INSTITUTO TECNOLOGICO DE PARRAL

ING. INDUSTRIAL

ELECTRICIDAD Y ELECTRONICA INDUSTRIAL

UNIDAD I

ELECTRICIDAD BASICA

UNIDAD IELECTRICIDAD BASICA

1.1 INTRODUCCION A LA ELECTRICIDAD

1.2 CONCEPTOS DE MAGNITUDES ELECTRICAS

1.3 CIRCUITO ELECTRICO

1.4 MEDICIONES DE MAGNITUDES ELECTRICAS

1.5 CONCEPTOS BASICOS DE LAS LEYES DE OHM,

KIRCHHOFF, LENZ,

FARADAY Y WATTS.

1.6 APLICACIÓN DE LOS CONCEPTOS BASICOS DE

ELECTRICIDAD.

IntroducciónComo Ingenieros Industriales, es de suma importancia conocer de manera optimizada el funcionamiento de diferentes aparatos y dispositivos electrónicos industriales, además de conocer la estructura y funcionamiento básico de maquinaria, herramientas, equipos e instrumentos de medición y control, convencionales y de vanguardia. Ahora bien, es totalmente necesario saber como instalar y poner en marcha la maquinaria y equipo que se usa en las diferentes fábricas, maquilas, entre otras. Por consiguiente, es de gran importancia determinar la relación existente entre la corriente, el voltaje y la potencia, ya que esto es como la base para aprender a manejar y conocer totalmente el funcionamiento de un circuito eléctrico, por lo tanto, en esta materia se encontrará el desarrollo de las leyes de kirchhoff y la ley de ohm, así como las aplicaciones de dichas leyes para que, de esta manera, se comprenda más clara y objetivamente los temas dados a conocer.

1.1 INTRODUCCION A LA ELECTRICIDAD.

La Electricidad es la base de todo lo que existe. Nuestro mundo es un mundo eléctrico. Existen fenómenos naturales que dan origen a la electricidad y a sus efectos muy importantes como la luz eléctrica, el calor, el movimiento en las máquinas y vehículos, etc. Fenómenos que son difíciles de entender porque suceden al interior de las partículas tan pequeñas como el átomo que el ser humano no puede captar, y solo con ilustraciones podemos explicarlas.

La electricidad es una de las principales formas de

energía usadas en el mundo actual. Sin ella, no

existiría la iluminación, ni comunicaciones de radio y

televisión, servicio telefónico, y las personas

tendrían que prescindir de aparatos eléctricos que

ya llegaron a constituir parte integrante del hogar.

Además, sin la electricidad el campo del transporte y

las comunicaciones no serian lo que son en la

actualidad. De hecho, puede decirse que la

electricidad se usa en todas partes.

HISTORIAAunque solo en los tiempos modernos la electricidad empezó a ser útil, los griegos ya la habían descubierto desde hace 2000 años. Observaron que un material que nosotros conocemos como ámbar. Se cargaba con una fuerza misteriosa, después de frotarlo contra ciertos materiales. El ámbar cargado atraía a cuerpos livianos tales como hojas secas y viruta de madera. Los griegos llamaban al ámbar elektron, de donde se ha derivado el nombre de electricidad.

Alrededor del año 1600, William Gilbert clasificaba los materiales en eléctricos y no eléctricos, según se comportaban como ámbar o no.

En 1773, un francés, Charles Dufay, observó que un trozo de vidrio eléctricamente cargado atraía algunos objetos también cargados, pero que repelía a otros objetos cargados. Concluyo entonces que existían dos tipos de electricidad.

Hacia la mitad del siglo XVIII, Benjamín Franklin llamó a estas dos clases de electricidad positiva y negativa.

¿QUE ES LA ELECTRICIDAD?

En la época de Franklin, los hombres de ciencia

consideraban que la electricidad era un "fluido"

que podía tener cargas positivas y negativas; pero

actualmente, la ciencia considera que la

electricidad se produce por partículas muy

pequeñas llamadas electrones y protones. Estas

partículas son demasiado pequeñas para verlas,

pero existen en todos los materiales.

1.2 CONCEPTOS DE MAGNITUDES ELECTRICAS

Magnitudes Básicas de un circuito eléctrico:

CARGA ELÉCTRICA y CORRIENTE

Es la cantidad de electricidad almacenada en un cuerpo. Los átomos de un cuerpo son eléctricamente neutros, es decir la carga negativa de sus electrones se anula con la carga positiva de sus protones. Podemos cargar un cuerpo positivamente (potencial positivo) si le robamos electrones a sus átomos y podemos cargarlo negativamente (potencial negativo) si le añadimos electrones. Si tenemos un cuerpo con potencial negativo y otro con potencial positivo, entre estos dos cuerpos tenemos una diferencia de potencial (d.d.p.) Los cuerpos tienden ha estar en estado neutro, es decir a no tener carga, es por ello que si conectamos los dos cuerpos con un conductor los electrones del cuerpo con potencia negativo pasan por el conductor al cuerpo con potencial positivo, para que los dos cuerpos tiendan a su estado natural, es decir neutro.

  

Acabamos de generar corriente eléctrica, ya que este movimiento de electrones es lo que se llama corriente eléctrica. Luego es necesario una d.d.p entre dos puntos para que cuando los conectemos con un conductor se genere corriente eléctrica. La diferencia de carga de los dos cuerpos será la causante de mas a menos corriente. Esta carga de un cuerpo se mide en culombios (C).

Tensión o Voltaje ( V )

La Tensión es la diferencial de potencial entre dos puntos. Como ya sabemos por el estudio de la carga eléctrica la tensión es la causa que hace que se genere corriente por un circuito.

En un enchufe hay tensión, pero OJO no hay corriente. Solo cuando conectemos el circuito al enchufe empezará a circular corriente (electrones) por el circuito y eso es gracias hay que hay tensión

Su unidad es el Voltio (V). Se suelen emplear dos múltiplos de esta unidad que son el kilovoltio (kV) y el megavoltio (mV) y también dos submúltiplos como son el milivoltio (mV) y el microvoltio (µV).

Para medir el voltaje se utiliza un aparato llamado Voltímetro. Se conecta en paralelo al elemento cuyo voltaje queremos medir.

Intensidad o Corriente Eléctrica ( I )

Es la cantidad de electrones que pasan por un punto en un segundo. Se mide en Amperios (A). Por ejemplo una corriente de 1 A (amperio) equivale a 6,25 trillones de electrones que han pasado e n un segundo.

Normalmente se emplean de unos submúltiplos de esta unidad que son miliamperio (mA) y el microamperio (µA)

1 A= 1.000 mA 1 A= 1.000.000 µA

Para medir la intensidad de corriente que circulan por un circuito se utilizan un aparato llamado Amperímetro, se conecta en serie para efectuar la medida.

Resistencia Eléctrica (R)

Es la oposición o dificultad al paso de la corriente eléctrica. Cuanto más se  opone un elemento de un circuito a que pase por él la corriente, más resistencia tendrá.

La resistencia de un conductor depende del tipo de material de el que esta compuesto, de su longitud y de su sección. A mayor longitud mayor resistencia y por el contrario a mayor sección de conductor menor resistencia.

La unidad de resistencia es el ohmio (). Normalmente se emplean de esta unidad como son kilo ohmios (K  )  y el megohmio (M).1 k = 1.000 ;  1 M  = 1.000.000 El instrumento de medición usado para este parámetro es el Ohmímetro.

POTENCIA ELÉCTRICA

Potencia es la velocidad a la que se consume la energía. La potencia eléctrica es la relación de paso de energía de un flujo por unidad de tiempo; es decir, la cantidad de energía entregada o absorbida por un elemento en un tiempo determinado. 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”.

ENERGÍA ELÉCTRICA

La energía eléctrica es la potencia por unidad de

tiempo. La energía se consume, es decir a más tiempo

conectado un receptor más energía consumirá.

También un receptor que tiene mucha potencia

consumirá mucha energía. Como vemos la energía

depende de dos cosas, la potencia del receptor y del

tiempo que este conectado.

Su unidad es el w x h (vatio por hora) pero suele

usarse un múltiplo que es el Kw x h (Kilovatios por

hora)

Aquí tenemos una tabla con las principales magnitudes eléctricas y sus fórmulas:

1.3 CIRCUITO ELECTRICOEl circuito eléctrico es el recorrido preestablecido, por el que se desplazan las cargas eléctricas.

Un circuito eléctrico consiste en un conjunto de elementos u operadores que, unidos entre sí, permiten establecer una corriente entre dos puntos, llamados polos o bornes, para aprovechar la energía eléctrica.

Todo circuito eléctrico se compone de los siguientes elementos mínimos:

• Generador

• Receptor

• Conductor

Los generadores son los elementos que proveen al circuito de la necesaria diferencia de cargas entre sus dos polos o bornes y que, además, son capaces de mantenerla eficazmente durante el funcionamiento del circuito. Ejemplos de ellos son las pilas y baterías y las fuentes de alimentación.

Los receptores son los elementos encargados de convertir la energía eléctrica en otro tipo de energía útil de manera directa, como la lumínica, la mecánica (movimiento), calorífica, etc. Los receptores eléctricos más usuales en nuestro taller serán las lámparas o bombillas, las resistencias eléctricas y los motores

Los conductores o cables son los elementos que nos sirven para conectar todos los demás elementos que forman el circuito. Con ellos estableceremos el camino que deban recorrer los electrones desde el polo negativo hasta el positivo del generador. Los conductores están fabricados con materiales que conducen bien la electricidad (metales como cobre y aluminio; recubiertos de materiales aislantes normalmente plásticos.)

Además de los anteriores, hay otros elementos que forman parte de un circuito y, aunque no son estrictamente necesarios para establecer dicho circuito, sí que en la mayoría de los casos se hacen imprescindibles por una u otra razón. Estos son:

Elementos de maniobra, que permiten, de manera fácil, manipular el paso de la corriente. El interruptor es un elemento básico de cualquier circuito, ya que permitirá abrir o cerrar el circuito sin necesidad de separar los hilos conductores del generador, los conmutadores y pulsadores son otros dos tipos muy usuales de elementos de maniobra usados en el taller de Tecnología.

Elementos de protección, que, como indica su nombre, sirven para proteger a las personas o a los elementos del circuito, del riesgo de manipulaciones inadecuadas o variaciones imprevistas en la corriente. El fusible es un elemento de protección presente en la mayoría de los aparatos eléctricos; y los interruptores automáticos, o magneto térmicos y los interruptores diferenciales, están presentes de manera obligatoria en todos los edificios y viviendas

REPRESENTACION DE LOS CIRCUITOS ELECTRICOS

Cuando dibujamos planos eléctricos, para representar los diferentes elementos que componen nuestro circuito no usamos un dibujo realista del él -esto sería lento y costoso; en su lugar empleamos una seria de símbolos que ayudan a que el plano se realice de forma más rápida y además evita que los dibujos se malinterpreten independientemente de dónde se lea el plano.

Nosotros usaremos los siguientes símbolos:

Tipos de corrientes en un circuitoCorriente continua: Es aquella corriente en donde los electrones circulan en la misma cantidad y sentido, es decir, que fluye en una misma dirección. Su polaridad es invariable y hace que fluya una corriente de amplitud relativamente constante a través de una carga. A este tipo de corriente se le conoce como corriente continua (cc) o corriente directa (cd), y es generada por una pila o batería.

Este tipo de corriente es muy utilizada en los aparatos electrónicos portátiles que requieren de un voltaje relativamente pequeño. Generalmente estos aparatos no pueden tener cambios de polaridad, ya que puede acarrear daños irreversibles en el equipo.

Los suministros comunes son 1,5 voltios, 6 voltios, 9 voltios, 12 voltios y 24 voltios.

Corriente alterna: La corriente alterna es aquella que circula durante un tiempo en un sentido y después en sentido opuesto, volviéndose a repetir el mismo proceso en forma constante. Su polaridad se invierte periódicamente, haciendo que la corriente fluya alternativamente en una dirección y luego en la otra. Se conoce en castellano por la abreviación CA y en inglés por la de AC.

Este tipo de corriente es la que nos llega a nuestras casas y sin ella no podríamos utilizar nuestros artefactos eléctricos y no tendríamos iluminación en nuestros hogares. Este tipo de corriente puede ser generada por un alternador o dinamo, la cual convierten energía mecánica en eléctrica.ar

Conexiones de varios receptores en un mismo circuito

Cuando se instalan varios receptores, éstos pueden ser montados de diferentes maneras:

• En serie

• En paralelo

• Mixtos

Circuitos en SerieEn un circuito en serie los receptores están instalados uno a continuación de otro en la línea eléctrica, de tal forma que la corriente que atraviesa el primero de ellos será la misma que la que atraviesa el último. Para instalar un nuevo elemento en serie en un circuito tendremos que cortar el cable y cada uno de los terminales generados conectarlos al receptor.

En los circuitos en serie se cumplen las siguientes condiciones:

• La corriente que circula por el circuito es siempre la misma.

• La resistencia total del circuito es la suma de las resistencias de los receptores.

• El voltaje total del circuito es la suma de los voltajes de cada receptor.

Circuito en Paralelo

En un circuito en paralelo cada receptor conectado a la fuente de alimentación lo está de forma independiente al resto; cada uno tiene su propia línea, aunque haya parte de esa línea que sea común a todos. Para conectar un nuevo receptor en paralelo, añadiremos una nueva línea conectada a los terminales de las líneas que ya hay en el circuito.

En los circuitos en paralelo se cumplen las siguientes condiciones:•La corriente que circula por el circuito no es la misma, ya que atraviesa caminos distintos.• El voltaje es el mismo en todo el circuito.• La inversa de la resistencia total del

circuito es igual a la suma de las inversas de las resistencias de cada operador.

Circuito Mixto

Es una combinación de elementos tanto en serie como en paralelos. Para la solución de estos problemas se trata de resolver primero todos los elementos que se encuentran en serie y en paralelo para finalmente reducir a un circuito puro, bien sea en serie o en paralelo.

1.4 MEDICIONES DE MAGNITUDES ELECTRICAS

Las mediciones eléctricas son los métodos, dispositivos y cálculos usados para medir cantidades eléctricas. La medición de cantidades eléctricas puede hacerse al medir parámetros eléctricos de un sistema. Usando transductores, propiedades físicas como la temperatura, presión, flujo, fuerza, y muchas otras pueden convertirse en señales eléctricas, que pueden ser convenientemente registradas y medidas.

Instrumentos de medida

Se denominan instrumentos de medidas de electricidad a todos los dispositivos que se utilizan para medir las magnitudes eléctricas y asegurar así el buen funcionamiento de las instalaciones y máquinas eléctricas. La mayoría son aparatos portátiles de mano y se utilizan para el montaje. La obtención de datos cobra cada vez más importancia en el ámbito industrial, profesional y privado. Se demandan, sobre todo, instrumentos de medida prácticos, que operen de un modo rápido y preciso y que ofrezcan resultados durante la medición.

Existen muchos tipos de instrumentos diferentes siendo los más destacados los amperímetro, voltímetro, óhmetro, multimetro.

1.5 CONCEPTOS BASICOS DE LAS LEYES DE OHM, KIRCHHOFF, LENZ, FARADAY Y WATTS.LA LEY DE OHM

La Ley de Ohm, postulada por el físico y matemático alemán Georg Simon Ohm, es una de las leyes fundamentales de la electrodinámica, estrechamente vinculada a los valores de las unidades básicas presentes en cualquier circuito eléctrico como son:

• Tensión o voltaje “V", en volt (V).

• Intensidad de la corriente "  I ", en ampere (A).

• Resistencia "R" en ohm () de la carga o consumidor conectado al circuito.

Circuito eléctrico cerrado compuesto por una pila de 1,5 volt, una resistencia o carga eléctrica "R" y la circulación de una intensidad  o flujo de corriente eléctrica " I " suministrado por la propia pila.

V

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:

V

V

Leyes de Kirchhoff

Son útiles para encontrar las corrientes que circulan por las diferentes partes de un circuito o las caídas de potencial que existen entre dos puntos determinados de dicho circuito.

Conceptos previos:

Nodo: Intersección de dos o más conductores.

Malla: Todo recorrido cerrado en un circuito.

Rama: Es un elemento o grupo de elementos conectados entre dos nodos.

LEY DE WATTLa ley de Watt dice que la potencia (P) entregada o absorbida por un circuito eléctrico se pude determinar por medio de la tensión (V) que se le aplica y la corriente (I) que atraviesa por el circuito.

P = I * VEn unidades del Sistema internacional:

I = Intensidad en Amper (A)

V = Voltaje en Volt (V)

P= Potencia en watts (W)

1caballo de fuerza equivale a 746watts

1caballo vapor equivale a 735watts

Hay tres formas de calcular la potencia:Cuando se conoce la resistencia y la corriente: P = I ² * R.Cuando se conoce, el voltaje y la resistencia: P = V ² / R.Cuando se conoce, El voltaje y la corriente. P = V * I.