1. ELECTRICIDAD BSICA MDULO A Prof. Paolo Castillo Rubio

2. MDULO A1: LA RELACIN DE LA ENERGA CON OTRAS FORMAS DE ENERGA 3. 1. El concepto de energa Energa es la capacidad para producir trabajo. Trabajo,se refiere al desplazamiento de un cuerpo en el espacio por la accin de una fuerza. La energano puede ser creada, consumida, ni destruida ; sin embargo,puede ser convertida o transferidaen diferentes formas. En cada conversin de energa, parte de la energa proveniente de la fuente es convertida en energa calorfica. 4. La capacidad de producir trabajo til convirtiendo energa, disminuye cada vez que dejamos que la energa acabe en forma de calor que se disipa al ambiente. El trabajo til se denominaexerga . Entalpaes un calor de formacin de un compuesto. Entropaes la relacin entre la cantidad de calor que un cuerpo gana o pierde y su temperatura absoluta. Cuando se produce una prdida de calor la entropa aumenta. 5. Tipos de energa en la naturaleza La energa que utilizamos proviene principalmente delSol , en forma deenerga lumnicaycalor . Existen fuentes de energa no renovables como: petrleo, carbn mineral, gas natural. 6. La energa se clasifica en diversos tipos:

Energa del viento , es utilizada por molinos. Si una turbina se conecta a un generador produciran energa elctrica.

Energa potencial , se almacena en los cuerpos en reposo capaces de moverse. Los cuerpos en movimiento tienenenerga cintica .

Energa nuclear , es la energa desprendida por el ncleo del tomo durante la fusin o la fisin nuclear.

Energa qumica , es la energa almacenada en un compuesto qumico, que se libera cuando ocurre una reaccin qumica.

7.

Energa calorfica , es la que se transmite de un cuerpo a otro debido a una diferencia de temperatura. Se deben distinguir tres conceptos:calor(suma de la energa cintica molecular de un cuerpo),temperatura(medida de qu tan caliente o fro est un cuerpo) ycalora(cantidad de energa calorfica necesaria para elevar en 1C la temperatura de 1 g de agua).

Energa luminosa , es la asociada a la luz.

Energa sonora , es la asociada al sonido.

8. 2. La energa elctrica La materia est compuesta por molculas, stas por tomos y stos porpartculas . En los tomos se pueden distinguir:protonesyneutrones , dentro del ncleo; yelectrones , en rbitas exteriores. Laelectricidadse produce cuando los electrones se separan y forman nuevas rbitas aparte. Cuando el flujo de electrones se traslada de un punto a otro, aparece lacorriente elctrica . 9. La electricidad puede ser de dos tipos:

Corriente alterna , es la que utilizamos diariamente a travs de nuestra instalacin elctrica.

Corriente continua , es la que nos proveen pilas y bateras.

Ambas corrientesse pueden transformarde alterna a continua o viceversa.

10. Para la electricidad los cuerpos son de dos tipos:

Cuerpos conductores , como lo son casi todos los metales, el agua salada y el ser humano.

Cuerpos aisladores , como lo son el plstico, la losa, la cermica, la madera seca, entre otros.

Adems, existen cuerpossemiconductoresque a veces son conductores y otras veces son aisladores.

11. Generacin de energa elctrica

Existen diversas formas de generar energa, dependiendo del tipo de combustible utilizado:

Centrales trmicas , utilizan : carbn, petrleo, gas natural o uranio.

Centrales hidroelctricas , utilizan el agua lluvia proveniente de ros.

Centrales elicas , utilizan el viento.

Biomasa , utiliza residuos tanto orgnicos como inorgnicos.

Fotovoltaica , utiliza paneles de clulas solares.

12.

Emisin trmica , utiliza materiales que al calentarse pueden emitir electrones.

Magnetismo , utiliza un campo magntico para generar corriente.

Esttica , mediante friccin los electrones se separan de los protones.

Accin qumica , utiliza una reaccin qumica para producir cargas de distinto signo.

13. MDULO A2: LAS CARGAS ELCTRICAS 14. 1. La composicin de la materia

Los fenmenos elctricos encuentran su explicacin en laTeora Atmica .

Elmodelo de Bohrnos da la siguiente explicacin:

Existen tres tipos departculas subatmicas :

El electrn , que tiene una masa muy pequea y es la unidad de carga elctrica negativa.

El protn , que tiene una masa mucho mayor y es la unidad de carga elctrica positiva.

El neutrn , no tiene carga elctrica y posee una masa igual a la del protn.

15.

El tomo est formado por:

Ncleo , donde se encuentran protones y neutrones, en nmero diferente segn el elemento de que se trate.

Corteza , que est formada por capas, en las cuales giran electrones en rbitas circulares alrededor del ncleo. En cada capa hay uno o varios electrones. El nmero total de electrones de la corteza es igual al nmero de protones del ncleo, de manera que lacarga total de un tomo es nula .

Cuando un electrn salta de una capa a otra inferior, desprende energa radiante. Para que un electrn salte de una capa a otra superior, debe introducirse energa exterior.

16. 17. Los iones Un tomo eselctricamente neutro . Debido a fuerzas externas, se puede perder o ganar (de otros tomos) electrones. En el caso de que se ganen, se queda con exceso de carga negativa; por el contrario, cuando se pierden, se queda con exceso de carga positiva. En ambos casos, dicho tomo con exceso de carga se comporta como si fuera l mismo una carga susceptible de moverse, siendo atrado o repelido, segn sea el caso, por otras cargas. Debido a esta capacidad de moverse que tiene el tomo cargado, se le denominain . 18. Niveles de energa En un tomo, los electrones estn girando alrededor del ncleoformando capas . En cada una de ellas, laenerga que posee el electrn es distinta . En las capas muy prximas al ncleo, la fuerza de atraccin entre ste y los electrones es muy fuerte, por lo que estarn fuertemente ligados. Ocurre lo contrario en las capas lejanas, en las que los electrones estn dbilmente ligados, por lo que es ms fcil realizar intercambios electrnicos en estas capas.Podemosclasificar los electrones por el nivel energtico(o banda energtica) en el que se encuentran. 19. Banda de valencia Es un nivel de energa en el que serealizan las combinaciones qumicas . Los electrones situados en ella, puedentransferirse de un tomo a otro,formando iones que se atraern debido a su diferente carga, o sern compartidos por varios tomos, formando molculas. 20. Ambos iones se atraern y formarn la molcula de Cloruro de Sodio o Sal comn (Na Cl). 21. Banda de conduccin Es un nivel de energa, en el cual los electrones estn anms desligadosdel ncleo, de tal forma que, en cierto modo, todos los electrones (pertenecientes a esa banda) estn compartidos por todos los tomos del slido, ypueden desplazarsepor ste formando una nube electrnica. Cuando un electrn situado en la banda de valencia se le entrega energa exterior, puede saltar a la banda de conduccin, quedando en situacin de poder desplazarse por el slido. 22. La propiedad que poseen algunas sustancias de tener electrones libres (en la Banda de Conduccin), capaces de desplazarse, se denominaconductividad . Estos materiales sern capaces, bajo la accin de fuerzas exteriores, deconducir la electricidad , ya que existe una carga elctrica (los electrones) que pueden moverse en su interior. Basndose en el criterio de mayor o menor conductividad, se pueden clasificar los materiales en tres grupos:conductores ,aislantes o dielctricosysemiconductores . 23.

Conductores , son aquellos con gran nmero de electrones en la Banda de Conduccin, es decir, con gran facilidad para conducir la electricidad (gran conductividad). Buenos conductores: plata, cobre, oro, aluminio, estao. Malos conductores: hierro, plomo.

Aislantes , son aquellos cuyos electrones estn fuertemente ligados al ncleo y, por tanto, son incapaces de desplazarse por el interior y, consecuentemente, conducir. Buenos aislantes: mica, porcelana, polister, aire.

Semiconductores , son sustancias poco conductores, pero sus electrones pueden saltar fcilmente de la Banda de Valencia a la de Conduccin, si se les entrega energa exterior. Por ejemplo: silicio, germanio, arseniuro de galio.

24.

Hasta ahora se ha hablado de conduccin elctrica por medio de electrones; no obstante, existe otromecanismo de conduccin,por medio de iones. Los gases y las disoluciones electrolticas puedenconducir la electricidad por medio de iones . A este tipo de conductores, para distinguirlos de los metales, se les denominaconductores de segunda especie .

Datos tiles :

Masa del electrn: 9,11 x10 -31kg

Masa del protn y del neutrn: 1,673 x 10 -27kg

Carga del electrn: -1,602x10 -19C

Carga del protn: +1,602x10 -19C

25. 2. El comportamiento de las cargas elctricas Existen dos tipos de cargas elctricas. Se designan con los nombres de cargas elctricaspositivas (+)y cargas elctricasnegativas (-) . No todas las materias poseen la propiedad de cargarse de electricidad y, aunque lo hagan, pueden comportarse de manera distinta. Lacarga del mismo signo se repele , yde distinto signo se atrae . La mayora de los objetos con que tenemos contacto son elctricamente neutros (carga total cero). Esto se debe a que sus constituyentes bsicos, los tomos, son neutros. 26. Algunos objetos pueden cargarse elctricamente porfrotacin . En este caso, al frotar un objeto contra otro, uno de ellos cede algunos electrones al otro. El objeto que cede electrones queda con exceso de carga positiva, mientras que el otro que recibe electrones, adquiere una carga negativa. Esta carga que adquieren es conocida comoelectricidad esttica . Cuando se tiene objetos cargados elctricamente, stos interactan entre s de modo que objetos con cargas elctricas del mismo tipo se repelen, mientras que objetos con cargas de distinto tipo se atraen. 27. MDULO A3: LAS FUENTES ELCTRICAS 28. 1. Formas de suministrar corriente y voltaje 1.1. Electricidad esttica por friccin. Sin lugar a dudas, el fenmeno elctrico ms espectacular de la naturaleza son los rayos: por la accin del viento y del sol, las nubes se van cargando lentamente deelectricidad estticay, cuando la diferencia de voltaje con relacin a la superficie terrestre, o a las nubes vecinas alcanza varios megavoltios, el aire se ioniza (se vuelve mejor conductor) y toda la energa almacenada en la nube se descarga instantneamente (con corrientes del orden de los 10.000 A). El trueno se produce cuando el movimiento de las partculas ionizadas de aire sobrepasa la velocidad del sonido. 29. 1.2. Electricidad por accin qumica. Se llamapilaa ungenerador de electricidadque convierte la energa qumica en energa elctrica. Est constituida fundamentalmente por un trozo de zinc y otro de cobre sumergidos separadamente en una solucin cida (electrolito). El cido del electrolito reacciona en forma diferente con los dos metales y rompe su equilibrio elctrico. 30. 1.3. La electricidad y el magnetismo. Elelectromagnetismo , es la disciplina que permite entender los fundamentos de la generacin de energa elctrica. Ejemplos de fenmenos electromagnticos: la luz del sol y magnetismo terrestre (naturales), aparatos elctricos (artificiales). Hasta 1820 se pensaba que el magnetismo era independiente de la electricidad, en ese aoOerstedse dio cuenta de que una corriente elctrica desva la aguja de una brjula. Con este descubrimiento se comprendi que ambos fenmenos son manifestaciones de un slo tipo de evento y que, por lo tanto, pueden ser estudiados de manera conjunta. 31. 1.4. Fotoelectricidad. La energa solar puede transformarse por medio deceldas fotovoltaicaso solares, directamente en energa elctrica.La mayora de las celdas solares se componen de capas de silicio purificado, a las cuales se les agrega un elemento semiconductor para que emita electrones y produzca una pequea corriente elctrica cuando los rayos solares inciden en l. La cantidad deenerga elctrica que proporciona una celda es muy pequea , por lo que se necesitan conectar entre s muchas para proporcionar una potencia utilizable. 32. 1.5. La energa del viento. Unaerogeneradorobtiene su potencia de entrada convirtiendo la fuerza del viento en un par (fuerza de giro), actuando sobre las palas del rotor. La cantidad de energa transferida al rotor por el viento depende de la densidad del aire, del rea de barrido del rotor y de la velocidad del viento. 33. 2. Variables de las fuentes de energa elctrica Voltaje o tensin , es la fuerza que impulsa a los electrones o a las partculas cargadas a desplazarse y formar corrientes elctricas. Intensidad de corriente , es la cantidad de corriente elctrica que circula entre dos puntos, que depende tanto de la diferencia del voltaje aplicado, como de la resistencia (I = V/R). Como se ha dicho, para que los electrones se muevan por el conductor, es decir, para que exista una corriente elctrica, es necesario que algo impulse a los electrones. 34. La diferencia de potencial representa el impulso que llevan las cargas (electrones) por el conductor, y los aparatos que producen esa diferencia de potencial son losgeneradores . Para medir la diferencia de potencial que existe entre dos puntos, se usa un aparato llamadovoltmetro(se conecta enparalelo ). Para medir la intensidad de corriente elctrica en un conductor, se usa elampermetro(se conecta enserie ). 35. 3. Los tipos de fuentes de generacin de energa elctrica Las fuentes de electricidad esttica.En todas las sustancias hay electrones y protones, pero para que se pueda producir un trabajo elctrico til, es preciso separar ambas cargas para crear una diferencia de potencial que pueda dar lugar a un flujo de corriente. Electricidad esttica por friccin.Es un fenmeno en que los electrones y los protones se separan por el trabajo de frotamiento y as se producen cargas opuestas. 36. Las fuentes de tensin continua.La tensin o voltaje continuo es la diferencia de potencial que aparece en fuentes de corriente contnua. Existen varios de tipos: pilas secas (zinc-carbono), pilas alcalinas (electrolito de hidrxido de potasio), bateras de auto (recargables, electrodos de plomo y electrolito de cido sulfrico), bateras de niquel y cadmio (recargables, electrodos de zinc y usan hidrxido de potasio). Adems, en una batera se deben conocer lascaractersticas nominales(valores de corriente y voltaje),la capacidad(expresadas en ampere-hora) yconservacin(nivel del electrolito). 37. Las fuentes de tensin alterna.Se llamageneradorde electricidad a una mquina que produce energa elctrica por transformacin de otra energa usando el principio de induccin electromagntica. Comnmente los generadores pequeos requieren de una bobina y un imn, y los grandes de un conjunto de bobinas y electroimanes, que estn montados en el elemento llamadorotor , que es movido por una turbina y la corriente elctrica se produce (induce) en elestator . Los distintos tipos de plantas generadoras de electricidad difieren en el tipo de energa para mover la turbina, seto es, energa hidrulica, trmica, elica , mareomotriz, etc. 38. MDULO A4: LOS MATERIALES ELCTRICOS 39. 1. Comportamiento elctrico de los materiales conductores Losconductoresson todos aquellos materiales que poseen menos de cuatro electrones en la capa de valencia, elsemiconductores aquel que posee cuatro y elaislantees el que posee ms de cuatro electrones en la capa de valencia. Todos los materiales conocidos , en mayor o menor grado,permiten el flujo de la corriente elctrica a travs de ellos , sin embargo, en todos los casos, tambinpresentan una resistenciao impedancia al paso de dicha corriente. Mientras menos resistencia elctrica presente el material, se considera un mejor conductor y mientras ms resistencia presente ser un mejor aislante. 40. Resistencia en los conductores Cuanto ms largo es un conductor, mayor es su resistencia, puesto que se necesitar realizar ms trabajo para llevar los electrones desde un extremo al otro. Por el contrario, mientras la seccin es mayor, menor es su resistencia, puesto que habr ms electrones libres en la mayor superficie transversal. Donde: R es la resistencia ( W ) L es la longitud (m) A es la seccin o rea (m 2 ) r es la resistividad ( Wm) 41. La resistividad

La resistividad es un parmetro que caracteriza a los materiales conductores, semiconductores y aislantes, segn su resistencia. Depende no slo de sus caractersticas, sino tambin de la forma geomtrica del elemento conductor. Es un parmetro obtenido en laboratorios tabulados para todos los materiales.

Por ejemplo, la resistividad de:

Laplataes 1,47x10 -8( Wm)

Elcobrees 1,72x10 -8( Wm)

Eloroes 2,44x10 -8( Wm)

Elaluminioes 2,63x10 -8( Wm)

42. 2. Los materiales aislantes elctricos Elaislante perfectopara las aplicaciones elctricas sera un material absolutamente no conductor, pero ese materialno existe . Los materiales empleados como aislantessiempre conducen algo de electricidad , pero presentan una resistencia muchsimo superior que la de los buenos conductores elctricos. En loscircuitos elctricosnormales suelen usarse plsticos como revestimiento aislante para los cables. Loscables muy finos , como los empleados en bobinas, pueden aislarse con una delgada capa de barniz. 43. El aislamiento interno de losequipos elctricospuede efectuarse con mica o mediante fibras de vidrio con un aglutinador plstico. En losequipos electrnicos y transformadoresse emplea en ocasiones un papel especial para aplicaciones elctricas. Laslneas de alta tensinse aslan con vidrio, porcelana u otro material cermico. El polietileno y poliestireno se emplean en instalaciones dealta frecuencia , y el mylar se emplea encondensadoreselctricos. 44. Tambin hay que seleccionar los aislantes segn la temperatura mxima que deban resistir. El tefln se emplea paratemperaturas altas , entre 175 y 230C. El nylon tiene una excelente resistencia a laabrasin , y el neopreno, la goma de silicona, los polisteres de epoxy y los poliuretanos pueden proteger contra losproductos qumicos y la humedad . Buenos ejemplos de aislantes (que se oponen casi totalmente al paso de la corriente) son: la madera, el plstico, el papel, la porcelana, los barnices aislantes, etc. 45. Aislacin Es la funcin de un material no conductor o aislante que cumple en un circuito elctrico, al manteneraisladas las partes que conducen la energa elctrica . Dos partes energizadas de distintos circuitos no se pueden encontrar. Para que la corriente siga su curso y llegue a los elementos y dispositivos de consumo del circuito,debe viajar por un conductor aislado por completodel ambiente y otras partes del circuito desde la fuente de voltaje que lo alimenta. 46. Medicin de la aislacin Al comprobar la aislacin de un dispositivo, se est midiendo lascaractersticas del material aislante que contieney que est manteniendo un flujo de corriente por el elemento conductor, sin que esta corriente cambie su direccin fluyendo a otras partes conductoras del equipo o fluya descargndose a tierra. La aislacin se mide con un instrumento denominadoMeggery se mide en unidades de resistencia elctrica. 47. 3. Los materiales semiconductores y su comportamiento Los materiales semiconductores son poco conocidos, pero gracias a estos elementosfuncionan todos los equipos electrnicoscomo la computadora. Algunos no metales, como el silicio, conducen electricidad en ciertas condiciones, pero en general no son buenos conductores. Por eso se les llamasemiconductores . En estado puro conducen muy poco la energa elctrica; por eso se necesita agregarles impurezas para hacerlos conductores, comportndose como semiconductores, que son la materia bsica de lostransistores . 48. El silicio, al igual que otros materiales semiconductores,vara su resistencia al aplicarle pequeas seales elctricas , lo cual ha permitido crear toda la industria electrnica moderna. Laelectrnicaes una rama de la fsica, que estudia el uso de la electricidad para producir seales quetransportan informacin y controlan dispositivos , como las computadoras. Estas mquinas contienen circuitos por los cuales fluye la corriente. Las partes de control de un circuito son los componentes:diodos y transistores . Los componentes pueden amplificar corrientes, interrumpirlas o reiniciarlas y cambiar su direccin. 49. MDULO A5: INSTRUMENTOS ELCTRICOS 50. El tester Con este aparato se puede detectar mal funcionamientos en aparatos elctricos. Eltester o multitester , es un aparato que sirve de gran ayuda para valorar los parmetros fundamentales como:tensin, resistencia e intensidad ; tanto en instalaciones como para resolver problemas de funcionamiento de equipos elctricos. El tester puede medir la tensin alterna de un enchufe de una casa, la tensin continua de una pila o la resistencia elctrica de un elemento. 51. Adems, de estos parmetros bsicos, el multitester puede medir continuidad y, en algunos casos, capacitancia e inductancia.