Post on 27-May-2015
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NATURALEZA DE LA ELECTRICIDAD
Jorge Luis JaramilloFundamentos de la Electricidad
PIET EET UTPL marzo 2012
Créditos
Esta presentación fue preparada estrictamente como material de apoyo a la jornada presencial del curso de Fundamentos de la Electricidad, del programa de Ingeniería en Electrónica y Telecomunicaciones que se imparte en el Universidad Técnica Particular de Loja.
La secuencia de contenidos corresponde al plan docente de la asignatura, y, para la elaboración se han utilizado aportes propios del docente, y, una serie de materiales y recursos disponibles gratuitamente en la web.
Contenido
•Historia de la electricidad•Nociones de electrotecnia•Energía y potencia•A manera de resumen: magnitudes fundamentales• Diagramas y planos eléctricos•Discusión y análisis
Contenido
•Historia de la electricidad
Historia de la electricidad
Tales de Mileto
639 – 547 aC
Batería de Bagdad226 dC
William Gilbert
1544 - 1603
Charles Francois du
Fay1698 – 1739
Pieter van Musschenbro
ek1692 – 1761
Alessandro Volta
1745 - 1827
Electricidad estática ¿Baterías? Conductores
y dieléctricos
Cargas positivas y negativas
Capacitores
Pila eléctrica
Historia de la electricidad
Charles de Coulomb
1736 - 1806
Benjamin Franklin
1706 - 1790
André-Marie Ampère
1775 - 1836
Michael Faraday
1791 - 1867
Georg Simon Ohm
1789 - 1854
Ley de atracción de
cargasPararrayos Corriente
eléctrica
Inducción electromagn
éticaLey de Ohm
Historia de la electricidad
Samuel Morse
1791 - 1872
William Thomson
1824 -
Zénobe Gramme
1826 - 1901
Alexander Graham Bell1847 - 1922
James Clerk Maxwell
1831 - 1879
Telégrafo Primer cable trasatlántico
Dínamo de Gramme Teléfono
Teoría del campo electromagnétic
o
Historia de la electricidad
Nikola Tesla1856 - 1943
Joseph John Thomson
1856 - 1940
Robert Andrews Millikan
1868 - 1953
Thomas Alva Edison
1847 - 1931
George Westinghouse
1846 - 1914
Máquinas de CA El descubrimiento del electrón
Determinación de la carga del
electrón
La industria de la generación de ee
Contenidos
•Nociones de electrotecnia
Nociones de electrotecnia
Estructura del átomo
Nociones de electrotecnia
Estructura del átomo
La fuerza de atracción entre el núcleo del átomo y los electrones, decrece a medida de que aumenta la distancia desde el núcleo.
Los electrones de las últimas capas se pueden perder fácilmente, con lo que el átomo se transforma en un ión positivo o cation.
También puede ocurrir que las últimas capas de un átomo adquieran un mayor número de electrones, con lo que el átomo se transforma en un ión negativo o anion.
Los electrones de la orbita más externa se denominan electrones de valencia. A ellos se debe la capacidad del átomo de recombinarse y formar moléculas. En estas moléculas se comparten uno o mas electrones de la ultima capa de cada átomo. Los electrones compartidos constituyen el enlace covalente.
Nociones de electrotecnia
Comportamiento de los electrones externos del átomo
Mientras más distante se encuentre el electrón del núcleo, mayor es el estado de energía, y cualquier electrón que haya dejado a su átomo, tiene un estado de energía mayor que cualquier electrón en la estructura atómica.
Nociones de electrotecnia
Niveles energéticos del átomo
Banda de conducción
Banda de valencia
Banda prohibida
Energía
Banda de conducción
Banda de valencia
Banda prohibida
Energía
Eg > 5 eV
Banda de conducción
Banda de valencia
Banda prohibida
Energía
Eg
Banda de conducción
Banda de valencia
Energía
Electrones de valencia unidos a la estructura
atómica
Electrones libres para
establecer la conducción Las bandas
se traslapan
1 eV = 1,6 x 10-19 J
Eg = 1,1 eV (Si)
Eg = 0,67 eV (Ge)
Eg = 1,41 eV (GaAs)Dieléctrico
Conductor
La conducción de la electricidad depende del número de electrones libres por unidad de volumen en cada cuerpo
En los átomos de los conductores no todos los electrones forman parte del enlace. Algunos electrones están débilmente ligados al átomo por lo que pueden pasar fácilmente de un átomo a otro, a través de los espacios libres de la red. A estos electrones se les da el nombre de electrones libres, y, son la causa de que los metales sean buenos conductores de calor y de electricidad.
Los dieléctricos, al contrario que los conductores, no disponen de electrones libres, debido a que necesitan de todos los electrones de valencia. Los semiconductores se convierten, en determinadas condiciones, en conductores.
Nociones de electrotecnia
Electrones libres y conductividad
+ + + +
+ + + +
+ + + +
Se denomina corriente eléctrica al movimiento dirigido de electrones libres a través del circuito cerrado de un conductor, alimentado por una fuente de fem.
La intensidad de la corriente eléctrica, por su parte, depende del número de electrones que atraviesa la sección transversal del conductor, en un tiempo determinado.
Ya que todos los electrones tienen la misma carga, la fuerza de repulsión entre ellos es igual. Por lo tanto, existe la misma separación entre ellos durante su movimiento.
Nociones de electrotecnia
Corriente eléctrica
Átomos
Electrones
Corriente eléctrica
Sin conocer que la causa de la corriente eléctrica eran los electrones libres, Faraday eligió como sentido de la corriente, el que va desde la polaridad positiva (más) hacia la polaridad negativa (menos) del generador. Esta dirección se conoce como dirección técnica de la corriente eléctrica y es contraria a la dirección natural de la corriente eléctrica.
Nociones de electrotecnia
Dirección técnica de la corriente eléctrica
G cargaFuente de alimentación
+
-
Movimiento de los electrones
Sentido de la corriente
Alrededor de una carga, ubicada en una región del espacio, se crea una zona de influencia llamada campo eléctrico.
El campo eléctrico se pone de manifiesto con la presencia de una segunda carga, al aparecer fuerzas de atracción o repulsión entre las cargas.
La presencia de las dos cargas afecta la región del espacio. Para describir el campo eléctrico existente se calcula la energía potencial de cada carga, con respecto a la carga de unidad positiva. Este concepto se conoce como potencial eléctrico, y, se simboliza por la letra V.
Nociones de electrotecnia
Potencial eléctrico y diferencia de potencial
Sea el campo eléctrico de la carga +q, situada en el punto 0 en la figura mostrada. Para calcular la diferencia de potencial eléctrico (o tensión) entre los puntos A y B, se sitúa una carga de prueba +q0 (+q0 < +q ) en A, y, la movemos uniformemente hasta B, midiendo el trabajo realizado (TAB). Entonces, la diferencia de potencial eléctrico se define como:
El trabajo TAB puede ser positivo, negativo, o, nulo. En cada caso, el potencial eléctrico de B es mayor, menor, o, igual que el potencial de A.
Nociones de electrotecnia
Potencial eléctrico y diferencia de potencial
V
VA
VB
+q +q0 r
A B0
Si el punto A es un punto alejado (situado en el infinito), entonces el potencial de A tiende a cero, lo que permite definir el potencial en un punto como:
O, lo que es lo mismo:
La unidad del potencial eléctrico es el voltio, V, en honor de Volta, y, se expresa como Joule/Coulomb.
Nociones de electrotecnia
Potencial eléctrico y diferencia de potencial
Si la tensión (voltaje) a la salida del generador es o no constante, tanto en valor como en sentido, en un circuito cerrado podrá aparecer una de tres tipos de corriente:
• Continua• Alterna• Mixta
La corriente continua, es una corriente eléctrica que circula siempre en el mismo sentido y con la misma intensidad.
La corriente alterna, es aquella que cambia periódicamente de sentido e intensidad.
La corriente mixta es el resultado de la superposición de corriente continua y corriente alterna.
.
Nociones de electrotecnia
Clases de corriente eléctrica
I
I
tI
t
Tf
1
Imá
x
-Imáx
I
t
Nociones de electrotecnia
Analogía hidráulica del funcionamiento de un circuito
El funcionamiento de un circuito eléctrico, puede aproximarse al funcionamiento de un sistema hidráulico, mucho más intuitivo.
La explicación para esta analogía radica en la naturaleza “fluido” del agua y de la corriente eléctrica.
.
Los elementos pasivos de un circuito (resistencias, inductancias y capacitancias), absorben o almacenan la energía procedente de la fuente, y, están definidos por la forma en que el voltaje y la corriente se relacionan con el elemento.
.
Nociones de electrotecnia
Elementos pasivos de un circuito
Se conoce como resistencia eléctrica R, a la dificultad que presentan los distintos materiales, al paso de la corriente eléctrica, en función de su estructura y de su constitución. En el SI, la unidad para la resistencia es el ohmio ().
La resistencia eléctrica también se presenta como la magnitud inversa a la conductancia:
Se conoce como resistividad ρ, al factor que hace que cada material presente una resistencia distinta, para iguales dimensiones físicas (longitud y sección). La resistividad es constante para cada material.
.
Nociones de electrotecnia
Resistencia eléctrica
La resistencia y la resistividad están ligadas por la expresión:
Se conoce como conductividad σ , al factor relacionado con la facilidad con la que los electrones libres se mueven a través del material.
La resistencia y la conductividad, están ligadas por la expresión:
.
Nociones de electrotecnia
Resistencia eléctrica
La resistencia eléctrica “reside” en el resistor. Los resistores se unen en los circuitos en dos configuraciones: en serie, y, en paralelo.
En una configuración en serie, los resistores pueden ser “reemplazados” por un único equivalente, cuya resistencia equivale a la suma de la resistencia de cada uno de los resistores.
En una configuración en paralelo, los resistores pueden ser “reemplazados” por un único equivalente, cuya conductancia equivale a la suma de la conductancia de cada uno de los resistores.
.
Nociones de electrotecnia
Resistencia eléctrica
BAR3R2R1
BReq
A
R3R2R1Req
BA
R3
R2
R1
R3
1
R2
1
R1
1
Req
1
Se conoce como condensador a un componente diseñado para almacenar electricidad sobre una superficie pequeña.
Se define como capacidad eléctrica de un condensador al cociente entre la carga de una de las armaduras y la tensión o diferencia de potencial que existe entre las mismas. En el SI, la capacidad eléctrica se mide en faradios (F).
Para el caso de un condensador plano, se cumple que:
En dónde,C, es la capacidad, Fε, es la permitividad del dieléctricoA, es la superficie enfrentada de las armaduras, m2 d, es el espesor del dieléctrico, m
.
Nociones de electrotecnia
Capacidad eléctrica
armaduras
dieléctrico
V
QC
d
AC εUnidades:
1 [F] (microfaradio)= 10-6 F
1 [nF] (nanofaradio) = 10-9 F
1 [pF] (picofaradio) = 10-12 F
Los condensadores se unen en los circuitos en dos configuraciones: en serie, y, en paralelo.
En una configuración en serie, los condensadores pueden ser “reemplazados” por un único equivalente. La inversa a la capacidad de este condensador equivale a la suma de las inversas de las capacidades de cada uno de los condensadores.
En una configuración en paralelo, los condensadores pueden ser “reemplazados” por un único equivalente, cuya capacidad equivale a la suma de la capacidad de cada uno de los condensadores.
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Nociones de electrotecnia
Capacidad eléctrica
BAC3C2C1
BCeq
A
C3
1
C2
1
C1
1
Ceq
1
BA
C3
C2
C1
C3C2C1Ceq
Un inductor o bobina es un componente pasivo de un circuito eléctrico que, debido al fenómeno de la autoinducción, almacena energía en forma de campo magnético.
En una bobina, se define como inductancia L, a la relación entre el flujo magnético Ф y la intensidad de corriente eléctrica I. En el SI, la inductancia se mide en henrios (H):
1 H = 1[Wb/A]
.
Nociones de electrotecnia
Inductancia
Las bobinas se unen en los circuitos en dos configuraciones: en serie, y, en paralelo.
En una configuración en serie, las bobinas pueden ser “reemplazadas” por una única equivalente, cuya inductancia equivale a la suma de las inductancias de cada una de las bobinas.
En una configuración en paralelo, las bobinas pueden ser “reemplazadas” por una única equivalente. La inversa de la inductancia de esta bobina equivale a la suma de las inversas de las inductancias de cada una de las bobinas.
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Nociones de electrotecnia
Inductancia
BA L3L2L1
BLeqA
L3L2L1Leq
BA
L3
L2
L1
L3
1
L2
1
L1
1
Leq
1
Los elementos activos de los circuitos, son fuentes de voltaje o corriente, capaces de suministrar energía a la red eléctrica.
Las fuentes de tensión ideales, son aquellas que proporcionan entre sus terminales una tensión definida por una determinada ley, independientemente del circuito al que están conectadas.
Las fuentes de corriente ideales, son aquellas que proporcionan entre sus terminales una corriente definida por una determinada ley, independientemente del circuito al que están conectadas.
.
Nociones de electrotecnia
Elementos activos de los circuitos
+V
+
-V
I
Las fuentes de tensión se configuran en serie, caso en el cual son “reemplazadas” por una fuente equivalente cuya tensión es igual a la suma de las tensiones de cada una de las fuentes.
Las fuentes de corriente se configuran en paralelo, caso en el cual son “reemplazadas” por una fuente equivalente cuya corriente es igual a la suma de las corrientes de cada una de las fuentes.
Si una fuente de tensión y una de corriente, se configuran en paralelo, pueden ser reemplazadas por una fuente de tensión.
Si una fuente de tensión y una de corriente, se configuran en serie, pueden ser reemplazadas por una fuente de corriente.
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Nociones de electrotecnia
Elementos activos de los circuitos
Si el valor de la tensión o de la intensidad de corriente de una fuente de tensión o de corriente, depende de la intensidad o de la corriente en algún punto específico del circuito, entonces nos referimos a fuentes dependientes.
La simbología utilizada para representar fuentes dependientes, coincide con la simbología empleada para fuentes no dependientes, acompañada de la expresión matemática que define la dependencia de la tensión o de la corriente.
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Nociones de electrotecnia
Elementos activos de los circuitos
En la práctica, tanto las fuentes de tensión como de corriente distan mucho del concepto ideal, y, varían su resistencia interna en función del desgaste
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Nociones de electrotecnia
Elementos activos de los circuitos
Las ondas eléctricas pueden ser aperiódicas y periódicas.
Entre las ondas aperiódicas, registramos la función rampa, la función escalón, la función impulso unitario, entre otras.
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Nociones de electrotecnia
Ondas eléctricas
Las ondas periódicas se caracterizan por parámetros como el valor instantáneo, el valor de pico o de cresta, valor de pico a pico, valor medio, valor eficaz, factor de cresta (FC), factor de rizado (r), factor de forma (F)
.
Nociones de electrotecnia
Ondas eléctricas
Caracterizar la siguiente función periódica:
Nociones de electrotenia
Ondas eléctricasImagen tomada del sitio web de la Biblioteca de la Universidad de la Rioja
Nociones de electrotecnia
Principales magnitudes
Contenidos
•Energía y potencia
El término energía (del griego ἐνέργεια - energeia/ actividad, operación; ἐνεργóς - energos/ fuerza de acción o fuerza trabajando), tiene diversas acepciones y definiciones, relacionadas con la idea de una capacidad para obrar, transformar o poner en movimiento.
En física, energía se define como la capacidad para realizar un trabajo.
El término potencia (del latín potentĭa /poder, fuerza) tiene diversas acepciones. En física, en términos generales, como potencia se designa a la cantidad de trabajo realizado por cada unidad de tiempo.
Energía y potencia
Definiciones previas
En los circuitos eléctricos, las fuentes de tensión y corriente, “aportan o ceden” energía, mientras que los elementos pasivos la “receptan o absorven”.
La energía “cedida” por una fuente (generador), es función de la tensión de salida, y, de la carga eléctrica entregada.
La potencia “aportada” por un generador, es función de la energía entregada y del tiempo transcurrido.
Energía y potencia
Energía y potencia de una fuente
V·I·tE
qVE
IVPtE
P
Toda energía eléctrica absorbida por un conductor homogéneo (elemento resistivo), en el que no existen fems (fuerzas electromotrices), y, que está recorrido por una corriente eléctrica, se transforma íntegramente en calor.
En la forma más operativa, la energía transformada en calor en un elemento resistivo es proporcional al producto del cuadrado del voltaje aplicado al elemento y al tiempo transcurrido, e, inversamente proporcional a la resistencia del elemento.
En la forma más operativa, la potencia disipada en forma de calor en un elemento resistivo, es proporcional al cuadrado del voltaje aplicado al elemento, e, inversamente proporcional a la resistencia del elemento.
Energía y potencia
Energía y potencia en los elementos de un circuito
tRV
E
tIRE
tIVE
2
2
RV
P
IRP
IVP
2
2
Si la corriente eléctrica que circula por una bobina crece (su derivada es positiva), y, el voltaje en la bobina es positivo, entonces este dispositivo actúa como receptor y “consume” energía.
Cuando la corriente eléctrica disminuye (su derivada es negativa), y, el voltaje en la bobina es negativo, entonces este dispositivo actúa como fuente y “cede” energía.
Energía y potencia
Energía y potencia en los elementos de un circuito
2I.L21
E
dtdII.LP
IVP
Si el voltaje en los terminales de un condensador crece (su derivada es positiva), mientras que la corriente eléctrica que fluye es positiva, entonces este dispositivo actúa como receptor y “consume” energía.
Cuando el voltaje disminuye (su derivada es negativa), y, la corriente es negativa, entonces este dispositivo actúa como fuente y “cede” energía.
Energía y potencia
Energía y potencia en los elementos de un circuito
2V.C21
E
dtdV
V.CP
Contenido
•A manera de resumen: magnitudes fundamentales
Magnitudes fundamentales
La electricidad (del griego elektron o ámbar) es un fenómeno físico cuyo origen son las cargas eléctricas y cuya energía se manifiesta en fenómenos mecánicos, térmicos, luminosos, químicos, etc.
También se denomina electricidad a la rama de la física que estudia las leyes que rigen el fenómeno, y, a la rama de la tecnología que la usa en aplicaciones prácticas.
Elementos de electricidad
Magnitudes fundamentales
La electricidad es originada por las cargas eléctricas, en reposo o en movimiento, y las interacciones entre ellas.
Cuando varias cargas eléctricas están en reposo relativo se ejercen entre ellas fuerzas electroestáticas. Cuando las cargas eléctricas están en movimiento relativo se ejercen también fuerzas magnéticas.
Se conocen dos tipos de cargas eléctricas: positivas y negativas. Los átomos que conforman la materia contienen partículas subatómicas positivas (protones), negativas (electrones) y neutras (neutrones). También hay partículas elementales cargadas que, en condiciones normales, no son estables, por lo que se manifiestan sólo en determinados procesos como los rayos cósmicos y las desintegraciones radioactivas.
Elementos de electricidad
Magnitudes fundamentales
La electricidad y el magnetismo son dos aspectos diferentes de un mismo fenómeno físico, denominado electromagnetismo, descrito matemáticamente por las ecuaciones de Maxwell.
El movimiento de una carga eléctrica produce un campo magnético, la variación de un campo magnético produce un campo eléctrico y el movimiento acelerado de cargas eléctricas genera ondas electromagnéticas.
Elementos de electricidad
Magnitudes fundamentales
•Energía. Se define a la energía como la cantidad de trabajo que un sistema físico es capaz de producir. (J, KWh, tep).
•Potencia. La potencia se define como la transferencia de energía por unidad de tiempo. (W, HP).
Magnitudes fundamentales de la electricidad
Magnitudes fundamentales
•Tensión o voltaje. Indica la diferencia de energía entre dos puntos de un circuito. (V).
•Intensidad. La intensidad de corriente eléctrica es la cantidad de electrones que pasan por un punto determinado del circuito en la unidad de tiempo. (A).
•Resistencia. La resistencia eléctrica es la oposición que presenta un elemento del circuito al paso de la corriente. (Ω).
Magnitudes fundamentales de la electricidad
Magnitudes fundamentales
• Carga eléctrica. Se define como la cantidad de carga que pasa por la sección de un conductor, en 1 segundo, cuando la corriente eléctrica es de 1 A. (C).
•Conductividad. La conductividad eléctrica es la propiedad de los materiales que cuantifica la facilidad con que las cargas pueden moverse cuando un material es sometido a un campo eléctrico. (Siemens/m)
•Resistividad. La resistividad es una magnitud inversa a la conductividad, aludiendo al grado de dificultad que encuentran los electrones en sus desplazamientos. (Ω/m).
Magnitudes fundamentales de la electricidad
Magnitudes fundamentales
•Frecuencia. Frecuencia es una medida que se utiliza generalmente para indicar el número de repeticiones de cualquier fenómeno o suceso periódico en la unidad de tiempo. (Hz) •Corriente eléctrica. Se denomina así al flujo ordenado de electrones dentro de un conductor que conforma un circuito cerrado, en presencia de un campo eléctrico.
Magnitudes fundamentales de la electricidad
Magnitudes fundamentales
•Corriente alterna. Se denomina corriente alterna (CA/AC) a la corriente eléctrica en la que la magnitud y dirección varían cíclicamente. La forma de onda de la corriente alterna más comúnmente utilizada es la de una onda sinoidal.
•Los sistemas de CA son monofásicos, trifásicos o polifásicos
Magnitudes fundamentales de la electricidad
Magnitudes fundamentales
•Corriente directa o continua. La corriente continua (CC/DC) es el flujo continuo de electrones a través de un conductor entre dos puntos de distinto potencial. A diferencia de la CA, en la CC las cargas eléctricas circulan siempre en la misma dirección.
Magnitudes fundamentales de la electricidad
Magnitudes fundamentales
•Cargas resistivas
Tipos de carga
Magnitudes fundamentales
•Cargas inductivas
Tipos de carga
Magnitudes fundamentales
•Cargas capacitivas
Tipos de carga
Contenidos
•Esquemas y planos eléctricos
Esquemas y planos eléctricos
Diagrama esquemático
Esquemas y planos eléctricos
Diagrama esquemático
Esquemas y planos eléctricos
Diagrama unifilar
Esquemas y planos eléctricos
Diagrama de cableado
Esquemas y planos eléctricos
Planos eléctricos
DISCUSIÓN Y ANÁLISIS