Alzira Modulo2 Electrotecnia Completo

download Alzira Modulo2 Electrotecnia Completo

of 282

Transcript of Alzira Modulo2 Electrotecnia Completo

  • 8/3/2019 Alzira Modulo2 Electrotecnia Completo

    1/282

    MDULO DOS ELECTROTECNIA

    U.D. 1 CONCEPTOS Y FENMENOS ELCTRICOSY ELECTROMAGNTICOS

    M 2 / UD 1

  • 8/3/2019 Alzira Modulo2 Electrotecnia Completo

    2/282

  • 8/3/2019 Alzira Modulo2 Electrotecnia Completo

    3/282

    MDULO DOS ELECTROTECNIA

    U.D. 1 CONCEPTOS Y FENMENOS ELCTRICOS Y ELECTROMAGNTICOS

    7

    NDICE

    Introduccin.................................................................................. 9

    Objetivos........................................................................................ 11

    1. La electricidad......................................................................... 13

    1.1 La electricidad de cada da.............................................. 13

    1.2 Seguridad.......................................................................... 13

    1.3 Magnitudes y unidades .................................................... 14

    2. Electrodinmica elemental..................................................... 152.1 Circuito elctrico elemental............................................ 15

    2.2 Generadores ..................................................................... 17

    2.3 Primeros smbolos............................................................ 17

    2.4 Primeras magnitudes elctricas....................................... 18

    2.5 Ley de Ohm...................................................................... 19

    2.6 Resistencia de un conductor. Conductancia .................. 20

    2.7 Asociacin de resistencias en serie y paralelo.

    Estudio de tensiones y corrientes.................................... 24

    2.8 Cada de tensin, diferencia de tensin,

    tensin y f.e.m .................................................................. 25

    2.9 Trabajo y potencia............................................................ 28

    3. Electrosttica y condensadores .............................................. 32

    3.1 Primeras experiencias de electrosttica.......................... 32

    3.2 Estructura atmica de la materia .................................... 33

    3.3 Carga: magnitudes y unidades ........................................ 33

    3.4 Conductores y aislantes.................................................... 33

    3.5 Sentido electrnico y convencional................................ 34

    3.6 Campo elctrico............................................................... 34

    3.7 Ley de Coulomb............................................................... 35

    3.8 Tensin elctrica .............................................................. 36

    3.9 Capacidad......................................................................... 36

    3.10 Condensador................................................................... 37

    3.11 Asociacin de condensadores ........................................ 38

  • 8/3/2019 Alzira Modulo2 Electrotecnia Completo

    4/282

    MDULO DOS ELECTROTECNIA

    U.D. 1 CONCEPTOS Y FENMENOS ELCTRICOS Y ELECTROMAGNTICOS

    8

    4. Magnetismo natural. Unidades .............................................. 394.1 Magnetismo natural: proceso heurstico........................ 39

    4.2 Primeras magnitudes en magnetismo............................. 42

    5. Fuentes de campo: la corriente elctrica crea

    campo magntico.................................................................... 43

    5.1 La corriente crea campo: proceso heurstico................. 43

    5.2 Sistematizando. Magnitudes y unidades ......................... 45

    5.3 Ampliacin ....................................................................... 46

    6. Efecto motor............................................................................ 496.1 Fuerza lateral: movimiento rectilneo............................. 49

    7. Induccin magntica: el campo (variable) crea corriente 50

    7.1 Primeras experiencias...................................................... 50

    7.2 Sistematizando.................................................................. 51

    7.3 El generador elemental de ca ......................................... 52

    7.4 El transformador .............................................................. 52

    7.5 Corrientes de Foucault .................................................... 53

    7.6 Autoinduccin.................................................................. 54

    Resumen........................................................................................ 57

  • 8/3/2019 Alzira Modulo2 Electrotecnia Completo

    5/282

    MDULO DOS ELECTROTECNIA

    U.D. 1 CONCEPTOS Y FENMENOS ELCTRICOS Y ELECTROMAGNTICOS

    9

    INTRODUCCIN

    El aprendizaje de la electricidad y, ms concretamente, de la electrotecnia,debe constituir para el estudiante el descubrimiento de una ciencia ytcnicas esenciales en su nuevo estudio profesional y de trabajo.

    Para que este aprendizaje sea a la vez atractivo y riguroso, y se relacionefcilmente con lo que cada da vemos u observamos, se ha optado porun orden que parte de lo prctico y de lo prximo, para ir despus haciafundamentos ms tericos o complejos. Por ello, se inicia el estudio conla electrodinmica, pasando despus a la electrosttica.

  • 8/3/2019 Alzira Modulo2 Electrotecnia Completo

    6/282

  • 8/3/2019 Alzira Modulo2 Electrotecnia Completo

    7/282

    11

    OBJETIVOS

    El aprendizaje de la electricidad y, ms concretamente, de la electrotecnia,debe de constituir para el estudiante el descubrimiento de una ciencia

    y tcnicas esenciales en su nuevo estudio profesional y de trabajo.

    Para que este aprendizaje sea a la vez atractivo y riguroso, y se relacionefcilmente con lo que cada da vemos u observamos, se ha optado porun orden que parte de lo prctico y prximo para ir despus haciafundamentos ms tericos o complejos. Por ello, se inicia el estudio conla electrodinmica, pasando despus a la electrosttica.

    MDULO DOS ELECTROTECNIA

    U.D. 1 CONCEPTOS Y FENMENOS ELCTRICOS Y ELECTROMAGNTICOS

  • 8/3/2019 Alzira Modulo2 Electrotecnia Completo

    8/282

  • 8/3/2019 Alzira Modulo2 Electrotecnia Completo

    9/282

    13

    1. LA ELECTRICIDAD

    1.1. La electricidad de cada da

    Se denomina energa a todo aquello que es capaz de variar el estado demovimiento o reposo de los cuerpos o de producir en ellos deformaciones;dicho de otra forma, a todo aquello que es capaz de producir un trabajo.Evidentemente, la electricidad es una forma de energa!

    Esta energa, la elctrica, tiene unas propiedades prcticas y curiosas: sepuede desplazar a lo largo de los cables elctricos y, utilizada correctamente,produce todo tipo de fenmenos "tiles": movimiento, calor, luz, sonido...,aunque, cuando "se nos descontrola", provoca incendios y llega a sermortal.

    De hecho, en poco ms de dos siglos (Volta hizo su primera pila haciael 1800, inicindose con ello el desarrollo sistemtico de toda laelectrotecnia) la electricidad ha pasado de ser una "experiencia curiosao peligrosa de laboratorio" a ser la forma de energa ms utilizada, verstile imprescindible de nuestra civilizacin.

    1.2. Seguridad

    Desde el principio tenemos que tener presente siempre que el uso ymanipulacin de la energa elctrica tiene sus riesgos y que los accidentesde origen elctrico pueden ser graves.

    Los accidentes elctricos suelen deberse a ignorancia (no se sabe qu seest haciendo y su riesgo), a inexperiencia (se opera o manipula condesacierto) o a presuncin excesiva (fiarse en exceso de que se sabe).

    Siempre hay que actuar con prudencia.

    Respetar siempre lo indicado por los profesores y, si no sabe, preguntar.

    Concretando:

    NUNCA tocar elementos con tensin.

    Desconectar los circuitos antes de manipularlos.

    Si se tiene que actuar sobre circuitos con tensin (por ejemplo, paramedir) hacerlo con el equipo y la tcnica adecuados.

    Utilizar slo herramientas, aparatos y componentes en buen estado.

    Asegurarse de que la instalacin en la que se trabaja dispone de losmecanismos de proteccin adecuados.

    MDULO DOS ELECTROTECNIA

    U.D. 1 CONCEPTOS Y FENMENOS ELCTRICOS Y ELECTROMAGNTICOS

  • 8/3/2019 Alzira Modulo2 Electrotecnia Completo

    10/282

    14

    1.3. Magnitudes y unidadesEn Fsica es esencial la definicin clara de las magnitudes y unidades.

    Pero su conocimiento no debe de ser slo memorstico (que tambin)sino que es necesario conocer las relaciones de interdependencia entreellas y cmo se deducen unas de otras.

    En cada apartado se introducen expresamente las magnitudes y unidadescorrespondientes. Su deduccin en la explicacin puede ser, segn seconsidere, intuitiva, fsico-matemtica o experimental.

    Se inserta aqu un cuadro de SI (Sistema Internacional) con algunas

    magnitudes y unidades de la Mecnica que sern necesarias desde elprincipio de la electrotecnia.

    MDULO DOS ELECTROTECNIA

    U.D. 1 CONCEPTOS Y FENMENOS ELCTRICOS Y ELECTROMAGNTICOS

  • 8/3/2019 Alzira Modulo2 Electrotecnia Completo

    11/282

    15

    2. ELECTRODINMICA ELEMENTAL

    La primera aproximacin a la electrodinmica es muy importante porquees el fundamento de todos los estudios de electrotecnia.

    Esta primera aproximacin requiere la definicin y uso de diversosprincipios o clculos. Todos ellos se van introduciendo ilativa yelementalmente, dejando para el final de este apartado (electrodinmicaelemental) la resolucin de algunos problemas en los que se entremezclantodos.

    2.1. Circuito elctrico elementalCuando encendemos la luz de una linterna, establecemos un circuitoelctrico elemental, formado por tres elementos bsicos: una pila(generador de electricidad), una bombillita (receptor elctrico) y unoscables o piezas metlicas que transportan la electricidad desde la pilahasta la bombilla (conductores).

    Desde un punto de vista energtico, tenemos dos elementos bsicos:un generador que convierte una energa cualquiera (en el caso dela linterna, energa qumica) en energa elctrica y un receptor queconvierte la energa elctrica en otro tipo de energa (en este caso,energa calorfica y luminosa).

    Desde el punto de vista de sus componentes, tenemos 3 bsicos:generador, conductores e interruptor y receptor o carga.

    MDULO DOS ELECTROTECNIA

    U.D. 1 CONCEPTOS Y FENMENOS ELCTRICOS Y ELECTROMAGNTICOS

  • 8/3/2019 Alzira Modulo2 Electrotecnia Completo

    12/282

    16

    Este circuito es comparable a un circuito hidrulico en el que el

    generador produce un desnivel, lo que provoca la circulacin deagua por el circuito y su utilizacin en la carga.

    Por este circuito circulan ordenadamente cargas elctricas, que esprecisamente lo que constituye la corriente elctrica.

    MDULO DOS ELECTROTECNIA

    U.D. 1 CONCEPTOS Y FENMENOS ELCTRICOS Y ELECTROMAGNTICOS

  • 8/3/2019 Alzira Modulo2 Electrotecnia Completo

    13/282

    17

    2.2. GeneradoresLos generadores convierten en energa elctrica otro tipo de energa.

    Hay muchas formas de producir energa elctrica. Algunos ejemplos denuestro mundo prximo pueden ser:

    Energa mecnica, por ejemplo, los alternadores de los coches.

    Energa qumica, por ejemplo, la batera de los telfonos mviles. Energa trmica, por ejemplo, el termopar del sistema de seguridad

    de los calentadores instantneos de gas.

    Energa solar, por ejemplo, las placas fotovoltaicas que pueden verseen la va pblica para alimentar relojes u otros elementos (no confundircon la energa solar utilizada para obtener agua caliente sanitaria enlos tejados de algunas casas).

    La principal caracterstica de los generadores es su tensin.

    La unidad de tensin es el voltio (V).

    2.3. Primeros smbolos

    Para poder iniciar el estudio de la electrotecnia, necesitamos utilizaralgunos smbolos.

    MDULO DOS ELECTROTECNIA

    U.D. 1 CONCEPTOS Y FENMENOS ELCTRICOS Y ELECTROMAGNTICOS

  • 8/3/2019 Alzira Modulo2 Electrotecnia Completo

    14/282

    18

    2.4. Primeras magnitudes elctricas

    2.4.1. Tensin (o potencial)

    Como se ha dicho, el generador crea una diferencia de tensin o,simplemente, una tensin.

    La magnitud tensin se representa:

    Por la letra E, cuando se refiere a la fuerza electromotriz (f.e.m.) otensin creada por el generador,

    Por la letra Ub, para referirnos a la tensin en bornes de un generador, Por la letra U, en los dems casos.

    La cada de tensin es siempre una diferencia de tensin; se prefieredistinguir ambas para resaltar que la cdt se debe precisamente a unproducto R.I.

    La unidad de tensin es el voltio, cuyo smbolo es la letra V, en maysculaporque su nombre lo es en honor de Alessandro Volta (1745-1827): sedice que un generador produce una tensin de 1 voltio cuando realizaun trabajo de 1 julio por unidad de carga (culombio).

    La tensin o potencial es un desnivel elctrico, por tanto, slo puede

    existir entre dos puntos, por eso se debera decir siempre diferencia detensin (ddt); en la prctica, se habla simplemente de tensin cuandola referencia es evidente.

    El generador crea un desequilibrio de distribucin de carga haciendoque, si se cierra circuito, circule un caudal elctrico o intensidad decorriente.

    2.4.2. Intensidad de corriente

    Cuando se cierra circuito entre dos puntos entre los que existe una ddt,

    se produce una circulacin ordenada de carga. Esto es precisamente laintensidad de corriente elctrica.

    La magnitud intensidad de corriente se representa por la letra I.

    La unidad de intensidad de corriente es el amperio. Su smbolo es laletra A, en mayscula; se le asign el nombre en honor de Andr Marie

    Ampre (1775-1836).

    2.4.3. Resistencia

    La energa elctrica que transporta el circuito elctrico se utiliza en elreceptor.

    MDULO DOS ELECTROTECNIA

    U.D. 1 CONCEPTOS Y FENMENOS ELCTRICOS Y ELECTROMAGNTICOS

  • 8/3/2019 Alzira Modulo2 Electrotecnia Completo

    15/282

    19

    Del receptor (concepto que aqu slo se usa genrica e inespecficamente)nos interesa su resistencia elctrica.

    La magnitud resistencia elctrica expresa, como indica la palabra, laoposicin de una materia al paso de la corriente.

    La magnitud resistencia elctrica se representa con la letra R.

    La unidad de resistencia es el ohmio (u ohm), en honor de Georg SimonOhm (1787-1854); el smbolo del ohmio es la letra griega omegamayscula: W.

    2.5. Ley de Ohm

    En 1827, Georg Simon Ohm public su clebre ley (en realidad, casi 50aos antes, el excntrico y tmido Cavendish ya la haba descubierto,pero no la haba publicado).

    Esta ley puede enunciarse as: la intensidad de corriente que atraviesaun medio es directamente proporcional a la diferencia de tensin aplicadaentre sus extremos e inversamente proporcional a la resistencia delmedio.

    Magnitudes:

    Unidades:

    Ejemplo 1. A un circuito con una resistencia de 25 se le aplica una ddtde 125 V. Hallar la intensidad de corriente.

    a) Datos:

    U = 125 V

    R = 25

    MDULO DOS ELECTROTECNIA

    U.D. 1 CONCEPTOS Y FENMENOS ELCTRICOS Y ELECTROMAGNTICOS

  • 8/3/2019 Alzira Modulo2 Electrotecnia Completo

    16/282

    20

    b) Pregunta:I (intensidad de corriente en amperios)

    c) Clculos:

    d) Respuesta: intensidad de corriente: 5 A (Evidentemente, responder5 hubiera sido un grave error: todo valor de magnitud dimensionaldebe de llevar SIEMPRE su unidad).

    Ejemplo 2. Al aplicar tensin a una resistencia de 20 , sta toma una

    intensidad de 7 A Qu ddt se le ha aplicado?a) Datos:

    I = 7 A

    R = 20

    b) Pregunta:

    U (ddt en voltios)

    c) Clculos:

    d) Respuesta: ddt aplicada: 140 VEjemplo 3. Qu resistencia absorber una intensidad de 30 A aplicandoa sus extremos una ddt de 12 V?

    a) Datos:

    I = 30 A

    U = 12 V

    b) Pregunta:

    R ( )

    c) Clculos:

    d) Respuesta: R = 0,4 ohmio

    2.6. Resistencia de un conductor. Conductancia

    2.6.1. Resistencia y resistividad

    El mismo proceso que permiti a Georg Simon Ohm enunciar su Ley,

    le llev a cuantificar la resistencia de un conductor.

    MDULO DOS ELECTROTECNIA

    U.D. 1 CONCEPTOS Y FENMENOS ELCTRICOS Y ELECTROMAGNTICOS

  • 8/3/2019 Alzira Modulo2 Electrotecnia Completo

    17/282

    21

    Magnitudes:

    La resistividad (rho) es la resistencia especfica de cada sustancia,tomando un modelo de dimensiones unidad.

    En Fsica se usa como unidad el .m (ohm.metro); en Electrotencia seutiliza siempre la resistividad en .mm2/m.

    As, las frmulas anteriores, aplicando unidades, quedan:

    El valor de esta magnitud es experimental y se da en tablas.

    2.6.2. Conductancia y conductividad

    La conductancia (G) es la magnitud inversa de la resistencia y su unidaden el siemens (S). La conductancia ( ) es el inverso de la resistividad.

    Magnitudes:

    Unidades:

    Los valores de se dan en tablas, como la que se adjunta ms abajo.

    MDULO DOS ELECTROTECNIA

    U.D. 1 CONCEPTOS Y FENMENOS ELCTRICOS Y ELECTROMAGNTICOS

  • 8/3/2019 Alzira Modulo2 Electrotecnia Completo

    18/282

    22

    Ejemplos:Un cable de cobre tiene una seccin de 2,5 mm2 y una longitud de 150m. Que resistencia tiene?

    a) Datos:

    Longitud = 150 m

    rea = 2,5 mm2

    Tipo de material: cobre; por tanto, resistividad = 0,0178 mm2/m

    b) Pregunta:

    Resistencia, Rc) Clculos:

    d) Respuesta: resistencia = 1,07

    2.6.3. Variacin de la resistencia con la temperatura

    Cuando un conductor se calienta, vara su resistencia: normalmente,aumenta. Esta variacin es muy pequea, pero no despreciable.

    Para calcular esta variacin, se utiliza la expresin:

    en donde:

    : es la resistencia a temperatura diferente de 20 C.

    : es la resistencia calculada con r a 20 C (valor muy frecuente).

    : es el coeficiente de temperatura en 1/C (ver tablas).

    = : variacin de temperatura.

    El valor de que suele usarse en la prctica, vlido para Cu y Al es: 0,0041/K

    Ejemplo. Un cable de Cu de 38 m y 4 mm2 se calcula para trabajar a 20C; pero, su temperatura real de trabajo es de 80 C. Cul es su resistenciaa 20 C? Cul es su resistencia a 80 C?

    a) Datos:

    Cable: Cu, 38 m, 4 mm2

    = 80 C 20 C = 60 C

    MDULO DOS ELECTROTECNIA

    U.D. 1 CONCEPTOS Y FENMENOS ELCTRICOS Y ELECTROMAGNTICOS

  • 8/3/2019 Alzira Modulo2 Electrotecnia Completo

    19/282

    23

    b) Pregunta:R20 y R80

    c) Clculos:

    d) Resultados:

    R20 = 0,17

    R80 = 0,21Un incremento de casi un 25%!

    Los valores de y se dan en tablas.

    MDULO DOS ELECTROTECNIA

    U.D. 1 CONCEPTOS Y FENMENOS ELCTRICOS Y ELECTROMAGNTICOS

  • 8/3/2019 Alzira Modulo2 Electrotecnia Completo

    20/282

    24

    MDULO DOS ELECTROTECNIA

    U.D. 1 CONCEPTOS Y FENMENOS ELCTRICOS Y ELECTROMAGNTICOS

    2.7. Asociacin de resistencias en serie y paralelo.Estudio de tensiones y corrientes

  • 8/3/2019 Alzira Modulo2 Electrotecnia Completo

    21/282

    25

    MDULO DOS ELECTROTECNIA

    U.D. 1 CONCEPTOS Y FENMENOS ELCTRICOS Y ELECTROMAGNTICOS

    Ejemplos. Cul es la resistencia equivalente entre los bornes a y b delos circuitos de las figuras?

    Resultados: 1) 35 ; 2) 7,2 ; 3) 8 ; 4) 10 ; 5) 14 .

    2.8. Cada de tensin, diferencia de tensin,

    tensin y f.e.m.El clculo de las cadas de tensin (cdt) es esencial en electrotecnia.

    Los ejemplos que siguen aclaran los principales conceptos.

    Recordemos:

    ddt = diferencia de tensin.

    cdt = cada de tensin: siempre es un producto RI.

    f.e.m.: es la tensin que produce un generador, tambin se llamatensin en vaco o sin carga.

    Ub: tensin en bornes: se suele referir a la tensin en bornes de un

  • 8/3/2019 Alzira Modulo2 Electrotecnia Completo

    22/282

    26

    MDULO DOS ELECTROTECNIA

    U.D. 1 CONCEPTOS Y FENMENOS ELCTRICOS Y ELECTROMAGNTICOS

    generador o receptor activo (el concepto de receptor activo se explicaen el captulo 2).

    cdt(i): cdt interna: es la que se produce en el interior de una mquina;aqu se aplica a la cdt interna en los generadores.

    Pinsese:

    siempre que hay cdt hay ddt.

    no siempre que hay ddt hay cdt.

    Ejemplo 1. Resolver, es decir, hallar todos los valores (U, I, R) en lossiguientes circuitos

    Solucin:

    Ejemplo 2. Resolver

  • 8/3/2019 Alzira Modulo2 Electrotecnia Completo

    23/282

    27

    MDULO DOS ELECTROTECNIA

    U.D. 1 CONCEPTOS Y FENMENOS ELCTRICOS Y ELECTROMAGNTICOS

    Solucin:

    Ejemplo 3. Resolver

    Solucin:

  • 8/3/2019 Alzira Modulo2 Electrotecnia Completo

    24/282

    28

    MDULO DOS ELECTROTECNIA

    U.D. 1 CONCEPTOS Y FENMENOS ELCTRICOS Y ELECTROMAGNTICOS

    Ejemplo 4. Resolver

    Solucin:

    2.9. Trabajo y potencia

    2.9.1. Trabajo y potencia en mecnica

    Recordemos...

    En mecnica, decimos que se realiza un trabajo cuando una fuerzadesplaza un cuerpo o lo deforma.

    La potencia es la magnitud que expresa la razn trabajo/tiempo; dichode otra manera, una mquina ms potente realiza un determinado trabajo

    en menos tiempo que otra de menor potencia.

  • 8/3/2019 Alzira Modulo2 Electrotecnia Completo

    25/282

    29

    MDULO DOS ELECTROTECNIA

    U.D. 1 CONCEPTOS Y FENMENOS ELCTRICOS Y ELECTROMAGNTICOS

    Por su importancia histrica y, sobre todo, porque se usa todava enmuchas ocasiones, es imprescindible recordar, la calora.

    Una calora es la cantidad de calor necesario para elevar 1 grado centgrado(entre 14,5C y 15,5 C) la temperatura de 1 gramo de agua.

    Calor especfico de una sustancia: es la cantidad de calor (de energa)necesarios para elevar 1 grado la temperatura de una sustancia.

    En los ejemplos se aplican estos conceptos.

    2.9.2. La potencia en funcin de magnitudes elctricas

    Si la tensin se define como:

    se deduce:

    y dividiendo ambas expresiones por t (tiempo):

    expresin sta de la potencia en funcin de magnitudes elctricas.

    Como ampliacin y por su importancia en los clculos de sistemas detraccin mecnica, pueden estudiarse estas expresiones:

  • 8/3/2019 Alzira Modulo2 Electrotecnia Completo

    26/282

    30

    MDULO DOS ELECTROTECNIA

    U.D. 1 CONCEPTOS Y FENMENOS ELCTRICOS Y ELECTROMAGNTICOS

    y, por tanto,

    Ejemplos propuestos:

    Cul es la velocidad de subida de una carga arrastrada por una polea

    de 0,5 m de radio y solidaria con el eje de un motor que gira a 143 rpm?Cul es el peso mximo que puede subir este motor si su potencia esde 3 kW?

    2.9.3. Energa, trabajo, consumo

    Cuando se realiza un trabajo se est realizando una conversin energtica.Pero este proceso abarca tres partes conceptualmente diferentes que,aunque dimensionalmente son lo mismo, expresan diferentes momentosdel proceso trabajo.

    Energa: capacidad para realizar un trabajo. Trabajo: la conversin de la energa A en la energa B.

    Consumo: la medida de la energa A consumida.

  • 8/3/2019 Alzira Modulo2 Electrotecnia Completo

    27/282

    31

    MDULO DOS ELECTROTECNIA

    U.D. 1 CONCEPTOS Y FENMENOS ELCTRICOS Y ELECTROMAGNTICOS

    La magnitud trabajo se suele expresar con W (no puede confundirsecon el smbolo de vatio, puesto que ste lo es de una unidad y el detrabajo lo es de una magnitud).

    La expresin fsica y matemtica de estas magnitudes tiene diversosenfoques:

    1) Partiendo de la definicin de potencia, como trabajo/tiempo, ydespejando trabajo, queda:

    Trabajo = Potencia x tiempo

    Esta expresin es importante porque la medida del consumo suele

    expresarse como en producto de la unidad de potencia en kW porla unidad de tiempo hora, obtenindose el kW.h (nunca: kW/h!).

    2) Partiendo de la Mecnica, la unidad de trabajo es el julio (J), comoya se ha dicho.

    3) Una magnitud muy importante es tambin el par o momento de unafuerza, que dimensionalmente es igual a la energa:

    Trabajo = Fuerza x desplazamiento

    Par = Fuerza x distancia

  • 8/3/2019 Alzira Modulo2 Electrotecnia Completo

    28/282

    32

    MDULO DOS ELECTROTECNIA

    U.D. 1 CONCEPTOS Y FENMENOS ELCTRICOS Y ELECTROMAGNTICOS

    3. ELECTROSTTICA Y CONDENSADORES

    Despus del primer paso dado con el estudio de la electrodinmica, setiene ya una idea prctica y conmensurable de las principales magnitudeselctricas. As, el estudio de la electrosttica, siempre ms distante de lapercepcin diaria de la electricidad, deber resultar ms inteligible.

    3.1. Primeras experiencias de electrosttica

    Se dice que las primeras experiencias con la electricidad fueron por laatraccin que el mbar ejerca sobre algunas pequeas partculas.

    Es normal atraer papelitos con un bolgrafo de plstico que se ha frotadopreviamente con un jersey. Este fenmeno se denomina electrizacinpor frotamiento.

    Sistematizando (es decir, la realizacin de pruebas ordenadas y repetidas),se vio que:

    Electrizacin o carga:

    - Si se frota una varilla de mbar con un trozo de piel, la varillaqueda cargada, electrizada.

    - Si se frota una varilla de vidrio con un trozo de seda, la varillaqueda cargada, electrizada.

    Acciones entre varillas (cargas):

    - Si dos varillas de mbar, cargadas, se aproximan entre s, apareceuna fuerza de repulsin entre ellas.

    - Si dos varillas de vidrio, cargadas, se aproximan entre s, apareceuna fuerza de repulsin entre ellas.

    - Si se aproxima una varilla de mbar, cargada, a una varilla devidrio, cargada, ambas se atraen.

    Estas experiencias, unidas a los conocimientos que tenemos sobre eltomo, llevan fcilmente a las siguientes conclusiones:

    Existen dos "tipos de electricidad": vtrea y resinosa.

    Cuando se electriza una varilla de resina, en realidad, absorbeelectrones, y queda cargada negativamente.

    Cuando se electriza una varilla de vidrio, en realidad, cede electrones,y queda cargada positivamente.

    Aparecen unas acciones entre ellas: las "electricidades" o cargas delmismo tipo, se repelen; las de distinto tipo, se atraen.

  • 8/3/2019 Alzira Modulo2 Electrotecnia Completo

    29/282

    33

    MDULO DOS ELECTROTECNIA

    U.D. 1 CONCEPTOS Y FENMENOS ELCTRICOS Y ELECTROMAGNTICOS

    3.2. Estructura atmica de la materiaLa naturaleza es como es y nosotros intentamos entender y explicar sucomportamiento.

    Entre otras cualidades, la materia manifiesta un conjunto de propiedadesque denominamos de origen elctrico, como las que acabamos deexplicar.

    El estudio de la estructura atmica permite explicar el comportamientoelctrico de la materia.

    Como todos sabemos, la materia se compone de tomos. stos tienen

    una estructura similar a un sistema solar, con un ncleo central (comosi fuera el sol) y unas partculas, electrones, que giran a su alrededor(como si fueran los planetas). Para concretar su comportamiento, decimosque el ncleo tiene una carga positiva y los electrones, negativa. La cargatotal positiva del ncleo es igual a la carga total negativa del conjuntode los electrones. Por tanto, el tomo es elctricamente neutro.

    Estas cargas elctricas, positivas y negativas, se atraen o repelen, de maneraque:

    Cargas del mismo signo se repelen.

    Cargas de distinto signo se atraen.

    3.3. Carga: magnitudes y unidades

    La carga elctrica es la cualidad de la materia que origina los fenmenoselctricos.

    El smbolo de la magnitud carga elctrica (a veces llamada tambincantidad de electricidad) es Q.

    La unidad natural de carga es el electrn (e-). Pero, como suele sucedercon las unidades naturales, resultan demasiado grandes o demasiadopequeas. En este caso es pequesima! Por esto, se usa el "culombio"

    como unidad de carga. A esta unidad se le asign el nombre en honorde Charles de Coulomb (1736-1806). El smbolo de la unidad de cargaculombio es "C".

    1 C = 6,24 x 1018 electrones

    3.4. Conductores y aislantes

    La estructura atmica y molecular de ciertas sustancias permite quealgunos de los electrones de la ltima capa se muevan libremente dentrode la sustancia, formado una especie de "nube electrnica". Esta nubepermitir una fcil circulacin de los electrones dentro de dicha sustancia.

  • 8/3/2019 Alzira Modulo2 Electrotecnia Completo

    30/282

    34

    MDULO DOS ELECTROTECNIA

    U.D. 1 CONCEPTOS Y FENMENOS ELCTRICOS Y ELECTROMAGNTICOS

    A las sustancias que tienen esta cualidad se les denomina "sustancias omateriales conductores" o, simplemente, "conductores". Son tales, porejemplo, el cobre, la plata, el oro, el aluminio y, generalizando, losmetales.

    Por el contrario, aquellas sustancias o materiales que no tienen esoselectrones libres y que por tanto difcilmente permiten la circulacinelectrnica, se les denomina "aislantes", por ejemplo, los plsticos, elpapel, el aire.

    Conductores: sustancias que dejan pasar con facilidad la electricidad atravs de ellas.

    Aislantes: sustancias que no dejan parar la electricidad a travs de ellas.Es importante tener presente que ni conductores ni aislantes son perfectos.

    3.5. Sentido electrnico y convencional

    La corriente elctrica consiste, como se ha dicho, en la circulacin omovimiento de cargas. Estas cargas son los electrones, que son cargasnegativas. Pero inicialmente se consider que circulaban las cargaspositivas. Por eso se habla de "sentido convencional" cuando se consideraque circulan las cargas positivas y "sentido electrnico" cuando se piensaque circulan las negativas o electrones. En este libro se habla siempre ensentido convencional.

    Es interesante decir, ya desde ahora y simplificando, que en los slidosla corriente elctrica est constituida por electrones, por ejemplo, en loscables de cobre; en los lquidos, por iones (tomos que han perdido oganado algn electrn), por ejemplo, en el electrolito de una batera decoche; por ltimo, en los gases, la conduccin es inica y electrnica ala vez, por ejemplo, en el interior de un tubo fluorescente.

    3.6. Campo elctrico

    Si colocamos en el espacio una carga (que, por convenio, suele serpositiva) crea a su alrededor una circunstancia elctrica especial,denominada campo elctrico.

    Decimos que en un punto del espacio existe un campo elctrico cuandoal colocar en ese punto un elemento sensible al campo, es decir, otracarga, aparecen sobre ella fuerzas de origen elctrico.

  • 8/3/2019 Alzira Modulo2 Electrotecnia Completo

    31/282

    35

    MDULO DOS ELECTROTECNIA

    U.D. 1 CONCEPTOS Y FENMENOS ELCTRICOS Y ELECTROMAGNTICOS

    Colocamos ahora una segunda carga o carga de prueba. Al estar dentrode un campo, aparecen sobre ella fuerzas de origen elctrico. De hecho,al ser tambin positiva, aparecer una fuerza de repulsin que tendera llevarla desde el punto al infinito.

    3.7. Ley de Coulomb

    Esta ley cuantifica el valor de la fuerza de atraccin o repulsin entrecargas:

    La constante K, con valor y magnitud, es 8,98 x 109 N.m2/C2. Su necesidady discusin escapan del nivel medio de esta obra.

  • 8/3/2019 Alzira Modulo2 Electrotecnia Completo

    32/282

    36

    MDULO DOS ELECTROTECNIA

    U.D. 1 CONCEPTOS Y FENMENOS ELCTRICOS Y ELECTROMAGNTICOS

    3.8. Tensin elctricaComo acabamos de ver, al colocar una carga elctrica positiva, q', en unpunto del campo tiende a desplazarse hasta el infinito, por la accin delpropio campo.

    Para traer la carga de nuevo del infinito al punto, en contra de las fuerzasdel campo hay que realizar un trabajo.

    Se entiende por potencial o tensin en un punto de un campo a la razndel trabajo a la carga.

    3.9. Capacidad

    Si al aplicar un potencial a un conductor aislado ste almacena carga,

    se dice que el conductor tiene capacidad elctrica.La capacidad es funcin de las magnitudes fsicas del conductor: a mstamao, ms capacidad.

    En magnitudes elctricas, la capacidad es la razn de la carga acumuladarespecto a la tensin aplicada. Evidentemente, si con muy poca tensinpodemos acumular mucha carga es porque el conductor tiene muchacapacidad; si tuviera poca capacidad, hara falta mucha tensin paraconseguir almacenar la misma carga.

  • 8/3/2019 Alzira Modulo2 Electrotecnia Completo

    33/282

    37

    MDULO DOS ELECTROTECNIA

    U.D. 1 CONCEPTOS Y FENMENOS ELCTRICOS Y ELECTROMAGNTICOS

    3.10. Condensador

    Es un sistema elctrico diseado para almacenar carga, es decir, paratener una capacidad determinada.

    El condensador de placas paralelas est constituido por dos placas aisladasy separadas entre s por un aislante o dielctrico.

    Cuando a un condensador se le aplica una tensin, por ejemplo con unapila, sus placas se cargan; en realidad, se redistribuye la carga en elconjunto: en una placa hay exceso de electrones y en la otra, defecto.

    Si una vez producida esa redistribucin de carga, se separa el condensadorde la pila, el condensador queda cargado.

  • 8/3/2019 Alzira Modulo2 Electrotecnia Completo

    34/282

    38

    MDULO DOS ELECTROTECNIA

    U.D. 1 CONCEPTOS Y FENMENOS ELCTRICOS Y ELECTROMAGNTICOS

    3.11. Asociacin de condensadores

  • 8/3/2019 Alzira Modulo2 Electrotecnia Completo

    35/282

    39

    MDULO DOS ELECTROTECNIA

    U.D. 1 CONCEPTOS Y FENMENOS ELCTRICOS Y ELECTROMAGNTICOS

    4. MAGNETISMO NATURAL. UNIDADES

    Objetivo. La deduccin sigue la evolucin natural histrica; por esto, seinsiste en formas de expresin como "se observa", "se ve", etc. Laexplicacin se desarrolla en un nivel experimental-intuitivo. Todas lasexperiencias se pueden realizar muy fcilmente.

    4.1. Magnetismo natural: proceso heurstico

    Los antiguos descubrieron que un mineral se que encontraba en susmontaas, atraa el hierro. A la piedra que tiene esta propiedad sele denomina imn. La magnetita es un imn natural. Normalmenteutilizamos imanes artificiales.

    Se observa que la accin del imn es ms intensa en ciertas zonas,siendo prcticamente nula en otras. A esas zonas ms activas se lesdenomina polos, normalmente en los extremos del imn, y lneaneutra a la parte central menos activa.

    Se observa tambin que, si se deja mover libremente un imn, seorienta siempre del mismo modo respecto a la Tierra. La brjula sebasa precisamente es este fenmeno.

    Por este motivo, histricamente, se llam polo norte del imn a laparte de ste que seala al norte geogrfico; y se llam polo surdel imn, a la parte de ste que seala al polo sur geogrfico.

    Si espolvoreamos partculas o limaduras de hierro en la zona prximaal imn, aparece un dibujo caracterstico, denominado espectromagntico, y que se asemeja a unas lneas curvas especiales.

  • 8/3/2019 Alzira Modulo2 Electrotecnia Completo

    36/282

    40

    MDULO DOS ELECTROTECNIA

    U.D. 1 CONCEPTOS Y FENMENOS ELCTRICOS Y ELECTROMAGNTICOS

    A estas lneas imaginarias las denominamos lneas de fuerza, y sedice que son lneas curvas y cerradas, que "salen" por el polo nortedel imn y "entran" por el sur, "circulando" por el interior de sur anorte (no hay circulacin, es una forma de expresin).

    Se observa tambin que hay imanes que atraen con ms fuerza queotros. Al hacer el espectro magntico, se ve que los ms fuertes tienenun espectro magntico "ms denso o apretado".

    As las cosas, decimos que en un punto del espacio existe campomagntico si al colocar en dicho punto un elemento sensible almagnetismo (por ejemplo, un trozo de hierro), aparecen sobre lunas fuerzas de origen magntico.

    Si en el interior de un campo magntico, colocamos un trozo dehierro, ste concentra las lneas de fuerza que "van" por el aire sobre

    s mismo y tiene un efecto multiplicador del magnetismo. A este tipode materiales se les denomina materiales ferromagnticos.

  • 8/3/2019 Alzira Modulo2 Electrotecnia Completo

    37/282

    41

    MDULO DOS ELECTROTECNIA

    U.D. 1 CONCEPTOS Y FENMENOS ELCTRICOS Y ELECTROMAGNTICOS

    Con lo estudiado, se pueden observar las "acciones entre imanes". Alacercar varios imanes entre s, se observa que:

    - Los polos del mismo nombre se repelen.

    - Los polos de distinto nombre se atraen.

    Si un imn se divide, las lneas de fuerza o de campo siguen entrandopor una parte (sur) y saliendo por otra (norte): es decir, cada trozoes un nuevo imn.

    Visto lo que sucede al fraccionar un imn, podemos admitir que unimn se compone de "pequesimos imanes subatmicos". En uncuerpo imantado, estos imanes estn todos orientados en el mismosentido; en un cuerpo desimantado, estn dispuestosdesordenadamente.

    Hay sustancias que, al acercarles un imn se quedan imantadas. Enellas, despus de retirar el campo exterior, los "imanes subatmicos"se quedan orientados. Otras sustancias, al retirar el campo exterior,

    vuelven a su estado de no imantacin.

  • 8/3/2019 Alzira Modulo2 Electrotecnia Completo

    38/282

    42

    MDULO DOS ELECTROTECNIA

    U.D. 1 CONCEPTOS Y FENMENOS ELCTRICOS Y ELECTROMAGNTICOS

    4.2. Primeras magnitudes en magnetismoEl espectro magntico, que dibujan las lneas de fuerza o de flujo, permitedefinir la magnitud flujo magntico, que representa el nmero total delneas de fuerza.

    Se simboliza por la letra griega mayscula fhi:. .

    Su unidad es el weber (Wb).

    Puesto que se observa que el imn ms potente tiene las lneas msapretadas o tiene ms lneas, hay que definir otra magnitud querepresenta el nmero de lneas de fuerza o de campo por unidad de

    superficie: es la induccin magntica.Se simboliza por la B.

    Su unidad es la tesla (T).

  • 8/3/2019 Alzira Modulo2 Electrotecnia Completo

    39/282

    43

    MDULO DOS ELECTROTECNIA

    U.D. 1 CONCEPTOS Y FENMENOS ELCTRICOS Y ELECTROMAGNTICOS

    5. FUENTES DE CAMPO: LA CORRIENTE ELCTRICACREA CAMPO MAGNTICO

    5.1. La corriente crea campo: proceso heurstico

    Histricamente, Oersted (fsico dans) en 1819, observ que alconectar un circuito, en su mesa de trabajo, se mova una brjulaprxima. Y que, si la corriente era suficientemente importante, llegabaa ponerse perpendicular al cable. Observ tambin que, si se cambiaen sentido de la corriente en el cable, cambia 180 la posicin de la

    brjula.

    Sistematizando este hecho, se observa que una corriente crea uncampo a su alrededor.

    Se comprueba que la induccin B obtenida es directamenteproporcional a la intensidad de la corriente (I) e inversamenteproporcional a la distancia (la expresin indica proporcionalidad,no igualdad).

  • 8/3/2019 Alzira Modulo2 Electrotecnia Completo

    40/282

    44

    MDULO DOS ELECTROTECNIA

    U.D. 1 CONCEPTOS Y FENMENOS ELCTRICOS Y ELECTROMAGNTICOS

    El sentido de dicho campo, sigue la ley del sacacorchos: si se hacegirar el sacacorchos de modo que avance linealmente en el sentidode la corriente, el campo gira en el sentido de giro del sacacorchos.

    Si el conductor rectilneo citado se enrolla formando una espira, elcampo B que forma la corriente I en cada punto convierte a estaespira en un imn plano, en el que el campo entra por un lado (polosur) y sale por el otro (polo norte). En la primera figura, las lneasde fuerza entran por el centro de la espira y salen por el otro ladodel papel. En la segunda figura, se ve la misma espira desde la partesuperior de la hoja: el sentido de la corriente en la espira y, por tanto,el sentido del campo, B, que entra en la hoja de papel.

    Si el conductor rectilneo citado se enrolla en forma de carrete obobina, se obtiene un conjunto de corrientes circulares, lo queconstituye un solenoide. El campo resultante de aplicar una I a estabobina la convierte en un imn con el norte a la izquierda (atencin

    al sentido de arrollamiento y al sentido de la corriente).

  • 8/3/2019 Alzira Modulo2 Electrotecnia Completo

    41/282

    45

    MDULO DOS ELECTROTECNIA

    U.D. 1 CONCEPTOS Y FENMENOS ELCTRICOS Y ELECTROMAGNTICOS

    Observamos muy fcilmente que el valor del campo en el interior dela bobina depende de:

    - Nmero espiras (N).

    - Intensidad de corriente (I).

    Adems, aunque puede ser menos intuitivo, el valor de este campoes inversamente proporcional a la longitud de la bobina (l).

    Si esta bobina se construye sobre aire o sobre otros ncleos (aluminio,hierro,...), observamos que el campo resultante es diferente: el ncleose comporta como un factor multiplicador.

    As nos aparece la necesidad de definir una nueva magnitud quedepende del medio: la permeabilidad magntica.

    5.2. Sistematizando. Magnitudes y unidades

    Flujo magntico: nmero total de lneas de fuerza.

    Se simboliza por la letra griega mayscula fhi: F.

    Su unidad es el weber (Wb).

    Induccin magntica: nmero de lneas de fuerza o de campo por unidadde superficie.

    Se simboliza por la B.

    Su unidad es la tesla (T).

    Intensidad de campo: fuente creadora de campo.

    Se simboliza por la H.

    Su unidad es el Av/m (amperio-vuelta/metro).

    Permeabilidad magntica: constante que depende del medio.

    Se simboliza por la letra griega m minscula:

    Ecuacin fundamental:

  • 8/3/2019 Alzira Modulo2 Electrotecnia Completo

    42/282

    46

    MDULO DOS ELECTROTECNIA

    U.D. 1 CONCEPTOS Y FENMENOS ELCTRICOS Y ELECTROMAGNTICOS

    La permeabilidad puede ser y usarse como: Permeabilidad absoluta.

    Permeabilidad relativa que se define en relacin a la permeabilidaddel vaco: o.

    5.3. Ampliacin

    5.3.1. Electroimn

    El solenoide (conjunto de corrientes circulares, planas, paralelas) con

    un ncleo de acero (de diversas permeabilidades) constituye unelectroimn. Se emplean en contactores, gras, cierres elctricos...

    5.3.2. Acciones entre conductores

    La interaccin de los campos creados por dos corrientes a lo largo dedos conductores paralelos hace que stos queden sometidos a una fuerzade atraccin-repulsin.

    5.3.3. Definicin de amperio

    Actualmente, en el SI (Sistema Internacional de Magnitudes y Unidades),el amperio se define por esta fuerza de atraccin o repulsin entreconductores al ser recorridos por una corriente:

    "Amperio es aquella intensidad de corriente constante que mantenidaa lo largo de dos conductores rectilneos, paralelos, de longitud infinita

    y seccin circular despreciable, colocados en el vaco a una distancia de

  • 8/3/2019 Alzira Modulo2 Electrotecnia Completo

    43/282

    47

    MDULO DOS ELECTROTECNIA

    U.D. 1 CONCEPTOS Y FENMENOS ELCTRICOS Y ELECTROMAGNTICOS

    1 metro, produce entre ellos una fuerza de atraccin o repulsin de 2 .10-7 newton por metro de longitud".

    5.3.4. Esfuerzos electrodinmicos entre conductores encortocircuito

    Estas fuerzas de atraccin/repulsin provocan grandes esfuerzoselectrodinmicos sobre los conductores.

    En algunas ocasiones se aprovechan para acelerar la separacin de loscontactos de los interruptores automticos, ayudando al corte de grandespicos de corriente.

    Cuando se producen cortocircuitos, los esfuerzos electrodinmicos sobrebarras y conductores son enormes, llegando a arrancar los conductoresde sus apoyos y provocando deformaciones impensables, especialmentecuando estos cortocircuitos se producen muy cerca de los transformadoresde alimentacin y distribucin.

    5.3.5. Grficas de las chapas magnticas

    La relacin B = .H permite la confeccin de las grficas o curvas demagnetizacin o curvas de permeabilidad, .

    En ellas se relaciona la "causa creadora de magnetismo" o intensidad decampo (H = NI/L) con la induccin, B, obtenida. De esta forma seobtiene la grfica de la chapa. Esta grfica ser necesaria para la utilizacinde la chapa en la fabricacin de las mquinas elctricas, por ejemplo,motores, transformadores, etc.

    5.3.6. Histresis

    Cuando se aplica un campo magntico a una sustancia, sta se imanta.Al suprimir el campo exterior, la chapa o sustancia no vuelve a su estado

    anterior, sino que queda magnetizada, en mayor o menor grado,

  • 8/3/2019 Alzira Modulo2 Electrotecnia Completo

    44/282

    48

    MDULO DOS ELECTROTECNIA

    U.D. 1 CONCEPTOS Y FENMENOS ELCTRICOS Y ELECTROMAGNTICOS

    dependiendo del tipo de acero de que se trate. A este fenmeno se ledenomina "histresis magntica" o memoria magntica de la situacinmagntica anterior.

    Se denomina magnetismo remanente al valor de B, es decir, de imanacin,que queda en la chapa al cesar la causa, H. Para llegar a anular este valorde B debe de aplicarse una fuerza coercitiva, H negativa o cambio desentido de la intensidad.

    5.3.7. Eleccin de la chapa

    En cualquier aplicacin del electromagnetismo, debe de elegirse consumo cuidado la sustancia del ncleo, por su curva de magnetizacin ypor su ciclo de histresis.

    Los imanes permanentes (polos de mquinas, imanes de altavoces...)deben de tener un gran magnetismo remanenente; se utilizan acerosal tungsteno, al cobalto o al cromo-nquel. Los modernos imanescermicos siguen una tcnica de fabricacin diferente obtenindose

    imanes muy buenos y de gran duracin. Ncleos que han de trabajar con B variable y que deben de tener el

    menor magnetismo remanente, por ejemplo, motores asncronos,ncleos de electroimanes, etc. Se utiliza chapa de acero al silicio.

    Ncleos que han de trabajar con B constante, por ejemplo, bobinasde campo de alternadores. Se utiliza acero dulce, al carbono.

  • 8/3/2019 Alzira Modulo2 Electrotecnia Completo

    45/282

    49

    MDULO DOS ELECTROTECNIA

    U.D. 1 CONCEPTOS Y FENMENOS ELCTRICOS Y ELECTROMAGNTICOS

    6. EFECTO MOTOR

    Una de las principales consecuencias de lo estudiado hasta ahora es elllamado "efecto motor".

    Por una parte, en el apartado magnetismo natural hemos comprobadola existencia de acciones entre polos: atraccin y repulsin.

    Por otra, hemos visto que una corriente es una fuente de campo.

    Por tanto, ser posible crear una mquina en la que:

    La interaccin de campos (creados por bobinas o imanes).

    Y una disposicin mecnicamente adecuada.

    Permitan obtener un movimiento (motores elctricos).

    6.1. Fuerza lateral: movimiento rectilneo

    Si hacemos circular una corriente continua, por un conductor colocadoen el seno de un campo magntico, de manera que ambos seanperpendiculares, la interaccin entre el campo creado por la corrientealrededor del conductor y el campo en cuyo seno est, origina la aparicinde una fuerza lateral sobre el conductor.

    El valor de esta fuerza es:

    Evidentemente, este principio de aplica a la construccin de motores,

    como se ver ms adelante.

  • 8/3/2019 Alzira Modulo2 Electrotecnia Completo

    46/282

    50

    MDULO DOS ELECTROTECNIA

    U.D. 1 CONCEPTOS Y FENMENOS ELCTRICOS Y ELECTROMAGNTICOS

    7. INDUCCIN MAGNTICA: EL CAMPO (VARIABLE)CREA CORRIENTE

    Sabemos que la corriente es una fuente de campo. Pasamos ahora a otrode los grandes principios del electromagnetismo. Como en captulosanteriores, partimos de experiencias simples.

    7.1. Primeras experiencias

    Si ponemos un imn junto a un conductor, ambos en reposo, no se

    observa corriente en el conductor, el ampermetro no se mueve.

    Si movemos el cable respecto al imn o el imn respecto al cable(movimiento relativo) la aguja del instrumento lo indicar (oscilarde + a - y viceversa, respecto al cero central), lo que indica que en elconductor se ha producido una tensin y corriente que llamamosinducida: induccin por movimiento mecnico.

  • 8/3/2019 Alzira Modulo2 Electrotecnia Completo

    47/282

    51

    MDULO DOS ELECTROTECNIA

    U.D. 1 CONCEPTOS Y FENMENOS ELCTRICOS Y ELECTROMAGNTICOS

    Si sustituimos el imn por una bobina, arrollando el cable a sualrededor y hacemos variar el campo con la resistencia variable R,tambin aparece una f.e.m.: induccin por variacin de flujo.

    7.2. Sistematizando Principio: siempre que un conductor situado en un campo magntico

    sufre una variacin del valor de flujo que lo atraviesa, se produciren l una f.e.m. inducida que, si se cierra circuito, originar unacorriente.

    La variacin puede producirse:

    - Por desplazamiento relativo de campo y conductor (generadoresrotativos).

    - Por variacin de flujo, variando la corriente que lo crea(transformadores).

    Si desplazamos lateralmente con una velocidad v (energa exterior)un conductor de longitud l en el seno de un campo B, aparece enel conductor una f.e.m. inducida.

    El valor de esta f.e.m. inducida es

  • 8/3/2019 Alzira Modulo2 Electrotecnia Completo

    48/282

    52

    MDULO DOS ELECTROTECNIA

    U.D. 1 CONCEPTOS Y FENMENOS ELCTRICOS Y ELECTROMAGNTICOS

    Este principio se aplica a todos los fenmenos en los que hay induccin. De forma general, podemos calcular el valor de la f.e.m. inducida

    con la Ley de Faraday de la induccin electromagntica: la f.e.m.inducida en un circuito cerrado es proporcional a la variacin en eltiempo del flujo abarcado.

    Sentido de la F.E.M. Inducida.

    En la ley de Faraday aparece un signo negativo. Este signo se debea la ley de la inercia aplicada a la induccin electromagntica, quees la ley de Lenz: el sentido de la f.e.m. y la corriente inducidas es talque tienden a oponerse a la variacin que las produce.

    Si el campo generador tiende a aumentar, el sentido del campo (quetienden a crear una f.e.m. y una corriente inducidas) ser en sentidoopuesto, para oponerse al aumento de campo.

    Si el campo generador tiende a disminuir, el sentido del campo (quetienden a crear una f.e.m. y una corriente inducidas) ser del mismosentido, para evitar la disminucin del campo generador.

    7.3. El generador elemental de caSi hacemos girar una espira con velocidad angular constante, dentro deun campo magntico homogneo, de forma que el eje de giro seaperpendicular al campo, se produce en la bobina una f.e.m. inducidaalterna y senoidal.

    7.4. El transformador

    La induccin electromagntica, es decir, la generacin de f.e.m. por variacin de flujo, tiene su ms importante aplicacin en lostransformadores.

    Un transformador consta de un arrollamiento de entrada, llamadoprimario, alimentado en ca; de un ncleo de chapas de hierra, en el queel primario crea un flujo, tambin variable; y de un arrollamiento de

  • 8/3/2019 Alzira Modulo2 Electrotecnia Completo

    49/282

    53

    MDULO DOS ELECTROTECNIA

    U.D. 1 CONCEPTOS Y FENMENOS ELCTRICOS Y ELECTROMAGNTICOS

    salida, denominado secundario, en el que el flujo variable induce unaf.e.m. inducida.

    De esta forma, la potencia primaria se convierte en la potencia secundaria,segn la ecuacin fundamental del transformador ideal:

    7.5. Corrientes de Foucault

    Los ncleos de las mquinas, tanto las de corriente alterna como las

    rotativas de corriente continua, estn sometidos a un flujo variable. Perocomo los ncleos son conductores, de aceros, se induce en ellos unaf.e.m. que a su vez crea unas corrientes en el propio ncleo. Estascorrientes, que producen importantes calentamientos y prdidas, sedenominan corrientes parsitas o de Foucault.

  • 8/3/2019 Alzira Modulo2 Electrotecnia Completo

    50/282

    54

    MDULO DOS ELECTROTECNIA

    U.D. 1 CONCEPTOS Y FENMENOS ELCTRICOS Y ELECTROMAGNTICOS

    Por este motivo, los ncleos de las mquinas de corriente alterna son dechapas, aisladas entre s. De este modo, aumenta la resistencia y disminuyela corriente y, por tanto, las prdidas.

    7.6. Autoinduccin

    7.6.1. El fenmeno

    Al variar el campo aplicado a una bobina, se produce en ella una f.e.m.inducida.

    Por tanto, si una bobina es recorrida por una corriente variable (causa

    creadora de campo) o se establece o corta su circuito de alimentacin,se induce en ella misma una f.e.m. de autoinduccin.

    7.6.2. Definicin

    La autoinduccin es el fenmeno por el que, al variar la intensidad decorriente que circula por un circuito, aparece en l una f.e.m. inducida.

    La cuantificacin de esta autoinduccin es el denominado coeficientede autoinduccin:

    Segn la Ley de Faraday, la f.e.m. inducida es:

    Por otra parte, y puesto que el campo creado por una corriente esdirectamente proporcional a su intensidad, la velocidad con que varael flujo en el campo es directamente proporcional a la velocidad conque vara la intensidad:

    Pero, experimentalmente puede observarse que, dependiendo delcircuito, aparece un factor, que denominamos L, o coeficiente de

  • 8/3/2019 Alzira Modulo2 Electrotecnia Completo

    51/282

    55

    MDULO DOS ELECTROTECNIA

    U.D. 1 CONCEPTOS Y FENMENOS ELCTRICOS Y ELECTROMAGNTICOS

    autoinduccin, que modifica la expresin anterior:

    Y, operando:

    De lo que enunciamos:1) La f.e.m. inducida en un circuito es directamente proporcionaly de sentido contrario a la velocidad con que vara la intensidadde la corriente.

    2) El coeficiente de autoinduccin, o inductancia del circuito obobina, es el valor de la f.e.m. autoinducida cuando la intensidadde corriente vara a razn de un amperio por segundo.

    7.6.3. Magnitudes y unidades. Definicin de henrio

    Diremos que un circuito tiene una autoinduccin de un henrio cuandoal variar la intensidad a razn de un amperio por segundo, se crea en luna f.e.m. de autoinduccin de un voltio.

    Smbolo de la magnitud: L.

    El smbolo de la unidad, el henrio, es H.

    7.6.4. Coeficiente de autoinduccin en una bobina

    La autoinduccin es una cualidad de los circuitos y del componente"bobina".

    A la autoinduccin de una bobina se le suele denominar inductancia,aunque pueden verse los dos nombres.

    La inductancia de una bobina depende de todos los condicionantes desu circuito magntico, lo que es imposible de cuantificar en una expresinsimple. Para tener una aproximacin, simplificamos la siguiente expresinde proporcionalidad:

  • 8/3/2019 Alzira Modulo2 Electrotecnia Completo

    52/282

    56

    MDULO DOS ELECTROTECNIA

    U.D. 1 CONCEPTOS Y FENMENOS ELCTRICOS Y ELECTROMAGNTICOS

    7.6.5. La extracorriente de rupturaUn circuito con bobinados, es decir, con L, almacena energa en formade electromagntica.

    Al abrir un circuito de este tipo, por la ley de Lenz, la inductancia, paraevitar la desaparicin del campo, crea una f.e.m. (y por tanto unacorriente) que tiende a mantener el campo que se est extinguiendo.

    Esta energa (tensin y corriente) hace que en el elemento de corte, enel interruptor, aparezca una extracorriente de ruptura, lo que produceuna chispa o arco elctrico que todos hemos apreciado en multitud de

    ocasiones.Este arco, por una parte, mantiene la circulacin de corriente en losreceptores, lo que en caso de cortocircuito es fatal, y, por otra, puedetener una gran energa, lo que deteriora los interruptores.

  • 8/3/2019 Alzira Modulo2 Electrotecnia Completo

    53/282

    57

    MDULO DOS ELECTROTECNIA

    U.D. 1 CONCEPTOS Y FENMENOS ELCTRICOS Y ELECTROMAGNTICOS

    RESUMEN

    Electrotecnia:

    Circuito elctrico: generador, conductores, aparamenta, receptor.

    Las magnitudes fundamentales del circuito elctrico son: la tensin(producida por el generador), la resistencia (de los receptores) y laintensidad de corriente (o caudal elctrico).

    Ley de Ohm:

    Cada de tensin: siempre un producto R.I.

    Asociacin serie de resistencias: la resultante es la suma de todas yes mayor que la mayor. Las cadas de tensin son directamenteproporcionales a las resistencias.

    Asociacin paralelo de resistencias: la resultante es el inverso de lasuma de inversos y es menor que la menor. Las corrientes soninversamente proporcionales a las resistencias.

    Potencia: P = U.I

    Energa, consumo: W = P.t = U.I.tElectrosttica:

    Campo elctrico: regin del espacio en la que, al colocar en ella unelemento sensible al campo (una carga) aparecen sobre ella fuerzasde origen elctrico.

    Condensador: componente capaz de almacenar energa en forma decampo elctrico. Se usar despus en ca.

    Magnetismo y electromagnetismo:

    La accin del imn se manifiesta principalmente en sus polos por

    atraccin o repulsin.

    La accin del imn se representa por las lneas de fuerza o de campoque salen del imn por el norte y entran por el sur.

    La corriente crea campo magntico. Su sentido del campo sigue laley del sacacorchos. Las bobinas recorridas por una corrienteelctrica constituyen los electroimanes.

    Efecto motor: con determinadas condiciones constructivas, sobre unconductor recorrido por una corriente aparece una fuerza lateralque tiende a desplazarlo.

  • 8/3/2019 Alzira Modulo2 Electrotecnia Completo

    54/282

    58

    MDULO DOS ELECTROTECNIA

    U.D. 1 CONCEPTOS Y FENMENOS ELCTRICOS Y ELECTROMAGNTICOS

    Efecto generador: al variar el campo a que est cometido un conductor(por desplazamiento relativo o por variacin del campo) se produceen l una fem inducida.

    En este principio se basan los generadores rotativos (alternadores ydinamos) y los estticos (secundario de los transformadores).

  • 8/3/2019 Alzira Modulo2 Electrotecnia Completo

    55/282

    MDULO DOS ELECTROTECNIA

    U.D. 2 CIRCUITOS ELCTRICOS. ANLISISFUNCIONAL

    M 2 / UD 2

  • 8/3/2019 Alzira Modulo2 Electrotecnia Completo

    56/282

  • 8/3/2019 Alzira Modulo2 Electrotecnia Completo

    57/282

    MDULO DOS ELECTROTECNIA

    U.D. 2 CIRCUITOS ELCTRICOS. ANLISIS FUNCIONAL

    61

    NDICE

    Introduccin.................................................................................. 63

    Objetivos........................................................................................ 65

    1. Circuito elctrico.................................................................... 67

    1.1. Circuito ............................................................................. 67

    1.2. Para qu el clculo de circuitos?.................................... 67

    2. Tipos y formas de la energa elctrica (tensin,

    corriente, potencia...)............................................................. 683. Generadores de cc y asociacin de generadores de cc......... 69

    3.1. Nocin .............................................................................. 69

    3.2. Tipos de elementos electroqumicos.............................. 69

    3.3. Magnitudes elctricas....................................................... 69

    3.4. Tipos de acumuladores y pilas ........................................ 70

    3.5. Obtencin de corriente elctrica.................................... 70

    3.6. Precaucin........................................................................ 71

    3.7. Asociacin de generadores de cc.................................... 71

    4. La corriente alterna: tipo y parmetros ................................. 73

    4.1. Recordemos: el generador elemental de ca................... 73

    4.2. Magnitudes y valores importantes en ca senoidal.......... 73

    4.3. Potencia en ca .................................................................. 74

    5. Generadores y receptores....................................................... 76

    5.1. Recordemos...................................................................... 76

    5.2. Polarizacin de receptores .............................................. 76

    6. Receptores: resistencia pura (R)............................................ 79

    6.1. Previo ................................................................................ 79

    6.2. Aspectos constructivos ..................................................... 79

    6.3. Circuito con resistencia pura........................................... 79

    6.4. Potencia ............................................................................ 80

    6.5. Ejemplos ........................................................................... 80

    7. Receptores: capacidad pura (C)............................................. 81

    7.1. Previo ................................................................................ 81

    7.2. Aspectos constructivos ..................................................... 81

  • 8/3/2019 Alzira Modulo2 Electrotecnia Completo

    58/282

    MDULO DOS ELECTROTECNIA

    U.D. 2 CIRCUITOS ELCTRICOS. ANLISIS FUNCIONAL

    62

    7.3. Comportamiento del condensador en cc:carga/descarga................................................................. 81

    7.4. Circuito con capacidad pura ........................................... 83

    7.5. Otras consideraciones...................................................... 83

    7.6. Potencia ............................................................................ 84

    7.7. Ejemplos ........................................................................... 84

    8. Receptores: induccin pura (L)............................................. 86

    8.1. Previo ................................................................................ 86

    8.2. Aspectos constructivos ..................................................... 868.3. Estudio del comportamiento en CC:

    conexin/desconexin.................................................... 86

    8.4. La inductancia, l, en CA .................................................. 89

    8.5. Otras consideraciones...................................................... 89

    8.6. Potencia ............................................................................ 89

    8.7. Ejemplos ........................................................................... 90

    9. Asociacin de receptores: circuitos serie............................... 91

    10. Asociacin de receptores: circuitos paralelo ......................... 93

    11. Potencia en CA........................................................................ 95

    Resumen........................................................................................ 99

  • 8/3/2019 Alzira Modulo2 Electrotecnia Completo

    59/282

    MDULO DOS ELECTROTECNIA

    U.D. 2 CIRCUITOS ELCTRICOS. ANLISIS FUNCIONAL

    63

    INTRODUCCIN

    Todos y cada uno de los montajes que podemos llevar a cabo constituyenun circuito elctrico. ste tiene sus leyes de funcionamiento que,normalmente, nos pueden pasar desapercibidas, pero son las que enrealidad rigen su comportamiento.

    El estudio de los circuitos elctricos es muy complejo y necesitaherramientas matemticas que en estos momentos an no se hanestudiado. Por ello se describen slo circuitos sencillos que puedenresolverse con conocimientos matemticos relativamente sencillos.

  • 8/3/2019 Alzira Modulo2 Electrotecnia Completo

    60/282

  • 8/3/2019 Alzira Modulo2 Electrotecnia Completo

    61/282

    65

    OBJETIVOS

    Conocer ordenadamente los circuitos elctricos bsicos y ser capaz deresolverlos de forma simple.

    MDULO DOS ELECTROTECNIA

    U.D. 2 CIRCUITOS ELCTRICOS. ANLISIS FUNCIONAL

  • 8/3/2019 Alzira Modulo2 Electrotecnia Completo

    62/282

  • 8/3/2019 Alzira Modulo2 Electrotecnia Completo

    63/282

    67

    1. CIRCUITO ELCTRICO

    1.1. Circuito

    Un circuito elctrico consta de esencialmente de generador y receptor.Funcionalmente, consta de: fuente, elementos de maniobra y proteccin,conductores, receptor.

    Son generadores o fuentes:

    De cc: las dinamos; las pilas y acumuladores. Tambin las "fuentes de

    alimentacin" electrnicas, que proporcionen una alimentacin decc.

    De ca: los alternadores; la conexin a la red pblica de distribucinde ca a 50 Hz, sea directamente, sea a travs de transformadoresseparadores y/o reductores.

    De una fuente o generador, en la prctica, interesa:

    Para clculo de teora de circuitos: tipo de corriente: cc o ca;f.e.m; frecuencia; resistencia o impedancia interna.

    Para diseo de circuitos e instalaciones: tipo de corriente: cc oca; tensin; potencia y/o corriente nominales que puedeproporcionar; otros datos, como tensin de cortocircuito,impedancias,...

    1.2. Para qu el clculo de circuitos?

    El objetivo inmediato y formal del clculo de circuitos es conocer todoslos parmetros de un circuito.

    El objetivo funcional es que el circuito y todos sus elementos trabajencorrectamente (cumplan su objetivo) y lo hagan con seguridad (para laspersona, animales y bienes).

    Para cumplir este objetivo, mediante el clculo de circuitos se deben dedeterminar todos los parmetros fsico-matemticos del circuito parapoder fijar el punto de funcionamiento y las interrelaciones entre losdiversos elementos.

    MDULO DOS ELECTROTECNIA

    U.D. 2 CIRCUITOS ELCTRICOS. ANLISIS FUNCIONAL

  • 8/3/2019 Alzira Modulo2 Electrotecnia Completo

    64/282

    68

    2. TIPOS Y FORMAS DE LA ENERGA ELCTRICA(TENSIN, CORRIENTE, POTENCIA...)

    A lo largo del tema se hace referencia a la forma de las diversas seales,de tensin o corriente. El cuadro siguiente resume los principales tipos.

    MDULO DOS ELECTROTECNIA

    U.D. 2 CIRCUITOS ELCTRICOS. ANLISIS FUNCIONAL

  • 8/3/2019 Alzira Modulo2 Electrotecnia Completo

    65/282

    69

    3. GENERADORES DE CC Y ASOCIACINDE GENERADORES DE CC

    Cada vez es mayor el nmero de aparatos porttiles de uso frecuenteque se alimentan con generadores de cc: telfonos mviles, discman,cmaras, receptores de radio y radiotelfonos, ordenadores,...; profesionale industrialmente: sistemas de telefona (centrales y estaciones), sistemasde seguridad, SAI,s o UPS's, mquinas herramienta porttiles...

    3.1. Nocin

    Los generadores electroqumicos convierten energa qumica en energaelctrica. Tienen la ventaja, respecto a los electromecnicos, de quepueden almacenar energa; pero tienen el inconveniente de que laenerga que contienen es limitada.

    Elctricamente, constan siempre de unos electrodos (nodo, positivo yctodo, negativo) y un electrolito.

    Un generador electroqumico est constituido por un recipiente quecontiene las placas y el electrolito y, adems, unos bornes de conexin.

    3.2. Tipos de elementos electroqumicos Elementos primarios, pilas o elementos no recargables: son los

    generadores electroqumicos que, una vez se han agotado, ya no sonprcticamente recargables. Son los que normalmente denominamospilas.

    Elementos secundarios, acumuladores o elementos recargables: sonelementos electroqumicos reversibles, es decir, una vez descargadosse pueden volver a cargar. Por ejemplo, las bateras de arranque (lasde los coches) o las de un telfono mvil. A los elementos reversiblesse les suele denominar bateras.

    3.3. Magnitudes elctricas

    Tensin o f.e.m. El valor de la tensin que proporciona un elementoelectroqumico depende del tipo de electrodo.

    Capacidad: es una expresin de la cantidad de electricidad que puedealmacenar. Se mide en A.h o en mA.h. Esta magnitud significa, porejemplo, que una batera de 30 A.h puede dar 30 A durante 1 hora 1 A durante 30 horas. En realidad la variacin no es lineal: cuantoms suave sea la descarga, ms tiempo dura la batera. En general,siempre debe de evitarse la carga y/o descarga rpida de elementos

    electroqumicos.

    MDULO DOS ELECTROTECNIA

    U.D. 2 CIRCUITOS ELCTRICOS. ANLISIS FUNCIONAL

  • 8/3/2019 Alzira Modulo2 Electrotecnia Completo

    66/282

    70

    3.4. Tipos de acumuladores y pilasAcumuladores de plomo-cido: son las bateras de arranque de los coches y de instalaciones fijas de telecomunicaciones. Su tensin es de 2V/elemento. Las bateras de plomo-cido (no hermticas) deben deusarse con precaucin porque los gases de carga son explosivos y suelectrolito es muy corrosivo.

    Batera de NiCd: tiene la ventaja de no emitir vapores cidos o explosivosal ambiente. Se usan en algunas instalaciones industriales. Su tensin es1,2 V/elemento.

    El formato pila (pequeo tamao, cilndricas o no) se usan muchos tiposde elementos. Los hay desechables y recargables. En el siguiente cuadrose dan algunos datos tcnicos.

    Para conocer mejor los distintos tipos de pilas actuales es aconsejablerecurrir a la informacin (muy completa) que las marcas acreditadastienen en internet.

    3.5. Obtencin de corriente elctrica

    La obtencin de energa elctrica se basa en reacciones qumicas que sehacen en las placas, o entre placas y electrolito.

    Durante la descarga, la reaccin en el ctodo libera electrones que,circulando por el circuito exterior, llegan al nodo en donde serecombinan.

    Durante la carga, para trabajar en contra de la f.e.m. del elemento, hacefalta una fuente exterior de energa, con una tensin superior a la delelemento a cargar, para conseguir hacer la reaccin contraria.

    MDULO DOS ELECTROTECNIA

    U.D. 2 CIRCUITOS ELCTRICOS. ANLISIS FUNCIONAL

    Sistema V/elemento Comentario

    Zn/Ag2O 1,55 de botn

    NiMH 1,2 recargable (tpicas de mvil)

    ZnO2 1,4 de botn

    NiCd 1,2 recargable

    Zn/HgO 1,4 - 1,5 de botn

    Li/MnO2 3 de botn

    Zn/MnO2 1,5 clsica; mejorada: alcalinas no recargables

  • 8/3/2019 Alzira Modulo2 Electrotecnia Completo

    67/282

    71

    3.6. Precaucin

    Los generadores electroqumicos, por su propia constitucin, tiene tresriesgos importantes:

    Riesgo elctrico: como generadores tiene una energa que puede serpeligrosa. Por ejemplo, la corriente de cortocircuito de una baterade coche puede superar el kA, lo que puede producir muy fcilmenteun incendio.

    Riesgo qumico: los productos usados en pilas y acumuladores sontodos qumicamente activos, peligrosos y, hasta venenosos. Nuncadeben manipularse sin especiales precauciones. Tragarse ciertos tiposde pilas de botn es mortal. El cido de la batera del coche es muycorrosivo para la piel y peligroso para la vista.

    Riesgo ecolgico: las pilas y acumuladores viejos siempre debenllevarse a los puntos de recogida. Por ejemplo, algunos tipos de pilas,

    pueden contaminar cientos o miles de litros de agua de un manantialy hasta de un acufero, que es ms grave.

    3.7. Asociacin de generadores de cc

    La asociacin de generadores de cc en serie es muy frecuente, puestoque, como se ha visto, la tensin que puede proporcionar cada elementoes muy baja.

    Para que la asociacin sea rentable en sentido electrotcnico y econmico,los elementos deben ser iguales.

    MDULO DOS ELECTROTECNIA

    U.D. 2 CIRCUITOS ELCTRICOS. ANLISIS FUNCIONAL

  • 8/3/2019 Alzira Modulo2 Electrotecnia Completo

    68/282

    72

    En la asociacin serie, se suman las f.e.m. y las resistencias internas decada elemento. La corriente del conjunto y su capacidad es la mismaque la de cada elemento.

    La asociacin paralelo no se usa en aplicaciones domsticas, pero s enindustriales. Su estudio es complejo; aqu se obvia.

    Ejemplo 1.- Hallar la ri de la pila.

    Solucin

    Ejemplo 2.- Con qu tensin alimentamos un discman que utiliza 3elementos en serie, si:

    Utilizamos 3 pilas desechables normales (manganeso - zinc).

    Utilizamos 3 pilas recargables de NiCd.

    Solucin:

    Por eso parece que duren menos: porque llegan antes a la tensinmnima de funcionamiento del aparato!

    MDULO DOS ELECTROTECNIA

    U.D. 2 CIRCUITOS ELCTRICOS. ANLISIS FUNCIONAL

  • 8/3/2019 Alzira Modulo2 Electrotecnia Completo

    69/282

    73

    4. LA CORRIENTE ALTERNA: TIPO Y PARMETROS

    4.1. Recordemos: el generador elemental de ca

    Si hacemos girar una espira con velocidad angular constante, dentro deun campo magntico uniforme, de forma que el eje de giro seaperpendicular al campo, se produce en la bobina una f.e.m. inducidaalterna y senoidal.

    4.2. Magnitudes y valores importantes en ca senoidal

    4.2.1. Magnitudes

    Ciclo: conjunto de valores que toma una seal hasta volver al inicial(en valor y sentido).

    Frecuencia: nmero de ciclos que completa una seal en la unidadde tiempo.

    Smbolo de la magnitud: f.

    Unidad: hertzio, que corresponde a 1 ciclo por segundo; smbolo dela unidad: Hz.

    Perodo: es el tiempo que se tarda en completar un ciclo.

    Smbolo de la magnitud: P.Unidad: segundo.

    Importante: la frecuencia es el inverso del perodo.

    Pulsacin: la velocidad angular de la espira.

    Smbolo de la magnitud:

    Unidad: rad/s; se expresa tambin en rpm (revoluciones por minuto);

    su factor de conversin es 2 /60.

    MDULO DOS ELECTROTECNIA

    U.D. 2 CIRCUITOS ELCTRICOS. ANLISIS FUNCIONAL

  • 8/3/2019 Alzira Modulo2 Electrotecnia Completo

    70/282

    74

    Fase: ngulo de la espira en un instante dado. Se mide en unidadesde ngulo, grados o radianes. As, en trifsica, hablamos de "3 fases"porque las espiras forman un ngulo (de 120).

    4.2.2. Valores importantes

    Valores instantneos: evidentemente, los valores cambiancontinuamente. Por ello, hay que hablar, ante todo, de valoresinstantneos. Se representan con las letras minsculas: e, u, i.

    Valores de pico o mximos: corresponden al punto ms alto de lasenoide, positivo o negativo. Se suelen expresar con letras maysculas

    y el subndice "mx": Emx, Imx. Este valor ser til para saber, porejemplo, la tensin mxima de carga de un condensador.

    Valores eficaces: ste es el valor que, salvo indicacin expresa encontra, se usa normalmente y al que se hace referencia siempre aldar una valor elctrico. Es el que marcan los aparatos de medida.Corresponde al valor de una cc que produjese los mismos efectostrmicos. Se representa por la letra mayscula sin subndices: E, U,I...

    Relacin matemtica de inters:

    4.3. Potencia en ca

    La potencia se define como en producto U.I.

    En cc, ambas magnitudes tienen un valor constante, por lo que suproducto es, a su vez, un valor constante, es decir, no variable en eltiempo.

    MDULO DOS ELECTROTECNIA

    U.D. 2 CIRCUITOS ELCTRICOS. ANLISIS FUNCIONAL

  • 8/3/2019 Alzira Modulo2 Electrotecnia Completo

    71/282

    75

    En ca, tanto la tensin como la intensidad varan continuamente segnuna funcin senoidal. Por tanto, su producto es tambin variable.

    Segn se observa en la figura anterior, la potencia es variable en funcinde los valores de U y de I. Siempre es positiva porque tensin y corrienteson siempre del mismo signo.

    Pero, como se ver, si tensin y corriente se desfasan, aparece un "factorde potencia", menor que la unidad, que modifica el resultado: P U.I.

    El ngulo de desfasaje se le suele denominar fhi ( ) y tiene muchaimportancia en el estudio de las instalaciones reales de ca.

    MDULO DOS ELECTROTECNIA

    U.D. 2 CIRCUITOS ELCTRICOS. ANLISIS FUNCIONAL

  • 8/3/2019 Alzira Modulo2 Electrotecnia Completo

    72/282

    76

    5. GENERADORES Y RECEPTORES

    5.1. Recordemos

    Del generador, en este captulo, interesa: cc o ca; frecuencia; fem;impedancia o resistencia interna.

    Los receptores pueden ser pasivos, R, C y L o activos, que son los quetienen su propia f.e.m., como las bateras en carga o los motores de cc(los motores de ca, en este tema, se obvian).

    5.2. Polarizacin de receptores

    Tanto en ca, como sobre todo en cc, es muy importante fijar unconvencionalismo sobre los sentidos de las ddt y de las cdt. Para ellousaremos los siguientes convenios:

    1) Salvo indicacin en contra, trabajamos siempre con el sentido

    convencional de la corriente.2) Se utilizan flechas para indicar el sentido de la corriente.

    3) Se utilizan signos (+ o -) para indicar el sentido de las ddt o de lascdt.

    4) Los generadores de cc tienen su propia polaridad de tensin. Lacorriente sale por su polo positivo y entra por el negativo, circulandopor dentro del generador en sentido inverso.

    5) Los generadores de ca no tienen polaridad. Pero sealizar su sentidopuede ser til para calcular las ddt entre puntos.

    6) Los receptores pasivos (R, C o L) no tienen polaridad. Se les asignapolaridad en funcin del sentido de la corriente, poniendo el + pordonde entra la corriente al elemento.

    7) Los receptores activos, como acumuladores en carga, tienen polaridadpropia. La corriente de carga, que entra por su polo positivo, slopolariza la resistencia interna.

    MDULO DOS ELECTROTECNIA

    U.D. 2 CIRCUITOS ELCTRICOS. ANLISIS FUNCIONAL

  • 8/3/2019 Alzira Modulo2 Electrotecnia Completo

    73/282

    77

    Ejemplo 1.- Calcular valores y sealizar sentidos en el circuito de la figura

    Resolucin1) Rt = [(3 + 4 + 5) // 8] + 1 + 0,2 = 6

    2) It = 18 V/6 = 3 A

    3) cdt parciales: 1 parte

    cdt(i) = 3 A x 0,2 V = 0,6 V

    Ub = fem cdt(i) = 18 V 0,6 V = 17,4 V

    cdt(1) = 3 A x 1 = 3 V

    cdt(4,8) = 3 A x 4,8 = 14,4 V

    4) Resto ramas.

    Una vez conocida la ddt sobre la Req del sistema serie/paralelo [(3

    + 4 + 5)//8], se aplica esa ddt a cada una de las ramas para calcularla corriente.

    MDULO DOS ELECTROTECNIA

    U.D. 2 CIRCUITOS ELCTRICOS. ANLISIS FUNCIONAL

  • 8/3/2019 Alzira Modulo2 Electrotecnia Completo

    74/282

    78

    MDULO DOS ELECTROTECNIA

    U.D. 2 CIRCUITOS ELCTRICOS. ANLISIS FUNCIONAL

    5) Slo queda calcular la cdt en cada resistencia del sistema serie

    6) Para visualizar claramente el signo de las cdt, indquese lo que marcara

    cada uno de los voltmetros de la figura siguiente

    Ejemplo 2.- Resolver e indicar la lectura del voltmetro cuando el cursordel potencimetro est en a, en b, en c (1/2 de su recorrido), end (3/4 hacia abajo).

    Ejemplo 3.- Cul es la corriente de carga de la batera?

  • 8/3/2019 Alzira Modulo2 Electrotecnia Completo

    75/282

    79

    MDULO DOS ELECTROTECNIA

    U.D. 2 CIRCUITOS ELCTRICOS. ANLISIS FUNCIONAL

    6. RECEPTORES: RESISTENCIA PURA (R)

    6.1. Previo

    La resistencia es una cualidad de los circuitos.

    Los resistores son componentes con resistencia (dicho sencillamente,tienen mucha resistencia en poco sitio). Todo conductor tiene resistencia.Todos los aparatos y sistemas elctricos tienen, por tanto, resistencia.

    6.2. Aspectos constructivos

    La resistencia de un conductor depende:

    De sus dimensiones y tipo de material:

    De su temperatura:

    6.3. Circuito con resistencia pura

    Al aplicar a un circuito con resistencia pura una tensin alterna sinusoidal,sucede que:

    1) Aparece una oposicin a la circulacin de la intensidad de corrienteque se denomina resistencia, cuyo smbolo es R y se mide enohmios.

    2) No aparece inercia a la variacin de la tensin o de la intensidad, porlo que no se produce defasaje alguno entre la tensin y la intensidad

    de corriente

  • 8/3/2019 Alzira Modulo2 Electrotecnia Completo

    76/282

    80

    MDULO DOS ELECTROTECNIA

    U.D. 2 CIRCUITOS ELCTRICOS. ANLISIS FUNCIONAL

    3) La intensidad de corriente es tambin alterna y senoidal.4) La intensidad de corriente queda ligada a la tensin y a la resistencia

    por la ley de Ohm:

    5) El valor de esta intensidad no queda ligado a la frecuencia.

    6) La energa se libera en forma de calor siguiendo la Ley de Joule:

    6.4. PotenciaPuesto que no hay defasaje entre la tensin y la intensidad, la potenciaes el producto de ambas.

    P = U.I

    6.5. Ejemplos

    Ejemplo 1.- Resolver el circuito en cc y en ca.

  • 8/3/2019 Alzira Modulo2 Electrotecnia Completo

    77/282

    81

    MDULO DOS ELECTROTECNIA

    U.D. 2 CIRCUITOS ELCTRICOS. ANLISIS FUNCIONAL

    7. RECEPTORES: CAPACIDAD PURA (C)

    7.1. Previo

    La capacidad es una cualidad de los circuitos.

    Los condensadores son componentes con capacidad (dicho sencillamente,tienen mucha capacidad en poco sitio). Hay aparatos o montajes (porejemplo, lneas elctricas muy largas) que tienen una capacidadimportante.

    El estudio de esta parte es terico, es decir, no existen circuitos con slocapacidad, porque, siempre existe una componente resistiva (circuitoRC). El objetivo de este estudio es conocer las caractersticas que definenla capacidad y las consecuencias que tiene en un circuito la existenciade capacidad.

    7.2. Aspectos constructivos

    1) Los condensadores son componentes cuya principal caracterstica esposeer capacidad.

    2) La capacidad de un condensador depende de su construccin; es

    directamente proporcional a la superficie de placa enfrentada y auna constante, e, que depende del aislante o dielctrico e inversamentea la separacin entre placas:

    7.3. Comportamiento del condensador en cc: carga/descarga

    El circuito de la figura consta de una fuente de cc y un condensador;adems, se inserta una resistencia para ralentizar el fenmeno y parapoder aplicarla en alguna expresin matemtica; tambin se tiene un

    conmutador para pasar de carga a descarga.

  • 8/3/2019 Alzira Modulo2 Electrotecnia Completo

    78/282

    82

    MDULO DOS ELECTROTECNIA

    U.D. 2 CIRCUITOS ELCTRICOS. ANLISIS FUNCIONAL

    El proceso es el siguiente

    t0: Uc = 0 V.

    t1: Cerrar sobre 1. Inicio de carga. Gran pico de corriente, luegodisminuye. Uc va subiendo.

    t3: La carga finaliza cuando Uc = E, y la corriente de carga esprcticamente 0 A. El tiempo de carga es aproximadamente unas 6

    veces t. Pasamos el conmutador a la posicin 0.

    t3-t4: El condensador permanece cargado.

    t4: Cerramos el conmutador sobre 2. Inicio de descarga. Gran picode corriente en sentido contrario al anterior. La tensin disminuye,primero muy deprisa, despus muy despacio.

    t5: Final de descarga. Uc = 0 V; I = 0 A.

    Comentarios: R es, al menos, la resistencia del circuito de carga-descarga. Si seaumenta su valor, el proceso de carga o de descarga es ms lento.

    La "constante de tiempo", , es la tangente a la curva en el origen.

    Su valor es: = R.C y en unidades: s = .F

    El condensador se considera completamente cargado para un tiempode 5 6 .

  • 8/3/2019 Alzira Modulo2 Electrotecnia Completo

    79/282

    83

    MDULO DOS ELECTROTECNIA

    U.D. 2 CIRCUITOS ELCTRICOS. ANLISIS FUNCIONAL

    7.4. Circuito con capacidad puraAl aplicar a un circuito con capacidad pura una tensin alterna senoidal,sucede que:

    1) Aparece una oposicin a la circulacin de la intensidad de corrienteque se denomina reactancia capacitativa, cuyo smbolo es XC,

    y que se mide en ohmios.

    2) El valor de esta reactancia capacitativa queda ligado a la frecuenciay a la capacidad por la expresin:

    3) Aparece, adems, una inercia a la variacin de la tensin, por lo quela que la I se adelanta 90 respecto a la tensin aplicada

    4) La intensidad de corriente es tambin alterna y senoidal.

    5) La intensidad de corriente queda ligada a la tensin y a la reactanciapor la ley de Ohm:

    6) En el condensador se almacena energa en forma de campo elctrico,segn la expresin:

    7.5. Otras consideraciones

    1) El condensador en cc (frecuencia cero) es un circuito abierto: la fest como factor multiplicador en la ley de Ohm.

    2) Precaucin con la I de conexin de condensadores.

    3) Al manipular un circuito con condensadores, prever que puedenestar cargados, aunque hayan pasado horas desde que se han

    desconectado.

  • 8/3/2019 Alzira Modulo2 Electrotecnia Completo

    80/282

    84

    MDULO DOS ELECTROTECNIA

    U.D. 2 CIRCUITOS ELCTRICOS. ANLISIS FUNCIONAL

    4) Las lneas largas de cables pueden tener una capacidad importanterespecto a tierra.

    5) Como se ver, los condensadores se utilizan para corregir el cosenode fhi, para el arranque de ciertos tipos de motores monofsicos,suprimir interferencias (antiparasitarios), para separar las componentesde ca. y de cc.

    7.6. Potencia

    Como se ha visto, la corriente se adelanta 90 a la tensin.

    La potencia (P) (rea sombreada de la figura) es cero, ya que la sumade reas positiva y negativa es nula: no se transfiere energa a otro sistema.

    7.7. Ejemplos

    Ejemplo 1.- Qu XC tiene un condensador de 4 F, como los usados enlos fluorescentes, si est conectado a una red de 50 Hz?

    Ejemplo 2.- Qu corriente de rgimen tomar de una red de 230 V, 50Hz un condensador de 6 F?

    Ejemplo 3.- Si el condensador del ejemplo anterior trabaja en una redde 230 V pero de 400 Hz, qu corriente tomar?

  • 8/3/2019 Alzira Modulo2 Electrotecnia Completo

    81/282

    85

    MDULO DOS ELECTROTECNIA

    U.D. 2 CIRCUITOS ELCTRICOS. ANLISIS FUNCIONAL

    Ejemplo 4.- Qu corriente de rgimen tomar de una red de cc de 230V un condensador de 6 F?

    Ejemplo 5.- Cunto tiempo tarda en cargarse un condensador de 1 Fsi tiene en serie una resistencia de 10.000 ohm?

    Problema propuesto.- En el circuito de la figura, hallar UC1, UC2, Uab,Ubd, una vez pasado el transitorio de carga.

  • 8/3/2019 Alzira Modulo2 Electrotecnia Completo

    82/282

    86

    MDULO DOS ELECTROTECNIA

    U.D. 2 CIRCUITOS ELCTRICOS. ANLISIS FUNCIONAL

    8. RECEPTORES: INDUCCIN PURA (L)

    8.1. Previo

    La inductancia (o autoinduccin) es una cualidad de los circuitos.

    Las bobinas son componentes con inductancia (dicho sencillamente,tienen mucha autoinduccin en poco sitio). Hay aparatos (por ejemplo,los contactores o los motores) que tienen autoinduccin.

    El estudio de esta parte es terica, es decir, no existen circuitos con slo

    autoinduccin, porque, evidentemente, cualquier bobina est hecha conconductores y stos tienen resistencia: es decir, son circuitos RL. Elobjetivo de este estudio es conocer las caractersticas que definen laautoinduccin y las consecuencias que tiene en un circuito la existenciade autoinduccin.

    8.2. Aspectos constructivos

    1) Las bobinas son componentes cuya principal caracterstica es poseerautoinduccin o inductancia, L.

    2) La autoinduccin de una bobina depende de la forma y dimensiones

    del bobinado y de las caractersticas magnticas del ncleo, segn laexpresin (esta expresin, slo da una idea de proporcionalidad; noes directamente aplicable a cualquier bobina real):

    8.3. Estudio del comportamiento en cc:

    conexin/desconexinDel circuito de la figura nos interesan esencialmente la fuente de cc yla bobina o autoinduccin, L; a diferencia del condensador, la resistenciaR en serie no es aadida, representa la resistencia del arrollamiento dela bobina; de todos modos, la explicacin se hace como si esta resistenciatuviera un valor despreciable, aunque no cero, puesto que se utiliza enciertos puntos; los circuitos RL se estudiarn ms abajo. Tambin se hainsertado un conmutador para pasar de conexin a cortocircuito.

  • 8/3/2019 Alzira Modulo2 Electrotecnia Completo

    83/282

    87

    MDULO DOS ELECTROTECNIA

    U.D. 2 CIRCUITOS ELCTRICOS. ANLISIS FUNCIONAL

  • 8/3/2019 Alzira Modulo2 Electrotecnia Completo

    84/282

    88

    MDULO DOS ELECTROTECNIA

    U.D. 2 CIRCUITOS ELCTRICOS. ANLISIS FUNCIONAL

    Consideraciones previas: El clculo con funciones exponenciales justifica lo que elementalmente

    se va a explicar.

    La separacin de R y L es conceptual. De hecho existe un nicocomponente, la bobina, y slo dos bornes en los que medir.

    La bobina est desenergizada. UL = 0 V.

    Se pasa el conmutador a la posicin 1:

    La tensin aplicada a la bobina es E. En todo momento cdt (R) +ddt(L) = E.

    La corriente aumenta "lentamente".

    Cuando la bobina, L, est completamente energizada, la corrientees la de rgimen, es decir: E/R.

    Ntese que en ese momento, a la bobina le entra la corriente por a,que, por tanto, es su lado positivo. La bobina ha creado un campoN-S que suponemos que tiene el N en a.

    Se pasa el conmutador a la posicin 2:

    En ese momento, la corriente tiende a disminuir, por tanto, tiendea aparecer una f.e.m. de autoinduccin que, por ley de Lenz, tiene

    que oponerse a esa disminucin de corriente y de campo. Por tanto, la bobina ha pasado de receptor a generador, devuelve la

    energa almacenada en ella.

    Este mantenimiento de la I, ralentiza el proceso de cese de corrienteen el circuito y atrasa la corriente respecto a la tensin.

    La constante de tiempo es:

  • 8/3/2019 Alzira Modulo2 Electrotecnia Completo

    85/282

    89

    MDULO DOS ELECTROTECNIA

    U.D. 2 CIRCUITOS ELCTRICOS. ANLISIS FUNCIONAL

    8.4. La inductancia, L, en caAl aplicar a un circuito con autoinduccin pura una tensin alternasinusoidal, sucede que:

    1) Aparece una oposicin a la circulacin de la intensid