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2. 1. Electricidad

Para p o d e r entender los fenómenos eléctricos debemos conocer cómo está constituida la materia. La materia está formada por partículas muy pequeñas llamadas átomos, que vendría a ser la unidad básica y más pequeña de la materia. A su vez, los átomos están constituidos por electrones que se mueven alrededor de un núcleo, constituido por protones y neutrones. Los protones y los electrones tienen una propiedad conocida como carga eléctrica. Esta propiedad es

la responsable de que ocurran los fenómenos eléctricos.

Mientras que los neutrones no poseen carga eléctrica, la carga de un electrón es igual a la carga eléctrica de un protón, pero de distinto signo:

● Los electrones tienen carga negativa . ● Los protones poseen carga positiva.

Los responsables de todos los fenómenos eléctricos son los electrones , porque pueden escapar de la órbita del átomo y son mucho más ligeros que las otras partículas.

En general, los materiales son neutros; es decir, el material contiene el mismo número de cargas negativas (electrones) y positivas (protones). Sin embargo, en ciertas ocasiones los electrones pueden moverse de un material a otro originando cuerpos con cargas positivas (con defecto de electrones) y cuerpos con carga negativa (con exceso de electrones), pudiendo actuar sobre otros cuerpos que también están cargados. Por tanto, para adquirir carga eléctrica, es decir, para electrizarse, los cuerpos tienen que ganar o perder electrones.

En resumen,

● Si un cuerpo está cargado negativamente es porque ha ganado electrones. Tiene un exceso de electrones.

● Si un cuerpo está cargado positivamente es porque ha perdido electrones. Tiene un defecto de electrones.

Una característica de las cargas, es que las cargas del mismo signo se repelen, mientras que las cargas con diferente signo se atraen (tal y como muestra la figura).

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Ejercicios

1. (*) Indica la carga total de los átomos (positiva o negativa) que poseen las siguientes partículas:

a) 8 protones y 6 electrones b) 20 protones y 18 electrones c) 13 protones y 10 electrones d) 17 protones y 18 electrones

Si frotamos un bolígrafo con nuestro jersey de lana, veremos que este es capaz de atraer pequeños trozos de papel. Decimos que el bolígrafo se ha electrizado.

Si conecto un cuerpo cargado negativamente con otro cargado positivamente con un cable conductor, las cargas negativas recorren el conductor desde el cuerpo negativo al positivo.

Una vez conectados, los electrones en exceso de uno,

serán atraídos a través del hilo conductor (que permite el paso de electrones) hacia el elemento que tiene un defecto de electrones, hasta que las cargas eléctricas de los dos cuerpos se equilibren.

Cuando un cuerpo está cargado negativamente y el otro está cargado positivamente, se dice que entre ellos hay una DIFERENCIA DE CARGAS, pero este concepto se conoce más como tensión eléctrica o voltaje y se mide en voltios. La tensión se representa con la letra V, al igual que su unidad, el voltio.

Al movimiento de electrones por un conductor se le denomina corriente eléctrica.

Conclusión: Para que se establezca una corriente eléctrica entre dos puntos, es necesario que entre los extremos del conductor exista una diferencia de cargas, es decir, mientras mayor sea la tensión en los extremos de la pila, mayor será la fuerza con la que se desplazan los electrones por el conductor.

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Esta diferencia de cargas la podemos encontrar en una pila, que tiene dos puntos con diferencias de cargas (el polo positivo y el polo negativo). Si conectamos un cable conductor entre los polos, se establecerá una corriente eléctrica. Cuanto mayor sea la tensión eléctrica (en Voltios), con más fuerza recorrerán los electrones el conductor. Por eso, se suele definir la tensión eléctrica como la fuerza con la que circulan los electrones desde un punto hasta otro. Por tanto, si no hay tensión entre dos puntos no habrá corriente eléctrica.

Un material conductor es aquel que permite el paso de la corriente eléctrica, como son el cobre o el aluminio, mientras que un material aislante no permite el paso de la corriente eléctrica, como lo son el plástico o la madera.

Hay otro concepto que no hay que confundir con el de tensión: se trata de la intensidad de la corriente eléctrica.

Un cable puede llevar más o menos corriente, y eso se sabe conociendo la intensidad de la corriente eléctrica, es decir, la cantidad de electrones que circulan por un cable conductor cada segundo. Cuanto mayor sea el número de electrones que pase por el cable cada segundo, mayor será la intensidad de la corriente.

En cualquier conductor las cargas encuentran una oposición o resistencia a su movimiento . Las cargas, es decir, los electrones, “tropiezan” con los átomos del cable conductor y les cuesta avanzar. Por eso, hay unos materiales mejores conductores que otros. Por ejemplo: el cobre es un excelente conductor eléctrico, porque ofrece una baja resistencia al paso de la corriente eléctrica y en cambio el plomo, aunque conduce la corriente, es un mal conductor, porque tiene una resistencia más alta al paso de la corriente eléctrica.

Por eso, se define la resistencia eléctrica de una material a la oposición que ofrece un material al paso de la corriente eléctrica.

Ejercicios

2. (*) Relaciona mediante flechas los términos de las siguientes columnas:

a) Intensidad de la corriente

b) Resistencia

c) Tensión

d) Corriente eléctrica

1. Cantidad de electrones que circula por un punto determinado de un circuito cada segundo

2. Fuerza con que se mueven los electrones entre dos puntos de un circuito.

3. Oposición que ofrecen los elementos del circuito al paso de corriente.

4. Movimiento de electrones a través de un material conductor

La intensidad de la corriente se representa con la letra I, y se mide en Amperios (A).

La resistencia eléctrica se representa con la letra R, y se mide en Ohmios (�).

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3. Completa la siguiente tabla que relaciona magnitudes y unidades eléctricas

Magnitud eléctrica Letra con se representa la

magnitud

Unidad de medida Letra con que se representa

la unidad

Tensión eléctrica

Intensidad de corriente

Resistencia eléctrica

2.2. RESISTENCIA ELÉCTRICA DE LOS CONDUCTORES DE CORRIENTE El concepto de resistencia eléctrica es fundamental para el diseño de las instalaciones, puesto que esta característica de los conductores eléctricos determina en cierta forma la cantidad de corriente permitida que las circulará y los calibres de los conductores a utilizar en dichas instalaciones, de tal manera que se ajusten a los límites de caída de tensión determinados por esta resistencia.

La resistencia eléctrica es el obstáculo o dificultad que un material opone al paso de la corriente eléctrica. En otras palabras, la resistencia es el grado de oposición o impedimento de un material a que la corriente eléctrica que lo recorre. Todos los conductores eléctricos ofrecen

mayor o menor resistencia al paso de la corriente eléctrica. Esta resistencia es debida a las siguientes causas:

• A que cada átomo se opone en cierta medida a que le arranquen los electrones, por ser éstos atraídos por el núcleo. • A que se producen incontables choques entre los electrones de las corrientes y los átomos que componen el conductor. Estos choques se traducen en resistencia y hacen que se caliente el conductor.

El valor de la resistencia eléctrica depende de los siguientes factores: a). Del material del que está hecho el conductor b). De la longitud c). De la sección transversal (área de un corte transversal) d). De la temperatura del ambiente.

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a). Cada material tiene resistencia diferente Todos los materiales poseen en cierta medida resistencia eléctrica por lo cual a cada uno se le puede asignar un valor de resistencia específica o RESISTIVIDAD que se representa con la letra griega ρ (que se lee ro). La resistencia depende tanto de la resistividad como la longitud (L), y la sección o área transversal del conductor (A).

! = # $%

Donde : R= Resistencia Eléctrica ( Ohms / Ohmios / Ω ) ρ = Coeficiente de Resistividad Eléctrica (Ω.m) L = Longitud (m) A = m2 La resistencia específica es un valor constante para cada material y ya viene especificado por tablas.

b). A mayor longitud aumenta la resistencia EJEMPLO # 1: Se tiene un tramo de un conductor de cobre de 150 mts, cuya sección es de 0.5 mm2. Calcular su resistencia si el conductor está sometido a una temperatura de 20°C.

& = '() = 1.72 ∗ 1001Ω.4 ∗ 1504

0.5 ∗ 100647 = 5.16Ω EJERCICIO: Que pasa si el tramo es de 1,500 mts.

& = '() = 1.72 ∗ 1001Ω.4 ∗ 15004

0.5 ∗ 100647 = 51.6Ω

L

ρ A

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CONCLUSIÓN: La resistencia de un conductor es directamente proporcional a su longitud, es decir su resistencia aumenta si su longitud aumenta y disminuye si su longitud disminuye. c). A mayor sección transversal menor resistencia Si corta perpendicularmente un alambre en cualquier punto, obtendrá una superficie que llamamos SECCIÓN. La forma de la sección puede ser circular, rectangular o cuadrada. A mayor sección menor resistencia y a menor sección mayor resistencia. Imagínese usted un tubo por el que pasa agua; la corriente de agua pasa con mayor facilidad si el tubo es ancho. Igual sucede con la corriente eléctrica. Ejemplo: Se tiene el mismo tramo de un conductor de cobre de 150 mts, cuya sección ahora es de 1 mm2. Calcular su resistencia si el conductor está sometido a una temperatura de 20°C.

& = '() = 1.72 ∗ 1001Ω.4 ∗ 1504

1 ∗ 100647 = 2.58Ω Ejemplo: Se tiene el mismo tramo de un conductor de cobre de 150 mts, cuya sección ahora es de 2 mm2. Calcular su resistencia si el conductor está sometido a una temperatura de 20°C.

& = '() = 1.72 ∗ 1001Ω.4 ∗ 1504

1 ∗ 100647 = 1.29Ω d). La temperatura Al aumentar la temperatura, la resistencia eléctrica presenta los siguientes cambios:

• En los conductores metálicos y algunos semiconductores aumenta. • En los líquidos, los aislantes, el carbón y en algunos semiconductores disminuye.

La resistencia de un conductor también depende de la temperatura a la que está sometido. El coeficiente de temperatura de los materiales depende específicamente de cada material y se define como la constante de cambio por cada grado de cambio de temperatura a que se someta el material. El coeficiente de cambio de resistividad por temperatura es la relación del cambio de resistencia debido al cambio de la temperatura, en base a una resistencia inicial, es decir :

; = ∆&&=∆>

Por tanto el Cambio de resistencia eléctrica de un elementos (despejando la fórmula anterior) se expresaría como :

∆& = ;&=∆> Donde: ΔR = Cambio de Resistencia en Ohmios, se obtiene haciendo la resta de la Resistencia Final con la

temperatura Final menos Resistencia Inicial con la temperatura inicial. α = Coeficiente de temperatura, viene dado en tabla, y sus unidades son 1/ºC. Δt = El cambio de Temperatura del elemento, esto se obtiene restando la temperatura final del

elemento menos la temperatura inicial del elemento. Por tanto la resistencia total después del cambio de temperatura (Rt) se obtiene como :

&> = & + ∆&

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EJEMPLO: Calcular la nueva resistencia del ejemplo anterior de un conductor de cobre de 150 mts, cuya sección ahora es de 2 mm2. Calcular su resistencia si el conductor está sometido a una temperatura de 20°C, que se somete a una temperatura de 45°C En primera instancia se calcula la resistencia que tiene a 20ºC, utilizando la tabla correspondiente,

& = '() = 1.72 ∗ 1001Ω.4 ∗ 1504

0.5 ∗ 100647 = 5.16Ω Ahora el incremento o decremento de la resistencia por el cambio de temperatura de 20º a 45ºC,

∆& = ;&=∆> = 3.9 ∗ 100A 1

℃∗ 5.16Ω ∗ 45℃ − 20℃ = 0.5031Ω

Por tanto, la resistencia total (Rt) será : &> = &= + ∆& = 5.16Ω + 0.5031Ω = 5.6631Ω

CONCLUSIÓN: La resistencia de un conductor es directamente proporcional a la temperatura a la que esta sometido, es decir su resistencia aumenta si su temperatura aumenta y disminuye si su temperatura disminuye.

A NIVEL COMERCIAL Los metales que se emplean en aplicaciones de conducción de corriente deben tener adecuadas propiedades eléctricas, físicas y mecánicas. Los mas utilizados por costo, peso y abundancia en la naturaleza son: plata, cobre, aluminio y una aleación de latón y bronce. En las instalaciones eléctricas los conductores mas utilizados son el cobre y el aluminio en presentaciones de alambre duro o cable, los cuales de acuerdo a la sección en mm2 en que se fabrican se les clasifica con un numero que los identifica. Este método fue introducido por la American Wire Standard Gauge (AWG). Clasificación de los calibres de acuerdo a la AWG.

CALIBRE AWG

Diámetro en mm Sección en mm2

ALAMBRE CABLE ALAMBRE CABLE

26 0.40 0.128 - 24 0.51 0.20 - 22 0.64 0.32 - 20 0.81 0.92 Aprox. 0.52 0.52 18 1.02 1.16 0.82 0.82 16 1.29 1.46 1.31 1.31 14 1.63 1.84 2.08 2.08 12 2.05 2.32 3.31 3.31 10 2.59 2.95 5.26 5.26 8 3.26 3.71 8.37 8.37 6 4.11 4.67 - 13.30 4 5.19 6.2 - 21.15 2 6.54 7.8 - 33.63 0 8.25 9.4 - 53.48

EJEMPLO # 3: El alambre N°8 AWG tiene una sección de 8.37 mm2 en presentación de alambre o cable.

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Los conductores de cobre cuyos calibres aparecen consignados en la tabla, se usan según su tamaño, de la siguiente manera: a). Los conductores del número 40 al Nº 20 se utilizan en la fabricación de aparatos eléctricos de gran

variedad. b). Los conductores Nº 16 y Nº 18 se usan en cordones flexibles, para sistemas de señales, y en

general, para corrientes pequeñas. c). El conductor Nº 14 AWG es mínimo permitido para instalaciones eléctricas domiciliarias. d). Los conductores del Nº 14 al Nº 2 son los más usados en instalaciones residenciales, comerciales

e industriales. e). Los conductores del Nº 2 en adelante se usan principalmente en instalaciones de tipo industrial. f). En la tabla de clasificación no aparecen los calibre impares debido a que no son muy comerciales

y sólo tienen usos especiales, sobre todo en la fabricación de motores y transformadores. g). La serie de calibres de los conductores no termina en el número 0, de dicho número en adelante

caben calibres aún más gruesos que se denominan así: Nº 00, Nº 000 y Nº0000 los que también se representan por Nº1/0, Nº2/0, Nº3/0 y Nº4/0. El Nº4/0 es el calibre máximo que se puede conseguir para conductores sólidos. De aquí en adelante se utilizan cables.

h). En nuestro medio generalmente a partir del Nº6 y hasta el Nº4/0 se utilizan los cables, ya que no es fácil encontrar en el comercio calibres tan gruesos bajo la forma de alambre o hilos sólidos. De allí en adelante, hasta el 2000 MCM (miles de milésimas circulares) únicamente es posible utilizar CABLES, ya que el diámetro del conductor es tal, que no es práctico fabricarlo macizo.

Ejercicios: 3.- Resistencia de los conductores eléctricos 1. Halle la resistencia eléctrica para un conductor de cobre de sección transversal cuadrada de lado

igual a 1.2mm, de 120 metros de longitud. 2. Halle la resistencia eléctrica para un conductor de cobre de sección transversal rectangular de lado

a=1mm y b=1.5mm, de 115 metros de longitud. 3. Halle la longitud de un conductor de hierro, con sección igual a 1mm2 para obtener una resistencia

de 32 ohmios. 4. Cuál debe ser el valor de la sección de 100 centímetros de aluminio para fabricar un resistor de

12Ω. 5. Cuál debe ser el valor de la sección de 160 centímetros de Níquel para fabricar un resistor de 22Ω. 6. Cuál debe ser el valor de la sección de 100 metros de Cobre para obtener un valor de resistencia

de 2Ω. 7. Cuál debe ser el valor de la sección de 100 metros de Plata para obtener un valor de resistencia

de 2Ω. 8. Halle la resistencia eléctrica para un conductor de plata, de 35 metros de longitud, y 1 mm2 de

sección transversal, a una temperatura de 20ºC. 9. Halle la resistencia eléctrica para un conductor de cobre, de 35 metros de longitud, y 1 mm2 de

sección transversal, a una temperatura de 20ºC. 10. Halle la resistencia eléctrica para un conductor de cobre, de 105 metros de longitud, y 1.5mm2 de

sección transversal, a una temperatura de 40ºC. 11. Halle la resistencia eléctrica para un conductor de cobre, de 180 metros de longitud, alambre No.

22 AWG, a una temperatura de 20ºC. 12. Halle la resistencia eléctrica para un conductor de cobre, de 120 metros de longitud, alambre No.

20 AWG, a una temperatura de 30ºC. 13. Halle la resistencia eléctrica para un conductor de aluminio, de 1080 metros de longitud, cable No.

0 AWG, a una temperatura de 35ºC. 14. Halle la resistencia eléctrica para un conductor de cobre, de 80 metros de longitud, cable No. 10

AWG, a una temperatura de 35ºC. 15. Halle la resistencia eléctrica para un conductor de cobre, de 80 metros de longitud, cable No. 10

AWG, a una temperatura de 85ºC.

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2.3. Circuitos eléctricos

Un circuito eléctrico es un conjunto de elementos conectados entre sí, por los que circula una corriente eléctrica que sigue un camino cerrado, para aprovechar la energía eléctrica.

Todo circuito eléctrico se compone, al menos, de unos elementos mínimos (generador, receptor/ actuador / carga y conductor). Sin embargo la en la mayoría de los casos los circuitos suelen incorporar otros dispositivos, los elementos de control y los de protección.

Generadores: Los generadores son los elementos que transforman cualquier forma de energía en energía eléctrica, es decir, los generadores suministran energía eléctrica al circuito.

Proveen al circuito de la necesaria diferencia de cargas entre sus dos polos o bornes (tensión), y además, son capaces de mantenerla eficazmente durante el tiempo suficiente, permitiendo el flujo de electrones.

Existen generadores de dos tipos de señal eléctrica, los generadores de Corriente Continua (DC o CD) que consta de dos polos, uno negativo (cátodo) y uno positivo (ánodo). No basta con conectar un extremo del conductor al polo negativo del que salen los electrones. Hay que conectar el polo positivo, al que vuelven los electrones. Si cortamos el cables de metal los electrones se detienen en todo. Ejemplos de ellos son las pilas y baterías y las fuentes de alimentación. Cuando ambos polos se unen mediante el hilo conductor, los electrones se mueven a través de él, desde el polo negativo al polo positivo. La caracteristica principal de este tipo de señales o generadores es que siempre el polo negativo y el positivo se encuentran en misma terminal todo el tiempo.

Por otro lado se encuentran los generadores de corriente de tipo Alterna o Variable (CA o AC), y este tipo de señal se utiliza en la generación a gran escala de energía y en los sistemas de transmisión de la energía eléctrica, tal y como la que recibimos de Comisión Federal de Electricidad (en nuestro país) en nuestros hogares. La cual tiene la característica que sobre uno de los polos se envían ambas polaridades de energía en tiempo definidos, por ejemplo, en América tenemos una frecuencia de

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transmisión estandarizada de 60 Hz, esto quiere decir que 60 veces por Segundo varia de positiva a negativa sobre la línea que le llamamos “FASE” y la otra línea se encarga del retorno de la carga dependiendo cual se encuentra en fase. Normalmente los valores de voltaje de estas líneas están arriba de los 100 volt. Ahora presentamos los símbolos de cada una de estas y de las características de las señales eléctricas. Cabe aclarar que en la primera parte de esta unidad se estudiarán los circuitos de corriente directa y luego se procederá a estudiar los de corriente alterna con dos elementos esenciales en la industria y en la vida diaria que funcionan con este tipo de señal que son: Transformadores y Motores.

SIMBOLOS DE SEÑALES ELECTRICAS

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Receptores / Actuadores / Cargas : Son los elementos encargados de convertir la energía eléctrica en otro tipo de energía útil de manera directa, como la lumínica, la mecánica (movimiento),

En base a eso tenemos:

• Luminosos: como bombillas y LEDs. • Sonoros: como timbres y altavoces. • Térmicos: como las resistencias eléctricas que llevan

planchas, hornos,.... • Mecánicos: como los motores eléctricos.

Conductores: Los conductores son los elementos que conectan los distintos elementos del circuito permitiendo el flujo de electrones.

LED

Para transportar los electrones de un sitio a otro se utilizan cables de metal, normalmente de cobre, y recubiertos de plástico para que los electrones no salgan del cable.

Elementos de control: Son los dispositivos usados para dirigir o interrumpir el paso de la corriente. Los más importantes son los interruptores, conmutadores y pulsadores.

Elementos de protección: Son los elementos encargados de proteger al resto de los elementos del circuito de corrientes elevadas o fugas. Los más importantes son los fusibles, interruptores diferenciales y los interruptores magnetotérmicos.

Interruptor magnetotérmico Interruptor diferencial

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4. Indica si las siguientes frases son falsas o verdaderas. Sin son falsas, corrígelas. Hazlo en el cuaderno.

a) Los electrones poseen carga positiva b) Las cargas con mismo signo se atraen, mientras que las cargas con distinto signo se repelen. c) Para que los electrones circulen a lo largo del circuito únicamente se precisa conectar el circuito a uno de los terminales de la pila o batería. d) El sentido convencional de la corriente eléctrica es contrario al del flujo de electrones. e) Las cargas positivas atraen a las cargas positivas, mientras que las cargas negativas atraen a las negativas. f) Los electrones circulan hacia el polo positivo de la pila o batería. g) En un circuito donde no exista tensión eléctrica no existirá corriente eléctrica. h) La intensidad de corriente es la cantidad de electrones que circula por un circuito.

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5. Dibuja los esquemas simbólicos de los siguientes circuitos en TU CUADERNO

J K

L M