentar y la corriente de carga, que fluye a través de L, también aumenta. Cuando la corriente aumenta hasta el punto donde la atracción magnética de L vence a la tensión del resorte que mantiene cerrado a C, los contactos se abren. Esto hace que la resistencia R quede en serie con el devanado de

campo y que la corriente de campo y, por lo tanto, la tensión de salida, se reduzcan.

Como .resultado, la corriente de carga también disminuye. La disminución en corriente reduce la atracción magnética de L y el resorte cierra nuevamente a C, lo cual conecta nuevamente al devanado de campo directamente con la salida del generador y permite que la corriente aumente nuevamente hasta que la atracción magnética de L sea suficiente para vencer al resorte y abrir a C. Como en el regulador de voltaje, este ciclo se repite continuamente y la corriente varía ligeramente por encima y por debajo del valor medio determinado por la tensión del resorte que mantiene cerrado a C.

Resumen

Elaborar un resumen de las características de los generadores.

Identificar su clasificación y sus partes de los motores de corriente directa para su funcionamiento en los diferentes circuitos y equipos eléctricos.

4.3 Motores de corriente directa

• Motores prácticos de corriente continúa

Limitaciones del motor elemental de cc

Se puede construir un motor elemental de cc como el que se ha estudiado aquí, pero, aunque funcione, tiene dos importantes limitaciones que restringen su utilidad. En primer lugar, no siempre puede arrancar por sí solo y, una vez que está funcionando, lo hace en forma muy irregular.

El motor elemental de cc tiene su armadura con una sola espira y cuando esta última está en el plano neutro, el motor no puede arrancar por sí solo. En el plano neutro no hay corriente en la armadura, ya que las escobillas están desconectadas del conmutador. Sin embargo, aunque se podría hacer que circule corriente en la



armadura, debe recordarse que en el plano neutro, los flujos no interactúan. Como resultado, no se podría producir par y la inercia mantendría al motor en reposo

Para poner en marcha el motor, es necesario quitar su armadura del plano neutro; al ponerla en cualquier otra posición, las escobillas se conectan nuevamente al conmutador; de este modo, fluye corriente en la armadura y se produce un par. Una vez que ha arrancado, el motor continúa funcionando hasta que se desconecta de la fuente de potencia. Lo anterior se relaciona con la segunda limitación: cuando un motor elemental de cc funciona, lo hace en forma irregular porque produce un par que también es irregular. El par máximo se produce sólo cuando el plano de la armadura de una sola espira es paralelo al del campo.

Esta posición forma ángulo recto con el plano neutro. Una vez que la armadura pasa este plano de par máximo, se produce un par cada vez menor hasta que llega nuevamente al plano neutro donde obviamente no hay par. La inercia lleva a la armadura hacia adelante del plano neutro y, en esta forma, el motor continúa girando. Sin embargo, por la irregularidad del par producido, no es factible que el motor elemental de cc de una sola espira pueda tener aplicaciones prácticas.

• Motor cc armadura de dos espiras

Se puede lograr que el motor elemental de cc arranque por si solo si se le instala una armadura de dos o más espiras. En este tipo de armadura, las espiras se colocan de modo que formen un ángulo recto entre si; así, cuando una de ellas está en el plano neutro, la otra está en el plano de par máximo. En este caso, el conmutador está dividido en dos pares de segmentos, es decir, en cuatro partes; cada segmento está conectado con

una terminal de cada espira de la armadura, con lo que se obtienen dos circuitos de espira en paralelo. Si se alimenta potencia a un conjunto de segmentos de anillo, por medio de un par de escobillas fijas, entonces habrá una sola espira conectada a la vez.

En esta armadura de espiras múltiples, el conmutador tiene dos funciones: sirve para que la corriente fluya en la espira manteniendo siempre la misma dirección; además, cambia la línea de alimentación de potencia, conectándola con la espira que se acerca a la posición de par máximo. Así, en la armadura de dos espiras, mientras la espira 2 se aproxima a la posición de par máximo, la espira 1 se acerca a la posición de mínimo par y el conmutador desconecta la espira 1, conectando la espira 2. La corriente fluye en la espira manteniendo la dirección que favorece la rotación continua. Al poco tiempo, conforme la espira 2 se aproxima al par mínimo, en tanto que la espira 1 nuevamente se aproxima al máximo, el conmutador invierte las conexiones de la espira 2 hacia la espira 1. Esta vez, también cambia la dirección de la corriente a través de la espira 1 para mantener la dirección original de rotación.

Con este tipo de armadura de espiras en paralelo, el motor arranca por si solo, pero sigue7 funcionando en forma irregular debido a que, en un momento dado, sólo una espira suministra el par que impulsa al motor. Naturalmente, cuando el motor tiene dos espiras, el par que lo impulsa durante cada revolución es dos veces mayor que el de un motor con una sola espira. Sin embargo, el peso muerto de la segunda espira contrarresta la ventaja que representa el par adicional.

• Cómo aumentar la eficiencia de la armadura

Según se ha estudiado, al aumentar espiras a la armadura de un motor elemental de cc, sólo se logra que éste se ponga en marcha por sí solo, no necesariamente que el motor funcione con la uniformidad requerida para que sea efectivo con carga. En un motor elemental con un solo par de escobillas, no importa cuantas espiras independientes se usen, sólo una de ellas lleva corriente a la vez y produce par para mover el motor. Por ejemplo, en un motor de tres espiras, la espira que produce el par debe mover el peso muerto de las dos espiras restantes. Para



un funcionamiento realmente mejor, la corriente debe ser alimentada al mismo tiempo a todas las espiras de la armadura, excepto, naturalmente, a cualquiera de las espiras que esté en el plano neutro.

Una solución aparentemente sencilla sería hacer un motor de tres espiras con una escobilla para cada segmento del conmutador. Con seis escobillas, sería posible alimentar corriente al mismo tiempo a todas las espiras de armadura. Como resultado, todas las espiras producirían par simultáneamente, mejorando el funcionamiento del motor. Sin embargo, el uso de seis escobillas no es una solución práctica, ya que el motor sería caro, voluminoso y su mantenimiento sería complicado. Por lo tanto, la solución más conveniente a este problema sería aquella en que se conservara un solo par de escobillas. Si se conectan las espiras de la armadura de tal modo que estén dispuestas como circuito en serie, entonces se podrá usar un solo par de escobillas para que simultáneamente se alimente corriente a todas las espiras. Como resultado, todos los devanados originarán par al mismo tiempo, favoreciendo el funcionamiento del motor. Según se explicará más adelante, la mayor parte de los motores de cc tienen un solo juego de escobillas y muchas espiras de armadura conectadas en varias disposiciones en serie-paralelo.

Motor de cc con armadura de cuatro espiras

En la figura se muestra el diagrama de un motor práctico de cuatro espiras. Dicho diagrama sirve para que el lector comprenda cómo está dispuesto el circuito eléctrico. Primero, note que las espiras están conectadas con segmentos adyacentes del conmutador. Asimismo, observe que las conexiones están dispuestas de tal manera que la combinación de espiras y segmentos del conmutador constituyen un gran circuito en serie. En la armadura de dos espiras en paralelo que se estudió antes, cada extremo de las espiras estaban conectadas con segmentos opuestos del conmutador. Como resultado, donde se necesitaba un par de segmentos por cada espira, ahora sólo se necesita un segmento por cada espira.

En el caso de la armadura de cuatro espiras, esto significa que sólo se necesitan cuatro segmentos de conmutador para el devanado en serie. El devanado en paralelo requeriría otros segmentos. Si ahora se agregan escobillas al conmutador en segmentos opuestos A y C, la armadura quedará dividida en dos circuitos en serie, que están en paralelo entre sí: un circuito en serie constituido por el segmento A, la espira 1, el segmento B, la espira 2, y el segmento C; este circuito está en paralelo con el circuito en serie que forman el segmento C, la espira 3, el segmento D, la espira 4, y el segmento A. Así pues, cuando la corriente fluye en el circuito como se ilustra en el dibujo, los cuatro devanados llevarán la corriente y cooperarán para facilitar el funcionamiento del motor. En este tipo de armadura, las escobillas son más anchas que las separaciones entre los segmentos del conmutador, de manera que el circuito nunca se abre cuando las escobillas pasan de un segmento al siguiente.

Funcionamiento

Si se examina detalladamente la ilustración del motor práctico de cc, se observará que la armadura aparece en una posición en la cual ninguno de sus devanados se encuentra en el plano neutro; por lo tanto, todos los devanados pueden contribuir al par del motor. Naturalmente, para que todos los devanados produzcan par, deben estar alimentados con corriente simultáneamente. Si se sigue la trayectoria que se describirá a continuación, se comprenderá cómo se logra esto. Comenzando en la terminal negativa de la fuente de potencia, la corriente atraviesa la escobilla negativa, pasa a los dos juegos en paralelo de devanados en serie, luego a la escobilla positiva y regresa nuevamente a la terminal positiva de la fuente de energía. Nótese que hay un circuito completo para que la corriente fluya a través de todos los devanados, igual que en el diagrama de la página anterior. En realidad, ambos circuitos son idénticos.



Cuando se produce un par, la armadura gira y no tarda en tomar una posición donde una de sus espiras queda en el plano neutro. En este punto, debe producirse la conmutación. Según se explicará en seguida, la técnica de conmutación en el motor práctico de cc difiere ligeramente de la que se estudió para el motor elemental de cc.

• Conmutación

En el estudio de la conmutación en el motor elemental de cc de una sola espira, se explicó que el conjunto de conmutador y escobilla funciona como un interruptor de inversión, abriendo y cerrando. Primero, las escobillas se desconectan del segmento del conmutador cuando la espira entra al plano neutro, antes de ser reconectada a segmentos opuestos cuando la espira pasa por el plano neutro. En esta operación, primero se abría un circuito con corriente y luego se completaba nuevamente. Estas acciones de interrupción producen un arco en el punto de interrupción. Así pues, en el motor elemental, generalmente hay mucho arqueo y chisporroteo entre las escobillas y el conmutador, lo que produce puntos de quema- dura en el conmutador y que las escobillas se desgasten rápidamente. La vida útil de este motor, entre reparaciones, se acortaría.

En motores prácticos de cc, la interrupción en el conmutador quita la corriente de la espira que atraviesa el plano neutro con mínimo de arqueo, lo cual se logra, en parte, mediante una escobilla que conecte en corto la espira en el instante en que se encuentra en el plano neutro.

Debido a que la espira se encuentra en el plano neutro durante la con- mutación y existe interacción mínima o nula con el flujo del campo, la diferencia de potencial a través de la espira también es mínima. Esto significa que, cuando la escobilla se conecta en corto con la espira que está

en el plano neutro y luego reestablece el circuito con flujo de corriente en la nueva dirección, las operaciones de cerrar y abrir se hacen en puntos de potencial casi idéntico, de manera que la conmutación ocurre con un mínimo de arqueo y chisporroteo. Manteniendo el periodo de duración del corto a un mínimo absoluto, se asegura que el par sólo se pierda durante el instante en que la espira se encuentra en el plano neutro y que el motor funcione a la mayor velocidad de funcionamiento posible.

• Conmutación en la armadura de cuatro espiras

La conmutación en un motor práctico de cc con armadura de cuatro espiras se lleva a cabo haciendo que las escobillas conecten en corto segmentos contiguos del conmutador para interrumpir el flujo de corriente en una espira de armadura asociada, cuando ésta pasa por el plano neutro. Cuando la conmutación se lleva a cabo debidamente, el motor funciona a la máxima velocidad posible y con el mínimo de chisporroteo. Según se ilustra, en el sistema aplicado en motores prácticos, cuando un par de espiras, por ejemplo 1 y 3, llega al plano neutro, éstas se conectan en corto de manera que dejan de transmitir corriente. Al mismo tiempo, las otras dos espiras, 2 y 4, siguen conectadas en este circuito y siguen llevando corriente. Notando que, debido a la disposición simétrica y al funcionamiento del conmutador y las escobillas, dos de los devanados de armadura siempre están en corto circuito en un instante determinado. Como resultado, en la práctica, las armaduras se devanan intencionalmente de manera que los pares de devanados afectados por la acción de las escobillas lleguen al plano neutro simultáneamente.

• Plano neutro

Del estudio de la conmutación en el motor práctico de cc, se recordará que el arqueo producido durante el funcionamiento del motor se mantiene al mínimo, debido a que hay una diferencia de potencial mínima en una espira de armadura cuando se encuentra en el plano neutro. Como lo indica la figura que representa un motor de dos polos, el plano neutro debe encontrarse en el eje que forme ángulo recto con las líneas de flujo del campo y debe estar a la mitad de las piezas polares. A veces, a este eje se le llama plano



neutro geométrico del motor. El plano neutro en un motor es el mismo para todas las espiras de la armadura. Cada espira atraviesa el plano neutro dos veces por cada revolución completa de la armadura.

Teóricamente, pues, para lograr la conmutación perfecta, el plano donde se colocan las escobillas del motor, llamado el eje de escobillas, debe coincidir idealmente con el eje del plano neutro del motor. Sin embargo, en la práctica, la posición del plano neutro real tiende a desplazarse del eje geométrico neutro cuando el motor funciona. El desplazamiento depende de la velocidad y dirección del funcionamiento del motor. Por lo tanto, el eje de escobillas se moverá hacia la nueva posición del plano neutro, o bien, tendrán que tomarse medidas para evitar que el plano se desplace. La causa principal de este desplazamiento del plano neutro cuando el motor funciona es un efecto que se conoce como reacción de armadura.

• Reacción de armadura

Cuando la armadura de un motor lleva corriente, se establece un flujo magnético alrededor de los conductores del devanado de armadura. Así pues, se tienen dos campos magnéticos en el espacio que hay entre las piezas polares de campo: él campo magnético principal y el campo producido por la armadura. Estos dos campos se combinan para producir un nuevo campo magnético resultante. En este caso, el campo resultante se distorsiona de tal manera que se desplaza en sentido opuesto a la dirección de rotación de la armadura. Esta distorsión del campo original se llama reacción de armadura. Como el plano neutro del motor está en ángulo recto con el flujo del campo, resulta que éste también se desplaza en dirección opuesta a la de rotación de la armadura.

La magnitud de reacción de armadura determina la cantidad de desplazamiento del plano neutro. La reacción de armadura varía según la cantidad de corriente que circula por ella. Cuanto mayor sea la corriente, mayor será el desplazamiento del plano neutro con respecto al plano neutro geométrico. En forma similar, la dirección de desplazamiento depende de la dirección de flujo de corriente en la armadura.

Si el motor debe funcionar a velocidad constante y en una sola dirección, las escobillas pueden ubicarse en la nueva localización del plano neutro y quedar en esa posición para obtener una conmutación efectiva. Pero si el motor ha de funcionar a diferentes velocidades, direcciones y con cargas variables, la corriente en la armadura variará considerablemente. En consecuencia, la reacción de armadura también variará y con ella la posición del plano neutro. Esto significa que, para una conmutación efectiva, la escobilla debe cambiar de posición cada vez que cambie el plano neutro. Es obvio que esto constituiría un procedimiento sumamente complicado.

• Interpolo

Cuando un motor funciona a varias velocidades, en diferentes direcciones o contra cargas variables, la corriente de armadura y la reacción de armadura también varían. Para que un motor como éste funcione con conmutación eficiente, se requeriría un cambio en la posición de las escobillas para cada desplazamiento del plano neutro. Como este realineamiento constante de escobillas es poco práctico, los motores necesitan alguna forma de mantener el plano neutro en una posición y que no se desplace como resultado de la reacción de armadura. Una solución a este problema es usar devanados especiales llamados polos de conmutación o interpolas.

Los interpoles son piezas polares de electroimanes especiales colocadas en el eje del plano neutro, entre las piezas polares principales. Los devanados de los interpoles se conectan en serie con el devanado de armadura, de manera que la corriente de armadura establece campos magnéticos en ellos. Las direcciones de estos campos son tales que anulan los campos magnéticos producidos alrededor de las bobinas de armadura cerca de los interpoles y contrarrestan la tendencia de la reacción de armadura a desplazar el plano neutro. Como resultado, el plano neutro se mantiene lo suficientemente cerca del plano neutro geométrico paran todas las modalidades en que funcione el motor.

El hecho de que los devanados de los interpoles estén en serie con la armadura hace que se autorregulen; los interpoles proporcionarán la cantidad apropiada de campo de anulación para



cada serie distinta de condiciones. Por ejemplo, en el caso de altas corrientes de armadura, en las cuales la reacción de armadura es grande y, también es grande la tendencia a desplazar el plano neutro, entonces el campo de interpoles que anula el desplazamiento también será fuerte. Lo contrario ocurre en bajos niveles de corriente de armadura.

• Partes del motor de corriente continua

En lo que se ha estudiado hasta ahora, se han introducido los principios del funcionamiento de los motores de cc. Al estudiar el funcionamiento eléctrico del motor de cc, también se inició el estudio de la mayor parte de los elementos físicos principales del motor de cc. Estos elementos son la armadura y el conmutador, el conjunto de escobillas y el imán del campo. A continuación se describirán los detalles referentes a la estructura de los motores de cc, lo cual permitirá identificar las diferentes partes de motores reales. También se estudiará la estructura del motor analizando sus partes materiales y los métodos que se usan para construirlas. Finalmente se evaluarán algunos de los métodos empleados para el mantenimiento de motores.

• Núcleo de armadura y eje

El término armadura o rotor se aplica a la parte giratoria del motor. Cuando se observa un motor en marcha, generalmente se ve el eje que gira. El eje es una extensión externa de la armadura que pasa a través de la cubierta y coraza del motor; se encuentra en el lado opuesto al extremo del conmutador del motor. El conmutador se describirá posteriormente.

Un núcleo de armadura típico es un cilindro sólido que tiene ranuras y está hecho de metal. En realidad, el núcleo está formado por delgadas láminas prensadas de acero dulce. Cada una de las laminaciones tiene muescas en la orilla; están revestidas con un barniz aislante y comprimido para formar el núcleo. En el proceso de formación, las muescas se alinean de manera que el núcleo acabado tiene una serie de ranuras longitudinales en todo su perímetro. Las laminaciones se usan en el núcleo con objeto de reducir pérdidas por corrientes parásitas.

Las corrientes parásitas son las que se inducen en un material conductor cuando éste corta líneas de flujo magnéticas. Las laminaciones reducen el área donde pueden existir corrientes parásitas y, en consecuencia, aumenta la resistencia relativa del material; así pues, se reducen las pérdidas de potencia debidas a corrientes parásitas. El uso de acero dulce como material del núcleo reduce las pérdidas por histéresis que, según se recordará de lo estudiado anteriormente, ocurren cuando las inversiones de magnetización del material del núcleo están atrasadas con respecto a las inversiones de la corriente.

Las ranuras del núcleo ya formado sirven para alojar las espiras de alambre de cobre o devanados de la armadura. El núcleo de armadura está montado sobre el eje del motor, el cual generalmente es una barra de acero duro con superficie interna de contacto muy bien pulida. El método de montaje del núcleo sobre el eje varía considerablemente, según los distintos motores.

Devanar armadura es toda una ciencia. A continuación, se señalarán algunos aspectos importantes del tema, los cuales serán útiles cuando se estudien las diferencias y semejanzas básicas que hay entre los motores de c-a y los de cc.



Los devanados de armadura de cc se clasifican en devanados de anillo y devanados de tambor, según la forma que tenga el núcleo de la armadura. Los primeros motores prácticos tenían el llamado devanado de anillo de Gramme. En el devanado de anillo de Gramme el núcleo de armadura es un anillo de hierro, alrededor del cual se embobina un devanado continuo y cerrado que se conecta con segmentos del conmutador a intervalos regulares. Este tipo de armadura es ineficiente debido a que los conductores de la mitad interior del anillo están blindados magnéticamente por el hierro y, en consecuencia, no pueden interactuar con el campo. Debido a ésta y a otras desventajas, actualmente la armadura de anillo de Gramme es poco menos que una curiosidad de laboratorio.

• Armadura devanada en tambor

En lugar del anillo de Gramme, la mayor parte de los motores modernos tienen el núcleo de armadura en forma de tambor, el cual se estudió previamente. Las espiras o bobinas que constituyen la armadura devanada en tambor se hallan alrededor del núcleo de la armadura, alojando los lados de las bobinas en las ranuras del núcleo. Las ranuras suelen estar aisladas con papel de pescado para proteger los devanados. En muchas armaduras, las bobinas son formadas previamente para darles su forma definitiva y luego se colocan en las ranuras del núcleo. A esto se le llama devanado de formas y se lleva a cabo ya sea conformando las bobinas sobre un molde de madera o doblándolas en una prensa antes de colocarlas sobre el tambor. Cada devanado siempre es igual que otro en la armadura y, al

final, la armadura devanada siempre debe ser perfectamente simétrica.

Después de que las bobinas de armadura se han colocado sobre el inicio, en la ranura del núcleo se ponen cuñas de material aislante para fijar las bobinas. Después de esto, se usan bandas adhesivas de acero para asegurar las bobinas de manera que no sean expulsadas por la fuerza centrífuga producida durante la rotación de la armadura.

Básicamente, hay dos formas en que se dispone el devanado de los tambores en uso: Devanados imbricados y devanados ondulados. El imbricado se usa para motores de baja tensión y alta corriente. El ondulado se usa en motores que requieren alta tensión y baja comente.

• El conmutador

El conmutador consta de segmentos conductores particulares hechos de cobre y aislados entre sí con láminas delgadas de mica. Cada segmento, con sus separadores de mica, se monta en un molde cilíndrico y se sujeta a las demás por medio de una brida de sujeción. Los segmentos se aíslan de la brida de sujeción mediante anillos de mica.

Las puntas de las bobinas de armadura se conectan a las partes sobre- salientes de los segmentos de conmutador, las cuales se conocen como colas. Algunos segmentos del conmutador se fabrican sin colas y, en su lugar, tienen ranuras en los extremos, a los cuales se conectan las puntas de la bobina de armadura. Después de armado el conmutador, se tornea la superficie en forma perfectamente cilíndrica y se pule hasta darle un acabado muy terso, lo cual asegura que la fricción entre la superficie de conmutación y las escobillas sea al mínimo. Finalmente, y esto es de gran importancia, el aislamiento de mica entre los segmentos se recorta de modo que quede ligeramente abajo de la superficie de los segmentos del conmutador, a fin de que no interfiera el paso de las escobillas.



Generalmente, después de que un motor ha estado en servicio durante algún tiempo, la superficie de cobre del conmutador se desgasta. Para que el motor funcione satisfactoriamente, siempre que el cobre se desgasta hasta el nivel de la mica, es necesario recortar nuevamente a esta última. Al mismo tiempo, generalmente también es necesario tornear el conmutador, para que mantenga su forma cilíndrica.

• Conjunto de escobillas

El conjunto de escobillas está formado por las escobillas o carbones, sus sujetadores y resortes de escobillas. Las escobillas propiamente dichas están hechas de carbón suave que contiene una gran proporción de grafito. Este material tiene dos objetivos: es lo suficientemente suave para que el conmutador sólo se desgaste al mínimo; al mismo tiempo, es lo suficientemente duro para que la escobilla no se desgaste con demasiada rapidez. Nunca debe aplicarse lubricación entre las escobillas y el conmutador, pues la que pudiera necesitarse la proporciona el grafito de las escobillas.

Generalmente, las escobillas están montadas cada una en una pieza llamada porta escobillas. Estas piezas mantienen una posición fija y están montadas en la cubierta del motor, aunque aisladas de ella. La escobilla se coloca holgadamente en el portaescobillas y un resorte la empuja para que no pierda contacto con el conmutador. El ajuste flojo y la presión del resorte hacen posible que las escobillas tengan cierta libertad de movimiento en sus sujetadores, de manera que puedan ajustarse a las pequeñas irregularidades de la superficie del conmutador.

En muchos motores la presión del resorte se puede ajustar según la especificación del fabricante. Si la presión es excesiva, las escobillas se desgastarán demasiado rápidamente. Si es insuficiente, se hará mal contacto, lo cual también producirá chisporroteo y operación irregular del motor.

En la mayor parte de los motores, la conexión eléctrica entre las escobillas y la fuente externa de potencia es como sigue: las escobillas propiamente dichas están conectadas eléctricamente a sus portaescobillas respectivos por medio de alambres de cobre prensado, llamados "colas de puerco". A su vez, los sujetadores están conectados a pernos que van en el exterior de la cubierta del motor. Tanto los portaescobillas como los pernos están aislados de la cubierta misma. Los pernos constituyen los puntos de unión a los cuales se pueden conectar las terminales de potencia al motor.

Aunque las escobillas están diseñadas para durar largo tiempo, siempre se hacen de manera que se desgasten más rápidamente que el conmutador, debido a que es más barato y fácil sustituir las escobillas que reparar una armadura. Generalmente se hacen escobillas de bastante longitud, de manera que puedan mantenerse en servicio durante un periodo relativamente largo antes de que queden desgastadas hasta el punto en que sea necesario substituirlas. El resorte mantiene a la escobilla firmemente apoyada contra el conmutador durante toda su vida útil.

• Devanado de campo

Campo es un nombre común para designar el campo magnético polar en el cual gira la armadura. El campo puede originarlo un imán permanente o, como en la mayor parte de los motores prácticos, un electroimán. La corriente que fluye en el electroimán tiene la misma fuente de energía que la corriente de armadura. El conjunto de campo consta de piezas polares y bobinas de campo. Las piezas polares de campo generalmente están atornilladas a la circunferencia interna de la cubierta y hechas de láminas de acero dulce que han sido laminadas para disminuir las pérdidas por corrientes parásitas. Las piezas polares suelen tener la forma que se ajusta a la curvatura de la armadura, para mantener que sea lo más pequeño posible el entrehierro entre las piezas polares y la armadura, ya que el aire ofrece



una reluctancia relativamente elevada a las líneas de flujo magnético.

La mayor parte de los motores de cc tienen piezas polares independientes llamadas polos salientes que sobresalen hacia el interior, al área de armadura. El devanado de campo de un motor de polos salientes consta de todas las bobinas de campo particulares devanadas alrededor de sus núcleos, o sea, las piezas polares. El número de bobinas de campo determina el número de polos del motor. Un motor de dos polos tiene dos bobinas de campo; un motor de cuatro polos tiene cuatro, etc.

En algunos motores, el devanado de campo no está formado en polos salientes, sino que está distribuido alrededor del marco del campo: los devanados están dispuestos de tal manera que, cuando se les suministra potencia se obtienen polos magnéticos fijos.

• Cubierta y montaje

La cubierta del motor constituye el soporte mecánico para las diversas partes del motor. También protege las partes móviles de influencias exteriores tales como polvo, suciedad y agua. La mayor parte de las cubiertas de los motores constan de tres partes: una cubierta de campo y dos cabezales. La cubierta de campo sirve de soporte para las bobinas de campo y los interpoles, si existen. También forma parte del circuito magnético del devanado de campo. Debido a esta función magnética, la cubierta de campo está hecha de hierro y acero de buenas propiedades magnéticas.

La armadura debe estar suspendida en el campo de manera que pueda girar dentro de él. La cubierta proporciona el soporte básico por medio de los cojinetes montados en ranuras de cada uno de los cabezales para hacer posible la rotación con la mínima pérdida de potencia por fricción. Los cabezales están montados en ambos extremos del cuerpo del campo y atornillados a él. En los cabezales de algunos motores se hacen orificios o accesorios para aceite o grasa, para que sea posible lubricar los cojinetes. La cubierta también

es el sostén de los conjuntos de escobillas y de campo.

La cubierta también constituye el soporte externo del motor; tiene vanos accesorios para montar el motor y está construida en formas especiales a fin de que resista más bien a las partes activas del motor y queden bien protegidas contra los diversos ambientes donde habrá de usarse el motor. Generalmente se hacen orificios de ventilación en los cabezales y, con frecuencia, también en la parte central, para que pueda circular el aire de enfriamiento del motor.

• Chumaceras y enfriamiento

Dos de las características estructurales más importantes de los motores eléctricos son los cojinetes y los dispositivos internos para enfriamiento. Los cojinetes sostienen la armadura y permiten que la rotación a alta velocidad sea suave y con un mínimo de fricción. Cuando se usan baleros, éstos se montan a presión en los extremos del eje de la armadura y en la suspensión de los cabezales. Cuando se usan cojinetes metálicos, éstos simplemente se colocan en la suspensión de los cabezales y el eje pulido de la armadura se ajusta al cojinete. Cuando los cabezales se atornillan a la parte central en el armado de la cubierta, la armadura queda sostenida automáticamente por los cojinetes de los cabezales.

Los cojinetes de algunos motores están hechos de modo que tengan lubricación permanente, para toda la vida del motor. En otros motores se cuenta con algún medio para lubricar periódicamente los cojinetes. Generalmente, para este objeto se construyen dispositivos o copas de engrase en los cabezales. La lubricación periódica de un motor es quizá la parte más importante del mantenimiento del motor.

Cuando un motor funciona, suele producir una cantidad considerable de calor. Este debe disiparse rápidamente si se desea que el motor tenga una larga vida de servicio. El método más común para disipar este calor es mediante orificios de ventilación y un ventilador integrado al motor. Los orificios se encuentran en los cabezales y en el cuerpo central, para ventilar las partes internas que llevan corriente. El ventilador es una rueda con aletas que generalmente está montada en un



extremo del eje de la armadura. Cuando la armadura gira, el ventilador saca aire por los orificios de ventilación y de esta manera extrae el calor de la cubierta.

4.3.1 Clasificación de los motores de corriente continua

Los motores de cc han sido clasificados eléctricamente según la forma en que sus devanados de campo están conectados a la fuente de energía eléctrica que los impulsa. Los nombres descriptivos de derivación, de serie y compound, identifican los tres tipos principales de motores de cc. En el motor en derivación, el devanado de campo y el de armadura se conectan en paralelo al circuito de entrada. En el motor tipo serie, el devanado de campo y el de armadura están conectados en serie con el circuito de entrada.

Como su nombre lo indica, en el motor de tipo combinado las conexiones en serie y derivado del devanado de campo y la armadura, se combinan en una sola máquina. Los motores de cc se clasifican mecánicamente, según el tipo de cubierta que tienen y según la llamada característica carga-velocidad.

Las cubiertas de los motores son de los siguientes tipos: abierto, semicerrado, a prueba de goteo, a prueba de agua, sumergible y a prueba de explosión. Según sus características de carga-velocidad los motores se clasifican en motores de velocidad constante, velocidades múltiples, velocidad ajustable, velocidad variable y de velocidad variable ajustable.

4.3.2 Potencia nominal de motores de corriente continua

Los motores se clasifican según la carga que pueden impulsar y a lo cual se le llama salida de potencia. También se clasifican por la potencia eléctrica que toman de la línea, llamada la entrada de potencia, y por la calidad con que transforman energía eléctrica, en energía mecánica, a lo que se llama eficiencia.

La salida de potencia es una medida de la energía mecánica que el motor transmite a plena carga y se indica en caballos de fuerza. El caballaje es una forma de indicar la cantidad de trabajo que puede efectuar un motor en determinado periodo de

tiempo, en comparación con un caballo. Un caballo de fuerza equivale a 33,000 libras-pie de trabajo por minuto. La cantidad de libras-pie de trabajo que produce un motor es igual a su par multiplicado por la velocidad a que funciona. Puede calcularse el caballaje de cualquier motor si se conocen su par y su velocidad. El par se puede medir directamente por medio de un dispositivo que se llama freno de Prony y la velocidad se puede determinar mediante un tacómetro, o contador de revoluciones por minuto, y un reloj. Generalmente, en la placa de datos del motor se indica el caballaje nominal del mismo.

La potencia eléctrica que toma un motor de cc de la línea de alimentación es simplemente el producto de la corriente por el voltaje, y se expresa en watts.

Potencia = voltaje x corriente

Pwast = Evolts x Iamp

• Potencia nominal de los motores

Desgraciadamente, no toda la potencia que llega a un motor es recuperada como potencia mecánica útil para impulsar la carga. Parte de la potencia se consume como calor en el devanado de campo; otra parte se consume en forma de calor en la armadura; y otra parte se utiliza para vencer los efectos de carga mecánica debidos a la fricción, la resistencia del aire, etc. En todos estos casos, se consume una cantidad de potencia que no se transfiere a la carga como energía mecánica. Esta potencia perdida recibe el nombre de pérdidas. La salida de potencia de un motor siempre es igual a su entrada de potencia menos todas las pérdidas de potencia.

La eficiencia de un motor es una medida de la transformación de la entrada de potencia en salida de potencia. Si las pérdidas son bajas, se dice que la eficiencia es alta. La eficiencia se determina dividiendo la entrada de potencia entre la salida de potencia y multiplicando por 100, para obtenerla en porcentaje. La entrada, expresada en watts, se puede dividir entre la salida expresada en caballos de fuerza (hp), debido a que existe una relación definida entre ambas, que es la siguiente:

1 hp = 746 watts



La clasificación de la información en la placa de datos del motor generalmente suministra la información suficiente para obtener o calcular todo lo que se necesita conocer del motor. Con frecuencia, los motores se clasifican según la entrada en caballos de fuerza De acuerdo con esta clasificación, un motor de hp, por ejemplo, tendrá una salida algo menor de l^ hp debido a las pérdidas.

Resumen

Elaborar un resumen de las características de los motores de cd.

Sugerencias o Notas


seguridad e higiene






Prácticas y Lista de Cotejo Unidad de aprendizaje: 1 Práctica número: 1 Nombre de la práctica: Teoría de la electricidad. Propósito de la práctica: Al finalizar la práctica, el alumno comprobará la existencia y el comportamiento

de las cargas eléctricas, mediante la ejecución de experiencias sencillas. Escenario 1: Aula Escenario 2: Taller, laboratorio. Duración: 2 Hrs.

Materiales Maquinaria y equipo Herramienta• 1 tira de madera de 7x10x1 cm. • 25 cm. de alambre galvanizado

No.12. • 10 cm. de hilo de seda o nylon. • 10 cm. de alambre de cobre

No.12. • 1 disco de aluminio de 1 cm. de

radio. • 1 frasco de vidrio con tapa

metálica. • 1 corcho o pelota chica de

esponja. • 1 tira de papel de estaño de 5x5

cm. • 1 peine o regla de plástico. • Hojas blancas. • Lápices.

•

• Una lezna.

• Unas pinzas de electricista.

• Unas tijeras de cortar lámina.



Procedimiento

Realizar la practica con responsabilidad, limpieza, seguridad y trabajo en equipo.

Aplicar las medidas de seguridad e higiene en el desarrollo de la práctica.

En el taller:

• El taller deberá de estar limpio antes de iniciar la práctica. • No deberá de localizarse objeto alguno tirado en el suelo, que pueda ocasionar un accidente. • En el taller se deberá contar siempre con un extintor ABC cuya carga este debidamente verificada. • Los materiales y equipos antes de su uso, deberán estar guardados en casilleros, o su equivalente. • No se permitirá el acceso al taller a personas ajenas a la práctica. • Todas las conexiones eléctricas del taller deberán encontrarse en buen estado y por ningún motivo

existirán cables o conductores expuestos. • Se deberá evitar daños a materiales, equipos, mobiliario y aulas. • No se permitirá introducir al taller, alimentos y bebidas.

En la persona:

• Evitar el uso de relojes, hebillas y botones expuestos, corbatas, cabello largo sin recoger. • Utilizar la ropa y equipo de trabajo, según sea la labor.

Aplicar las medidas ecológicas en el desarrollo de la práctica.

• Los desperdicios que se generen, deberán ser depositados en los recipientes adecuados para ello. • Deberá de evitarse residuos de aceites o grasas en el piso. • Los materiales que sean susceptibles a ser reutilizados serán conservados para tal fin.

El alumno más adelantado o experimentado, con la guía del PSA, (o el PSA) tendrá que: • Explicar el procedimiento que se va a ejecutar, reflexionando sobre el tipo de tareas que se

aprenderán. • Corregir errores o malas interpretaciones en el procedimiento, para su correcta ejecución.

Los alumnos tendrán que: • Contestar las preguntas que haga el PSA sobre el procedimiento. • Plantear dudas, así como soluciones a los problemas que se presenten durante la práctica. • Ejecutar el procedimiento hasta hacerlo con precisión. • Pasar en forma rotatoria por el aprendizaje de enseñar.

Escenario 1

1. Elegir el área adecuada en el laboratorio o taller.

2. Elaborar un plan de trabajo para la práctica.

Escenario 2

3. Acudir al laboratorio o taller y presentarse con el responsable del mismo.

4. Pedir el material y herramienta necesarios para llevar a cabo la práctica con el responsable de laboratorio o taller.

5. Elaborar un péndulo eléctrico utilizando la base de madera, el alambre galvanizado, el hilo de seda y el pequeño disco de aluminio.

Escenario 3



Procedimiento

6. Acerque un peine o una regla de plástico al disco de aluminio.

7. Tomar notas de lo observado.

8. Frote el peine en su cabello o la regla de plástico con un pedazo de nylon.

9. Acerque nuevamente el peine o la regla al disco de aluminio suspendido.

10. ¿Adquirió el peine o regla una propiedad que no tenía antes?

11. ¿Qué propiedad será la adquirida?

12. ¿A qué se deben los fenómenos de atracción que se observaron?


Escenario 4

14. Aproxime el peine o regla electrizado al disco de aluminio suspendido.


16. ¿Qué ocurre inicialmente?

17. ¿Qué ocurre después?

18. Repita varias veces como sea necesario para observar mejor este fenómeno.


Escenario 5

20. Construya un electroscopio utilizando el frasco de vidrio, el corcho o pelota de esponja, el alambre de cobre y la tira de papel de estaño.

21. Acerque un peine o una regla de plástico a la parte superior del alambre de cobre.

22. Observa algún efecto en la laminilla de estaño.


24. Frote el peine en su cabello o la regla de plástico con un pedazo de tela de nylon.

25. Acerque nuevamente el peine o la regla al alambre de cobre.

26. ¿Qué nota en la laminilla?


28. Repita varias veces como sea necesario para observar mejor este fenómeno.

29. Explique a que se deben los efectos producidos en la laminilla del electroscopio.

Escenario 6

30. Construya un soporte empleando un sujetador de papeles (clip) y un hilo tal como lo muestra la figura.

31. Frotar vigorosamente un peine de poco peso (ligero) con un paño de nylon.

32. Rápidamente colóquelo en el soporte hecho con el sujetador de papeles.

33. Mantenga el peine suspendido.

34. Inmediatamente frotar el extremo de otro peine con el mismo paño.



Procedimiento

35. Ahora acerca el extremo frotado de este peine al extremo del peine suspendido.

36. El peine suspendido deberá moverse alejándose del peine que se acerca.

37. Explicar las causas del fenómeno que se observan.

Escenario 7

38. Elaborar un reporte de la práctica que incluya:

• Desarrollo de la práctica. • Observaciones. • Conclusiones

39. Limpiar y entregar el material y herramienta utilizada.

40. Limpiar el área de trabajo.



Lista de cotejo de la práctica Número 1:

Teoría de la electricidad.

Nombre del alumno: Instrucciones: A continuación se presentan los criterios que van a ser verificados

en el desempeño del alumno mediante la observación del mismo.De la siguiente lista marque con una aquellas observaciones que hayan sido cumplidas por el alumno durante su desempeño

Desarrollo Si No No Aplica

Aplicó las medidas de seguridad e higiene en el desarrollo de las prácticas. Utilizó la ropa y equipo de trabajo. Realizó la práctica con responsabilidad, limpieza, seguridad y trabajo en equipo.

1. Acudió al taller o laboratorio y siguió las indicaciones del prestador de servicios académicos.

2. Trabajó en el área apropiada del taller o laboratorio. 3. Seleccionó el material de acuerdo a la práctica. 4. Elaboró el péndulo eléctrico correctamente. 5. Verificó el comportamiento que se presentó en el desarrollo de la práctica con el

péndulo eléctrico.

6. Construyó correctamente el electroscopio. 7. Verificó el comportamiento que se presentó en el desarrollo de la práctica con el

electroscopio.

8. Elaboró correctamente el soporte hecho con el clip para suspender el peine. 9. Verificó el comportamiento que se presentó en el desarrollo de la práctica con el

peine suspendido en el soporte hecho con el clip.

10. Limpió y guardó el material requerido en la práctica. 11. Limpió el área de trabajo 12. Siguió el plan de trabajo en el desarrollo de la práctica. 13. Entregó el reporte con los requerimientos solicitados.

Observaciones:

PSA:

Hora de inicio: Hora de término: Evaluación:



Unidad de aprendizaje: 1 Práctica número: 2 Nombre de la práctica: Verificación de voltaje eléctrico. Propósito de la práctica: Al finalizar la práctica, el alumno verificará el voltaje eléctrico utilizado en los

circuitos eléctricos. Escenario: Taller, laboratorio. Duración: 2 Hrs.

Materiales Maquinaria y equipo Herramienta

• Cable calibre 12.

• Cable calibre 22.

• Foco 12 voltios y 127 voltios.

• Led.

• Perfocel de 20x20 cm.

• Pasta.

• Soldadura.

• Socket para foco de 12 voltios y 127 voltios.

• Interruptor.

• Batería sólida: − 1.5 vcd. − 3.0 vcd. − 6.0 vcd. − 9.0 vcd.

• Tornillos de 3/16”x½”.

• Rondanas.

• Tuercas.

•

Básicas:

• Martillos.

• Pinzas de corte.

• Pinzas de punta.

• Desarmador plano.

• Cautín.

• Pela cables.



Procedimiento



En el taller:

• El taller deberá de estar limpio antes de iniciar la práctica. • No deberá de localizarse objeto alguno tirado en el suelo, que pueda ocasionar un accidente. • En el taller se deberá contar siempre con un extintor ABC cuya carga este debidamente verificada. • Los materiales y equipos antes de su uso, deberán estar guardados en casilleros, o su equivalente. • No se permitirá el acceso al taller a personas ajenas a la práctica. • Todas las conexiones eléctricas del taller deberán encontrarse en buen estado y por ningún motivo


En la persona:

• Evitar el uso de relojes, hebillas y botones expuestos, corbatas, cabello largo sin recoger. • Utilizar la ropa y equipo de trabajo: Overol, bata o la ropa adecuada, zapatos de seguridad, Casco,

Gogles o lentes, Guantes de algodón o carnaza, según sea la labor, Protección auditiva, Mascara para polvos cuando sea necesario.

Aplicar las medidas ecológicas en el desarrollo de la práctica.

• Los desperdicios que se generen, deberán ser depositados en los recipientes adecuados para ello. • Deberá de evitarse residuos de aceites o grasas en el piso. • Los materiales que sean susceptibles a ser reutilizados serán conservados para tal fin.

Utilizar apropiadamente el equipo de seguridad.

El alumno más adelantado o experimentado, con la guía del PSA, (o el PSA) tendrá que: • Explicar el procedimiento que se va a ejecutar, reflexionando sobre el tipo de tareas que se aprenderán. • Corregir errores o malas interpretaciones en el procedimiento, para su correcta ejecución.

Los alumnos tendrán que: • Contestar las preguntas que haga el PSA sobre el procedimiento, aspectos importantes que deben

cuidar, errores más frecuentes, etc. • Plantear dudas, así como soluciones a los problemas que se presenten durante la práctica y en relación

a situaciones específicas. • Ejecutar el procedimiento hasta hacerlo con precisión. • Pasar en forma rotatoria por el aprendizaje de enseñar.

Escenario 1



Escenario 2


4. Pedir el material necesario para llevar a cabo la practica con el responsable de laboratorio o taller.



Procedimiento

5. Dibujar el diagrama No. 1 en la tabla de perfocel

6. Colocar los elementos requeridos en el Dibujo.

7. Sujetar los elementos con los tornillos en la tabla de perfocel

8. Colocar la fuente de voltaje en la tabla de perfocel.

9. Accionar el interruptor.

10. Desenergizar el circuito para cambiar la fuente de voltaje.

11. Registrar qué sucede en el foco cuando se acciona el interruptor.

12. Realizar el mismo procedimiento con el diagrama No. 2 utilizando como fuente de alimentación, batería níquel-cadmio y/o plomo-ácido.

13. Realizar el mismo procedimiento con el diagrama No. 3 utilizando como fuente de alimentación una toma de 120 vca.

Diagrama No. 2

Diagrama No. 1



Procedimiento



Escenario 3


• Desarrollo de la práctica. • Observaciones. • Conclusiones.

Diagrama No. 3




Verificación de voltaje eléctrico.

Nombre del alumno: Instrucciones: A continuación se presentan los criterios que van a ser

verificados en el desempeño del alumno mediante la observación del mismo. De la siguiente lista marque con una aquellas observaciones que hayan sido cumplidas por el alumno durante su desempeño


Aplicó las medidas de seguridad e higiene en el desarrollo de las prácticas. Utilizó la ropa y equipo de trabajo. Realizó la práctica con responsabilidad, limpieza, seguridad y trabajo en

equipo.


2. Trabajo en el área apropiada del taller o laboratorio. 3. Seleccionó el material de acuerdo a la práctica. 4. Dibujo el circuito del diagrama No. 1. 5. Colocó los elementos requeridos en el circuito No.1. 6. Cambió correctamente las fuentes de voltaje en el circuito No. 1. 7. Verifico el comportamiento que se presento en el circuito No.1. 8. Dibujo el circuito del diagrama No. 2. 9. Colocó los elementos requeridos en el circuito No. 2 10. Cambió correctamente la fuente de voltaje en el circuito No. 2. 11. Verificó el comportamiento que se presento en el circuito No.2. 12. Dibujo el circuito del diagrama No. 3. 13. Colocó los elementos requeridos en el circuito No. 3 14. Cambió correctamente la fuente de voltaje en el circuito No. 3. 15. Verificó el comportamiento que se presento en el circuito No.3. 16. Limpió y guardo el material requerido en la práctica. 17. Limpió el área de trabajo. 18. Siguió el plan de trabajo en el desarrollo de la práctica. 19. Entregó el reporte con los requerimientos solicitados.

Observaciones:

PSA:




Unidad de aprendizaje: 1 Práctica número: 3 Nombre de la práctica: Aplicación de la ley de Ohm. Propósito de la práctica: Al finalizar la práctica, el alumno comprobara mediante la ejecución de

experiencias sencillas la relación que existe entre tensión, corriente y resistencia en un circuito eléctrico.

Escenario 1: Aula Escenario 2: Taller, laboratorio. Duración: 1 Hrs.


• Resistor de 47 ohms a ½ W.




• 20 cm. de alambre de cobre No. 18.

• 15 cm. de alambre o cable de conexiones No. 22.

• Una tira de triplay de 8x15x0.6 cm.

• Una pila de 1.5 V.

• 20 cm. de fleje metálico.

• 4 tornillos con tuerca de 1.25x0.3 cm. o ½”.

• Multímetro o multiprobador.

• Una pinza de punta.

• Un destornillador de 5 mm. de hoja.

• Cuchilla.

• Lezna.

• Pinza de punta.

• Pinza de corte.

• Tijera de cortar lámina.

• Martillo de bola de 250 g.

• Lima bastarda.

• Lima musa.



Procedimiento



En el taller: • El taller deberá de estar limpio antes de iniciar la práctica. • No deberá de localizarse objeto alguno tirado en el suelo, que pueda ocasionar un accidente. • En el taller se deberá contar siempre con un extintor ABC cuya carga este debidamente verificada. • Los materiales y equipos antes de su uso, deberán estar guardados en casilleros, o su equivalente. • No se permitirá el acceso al taller a personas ajenas a la práctica. • Todas las conexiones eléctricas del taller deberán encontrarse en buen estado y por ningún motivo


En la persona: • Evitar el uso de relojes, hebillas y botones expuestos, corbatas, cabello largo sin recoger. • Utilizar la ropa y equipo de trabajo: Overol, bata o la ropa adecuada, zapatos de seguridad, Casco,


Aplicar las medidas ecológicas en el desarrollo de la práctica. • Los desperdicios que se generen, deberán ser depositados en los recipientes adecuados para ello. • Deberá de evitarse residuos de aceites o grasas en el piso. • Los materiales que sean susceptibles a ser reutilizados serán conservados para tal fin.





cuidar, errores más frecuentes, etc. • Plantear dudas, así como soluciones a los problemas que se presenten durante la práctica y en

relación a situaciones específicas. • Ejecutar el procedimiento hasta hacerlo con precisión. • Pasar en forma rotatoria por el aprendizaje de enseñar.

Escenario 1



Escenario 2


4. Pedir el material, equipo y/o herramienta necesarios para llevar a cabo la práctica con el responsable de laboratorio o taller.

5. De acuerdo con el código de colores, calcular el valor de cada resistor.



Procedimiento

R1 = ohms R2 = ohms R3 = ohms R4 = ohms

6. Comprobar el valor de cada uno de los resistores con el óhmetro.

R1 = ohms R2 = ohms R3 = ohms R4 = ohms

7. Comprobar con el voltímetro el voltaje de la pila.


9. Construya el circuito que se indica a continuación, utilizando el resistor de 47 ohms.

10. Calcular, de acuerdo con la ley de Ohm, la corriente que circula en el circuito.


12. Compruebe con el amperímetro si el valor de la corriente que circula en el circuito, coincide con el obtenido con la formula de la ley de Ohm.


14. Repita la operación indicada en el número 8 de la actividad anterior, sustituyendo el resistor de 47 ohms por el de 100 ohms.

15. Empleando la fórmula de la ley de Ohm, calcular la corriente que circula en el circuito.


17. Repita los ejercicios anteriores, utilizando los resistores de 150 ohms y 220 ohms.


19. Lectura obtenida con el instrumento en el 1er. caso.

I1 (150 ohms) = Amperes.

20. Lectura obtenida con el instrumento en el 2do. caso.

I2 (220 ohms) = Amperes.

21. Explique lo que ocurre con la corriente en los circuitos en que el valor de los resistores es mayor.

22. Anote lo ocurrido con la corriente en los circuitos en que es menor el valor del resistor.

23. Explique a qué se deben los fenómenos anteriores.

R1 = 47 �



Procedimiento

Escenario 3

24. Elaborar un reporte de la práctica que incluya: • Desarrollo de la práctica. • Observaciones. • Conclusiones






Aplicación de la ley de Ohm.





equipo.


2. Trabajó en el área apropiada del taller o laboratorio. 3. Seleccionó el material de acuerdo a la práctica. 4. De acuerdo con el código de colores, calculó el valor de cada resistor. 5. Comprobó el valor de cada uno de los resistores con el óhmetro. 6. Comprobó con el voltímetro el voltaje de la pila. 7. Construyó el circuito, utilizando el resistor de 47 ohms. 8. Calculó, de acuerdo con la ley de Ohm, la intensidad de corriente que

circula en el circuito.

9. Comprobó con el amperímetro si el valor de la intensidad de corriente que circula en el circuito, coincide con la obtenida con la fórmula de la ley de Ohm.

10. Construyó el circuito, utilizando el resistor de 100 ohms. 11. Calculó, de acuerdo con la ley de Ohm, la intensidad de corriente que

circula en el circuito.

12. Comprobó con el amperímetro si el valor de la intensidad de corriente que circula en el circuito, coincide con el obtenido con la fórmula de la ley de Ohm.

13. Construyó el circuito, utilizando el resistor de 150 ohms. 14. Calculó, de acuerdo con la ley de Ohm, la corriente que circula en el

circuito.

15. Comprobó con el amperímetro si el valor de la corriente que circula en el circuito, coincide con el obtenido con la fórmula de la ley de Ohm.

16. Construyo el circuito, utilizando el resistor de 220 ohms. 17. Calculó, de acuerdo con la ley de Ohm, la corriente que circula en el

circuito.

18. Comprobó con el amperímetro si el valor de la corriente que circula en el circuito, coincide con el obtenido con la formula de la ley de Ohm.

19. Siguió el plan de trabajo en el desarrollo de la práctica.



20. Entregó el reporte con los requerimientos solicitados. 21. Limpió y guardó el material, equipo y herramienta utilizada en la práctica. 22. Limpió el área de trabajo

Observaciones:

PSA:




Unidad de aprendizaje: 2 Práctica número: 4 Nombre de la práctica: Uso del código de colores para resistencias de carbón. Propósito de la práctica: Al finalizar la práctica el alumno verificará el valor de las resistencias mediante el

uso del código de colores. Escenario: Laboratorios o taller. Duración: 2 Hrs.


• Tabla de campo.

• Hojas de papel.

• Lápiz.

• Goma.

• Resistencias diferentes tipos y valores

• Equipo de seguridad marcado por

el laboratorio o el taller.



Procedimiento











cuidar, errores más frecuentes, etc. • Plantear dudas, así como soluciones a los problemas que se presenten durante la práctica y en relación

a situaciones específicas. • Ejecutar el procedimiento hasta hacerlo con precisión. • Pasar en forma rotatoria por el aprendizaje de enseñar.

Escenario 1



Escenario 2


4. Pedir el material necesario para llevar a cabo la practica con el responsable de laboratorio o taller.

5. Verificar el valor de cada resistencia de manera aislada por medio de su código de colores mediante los siguientes pasos:



Procedimiento

a) Seleccionar una resistencia.

b) Registrar el valor del primer color en la tabla de acuerdo con el código de colores.

c) Registrar el valor del segundo color en la tabla de acuerdo con el código de colores.

d) Registrar el valor del tercer color en la tabla de acuerdo con el código de colores.

e) Registrar el valor del cuarto color (tolerancia) en la tabla de acuerdo con el código de colores.

f) Registrar el valor de la resistencia en ohms, kilohms, Megaohms a partir de los valores registrados de cada resistencia.

g) Repetir los pasos del a al f para las diferentes resistencias.

6. Llenar la siguiente tabla utilizando el procedimiento descrito:

VALORES DE LOS RESISTORES

Colores de las franjas Tolerancia Ohm Kiloohms Meg1er. color 2do. color 3er. color

Escenario 3

7. Elaborar un reporte de la práctica que incluya: • Desarrollo de la práctica. • Llenado de la tabla de valores de las resistencias medidas. • Observaciones. • Conclusiones.






Uso del código de colores para resistencias de carbón.





equipo.


2. Trabajo en el área apropiada del taller o laboratorio. 3. Identifico correctamente el valor de cada resistencia haciendo sus

anotaciones pertinentes.

4. Lleno la tabla con sus valores de las resistencias correspondientes. 5. Siguió el plan de trabajo en el desarrollo de la práctica. 6. Entregó el reporte con los requerimientos solicitados.

Observaciones:

PSA:




Unidad de aprendizaje: 2 Práctica número: 5 Nombre de la práctica: Manejo del óhmetro para circuitos en serie. Propósito de la práctica: Al finalizar la práctica, el alumno manejará el óhmetro de acuerdo con los

procedimientos técnicos establecidos. Escenario 1: Aula. Escenario 2: Taller, laboratorio. Duración: 4 Hrs.


• Cables banana para modulo de resistencias.

• Papel.

• Lápiz.

• Óhmetro digital y/o analógico.

• Módulo de resistencias lab-volt.



Procedimiento














Escenario 1



Escenario 2


4. Pedir el material, equipo y/o herramienta necesarios para llevar a cabo la practica con el responsable de laboratorio o taller.

5. Calcular la resistencia total teórica del circuito armado.



Procedimiento

6. Armar el circuito como se muestra en la siguiente figura en el módulo de resistencias.

7. Medir la resistencia R1 con el óhmetro en los puntos a y b.

8. Registrar la lectura tomada entre los puntos a y b.

9. Medir la resistencia R2 con el óhmetro en los puntos b y c.

10. Registrar la lectura tomada en los puntos b y c.

11. Medir la resistencia R3 con el óhmetro en los puntos c y d.

12. Registrar la lectura tomada en los puntos c y d.

13. Sumar las lecturas de las resistencias medidas R1, R2 y R3.

14. Registrar la suma de la resistencia total de los valores prácticos.

15. Medir con el óhmetro en los puntas a-d, para obtener la lectura de la resistencia total practica RT (con el óhmetro) del circuito.

16. Registrar la lectura tomada entre los puntos a y d.

17. Comparar los valores medidos en a y d (RT), y la suma de de los valores obtenidos de R1, R2 y R3 (los puntos a-b, b-c, y c-d).

18. Comparar los valores calculados con los valores reales medidos.

Escenario 3




ba




Manejo del óhmetro para circuitos en serie.





equipo.


2. Trabajó en el área apropiada del taller o laboratorio. 3. Seleccionó el material de acuerdo a la práctica. 4. Dibujó el circuito del diagrama. 5. Colocó los elementos requeridos en el circuito. 6. Calculó la resistencia total teórica del circuito armado. 7. Realizó la medición de la resistencia R 1 con el óhmetro en los puntos a y b. 8. Realizó la medición de la resistencia R 2 con el óhmetro en los puntos b y c. 9. Realizó la medición de la resistencia R 3 con el óhmetro en los puntos c y d. 10. Realizó la medición de la resistencia R T con el óhmetro en los puntos a y d. 11. Siguió el plan de trabajo en el desarrollo de la práctica. 12. Entregó el reporte con los requerimientos solicitados. 13. Limpió y guardó el material, equipo y herramienta utilizada en la práctica. 14. Limpió el área de trabajo

Observaciones:

PSA:




Unidad de aprendizaje: 2 Práctica número: 6 Nombre de la práctica: Medición con el óhmetro en circuitos mixtos (serie – paralelo). Propósito de la práctica: Al finalizar la práctica, el alumno manejará el óhmetro en circuitos mixtos (serie–

paralelo) de acuerdo con procedimientos y técnicas establecidos. Escenario 1: Aula. Escenario 2: Taller, laboratorio. Duración: 4 Hrs.


• 1 Tabla de perfocel o triplay de 8x15x3cm.

• 4 Resistencias de diferentes valores.

• 20 cm. de cable del No. 22.

• Pasta.

• Soldadura.

• Hojas de papel.

• Lápiz.

• Goma.

• Óhmetro.

• Cautín.



• Cuchilla.



Procedimiento











cuidar, errores más frecuentes, etc. • Plantear dudas, así como soluciones a los problemas que se presenten durante la práctica y en relación a

situaciones específicas. • Ejecutar el procedimiento hasta hacerlo con precisión. • Pasar en forma rotatoria por el aprendizaje de enseñar.

Escenario 1



Escenario 2



5. Armar el circuito en la tabla de perfocel o triplay como se muestra en la figura.



Procedimiento

6. Calcular la resistencia total e individual de cada una de las resistencias que componen el circuito.

7. Anotar los valores obtenidos de las resistencias en la tabla No 1.

8. Medir la resistencia R1 con el óhmetro entre los puntos B y C.

9. Registrar la lectura obtenida en la tabla No. 2.

10. Medir la resistencia R2 con el óhmetro entre los puntos E y F.


12. Medir la resistencia R3 con el óhmetro entre los puntos D e I.


14. Medir la resistencia R4 con el óhmetro entre los puntos G y H.


16. Medir la resistencia RT con el óhmetro entre los puntos A y J.

17. Registrar la lectura obtenida en la tabla No. 2

18. Compara los valores calculados teóricamente con los valores obtenidos con el óhmetro.

Escenario 3

19. Elaborar una reporte de la práctica que incluya: • Desarrollo de la práctica. • Observaciones. • Conclusiones






Medición con el óhmetro en circuitos mixtos (serie – paralelo).




Aplicó las medidas de seguridad e higiene en el desarrollo de las prácticas.

Utilizó la ropa y equipo de trabajo. Realizó la práctica con responsabilidad, limpieza, seguridad y trabajo en

equipo.


2. Trabajó en el área apropiada del taller o laboratorio. 3. Seleccionó el material de acuerdo a la práctica. 4. Calculó la resistencia total e individual del circuito armado. 5. Registró los valores calculados en la tabla No. 1. 6. Dibujó el circuito del diagrama. 7. Armó el circuito en la tabla de perfocel o triplay como se muestra en la

figura y colocó los elementos requeridos.

8. Realizó la medición de la resistencia R1 con el óhmetro entre los puntos B y C.

9. Realizó la medición de la resistencia R2 con el óhmetro entre los puntos E y F.

10. Realizó la medición de la resistencia R3 con el óhmetro entre los puntos G y H.

11. Realizó la medición de la resistencia R4 con el óhmetro entre los puntos D y I.

12. Realizó la medición de la resistencia RT con el óhmetro entre los puntos A y J.

13. Registró la lectura tomada en cada uno de los puntos indicados en la tabla No. 2.

14. Siguió el plan de trabajo en el desarrollo de la práctica. 15. Entregó el reporte con los requerimientos solicitados. 16. Limpió y guardó el material, equipo y herramienta utilizada en la

práctica.

17. Limpió el área de trabajo



Observaciones:

PSA:




Unidad de aprendizaje: 2 Práctica número: 7 Nombre de la práctica: Medición con el voltímetro y el amperímetro en circuitos en serie. Propósito de la práctica: Al finalizar la práctica, el alumno manejará el voltímetro y el amperímetro en

circuitos en serie de acuerdo con procedimientos y técnicas establecidos. Escenario 1: Taller. Escenario 2: Laboratorio. Duración: 4 Hrs.

Materiales Maquinaria y equipo rramienta

• 1 Tabla de perfocel o triplay de 8x15x3 cm.

• 3 Focos de 6 o 12V.

• 20 cm. de cable o alambre del No. 22.


• Baterías o fuente de energía de:

• 1.5 V.

• 9.0 V.

• 8 tornillos con tuerca de 1.25x0.3 cm.

• Hojas de papel.

• Lápiz.

• Goma.

• Voltímetro.

• Amperímetro.

• Desarmadores.

• Pinzas de electricistas.



• Tijeras para cortar lámina.

• Cuchilla.

• Lima bastarda de 6 o 12”.

• Lima musa de 6 o 12”



Procedimiento














Escenario 1



Escenario 2






Procedimiento

6. Calcular la intensidad de corriente y voltaje total e individual del circuito armado.

7. Registrar los valores calculados teóricamente en la tabla # 1

8. Medir el voltaje y corriente en los puntos a y b.

9. Registrar la lectura tomada de los puntos a y b en la tabla #2.

10. Medir el voltaje y la intensidad de corriente en los puntos b y c.

11. Registrar la lectura tomada entre los puntos b y c en la columna correspondiente de la tabla #2.

12. Medir el voltaje y la intensidad de corriente en los puntos c y d.

13. Anotar la lectura tomada de los puntos c y d en la tabla #2.

14. Medir el voltaje y la intensidad de corriente en los puntos d y a.

15. Registrar la lectura tomada entre los puntos d y a en la columna y fila correspondiente de la tabla #2.

16. Comparar las lecturas calculadas (teóricas) con las lecturas tomadas de los instrumentos.



Procedimiento

Escenario 3







Medición con el voltímetro y el amperímetro en circuitos en serie.





equipo.


2. Trabajó en el área apropiada del taller o laboratorio. 3. Seleccionó el material de acuerdo a la práctica. 4. Calculó la intensidad de corriente y voltaje total e individual del circuito

armado.

5. Registró los valores calculados teóricamente en la tabla No. 1. 6. Dibujó el circuito del diagrama. 7. Armó el circuito en la tabla de perfocel o triplay como se muestra en la


8. Realizó la medición del voltaje y corriente en los puntos a y b. 9. Realizó la medición del voltaje y corriente en los puntos b y c. 10. Realizó la medición del voltaje y corriente en los puntos c y d. 11. Realizó la medición del voltaje y corriente en los puntos a y d. 12. Registro la lectura tomada en cada uno de los puntos indicados en la

tabla No. 2.

13. Siguió el plan de trabajo en el desarrollo de la práctica. 14. Entregó el reporte con los requerimientos solicitados. 15. Limpió y guardó el material, equipo y herramienta utilizada en la práctica.

Observaciones:

PSA:




Unidad de aprendizaje: 2 Práctica número: 8 Nombre de la práctica: Medición con el voltímetro y el amperímetro en circuitos en paralelo. Propósito de la práctica: Al finalizar la práctica, el alumno manejará el voltímetro y amperímetro en

circuitos en paralelo de acuerdo con procedimientos y técnicas establecidos. Escenario 1: Aula, Escenario 2: Taller, laboratorio. Duración: 2 Hrs.




• 20cm de cable o alambre del No. 22.



− 1.5 V.

− 9.0 V.

• 8 tornillos con tuerca de 1.25 x 0.3 cm.

• Hojas de papel.

• Lápiz.

• Goma.

• Voltímetro.

• Amperímetro.

• Desarmadores.





• Cuchilla.





Procedimiento













Escenario 1



Escenario 2






Procedimiento

6. Calcular teóricamente cada uno de los valores de la intensidad de corriente y el voltaje total e individual del circuito armado.

7. Registrar los valores calculados teóricamente en la tabla No. 1 y 2.

8. Medir con el amperímetro entre los puntos A y B.

9. Registrar el valor de la lectura tomada entre los puntos A y B en la tabla No. 3.

Pto. V (Volts)

B-G

C-F

D-E

A-H

TOTAL

Tabla No. 3

10. Medir la intensidad de corriente con el amperímetro entre los puntos B y C.

11. Registrar el valor de la lectura tomada entre los puntos B y C en la tabla No. 3.

12. Medir la intensidad de corriente con el amperímetro entre los puntos C y D.

13. Registrar el valor de la lectura tomada entre los puntos C y D en la tabla No. 3.



Procedimiento

14. Medir el voltaje con el voltímetro entre los puntos B y G.

15. Registrar el valor de la lectura tomada entre los puntos B y G en la tabla No. 4.

Pto. I (Amperes)

A-B

B-C

C-D

TOTAL

Tabla No. 4

16. Medir el voltaje con el voltímetro entre los puntos C y F.

17. Registrar el valor de la lectura tomada entre los puntos C y F en la tabla No. 4.

18. Medir el voltaje con el voltímetro entre los puntos D y E.

19. Registrar el valor de la lectura tomada entre los puntos D y E en la tabla No. 4.

20. Medir el voltaje con el voltímetro entre los puntos A y H.

21. Registrar el valor de la lectura tomada entre los puntos A y H en la tabla No. 4.

22. Compare las lecturas calculadas teóricamente con las tomadas en los instrumentos.

Escenario 3







Medición con el voltímetro y el amperímetro en circuitos en paralelo.






equipo.


2. Trabajó en el área apropiada del taller o laboratorio. 3. Seleccionó el material de acuerdo a la práctica. 4. Calculó la intensidad de corriente y voltaje total e individual del circuito

armado.

5. Registró los valores calculados en la tabla No. 1 y 2. 6. Dibujó el circuito del diagrama. 7. Armó el circuito en la tabla de perfocel o triplay como se muestra en la


8. Realizó la medición del voltaje y corriente en los puntos A y B. 9. Realizó la medición del voltaje y corriente en los puntos B y C. 10. Realizó la medición del voltaje y corriente en los puntos C y D. 11. Realizó la medición del voltaje y corriente en los puntos B y G. 12. Realizó la medición del voltaje y corriente en los puntos C y F. 13. Realizó la medición del voltaje y corriente en los puntos D y E. 14. Realizó la medición del voltaje y corriente en los puntos A y H. 15. Registro la lectura tomada en cada uno de los puntos indicados en la

tabla No. 3 y 4.

16. Siguió el plan de trabajo en el desarrollo de la práctica. 17. Entregó el reporte con los requerimientos solicitados. 18. Limpió y guardó el material, equipo y herramienta utilizados en la

práctica.

19. Limpió el área de trabajo



Observaciones:

PSA:




Unidad de aprendizaje: 2 Práctica número: 9 Nombre de la práctica: Medición con el amperímetro y voltímetro en circuitos mixtos (serie–

paralelo). Propósito de la práctica: Al finalizar la práctica, el alumno manejará el amperímetro y voltímetro en

circuitos mixtos (serie – paralelo) de acuerdo con procedimientos y técnicas establecidos.

Escenario 1: Aula, Escenario 2: Taller, laboratorio. Duración: 4 Hrs.




• 20cm de cable o alambre del No. 22.



− 1.5 V.

− 9.0 V.

• 8 tornillos con tuerca de 1.25x0.3 cm.

• Hojas de papel.

• Lápiz.

• Goma.

• Voltímetro.

• Amperímetro.

• Fuente de poder y/o eliminador de 12 V. (si se requiere).

• Desarmadores.





• Cuchilla.





Procedimiento














Escenario 1



Escenario 2






Procedimiento

6. Calcular teóricamente los valores de la intensidad de corriente y voltaje individual y total del circuito.

7. Registrar los valores calculados en la tabla No. 1 y 2.

8. Medir el valor de la intensidad de corriente con un amperímetro entre los puntos A y B.

9. Registrar el valor obtenido en la tabla No. 3.

Puntos I (Amperes)

A-B

B-F

F-G

C-D

D-E

H-I

Tabla No. 3

10. Medir el valor de la intensidad de corriente con el amperímetro entre los puntos B y F.


12. Medir el valor de la intensidad de corriente con el amperímetro entre los puntos F y G.



Procedimiento


14. Medir el valor de la intensidad de corriente con el amperímetro entre los puntos C y D.


16. Medir el valor de la intensidad de corriente con el amperímetro entre los puntos D y E.


18. Medir el valor de la intensidad de corriente con el amperímetro entre los puntos H e I.


20. Medir el valor del voltaje con el voltímetro entre los puntos B y C.


Punto V (Volts)

B-C

E-F

G-H

D-I

A-J

Tabla No. 4

22. Medir el valor del voltaje con el voltímetro entre los puntos E y F.


24. Medir el valor del voltaje con el voltímetro entre los puntos G y H.


26. Medir el valor del voltaje con el voltímetro entre los puntos D e I.


28. Medir el valor del voltaje con el voltímetro entre los puntos A y J.


30. Comparar los valores calculados teóricamente con los valores obtenidos con los instrumentos de medición.

Escenario 3







Medición con el amperímetro y voltímetro en circuitos mixtos (serie–paralelo).





equipo.


2. Trabajó en el área apropiada del taller o laboratorio. 3. Seleccionó el material de acuerdo a la práctica. 4. Calculó teóricamente los valores de la intensidad de corriente y voltaje

individual y total del circuito.

5. Registró los valores calculados en la tabla No. 1 y 2. 6. Dibujó el circuito del diagrama. 7. Armó el circuito en la tabla de perfocel o triplay como se muestra en la


8. Realizó la medición del valor de la intensidad de corriente con el amperímetro entre los puntos A y B.

9. Realizó la medición del valor de la intensidad de corriente con el amperímetro entre los puntos B y F.

10. Realizó la medición del valor de la intensidad de corriente con el amperímetro entre los puntos F y G.

11. Realizó la medición del valor de la intensidad de corriente con el amperímetro entre los puntos C y D.

12. Realizó la medición del valor de la intensidad de corriente con el amperímetro entre los puntos D y E.

13. Realizó la medición del valor de la intensidad de corriente con el amperímetro entre los puntos H y I.


15. Realizó la medición del valor del voltaje con el voltímetro entre los puntos B y C.

16. Realizó la medición del valor del voltaje con el voltímetro entre los puntos E y F.

17. Realizó la medición del valor del voltaje con el voltímetro entre los puntos G y H.



18. Realizó la medición del valor del voltaje con el voltímetro entre los puntos D e I.

19. Realizó la medición del valor del voltaje con el voltímetro entre los puntos A y J.


21. Siguió el plan de trabajo en el desarrollo de la práctica. 22. Entregó el reporte con los requerimientos solicitados. 23. Limpió y guardó el material, equipo y herramienta utilizada en la práctica. 24. Limpió el área de trabajo.

Observaciones:

PSA:




Unidad de aprendizaje: 2 Práctica número: 10 Nombre de la práctica: Condensadores. Propósito de la práctica: Al finalizar la práctica, el alumno comprenderá el funcionamiento y construcción

de un condensador. Escenario 1: Taller. Escenario 2: Laboratorio. Duración: 4 Hrs.


• Tabla de perfocel o triplay.

• Fuente de energía C.D

• Conectores.

• Lámpara de 6.3 V.

• Porta lámpara.

• Condensador de 22 Microfaradios.


• Voltímetro.



Procedimiento














Escenario 1



Escenario 2





Procedimiento

5. Armar el circuito como se muestra en la figura, usando el condensador de 22 microfaradios.

6. Encienda la fuente de alimentación o tensión (18 VCC máx.).

7. Anote lo observado.

8. Apague la fuente de alimentación.

9. Cambie la alimentación o tensión a 14 V.C.C.

10. Encienda la fuente de alimentación.



Escenario 3

13. Armar el circuito como se muestra en la figura, usando el condensador de 47 microfaradios.




17. Cambie la alimentación o tensión a 14 V.C.C.




21. Conecte el voltímetro a las terminales del condensador (alimente con C.C).


23. Anote el voltaje.


25. Anote lo observado en la aguja.

Escenario 4







Condensadores.





equipo.


2. Trabajo en el área apropiada del taller o laboratorio. 3. Seleccionó el material de acuerdo a la práctica. 4. Armo el circuito como se muestra en la figura con el condensador de 22

microfaradios y colocó los elementos requeridos.

5. Anoto lo observado en la práctica. 6. Armo el circuito como se muestra en la figura con el condensador de 47

microfaradios y colocó los elementos requeridos.

7. Anoto lo observado en la práctica. 8. Siguió el plan de trabajo en el desarrollo de la práctica. 9. Entrego el reporte con los requerimientos solicitados. 10. Limpió y guardó el material, equipo y herramienta utilizada en la práctica. 11. Limpió el área de trabajo.

Observaciones:

PSA:




Unidad de aprendizaje: 2 Práctica número: 11 Nombre de la práctica: Uso de condensadores en serie. Propósito de la práctica: Al finalizar la práctica, el alumno identificara y utilizara correctamente el

agrupamiento tipo serie para condensadores. Escenario 1: Taller. Escenario 2: Laboratorio. Duración: 4 Hrs.


• Tabla de perfocel o triplay o proto vort.

• Fuente de energía 18 V.C.C.

• Conectores.


• Porta lámpara.



• Voltímetro.



Procedimiento














Escenario 1



Escenario 2





Procedimiento

5. Armar el circuito como se muestra en la figura.

6. Encienda la fuente de alimentación o tensión de 18 V.C.C.

7. Mida el voltaje entre las terminales de cada capacitor como se muestra en la figura.

8. Encienda la fuente de alimentación o tensión de 18 V.C.C.

9. Anote los valores en la tabla No. 1.

Capacidad (Mf)

Voltaje(Volts)

Carga(Coulomb)

C1 = V1 = q1 =

C2 = V2 = q2 =

CT = VT = qT =

Tabla 1


11. Con el voltaje total del agrupamiento y la capacitancia equivalente del mismo, calcule el voltaje en cada elemento.

12. Anote sus datos obtenidos.

13. Explique si hay diferencia entre los voltajes teóricos y los prácticos y porque.

14. ¿Cuál es la ecuación general que rige al agrupamiento tipo serie?

Escenario 3







Uso de condensadores en serie.






equipo.


2. Trabajó en el área apropiada del taller o laboratorio. 3. Seleccionó el material de acuerdo a la práctica. 4. Armó el circuito como se muestra en la figura y colocó los elementos

requeridos.

5. Midió el voltaje entre las terminales de cada capacitor. 6. Anotó los valores obtenidos en la tabla No. 1. 7. Calculó teóricamente el voltaje en cada elemento del circuito. 8. Anotó cual es la expresión matemática que se utiliza para el calculo de

los condensadores en serie.


práctica.

12. Limpió el área de trabajo. Observaciones:

PSA: Hora de inicio: Hora de término: Evaluación:

Unidad de aprendizaje: 2 Práctica número: 12 Nombre de la práctica: Uso de condensadores en paralelo.



Propósito de la práctica: Al finalizar la práctica, el alumno identificara y utilizara correctamente el agrupamiento tipo paralelo en capacitores.

Escenario 1: Taller. Escenario 2: Laboratorio. Duración: 4 Hrs.



• Fuente de energía C.C.

• Conectores.



• Voltímetro.



Procedimiento














Escenario 1.



Escenario 2.






Procedimiento

6. Alimente con un voltaje de 18 V.C.C. el circuito.

7. Mida el voltaje entre las terminales de cada capacitor.

8. Anote los valores en la tabla No. 1.

Capacidad (Mf)

Voltaje(Volts)

Carga(Coulomb)

C1 = V1 = q1 =

C2 = V2 = q2 =

CT = VT = qT =

Tabla 1


10. Con el voltaje total del agrupamiento y la capacitancia equivalente del mismo, calcular el voltaje en cada elemento.

11. Anote los valores calculados.

12. ¿Hay diferencia entre los voltajes teóricos y los prácticos?, Explique.

13. ¿Se cumple las ecuaciones generales para el agrupamiento tipo paralelo?

14. ¿Cuál es la ecuación general que rige al agrupamiento general tipo paralelo?

Escenario 3







Uso de condensadores en paralelo.





Utilizó la ropa y equipo de trabajo. Realizó la práctica con responsabilidad, limpieza, seguridad y trabajo

en equipo.



requeridos.

5. Midió el voltaje entre las terminales de cada capacitor. 6. Anotó los valores obtenidos en la tabla No. 1. 7. Calculó teóricamente el voltaje en cada elemento del circuito. 8. Anotó cuál es la expresión matemática que se utiliza para el cálculo

de los condensadores en paralelo.


práctica.


PSA:




Unidad de aprendizaje: 3 Práctica número: 13 Nombre de la práctica: Construcción de una bobina. Propósito de la práctica: Al finalizar la práctica, el alumno ccomprobará la existencia de un campo

electromagnético en una bobina. Escenario 1: Aula, Escenario 2: Taller, laboratorio. Duración: 2 Hrs.


• 20 cm. de alambre de cobre No. 18.

• 15 cm. de alambre o cable de conexiones No. 22.

• Una tira de triplay de 8x15x0.6 cm.

• Dos pilas de 1.5 V.


• 4 tornillos con tuerca de 1.25x0.3 cm. o ½”.

• Un cilindro de cartón de 4 cm. de diámetro por 5 cm. de altura y 4 m. de alambre esmaltado del No.24.

• Un multiprobador

• Una brújula.

• Destornillador de 5 mm. de hoja.

• Cuchilla.

• Lezna.

• Pinza de punta.

• Pinza de corte.

• Tijera de cortar lámina.

• Martillo de bola de 250 g.

• Lima bastarda.

• Lima musa.



Procedimiento














Escenario 1



Escenario 2


4. Pedir el material y herramienta necesarios para llevar a cabo la practica con el responsable de laboratorio o taller.

5. Perforar con la lezna el cilindro de cartón a 1 cm. de distancia en cada uno de sus extremos.



Procedimiento

6. Introduce en una de las perforaciones una punta del alambre y deja 15 cm. para realizar una conexión posterior.

7. Inicia el enrollado sobre la forma, procurando que las vueltas o espiras queden juntas una de la otra.

8. Introduce la punta terminal del alambre en la perforación del otro extremo de la forma. Dejar también en este extremo 15 cm. para conexión.

9. Elimina 2 cm. del esmalte protector (aislante) en ambas terminales de la bobina, con la ayuda de la cuchilla.

10. Construye la bobina conforme a las indicaciones anteriores.

11. Registra el símbolo eléctrico que se emplea para representarla.

12. En el multímetro selecciona la función de óhmetro en su capacidad de lectura más baja (XI).

13. Coloca las puntas de prueba del óhmetro en las terminales de la bobina, tal como se muestra en la figura.

14. ¿Registra alguna lectura el instrumento?

15. Anota el valor de la lectura obtenida.

16. Explica a qué se debe el fenómeno anterior.

Escenario 3

16. Conecta la bobina en el circuito construido, tal como lo muestra la figura siguiente:

18. Dibuja el diagrama eléctrico del circuito anterior.

19. Coloca la brújula tal como lo muestra la figura y observa la aguja.

20. ¿Qué ocurre con la aguja de la brújula?

21. Oprima el interruptor del circuito y observe nuevamente la brújula.

22. ¿Qué ocurrió ahora?

23. Repita varias veces como sea necesario la experiencia anterior, cerrando y abriendo el circuito.

24. Explique a que se debe el fenómeno observado.

Escenario 4


• Desarrollo de la práctica. • Observaciones. • Conclusiones






Construcción de una bobina.





equipo.


2. Trabajó en el área apropiada del taller o laboratorio. 3. Seleccionó el material de acuerdo a la práctica. 4. Elaboró la bobina correctamente. 5. Registró correctamente el símbolo eléctrico que se emplea para

representarla.

6. En el multímetro seleccionó correctamente la función de óhmetro en su capacidad de lectura más baja (XI).

7. Conectó la bobina en el circuito construido, tal como lo muestra la figura.

8. Dibujó el diagrama eléctrico del circuito. 9. Colocó la brújula tal como lo muestra la figura. 10. Verificó el comportamiento que se presentó en el desarrollo de la práctica

con la brújula.

11. Siguió el plan de trabajo en el desarrollo de la práctica. 12. Entregó el reporte con los requerimientos solicitados. 13. Limpió y guardó el material, equipo y herramienta utilizada en la práctica. 14. Limpió el área de trabajo

Observaciones:

PSA:




Unidad de aprendizaje: 3 Práctica número: 14 Nombre de la práctica: Fuerza contraelectromotriz. Propósito de la práctica: Al finalizar la práctica, el alumno comparará la existencia de la fuerza

contraelectromotriz inducida en el rotor de cualquier motor. Escenario 1: Aula, Escenario 2: Taller, laboratorio. Duración: 4 Hrs.


• Fuente de C.D.

• Motor–generador.

• Interruptores.

• Porta lámparas.


• Conectores.

• Modulo de Motor- generador de

Lab – Volt.



Procedimiento













Escenario 1



Escenario 2






Procedimiento

6. Revise que los interruptores S1 y S2 estén abiertos.

7. Encienda la fuente a 18 V.C.D.

8. Cierre S2 primeramente y después S1.

9. Observe la intensidad luminosa de la lámpara en el momento del arranque.

10. ¿Cómo es la intensidad luminosa en el momento del arranque con respecto a la de su máxima velocidad?

11. ¿Qué demuestra esto?

Escenario 3







Fuerza contraelectromotriz.





equipo.



requeridos.

5. Anotó lo observado en la práctica. 6. Siguió el plan de trabajo en el desarrollo de la práctica. 7. Entregó el reporte con los requerimientos solicitados. 8. Limpió y guardó el material, equipo y herramienta utilizados en la práctica. 9. Limpió el área de trabajo.

Observaciones:

PSA:




Unidad de aprendizaje: 2 Práctica número: 15 Nombre de la práctica: Agrupamiento de pilas. Propósito de la práctica: Al finalizar la práctica, el alumno verificará el comportamiento de las variables

de resistencia, corriente y voltaje en los diferentes tipos de agrupamientos que existentes.

Escenario 1: Taller. Escenario 2: Laboratorio. Duración: 4 Hrs.



• 3 Pilas de 1.5 V.

• 3 Porta pilas.

• 4 Resistencia de 22 ohms.

• Interruptor de tipo botón de timbre.

• Conectores.

• Voltímetro.

• Amperímetro.



Procedimiento














Escenario 1



Escenario 2



5. Mida el voltaje de cada una de las pilas.



Procedimiento

6. Armar el circuito en serie con las 3 pilas como se muestra en la figura siguiente:

7. Calcule el voltaje total teóricamente del circuito en serie que se armo.

8. Anote sus valores obtenidos en la tabla No.1.

9. Mida su voltaje total con el voltímetro.

10. Anote el valor obtenido en la tabla No. 1.

Agrupamiento Voltaje Práctico

Voltaje Teórico

Serie

Paralelo

Mixto

Tabla No. 1

Escenario 3.

11. Arme el circuito en paralelo con las 3 baterías como se muestra en la figura siguiente:

12. Calcule el voltaje total teóricamente del circuito en paralelo que se armo.


14. Mida con el voltímetro su voltaje total.

15. Anote el valor obtenido en la tabla No.1.

Escenario 4

16. Mida el voltaje de cada una de las pilas.

17. Arme el circuito mixto con las 3 pilas como se muestra en la figura siguiente:

18. Calcule el voltaje total teóricamente del circuito mixto que armo.




Procedimiento

20. Mida con el voltímetro su voltaje total.

21. Anote el valor obtenido en la tabla No.1.

22. De los anteriores agrupamientos ¿Cuál nos proporciona mayor corriente y porque?

Escenario 5

23. Arme el circuito como se muestra en la figura siguiente:

24. Calcule la resistencia (R) para cada pila.

25. Anote los valores obtenidos.

Escenario 6







Agrupamiento de pilas.





equipo.


2. Trabajo en el área apropiada del taller o laboratorio. 3. Seleccionó el material de acuerdo a la práctica. 4. Midió el voltaje de cada una de las pilas. 5. Armó el circuito en serie como se mostraba en la figura y colocó los

elementos requeridos.

6. Calculó el voltaje total teórico del circuito en serie. 7. Anotó sus valores obtenidos en la tabla No.1. 8. Midió su voltaje total en serie con el voltímetro. 9. Anotó el valor obtenido en la tabla No. 1. 10. Armó el circuito en paralelo como se mostraba en la figura y colocó los

elementos requeridos.

11. Calculó el voltaje total teórico del circuito en paralelo. 12. Anotó sus valores obtenidos en la tabla No.1. 13. Midió su voltaje total en paralelo con el voltímetro. 14. Anotó el valor obtenido en la tabla No. 1. 15. Midió nuevamente los voltajes de las baterías empleadas en los dos

circuitos anteriores.

16. Armó el circuito mixto como se mostraba en la figura y colocó los elementos requeridos.

17. Calculó el voltaje total teórico del circuito mixto. 18. Anotó sus valores obtenidos en la tabla No.1. 19. Midió su voltaje total del circuito mixto con el voltímetro. 20. Anotó el valor obtenido en la tabla No. 1 21. Armó el circuito con la resistencia como se mostraba en la figura y coloco

los elementos requeridos.

22. Calculó la resistencia para cada una de las pilas 23. Siguió el plan de trabajo en el desarrollo de la práctica.



24. Entregó el reporte con los requerimientos solicitados. 25. Limpió y guardó el material, equipo y herramienta utilizada en la práctica. 26. Limpió el área de trabajo.

Observaciones:

PSA:




Unidad de aprendizaje: 4 Práctica número: 16 Nombre de la práctica: Motor de C.C. en serie. Propósito de la práctica: Al finalizar la práctica, el alumno identificara las características de un motor en

serie, así como sus conexiones. Escenario 1: Aula, Escenario 2: Taller, laboratorio. Duración: 4 Hrs.


• Fuente de C.D.

• Motor – generador.

• Conectores.


Lab – Volt.



Procedimiento














Escenario 1



Escenario 2






Procedimiento


7. Anote el sentido de la rotación.


9. Invierta las conexiones en la fuente de alimentación.


11. Anote el sentido en el que gira el rotor.


13. Invierta las conexiones del estator.




17. Escriba ¿Cuáles son las ventajas de un motor de corriente continua tipo serie?

18. Escriba ¿Cuáles son las desventajas de un motor de corriente continua tipo serie?

19. Enuncie las formas de cambiar el sentido de rotación de un motor de C.C. tipo serie.

20. Mencione si existen algunas aplicaciones del motor de corriente continua tipo serie.

Escenario 3







Motor de C.C. en serie.





Utilizó la ropa y equipo de trabajo. Realizó la práctica con responsabilidad, limpieza, seguridad y trabajo

en equipo.



requeridos.

5. Anotó lo observado en la práctica. 6. Identificó cuales son las ventajas del motor de C.C. en serie. 7. Identificó cuales son las desventajas del motor de C.C. en serie. 8. Siguió el plan de trabajo en el desarrollo de la práctica. 9. Entregó el reporte con los requerimientos solicitados. 10. Limpió y guardó el material, equipo y herramienta utilizada en la

práctica.


PSA:




Unidad de aprendizaje: 4 Práctica número: 17 Nombre de la práctica: Motor de C.C. en paralelo. Propósito de la práctica: Al finalizar la práctica, el alumno identificara las características principales de un

motor de corriente continua en paralelo, así como sus conexiones. Escenario 1: Aula, Escenario 2: Taller, laboratorio. Duración: 4 Hrs.


• Fuente de C.D.

• Motor – generador.

• Conectores.


Lab – Volt.



Procedimiento














Escenario 1



Escenario 2






Procedimiento


7. Anote el sentido de la rotación del rotor.


9. Invierta las conexiones en la fuente de alimentación.


11. Anote el sentido en el que gira el rotor.


13. Invierta las conexiones del rotor.



16. Invierta las conexiones del estator.




20. Escriba ¿Cuáles son las ventajas de un motor de corriente continua tipo paralelo?

21. Escriba ¿Cuáles son las desventajas de un motor de corriente continua tipo paralelo?

22. Enuncie las formas de cambiar el sentido de rotación de un motor de C.C. tipo paralelo.

23. Diga algunas aplicaciones del motor de corriente continua tipo paralelo.

Escenario 3







Motor de C.C. en paralelo.






equipo.



requeridos.

5. Anotó lo observado en la práctica. 6. Identificó cuales son las ventajas del motor de C.C. en paralelo. 7. Anotó algunas aplicaciones del motor de C.C. En paralelo. 8. Siguió el plan de trabajo en el desarrollo de la práctica. 9. Entregó el reporte con los requerimientos solicitados. 10. Limpió y guardó el material, equipo y herramienta utilizados en la

práctica.


PSA:




Autoevaluacion de conocimientos

1. ¿Qué partículas producen la electricidad?

2. ¿Cuál es la partícula más pequeña que conserva las características del compuesto?

3. ¿Cómo se logra que los electrones se escapen de sus órbitas?

4. ¿Qué es la corriente eléctrica?

5. ¿Qué es fuerza magnetomotriz?

6. ¿Qué es una bobina?

7. ¿Cuáles son los elementos básicos de un circuito?

8. Describa el código de colores de las resistencias.

9. Defina qué es circuito en serie.

10. Defina qué es circuito en paralelo.

11. Defina qué es circuito serie – paralelo o mixto.

12. ¿Qué es la corriente continua?

13. Mencione la ley de Lenz.

14. Describa el código de colores de los capacitores.

15. ¿Qué es una celda seca?

16. ¿Qué es una celda húmeda?

17. ¿Qué es un generador?

18. ¿De qué consta un generador de corriente continua?

19. ¿Qué es un motor de corriente continua?

20. ¿De qué consta un motor de corriente continua?



Respuestas a al autoevaluacion de conocimientos

1. Las partículas diminutas llamadas electrones y protones.

2. La molécula.

3. Aplicando una fuerza o energía.

4. Es cuando se le aplica una fuerza a los electrones y estos se mueven en una dirección específica.

5. Es la fuerza magnetizante originada por la corriente que fluye en un alambre.

6. Es el numero des espiras devanadas helicoidalmente para formar un electroimán.

7. Una fuente de energía, alambres o conductores de conexión y un dispositivo que aproveche la energía eléctrica de la fuente.

8. El código de colores, indica tanto el valor nominal como la tolerancia del resistor.

9. Es un circuito que tiene sólo una trayectoria para la corriente.

10. Es aquel en que existe uno o más puntos en donde la corriente se divide para seguir trayectorias diferentes.

11. Es aquel en que existen ramas separadas y también hay cargas en serie.

12. Es aquella que fluye sólo en una dirección.

13. Para cualquier cambio de la corriente, se produce una fem cuya dirección es tal que se opone a dicho cambio.

14. El código de colores de los capacitores indica tanto el valor de la capacitancia, tolerancia, clasificación de la tensión y coeficiente de temperatura.

15. Estas tienen una pasta química.

16. Estas tienen un líquido químico.

17. Es un aparato que convierte la energía mecánica, en energía eléctrica, por la rotación de un grupo de conductores dentro de un campo magnético.

18. un generador simple de corriente continua consta de un campo magnético, un conductor en forma de espira, un conmutador y escobillas.

19. Es un aparato que transforma la electricidad de corriente directa, en movimiento rotatorio para efectuar un trabajo útil.

20. Un motor elemental de corriente continua son un campo magnético, un conductor móvil, un conmutador y escobillas.



REFERENCIAS DOCUMENTALES

1. Harry Mileaf. Electricidad, serie 1 al 7. Ed. Limusa, 1991.

2. Problemas de Electricidad. Serie Mc Graw Hill, 1991.

3. Principios de Electricidad. Serie Mc Graw Hill, 1992.

4. Fundamentos de Electrónica. Ed. Paraninfo. 1991

5. Malvino. Fundamentos de Electricidad. Ed. Paraninfo, 1991.

6. Van Volkenburg, Electricidad Básica, Serie 1 al 5. Ed. Continental, 1981.

16-Aplicación de corriente directa - Conalep SLP · 2013. 9. 30. · 4.2.1 Estructura del...

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