ELEMENTOS BASICOS DE ELECTRICIDAD

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ELEMENTOS BASICOS

DE ELECTRICIDAD

09, 10 Y 11 de septiembre de 2020

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ELEMENTOS BASICOS DE ELECTRICIDAD

DEFINICIÓN DE ELECTRICIDAD

La electricidad es una de las fuentes de energía que existen en el

universo. El estudio de la energía eléctrica se inició con el

descubrimiento hecho por Tales de Mileto (624- 546 a.c.) al frotar una

pieza de ámbar con un paño de lana, observó que el ámbar, después de

frotarlo, era capaz de atraer pequeñas porciones de otros cuerpos como

pedacitos de papel o corcho.

En el idioma griego la palabra electrón significa ámbar, por lo que al

fenómeno observado se le conoce como un fenómeno eléctrico, y a todo

el conjunto de ellos que dan lugar a su análisis y desarrollo, se le llama

electricidad.




Indica que todos los efectos de la electricidad pueden explicarse presumiendo

la existencia de la partícula muy pequeña llamada “electrón”. esta teoría afirma

que todos los fenómenos eléctricos obedecen al movimiento de electrones.

Para que los electrones se muevan es necesario que una fuerza o alguna forma

de energía los presione y los obligue moverse, como lo veremos mas adelante.

El “electrón” es la pequeñísima partícula de carga eléctrica negativa que

prácticamente carece de peso y forma parte del “átomo”.

TEORÍA ELECTRÓNICA

Cuando los electrones se mueven, “las cosas suceden”




ÁTOMO

Además de poseer masa y ocupar un lugar en el espacio, la materia tiene una

naturaleza eléctrica. Esta se manifiesta de dos formas diferentes (positiva y negativa)

asociadas a las partículas elementales que constituyen el átomo, siendo este, a su

vez, la pieza fundamental de construcción de todo lo que nos rodea. Así, la envoltura

externa del átomo está formada por electrones que presentan carga negativa.

LOS ELEMENTOS (MATERIA)

Todo esta hecho de átomos, un “elemento” es una sustancia que no puede

descomponerse por medios químicos ordinarios y la porción más pequeñísima de un

elemento se llama “átomo”.




ATRACCIÓN Y REPULSIÓN DE CARGAS ELÉCTRICAS

Cuando dos átomos se aproximan comienzan a darse entre ellos una serie de

fuerzas de atracción entre el núcleo de uno, sus electrones y los del otro átomo.

Lógicamente, hay también fuerzas de repulsión entre los dos núcleos y entre las

dos cortezas electrónicas. Si las fuerzas de atracción predominan sobre las de

repulsión, existirán electrones que estarán atraídos por los dos núcleos, de modo que

serán comunes a ambos átomos que permanecen unidos formando una nueva

especie llamada molécula.

Este modo de unirse los átomos mediante compartición de electrones recibe el

nombre de enlace

covalente.




MAGNETISMO Y ELECTROMAGNETISMO

En tiempos antiguos los griegos descubrieron que cierta clase de mineral

encontrado cerca de la ciudad de magnesia, en Asia menor, tenía la propiedad de atraer

y recoger trozos de hierro. A dicho mineral se le nombró “magnetita” y su propiedad de

atracción se le denomina “magnetismo”.

Las rocas que contienen mineral con esta propiedad se denominan “imanes

naturales”.

El magnetismo de los

imanes se concentra en dos

puntos, generalmente en sus

extremos.

Esos puntos se denominan

“polos” del imán, siendo uno el

“polo norte” y el otro “polo sur”.




CAMPO MAGNÉTICO

El campo magnético de un imán puede explicarse mejor diseñado un espectro

representativo de las líneas de fuerza magnética.

Estas líneas de fuerza invisible se les llaman “líneas de flujo” y abandonan el imán

por un polo y entran por el otro. La cantidad de líneas de flujo por centímetro cuadrado

se llama “densidad de flujo”




El campo magnético invisible de un imán, está representado por líneas de

fuerzas que abandonan el imán por el polo norte y entran por el polo sur y dentro

del imán las líneas corren de sur a norte; de tal manera que toda línea de fuerza

es continua e interrumpida.

Una de las características de las líneas de fuerza magnética es que se rechazan

entre sí sin cruzarse ni tocarse jamás. en este respecto los polos magnéticos se

comportan igual que las cargas estáticas. cargas o polos iguales se rechazan y

cargas o polos diferentes se atraen .

REPULSIÓN Y ATRACCIÓN DE LOS POLOS




Si hacemos pasar una corriente eléctrica por un conductor observamos que la

aguja de la brújula se desvía, indicando la presencia de un campo magnético.

esto se conoce con el nombre de electro-magnetismo.

ELECTRO-MAGNETISMO




FORMAS DE PRODUCIR ELECTRICIDAD

Para producir electricidad deberá utilizarse alguna forma de energía que ponga

en movimiento a los electrones.

Hay 6 fuentes básicas de producir electricidad:

FROTAMIENTO

GOLPE

TEMPERATURA

MAGNETISMO

REACCION

QUIMICA

LUZ




FROTAMIENTO

Las primeras evidencias de las fuerzas eléctricas se observaron al frotar con

paños ciertos cuerpos.

1.- Frota fuertemente, varias veces ,

un lapicero de plástico con un paño de

lana.

2.- Luego colócala sobre pedacitos

de papel.

3.- Comprobaras que el lapicero los

levanta porque ejerce sobre ellos una

fuerza electromagnética.




PRESIÓN O GOLPE

El choque de dos elementos genera energía.

1.- Toma un martillo y un clavo.

2.- Luego golpear el clavo

desplazándose.

3.- Esto te permitirá ver las chispas

(o sea escape de electrones) que se

producen.




TEMPERATURA

La unión de dos elementos por soldadura o remache proporciona electricidad al

calentarse. a este dispositivo se lo denomina termocupla.

1.- Soldar dos elementos.

2.- Conectarlos a un voltímetro

(galvanómetro) y acercarle una fuente

de calor.

3.- Observar si la aguja se mueve.




Los conductores generan en ellos mismos una corriente al moverse en un

campo magnético.

Una máquina destinada a transformar

la energía mecánica en eléctrica es el

dinamo.

Da lugar a una corriente

unidireccional.

MAGNETISMO




Un dispositivo capaz de producir electricidad a través de la reacción química es

la pila.

La pila genera corriente eléctrica

continua.

Se basa en la acción química de un

electrolítico sobre los electrodos del

mismo ión.

REACCIÓN QUÍMICA




Se puede obtener a través de una célula fotoeléctrica. la célula fotoeléctrica es

un aparato consistente en un circuito en el cual va intercalada una superficie de

metal alcalino, montada de manera especial.

Hacer incidir la luz sobre la superficie

metálica obteniendo los electrones que

emite esta superficie.

Luego aumentar la intensidad de esa

luz.

Comprobaras que cuando más intensa

es la luz, mayor es la emisión de

electrones, con lo cual el circuito queda

gobernado por las variaciones de

intensidad de la luz.

LUZ




TIPOS DE ELECTRICIDAD:

CORRIENTE DIRECTA

Ahora veremos los 2 tipos de electricidad que conocemos en nuestros días, primero tenemos

la DC siglas que significan corriente directa (direct current), este tipo de electricidad es aquella

cuyo flujo de electrones no cambia de sentido (de negativo a positivo) y su intensidad es

sensiblemente constante; un ejemplo de esta corriente es la que proporcionan las baterías o pilas,

cuando le ponemos baterías a un radio éstas tienen que ir en un orden, ya que si no es así, el

radio no funcionará.

CORRIENTE ALTERNA

El otro tipo de electricidad es la ac siglas que significan corriente alterna (alternating current) y

es aquella que tiene cambios o alteraciones de sentido en su flujo cada semiperíodo (período,

tiempo después del cual, se repite o se reproduce una cosa). Es decir, esta electricidad cambia de

sentido a un determinado tiempo, estos cambios son medidos en ciclos por segundo o hz, en

México, este cambio de sentido se lleva a cabo 60 veces por segundo o 60 Hz, por esto, no

importa cómo conectemos la clavija en el enchufe, ya que el sentido de la corriente cambia

constantemente. El zumbido que se escucha en un sistema de audio cuando no se está tocando

ningún instrumento, es el sonido de la electricidad (60Hz), este zumbido es natural y bien

controlado no produce ninguna molestia. La corriente alterna es muy útil ya que puede ser enviada

a distancias muy grandes sin perder sus cualidades.




VOLTAJE, CORRIENTE Y RESISTENCIA

Analizando una corriente eléctrica y una corriente de agua, podemos ver sus

analogías: el agua contenida en un tinaco produce una presión sobre las tuberías

ocasionando un movimiento, que da origen a la corriente del líquido, y la tubería oponen

una resistencia al paso del agua. El flujo de corriente eléctrica requiere de una presión

para producir una fuerza que mueva los electrones, el equivalente en la electricidad

puede ser una pila o un generador.

El movimiento de electrones en el alambre constituye la corriente eléctrica, este flujo

de electrones es en dirección negativo - positivo y la oposición al flujo de electrones,

producida por el cable o alambre, es conocida como la resistencia.




A la presión eléctrica, o diferencia de

potencial, se le conoce como voltaje (v), su

unidad de medida es el volt (v). al flujo de

electrones se le conoce como corriente

eléctrica o intensidad (i), y su unidad de

medida es el amperio o amper (a). A la

resistencia al paso del flujo de corriente (r)

se le conoce como resistencia y su unidad

de medida es el ohm (w). El poder o

potencia, en términos técnicos es: la

rapidez, con la cual, es realizado un trabajo,

es decir, es la cantidad de energía

transferida. por ejemplo un elevador que

levanta 100kg en 10 segundos tiene una

potencia de 10kg/seg.

Recordando el ejemplo del tinaco, el

trabajo que el agua puede realizar

girando un generador durante un

período de tiempo, depende de la

presión del agua y del tamaño del flujo

de agua. Imaginando que la presión del

tinaco es el voltaje y el flujo del agua

es la intensidad de la corriente

eléctrica, tenemos que la potencia es

igual al voltaje (v) por la intensidad (i).

La unidad de medida para la potencia

es el watt.




LEY DE OHM

La relación matemática que existe entre el voltaje, resistencia y amperaje se

denomina ley de ohm. A continuación se encuentran las fórmulas que permiten

encontrar las relaciones entre estos valores y la potencia. Para utilizar estas fórmulas

sólo tape con el dedo el valor que busque y realice la operación correspondiente. Por

ejemplo, si lo que se busca es el voltaje en relación con la intensidad y resistencia,

primero busque cuál de estas fórmulas contiene estas variables (v, i, r), una vez

encontrada, tape el valor de voltaje y realice la operación siguiente:




POTENCIA ELÉCTRICA

Una de las formas más sencillas de poder comprender lo que es la potencia y

energía eléctrica, es viendo primero su significado mecánico, por lo que

iniciaremos estas con el trabajo y la potencia mecánica.

Cada uno de nosotros disponemos de una cierta fuerza, que al hacer uso de ella

(por ejemplo mover un escritorio) motiva que efectuemos un trabajo mecánico la

magnitud de éste trabajo dependerá de la fuerza aplicada y la distancia que

desplacemos el cuerpo sobre el que estamos ejerciéndola.

Por lo tanto un “trabajo mecánico se realiza” cuando mediante una “fuerza” (f) un

cuerpo se desplaza una distancia (d), siendo dado su valor por:

TRABAJO = FUERZA x DISTANCIA

T = F x d

POTENCIAS




Ejemplo 1:

Supongamos que alguno de ustedes se ve precisado a emplear una fuerza de

50 kg, para mover un volkswagen durante 20 mts. A fin de que arranque, el trabajo

que efectuaría sería:

20 MTS.

50 KGS.

TRABAJO= FUERZA x DISTANCIA

= 50KG. x 20 MT

= 1000 KG - MT




Es importante tener presente que solo se hace trabajo cuando se ejerce una fuerza

sobre un objeto, y como resultado de esto el objeto se mueve una cierta distancia.

Si el objeto no se mueve, no se ha hecho trabajo, sin que importe la cantidad de

esfuerzo ejercido. Si una persona está sosteniendo un saco de cemento en sus hombros

no está haciendo trabajo, está ejerciendo una fuerza sobre el saco de cemento, pero esa

fuerza no desplaza al saco ninguna distancia.

Trabajo pues, incluye ambas cantidades fuerza y distancia.

Un mismo trabajo puede efectuarse en mucho o poco tiempo, dependiendo de la

“potencia” que se emplee.

POTENCIA ELÉCTRICA

Por lo tanto, podemos definir

la potencia mecánica como la

rapidez con que se hace un

trabajo.

POTENCIA = TRABAJO

TIEMPO




POTENCIA EFECTIVA

Ejemplo.-

Suponiendo que se encarga a 3 personas mover un objeto pesado y que una de

ellas está “simulando” que empuja, aquí diríamos que las tres personas representan la

“potencia aparente” y de ellas solo dos representan la “potencia efectiva”.

De manera parecida a la “potencia mecánica” la “potencia eléctrica”, se define

como la rapidez con que se hace un “trabajo eléctrico”.

En electricidad la fuerza aplicada es el “voltaje” y lo que se desplaza son

“electrones”.

Ejemplo.-

Así como para que por una tubería circule una corriente de agua se necesita una

presión y para que produzca un trabajo tiene que existir un desplazamiento de agua.




Ejemplo.-

Para que por un circuito circule una corriente eléctrica se requiere de un voltaje, y

para que produzca un trabajo, tendrá que haber un movimiento de electrones.

Por lo tanto para determinar lo que es “trabajo eléctrico” debemos sustituir la

“fuerza por el voltaje” y la “distancia” por “electrones”.

TRABAJO MECANICO = FUERZA X DISTANCIA

TRABAJO ELECTRICO = VOLTAJE x ELECTRONES

Entonces la potencia eléctrica:

POTENCIA ELÉCTRICA = TRABAJOELÉCTRICO/TIEMPO= VOLTAJE xELECTRONES

SEGUNDOS

Los “electrones” que pasan por segundo se les llama “intensidad de corriente”.

POTENCIA ELÉCTRICA = VOLTAJE XCORRIENTE




La corriente que producen nuestras maquinas en las plantas es una “corriente

alterna”, esto es, una corriente que en un instante va en un sentido y en otro

instante en sentido opuesto a intervalos de tiempos regulares.

A esta corriente alterna le presentan oposición para su desplazamiento tres tipos

de elementos:

T

I

1.- Las bobinas ó inductancias en donde la corriente va “atrasada” 90º del voltaje

aplicado.

2.- Los capacitores ó capacitores ( ), en los que la corriente va

“adelantada” 90º del voltaje que se le aplica.

3.- Las resistencias, a donde la corriente va en fase con el voltaje.




1.- Potencia aparente.- Es la potencia total que se demanda en el circuito, sin

considerar que parte de ella efectúa trabajo útil, esta potencia es la suma vectorial

de las potencias activas y reactivas, expresada en (va) ó (kva).

2.- Potencia activa.- Es parte de la potencia aparente que efectúa un trabajo útil,

expresada en (w) ó (kw).

3.- Potencia reactiva.- Es la parte de la potencia aparente que no efectúa un

trabajo útil, expresándose en (var) ó (kvar).

El calculo de estas energías es exactamente igual que el de su potencia que la

origina, con la salvedad de que interviene la función tiempo, es decir, que debe

multiplicarse por el intervalo de tiempo que se utilice esa potencia.




Hemos visto que en los circuitos de corriente alterna no toda la potencia es

aprovechable, sino solo la potencia activa. Con el fin de tener un numero o

cantidad que nos indique para un circuito o una carga el grado de

aprovechamiento de la potencia, se ha ideado un factor llamado factor de

potencia.

S

P

Q

Por lo tanto, podemos definir al factor de potencia como: un número que indica

el grado de aprovechamiento de la potencia.

FACTOR DE POTENCIA = POTENCIA ACTIVA

POTENCIA APARENTE

FACTOR DE POTENCIA




Se muestran los diagramas de voltaje y la corriente para los tres tipos de cargas;

resistencia inductancia y capacitancia indicando su factor de potencia .

TP = COSENO (MONOFASICO) = P ACTIVA

S APARENTE

S

I

V

P

1.- V FP = 100%

CARGARESISTIVA

2.- CARGA INDUCTIVA COSENO 90º = FP = 0% (INDUCTIVO)

I

3.- CARGA CAPACITIVA COSENO 90º = FP = 0% (CAPACITIVO)

I




El factor de potencia valdrá cero cuando no sea posible aprovechar nada de la

potencia (una bobina ó un capacitor), y valdrá 100% cuando toda la potencia sea

aprovechable (una resistencia).

Por ultimo mencionaremos un ejemplo típico que es muy utilizado para enseñar

lo que provoca un bajo factor de potencia.

Un vaso de cerveza, en donde parte es líquido y parte espuma. Supongamos que

los kva (potencia aparente) es todo el vaso, los kw (potencia activa) el liquido y los

kvar (potencia reactiva) la espuma . ahora bien al comprar el vaso (kva) nosotros

buscaremos que nos den la menor espuma (kvar) posible, puesto que el líquido es

lo que nos calma la sed y este es el motivo por el que estamos pagando. Por lo

tanto, buscaremos que nos den un vaso de cerveza con buen factor de potencia.




CIRCUITO ELÉCTRICO ELEMENTAL

Para decir que existe un circuito eléctrico cualquiera, es necesario disponer siempre

de tres componentes o elementos fundamentales:

1.Una fuente (e) de fuerza electromotriz (fem), que suministre la energía eléctrica

necesaria en volt.

2.El flujo de una intensidad (i) de corriente de electrones en ampere.

3.Existencia de una resistencia o carga (r) en ohm, conectada al circuito, que

consuma la energía que proporciona la fuente de fuerza electromotriz y la transforme

en energía útil, como puede ser, encender una lámpara, proporcionar frío o calor,

poner en movimiento un motor, amplificar sonidos por un altavoz, reproducir

imágenes en una pantalla, etc.




¿Que se necesita para que exista flujo de corriente?




❖ CORRIENTE ELECTRICA: Es el flujo de electrones o de portadores de carga através de un medio conductor conectado a un circuito en el que hay unadiferencia de potencial.

❖ TENSION ELECTRICA: Es la diferencia de potencialentre dos puntos una conpolaridad positiva y otra con polaridad negativa.

❖ POTENCIA ELECTRICA: Es la cantidad de trabajo que una carga puedellevar a cabo en cierta cantidad estándar de tiempo.

❖ RESISTENCIA ELECTRICA: Es la oposición que ejercen ciertos elementos alpaso de la corriente eléctrica.




APARATOS DE MEDICIÓN ELÉCTRICA

Un multitester o multímetro no

es más que la combinación de

los tres aparatos de medición

eléctricos fundamentales: el

amperímetro, ohmetro

(ohmímetro), y el voltímetro.




EL AMPERÍMETRO

El amperímetro es un instrumento de medición que se utiliza para medir la

corriente eléctrica. Para lograr una medición correcta con un amperímetro éste

debe conectarse en serie con el circuito que se desea medir, por lo tanto debe

cortarse el circuito en la rama por la cual pasa la corriente y colocar el amperímetro

en esa rama. La unidad para medir corriente es el amperio, la cual se representa

con la letra a. La conexión correcta de un amperímetro analógico (o amperímetro

de aguja) se muestra en la figura siguiente:




EL VOLTÍMETRO

El voltímetro es un instrumento de

medición que se utiliza para medir el

nivel de tensión o voltaje de un

circuito. Para lograr una medición

correcta con un voltímetro éste debe

conectarse en paralelo con el circuito

que se desea medir, por lo tanto las

puntas del medidor deben conectarse

directamente en los extremos o bornes

del elemento del circuito a medir. La

unidad para medir voltaje es el voltio, lo

cual se representa con la letra v.




EL ÓHMETRO

Para medir la resistencia eléctrica se requiere de un instrumento de medición

llamado óhmetro, el valor de la medición se da en unidades de ohmios y se

representa por la letra griega omega mayúscula ω. Para medir la resistencia

eléctrica se debe conectar el multímetro en paralelo y sin ninguna fuente de

voltaje o fuente de potencia, es decir igual a la forma como se conecta el

voltímetro, pero la resistencia deberá estar en circuito abierto o desconectada de

la fuente de alimentación.

La escala de medición en un ohmetro es

opuesta a las variables de tensión y de

corriente, debido a su relación inversa.

La precisión de un medidor viene indicada

por un número en la parte inferior, pudiendo

ser 0.1, 0.3, 0.5, 1, 2, 2.5%, y es el porcentaje

de desviación de la medida del valor real.




RIESGOS DE CONTACTOS ELÉCTRICOS

Cuando una corriente que excede los 30mA atraviesa una parte del cuerpo

humano, la persona esta en serio peligro si esa corriente no es interrumpida en un

tiempo muy corto. El grado de peligro de la victima es función de la magnitud de la

corriente, las partes del cuerpo atravesadas por ella y la duración del pasaje de

corriente.

La norma iec 479-1 distingue dos tipos de contactos peligrosos:




CONTACTO DIRECTO

La persona entra en contacto con un conductor activo, el cual esta funcionando

normalmente.

Contacto directo

Is= corriente que circula por el cuerpo




CONTACTO INDIRECTO

La persona entra en contacto con una parte conductora, que normalmente no lo

es, pero que accedió a esta condición accidentalmente (por ejemplo, una falla de

aislamiento).

Contacto Indirecto

Id= corriente de falla de aislamiento

Is= corriente que circula por el cuerpo




Ambos riesgos pueden ser evitados o limitados mediante

protecciones mecánicas (no acceso a contactos directos)

protecciones eléctricas, a través de dispositivo de corriente

residual de alta sensibilidad que operan con 30mA o menos.

Las medidas de protección eléctrica dependen de dos

requerimientos fundamentales:

La puesta a tierra de todas las partes expuestas que pueden

ser conductoras del equipamiento en la instalación,

constituyendo una red equipotencial.

La desconexión automática de la sección de la instalación

involucrada, de manera tal que los requerimientos de tensión

de contacto (uc) y el tiempo de seguridad sean respetados.




EFECTOS DE LA CORRIENTE ELÉCTRICA SOBRE EL ORGANISMO

CORAZON: Los latidos se interrumpen de forma transitoria o definitiva.

MUSCULOS INTERCOSTALES: Su espasmo da lugar a problemas respiratorios.

PULMONES: La respiración se detiene o entran líquidos en ellos.

HUESOS: Se pueden salir (luxar) de su posición o fracturarse.

PRECAUCIÓN: El tamaño de la quemadura no es indicativo de gravedad de las

lesiones internas. Se deberá buscar inmediatamente la asistencia medica.




Desde el punto de vista practico, después de que una persona es afectada por

una descarga eléctrica, es imposible determinar cuanta corriente paso a través de

los órganos vitales de su cuerpo.

Si la respiración normal del accidentado se ha interrumpido deberá suministrarse

inmediatamente respiración artificial.

¿ Cuales con las causas que origina un accidente por descarga eléctrica ?

1.- Aislamientos dañados.

2.- Falta del sistema de tierras.

3.- Falta de puesta a tierra de los equipos.

4.- Exceso de confianza en las personas.




Una corriente de 1 miliampere o

menos no produce ninguna sensación

ni mal efecto.

Una corriente de 1 a 8 miliamperes

produce un choque indoloro y el

individuo puede soltar los conductores.




Una corriente de 8 a 1 5

miliamperes, produce un choque

doloroso pero sin perdida del control

muscular.

Una corriente de 15 a 20 miliamperes,

produce un choque doloroso con perdida

del control de los músculos afectados.




Una corriente de 20 a 50

miliamperes, produce un choque

doloroso y contracciones musculares

muy fuertes.


miliamperes, puede causar fibrilación

ventricular.





miliamperes, mata siempre a la

víctima por fibrilación ventricular.

Una corriente de 200 o mas

miliamperes, produce quemaduras

fuertes contracciones musculares

que oprimen el corazón y mata

instantáneamente.

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