TEMA 2 Conceptos Básicos de La Electricidad

Mantemento das instalacións e máquinas eléctricas en buques e embarcacións 2015

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TEMA 2. Conceptos básicos de la electricidad.

Índice 2.1. La electricidad. .................................................................................................................. 2

2.2. Carga eléctrica. Unidades. ................................................................................................. 2

2.3. Campo eléctrico. ............................................................................................................... 3

2.4. Circuito eléctrico. .............................................................................................................. 3

2.5. Corriente eléctrica. Intensidad. ......................................................................................... 4

2.6. Clases de corriente eléctrica. Elementos receptores en corriente alterna. Factor de

potencia. ........................................................................................................................................ 6

2.7. Tensión eléctrica. Fuerza electromotriz. ........................................................................... 9

2.8. Resistencia eléctrica. Ley de Ohm. .................................................................................. 11

2.9. Potencia eléctrica. Energía eléctrica. Efecto Joule. Potencia en corriente alterna. ........ 13

2.10. Circuitos serie, paralelo y mixtos. ............................................................................... 14

2.11. Elementos de medida y herramientas eléctricas. ....................................................... 16

2.12. Introducción al sistema eléctrico de un buque ........................................................... 25

2.13. Cuestiones de aplicación ............................................................................................. 26


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2.1. La electricidad. Es lo que hace lucir las lámparas y girar los motores, es una fuerza, por lo tanto no es nada

palpable o visible. La electricidad atmosférica es la primera forma de electricidad que se

conoce.

La forma más común que conocemos es el rayo. El rayo no es otra cosa que una descarga

eléctrica entre una nube y la tierra. La electricidad en el rayo es invisible, solo podemos ver los

efectos que produce el rayo:

- Energía lumínica.

- Efectos caloríficos: Quemaduras e incendios.

- Efectos sonoros.

A bordo se utiliza para mover diferente maquinaria, tanto auxiliar como de cubierta, para

la iluminación, la ventilación, refrigeración, acondicionamiento de aire, calefacción, las cocinas,

etc. La instalación eléctrica de un buque puede tener distinta complejidad, dependiendo de su

tamaño y dedicación. La complejidad va desde un pequeño velero de recreo, con baterías o la

de un buque con propulsión eléctrica o con varios generadores.

2.2. Carga eléctrica. Unidades. La materia está formada por átomos. Los átomos están formados por protones (carga

positiva +), electrones (carga negativa -) y neutrones (carecen de carga). En el núcleo del

átomo están los neutrones y protones, mientras los electrones giran alrededor de ellos.

Estructura del átomo.

Si colocamos un protón frente a un electrón se acercarían rápidamente, pero si

enfrentamos dos electrones se repelen.


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La carga eléctrica es una propiedad que tienen los protones y los electrones y qué es la

que implica el proceso que hemos explicado anteriormente. La carga eléctrica es el exceso

(carga negativa) o la falta (carga positiva) de electrones de un cuerpo.

Si dos cuerpos están cargados con exceso de electrones para saber cuál de los dos está

más cargado hay que definir una unidad de carga. La carga de un electrón es muy pequeña, es

por ello que para medir la carga eléctrica se utiliza una unidad llamada Culombio que equivale

a 6,3 trillones de electrones (1C= 6,3x1018 electrones).

2.3. Campo eléctrico. Cuando frotamos el bolígrafo con un paño de lana éste atrae los papeles, es debido a que

ha desarrollado un campo de fuerzas eléctricas. Esto es un campo eléctrico. La definición de

campo eléctrico es: una región del espacio en el que una carga eléctrica está sometida a una

fuerza de carácter eléctrico. En el caso de una tormenta se crea un potente campo eléctrico

entre las nubes y el suelo.

2.4. Circuito eléctrico. Los electrones se concentran en el polo – (negativo) mientras en el polo +(positivo) se

concentran cargas positivas van absorbiendo a los electrones de los átomos próximos del

conductor. A éstos últimos átomos se les pasa los electrones de los anteriores y así

sucesivamente hasta llegar a las proximidades del polo -, que es quién inyecta los electrones

que faltan debido a que se los queda el polo +.

El sentido que llevan los electrones en su movimiento del polo – al polo + es el SENTIDO

REAL de la corriente eléctrica, aunque el sentido contrario (del polo positivo al negativo) es el

SENTIDO CONVENCIONAL, sentido que se ha adoptado como el oficial por motivos históricos y

es con el que se trabaja.

Los elementos básicos de un circuito son:

- Generador: transforman un tipo de energía determinado en energía eléctrica

(generadores eólicos, centrales térmicas, motores auxiliares, motores de emergencia,

centrales hidroeléctricas, etc.)


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Símbolo de un generador.

El lado más corto del anterior símbolo representa el lado negativo y el más largo

representa el lado positivo.

- Conductor: Permiten la circulación de cargas eléctricas. Son los cables, normalmente

de cobre, pero deben ir adecuadamente aislados para no tener efectos en la persona

ni en los aparatos cercanos.

Símbolo de un conductor.

- Receptor: transforman la energía eléctrica en otro tipo de energía (bombillas,

resistencias, calefactores eléctricos, etc.).

Símbolo de un receptor.

2.5. Corriente eléctrica. Intensidad. La corriente eléctrica es el movimiento de electrones.


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La intensidad de corriente es la cantidad de electricidad o carga eléctrica (Q) que circula

en la unidad de tiempo (t). Se mide en AMPERIOS (A). Aplicado al agua la intensidad es como

el caudal que circula por una tubería.

=

=

1

1= 1

Demostración de la enunciación.

La unidad de medida es el AMPERIO (A), pero también se utilizan otras medidas:

- Kiloamperio (kA): 1kA=1000A.

- Miliamperio (mA): 1mA= 0,001A.

- Microamperio (µA): 1µA= 0,0000001A.

El aparato de medida empleado es el amperímetro y se conecta en seria al elemento que

se quiere su intensidad.

Esquema de conexión de Amperímetro.


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Como se puede observar para poder medir la intensidad de un circuito tendremos que

abrir el circuito. Existen otras formas de no tener que hacer esta acción que es usando PINZAS

AMPERIMÉTRICAS.

Imagen de pinza amperimétrica.

Medida de la intensidad en una instalación real.

2.6. Clases de corriente eléctrica. Elementos receptores en corriente alterna. Factor de potencia.

Existen dos tipos corriente eléctrica:

Corriente continua: es la producida por baterías, pilas o generadores de corriente

continua (dinamos). Se caracteriza porque los electrones en su recorrido no

cambian de sentido, es decir, la tensión es constante en valor y polaridad. Un

amperímetro instalado en un circuito de corriente continua indica la misma

corriente. La corriente continua se usa para la alimentación de aparatos


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electrónicos (todos los ordenadores portátiles tienen una pila), baños

electrolíticos, tracción eléctrica, baterías de emergencia, etc.

Gráfico tipo corriente continua.

Corriente alterna: es la producida por generadores de corriente alterna

(alternadores). Se caracteriza porque los electrones cambian su sentido

constantemente, es decir, la tensión varía en valor y polaridad. Es la forma más

común de transportar la energía eléctrica y de consumirla. Los cambios de

corriente son continuos. El proceso de cambiar el sentido de la corriente se repite

continuamente según un patrón de tiempo (frecuencia). El tiempo en el que la

corriente alterna cambia de dirección es tan pequeño que el ojo humano no

percibe la diferencia. La corriente alterna es más fácil de producir y de transportar.

Gráfico tipo de corriente alterna.

Los parámetros característicos de la corriente alterna son:

o Valor pico: valor máximo que toma la tensión.

o Valor eficaz: es el valor de una señal continua que produciría el mismo efecto que la

alterna.

o Frecuencia: número de veces que se repite la onda en cada segundo. Se mide en

Hercios (Hz) que equivale a veces por segundo.

o En España: los valores característicos de la corriente alterna monofásica son:

o Tensión eficaz: 230V.

o Frecuencia: 50 Hz.

Los circuitos pueden contener principalmente tres tipos de elementos:


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a. Resistencia.

b. Bobina o inductancia.

c. Condensadores.

Las bobinas o inductancias y los condensadores son elementos acumuladores o

almacenadores de energía. Estos elementos pueden retrasar la onda de intensidad

(inductancia) con respecto a la onda de tensión o adelantar la onda de intensidad

(condensadores) con respecto a la onda de intensidad.

El factor de potencia o coseno ϕ se define como el ángulo de desfase entre la onda de

tensión y la de intensidad. El factor toma potencias que van desde 0 a 1 (circuito resistivo

puro).

En corriente alterna se habla de tres tipos de potencia:

1. Potencia activa: la que se consume.

2. Potencia reactiva: la que se devuelve a la red.

3. Potencia aparente: la que la red transporta.

La potencia en corriente alterna tiene esta expresión:

= ∙ ∙

El factor de potencia (cos ϕ) se mide mediante un aparato llamado fasímetro.


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2.7. Tensión eléctrica. Fuerza electromotriz. Lo que pasa en el interior de un generador de corriente es que recibe los electrones en su

lado positivo y les aplica una fuerza para mandarlos al polo negativo y despegarlos de las

cargas positivas que son las que retienen por atracción. De este modo se consigue crear una

diferencia de cargas entre los polos positivos y negativos.

Esquema de lo que sucede dentro de un generador.

La fuerza necesaria para trasladar los electrones del polo positivo al negativo se le

denomina fuerza electromotriz.

La diferencia de potencial o tensión eléctrica es la diferencia existente entre el polo

positivo y el negativo. La unidad de medida de la tensión es el VOLTIO (V). Los múltiplos y

submúltiplos más comunes del voltio son:

- Kilovoltio (kV): 1kV=1000V.

- Milivoltio (mV): 1mV= 0,001V.


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El aparato de medida empleado para medir esta magnitud se denomina voltímetro y se

conecta en paralelo al elemento que se quiere medir.

Imagen de un voltímetro.

Esquema de conexión del voltímetro.

Conexión de un polímetro para medir tensión.


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Como se puede observar por el esquema para realizar una medida de tensión eléctrica o

diferencia de potencial no hace falta abrir el circuito.

Imágenes de medida de diferencia de potencial.

2.8. Resistencia eléctrica. Ley de Ohm. El receptor se había definido como un elemento que transforma la energía eléctrica en

otro tipo de energía (calorífica, lumínica, etc.). Como receptores y de manera básica, se suelen

usar elementos llamados RESISTENCIAS, que son elementos que se OPONEN al paso de la

corriente eléctrica. Estos receptores transforman la energía eléctrica fundamentalmente en

calor, aunque en caso de bombillas lo hacen también en forma de energía lumínica.

Esquema del comportamiento de los electrones dentro de una resistencia.

La unidad de medida es el OHMIO (Ω). Las unidades más comúnmente utilizadas

además de la fundamental son:

- Kilohmio (kΩ): 1 kΩ = 1000 Ω.

- Megaohmio (MΩ): 1MΩ= 1.000.000 Ω.

- Miliohmio (mΩ): 1mΩ= 0,001Ω.

El aparato de medida empleado para medir esta magnitud se denomina ÓHMETRO y se

conecta en paralelo al elemento del que se quiere medir su resistencia.


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Esquema de conexión del óhmetro.

Como se puede observar no hace falta tener conectada una resistencia a un circuito para

realizar la medida de resistencia. Los cables y cualquier elemento que coloquemos a un

circuito tienen resistencia. La resistencia de un cable depende de varios factores:

1. Del tipo de material o sea de la resistividad (ρ) del material.

a. Buenos conductores: resistividad baja. Metales.

b. Malos conductores: resistividad alta. Madera.

2. De la longitud del cable.

a. A mayor longitud mayor resistencia.

3. De la sección del cable.

a. A menor sección mayor resistencia.

4. De la temperatura.

a. En general a mayor temperatura, mayor resistencia.

La resistencia de un conductor a una temperatura constante es:

= ∙

R=resistencia.

ρ= resistividad.

l= longitud.

S= Sección.

El físico Ohm demostró que la intensidad de la corriente que recorre un circuito eléctrico

es directamente proporcional a la tensión aplicada (a más tensión, más intensidad) e

inversamente proporcional a la resistencia eléctrica (a más resistencia, menos intensidad). Es

decir, la intensidad de corriente que circula por una resistencia es igual a la tensión aplicada a


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dicha resistencia divido entre el valor óhmico de la misma. A continuación se muestra la

fórmula que representa esta afirmación:

=

= ∙ =

Aplicación de la ley de Ohm.

¿Qué intensidad tendrá un circuito por el que tenemos una tensión de 4 V y una resistencia

de 100 Ω?

¿Qué tensión tendremos por un circuito que tiene una intensidad de 1mA y una

resistencia de 120 Ω?

¿Qué resistencia deberemos colocar si tenemos una pila de 12V y queremos obtener una

intensidad de 12 mA?

2.9. Potencia eléctrica. Energía eléctrica. Efecto Joule. Potencia en corriente alterna.

La potencia eléctrica es el producto de la tensión por la intensidad de corriente. La unidad

e potencia eléctrica es el WATIO (W). Es común usar:

- KILOWATIO (kW): 1kW= 1000W.

- MEGAWATIO (MW): 1MW= 1.000.000 W.

- MILIWATIO (mW): 1mW= 0,001W.

= ∙

Para poder medir esta unidad usaremos el VATÍMETRO. Este aparato tiene dos bobinas,

una amperimétrica y otra voltimétrica. Primero mide por separado la tensión y la intensidad y

después realiza la operación. El vatímetro tendrá cuatro bornas, dos para el voltímetro (se

conectan en paralelo, y dos para el amperímetro, que se conecta en serie.

Mantemento das instalacións e máquinas eléctricas en

Si aplicamos la ley de Ohm podremos obtener otra expresión

= ∙

La energía eléctrica

unidad es el JULIO (J), aunque se suele utilizar el kilowatio hora (kWh).

cuenta que:

- 1 Julio = 1 W· 1s.

- 1kWh= 1kW · 1h.

- 1kWh= 3,6 x 106 J.

El efecto Joule es el fenómeno por el cual los cuerpos conductores que poseen una

naturaleza resistiva y se calientan cuando son atravesados por una corriente eléctrica. El físico

James Joule comprobó que 1 Julio es equivalente a 0,24 calorías.

Cando se trata de corriente alterna, el promedio de la potencia eléctrica desarrollada por

un dispositivo de dos terminales es un función de

2.10. Circuitos serie, paralelo y mixtos.Los diferentes circuitos se distinguen por la forma de conexión:

• Circuitos serie: el terminal de salida se conecta con el terminal de entrada del

siguiente elemento.

Mantemento das instalacións e máquinas eléctricas en buques e embarcacións

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Ejemplo de conexión de un Vatímetro.

Si aplicamos la ley de Ohm podremos obtener otra expresión de la potencia.

; = ∙ = ∙ ∙ = ∙ = ∙

es igual al producto de la potencia por el tiempo invertido. Su

, aunque se suele utilizar el kilowatio hora (kWh). Hay que tener en

= ∙

es el fenómeno por el cual los cuerpos conductores que poseen una


Joule comprobó que 1 Julio es equivalente a 0,24 calorías.

= 0,24

Q= calor en calorías.

E= energía en julios.


un dispositivo de dos terminales es un función de valores eficaces.

Circuitos serie, paralelo y mixtos. Los diferentes circuitos se distinguen por la forma de conexión:

el terminal de salida se conecta con el terminal de entrada del

siguiente elemento.

buques e embarcacións 2015

de la potencia.

es igual al producto de la potencia por el tiempo invertido. Su

Hay que tener en

es el fenómeno por el cual los cuerpos conductores que poseen una



el terminal de salida se conecta con el terminal de entrada del


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o La intensidad: la intensidad que pasa por los tres elementos (resistencias)

es la misma.

o La tensión: es repartida entre las tres resistencias.

• Circuitos paralelos: consiste en conectar los terminales de salida entre sí y todos

los terminales de entrada entre sí, de medida que quedará un terminal de entrada

y otro de salida común al conjunto.

o La intensidad: que sale del generador se reparte entre las tres resistencias.

o La tensión: es la misma en las tres resistencias.

o La potencia generada en la pila: es consumida por las tres resistencias.

o La resistencia equivalente: es igual al inverso de la suma de los inversos

de las resistencias.

=1

1

+

1

+

1

"


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• Circuitos mixtos: aquéllos que combinan los anteriores.

2.11. Elementos de medida y herramientas eléctricas. Las herramientas que use cualquier persona en una instalación eléctrica deben estar

provistas de una capa aislante. Aunque esta capa no implica que se pueda trabajar sin

interrumpir la corriente, eso supone un gran riesgo. Las herramientas de seguridad llevan tres

capas aislantes:

- Amarillo: aislamiento mínimo.

- Naranja: se ha perdido una capa de aislamiento y se debe actuar con precaución.

- Rojo: Indica seguridad.

- Negro: se añade por estética en algunas herramientas para dar un mejor acabado.

A continuación se verán algunas de las muchas herramientas.


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Destornilladores para utilizar en instalaciones eléctricas.


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Pinza de punta

Alicate corta cable

Alicate corte frontal.


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Alicate corta cable.

Los polímetros industriales, también llamados tester o multímetros sirven para medir

diferentes magnitudes eléctricas (tensión, intensidad y resistencia) tanto en corriente continua

(C.C.) como en corriente alterna (C.A.). Lo más importante antes de usar un tester es pensar en

lo siguiente:

- ¿Es corriente continua o alterna?

- ¿Qué quiero medir?

- ¿En qué escala debo ajustar para poder ver el valor lo más exacto posible?


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Multímetro, polímetro o tester digital.

Pinza amperimétrica


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Para obtener una medida fiable se debe introducir un solo conductor dentro de la pinza

amperimétrica, de no ser así se obtendrá la suma vectorial de las corrientes que fluyen por los

conductores y que dependen de la fase entre las corrientes.

Si la intensidad que circula por el circuito es muy baja puede ser aumentada pasando el

conductor varias veces alrededor de la pinza (realizando una bobina). La medida que veamos

en el display será la intensidad multiplicada por el número de vueltas que hayamos dado, es

decir, para obtener el valor real de la intensidad deberíamos dividir el valor que observemos

entre el número de vueltas que hayamos dado.

Fasímetro para medir el factor de potencia.

Fasímetro más moderno.


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El fasímetro se usa fundamentalmente para medir el factor de potencia, pero hoy en día

los hay más modernos que pueden medir la potencia efectiva, la potencia aparente y el factor

de potencia, consumo energético, la corriente alterna, la tensión alterna, la corriente y la

tensión continua, la resistencia y la frecuencia.

Vatímetro

Es el instrumento que se usa para medir la potencia generada en una planta eléctrica.

Voltímetro

En este display podemos leer la tensión generada por nuestra planta eléctrica.


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Amperímetro

Aquí podemos observar la corriente que circula por nuestra instalación.

Sincronoscopio

El sincronoscopio se usa para conectar dos alternadores que funcionan en paralelo.

Cuando tenemos dos alternadores deberemos realizar una sincronización de velocidad de

ambos para acoplarlos y que alimenten eléctricamente la instalación. Esto es debido al desfase

que tiene cada alternador. Con la sincronización conseguimos que tengan valores iguales, o

por lo menos muy parecidos de: tensión, frecuencia, fase y ángulo de fase.

Todos estos aparatos componen el sistema de control de nuestra planta eléctrica en el

barco, que puede ser parecida a las siguientes imágenes:


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2.12. Introducción al sistema eléctrico de un buque Se denomina sistema eléctrico al conjunto de elementos cuya finalidad es la producción, el

transporte y la distribución de energía eléctrica. El sistema eléctrico de un buque incluye,

además de la planta generadora, encargada de producir la energía que se necesita, un

conjunto de circuitos que forman tres redes o subsistemas diferentes:

Red de distribución: formada por conductores que, partiendo de los generadores

alimentan diferentes cuadros de los cuadros se alimentan circuitos de alumbrado

o de fuerza.

Red de alumbrado: se obtiene la energía eléctrica de un cuadro de distribución y a

través de conductores se alimenta a los diferentes puntos de luz que se encienden

o se apagan mediante los correspondientes interruptores.

Red de fuerza: el consumidor o carga es un motor eléctrico, en lugar de una o

varias bombillas.

Los elementos de protección y mando suelen tener características diferentes a los

empleados en los circuitos de alumbrado.


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2.13. Cuestiones de aplicación 1. ¿Qué carga eléctrica posee un cuerpo con un exceso de 12,6 trillones de electrones?

2. ¿En qué circuito está correctamente montado el voltímetro para medir la tensión en

la resistencia de 8 Ω? Calcula la intensidad que pasa por el circuito.

3. Calcula la potencia que consume una resistencia limitadora al conectarla con una

tensión de 12V, si su resistencia es de 1kΩ.

4. La potencia máxima que es capaz de proporcionar una fuente de alimentación es de

10W. Se quiere saber si será capaz de proporcionar una corriente de 200 mA a un

amplificador de 12 V.

5. Calcula la energía en kWh y julios, consumidos por un televisor de 200 W en 8 horas de

funcionamiento.

6. Calcular la corriente que circula por un circuito en serie que tiene una resistencia de

1Ω y dos fuentes de voltaje directo de 6V. Dibuja el circuito.

7. Encontrar la corriente que circula por un circuito que tiene una fuente de 12 V y 4

resistencias de 1,5 kΩ, 10 kΩ, 4,7 kΩ y 100 kΩ, con las resistencias colocadas

según indica la figura.


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8. Calcular el voltaje que proporciona la fuente para que exista una corriente de 6 A que

circula por todo el circuito de acuerdo con el diagrama.

9. Determinar el voltaje que provee la fuente en el siguiente circuito, si existe una

corriente de 60 mA circulando.

10. Se tiene el siguiente circuito mixto, el cual es alimentado con una fuente de DC de

110V. Calcular para cada resistencia su corriente, voltaje y potencia individual.

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