NOCIONES BASICAS DE ELECTRICIDAD

Electricidad y corriente elctrica La electricidad es la acumulacin o movimiento de electrones que han sido sacados de sus rbitas. Estos electrones son los llamados electrones libres, que al ser sacados de sus rbitas dentro del tomo, se mueven por la materia.Electrones fijos y libres

La corriente elctrica es un flujo ordenado de electrones que atraviesa un material. Algunos materiales como los "conductores" tienen electrones libres que pasan con facilidad de un tomo a otro.

Conductores:

Aislantes:

Los materiales aislantes tienen mayor fuerza de atraccin entre el ncleo y la rbita externa.

La corriente elctrica se mide en Amperios (A) y se simboliza como I. El Ampere (Amperio, simbolizado con la letra A) es la unidad de medida de la corriente elctrica. Un A es la cantidad de carga elctrica que circula por un conductor por unidad de tiempo (caudal de electrones que pasan por un material). La carga elctrica (Q) se mide en Coulombios (coulombs). 1 Coulombio equivale a 6.28x1018 electrones. Entonces: I=Q/t Un Ampere equivale a: 1 A = 1 Coulombio / segundo

Y un Miliamperio (mA) equivale a: mA=1A/1000

Para lograr que el movimiento de electrones se de en un sentido o direccin, es necesario aplicar energa que provenga de una fuente externa. (Frotacin, presin, calor, magnetismo o accin qumica).Cuando se coloca un material elctricamente neutro entre dos cuerpos cargados con diferente potencial (tienen diferente carga), los electrones se movern desde el cuerpo con potencial ms negativo hacia el cuerpo con potencia ms positivo.

El flujo de electrones va del potencial negativo al potencial positivo.

La electricidad esttica se puede producir por el frotamiento entre dos materiales diferentes generando as exceso o falta de electrones.Materiales que generan esttica con facilidad: Seda, Vidrio y nylon.

Si un objeto tiene carga esttica influir en todos los objetos vecinos. Esta influencia puede ejercerse mediante contacto o induccin.

Cargas elctricas por presin. Materiales que lo permiten: Cristales como el cuarzo, la turmalina y las sales de Rochelle.

Se aplica en micrfonos y auriculares de cristal que utilizan muy poca potencia.

Energa elctrica por magnetismo.A diferencia del frotamiento, calor o presin que no pueden mantener una carga generadora de electricidad para producir una corriente elctrica, la utilizacin de imanes permanentes son muy usados para conseguir electricidad estable.

Imanes Naturales : pueden cargar determinados materiales con el solo contacto, por ejemplo el hierro.Imanes Artificiales: pueden obtenerse mediante la aplicacin de una carga elctrica sobre el material. Por ejemplo el hierro, de mayor facilidad para ser cargado pero con menos durabilidad que el acero en cuanto al nivel de magnetizacin.

Imanes Permanentes e Imanes Temporales. El magnetismo es una fuerza invisible que solo puede observarse por los efectos que produce.

Atraccin y repulsin.

Lneas de fuerza que abandonan el imn por un punto y entran en otro.

Movimiento de un imn junto a un conductor:Uno de los mtodos por los cuales el magnetismo produce electricidad es mediante el movimiento de un imn junto con un conductor estacionario. Colocando el imn cerca del conductor y dejndolo en reposo no ser capaz de producir electricidad. El movimiento es necesario porque el campo magntico que rodea al imn solo produce corriente elctrica en el conductor cuando el campo magntico se desplaza transversalmente sobre l. Ejemplo, micrfonos dinmicos y parlantes.

Voltaje, tensin, diferencia de potencialPara lograr que una lmpara como la de la figura se encienda, debe circular por los cables a los cuales est conectada, una corriente elctrica.

Para que esta corriente circule por los cables debe existir una fuerza, llamada Fuente de fuerza electromotriz, por ejemplo, una batera (en el caso de corriente continua), que es simplemente una fuente de tensin.

La tensin elctrica o voltaje es la diferencia de potencial elctrico provocado por la acumulacin de cargas en un punto o en un material. Cuando hablamos del voltaje de una batera o el voltaje que se puede obtener de un toma corrientes en la pared, estamos hablando de una tensin. En el primer caso es una fuente de tensin de corriente directa y en el segundo una fuente de tensin de corriente alterna.

-Si a un material se le quitan electrones, su carga elctrica total ser positiva porque se le est quitando a un tomo neutro (que no tiene carga) electrones de carga negativa. -En cambio, si a un material se le aumentan electrones (tiene ahora mas de los que tiene cuando el tomo es neutro), su carga total ser negativa.

Si se tienen dos materiales con diferentes niveles o tipos de carga, se dice entonces que hay una diferencia de potencial entre ellos. Para lograr cargar los materiales, es necesario aplicar energa a los tomos que los constituyen. Hay varios mtodos para lograrlo: - por frotamiento - por presin - por calor - por magnetismo - por una accin qumica El Volt (voltio) es la unidad de medicin de la diferencia de potencial elctrico o tensin elctrica, comnmente llamado Voltaje.

La Tensin o Voltaje se mide en voltios (V).1 kilovoltio = 1000 voltios (volts) 1 milivoltio = 1 / 1000 = 0.001 voltios (volts)

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

Tal vez la forma ms fcil de entender el significado de una tensin es haciendo una analoga con un fenmeno de la naturaleza. Si comparamos el flujo de la corriente continua con el flujo de la corriente de agua de un ro y a la tensin con la altura de una catarata (cada de agua), se puede entender a que se refiere el trmino tensin. Una fuente que entregue mucho voltaje pero poca corriente, el caso de una cada de agua muy alta con poco caudal Una fuente que entregue poco voltaje pero mucha corriente, caso de una cada de agua muy pequea pero con mucha agua (mucho caudal). Un caso interesante es aquel en que la fuente puede entregar mucho voltaje y mucha corriente, caso en que habra una cada de agua muy alta y un caudal muy grande. Este caso en especial nos indicara que tenemos una fuente de tensin con gran capacidad de entrega de potencia.

Corriente Alterna, Corriente Continua, Voltaje pico, Voltaje RMS, Voltaje Promedio, Perodo y Frecuencia.La Corriente Continua (C.C. o D.C.), es la que circula slo en un sentido.

La Corriente Alterna (A.C.) circula durante un tiempo en un sentido y despus en sentido opuesto, volvindose a repetir el mismo proceso en forma constante. Este tipo de corriente es la que nos llega a nuestras casas que usamos para alimentar los electrodomsticos, luces, etc.

El siguiente grfico aclara el concepto:

En este caso el grfico muestra el voltaje (que es tambin alterno) y tenemos que la magnitud de ste vara primero hacia arriba y luego hacia abajo (de la misma forma en que se comporta la corriente) y nos da una forma de onda llamada: onda senoidal.

El voltaje vara continuamente, y para saber que voltaje tenemos en un momento especfico, utilizamos la frmula; V = Vp x Seno () donde Vp = V pico (ver grfico) es el valor mximo que obtiene la onda y es una distancia angular y que se mide en radianes. Para cada distancia angular diferente el valor del voltaje es diferente, siendo en algunos casos positivo y en otros negativo (cuando se invierte su polaridad.) Frecuencia (f) : es la cantidad de ciclos de esta seal de voltaje que suceden en un segundo, con unidad de ciclos / segundo, que es lo mismo que Hertz o Hertzios. Periodo (T) : es el tiempo necesario para que un ciclo de la seal anterior se produzca y tiene la frmula: T = 1 / f, o sea el perodo (T) es el inverso de la frecuencia. (f) Voltaje Pico Mximo y Mnimo (Vp) : son respectivamente el mayor y menor valor de voltaje durante un perodo de la corriente. Voltaje de Pico a Pico (Vpp) : Es la diferencia entre los Vp mximo y mnimo.

Voltaje RMS (Vrms) : Es equivalente a 0.707*Vp (o sea, a la amplitud RMS de una onda sinusoidal con valor pico de amplitud Vp). Este valor de voltaje es el que obtenemos cuando utilizamos un voltmetro. La RMS de una AC tiene una relacin con la disipacin de calor o efecto trmico que una CD de igual valor disipara. En otras palabras: El valor RMS es el valor del voltaje o C.A. que produce el mismo efecto de disipacin de calor que su equivalente de voltaje o corriente en C.D.

Voltaje Promedio (Vpr) : El valor promedio de un ciclo completo de voltaje o corriente es cero ( 0 ). Si se toma en cuenta solo un semiciclo (supongamos el positivo) el valor promedio es:

VPR = VPICO x 0.636 Y la relacin que existe entre los valores RMS y promedio es: VRMS = VPR x 1.11 VPR = VRMS x 0.9

Ejemplos:

1-Si se prepara un voltmetro para que pueda medir voltajes en corriente alterna (A.C.) y medimos la salida de un tomacorriente domsticos, lo que vamos a obtener es 110 Voltios o 220 Voltios aproximadamente, dependiendo del pas donde se mida.El voltaje que leemos en el voltmetro es un VOLTAJE RMS de 110 o 220 Voltios. Cul ser el voltaje pico (Vp) de esta seal? Revisando la frmula del prrafo anterior despejamos Vp. Vp = Vrms / 0.707 -Caso Vrms = 110 V, Vp = 110 / 0.707 = 155.6 Voltios - Caso Vrms = 220 V, Vp = 220 / 0.707 = 311.17 Voltios 2-Encontrar el voltaje RMS de una seal con VPICO = 130 voltios 130 Voltios x 0.707 = 91.9 Voltios RMS Si se tiene un voltaje RMS y se desea encontrar el voltaje pico: VPICO = VRMS / 0.707 3-Encontrar el voltaje Pico de un voltaje VRMS = 120Voltios VPICO = 120 V / 0.707 = 169.7 Voltios Pico

Fuente de Poder y Fuente de AlimentacinMuchos circuitos necesitan para su funcionamiento, una alimentacin de corriente continua (C.C.), pero lo que normalmente se encuentra es alimentacin de corriente alterna (C.A.). Por ello se necesita el procedimiento que se explica abajo.

En el grfico anterior se puede ver el funcionamiento de una fuente, con ayuda de un diagrama de bloques y de las formas de onda esperadas al inicio (entrada), al final (salida) y entre cada uno de ellos. La seal de entrada es una onda senoidal cuya amplitud depender del lugar en donde vivimos (110 / 220 Voltios u otro) El transformador disminuye la amplitud de la seal de entrada a un valor que est de acorde al voltaje final de corriente continua. El rectificador convierte la seal anterior en una onda de corriente continua pulsante, y elimina la parte negativa de la onda. El filtro alisa o aplana la onda anterior eliminando el componente de corriente alterna (C.A.) que entreg el rectificador.

El regulador entrega una tensin constante sin importar las variaciones en la carga o del voltaje de alimentacin.

Resistencia y ConductanciaLa Resistencia (R) es la oposicin que ofrece un material al paso de la corriente elctrica. La Conductancia (G) es el inverso de la resistencia.Los factores principales que determinan la resistencia elctrica de un material son: Tipo de material: Cuando el material tiene muchos electrones libres, como es el caso de los metales, permite el paso de los electrones con facilidad y se le llama Conductor. Algunos Materiales Conductores son: cobre, aluminio, plata, oro, etc. Si, por el contrario, el material tiene pocos electrones libres, este dificultar el paso de la corriente y se le llama Aislante. Algunos Materiales Aislantes son: cermica, baquelita, madera, papel, plstico, etc.

Longitud: Un material de mayor longitud tiene mayor resistencia elctrica. Seccin transversal: Un material con mayor seccin transversal tiene menor resistencia. Por ejemplo, dos cables con diferente grosor. Temperatura: materiales que se encuentran a mayor temperatura tienen mayor resistencia. La unidad de medida de la resistencia elctrica es el Ohmio y se representa por la letra griega omega () . La unidad de medida de la conductancia elctrica es el Siemmens y se representa con la letra S.

Ley de OhmEstablece una relacin entre Voltaje (Tensin), Resistencia y Corriente. En un circuito sencillo en donde tenemos en serie una fuente de tensin (por ejemplo, una batera de 12 voltios) y una resistencia de 6 ohms (ohmios), se puede establecer una relacin entre la tensin de la batera (expresada en Volts), la resistencia (expresada en Ohms) y la corriente que entrega la batera y circula a travs de este resistor (expresada en Amperios). Esta relacin se establece de acuerdo con la Ley de Ohm y es: I=V/R Entonces, para el ejemplo anterior, la corriente que circula en el circuito es: I = 12 Voltios / 6 ohms = 2 Amperios.

Para despejar el voltaje en funcin de la corriente y la resistencia, entonces de acuerdo con la Ley de Ohm quedara: V=I*R V = 2 Amperios * 6 ohms =

12 V

Si se despeja la resistencia en funcin del voltaje y la corriente tenemos: R=V/I Entonces, si se conoce el voltaje y la corriente, se obtiene que: R = 12 Voltios / 2 Amperios = 6 ohms

Para recordar las tres expresiones de la Ley de Ohm se utiliza el siguiente tringulo:

Tringulo de la ley de Ohm V=IxR I=V/R R=V/I

Conexin a tierra.Una conexin a tierra es conectar las partes metlicas que no reciben corriente directamente de algn elemento elctrico a un cable (amarilloverde) que estar conectado en algn punto a la tierra. Sirve para que si alguna parte metlica de algn elemento entra en contacto con el cable de fase, la corriente que se genere sea conducida hasta la tierra, de modo que no fuese a parar a alguna persona o animal que tocase esa parte metlica.

Si a todas las partes metlicas de los artefactos elctricos les uno un cable (amarillo-verde) que en algn punto ira conectado fsicamente a la tierra ante cualquier contacto de la fase con esa parte metlica la corriente ira directamente por este cable a la tierra en vez de ir a la persona, debido a que la persona presenta una resistencia elevada y la tierra muy poca. La corriente siempre va por donde menos resistencia tiene.

ImpedanciaLa impedancia es la oposicin al paso de la corriente alterna, equivale a la resistencia en corriente continua. Se mide en ohms.

Se puede ver que la impedancia vara de acuerdo al contenido de frecuencia de la seal. Esto ocurre por ejemplo en las cajas acsticas.

Circuito serie:

Circuito paralelo:

Conceptos de potencia y energaAntes de examinar en detalle qu es la Potencia, primero se debe entender qu es energa. Se puede entender como energa a la capacidad que se tiene para realizar algo. Por ejemplo, si se conecta una batera o pila a un foco incandescente se observa que esta energa se convierte en luz y tambin se disipa en calor. La unidad de energa es el Joule (J). La Potencia es la rapidez o velocidad con que se consume la energa (por ejemplo, se deja el foco encendido gastando energa en luz y calor) se mide en Joules/segundo. La frmula para la potencia es: P = J / T (energa por unidad de tiempo) Si se consume un Julio en un segundo se dice que se consumi un Watt de potencia. La unidad de potencia es el Watt, y en electricidad y electrnica equivale a la multiplicacin de la corriente (en amperios) por el voltaje (en voltios). Recurdese que la unidad de la corriente es el Amperio, que se basa en la cantidad de electrones por segundo, o Coulombs. P = I * V (Watts) Hay mltiplos y submltiplos del watt, o vatio, como por ejemplo: - el miliwatt o milivatio: 1W / 1000 - el kilowatt o kilovatio: 1W * 1000 - el megawatt o megavatio: 1W / 1000000 Ejemplo: Si en un resistor I = 0.25 amperios y V = 3 Voltios P = I x V = 0.25 x 3 = 0.75 watts = 750 miliwatts Con ayuda de la ley de Ohm, se obtienen los siguientes resultados P = V^2 / R y P = I^2 x R Esta frmula es muy til para hallar la potencia en un resistor, donde la energa se convierte en calor. Pero la energa no siempre se transforma en calor. En el caso de un motor elctrico, la potencia se convierte en movimiento. En una emisora de radio o televisin la potencia se convierte en gran parte en ondas electromagnticas. En un equipo de sonido la potencia se convierte en ondas sonoras. En un foco la potencia se convierte en luz y calor. Normalmente el calor que se disipa no se aprovecha y se considera potencia perdida o potencia intil. La idea principal en los motores, focos, etc. es lograr que la potencia que se les suministra sea aprovechada al mximo, de manera que la potencia perdida en calor y otros sea mnima. Para saber que tambin se logra esto, se utiliza el concepto de rendimiento: Rendimiento = Potencia de salida / Potencia de entrada Ejemplo: Si un foco es de 100 Watts, pero la potencia que se aprovecha en luz es 80 watts, el rendimiento ser: 80 / 100 = 0.8 = 80%. El 20% restante se pierde en calor.