PROGRAMA OPERADORES DE SUBESTACIONES

ELECTRICIDAD BASICA

INTRODUCCION A LA ELECTRICIDAD

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TABLA DE CONTENIDO

Página1. INTRODUCCION

32. OBJETIVOS 43. ELECTRICIDAD 53.1. Electricidad Estática 6 3.2. Electricidad Dinámica 64. VOLTAJE

75. RESISTENCIA

85.1. Factores que influyen en el valor de la resistencia eléctrica de los conductores de corriente

9 5.2. Materiales conductores, semiconductores y aislantes de la

corriente eléctrica 13 5.3. Diferencia entre un resistor y una resistencia 14

6. LEY DE OHM7. LA CORRIENTE CONTINUA REQUIERE DE UN CIRCUITO COMPLETO

19 8. CORRIENTE DIRECTA CD. Y CORRIENTE ALTERNA CA.

219. LOS GENERADORES ELECTRICOS TRANSFORMAN Y TRANSMITEN

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ENERGIA 23

10.POTENCIA ES LA TASA DE CONVERSION DE LA ENERGIA 26

11.LOS CONCEPTOS DE VOLTIOS, AMPERIOS Y VATIOS ESTAN 29 RELACIONADOS ENTRE SI

12.CABALLOS DE FUERZA 30

13.EFICIENCIA 31

14.CONDUCTORES DE CIRCUITO 34

15.NUMEROS DE LA AWG 34

16.CUESTIONARIO 35

17.GLOSARIO 38

1. INTRODUCCION

Este curso comienza con una explicación de lo que es la electricidad, cómo se origina y se comporta. En esta lección se explican el voltaje,

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la corriente, la resistencia y la energía o potencia eléctrica y, se emplea la Ley de Ohm para explicar sus interrelaciones en un circuito eléctrico.

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2. OBJETIVOS

Esta guía de estudio está diseñada para que usted sea capaz de:

Explicar la electricidad estática y la dinámica como movimiento de electrones.

Calcular, mediante el empleo de la Ley de Ohm, el voltaje, la corriente y la resistencia de un circuito de CD.

Utilizando la Ley de Potencia, calcular la potencia eléctrica, en vatios.

Convertir vatios a caballos de fuerza. Calcular los conductores en forma apropiada.

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3. ELECTRICIDAD

Electricidad es EL MOVIMIENTO DE CARGAS ELECTRICAS LLAMADAS ELECTRONES.

El átomo está compuesto de un pequeño y masivo núcleo, cargado positivamente, rodeado por electrones que giran a su alrededor. El núcleo, que contiene la mayor parte de la masa del átomo, esta a su vez compuesto por neutrones y protones, que se mantienen juntos por grandes fuerzas nucleares, mucho mayores que la fuerza eléctrica que mantiene unidos los electrones al núcleo.

Los átomos de la materia contienen electrones, los que son partículas con carga negativa. Los electrones se mueven alrededor del núcleo de su átomo, el cual contiene partículas cargadas positivamente llamadas protones. Normalmente las cargas positivas y las negativas se encuentran en equilibrio en la materia. Cuando los electrones se mueven de su posición normal en los átomos, se observan efectos eléctricos:

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3.1. Electricidad Estática es el resultado de electrones que han sido movidos de su posición normal en sus átomos, generalmente mediante la fricción. Esto produce una carga eléctrica estática en la materia. Cuando hay demasiados electrones, la carga es negativa; cuando son muy pocos, la carga es positiva.

“Estática” quiere decir que los electrones no se están moviendo. Tienen la tendencia a regresar a su posición normal, lo que no logran, pues un aislante, como el aire, impide su movimiento.

Esta diferencia en la carga eléctrica se denomina Diferencia de Potencial; se mide en voltios y es una forma de voltaje eléctrico.

Cuando la diferencia de potencial, o voltaje, llega a ser lo suficientemente grande, los electrones se mueven repentinamente en forma de chispa, o de descarga estática. Este movimiento de electrones es un tipo de corriente eléctrica. Debido a que el voltaje se disipa, es breve y de muy poco uso.

3.2. Electricidad Dinámica es un flujo de electrones continuo y controlado.

La corriente es el flujo de electrones en un contador, medido en Amperios. Un amperio representa un gran número de electrones que se desplazan por un segundo.

El flujo de electrones requiere mantener un cierto voltaje que empuje los electrones en forma continua. En la electricidad dinámica, el voltaje generalmente se conoce con el término de

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Fuerza Electromotriz, o FEM. Una FEM continua produce una corriente continua.

El flujo de electrones necesita un conductor, un material como el cobre, o el aluminio, que permita a través de él, un fácil desplazamiento de los electrones.

4. VOLTAJE

El voltaje o FEM, es la diferencia de carga eléctrica entre dos puntos. Con el fin de mantener esta diferencia, debe existir un exceso de electrones en un cierto lugar y, una diferencia de electrones, en otro lugar.

Por ejemplo, en una batería, las reacciones químicas mantienen en el terminal negativo un gran suministro de electrones y, una deficiencia, en el terminal positivo.

Cuando se conecta un alambre conductor entre los terminales, proporcionando de esta manera una trayectoria ininterrumpida entre los terminales, los electrones fluyen del terminal negativo al terminal positivo.

Los átomos en un buen conductor, poseen electrones libres. Cuando los electrones, de la batería, se mueven dentro del conductor, empujan a los electrones del conductor delante de ellos, en una especie de reacción en cadena.

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5. RESISTENCIA

Representación de Resistencias

Se define como la oposición al paso de la corriente.

La resistencia se mide en Ohmios y es representado por el símbolo Ω (omega).

Todos los conductores eléctricos ofrecen mayor o menor resistencia al paso de la corriente eléctrica. Esta resistencia es debida a las siguientes causas:

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A que cada átomo se opone en cierta medida a que le arranquen los electrones, por ser éstos atraídos por el núcleo.

A que se producen incontables choques entre los electrones de las corrientes y los átomos que componen el conductor. Estos choques se traducen en resistencia y hacen que se caliente el conductor.

En todo conductor, el más mínimo voltaje mueve electrones. Sin embargo, en aquellos materiales con una gran Resistencia, se moverán muy pocos. En materiales con poca resistencia, se moverán muchos electrones, con pequeños voltajes.

En algunos aisladores, como las cerámicas y los plásticos, los electrones están fuertemente ligados a sus átomos. Mientras el voltaje o FEM no sea muy alto, generalmente de miles de voltios, no se mueve ningún electrón. Esta es la razón por la que se utilizan los aislantes para controlar la electricidad en forma segura.

Excepto en el caso de materiales superconductores especiales, los electrones no fluyen con total libertad.

Un superconductor tiene dos características esenciales. Por debajo de una temperatura crítica característica (Tc), dependiente de la naturaleza y estructura del material, los superconductores exhiben resistencia cero al flujo de electricidad y pueden expulsar el flujo magnético de su interior, dando lugar al fenómeno de levitación magnética. El estado superconductor se destruye al ser sometido a un campo magnético, cosa que debe hacerse en muchas de las aplicaciones concebibles. A pesar de las dificultades anotadas anteriormente estos superconductores se utilizan ya en la microelectrónica, por ejemplo como sensores de campo magnético

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(SQUID: interferómetro cuántico superconductor), filtros, resonadores etc.

5.1. Factores que influyen en el valor de la resistencia eléctrica de los conductores de corriente:

Para conductores rectilíneos:

Para conductores rectilíneos de Ç Se mide en ohmios --Resistencia = resistividad * longitud / sección del conductorSe mide en Ohmios (Ω)

El valor de la resistencia eléctrica depende de los siguientes factores:

a. Del material del que está hecho el conductorb. De la longitudc. De la sección transversal d. De la temperatura

a. Del material que está hecho el conductor

Cada material tiene resistencia diferente, todos presentan resistencia eléctrica en cierta medida, por lo cual a cada uno se le puede asignar un valor de resistencia específica o de Resistividad.

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Para asignar ese valor que es fijo para todos los conductores de un mismo material, se ha medido la resistencia eléctrica de tramos de conductores de un (1) metro de longitud y un milímetro cuadrado (1 mm²) de sección, obteniéndose la siguiente tabla:

RESISTIVIDAD DE ALGUNOSMATERIALES A 20º C

(EN Ω*mm²/m)MATERIAL RESISTIVIDAD

PLATA O.O16COBRE 0.017ORO 0.023

ALUMINIO 0.028TUNGSTENO 0.050

ZINC 0.058LATON 0.06 a 0.08NIQUEL 0.075PLATINO 0.096HIERRO 0.10 a 0.15ESTAÑO 0.13PLOMO 0.21

MANGANINA 0.42MERCURIO 0.92

CROMO – NIQUEL 1.06

Entre más baja es la resistividad, mejor es el conductor eléctrico.

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La resistividad se representa por la letra griega ρ, se lee ro, se expresa en (Ω*mm²)/m.

b. De la longitud

La mayor longitud aumenta la resistencia.

La longitud de un conductor eléctrico representa el trayecto efectivo que sigue la corriente. La longitud se representa por L y se mide en metros (m).

Ya se sabe que los átomos retienen sus electrones y no los ceden fácilmente, esto es, oponen resistencia a la corriente eléctrica. Pues bien, cuanto más átomos hay, más resistencia tiene el conductor, o sea, que entre más trayecto tenga que recorrer la corriente eléctrica, mayor será la resistencia que se le presenta a su paso.

c. De la sección transversal

A mayor sección transversal, menor resistencia y a menor sección mayor resistencia.

En todo conductor, la resistencia eléctrica aumenta al disminuir la sección del conductor, por lo que hay que llegar a un compromiso entre volumen y peso, y la resistencia eléctrica del cable.

La sección se representa por la letra s y se mide en milímetros cuadrados (mm²).

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No confundir sección con diámetro.

d. La Temperatura

Al aumentar la temperatura, la resistencia eléctrica presenta los siguientes cambios:

En los conductores metálicos y algunos semiconductores aumenta En los líquidos, los aislantes, el carbón y en algunos

semiconductores disminuye En algunas aleaciones como la Manganina y el Constantán

permanece casi constante.

5.2. Materiales conductores, semiconductores y aislantes de la corriente eléctrica

La resistencia de los materiales varía considerablemente de acuerdo a su clase. La Plata y el Cobre son los materiales que menos oposición presentan al paso de la corriente eléctrica, en cambio hay otros materiales como el silicio, que presentan una resistencia mucho mayor. Finalmente existen otros materiales que presentan una altísima resistencia al paso de la corriente eléctrica.

Teniendo en cuenta esta variación, los materiales se han clasificado así, en electricidad:

a. Materiales conductores:

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Son aquellos que presentan una bajísima oposición al paso de los electrones, por ejemplo: Plata, Cobre, Oro, Aluminio, Tungstenao, Zinc, etc.Los materiales conductores se caracterizan porque los átomos que los conforman poseen gran cantidad de electrones libres.Estos materiales presentan en estado libre de uno a tres electrones en su capa de valencia (última órbita de un átomo)

b. Materiales SemiconductoresSon aquellos que presentan una mediana oposición al paso de los electrones, por ejemplo: Germanio y Silicio.Los materiales semiconductores se caracterizan porque los átomos que los conforman poseen pocos electrones libres.Estos elementos presentan en estado libre cuatro (4) electrones en su capa de valencia.

c. Materiales Aislantes:Son aquellos que presentan una altísima oposición al paso de los electrones, por ejemplo: El Caucho, Vidrio, Baquelita, etc.Los materiales aislantes se caracterizan porque los átomos que los conforman, puede decirse que casi no tienen electrones libres.Estos elementos en estado libre tiene entre 5 y 8 electrones en su capa de valencia.

5.3. Diferencia entre un resistor y una resistencia

El resistor es el elemento físico que se utiliza como una de las fuentes de calor en algunos artefactos como las estufas, calentadores, planchas y que se fabrican con materiales de alta resistencia a la corriente eléctrica como el ferroníquel y el carbón.

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6. LEY DE OHMLa Ley de Ohm muestra la relación entre voltaje, corriente y resistencia, dentro de un circuito. Si conocemos el valor de dos de esos elementos, podemos calcular el valor del tercero.

LEY DE OHM: V = I x REn la fórmula:

V es la Fuerza Electromotriz, o Diferencia de Potencial, medida en voltios, la cual es corriente en movimiento a través del conductor.I es la Intensidad del flujo de electrones, o Corriente a través del conductor, medida en Amperios.R es la Resistencia, u oposición, medida en Ohmios, al flujo de electrones en el conductor.

La Ley de Ohm nos dice que:a. La Corriente es inversamente proporcional a la resistencia. Si

aumenta la resistencia, la corriente disminuye. Si la resistencia disminuye, la corriente aumenta.

b. La Corriente es directamente proporcional al voltaje. Es decir, si el voltaje aumenta, la corriente aumenta; si el voltaje disminuye, la corriente disminuye.

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EJERCICIO PRACTICO I

El círculo que se dibuja a continuación, es una manera fácil de recordar las relaciones de la Ley de Ohm.

Si se cubre la E (FEM o Voltaje), el círculo mostrará que: Voltaje = I (corriente) x R (resistencia). Cubriendo la I, y cubriendo después la R, use el círculo para escribir las fórmulas de corriente y resistencia.

V = I x RI = ? R = ?

Utilizando la fórmula de la Ley de Ohm, resuelva ahora los siguientes problemas:

1. Cuánta corriente consumirá la carga?

2. Cuál es el valor de la resistencia de la carga?

3. Cuál es el voltaje de la fuente?

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V

I R

3 A20 ohmios

3 A

1.5 V

?

2 ohmios

6 V

?

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LA CORRIENTE ES SEMEJANTE AL FLUJO DE UN LIQUIDO

En el diagrama anterior, el tanque A está conectado con el tanque B mediante un tubo que tiene una válvula.

1. Si la válvula está cerrada (resistencia infinita), no hay flujo (corriente). Los tanques están “aislados” entre sí.

2. Si la válvula está ligeramente abierta (gran resistencia) no fluirá mucho agua por el tubo.

3. Si se abre mucho la válvula (disminución de la resistencia), el flujo aumenta.

4. Si la apertura de la válvula no se altera, el flujo del tanque A al tanque B, depende de la diferencia de nivel (voltaje) entre los dos. Si el nivel en ambos tanques es el mismo, no fluirá agua.

Pero, mientras el nivel del tanque A sea mayor, esté o no fluyendo agua, existe el potencial para que fluya. El mayor nivel en A, está ejerciendo una presión, la cual es muy semejante a la presión eléctrica del voltaje.

Obsérvese que en este sistema de tanques, siempre que fluya agua del tanque A al tanque B, la diferencia de nivel entre los tanques disminuye. Esto es semejante a la situación durante una descarga estática; la diferencia de potencial entre los cuerpos cargados disminuye, cuando los electrones se regresan a su posición normal.

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A B

Válvula

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La única manera de producir un flujo continuo, es reciclar el agua en un circuito completo desde el tanque B al tanque A y la de mantener el nivel más alto en el tanque A. Esto es exactamente lo que sucede cuando una FEM produce una corriente continua de electricidad. El voltaje permanece y hace que los electrones fluyan alrededor del circuito en forma continua.

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7. LA CORRIENTE CONTINUA REQUIERE DE UN CIRCUITO COMPLETO

Para semejar todavía más, el sistema de los tanques y el tubo, a un circuito eléctrico completo con una fuente de FEM, coloque una bomba que transporte el agua del tanque B al tanque A. La bomba puede producir una determinada presión máxima (voltaje de la fuente); la bomba moverá el agua hasta que se alcance esa presión.

Cuando se cierra la válvula y se enciende la bomba, aumentará la diferencia de nivel del agua entre los tanques, en la medida en que la bomba transporte agua del tanque B al tanque A.

Cuando la diferencia de nivel produzca una presión igual a la presión que la bomba puede producir, la bomba dejará de mover el agua.

Cuando se abra la válvula, la bomba vuelve a mover agua, tanta agua desde el tanque B hasta el tanque A, como la que fluye por el tubo desde el tanque A al tanque B. El nivel no se disminuye en forma significativa.

De esta manera, prácticamente la bomba mantiene la misma presión, sea que el agua fluya o no, del tanque A al B.

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A B

Válvula

Bomba

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En realidad, no se necesitan los tanques. La bomba, sin los tanques, mantendrá la presión alta de un lado y baja en el otro.

Las fuentes de FEM (baterías y generadores) son como las bombas: mantienen un voltaje constante, esté o no, fluyendo la corriente.

Los conductores de un circuito eléctrico son como los tubos.

La resistencia del circuito principal, generalmente llamada la Carga, es como la válvula.

Cuando el agua pasa a través de la válvula, pierde presión debido a la resistencia de la válvula. Si el agua entra a una presión de 50 libras por pulgada cuadrada – psi – (la presión que puede producir la bomba), y pierde casi toda su presión al atravesar la válvula, la bomba tendrá que seguir produciendo una presión de 50 libras, para que continúe el flujo del agua.

Algo similar le sucede al voltaje en un circuito eléctrico. El voltaje a través de cualquier resistencia, generalmente se le conoce como una Caída de Voltaje. La resistencia de la carga en un circuito, ocasiona una pérdida de voltaje igual al voltaje de la fuente. Se produce una caída de voltaje de tres voltios, cuando la fuente está produciendo tres

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Válvula

Bomba

50 psi 0 psi

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voltios. El voltaje de la fuente iguala el voltaje que atraviesa la resistencia de la carga.

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8. CORRIENTE DIRECTA – CD – Y CORRIENTE ALTERNA – CA –

La corriente eléctrica puede ser Corriente Directa (CD) o Corriente Alterna (CA).

1. Como el flujo entre los tanques, la Corriente Directa puede parar o arrancar, o cambiar su magnitud, pero siempre fluye en la misma dirección.

Los electrones fluyen en una sola dirección pues la polaridad del voltaje, o de la fuente de FEM es la misma; uno de los terminales o polo de la batería, es siempre positivo y el otro negativo. La fuente es como una bomba que funciona en una sola dirección.

Los electrones fluyen del terminal negativo al terminal positivo.*

2. Una fuente de Corriente Alterna, sin embargo, produce un voltaje que regularmente alterna su sentido. El voltaje es como la presión producida por una bomba con un pistón que se mueve hacia atrás y hacia delante. Cuando el pistón se mueve hacia la izquierda, se ejerce la presión en una cierta dirección, cuando el pistón se mueve hacia la derecha, se ejerce la presión en la dirección opuesta.

Obviamente, el flujo (corriente) producido, también alternará su sentido.

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La mayoría de la electricidad que se produce es CA. Como veremos en el siguiente capítulo, la polaridad del voltaje cambia debido a la forma como se genera la electricidad. Y veremos que, también, un flujo de corriente alterna produce potencia, así como la produce, la corriente que se mueve en una sola dirección.

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9. LOS GENERADORES ELECTRICOS TRANSFORMAN Y TRANSMITEN ENERGIA

Nosotros nos centraremos en las centrales térmicas convencionales o clásicas. Nos referimos mediante este término a las centrales que utilizan combustibles fósiles como materia prima, es decir, carbón, fuel y gas natural. En términos de producción de energía eléctrica, la única diferencia entre las centrales nucleares y las térmicas convencionales es la manera de generar el vapor para activar las turbinas. En las centrales nucleares el calor se produce por la fisión nuclear en un reactor, mientras que en las centrales convencionales el vapor se genera por la combustión del carbón o de derivados del petróleo.

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En las centrales térmicas convencionales, la energía química ligada por el combustible fósil (carbón, gas o fueloil) se transforma en energía eléctrica. Se trata de un proceso de refinado de energía. El esquema básico de funcionamiento de todas las centrales térmicas convencionales es prácticamente el mismo, independientemente de que utilicen carbón, fueloil o gas. Las únicas diferencias sustanciales consisten en el distinto tratamiento previo que sufre el combustible antes de ser inyectado en la caldera y el diseño de los quemadores de la misma, que varía según el tipo de combustible empleado.

En el caso de una central térmica de carbón, el combustible se reduce primero a un polvo fino y se bombea después dentro del horno por medio de unos chorros de aire precalentados. Si es una central térmica de fueloil, el combustible es precalentado para que fluya e inyectado posteriormente en quemadores adecuados a este tipo de derivados del petróleo. Finalmente, si se trata de una central térmica de gas, tenemos otro tipo de quemadores específicos. En definitiva, la energía liberada durante la combustión en la cámara de la caldera, independientemente del tipo de combustible, hace evaporarse el agua en los tubos de la caldera y produce vapor.

Generalmente, en una planta de energía eléctrica:a. La energía calórica es primero transformada en energía mecánica

mediante un motor o turbina.b. Un generador transforma esta energía mecánica en energía

eléctrica.c. La energía eléctrica es enviada por medio de las líneas de energía.d. Al otro extremo de las líneas de energía, la energía eléctrica es

convertida de nuevo en cargas, y estas, en alguna otra forma de energía, generalmente mecánica, calórica o lumínica.

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La energía eólica forma parte de las energías renovables , que proceden del sol . La energía procedente de la radiación solar, que la Tierra absorbe en un año, equivale a unas 20 veces la energía almacenada en todas las reservas de combustibles fósiles del mundo (carbón, petróleo y gas). Si se pudiera aprovechar tan solo el 0.005% de dicha radiación mediante aerogeneradores, turbinas, paneles solares y otros procedimientos tecnológicos " renovables " obtendríamos más energía útil en un año que la que conseguimos quemando carbón petróleo y gas. Con la diferencia de que las energías renovables no se agotan.

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10. POTENCIA ES LA TASA DE CONVERSION DE LA ENERGIA

La potencia o energía eléctrica, que se mide en Vatios (“watts”), es la velocidad con que la energía eléctrica es convertida en otra forma de energía.

En un molino de agua, entre más agua fluya, mayor será la velocidad de las vueltas del molino o, entre mayor sea el torque (momento de torsión) ejercido por su eje, mayor será el trabajo que realiza en un tiempo determinado.

Igualmente, entre mayor sea la potencia o energía eléctrica suministrada a un motor, medida en vatios, mayor será el trabajo que el motor realice en un determinado tiempo.

POTENCIA = CORRIENTE x VOLTAJE

La Potencia o energía eléctrica, o sea la tasa a la cual la energía eléctrica se convierte en otra forma de energía es, simplemente, la corriente multiplicada por el voltaje. Un voltaje de un voltio, al impulsar una corriente de un amperio, produce un vatio de potencia.

En este circuito, 120 voltios al impulsar una corriente de un amperio, producen 120 vatios de potencia.

P = I x EP = 1 amperio x 120 voltiosP = 120 vatios

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~1 A

120 V

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En los sistemas de potencia, un vatio es una unidad de medida demasiado pequeña para ser usada. Una unidad más común es el kilovatio, que equivale a mil vatios. En los grandes sistemas de potencia, la unidad estándar es el megavatio, que equivale a un millón de vatios.

ENERGIA CONSUMIDA = VATIOS x TIEMPO

La energía eléctrica, producida o utilizada, se mide en vatios multiplicados por tiempo o, generalmente, en kilovatios-hora. La velocidad con la que gira el disco de un “contador eléctrico” está determinada por los vatios de energía que se están utilizando. El tablero indicador señala el número en kilovatios-hora (Kw-hr), de energía eléctrica utilizada durante un determinado período de tiempo.

Las unidades de potencia normalmente vienen dadas en valores muy grandes por lo que normalmente se utilizan múltiplos decimales para designarlas.

Múltiplos y submúltiplos decimalesFactor Prefijo Símbolo Factor Prefijo Símbolo1018 exa E 10-1 deci d1015 penta P 10-2 centi c1012 tera T 10-3 mili m109 giga G 10-6 micro u106 mega M 10-9 nano n103 kilo K 10-12 pico p102 hecto H 10-15 femto f101 deca Da 10-18 atto a

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EJERCICIO PRACTICO II

1. El motor de un ventilador, generalmente consume dos amperios a 120 voltios. ¿Cuánto costará su funcionamiento durante 24 horas, si el costo de la electricidad fuera de 5 centavos por kilovatio-hora?

2. Si un calentador de agua produce 4800 vatios a 240 voltios, cuánta potencia produciría a 208 voltios?

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11. LOS CONCEPTOS DE: VOLTIOS, AMPERIOS, OHMIOS Y VATIOS, ESTAN RELACIONADOS ENTRE SI

Si se conocen dos de las cuatro cantidades básicas – voltios, amperios, ohmios y vatios – es posible calcular las otras dos. El diagrama resume las relaciones.

Note que V se usa en lugar de E, ya que la fuerza electromotriz se aplica únicamente al voltaje de la fuente. Estas fórmulas se aplican a cualquier tipo de voltaje: Voltaje de la fuente y voltaje a través de las cargas.

Por ejemplo, si se conocen los vatios (w) de una bombilla eléctrica, y el voltaje que la atraviesa, se puede calcular la corriente que pasa a través de ella (I) mientras transforma la energía eléctrica en energía lumínica.

Para hallar la corriente, emplee la fórmula P = IV. Suponga que los vatios de la bombilla son 40 w, y que ha sido conectada a una fuente de 12 voltios.

P = I x V I = P / VI = 40 / 12 I = 3.3 amperios

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V

I R

P=VxI

P=I2xR

P=V2/R

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Siempre que una corriente atraviese una resistencia, se pierde algo de energía en forma de calor. La energía perdida generalmente se calcula con la fórmula P = I2 R, ya que se conocen tanto la corriente como la resistencia.

Por ejemplo, si la longitud de una línea de energía tiene una resistencia total de 10 ohmios y la corriente que transporta es de 10 amperios, la pérdida de potencia en esa sección de la línea será de 1000 vatios.

P = I2 x R P = (10)2 amperios x 10 ohmiosP = 100 x 10 P = 1000 vatios

Las placas de identificación de los equipos eléctricos, frecuentemente suministran el voltaje de funcionamiento y los vatios. Puede que la corriente se encuentre o no especificada. La resistencia lo está algunas veces.

Por ejemplo, si un calentador opera con 240 voltios y 750 vatios y se necesita conocer su resistencia, se emplea la fórmula P = V2 / R.

P = V2 / R R = V2 / PR = 57600 / 750 R = 76.8 ohmios

12. CABALLOS DE FUERZA (HP)

La tasa a la cual un motor realiza un trabajo mecánico se mide en términos de sus caballos de fuerza (“horsepower”). Un caballo de fuerza se define como la aplicación de una fuerza de 550 libras en una distancia de un pie, durante un segundo. En otras palabras, se

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necesita 1 HP para levantar 550 libras a la distancia de un pie, en un segundo.

En el sistema métrico, 1 HP es una fuerza de 746 Newtons (nt), aplicados a lo largo de un metro durante un segundo.

Un Caballo de Fuerza = 746 VatiosUn motor de 3 HP, deberá consumir 2238 (3 x 746) vatios de potencia, pues un caballo de fuerza equivale a 746 vatios. Sin embargo, consumirá un poco más, debido a que los motores no son 100% eficientes.

13. EFICIENCIA

La Eficiencia de un componente eléctrico es la razón o proporción de la energía que sale con relación a la energía que entra.

Energía que saleEficiencia =

Energía que entra

El calentador es la única carga eléctrica que es 100 por ciento eficiente.

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EJERCICIO PRACTICO III

El motor de un elevador levanta 1000 libras a una distancia de 50 pies, en 30 segundos.

a. ¿Cuántos caballos de fuerza desarrolla el motor mientras las está elevando?

b. Si el motor es 100% eficiente, cuánta energía eléctrica es transformada en energía mecánica?

c. Al emplear un medidor de vatios, se encuentra que el motor necesita 2712 vatios para subir el elevador. ¿Cuál es la eficiencia real del motor?

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14. CONDUCTORES DE CIRCUITO

Los alambres deben poder transportar, en forma segura, la corriente de un circuito, sin recalentamiento. Y, cuando se necesiten largas longitudes, los alambres no deben causar grandes caídas de voltaje en el circuito.

La capacidad de transporte de corriente de un alambre determinado y la caída de voltaje que tendrá lugar a lo largo de cierta extensión, dependen del material y del calibre del alambre.

Una vez que se conozcan las exigencias del circuito, se podrá encontrar la información necesaria, para escoger y dimensionar correctamente el calibre de los alambres, en los cuadros disponibles en el Código Nacional de Electricidad y en otras fuentes.

15. NÚMEROS DE LA AWG

Los calibres estándar de los alambres, se refieren al diámetro del alambre y, generalmente se identifican con los números del American Standard Wire Gauge.

Los calibres AWG van desde 4-cero (4/0) hasta 40. Entre mayor sea el número de calibre, más delgado es el alambre.

Los alambres mayores de 4/0 normalmente se enumeran por su área en miles de milésimas circulares MCM.

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La Ampacidad de un determinado alambre indica su capacidad de conducir la corriente.

Se deben escoger los conductores que puedan transportar el amperaje del circuito.

La clase de aislamiento de un alambre, con frecuencia influye en la ampacidad. Esto se debe a que algunos tipos de aislamientos pueden soportar mayores temperaturas que otros. Las tablas especifican la ampacidad, tanto en términos de aislamiento como en términos del calibre AWG.

American Wire Guage Sizes and Resistances

Número Diámetro Area Ohms/1000 ft Conductor Pulgadas Pulgada² a 70ºF

10 0.102 .008172 1.02 11 0.091 .006504 1.29 12 0.081 .005153 1.62 13 0.072 .004072 2.04 14 0.064 .003217 2.57 15 0.057 .002552 3.24 16 0.051 .002043 4.10 17 0.045 .001590 5.15 18 0.040 .001257 6.51 19 0.036 .001018 8.21 20 0.032 .000804 10.30 21 0.028 .000616 13.00 22 0.025 .000491 16.50 23 0.024 .000452 20.70 24 0.020 .000314 26.20 25 0.018 .000254 33.00 26 0.016 .000201 41.80 27 0.014 .000154 52.40

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28 0.013 .000133 66.60 29 0.011 .000095 82.80

16. CUESTIONARIO

INSTRUCCIONES: Escoja la respuesta que mejor complete la proposición.

1. La electricidad dinámica se diferencia de la electricidad estática en que la electricidad dinámica exige:

A. Altos voltajesB. Una diferencia de potencialC. Fricción para producir cargasD. Una FEM continua

2. El voltaje es, siempre, el resultado de:

A. Una reacción químicaB. Un exceso y una deficiencia de electronesC. Electrones que se desplazan en un conductorD. Una descarga estática

3. Siempre que la corriente fluye a través de algo que presenta resistencia, el voltaje que pasa a través de la resistencia:

A. Disminuye cuando la corriente aumentaB. Siempre iguala a la FEM que impulsa la corriente en el circuitoC. Es igual a la resistencia multiplicada por la corrienteD. Disminuye mientras la corriente fluye

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4. Una fuente de FEM es como:

A. Una válvula que regula el flujoB. La diferencia entre los niveles de fluido en un par de tanquesC. La presión en un tuboD. Una bomba que produce una presión fija

5. Para que haya un flujo continuo de corriente, debe haber:

A. Una conexión a tierraB. Una resistenciaC. Un circuito completoD. Un voltaje que sea mayor que la resistencia a través de la cual

fluye la corriente

6. La principal resistencia en un circuito se encuentra en:

A. La cargaB. La diferencia de potencialC. La fuenteD. Los conductores

7. La CA, a diferencia de la CD:

A. Regularmente invierte su sentidoB. No puede enviar energíaC. Siempre fluye de + a –

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D. Cambia de polaridad pero no de dirección.

8. La resistencia de un circuito que consume 8 amperios a 240 voltios es:

A. 1920 ohmiosB. 64 ohmiosC. 30 ohmiosD. 90 ohmios

9. La energía consumida es igual a:

A. La corriente, multiplicada por el voltajeB. El trabajo producido, dividido por la energía que entraC. Los vatios, multiplicados por el tiempoD. La potencia, dividida por el voltaje

10. La corriente a través de un calentador de 4800 vatios y 240 voltios es:

A. 20 amperiosB. 12 amperiosC. 400 amperiosD. 0.05 amperios

11. La eficiencia de un motor es igual a:

A. Los vatios multiplicados por 746B. Los vatios que ingresan divididos por los caballos de fuerza

producidos39

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C. 100%D. Los caballos de fuerza que produce, multiplicados por 746 y,

divididos por los vatios que ingresan.

12. ¿Qué calibre, de un tipo específico de alambre, transportará la mayor cantidad de corriente?

A. 2/0B. 4/0C. 18D. 12

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18. GLOSARIO

Amperio:

Unidad de medida de la corriente eléctrica que representa el número de cargas (coulombs) por segundo que pasan por un punto de un material conductor. ( 1 Amperio = 1 coulomb/segundo). Su nombre se debe al físico francés André Marie Ampere.

Arco eléctrico

Es un tipo de descarga eléctrica de gran intensidad que se forma entre dos electrodos en presencia de un gas a baja presión o al aire libre. Por los electrodos, usualmente hechos de carbón, se hace pasar una alta corriente (por encima de los 10 amperios) la cual produce calor en el punto de contacto de los electrodos que después, al ser separados, formarán el arco. Este fenómeno fue descubierto y demostrado por el químico británico Sir Humphry Davy en 1800.

Bobina:

Es un arrollamiento de un cable conductor alrededor de un cilindro sólido o hueco, cuya especial geometría le confiere importantes características magnéticas.

Central de generación eólica:

Es el tipo de central donde se usa la fuerza del viento para mover el eje de los generadores eléctricos. Puede producir desde 5 hasta 300 kwatts.

Central de generación térmica:

Es el tipo de central donde se usa una turbina accionada por vapor de agua inyectado a presión para mover el eje de los generadores eléctricos. Se puede producir desde los 5 hasta los 5000 kwatts.

Central hidroeléctrica:

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Es una planta de generación de energía eléctrica basada en el aprovechamiento de la energía producida por las caídas de agua.

Corriente Eléctrica:

Es el flujo de carga eléctrica que pasa por un cuerpo conductor; su unidad de medida es el amperio.

Corriente eléctrica alterna:

El flujo de corriente en un circuito es llamado alterno si varía periódicamente en dirección. Se le denota como corriente A.C. (Altern current) o C.A. (Corriente alterna).

Corriente eléctrica continua:

El flujo de corriente en un circuito es llamado continuo si se produce siempre en una dirección. Se le denota como corriente D.C. (Direct current) o C.C. (Corriente continua).

Coulomb:

Es la unidad básica de carga del electrón. Su nombre deriva del científico Agustín de Coulomb (1736-1806).

Efecto fotoeléctrico:

Es la formación y liberación de partículas cargadas electricamente, presentes en un material conductor, debido a la irradiación de luz o de radiación electromagnética. Albert Einstein en 1905 explicó como ocurre este fenómeno utilizando el concepto de partícula de luz o fotón.

Electricidad:

Fenómeno físico resultado de la existencia de cargas eléctricas y de la interacción de ellas. Cuando una carga es estacionaria o estática, esta produce fuerzas sobre objetos en regiones adyacentes y cuando está en movimiento produce efectos magnéticos.

Electroimán:

Es una bobina por la cual se hace pasar corriente eléctrica, 42

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comportándose como un imán natural. Esta conformado por una bobina atravesada por un núcleo de ferrita. Cuando se conecta una corriente continua al electroimán se produce una imantación constante que recorre el núcleo de ferrita, es decir se tiene un imán con sus dos polos.

Energía solar:

Es la energía radiante producida en el sol como resultado de reacciones de fusión nuclear; esta energía se propaga a través del espacio por las partículas llamadas fotones que en ciertos materiales producen liberación de cargas debido al efecto fotoeléctrico. Ley de Faraday

"Si un campo magnético variable atraviesa el interior de una espira se obtendrá en esta una corriente eléctrica".

Generador:

Es un dispositivo usado para convertir energía mecánica en energía eléctrica por medio de la inducción electromagnética. Consta de dos partes: rotor y estator.

Inducción electromagnética:

Es la creación de corriente eléctrica en un conductor por el movimiento de un campo magnético cerca de este o por el movimiento del conductor en un campo magnético. Kilowatt:

Es un múltiplo de la unidad de medida de la potencia eléctrica (el watt); representa la cantidad de energía consumida por unidad de tiempo. Esta unidad se relaciona muy a menudo con otras unidades comunes como el HP o con unidades derivadas como el kilowatt-hora.

Motor

El motor eléctrico permite la transformación de energía eléctrica en energía mecánica, esto se logra, mediante la rotación de un campo magnético alrededor de una espira o bobinado que toma diferentes formas.

Ohmio:

Se define como la unidad de medida de la resistencia eléctrica. Un 43

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ohmio equivale a la resistencia de un material por el cual circula un flujo de corriente de un amperio, cuando está sometido a una diferencia de potencial de un voltio.

Resistencia eléctrica: Se define como la oposición que ofrece un cuerpo a un flujo de corriente que intente pasar a través de él, según la relación Voltaje = Corriente x Resistencia, conocida como la ley de Ohm debido al físico alemán Georg Simon Ohm, quién la postuló en 1827. Por esta característica los materiales se clasifican en conductores, semiconductores y aislantes.

Transformador: Dispositivo formado por dos bobinas acopladas magnéticamente usado para aumentar o disminuir voltaje; esto depende del número de espiras que posee cada bobina.

Tierra:

Comprende a toda la ligazón metálica directa, sin fusibles ni protección alguna, de sección suficiente entre determinados elementos o partes de una instalación y un electrodo o grupo de electrodos enterrados en el suelo, con el objeto de conseguir que en el conjunto de instalaciones no existan diferencias potenciales peligrosas y que al mismo tiempo permita el paso a tierra de las corrientes de falla o la de descargas de origen atmosférico. Turbina:

Máquina rotativa que convierte la energía cinética de un fluido en energía mecánica. El elemento básico de una turbina es un rotor con paletas, hélices, palas, etc. Esta energía mecánica sirve para operar generadores eléctricos u otro tipo de máquinas. Voltio:

Es la unidad de fuerza que impulsa a las cargas eléctricas a que puedan moverse a través de un conductor. Su nombre, voltio, es en honor al físico italiano, profesor en Pavia, Alejandro Volta quien descubrió que las reacciones químicas originadas en dos placas de zinc y cobre sumergidas en ácido sulfúrico originaban una fuerza suficiente para producir cargas eléctricas.

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Voltímetro:

Es un instrumento utilizado para medir la diferencia de voltaje de dos puntos distintos y su conexión dentro de un circuito eléctrico es en paralelo.

Watt:

Es la unidad de potencia de un elemento receptor de energía (por ejemplo una radio, un televisor). Es la energía consumida por un elemento y se obtiene de multiplicar voltaje por corriente. Weber: Unidad del sistema eléctrico internacional que indica el flujo magnético.

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