Prevención de Riesgos Electricos 2015

Apunte #1

La electricidad es un fenómeno físico cuyo origen son las cargas eléctricas y cuya energía se manifiesta en fenómenos mecánicos, térmicos, luminosos y químicos, entre otros. Se puede observar de forma natural en fenómenos atmosféricos, por ejemplo los rayos, que son descargas eléctricas producidas por la transferencia de energía entre la ionosfera y la superficie terrestre (proceso complejo del que los rayos solo forman una parte). Otros mecanismos eléctricos naturales los podemos encontrar en procesos biológicos, como el funcionamiento del sistema nervioso. Es la base del funcionamiento de muchas máquinas, desde pequeños electrodomésticos hasta sistemas de gran potencia como los trenes de alta velocidad, y de todos los dispositivos electrónicos

Los iones cargados negativamente, producidos por haber más electrones que protones, se conocen como aniones (que son atraídos por el ánodo) y los cargados positivamente, consecuencia de una pérdida de electrones, se conocen como cationes (los que son atraídos por el cátodo).

Anión y catión significan:

En química, se define al ión, como una especie química, ya sea un átomo o una molécula, cargada eléctricamente. Esto se debe a que ha ganado o perdido electrones de su dotación, originalmente neutra, fenómeno que se conoce como ionización.Las dos partículas elementales cargadas que existen en la materia y que se encuentran de forma natural en la Tierra son el electrón y el protón

Cuando un átomo gana o pierde un electrón, queda cargado eléctricamente. A estos átomos cargados se les denomina iones.

Los iones cargados negativamente, producidos por la ganancia de electrones, se conocen como

aniones y los cargados positivamente, consecuencia de una pérdida de electrones, se conocen

como cationes.

Anión ("el que va hacia abajo") tiene carga eléctrica negativa. Catión ("el que va hacia arriba") tiene carga eléctrica positiva.

Ánodo y cátodo utilizan el sufijo '-odo', del griego odos, que significa camino o vía.

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/a/ad/Cargas_electricas.png

Fuerza entre cargas

Ley de Coulomb.

Coulomb fue el primero en determinar, en 1785, el valor de las fuerzas ejercidas entre cargas eléctricas. Usando una balanza de torsión determinó que la magnitud de la fuerza con que se

atraen o repelen docargas eléctricas puntuales en reposo es directamente proporcional al producto de las magnitudes de cada carga e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa.13

donde y son las cargas, es la distancia que las separa y la constante de proporcionalidad k depende del sistema de unidades.

ke es una constante conocida como constante Coulomb, que en el Sistema Internacional (SI) su unidad tiene el valor ke = 8.987x109 Nm2/C2.

En el Sistema Internacional de Unidades la unidad de carga eléctrica se denomina culombio (símbolo C) y se define como la cantidad de carga que pasa por una sección en 1 segundo cuando la corriente eléctrica es de 1 amperio. Se corresponde con la carga de 6,24 × 1018 electrones aproximadamente.

La carga más pequeña que se encuentra en la naturaleza es la carga del electrón (que es igual en magnitud a la del protón y, de signo opuesto): e = 1,602 × 10-19 C (1 eV en unidades naturales).

La corriente o intensidad eléctrica

Es el flujo de carga por unidad de tiempo que recorre un material.

Se debe al movimiento de los electrones en el interior del material. En el Sistema Internacional de Unidades se expresa en C/s (culombios sobre segundo), unidad que se denomina amperio

Sentido de circulación de la corriente eléctrica

Para la resolución de ejercicios y el análisis de circuitos se suele tomar este sentido de circulación de la corriente (positivo a negativo) ya que facilita el cálculo y se lo llama sentido técnico.

Una corriente de electricidad existe en un lugar cuando una carga neta se transporta desde ese lugar a otro en dicha región. Supongamos que la carga se mueve a través de un alambre. Si la carga q se transporta a través de una sección transversal dada del alambre, en un tiempo t, entonces la intensidad de corriente I, a través del alambre es:

Aquí q está dada en culombios, t en segundos, e I en amperios. Por lo cual, la equivalencia es:

El instrumento usado para medir la intensidad de la corriente eléctrica es el galvanómetro que, calibrado en amperios, se llama amperímetro, colocado en serie con el conductor cuya intensidad se desea medir.

Carga Eléctrica fundamental : e- = -1.602 x (10)-19 (C)

1 ( C ) = 6,24 x (10)18 e-

1 Ampere (A) = 1 C / S

Voltaje

El voltaje, tensión o diferencia de potencial es la presión que ejerce una fuente de suministro de

energía eléctrica o fuerza electromotriz (FEM) sobre las cargas eléctricas o electrones en un circuito eléctrico cerrado, para que se establezca el flujo de una corriente eléctrica.

El volt (símbolo V), es la unidad derivada del Sistema Internacional para el potencial eléctrico, la fuerza electromotriz y la tensión eléctrica. Recibe su nombre en honor a Alessandro Volta, quien en 1800 inventó la pila voltaica, la primera batería química.

El potencial eléctrico se mide en un punto. La diferencia de potencial consiste en comparar el potencial de dos puntos distintos. Tanto el potencial como la diferencia de potencial, se  miden en volt.

1 (v) = 1 J / C (volt)

Valores comunes

Aparato Valor

Potencial de acción de una neurona cerca de 75 mV

Batería de célula simple 1,2 V

Batería de mercurio 1,355 V

Batería alcalina no recargable 1,5 V

Batería recargable de litio 3,75 V

Transistor de tecnología TTL 5 V

Batería PP3 9 V

Sistema eléctrico de un automóvil 12 V (en algunos casos: 16 V)

Electricidad central de una vivienda

240 V en Oceanía;

230 V en Europa, Asia (salvo Japón) y África;220 V en Sudamérica (menos en Colombia, Ecuador y Venezuela);120 V en Norteamérica;110 V en Colombia, Ecuador y Venezuela;100 V en Japón.

Rieles del tren 600 a 700 V

Líneas de corriente de trenes de alto voltaje

aprox. 25 kV

Red de transporte de energía eléctrica de alto voltaje

110 kV o más

Rayo 100 MV

VoltajeDiferencia de potencial

Para lograr que una lámpara como la de la figura se encienda, debe circular por los cables a los cuales está conectada, una corriente eléctrica

Para que esta corriente circule por los cables debe existir una fuerza llamada Fuente de fuerza electromotriz o para entender mejor una fuente de voltaje

Una batería (en el caso de corriente continua), que es simplemente una fuente de voltaje.

Normalmente las fuentes de voltaje tienen en su salida un valor fijo. Ejemplo: 3, 6, 9, 12 Voltios, etc., pero hay casos de fuentes de voltaje de salida variable, que tienen aplicaciones especiales.

Cuando hablamos del voltaje de una batería o el voltaje que se puede obtener de un tomacorriente en la pared, estamos hablando de una diferencia de potencial.

En el primer caso es una fuente de voltaje de corriente directa y en el segundo una fuente de voltaje de corriente alterna.

Tal vez la forma más fácil de entender el significado de un voltaje es haciendo una analogía con un fenómeno de la naturaleza.

Si comparamos el flujo de la corriente continua con el flujo de la corriente de agua de un río y al voltaje con la altura de una catarata (caída de agua), se puede entender a que se refiere el término voltaje (diferencia de potencial), que sería la altura (diferencia de alturas) de la caída de agua.

La diferencia de potencial se entiende mejor cuando se habla de la energía potencial.

- La energía es la capacidad de realizar trabajo y....Energía potencial es la energía que se asocia a un cuerpo por la posición que tiene. (en nuestro caso es la altura de la catarata)

Dos casos posibles:

- Una fuente que entregue un voltaje elevado con poca corriente. El caso de una caída de agua muy alta con poco caudal (poca corriente de agua)

- Una fuente que entregue un voltaje pequeño pero mucha corriente. El caso de una caída de agua pequeña con mucho caudal (mucha corriente de agua).

Un caso interesante es aquel en que la fuente tiene un valor de voltaje elevado y entrega mucha corriente. Este caso se presentaría en una caída de agua muy alta con un caudal muy grande.

Este caso en especial nos indica que tenemos una fuente de voltaje con gran capacidad de entrega de potencia.

Resistencia Eléctrica

Resistencia eléctrica es toda oposición que encuentra la corriente a su paso por un circuito eléctrico cerrado, atenuando o frenando el libre flujo de circulación de las cargas eléctricas o electrones. Cualquier dispositivo o consumidor conectado a un circuito eléctrico representa en sí una carga, resistencia u obstáculo para la circulación de la corriente eléctrica.

A.- Electrones fluyendo por un buen conductor eléctrico, que ofrece baja resistencia. B.- Electrones fluyendo por un mal conductor. eléctrico, que ofrece alta resistencia a su paso. En ese caso los electrones chocan unos contra otros al no poder circular libremente y, como consecuencia, generan calor.

Normalmente los electrones tratan de circular por el circuito eléctrico de una forma más o menos organizada, de acuerdo con la resistencia que encuentren a su paso. Mientras menor sea esa resistencia, mayor será el orden existente en el micromundo de los electrones; pero cuando la resistencia es elevada, comienzan a chocar unos con otros y a liberar energía en forma de calor. Esa situación hace que siempre se eleve algo la temperatura del conductor y que, además, adquiera valores más altos en el punto donde los electrones encuentren una mayor resistencia a su paso.

La resistencia eléctrica es él elemento pasivo mas simple. Transforma energía eléctrica en calor. (disipa energía) Ejemplo: una estufa

R = ρ x L / A (Ω) Ohm No almacena energía

ρ del cobre = 0.017 Ώ. mm²/m

Conductancia : G = 1 / R (Mho) = (Siemens)

Ejercicios :1) Un cable de cobre tiene una longitud de 5 km y una sección de 10 mm². Si su coeficiente

de resistividad es 0,017 Ώ.mm²/m. calcular la resistencia electrica del cable2) Determinar la resistencia de 100 m de conductor de cobre de 4 mm de diámetro.

Postulado general de la Ley de Ohm

El flujo de corriente en ampere que circula por un circuito eléctrico cerrado, es directamente proporcional a la tensión o voltaje aplicado, e inversamente proporcional a la resistencia en ohm de la carga que tiene conectada.

FÓRMULA MATEMÁTICA GENERAL DE REPRESENTACIÓN DE LA LEY DE OHM

Desde el punto de vista matemático el postulado anterior se puede representar por medio de la siguiente Fórmula General de la Ley de Ohm:

De donde:

I – Intensidad de la corriente que recorre el circuito en ampere (A)

V – Valor de la tensión, voltaje o fuerza electromotriz en volt (V)

R – Valor de la resistencia del consumidor o carga conectado al circuito en ohm

( ).

Se puede deducir las formula para calcular el voltaje y la corriente: V = R x II = V / R

VARIANTE PRÁCTICA:

Aquellas personas menos relacionadas con el despeje de fórmulas matemáticas pueden realizar también los cálculos de tensión, corriente y resistencia correspondientes a la Ley de Ohm, de una forma más fácil utilizando el siguiente recurso práctico

Con esta variante sólo será necesario tapar con un dedo la letra que representa el valor de la incógnita que queremos conocer y de inmediato quedará indicada con las otras dos letras cuál es la operación matemática que será necesario realizar.

HALLAR EL VALOR EN OHM DE UNA RESISTENCIA

Para calcular, por ejemplo, el valor de la resistencia "R" en ohm de una carga conectada a un circuito eléctrico cerrado que tiene aplicada una tensión o voltaje "V" de 1,5 volt y por el cual circula el flujo de una corriente eléctrica de 500 miliampere (mA) de intensidad, procedemos de la siguiente forma:

 

 

Tapamos la letra “R” (que representa el valor de la incógnita que queremos despejar, en este caso la resistencia "R" en ohm) y nos queda

representada la operación matemática que debemos realizar:

Como se puede observar, la operación matemática que queda indicada será: dividir el valor de la tensión o voltaje "V", por el valor de la intensidad de la corriente " I " , en ampere (A) . Una vez

realizada la operación, el resultado será el valor en ohm de la resistencia "R" .

En este ejemplo específico tenemos que el valor de la tensión que proporciona la fuente de fuerza electromotriz (FEM) (el de una batería en este caso), es de 1,5 volt, mientras que la intensidad de la corriente que fluye por el circuito eléctrico cerrado es de 0,5 Amperes.

procedemos a sustituir, seguidamente, los valores numéricos para poder hallar cuántos ohm tiene la resistencia del circuito eléctrico con el que estamos trabajando, tal como se muestra a continuación:.

Como se puede observar, el resultado de la operación matemática arroja que el valor de la resistencia "R" conectada al circuito es de 3 ohm.

HALLAR EL VALOR DE INTENSIDAD DE LA CORRIENTE

Veamos ahora qué ocurre con la intensidad de la corriente eléctrica en el caso que la resistencia "R", en lugar de tener 3 ohm, como en el ejemplo anterior, tiene ahora 6 ohm. En esta oportunidad la incógnita a despejar sería el valor de la corriente " I ", por tanto tapamos esa letra:

A continuación sustituimos “V” por el valor de la tensión de la batería (1,5 V) y la “R” por el valor de la

resistencia, o sea, 6 . A continuación efectuamos la operación matemática dividiendo el valor de la tensión o voltaje entre el valor de la resistencia:

En este resultado podemos comprobar que la resistencia es inversamente proporcional al valor de la corriente, porque cuando el valor de "R" aumenta de 3 a 6 ohm, la intensidad " I " de la corriente también, varía, pero disminuyendo su valor de 0, 5 a 0,25 ampere

HALLAR EL VALOR DE LA TENSIÓN O VOLTAJE

Ahora, para hallar el valor de la tensión o voltaje "V" aplicado a un circuito, siempre que se conozca el valor de la intensidad de la corriente " I " en ampere que lo recorre y el valor en ohm de la resistencia "R" del consumidor o carga que tiene conectada, podemos seguir el mismo procedimiento tapando en esta ocasión la "V”, que es la incógnita que queremos despejar.

 

A continuación sustituyendo los valores de la intensidad de corriente " I " y de la resistencia "R" del ejemplo anterior y tendremos:

El resultado que obtenemos de esta operación de multiplicar será 1,5 V, correspondiente a la diferencia de potencial o fuerza electromotriz (FEM), que proporciona la batería conectada al circuito.

Concepto de Energia

Para entender qué es la potencia eléctrica es necesario conocer primeramente el concepto de “energía”, que no es más que:

la capacidad que tiene un mecanismo o dispositivo eléctrico cualquiera para realizar un trabajo.

Cuando conectamos un equipo o consumidor eléctrico a un circuito alimentado por una fuente de fuerza electromotriz (F.E.M), como puede ser una batería, la energía eléctrica que suministra fluye por el conductor, permitiendo que, por ejemplo, una ampolleta de alumbrado, transforme esa energía en luz y calor, o un motor pueda mover una maquinaria.

De acuerdo con la definición de la física, “la energía ni se crea ni se destruye, se transforma”. En el caso de la energía eléctrica esa transformación se manifiesta en la obtención de luz, calor, frío, movimiento (en un motor), o en otro trabajo útil que realice cualquier dispositivo conectado a un circuito eléctrico cerrado.

La energía utilizada para realizar un trabajo cualquiera, se mide en “joule” y se representa con la letra “J”.

 Ley de Joule

Este efecto fue definido de la siguiente manera: "El calor generado por una corriente eléctrica, depende directamente del cuadrado de la intensidad de la corriente, del tiempo que ésta circula por el conductor y de la resistencia que opone el mismo al paso de la corriente". Matemáticamente se expresa como

POTENCIA ELÉCTRICA

Potencia es la velocidad a la que se consume la energía. Si la energía fuese un líquido, la potencia sería los litros por segundo que vierte el depósito que lo contiene. La potencia se mide en joule por segundo (J/seg) y se representa con la letra “P”.

Un J/seg equivale a 1 watt (W), por tanto, cuando se consume 1 joule de potencia en un segundo, estamos gastando o consumiendo 1 watt de energía eléctrica.

La unidad de medida de la potencia eléctrica “P” es el “watt”, y se representa con la letra “W”.

CÁLCULO DE LA POTENCIA DE UNA CARGA ACTIVA (RESISTIVA)

La forma más simple de calcular la potencia que consume una carga activa o resistiva conectada a un circuito eléctrico es multiplicando el valor de la tensión en volt (V) aplicada por el valor de la intensidad (I) de la corriente que lo recorre, expresada en ampere. Para realizar ese cálculo matemático se utiliza la siguiente fórmula:

Unidad de medida : watts (W)

Formula de potencia

Si ahora queremos hallar la intensidad de corriente ( I ) que fluye por un circuito conociendo la

potencia en watt que posee el dispositivo que tiene conectado y la tensión o voltaje aplicada, podemos despejar la fórmula anterior de la siguiente forma y realizar la operación matemática correspondiente:

Si observamos la formula expuesta al inicio, veremos que el voltaje y la intensidad de la corriente que fluye por un circuito eléctrico, son directamente proporcionales a la potencia, es decir, si uno de ellos aumenta o disminuye su valor, la potencia también aumenta o disminuye de forma proporcional. De ahí se deduce que, 1 watt (W) es igual a 1 ampere de corriente ( I ) que fluye por un circuito, multiplicado por 1 volt (V) de tensión o voltaje aplicado, tal como se representa a continuación.

1 watt = 1 volt · 1 ampere

Veamos, por ejemplo, cuál será la potencia o consumo en watt de una ampolleta conectada a una red de energía eléctrica doméstica monofásica de 220 volt, si la corriente que circula por el circuito de la ampolleta es de 0,45 ampere.

Sustituyendo los valores en la fórmula de potencia tenemos:

P = V · IP = 220 · 0,45P = 100 watt

Es decir, la potencia de consumo de la ampolleta será de 100 W .

De igual forma, si queremos hallar la intensidad de la corriente que fluye por la ampolleta conociendo su potencia y la tensión o voltaje aplicada al circuito, podemos utilizar la fórmula de potencia

Si realizamos la operación utilizando los mismos datos del ejemplo anterior,

Tendremos

De acuerdo con esta fórmula, mientras mayor sea la potencia de un dispositivo o equipo eléctrico conectado a un circuito consumiendo energía eléctrica, mayor será la intensidad de corriente que fluye por dicho circuito, siempre y cuando el valor del voltaje o tensión se mantenga constante.

Calculo de Energia

La unidad de consumo de energía de un dispositivo eléctrico se mide en watt-hora o en kilowatt-hora (kW-h) para medir miles de watt.

Normalmente las empresas que suministran energía eléctrica a la industria y el hogar, en lugar de facturar el consumo en watt-hora, lo hacen en kilowatt-hora (kW-h). Si, por ejemplo, tenemos encendidas en nuestra casa dos lámparas de 500 watt durante una hora, el reloj registrador del consumo eléctrico registrará 1 kW-h consumido en ese período de tiempo, que se sumará a la cifra del consumo anterior

 

Una ampolleta de 40 W consume o gasta menos energía que otra de 100 W. Por eso, mientras más equipos conectemos a la red eléctrica, mayor será el consumo y más dinero habrá que abonar después a la empresa de servicios a la que contratamos la prestación del suministro de energía eléctrica

Para hallar la potencia de consumo en watt de un dispositivo, también se pueden utilizar, indistintamente, una de las dos fórmulas que aparecen a continuación:

En el primer caso, el valor de la potencia se obtiene elevando al cuadrado el valor de la intensidad de corriente en ampere (A) que fluye por el circuito, multiplicando a continuación ese resultado por el valor de

la resistencia en ohm ( ) que posee la carga o consumidor conectado al propio circuito.

En el segundo caso obtenemos el mismo resultado elevando al cuadrado el valor del voltaje de la red

eléctrica y dividiéndolo a continuación por el valor en ohm ( ) que posee la resistencia de la carga conectada.

Circuitos eléctricos

Circuito serie:

Circuito con equipos conectados en serie

La corriente es la misma en todos los equipos eléctricos conectados al circuito

El voltaje que le corresponde a cada equipo es distinto al voltaje de la fuente

Para calcular el voltaje que resulta en cada equipo eléctrico se debe aplicar la ley de Ohm. V = I x R

La resistencia esta dada por el fabricante del equipo eléctrico. La corriente total se deberá calcular primeramente para poder saber el valor de voltaje al que quedara sometido cada equipo eléctrico (mediante la formula anterior)

Calculo de resistencia total de un circuito en serie :

Resistencia total = resistencia 1 + resistencia 2 = R1 + R2

O bien el valor de resistencia del equipo #1 + el valor de resistencia del equipo #2

Circuito paralelo

Equipos eléctricos R1 y R2 conectadas en paralelo con la fuente de voltaje

El voltaje presente en todos los equipos eléctricos es el mismo de la fuente de voltaje

La corriente que circula por cada consumo equipo eléctrico es dependiente del valor de la resistencia de cada equipo

Para calcular la corriente en cada equipo se utiliza la ley de Ohm

I = V / R. El voltaje es el de la fuente y la resistencia esta dada por el fabricante del equipo eléctrico

Calculo de resistencia total del circuito paralelo

Circuito Mixto Serie Paralelo

Aquí tenemos una fuente de voltaje que alimenta un equipo eléctrico (R3) que esta en serie con un par de equipos eléctricos conectados en paralelo (R1 y R2)En este caso El valor de voltaje de la fuente no es el mismo en los equipos eléctricos conectados. Debemos reducir el circuito paralelo al equivalente a un solo equipo equivalente conectado en el paralelo y posteriormente calcular la corriente total que circulara desde la fuente. ¨Para esto sumamos la reducción del circuito paralelo y se lo sumamos a la resistencia en serie R3. Luego aplicamos ley de Ohm

Calculo de resistencia total del circuito mixto