MAGNITUDES ELÉCTRICAS

VOLTAJE• El voltaje, tensión o diferencia de potencial es la presión

que ejerce una fuente de suministro de energía eléctrica o fuerza electromotriz (FEM) sobre las cargas eléctricas o electrones en un circuito eléctrico cerrado, para que se establezca el flujo de una corriente eléctrica.

• A mayor diferencia de potencial o presión que ejerza una fuente de FEM sobre las cargas eléctricas o electrones contenidos en un conductor, mayor será el voltaje o tensión existente en el circuito al que corresponda ese conductor.

Las cargas eléctricas en un circuito cerrado fluyen del polo negativo al polo positivo de la propia fuente de fuerza electromotriz.

VOLTAJE

CORRIENTE ELÉCTRICA• Corriente eléctrica: Flujo de cargas

eléctricas que, por unidad de tiempo, atraviesan un área transversal

tqI

Unidad: Amperio

1A = 1C/s

La corriente eléctrica se debe a un movimiento de los electrones en el interior del material. Esta se mide en amperios y se indica con el símbolo A

CORRIENTE CONTINUA CC• La corriente continua (CC) es el flujo continuo de

electrones a través de un conductor entre dos puntos de distinto potencial.

• En la corriente continua las cargas eléctricas circulan siempre en la misma dirección (es decir, los terminales de mayor y de menor potencial son siempre los mismos).

• Aunque comúnmente se identifica la corriente continua con la corriente constante (por ejemplo la suministrada por una batería), es continua toda corriente que mantenga siempre la misma polaridad.

CORRIENTE CONTINUA CC

Fuente de corriente continua

Símbolo fuente de voltaje de CC

FUENTES DE VOLTAJE DE CC

CORRIENTE ALTERNA• Se trata de un valor de tensión que varia

constantemente en el tiempo, tomando valores positivos, cero y negativos.

CORRIENTE ALTERNA

CORRIENTE ALTERNA• Los valores que caracterizan a la corriente alterna son:

– Valor pico (Vp): es el valor de cresta que alcanza la corriente alterna, puede ser positivo o negativo, también se le conoce como valor máximo(Vmax).

– Valor instantáneo (Vi): Es el valor que toma la corriente en un momento determinado. Se calcula a partir de la fórmula:

Vi = Vmax * sen (wt).Donde wt es el ángulo en el que deseamos obtener el valor instantáneo.

– Valor RMS (VRMS): se define como el valor de una corriente rigurosamente constante que al circular por una determinada resistencia óhmica pura produce los mismos efectos caloríficos que dicha corriente variable

VRMS = Vp / √2– Periodo (T): Es el tiempo que tarda en producirse un ciclo completo de la

corriente. Corresponde con 360º. Para la corriente de red es de 16,6 ms.– La frecuencia (F): Es el número de ciclos completos que se producen en 1

segundo. Se calcula con la fórmula:f = 1/T

CORRIENTE ALTERNA• En las redes eléctricas en Colombia se trabaja

con una frecuencia de 60 Hz.• Los toma corrientes de los hogares son una

fuente de corriente Alterna (AC)• En Europa la frecuencia típica es de 50 Hz

CORRIENTE ALTERNA• Ejercicios

1. Determine cada cuanto se repite la señal de la red eléctrica de su hogar

2. Una señal de AC tiene un valor máximo de 200V y una frecuencia de 100 Hz. Determine:

a) El valor RMS de la señalb) El periodo de la señal

3. Un electricista mide el voltaje del toma de su hogar y el multímetro da la lectura de 110V. Sabiendo que el voltaje entregado por el instrumento de medida es el valor RMS, determine el valor pico del voltaje y la expresión para calcular el valor instantáneo del voltaje.

CORRIENTE ALTERNA• Con base en el circuito mostrado en la figura

Grafique la onda senoidal y determine el valor de la amplitud, y del periodo, señalando las magnitudes. Determine adicionalmente la duración del semiciclo positivo.

Fuente de Voltaje de Corriente alterna• 110VRMS

• f = 60 Hz

Resistencia de 100kΩ

Nivel de referencia

VENTAJAS DE LA CORRIENTE ALTERNA

• Una ventaja de la corriente alterna es que en cada ciclo el valor de la tensión pasa por cero, y esto facilita la desconexión de los aparatos.

• Permite aumentar o disminuir el voltaje por medio de transformadores.

• Se transporta a grandes distancias con poca pérdida de energía.

• Es posible convertirla en corriente continua con facilidad.

RESISTENCIA (Repaso)• La resistencia (R), es la dificultad que opone un cuerpo al paso de los

electrones. Su unidad es el Ohmio (Ω), y depende del material del cuerpo, y de sus dimensiones.

• Cuando su valor es alto decimos que un material es aislante, si por el contrario es pequeña decimos que es conductor.

• La resistencia de un conductor eléctrico, responde a la siguiente expresión, que relaciona sus parámetros físicos y la naturaleza del material conductor

Rc = ρ x l/A

ρ : Resistividad específica del conductor (ρCu=0.017) l: Longitud del conductor (m) A: Sección de conductor (mm )

RESISTIVIDAD DE ALGUNOS MATERIALES

RESISTENCIA

• La unidad de la resistencia es el ohmio y se simboliza con la letra omega del alfabeto griego (Ω)

• La letra para la magnitud es R.• Ejemplo: R = 500 Ω ; Resistencia de 500 ohmios• El símbolo eléctrico de la resistencia es:

Símbolo Internacional Símbolo usado algunas veces

RESISTORES• Se denomina resistor o resistencia al componente

electrónico diseñado para introducir una resistencia eléctrica determinada entre dos puntos de un circuito.

• La corriente máxima en un resistor viene condicionado por la máxima potencia que puede disipar su cuerpo. Esta potencia se puede identificar visualmente a partir del diámetro sin que sea necesaria otra indicación. Los valores más corrientes son 0,25 W, 0,5 W y 1 W.

• Existen resistencias de valor variable, que reciben el nombre de potenciómetros.

RESISTORES (CÓDIGO DE COLORES)

RESISTORES (CÓDIGO DE COLORES)Color de la banda

Valor de la 1°cifra significativa

Valor de la 2°cifra significativa

Multiplicador Tolerancia Coeficiente de temperatura

Negro 0 0 1 - -

Marrón 1 1 10 ±1% 100ppm/ºC

Rojo 2 2 100 ±2% 50ppm/ºC

Naranja 3 3 1000 - 15ppm/ºC

Amarillo 4 4 10000 4% 25ppm/ºC

Verde 5 5 100000 ±0,5% -

Azul 6 6 1 000000 - 10ppm/ºC

Violeta 7 7 - - 5ppm/ºC

Gris 8 8 - - -

Blanco 9 9 - - 1ppm/ºC

Dorado - - 0,1 ±5% -

Plateado - - 0,01 ±10% -

Ninguno - - - ±20% -

ARREGLOS DE RESISTENCIAS• Resistores (resistencias) en serie

• Resistores paralelo

EJEMPLOS• Determine la resistencia equivalente de los

circuitos que el instructor mostrará

– Circuito serie– Circuito paralelo– Circuito mixto

EJERCICIOS1. Determine la resistencia de una barra de cobre de 20 m de

longitud y 10 mm2

2. Determina la resistencia de una barra de madera de 20 m de longitud y 10 mm2

3. Determine el código de colores para las siguientes resistencias:– 100kΩ– 220Ω– 5.6kΩ– 8Ω– 1.5M Ω

EJERCICIOS4. Determine el valor de las resistencias dadas por el

instructor5. Busque en la caja de resistencias los siguientes valores: – 10kΩ– 2.2kΩ– 4.7kΩ– 22Ω– 47kΩ

6. Utilice el multímetro para medir el valor real de las resistencias del numeral anterior y determine el margen de error.

ARREGLOS DE RESISTENCIAS

• Realizar la actividad: Arreglos de Resistencias

LEY DE OHM• A principios del siglo XIX, George Simon Ohm

descubrió la relación que existía entre la corriente, el voltaje y la resistencia de los circuitos eléctricos y lo enunció con la llamada Ley de Ohm, de la siguiente manera:– La Intensidad que circula por un circuito es

proporcional a la tensión que aplicamos en él e inversamente proporcional a la resistencia que opone a dicha corriente. Esto se expresa con la fórmula:

RVI

IR

V

LEY DE OHM• EJEMPLO: En el circuito de la figura, la pila tiene una

diferencia de potencial de 9 Voltios, la resistencia de la bombilla es de 150 Ω. ¿Qué intensidad de corriente circulará por el circuito?

DIVISOR DE VOLTAJE

21

22 RR

RVV R

EJERCICIO LEY DE OHM

• Ejercicio: Determine la corriente total del circuito mostrado en la figura:

POTENCIA ELÉCTRICA

• La potencia eléctrica que puede desarrollar un receptor eléctrico se puede calcular con la fórmula:

• Donde:– P es la potencia en vatios (W).– V es el voltaje (V).– I es la intensidad (A).

VIP

POTENCIA ELÉCTRICALas siguientes expresiones nos permiten determinar la Potencia en función de la resistencia

RVP2

RIP 2

La resistencia es un característica constructiva, que hace a los receptores capaces de entregar mayor o menor potencia. Pero dependiendo de la tensión que aplicamos a dicho receptor el valor de la potencia variará.

Para que se entienda mejor que es la potencia, podemos pensar en una bombilla que tiene una potencia de 25 W ilumina poco, (Resistencia de 2116 Ω), mientras que una bombilla de 100 W, (Resistencia de 529 Ω), luce mucho más. La cantidad que lucirá cada una de ellas dependerá de la tensión que le apliquemos en sus extremos.

POTENCIA ELÉCTRICA• Por ejemplo:

Calcula la potencia con la que luce una bombilla de 529 Ω, si la conectamos a una tensión de 110 V.

ENERGÍA ELÉCTRICA

• Cuando tenemos una carga conectada durante un tiempo lo que necesitamos conocer es la energía que consume. La fórmula que lo calcula es:

Donde:E es la energía en Joules (J).P es la potencia en vatios (W).t es el tiempo en segundos (s).

En el caso de corriente alterna se tratara de valores eficaces o RMS.

PtE

ENERGÍA ELÉCTRICA• Ejemplo: Calcule la energía que se consume cuando

tenemos encendida una bombilla de 100 vatios durante 10 horas.Pasamos las horas a segundos:

Luego la energía será:

ENERGÍA ELÉCTRICA

• Como los joules son una unidad muy pequeña normalmente la energía se expresa en KW·h (kilo vatios hora) unidad que no pertenece al Sistema Internacional.

• EPM usa la unidad KW-h para determinar el valor de la factura cobro por servicios de energía eléctrica. Existe una tarifa para el kW-h ¿Cuál es?

Costo KWh: 301.66

ENERGÍA ELÉCTRICA• Ejercicios

1. En una bombilla ordinaria puede leerse la inscripción 100 W-110 V. Con estos datos determine:

a) La intensidad de corriente que pasa por la bombilla cuando está conectada a la red eléctrica.

b) El valor en Ω de su resistencia eléctrica. c) La energía eléctrica expresada en joules y en kW-h que

consume al cabo de dos horas de estar encendida.d) Determine el valor en pesos, del consumo de energía

tomando el valor en pesos del kW-h (Tarifa energía EPM)

ENERGÍA ELÉCTRICA• Ejercicios

2. Una casa tiene:– 1 estufa– 1 horno microondas– 4 bombillas de 100W/110V – 4 lámparas ahorra-energía de 30W– 2 televisores– 1 equipo de sonido– 1 reloj despertador– 1 Router inalámbrico Linksys WRT54GL– Un calentador (Tina)

ENERGÍA ELÉCTRICA– 1 Nevecon– 1 Teléfono inalámbrico– 1 DVD– 1 Plancha– 1 Lavadora– 1 Secador de cabello (Mujeres, mujeres!!!)– 1 licuadora– 2 computadores– 1 Impresora– 1 Cargador de celular que permanece conectado todo el día

Suponga tiempos promedio de consumo y determine la cantidad de kW-h durante un mes y el precio a pagar.

ENERGÍA ELÉCTRICA

• Realizar actividad: Magnitudes eléctricas en AC

EFECTO JOULE• Si en un conductor circula corriente eléctrica, parte de la

energía de los electrones se transforma en calor debido a los choques que sufren con los átomos del material conductor por el que circulan, elevando la temperatura del mismo. Este efecto es conocido como Efecto Joule.

• La ley de Joule demostró que cuando la corriente eléctrica atraviesa una resistencia, produce efectos térmicos, es así como el delgado filamento de Tungsteno de un foco se vuelve incandescente, la gruesa resistencia de una hornilla eléctrica se calienta.

EFECTO JOULE

• Las principales aplicaciones de la Ley de Joule son las lámparas eléctricas incandescentes y fluorescentes, planchas, parrillas, tostadoras, sandwicheras, sartenes, cautines, ollas eléctricas, encendedores de cigarros del automóvil, termostatos, hornos eléctricos industriales, arco eléctrico, fusibles.

ELECTROMAGNETISMO

El ser humano hace mucho tiempo se dio cuenta de que en la naturaleza existen materiales que eran capaces de atraer al hierro, como la magnetita. Algunas de las propiedades que tiene son:

• Atraen al hierro, y otros metales como cobalto, níquel y sus aleaciones.

ELECTROMAGNETISMO

• Crean dos polos opuestos en sus extremos, y de ellos salen líneas de fuerza que van de uno al otro.

ELECTROMAGNETISMO• Polos opuestos se atraes, polos iguales se repelen

• Sus propiedades atraviesan objetos como papel, madera, plásticos, etc.

• Si frotamos un objeto de acero con un imán, el objeto adquiere las propiedades magnéticas del imán y se comporta como tal.

ELECTROMAGNETISMO• Los imanes tienen un campo magnético que los rodea, es muy fácil observarlo

si dejamos limaduras de hierro cerca del imán que se sitúan sobre las líneas de fuerza del mismo.

• Hace más de dos mil quinientos años, los chinos crearon la primera brújula al concebir la tierra como un enorme imán.

• Con ella podían conocer la orientación del norte y del sur en cualquier lugar. El polo norte magnético corresponde con el sur geográfico, y el polo sur magnético corresponde con el polo norte geográfico.

ELECTROMAGNETISMO

• También se observó que el paso de la corriente eléctrica por un conductor creaba un campo magnético alrededor del conductor siguiendo la regla de la mano derecha. A este campo magnético generado eléctricamente se le llama electromagnetismo.

Polos norte y sur magnético

ELECTROMAGNETISMO• Si este conductor lo cerramos

formando espiras, los campos magnéticos de todas las espiras se suman en el interior de la bobina, produciendo un campo magnético mayor.

• Este proceso es reversible, es decir, si en el interior de una bobina hacemos que varíe un campo magnético, conseguiremos que circule corriente por la bobina. El comportamiento de la bobina es como el de un imán eléctrico.

EL TRANSFORMADOR• Un transformador es una máquina que aprovecha la característica que

tiene la corriente eléctrica de crear campos electromagnéticos y que los campos electromagnéticos crean corriente eléctrica.

• Consiste en dos bobinas unidas por un núcleo de hierro dulce, laminado, con pequeñas impurezas, para conseguir mejores características frente a la conducción del electromagnetismo.

EL TRANSFORMADOR• Cuando circula corriente por una de las bobinas esta se transforma

en campo electromagnético se transmite por medio del hierro dulce y cuando llega hasta la otra bobina esta convierte en corriente eléctrica.

• La utilidad del transformador es cambiar de valor la tensión y la corriente de una bobina a la otra.

EL TRANSFORMADOR• El símbolo del transformador es:

• Relación de transformación

• Los transformadores se utilizan en el transporte de la energía eléctrica. • Cuando se genera, se eleva la tensión con ayuda de ellos, se transporta

por las líneas, y se baja otra vez con transformadores hasta un valor con el que poder utilizarla, sin demasiados riesgos para las personas.

2

1

2

1

VV

NNn

INSTRUMENTOS DE MEDIDA• Para medir las magnitudes eléctricas, deben utilizarse

los aparatos correspondientes, aunque en la actualidad se utiliza uno que los contiene a todos: el multímetro.

OHMETRO

• Para medir las resistencias debe utilizarse un Óhmetro, se conecta tocando los terminales de la resistencia separada del resto del circuito.

• Su símbolo es:

INSTRUMENTOS DE MEDIDAOHMETRO

• El conexionado para realizar la medición será:

VOLTÍMETRO

El voltímetro mide la tensión en voltios que tienen los elementos. Debemos elegir un voltímetro de corriente continua o alterna, dependiendo del tipo de tensión que queremos medir.

INSTRUMENTOS DE MEDIDA

VOLTÍMETRO• realizar la medición el circuito debe estar

conectado a la corriente y el voltímetro se debe colocar en paralelo al elemento del que queremos conocer su tensión.

• El conexionado para realizar la medición será:El voltímetro de corriente continua tiene polaridad por lo que hay que tener especial cuidado a la hora de conectar sus terminales.

INSTRUMENTOS DE MEDIDA

AMPERÍMETRO

• El amperímetro mide la corriente en amperios que circula por una rama de un circuito. La corriente puede ser continua o alterna, según el tipo de corriente se debe elegir el tipo de amperímetro.

• Su símbolo es:

INSTRUMENTOS DE MEDIDA

AMPERÍMETRO• Para realizar la medición, el amperímetro debe

conectarse en serie con la rama que queremos conocer su corriente. De manera que nos vemos obligados a abrir el circuito e intercalarlo.

• El conexionado para realizar la medición será:

El amperímetro de corriente continua tiene polaridad por lo que hay que tener especial cuidado a la hora de conectar sus terminales.Si se conecta en paralelo el amperímetro, se puede destruir el fusible interno y dejar de funcionar.

MULTÍMETRO

MULTÍMETRO

MULTÍMETRO• Para realizar una medida debemos seguir siempre los siguientes

pasos:

– Encender el multímetro.– Seleccionar la parte en la que queremos realizar la medición (Voltímetro,

Amperímetro, Óhmetro).– Comprobar que las puntas están en los terminales correctos, en caso

contrario colocarlas.• Es muy importante fijarse bien en el conexionado de las puntas, si se conectan

unas puntas en un terminal equivocado se puede destruir el multímetro.• El terminal negro siempre se conecta en el común y el rojo es que se conecta en

V/ O para resistencias y voltajes, o en 2A o 10A para intensidades que alcanzan como valor máximo 2 o 10 Amperios.

– Seleccionar el valor más alto de la escala que queremos medir, con el selector.

– Conectar las puntas en el lugar adecuado del circuito o resistencia.– Mover el selector bajando de escala hasta que la lectura sea posible en el

display.

TALLER• Realizar el taller de magnitudes elétricas