Curso Instalador Electricista

Nivel 3

Entrega N 5 - 2015

Magnitudes

Magnitudes

Magnitud: Es toda propiedad de los cuerpos que se puede medir. Por ejemplo: temperatura, velocidad, masa, peso, etc.

Medir: Es comparar la magnitud con otra similar, llamada

unidad, para averiguar cuntas veces la contiene.

Unidad: Es una cantidad que se adopta como patrn para comparar con ella cantidades de la misma especie.

Ejemplo: Cuando decimos que un objeto mide dos metros, estamos indicando que es dos veces mayor que la unidad tomada como patrn, en este caso el metro.

Sistemas de unidades Los sistemas de unidades son conjuntos de unidades convenientemente relacionadas entre s que se utilizan para medir diversas magnitudes (longitud, peso, volumen, etc.). Dos de los ms utilizados universalmente son: MKS o Sistema Internacional

CGS (tambin llamado absoluto)

Las unidades correspondientes a las magnitudes (longitud, tiempo y masa) expresadas en cada uno de estos sistemas, se presentan en el cuadro

Qu es una fuerza?

Fuerza es todo lo que tiende a modificar el estado de reposo o de movimiento de un cuerpo.

Para que exista una fuerza es necesaria la presencia de dos cuerpos que interaccionen.

Las fuerzas se representan mediante flechas (vectores). Los segmentos de recta indican la direccin y el extremo acabado en una punta de flecha, el sentido

Fuerza Siempre que sobre un objeto acte una fuerza externa, ste se acelerar. La

direccin de la aceleracin es la misma que la de la fuerza.

La segunda Ley de Newton dice que la aceleracin de un cuerpo es proporcional a la resultante de fuerzas sobre el actuando y a su masa.

La ecuacin para determinar estos valores es:

Esta ecuacin nos muestra claramente que si se aumenta la fuerza,

manteniendo la masa constante, tambin aumentar la aceleracin en la misma

proporcin. es decir, la fuerza y la aceleracin son directamente proporcionales.

Mientras que si se aumenta la masa, provocar una disminucin proporcional en

la aceleracin.

Unidades de fuerza

1g =981 dinas

Trabajo Es el esfuerzo que se debe realizar para transladar un cuerpo de un punto a otro, en la misma direccin que la fuerza aplicada. En este concepto aparecen ,las magnitudes :Fuerza y Distancia A mayor fuerza mayor esfuerzo. A mayor distancia , mayor esfuerzo. Si la fuerza o la distancia disminuyen ,tambin disminuir el

esfuerzo. Por lo tanto: donde:

T: Trabajo F: Fuerza d: Distancia

Trabajo

En fsica, se entiende por trabajo a la cantidad de fuerza multiplicada por la distancia que recorre dicha fuerza. Esta puede ser aplicada a un punto imaginario o a un cuerpo para moverlo.

Qu es la energa?

Trabajo-Energa En realidad, el trabajo es solamente una transformacin de la energa y siendo, en esencia, siempre nica la energa, la denominamos en diferentes formas de acuerdo al trabajo que se est realizando. Cuando calentamos las uniones de los pares termoelctricos y obtenemos

una corriente elctrica, decimos que hemos transformado la energa calrica en energa elctrica; si con esta corriente elctrica hacemos funcionar un motor elctrico, hemos transformado la energa elctrica en energa mecnica, etc.

Todas estas transformaciones de la energa son complejas y, en general, la energa pasa de una de sus formas a varias otras simultneamente.

Al producirse las reacciones qumicas en una pila, existe una transformacin qumica de las sustancias, pero al mismo tiempo se genera

electricidad, calor, etc.

Trabajo-Energa Como ya se ha dicho, la energa es nica, pero de acuerdo a la

forma en que la apreciamos en un instante determinado le damos los nombres de:

Energa mecnica: Es la que se utiliza para realizar un trabajo mecnico, por ejemplo, levantar un cuerpo.

Energa qumica: Es la que acta durante las reacciones qumicas. Por ejemplo, al combinarse el hidrgeno con el oxgeno para formar agua.

Energa elctrica: Es la que se utiliza en el funcionamiento de los circuitos elctricos. Por ejemplo: Cuando circula una corriente elctrica por los elementos de una vlvula de radio o de un transistor, permitiendo su funcionamiento.

Energa radiante: incluye a varias formas, que tienen en comn la formacin de ondas electromagnticas, energa luminosa, calrica, etc.

Unidades de trabajo Sistema C.G.S.

En este sistema la unidad de medida del trabajo es el Ergio (erg) , y corresponde al trabajo realizado por una fuerza de 1 dina al transladarse 1 cm

Sistema M.K.S.

En este sistema la unidad de medida del trabajo es el Joule ( J ) , y corresponde al trabajo realizado por una fuerza de 1 Newton al transladarse 1 m

1 J= 1 N. 1 m 1 erg= 1 dina. 1 cm

Como 1N = 105dina y 1m=100 cm 1 J= 107 erg

Unidades de trabajo

La unidad prctica de Trabajo es el kilogrametro (kgm),que corresponde al trabajo realizado por una fuerza de 1 Kg al transladarse a la distancia de 1 m en la direccin de la fuerza

1 kgm= 1 kg. 1 m

1 J= 107 erg

1 kgm= 981000 dinas. 100 cm

1 kgm=98.000.000 erg

1 kgm=9,8. 107erg

1 kgm=9,8. J

Como

1 kgm=9,8. J

Como

Trabajo Elctrico Al comparar una corriente electrnica con una cada de

agua, el desnivel en metros de sta corresponde a la f.e.m. (fuerza electromotriz) o tensin de aquella. La cantidad total de agua, en litros, corresponde a la cantidad total de electrones, en coulombios Por esto, al multiplicar el valor de la tensin en voltios por la de la cantidad en coulomb, obtendremos el valor del trabajo elctrico desarrollado, que se expresa en Joules:

J = V x q

Trabajo Elctrico

Energa o trabajo elctrico es lo que hace moverse a un conjunto de cargas. Slo habr trabajo cuando exista movimiento de cargas en el circuito.

La potencia es el trabajo desarrollado en la unidad de tiempo. Cuanto mayor sea la potencia de un aparato, mayor ser la energa o trabajo que pueda desarrollar o que consuma en un tiempo determinado, por ello se trata de una caracterstica fundamental de los receptores elctricos. Se mide en vatios [W].

Trabajo calrico

Para medir el trabajo calrico se toma como unidad la calora, que es el calor necesario para elevar en un grado centgrado la temperatura de un gramo de agua.

Como en la prctica esta unidad resulta muy pequea, se emplea comnmente otra mil veces mayor, denominada gran calora. Para diferenciarla, la otra se llama pequea calora.

En consecuencia, el trabajo de una gran calora, es el necesario para elevar en un grado centgrado la temperatura de un litro de agua. Se simboliza con la letra Q.

Para calcular el trabajo en grandes caloras, se multiplica la cantidad de grados en que se eleva la temperatura de una cierta cantidad de agua, por el peso de la misma, en kg:

Q = T x Kg

Potencia Es el trabajo realizado en la unidad de tiempo. O sea, el trabajo total realizado, dividido por el tiempo que tard en realizarse.

donde: P: Potencia T: Trabajo t: tiempo

O sea que la Potencia es la velocidad a la que se consume la energa. Si la energa fuese un lquido, la potencia sera los litros por segundo que vierte el depsito 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 energa elctrica.

Unidades de potencia

En el sistema C.G.S la unidad de medida de la potencia es el trabajo realizado por 1 erg en 1 segundo (s)

Tambin se utiliza otra unidad de potencia, el Watt (W),que

corresponde al trabajo realizado por 1 Joule (J),en 1 segundo(s)

POTENCIA MECNICA, ELCTRICA y CALRICA

Recordemos que se llama potencia a la cantidad de trabajo realizado en un segundo de tiempo. Es la medida de la intensidad con que se realiza un trabajo.

Si se mantiene constante el valor de la potencia con que se realiza un trabajo, la cantidad total de trabajo realizado es directamente proporcional al tiempo transcurrido.

Entre potencia y cantidad total de trabajo, existe la misma relacin que entre velocidad y distancia total recorrida: esta ltima ir aumentando con el tiempo, aunque la velocidad se mantenga constante, aumente o disminuya en su valor.

Potencia mecnica

Se expresa en kilogrametros por segundo, que se abrevia Kgm/s. Su valor se calcula dividiendo la cantidad total de trabajo mecnico, por el tiempo (en segundos) en que se ha realizado.

La potencia mecnica se expresa comnmente en caballos de vapor y tambin en caballos de fuerza, que se abrevia con las letras HP (del ingls horse power que significa potencia de caballo).

Unidades de potencia

Un HP equivale a 75 kgm/s y como consecuencia cualquier potencia indicada en Kgm/s se obtendr en HP dividiendo su valor por 75 y si est expresada en HP se obtendr su valor en Kgm/s multiplicndola por 75.

1HP= 735 Watt

Potencias

Potencia elctrica: La potencia con que se ha realizado un trabajo elctrico se calcula dividiendo la cantidad total del mismo en Joules , por el tiempo en segundos en que se ha realizado. El resultado se expresa en watt y se simboliza con la letra P.

Potencia calrica: Dividiendo el valor de un trabajo calrico, expresado en grandes caloras, por el tiempo en segundos en que se ha realizado, se obtiene el valor de la potencia calrica expresada en grandes caloras por segundo, que se simboliza Q/s.

Equivalencias

tabla de equivalencia de potencia

Equivalencias

Estas equivalencias son ideales, es decir que se obtendran en los casos en que una cantidad determinada de energa se convirtiera de una forma a otra, sin ninguna prdida.

Una potencia de 75 Kgm/s equivale a 735 W, a 0,176 Q/s y a 1 HP, pero si en realidad se aprovechara una potencia mecnica de 1 HP para hacer funcionar a un generador elctrico, ste no podr proveer en forma de corriente elctrica sino una parte de los 735 W correspondientes, pues una parte importante se perder principalmente en forma de calor.

Recordemos que 1 JOULE =0,24 CAL

En todo caso la energa se convierte en forma integral, pero no necesariamente toda en la forma deseada.

Energa elctrica

La energa desarrollada o consumida por un aparato en un perodo determinado es igual a la potencia por el tiempo que est conectado.

La energa elctrica se mide en vatios por hora [Wh], o ms habitualmente en kilowatios por hora [kWh]. En ocasiones se mide en Julios [J], siendo 1J=1W1s

POTENCIA ELCTRICA RELACIONES CON LA LEY DE OHM

El valor del trabajo elctrico se obtiene multiplicando la cantidad total de electrones que lo realiza, por la tensin que acta sobre ellos, Dividiendo este resultado por el tiempo en segundos, se obtiene el valor de la potencia con que se ha realizado ese trabajo, en Watt:

P = V.I

Ley de Joule La circulacin de corriente a travs de cualquier elemento conductor produce un calentamiento en el mismo, lo que da lugar a prdidas de energa elctrica en forma de energa calorfica.

Esta energa calorfica es debida al rozamiento de los electrones en el interior del conductor. El calor (en caloras) desprendido se calcula mediante la ecuacin de la ley de Joule.

siendo proporcional a la resistencia del material,

al cuadrado de la intensidad de la corriente

y al tiempo que est circulando.

En este efecto se basan aparatos como los hornos y calefacciones elctricas y es lo que explica que se calienten las lmparass o aparatos elctricos encendidos.

Como el calor es una forma de energa Joule encontr la relacin de equivalencia entre l trabajo y el calor , probando que cuando el trabajo se convierte totalmente en calor, por cada joule de trabajo se obtienen 0,24 cal

1 Joule = 0.24 cal

Para reducir las prdidas de energa producidas por calentamiento en los conductores hay dos opciones (como se observa en la frmula), reducir la resistencia de los mismos aumentando su seccin, o bien, reducir la intensidad que se transporta (con lo que se reducirn las prdidas en proporcin cuadrtica). Por eso se emplean altas tensiones en el transporte de energa elctrica, permitiendo reducir la intensidad sin disminuir la potencia transportada.

Campo Elctrico

Si la carga q se ubica en otros puntos cualesquiera, tales como P2, P3, etc., en cada uno de ellos tambin estara actuando sobre q una fuerza elctrica producida por Q. Para describir este hecho, se dice que en cualquier punto del espacio en torno a Q existe un

campo elctrico originado por esta carga.

Campo elctrico Considrese una carga Q fija en una determinada posicin . Si se coloca otra carga q en un punto P1 a cierta distancia de Q, aparecer una fuerza elctrica actuando sobre q

Campo elctrico

Obsrvese en la figura que el campo elctrico en los puntos P1, P2, P3, etc., est originado por Q, la cual podr ser tanto positiva, como negativa. La carga q que es trasladada de un punto a otro para verificar si en ellos existe o no un campo elctrico, se denomina carga de prueba.(siempre considerada positiva)

Campo elctrico

Es importante sealar que la existencia del

Campo elctrico en un punto no depende de la presencia de la carga de prueba en ese punto .

La carga de prueba se coloca en un punto para verificar si la fuerza elctrica acta o no sobre ella, lo cual nos permite concluir si existe o no un campo elctrico en dicho punto

Campo elctrico

En un punto del espacio existe un campo elctrico cuando sobre una carga q colocada en dicho punto, se ejerce una fuerza de origen elctrico.

Con la introduccin del concepto de Campo elctrico, podemos decir que la carga Q crea un campo elctrico en los puntos del espacio que la rodean, y que este campo elctrico es responsable de la aparicin de la fuerza elctrica sobre la carga q colocada en tales puntos.

En otras palabras, consideramos que la fuerza elctrica que acta sobre q se debe a la accin del campo elctrico, y no a la accin directa de Q sobre q

Campo elctrico

El mdulo del vector en un punto dado se denomina intensidad del campo elctrico en ese punto.

Para definir este mdulo, considrese la carga Q de la figura, generando un campo elctrico en el espacio que la rodea. Colocando una carga de prueba q en un punto , se ver que sobre ella acta una fuerza elctrica. La intensidad del campo elctrico en ese punto estar dada, por definicin, por la expresin:

El campo elctrico puede representarse, en cada punto del espacio, por un vector, usualmente simbolizado por E y que se denomina vector campo elctrico.

La direccin y el sentido del vector campo elctrico en un punto estn, por definicin, dados por la direccin y sentido de la fuerza que acta sobre la carga de prueba (positiva) colocada en el punto.

Una carga positiva colocada en un punto donde existe un campo elctrico E tiende a desplazarse en el sentido de este campo

Una carga negativa ubicada en el mismo punto, tiende a desplazarse en sentido contrario al campo elctrico.

Ley de Coulomb

La fuerza entre dos cargas elctricas puntuales en reposo es directamente proporcional a las cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa, dependiendo de una constante kc segn el medio en que estn presentes, y tiene la direccin de la lnea que las une.

La fuerza es de repulsin si las cargas son de igual signo, y de atraccin si son de signo contrario.

Ley de Coulomb -Consideraciones

- Se aplica a cargas puntuales; es decir, a cargas cuyos tamaos son despreciables frente a la distancia que las separa.

- La fuerza elctrica es una magnitud vectorial, por lo tanto, hay que considerar suma de vectores.

Cuando las dos cargas tienen igual signo, la fuerza es positiva e indica repulsin.

Si ambas cargas poseen signos opuestos, la fuerza es negativa y denota atraccin

kc es una constante cuyo valor depende del medio en que se encuentren las cargas.

En el vaco es aproximadamente 9 x 109 , en el agua, 80 veces mayor, 7,2 x 1010 , etc.

La figura ilustra la definicin de la unidad de carga elctrica, el coulomb (C).

La fuerza elctrica es:

Directamente proporcional al producto de las

cargas; es decir:

Fe 1. 2

e inversamente proporcional a la distancia r que las separa; es decir:

y tambin depende del medio en que estn inmersas, pues la constante k depende del medio

Constante dielctrica

La permitividad (llamada tambin constante dielctrica) es una constante fsica que describe cmo un campo elctrico afecta y es afectado por un medio. La permitividad del vaco es 8,85x10-12 F/m.

La permitividad est determinada por la tendencia de un material a polarizarse ante la aplicacin de un campo elctrico y de esa forma anular parcialmente el campo interno del material. Est directamente relacionada con la susceptibilidad elctrica. Por ejemplo, en un condensador una alta permitividad hace que la misma cantidad de carga elctrica se almacene con un campo elctrico menor y, por ende, a un potencial menor, llevando a una mayor capacidad del mismo

Campo elctrico originado por cargas puntuales

Campo elctrico originado por cargas puntuales

Al analizar la expresin

Podemos hacer las siguientes observaciones: El campo elctrico no

depende de la carga de prueba q

El campo elctrico depende de la carga Q

El campo elctrico E ser tanto menor cuanto mayor sea la distancia r

Campo elctrico originado por varias cargas puntuales

Consideremos varias cargas puntiformes Q1,Q2,Q3.

Campo de una carga esfrica

Campo de una carga esfrica

Lneas de fuerza

El potencial elctrico o potencial electrosttico

Es el trabajo que debe realizar un campo electrosttico para mover una carga positiva q desde dicho punto hasta el punto de referencia, dividido por unidad de carga de prueba. Dicho de otra forma, es el trabajo que debe realizar una fuerza externa para traer una carga positiva unitaria q desde el punto de referencia hasta el punto considerado en contra de la fuerza elctrica. Matemticamente se expresa por:

La unidad del Sistema Internacional es el voltio (V). Todos los puntos de un campo elctrico que tienen el mismo potencial forman una superficie equipotencial.

Superficie equipotencial La unidad del Sistema Internacional es el voltio (V). Todos los puntos de un campo elctrico que tienen el mismo potencial forman una superficie equipotencial.

Condensadores

Si dos superficies planas muy extensas estn uniformemente electrizadas y con cargas de signo opuesto Q+ y Q-, fuera de ellas el campo elctrico es prcticamente nulo y en el interior homogneo, igual como lo es el campo gravitacional en una habitacin. Este dispositivo elctrico se denomina condensador de placas paralelas y es de una gran utilidad prctica. La figura ilustra el campo elctrico en un condensador elctrico.

Capacidad de un conductor.

Al tomar un cuerpo conductor una carga q adquiere un potencial V, de tal manera que ambas magnitudes quedan ligadas de forma directamente proporcional (doblando o triplicando la carga se duplica o triplica el potencial).

Si se denomina por C la constante de proporcionalidad, la frmula correspondiente ser: q = C. V

Dicha constante C, que depende de la forma geomtrica y el tipo de material que constituye el conductor, se denomina capacidad del conductor.

La frmula de Capacidad es:

La Capacidad Elctrica de un conductor cargado y aislado es una magnitud que se mide por el cociente entre su carga y su potencial elctrico.

Como el faradio resulta ser una unidad bastante grande, en la medida de capacidades elctrica se utilizan algunos submltiplos Un faradio es la capacidad de un conductor aislado cuya carga es de 1 coulomb cuando su potencial es de 1 voltio.

Un condensador es un dispositivo constituido por dos conductores aislados prximos, con cargas iguales y de signo contrario, que permiten almacenar una gran cantidad de energa, y por consiguiente energa con un pequeo potencial.

Los conductores que forman el condensador se llaman armaduras y segn la forma de stas los condensadores pueden ser: planos, cilndricos, esfricos, etc.

La cantidad de carga almacenada por un condensador es directamente proporcional a la diferencia de potencial que se haya establecido entre sus placas, pero puede ocurrir que dos condensadores de distinta forma o tamao adquieran distinta carga cuando se someten a una misma diferencia de potencial. La capacidad del condensador es:

Condensadores Los condensadores son

componentes que permiten almacenar energa elctrica, este efecto se puede aprovechar en un circuito elctrico con diferentes objetivos, por ejemplo, para disparar el flash de una cmara fotogrfica, para mantener la corriente en un circuito y evitar cadas de tensin.

A esta propiedad de alma- cenamiento de carga se le denomina capacidad.

De qu depende la capacidad?

Fundamentalmente los condensadores se componen de dos placas metlicas de poco espesor que pueden ser cargadas elctricamente y que estn separadas por un material aislante llamado "dielctrico.

Los materiales dielctricos comnmente ms utilizados son el aire, la mica y el papel encerado.

La capacidad del condensador vara en funcin del dielctrico:

Dielctricos Son aisladores, con una propiedad caracterstica llamada constante dielctrica k . Se le acredita a Michael Faraday, el llevar a cabo el primer experimento que cuando un material aislante llena el espacio entre dos placas conductoras de un condensador el valor de la capacidad aumenta. Si C0 es la capacidad en el vaco (o en el aire) de un condensador determinado, la capacidad C , cuando se coloca un dielctrico entre sus conductores es mayor que C0 por al que al factor se le da el nombre de constante dielctrica k.

C = K.C0

De qu depende la capacidad?

De qu depende la capacidad?

De qu depende la capacidad?

Condensador de lminas paralelas sin dielctrico

El condensador ms sencillo que existe se compone de dos lminas planas conductoras y paralelas A y B, con cargas iguales y de signo contrario, sin dielctrico (entre las dos lminas o armaduras existe el vaco o el aire) separadas una distancia . Este tipo de condensador recibe el nombre de condensador plano.

Si VA y VB son los potenciales de las lminas y la intensidad del campo elctrico entre ellas es de mdulo E, la diferencia de potencial entre las lminas viene dada por:

VB - VA = E.d

Por otra parte, el mdulo de la intensidad del campo elctrico entre dos lminas paralelas es:

Constante Dielctrica

Condensador de lminas paralelas con dielctricos

Rigidez Dielctrica Se denomina rigidez dielctrica de un aislante a la intensidad del campo elctrico mxima que puede soportar el aislante sin que se produzca su perforacin. Es decir, cuando la intensidad del campo elctrico en el interior del material aislante supera a su rigidez dielctrica, este deja de ser aislante y se convierte en conductor.

Tambin podemos definirla como la mxima tensin que puede soportar un aislante sin perforarse. A esta tensin se la denomina tensin de rotura de un dielctrico

Asociacin de capacitores en serie.

La CARGA que adquieren los capacitores es LA MISMA para todos.

Q=Q1=Q2=Q3

Las diferencias de potencial, en cambio, al estar en serie se SUMAN, y dicha suma ser igual al potencial V de la batera.

V = V1 + V2 + V3

Supongamos que del negativo de la batera, fluyen hacia la armadura de la derecha, por ejemplo, tres electrones, estos inducen en la placa enfrentada a ella tres cargas positivas, es decir, la abandonan tres electrones, que irn a parar a la armadura siguiente, que, a su vez, inducir una carga de +3 en la siguiente, etc.

Teniendo en cuenta que la relacin entre la carga q y la tensin V de un condensador es su capacidad C

C = q / V diremos que el potencial V que adquiere un condensador es: V = q / C por lo que diremos que en nuestro circuito tendremos: V1 = q1 / C1 V2 = q2 / C2 V3 = q3 / C3 como ya hemos dicho que: V= V1 + V2 + V3 = q1 / C1 + q2 / C2 + q3 / C3 como q = q1 = q2 = q3 V = q x[ 1/ C1 + 1 / C2 + 1 / C3 ] por lo que: V / q = 1/ CT = 1/ C1 + 1 / C2 + 1 / C3

Asociacin de capacitores en paralelo En este caso, lo que es igual para todos los capacitores es, la DIFERENCIA DE POTENCIAL, impuesta por el generador.

V = V1 = V2 = V3

En cambio, la CARGA TOTAL entregada por este debe ser igual a la SUMA de las cargas almacenadas en los capacitores

qT = q1 + q2 + q3

Como q = C x V y

V=V1=V2=V3

tendremos para cada uno de los capacitores:

q1 = C1 x V

q2 = C2 x V

q3 = C3 x V

As pues:

QT = Q1 + Q2 + Q3 = C1 x V + C2 x V + C3 x V = V x ( C1 + C2 + C3 )

QT / V = CT = C1 + C2 + C3

CARACTERISTICAS El voltaje en cada capacitor permanece constante y es igual al voltaje total aplicado. La carga en cada capacitor es diferente de tal manera que la suma de sus cargas sean iguales a la carga total.

CT = C1 + C2 + C3

Capacitores en Paralelo

Capacitores en Serie