Tecnología Industrial Circuitos: Circuitos...

Circuitos eléctricos

Tecnología IndustrialCircuitos: Circuitos eléctricos

1. Circuitos de corriente continua (c.c.)

Imagen en Wikimedia Commons de Cburnett bajo CC

Empezaremos por lo más básico ¿qué es la electricidad? ¿Donde se encuentra?

Como recordarás de cursos anteriores la materia está constituida por unas partículasllamadas átomos.

Dentro de cada átomo es posible distinguir dos zonas. La zona central llamada núcleo ,concentra unas partículas subatómicas que tienen carga eléctrica positiva llamadas

protones y otras partículas neutras, desde el punto de vista de la carga eléctrica,llamados neutrones .

Rodeando al núcleo se localiza la corteza . En esta zona se mueven los electrones ,que son partículas con carga eléctrica negativa, girando en orbitales que envuelven alnúcleo.

Un átomo está en equilibrio eléctrico cuando tiene igual número de protones que de electrones. De no ser así, prevalece carga eléctrica enalgún sentido, y entonces se le llama ión positivo ( catión ) cuando ha perdido electrones o ión negativo ( anión ) si tieneexceso de electrones.

Un cuerpo en el que sus átomos han perdido electrones está cargado positivamente , y si sus átomos han captadoelectrones está cargado negativamente .

La unidad para medir la carga eléctrica en el Sistema Internacional de Unidades es el culombio .

Un culombio representa la carga que presentarían 6,24 x 1018

electrones.

La corriente eléctrica es el desplazamiento de electrones por el interior de un material conductor .

A su vez un material conductor será aquel que permite el movimiento de electrones a través de su estructura.

Para que exista corriente eléctrica es necesario que haya una diferencia de potencial entre dos puntos del conductor o del circuito.

El sentido real de circulación de los electrones se produce desde los puntos más negativos a los más positivos. Sin embargotradicionalmente se ha considerado el sentido convencional de circulación de la corriente eléctrica según el cual se aceptó porconvenio el que circula desde los potenciales más positivos a los más negativos, es decir es contraria al movimiento de los electrones.

En función de como varíe el valor de la corriente eléctrica a lo largo del tiempo, ésta se clasifica en:

Corriente continua (cc): Cuando su valor permanece constante e invariante con el tiempo.

Corriente alterna (ca): Cuando su valor varía cíclicamente con el tiempo.

Imagen en Wikimedia Commons

de Josemontero9 bajo CC


de Keytotime bajo domínio público

Se denomina circuito eléctrico a una serie de elementos o componentes eléctricos o electrónicos, tales comoresistencias, inductancias, condensadores, fuentes, y/o dispositivos electrónicos semiconductores, conectados

Importante

Importante

Importante


de GorillaWarfare Commons bajo CC

Los circuitos eléctricos pueden llegar a ser muy complejos y estarformados por infinidad de componentes, sin embargo todos ellosestán constituidos por elementos que se pueden agrupar en lassiguientes familias:

Generadores.

Receptores.

Elementos de control.

Elementos de protección.

Conductores.

Conectores.

En los siguientes apartados vamos a estudiar cada uno de estostipos de componentes por separado.

1.1. Generadores

Un generador es un dispositivo que mantiene una diferencia de potencial eléctrico entre dos de suspuntos , llamados polos, terminales o bornes.

Los generadores eléctricos son máquinas destinadas a transformar diversos tipos de energía en energía eléctrica.

El símbolo que utilizaremos en los esquemas eléctricos para representar un generador es:

Imagen elaboración propia

Existen diversos tipos de generadores eléctricos , las más habituales son las pilas, las baterías y las fuentes de tensión o corriente.

Pila eléctrica , Dispositivo que genera energía eléctrica a partir de la energía química que tiene acumulada. A medida que elgenerador se va agotando, su resistencia interna aumenta, lo que hace que la tensión disponible sobre la carga vaya disminuyendo,hasta que no sea suficiente para alimentar al receptor, por lo que debe recargarse, o sustituirse por otra. Esta energía resultaaccesible mediante dos terminales que tiene la pila, llamados polos, electrodos o b ornes . Uno positivo y el otro negativo.

Baterías o acumuladores : Son generadores recargables.

Fuentes de tensión o corriente :dispositivo que convierte la tensión alterna de la red de suministro, en una o variastensiones, prácticamente continuas, que alimentan los distintos circuitos del aparato electrónico al que se conecta.

Imagen en Flickr de Bacteriano bajo CCImagen en Wikimedia Commons de Shaddack bajo dominio público .

A lo largo de este tema consideraremos que los generadores tienen un comportamiento ideal.

Un generador de voltaje ideal , es aquel que mantiene un voltaje fijo entre sus bornes independientemente de la resistencia de lacarga que pueda estar conectada entre ellos.

Sea un circuito tipo como el siguiente:

Imagen de elaboración propia

Donde E es la diferencia de potencial suministrada por el generador.

Por aplicación de la segunda ley de Kirchhoff se cumple que la tensión suministrada por el generador ha de ser igual a la suma de lascaídas de tensión individuales en cada una de las resistencias.

Por otro lado en aplicación de la ley de Ohm la caída de tensión en las resistencias es igual al producto de la intensidad por su resistencia:

Matemáticamente:

Las magnitudes eléctricas características que identifican un generador ideal de tensión son :

Ri

, es la resistencia interna :

Este valor se mide en ohmios, y es la oposición que presenta el generador a la circulación de corriente a su través.

Este elemento no existe físicamente como un componente eléctrico, pero se cuantifica y se representa simbólicamente en el circuito como

Importante

una resistencia convencional en serie con uno de los bornes del generador, y cuando el circuito está cerrado y circula corriente por él seocasionan en la R

i unas pérdidas de tensión.

Es decir, produce una reducción de la tensión en bornes del generador, de tal forma que la tensión que se puede aprovechar no es la totalsino la que resulta de restar ese valor que se pierde dentro del propio generador.

Fuerza electromotriz (f.e.m.):

Se suele identificar con la letra E , se mide en voltios. Se define como el trabajo que debe aportar el generador para transportarla unidad de carga del polo negativo al positivo por el interior del generador .

Es igual a la diferencia de potencial en los bornes del generador Vab

, mientras el generador esté en vacío, ya que al no haber circulación

de corriente I=0, no habrá caída de tensión en la resistencia interna Ri; pero cuando el generador está en carga V

ab dependerá de la

Rc

que se conecte al circuito.

Intensidad nominal, In

:

Máximo valor de corriente que puede suministrar el generador , sin que se resienta su funcionamiento normal, es un dato queproporciona el fabricante. Cuando calculamos un circuito se debe tener la precaución de no sobrepasar este valor. Es decir:

Un generador es capaz de proporcionar toda la corriente que se le solicite, mientras tenga reservas de carga, pero si suministra valores decorriente por encima de su valor nominal se acorta su vida útil muy significativamente, pudiendo llegar a quemarse.

Capacidad de carga (Axh):

La capacidad de carga total de una pila se mide en amperios por hora (Ah); es el número máximo de amperios que el elementopuede suministrar en una hora .

Una batería con una capacidad de carga de 10 Ah puede estar alimentando un circuito que requiera 1 amperio durante 10 horas, o bien0,5 amperios durante 20 horas y así sucesivamente.

Generalmente cuando se extrae una gran cantidad de corriente de manera continuada la pila sufre más y entrega menos potencia totalque si la solicitación de carga es para valores de corriente más reducidos.

En ocasiones la aportación de una sola pila no es suficiente para alimentar a un receptor. En esos casos se recurre a la utilizaciónconjunta de dos a más pilas. Existen dos tipos de asociación:

Asociación en paralelo:

Se utiliza cuando se requiere una corriente mayor de la que puede proporcionar un único elemento, aunque sutensión sea la adecuada.

Se realiza uniendo los polos positivos de todas ellas, por un lado, y los negativos, por otro.

De este modo la cantidad total de corriente que requiere la carga la aportan equitativamente cada una de laspilas asociadas en paralelo.

Esta asociación presenta el inconveniente de que si un elemento falla antes que sus compañeros, o se cortocircuita, arrastrairremisiblemente en su caída a todos los demás. Por ello es necesario que cuando se recurre a asociaciones de pilas en paralelo estasdeben ser idénticas.

Asociación en serie:

Se utiliza cuando se requiere alimentar a un receptor con una diferencia de potencial mayor de la que es capazde proporcionar una sola pila.

Se realiza conectando el borne positivo de la primera pila con el negativo de la segunda y así sucesivamente.

La fem resultante es igual a la suma algebraica de las fems de cada una de las fuentes, y la corriente queatraviesa a todo el conjunto de la asociación será la misma, ya que están conectadas en serie.

Importante

Importante

1.2. Receptores

Los receptores son todos aquellos elementos de un circuito eléctrico que transforman la energía eléctrica de losgeneradores en otro tipo de energía .

Existe una gran variedad de receptores (lámparas, motores, zumbadores,...). En el desarrollo de este tema vamos a centrarnosúnicamente en unos elementos llamados resistores.

Resistor

La resistencia o resistor, es un componente electrónico fabricado expresamente para introducir una determinadaresistencia eléctrica entre dos puntos de un circuito .

Generalmente se utilizan para limitar la corriente que circula por un circuito y que esta no alcance valores que podrían resultardestructivos para sus componentes. También son empleados en ocasiones para fijar un valor determinado de tensión entre dos puntos deun circuito.

El símbolo que les identifica es cualquiera de los dos siguientes:



de Afrank99 bajo CC

Imagen en pixabay

de Nemo bajo dominio público

En algunas circunstancias se utilizan las resistencias para que por efecto Joulese produzca calor, como ocurre en el caso de un horno, un secador, uncalentador, una plancha,...

Se suele emplear la palabra resistor para identificar al componenteelectrónico y la palabra resistencia para hacer referencia a la magnitudeléctrica.

La máxima corriente eléctrica que puede atravesar un resistor depende de lacapacidad de disipación de potencia que éste tenga. Los valores máshabituales son 0,25 W, 0,5 W y 1 W.

Existen resistencias que pueden variar su valor actuando sobre un cursor,entonces reciben el nombre de potenciómetros o reóstatos .

Para identificar el valor de las resistencias se emplea un código de colores, en el que a cada color del código se le asigna un valornumérico como se indica en la tabla adjunta.

Color de la franja1°cifra

significativa2°cifra

significativaMultiplicador Tolerancia

Negro 0 0 100

Marrón 1 1 101 ±1 %

Rojo 2 2 102 ±2%

Naranja 3 3 103

Amarillo 4 4 104 4 %

Verde 5 5 105 ±0,5 %

Azul 6 6 106

Violeta 7 7 107

Gris 8 8 108

Blanco 9 9 109

Dorado 10-1 ±5 %

Plateado 10-2 ±10 %

Importante

Ninguno ±20 %

Para identificar el valor de resistencia de un resistor se graban franjas de colores sobre su contorno, lo habitual es que sean cuatrofranjas, aunque pueden ser tres o cinco rayas.

Las franjas se leen de izquierda a derecha :

La última franja más a la derecha indica la tolerancia o precisión (normalmente dorada o plateada).

De las restantes, la última es el multiplicador y las otras las cifras.

El valor de la resistencia eléctrica se obtiene leyendo las cifras como un número de una, dos o tres cifras; se multiplica por el multiplicadory se obtiene el resultado en ohmios (Ω). A este valor se le aplica la tolerancia.

De modo que se empieza a decodificar por la franja que está situada más a la izquierda, próxima al extremo del componente, desde elextremo que tiene la franja más cercana a él, dando el valor de la resistencia los tres primeros colores.

La primera franja representa el dígito de las decenas.

La segunda franja representa el dígito de las unidades.

El número así formado se multiplica por la potencia de 10 expresada por la tercera franja (multiplicador).

Determina la resistencia de un resistor que tenga grabados los colores verde, amarillo, rojo y dorado.


Determinar el valor de la resistencia de la figura:

La resistencia eléctrica es una magnitud muy sensible a la temperatura , de modo que ésta varía en función de la temperatura aque se encuentre el resistor según la expresión:

Donde

RT

es la resistencia a la temperatura T.

R20

es la resistencia a la temperatura que se considera normal (20 ºC).

∆T=T-20, es decir el incremento de temperatura.

α es el coeficiente de temperatura de un resistor, valor que da el fabricante.

La siguiente tabla muestra el coeficiente de temperatura y resistividad eléctrica de algunos materiales a 20 ºC.

MaterialCoeficiente térmico

a (ºC -1 )

Resistividad eléctrica

ρ (Ωmm 2 /m)

Plata 0,0038 0,0159

Cobre 0,00393 0,017

Oro 0,0034 0,022

Aluminio 0,00391 0,0282

Tungsteno 0,005 0,056

Níquel 0,006 0,064

Hierro 0,0055 0,1

Constantán 0,000008

Nicrom 0,00044 1,50

Carbono -0,005 35

La resistencia de cualquier conductor es:

Directamente proporcional a la resistividad que presenta el material del que está fabricado el conductor, representado por la

letra griega ρ (rho) expresada en Ωmm2

/m,

Directamente proporcional a la longitud del conductor L expresada en metros.

Inversamente proporcional a la sección del conductor S expresada en mm2

.

Según la expresión:

Llamaremos resistencias especiales a varios tipos de resistores cuya característica principal es que el valor de su resistencia no esconstante, sino que depende de alguna magnitud externa. Estas resistencias se fabrican con materiales especiales, generalmentesemiconductores.

En función de como se produzca la variación en el valor de la resistencia se distinguen los siguientes tipos de resistencias variables:

Termistores:

Resistores cuyo valor de resistencia varía con la temperatura . Hay de dos tipos:

NTC : (Negative Termistor Coeficient). En estos elementos la resistencia va decreciendo a medida que aumenta latemperatura, la relación entre el valor de la resistencia y la temperatura no es lineal sino exponencial. Se emplean en sufabricación óxidos semiconductores de níquel, cobalto y zinc. No cumplen la ley de Ohm.

PTC : (Positive Termistor Coeficient). En estos elementos el valor de la resistencia va aumentando a medida que aumentala temperatura. Se empelan como sensores de temperatura y para proteger de sobrecalentamientos a componentes sensibles ala temperatura.

Varistores:

Resistencias variables en las que el valor de la resistencia disminuye a medida que se incrementa el voltaje al que sesomete al elemento. Se conocen como VDL : (Voltaje Dependent Resistor).

Fotoresistores:

Resistencias variables cuyo valor varían según la luz que incide sobre ellas . LDR : (Light dependent resistor). Cuanto mayores la intensidad de luz que llega al LDR menor es la resistencia que ofrece al paso de corriente.

NTCPTC VDL LDR

Imágenes de elaboración propia

1.3. Elementos de control y protección

Elementos de control y mando:

Elementos que permiten realizar la conexión y desconexión de los circuitos eléctricos;



Existe una gran cantidad de tipos y variantes de elementos de control y mando. En este tema prestaremos especial atención a losllamados diodos .

Antes de estudiar los diodos vamos a ver brevemente otros elementos importantes son:

Interruptores:

Son componentes que permiten o impiden el paso de la corriente eléctrica, según el estado en que seencuentren, son los que emplean generalmente para gobernar la luz de una habitación; su símbolo es el de lafigura:

Conmutadores:

Presentan un aspecto idéntico a los interruptores, pero interiormente tienen otro tipo de contactos quepermiten controlar una lámpara desde dos puntos conmutados alternativamente, su símbolo es el de la figura:

En el siguiente esquema puedes observar el funcionamiento combinado de dos conmutadores que permitenencender y apagar una bombilla desde dos puestos diferentes:


Imagen de elaboración propia Imagen en Simbología electrónica bajo CC

Pulsadores:

Son componentes que permiten o impiden el paso de la corrienteeléctrica, cuando se actúa sobre ellos, tienen la característica deque un resorte los mantiene en una posición estable y puedenestar normalmente abiertos (NA) es decir desconectados, onormalmente cerrados (NC) .

Son los que se emplean para hacer sonar un timbre (NA), ocontrolar la lámpara interior de un frigorífico (NC).

Relés:

Cumplen la misma función que los interruptores, pero en lugar de activarse manualmente, su conexión/desconexión se realiza pormedio de un circuito eléctrico auxiliar por el que circula una corriente de valor reducido, que activa la bobina de un electroimánque atrae a una lámina metálica que actúa como contacto del relé; puede tener uno o más conjuntos de contactos conmutados, de modoque pueda servir para abrir o cerrar uno o más circuitos.

En la siguiente animación puedes ver el esquema de funcionamiento de un relé. Cuando la corriente pasa por la bobina produce un campomagnético que mueve la pieza gris. Esta a su vez produce el movimiento del contacto central.

-

Imagen de elaboración propiaImagen en Wikimedia Commons

de Digigalos bajo CC

Importante

1.4. Conductores y conectores

Conductores:

Elementos que sirven de asiento a la intensidad de corriente eléctrica, conectando los distintos elementos del circuito.


bajo dominio público

Los conductores deben estar constituidos por materiales que presenten una baja resistividad, por loque deben ser metálicos.

De todos ellos el que mejor conduce la corriente eléctrica es la plata (ρAg=0,0159 Ωmm2

/m), perodebido a su precio, prácticamente no tiene aplicaciones.

En su lugar se utiliza el cobre (ρCu=0,017 Ωmm2

/m), que además de tener una baja resistividad, esmuy dúctil, por lo que es fácilmente convertible en hilos.

Hay muchos tipos de conductores, aunque los más comunes suelen estar constituidos por un elevadonúmero de hilos, en vez de ser macizos. Esto es debido a que de este modo son mucho más flexiblesy además tienen más capacidad de evacuar el calor desprendido por efecto Joule.

Estos conductores deben estar recubiertos por un material aislante, generalmente plástico (PVC), paraevitar contactos indeseados.

Para realizar las uniones o empalmes entre los componentes del circuito se recurre a métodos y elementos que aseguren y garanticen lacontinuidad eléctrica entre ellos, por lo que se emplea la soldadura o en su defecto terminales, bornes, clavijas, regletas de conexión,jacks, enchufes machihembrados.

En general en instalaciones eléctricas de cierta potencia siempre las conexiones se deben efectuar en el interior de cajas de derivación,para garantizar la estanqueidad.

A continuación puedes ver algunos ejemplos de sistemas de conexión:

Imagen en Simbología electrónica

bajo CC


bajo CC


bajo CC


bajo CC .


bajo dominio público .Imagen en Wikimedia Commons

bajo dominio público .

Importante

2. Parámetros y Leyes fundamentales

La electricidad, en la sociedad actual, constituye una parte importante de todos y cada uno de los aspectos de la vida.

La electricidad ha pasado a ser una de esas cosas que parece no estar, pero que cuando nos falta nos damos cuenta decomo nuestra vida gira en torno a ella en casi todos los aspectos.

De no existir la electricidad no habrían podido desarrollarse la mayor parte de los avances técnicos que disfrutamos yel tipo de vida que llevaríamos sería comparable al de tiempos pretéritos.

La energía eléctrica tanto a nivel doméstico como industrial para convertir ésta en otros tipos de energía másdemandados como energía final, los procesos de fabricación de cualquier tipo de productos, la luz eléctrica, y un grannúmero de objetos que funcionan debido a la electricidad, han provocado el que a día de hoy, la electricidad seaabsolutamente imprescindible para nuestra sociedad.

El comportamiento de todos los circuitos eléctricos está basado en una pequeña serie de magnitudes, leyes y normas.Cualquier persona debe de conocer estos principios básicos que nos rodean para entender mejor el mundo en que nosha tocado vivir.

Los parámetros más importantes de un circuito eléctrico son: La intensidad , el voltaje o tensión y laresistencia .

Intensidad de corriente eléctrica

Cantidad de carga eléctrica que atraviesa la sección de un conductor en la unidad de tiempo. Se representa por la letraI.

La unidad de medida de la intensidad en el Sistema Internacional de Undiades es el amperio (A). Un amperio es laintensidad que circula por la sección de un conductor cuando en un segundo la cantidad de carga que atravieasa dichala sección es un culombio .

Para medir la intensidad de corriente eléctrica se emplea un aparato llamado amperímetro . Cuando se tiene que medir la intensidad decorriente eléctrica de un circuito, se debe intercalar en serie el amperímetro en el conductor por donde pasa la corriente. Por lo tanto esnecesario desconectar la alimentación de circuito.

El símbolo que representa a un amperímetro en un circuito es:

Si recuerdas la historia inicial, el electricista nos preguntaba sobre el número de automáticos que teníamos de 25 A y nos enseñaba uncuadro con interruptores a la entrada de nuestra casa. Ya podemos empezar a comprender de que nos estaba hablando. Seguramente serefería a elementos que limitaban la cantidad de corriente que podía circular por los circuitos eléctricos de nuestra casa... estudiaremosestos circuitos en el tema siguiente.

Calcula la cantidad de carga que ha suministrado un generador, que ha estado alimentando un circuitoininterrumpidamente durante 2 horas, con una intensidad de corriente de 125 mA.

Ten en cuenta que la unidad del tiempo en el Sistema Internacional de Unidades es el segundo.

Importante

Importante

En muchas ocasiones se compara el comportamiento de la corriente eléctrica con el movimiento del agua a través de una tubería. Sipensamos en la intensidad de corriente, esta magnitud representa la cantidad de carga eléctrica que atraviesa la sección de conductor enela unidad de tiempo. En una tubería la magnitud equivalente sería el caudal de agua que circula por un punto de la misma.

De igual forma podemos pensar en que para que el agua circule por la tubería es necesario que exista una diferencia de energíapotencial entre los dos extremos de la misma. El agua circulará del punto que tenga mayor potencial al que tenga menor potencial. Deforma análoga existe una propiedad en los circuitos eléctricos, es el voltaje.

Voltaje, tensión eléctrica o diferencia de potencial

El potencial eléctrico de un punto de un circuito indica la energía del campo eléctrico en dicho punto.

Para que haya circulación de corriente entre dos puntos de un circuito eléctrico es imprescindible que haya diferenciade potencial entre ellos, a esa diferencia de potencial se le llama tensión eléctrica o voltaje , se representa con laletra V, o bien U .

La unidad de medida de la tensión eléctrica en el Sistema Internacional de unidades es el voltio (V).

Imagen en Simbología electrónica bajo CC

Para medir la diferencia de potencial eléctrico entre dos puntos, se emplea un aparato llamadovoltímetro . Cuando se tiene que medir el voltaje entre dos puntos del circuito se debe conectar

en paralelo el voltímetro entre los dos puntos que tenemos que conocer la diferencia de potencial,por lo que no se tiene que interrumpir el circuito.

El símbolo que representa a un voltímetro en un circuito es:

Por otro lado siempre que una partícula se mueve a través de un medio, este medio que posibilita el movimiento también ofrece unaresistencia al mismo. Piensa en el movimiento de una bicicleta. Cuando dejamos de pedalear la bicicleta continúa moviéndose sobre lacarretera, sin embargo poco a poco irá disminuyendo su velocidad y terminará por detenerse. Este hecho se debe a la fricción queaparece entre las ruedas de la bicicleta y la superficie de la carretera. La carretera ejerce una resistencia al movimiento. De forma similartenemos una resistencia en los circuitos eléctricos.

Resistencia eléctrica

Oposición que presenta cualquier material al paso de la corriente eléctrica a su través, se representa con la letra R ysu unidad de medida es el ohmio (Ω).

Para medir la resistencia eléctrica entre dos puntos de un circuito, se emplea un aparato llamado Óhmetro . Se debe abrir el circuito yconectar los terminales del aparato de medida entre los dos puntos que tenemos que conocer la resistencia eléctrica.

Según sea el valor de la resistencia eléctrica que presentan los materiales estos se dividen en:

Conductores , cuando su resistencia es muy reducida, en general los metales son buenos conductores eléctricos.

Aislantes , cuando su resistencia es muy elevada, en general los no metales son buenos aislantes eléctricos.

Importante

Importante

2.1. Ley de Ohm, potencia y energía eléctrica

Hasta ahora hemos definido tres parámetros que describen el comportamiento de la corriente eléctrica en un circuito. Estas magnitudesson la intensidad, la tensión y la resistencia.

La ley de Ohm es la ley fundamental que establece la relación que existe entre estas propiedades.

Ley de Ohm:

La intensidad de corriente que recorre un circuito eléctrico es directamente proporcional a la diferencia de potencialaplicada entre sus bornes, e inversamente proporcional a la resistencia eléctrica que presenta el circuito, según laexpresión:


De esta expresión podemos deducir que si se mantiene constante la resistencia, la intensidad decorriente varía en la misma proporción que lo hace el voltaje en bornes.

Es decir intensidad y tensión son magnitudes directamente proporcionales.

Igualmente si la tensión de alimentación se mantiene constante la intensidad de corriente eléctricavaría en el sentido inverso en que lo hace la resistencia.

Es decir intensidad y resistencia son magnitudes inversamente proporcionales.

La mejor forma de coger soltura con estas expresiones, es trabajar con ellas. A continuación te presentamos algunos ejercicios sencillospara que las pongas en práctica.

Calcula la intensidad de corriente que atraviesa una resistencia de 2,2 kΩ cuando se aplican 10 voltios entre susbornes.

Al efectuar cálculos, siempre que el resultado lo aconseje, este se debe dar expresado en los múltiplos y submúltiplosde las magnitudes.

Potencia eléctrica

Cantidad de trabajo o energía eléctrica desarrollada por un sistema eléctrico en la unidad de tiempo. Serepresenta con la letra P , y su unidad de medida en el Sistema Internacional de Unidades es el vatio ( w ).

En corriente continua la potencia eléctrica de un componente eléctrico es el producto de la intensidad de corriente que circula por él yel voltaje que presenta entre sus terminales.

Donde I es el valor instantáneo de la corriente y V es el valor instantáneo del voltaje. Como recordarás la intensidad ( I ) se expresaen amperios y la tensión ( V ) en voltios .

Para medir la potencia se emplea un aparato llamado vatímetro , consta de cuatro terminales, correspondientes dos a dos a una bobinaamperimétrica y a una bobina voltimétrica , que se deben conectar como para medir la tensión y a intensidad tal como se ha indicado enlos aparado anteriores, y el aparato realiza la medición de la potencia.

Importante

Importante

Cuando el electricista me preguntaba por la potencia que tenía contratada lo que quería saber pues es la cantidad de energía que puedollegar a gastar en un segundo. Ese es un valor muy importante. Alguna vez te habrá ocurrido en tu casa que has conectado muchoselectrodomésticos a la vez y que ha "saltado la luz". Lo que ha ocurrido es que hemos intentado consumir más potencia de la quetenemos contratada con la compañía eléctrica. El sistema lo detecta y automáticamente abre el circuito.

Si en mi taller voy a instalar dos aparatos que consumen mucha energía (el horno y el torno) he de estar seguro de que no superaré eselímite.

Cuando alimentamos una lámpara con una diferencia de potencial de 12 voltios, por ella circula una intensidad decorriente de 250 mA. Calcula la potencia que consume.

Ley de Joule:

Cuando la corriente eléctrica atraviesa un conductor, éste se calienta, emitiendo energía, de forma que el calordesprendido es directamente proporcional a la resistencia del conductor, al tiempo durante el que estácirculando la corriente y al cuadrado de la intensidad que lo atraviesa.

Si todas las magnitudes utilizadas en esta fórmula están expresadas en las unidades del sistema internacional, el resultado se obtiene enjulios.

Sin embargo es muy habitual utilizar la caloría como unidad de energía. En ese caso para convertir el valor obtenido en julios a caloríasdebe multiplicarse por el factor de conversión 0,24

1 julio = 0,24 calorías

Calcula el calor (expresado en julios y en calorías) que disipa una resistencia de 2 kΩ por el que están circulando 1,5amperios durante 15 minutos.

Importante

2.2. Acoplamientos

En ocasiones y por necesidades de los distintos circuitos se debe recurrir a conectar las resistencias según diferentes montajes: en serie,en paralelo y mixto, que resulta ser una mezcla de los dos anteriores.

En muchas ocasiones y con objeto de facilitar los procesos de cálculo se pretende sustituir el conjunto de resistencias del circuito por una,llamada resistencia equivalente. La condición que debe cumplir esta sustitución es que no debe producir modificaciones eléctricas en elcircuito original.

Acoplamiento en serie

Se dice que tres resistencias están conectadas en serie cuando el final de la primera se conecta con el principio de lasegunda y así sucesivamente, de forma que solamente hay un único camino para que pase la corriente eléctrica,por lo que esta será la misma para cada una de las resistencias conectadas en serie.


El valor de la resistencia equivalente a la asociación de resistencias en serie será:

Es decir:

La resistencia equivalente de una asociación de resistencias en serie es igual a la suma de las resistencias conectadas .

Por ello la resistencia equivalente de una asociación de resistencias en serie siempre será mayor que cualquiera de lasresistencias conectadas.

La conexión presenta el inconveniente de que si por cualquier motivo se rompe una resistencia, se interrumpe el circuito , yquedan todas las resistencias inoperantes.


A partir del esquema del circuito de la figura, y para los valores indicados

Vt=4,5 V.

R1=100 Ω.

R2=300 Ω.

R3=500 Ω.

Calcula:

La intensidad que atraviesa cada resistencia.

La caída de tensión en bornes de cada resistencia.

La potencia que disipa cada resistencia.

La potencia total que suministra la pila

Acoplamiento en paralelo.

Las resistencias están conectadas de modo que se unen por un lado todos los principios de las resistencias y por otrolado todos los finales. En este caso se ofrecen varias trayectorias de paso para la corriente eléctrica.

Importante

Importante

entre las distintas ramas conectadas en paralelo sin que la corriente tenga porqué ser igual en cada una de las ramasde la conexión en paralelo, para volver a confluir de nuevo en el nudo donde se unen de nuevo los terminales de lasresistencias, ya que la corriente no se consume ni desaparece.


El valor de la resistencia equivalente a la asociación de resistencias en paralelo será:

La inversa de la resistencia equivalente a la asociación de resistencias en paralelo, es igual a la suma de las inversas delas resistencias asociadas .

Por lo que la resistencia equivalente en paralelo siempre es menor que cualquiera de las resistencias asociadas.

Este tipo de conexión tiene la ventaja de si se rompiese una resistencia la corriente que circulaba por ella se repartiría entre elresto de las resistencias asociadas y el circuito no se interrumpiría.

Imagende elaboración propia

A partir del esquema del circuito de la figura, y para los valoresindicados

Vt=6V.

R1=200Ω.

R2=300Ω.

R3=600Ω.

Calcula:




La potencia total que suministra la pila.


A partir del esquema del circuito de la figura, y para los valoresindicados

Vt=15V

R1

=100Ω

R2

=400Ω

R3

=200Ω

R4

=300Ω

Calcula:




La potencia total que suministra la pila.

2.3. Leyes de Kirchhoff

Las dos leyes de Kirchhoff son muy utilizadas en ingeniería eléctrica para obtener los valores de intensidad de corriente y potencial encada punto de un circuito eléctrico. Estas leyes surgen de la aplicación directa de la ley de conservación de la energía.

1.ª Ley de Kirchhoff . Ley de los nudos o de las corrientes

En todo nudo la suma de corrientes entrantes es igual a la suma de corrientes salientes.

Por nudo entendemos un punto del circuito donde concurren varias ramas de un circuito eléctrico.

Un enunciado alternativo es:

En cualquier nudo la suma algebraica de corrientes debe ser cero.

Matemáticamente:


En palabras más sencillas esta ley es una consecuencia directa del principio de conservación de lamateria. Si planteamos la corriente eléctrica como el movimiento de cargas, al considerar un punto delcircuito (un nodo en este caso) la cantidad de corriente que entra en él ha de ser igual a la cantidad decarga que sale.

Si consideramos la corrientes entrantes con un signo (por ejemplo positivo) y las salientes con elopuesto la suma de todos esos valores ha de ser cero necesariamente.

2ª Ley de Kirchhoff. Ley de las mallas o de las tensiones de malla

En toda malla la suma de todas las caídas de tensión es igual a la suma de todas las fuentes de tensión.

Por malla entendemos cualquier recorrido cerrado dentro de un circuito

Un enunciado alternativo es:

En toda malla la suma algebraica de las diferencias de potencial eléctrico debe ser cero.

Matemáticamente:


Kirchhoff está estableciendo un caso particular del principio de conservación de la energía. En unamalla en estado estacionario la suma de toda las tensiones aportadas por las fuentes de tensión ha de

ser igual a la disipada en los receptores.

Importante

Importante

Para resolver un circuito mediante la aplicación de las leyes de Kirchhoff debemos tener en cuenta los siguientesaspectos:

1. Debemos asignar sentido a cada una de las intensidades que circulan por las ramas del circuito. El sentidoque tomemos no afectará a la resolución del circuito y lo único que puede ocurrir es que alguna intensidad seobtenga con valor negativo que significará que su sentido es el contrario al que habíamos determinado en unprimer momento.

2. Debemos contar los nudos que tiene el circuito y aplicar la primera ley de Kirchhoff a n-1 nudos cualesquiera.Se suelen considerar positivas las intensidades que entran en el nudo y negativas las que salen aunque se puedetomar el criterio contrario sin que esto afecte al desarrollo del circuito.

3. Aplicaremos la segunda ley de Kirchhoff a todas las mallas independientes de la red. En un circuito tendremostantas mallas independientes como el número de ramas menos el número de nudos disminuido en una unidad.

Cuando apliquemos esta ley deberemos elegir como positivo un sentido de recorrido de la malla, horario o antihorario,considerando positivas todas las intensidades y fuerzas electromotrices del mismo sentido que el elegido y negativaslas de sentido contrario.

Calcular las intensidades que recorren el circuito de la figura y la diferencia de potencial entre A y B aplicando las Leyesde Kirchhoff.


Importante

3. Corriente alterna (c.a.)

La corriente alterna se caracteriza porque es aquella en la que la tensión y la intensidad varían en el tiempo entre dosvalores uno máximo y otro mínimo y sus valores responden a la expresión de una función senoidal tal como:

Antes de nada debemos comenzar por definir que es una onda, aunque seguro que tú ya tienes una idea sobre ello. En física, se consideraonda a la propagación de una perturbación de alguna propiedad de un medio. Esta propiedad del medio, o magnitud, suele variar enfunción del tiempo. Existen muchos tipos de ondas (olas, ondas de radio, sísmicas, etc.) y se pueden clasificar de diferentes maneras(según el medio de propagación, según la dirección de la perturbación, según su periodicidad, etc.). Estas últimas, las periódicas, son lasque a nosotros nos interesan.

Una onda periódica es aquella en la que la perturbación que las origina se produce en ciclos repetitivos, tal es el caso de las ondassenoidales, que son las que van a ocupar nuestro tiempo en este tema.


Puesto que la magnitud oscila en función del tiempo f(t), y puesto que al cabo de un intervalo de tiempo T los valores de la magnitud serepetirán, tendremos f(t)= f(t+T)= f(t+2T)= ··· = f(t+nT), siendo T el tiempo que transcurre entre repetición y repetición y que recibe elnombre de período .

Las ondas periódicas pueden ser pulsantes o alternas. Las pulsantes toman valores que van desde el nulo al máximo positivo y lasalternas toman valores que van del máximo positivo al máximo negativo pasando por el nulo y viceversa. Esto significa que las primerasno cambian de sentido y las segundas, las alternas, sí cambian de sentido.

Para terminar esta introducción decir que las ondas senoidales se representan en función del seno, es decir:

Donde xm

es el valor máximo de la magnitud x y ω es la pulsación.

Recuerda que la velocidad angular ω o pulsación es la relación entre las vueltas recorridas y el tiempo transcurrido.Recordarás que una vuelta son 2π radianes y esa vuelta o ciclo habrá transcurrido en un tiempo T (el periodo ), por loque:

Importante

Importante

Parámetros de una onda periódica.

Habiendo definido ya qué es una onda periódica, es el momento de conocer los elementos característicos de la misma y ver de quemanera están relacionados.

Frecuencia ( f ): se define frecuencia como el número de repeticiones que un fenómeno o suceso periódico se repite en launidad de tiempo. Para el caso que nos ocupa, la frecuencia será el número de ondas completas, o ciclos que se producen en unsegundo. La unidad de medida es el hercio (Hertz) y se designa por Hz . Si nos atenemos al ejemplo de la figura:


Observamos que en un segundo se producen dos ondas, por lo tanto cada onda se producirá en 1/2 segundo y la frecuencia será de dosondas por segundo. Si entiendes esto, entenderás que el período T es el inverso de la frecuencia f y viceversa. Expresando esto en unarelación matemática, tendremos:

La corriente alterna que recibimos en nuestros hogares es producida con una frecuencia de 50 Hz, lo que significa que en un segundo sehan producido 50 ondas; es decir una onda se produce en 0,02 segundos. En 2 centésimas de segundo ha producido una semiondapositiva y otra negativa, es decir cada 0,01 segundos la corriente invierte su polaridad pasando por un valor 0 de tensión; eso supone quesi estuviéramos mirando una bombilla deberíamos ver como en cada segundo se enciende y apaga 100 veces. Menos mal que nuestro ojono es capaz de apreciar esa fluctuación.

En el apartado anterior vimos la relación entre ω y T; si profundizamos un poco más tendremos:

Período ( T ): es el tiempo que invierte una onda en realizar un ciclo; se mide en segundos.

Fase : la fase de una onda relaciona la posición de una característica determinada del ciclo, como por ejemplo la cresta o elvalle, con la posición de la misma característica en otra onda y se puede medir en tiempo, distancia o ángulo. De igual manera,dentro de una misma onda podemos encontrar que puntos iguales de la onda en diferentes períodos representan el mismo estado,por lo que decimos que están en fase.

Amplitud : dijimos que las ondas senoidales responden a la expresión que se indica más abajo, y en ella se puede observarque el valor de x será máximo, es decir, será igual a x

m cuando sen (ωt) valga la unidad. A ese valor máximo lo llamamos

amplitud.


Parámetros de la corriente alterna.

En corriente alterna se suele trabajar con otros parámetros aparte de los ya mencionados, que en realidad son valores que toma la onda.Antes de que avances en este apartado, te tengo que decir que no debes asustarte por las integrales que aparecen, pues no se te pideque las resuelvas, aunque podrías hacerlo. Lo que realmente nos interesa son las expresiones finales que esas integrales nos dan y que

son las que usaremos. Ahora sí, pasemos a ver algunos de ellos:

Valor instantáneo : Es el que toma la ordenada (tensión o intensidad) en un instante, t , determinado.


Valor de cresta o pico : Es el valor máximo que toma la onda y que conocemos como Amplitud.

Valor eficaz X : El valor eficaz de una corriente alterna es el valor que tendría una corriente continua que produjera la mismapotencia que dicha corriente alterna, al aplicar ambas, primero una y luego otra, sobre una misma resistencia. Cuando decimosque la tensión de alimentación en un circuito es de 230 V nos estamos refiriendo a su valor eficaz. Al igual que en el caso anteriorhay una expresión matemática para su obtención.

Vamos a aplicar las expresiones que acabamos de aprender con un ejercicio. Supongamos que tenemos una funciónsenoidal del tipo

.

Deseamos conocer:

El período y la frecuencia.

La amplitud.

Valor eficaz.

3.1. Funcionamiento, ventajas

La generación de corriente alterna se basa en el principio de inducción electromagnética : cuando se mueveun conductor eléctrico en el seno de un campo magnético , se genera en él una fuerza electromotriz (fem)que sirve para alimentar receptores eléctricos.

La fem inducida se mide en voltios y su valor depende de:

La inducción del campo magnético (B) que se mide en teslas (T).

La longitud del conductor (l) expresada en metros.

La velocidad de giro del conductor dentro del campo magnético (ω) medida en radianes por segundo.

Para que se pueda producir corriente alterna , se necesita una fuente de energía externa (térmica, hidráulica, eólica,nuclear, etc.) que proporcione la energía cinética que haga que la bobina gire a la velocidad adecuada produciendofuerza electromotriz.

Las ventajas del uso de la corriente alterna.

Principalmente existen dos ventajas muy significativas y están relacionadas entre si. Una de ellas es su transporte o distribución, ya quesu transporte o distribución en líneas trifásicas lo hacen más económico y seguro que si fuera corriente continua.

La otra ventaja es su transformación. La corriente alterna se puede transformar y variar con un transformador, en cambio la corrientecontinua no se puede transformar con un transformador. Es cierto que se puede reducir la corriente continua, pero no se puede aumentar.

Existe otra ventaja del uso de la corriente alterna. Las máquinas eléctricas como los motores están mejor diseñados para el uso de lacorriente alterna que para la corriente continua. De hecho, los motores de corriente alterna son más sencillos de fabricar y más robustosque los motores de corriente continua.

Importante

3.2. Elementos de un circuito de c.a. (generadores, transformadores,protección, control y receptores)

Generadores

Los generadores de energía eléctrica son las máquinas encargadas de transformar energía cinética rotativa en energía eléctrica. enforma de corriente alterna. Los generadores están constituidos por una parte fija llamada estátor y una parte que gira llamada rotor,desde el punto de vista electromagnético se les llama inductor, porque es donde están ubicados los electroimanes que generan el campomagnético e inducido donde están montadas las bobinas constituidas por muchas vueltas (espiras) de hilo conductor, que es donde segenera la fem (fuerza electromotriz) inducida.

En función de como sea la energía eléctrica producida existen dos tipos de generadores: dinamo y alternador.

El alternador es el generador que produce energía eléctrica en forma de corriente alterna . Esta energía eléctrica se genera en lascentrales de producción de energía eléctrica.

En el enlace siguiente puedes observar una animación del funcionamiento de un alternador para producir corriente alterna.


El transformador

El transformador es un dispositivo electromagnético que permite aumentar o disminuir la tensión y la intensidad de la corrienteeléctrica de manera que su producto sea constante. La potencia de la entrada será igual a la de la salida, sin contemplar las pérdidas.

El transformador está compuesto por:

Devanado . Hilo de cobre enrollado sobre un núcleo cerrado de hierro. Existen dosdevanados, el primario y el secundario.

Devanado primario. Corresponde a la entrada del transformador.

Devanado secundario. Corresponde a la salida transformada de la corriente.

Núcleo . Es por donde circula el flujo magnético creado por el devanado primario.Está hecho de hierro dulce o hierro de silicio.

El funcionamiento del transformador se basa en el fenómeno de la inducción electromagnética,ya que si aplicamos una fuerza electromotriz alterna en el devanado primario, debido a lavariación de la intensidad y sentido de la corriente alterna, se produce la inducción de un flujomagnético variable en el núcleo de hierro. Este flujo originará por inducción electromagnética, la aparición de una fuerza electromotriz enel devanado secundario. La tensión en el devanado secundario dependerá directamente del número de espiras que tengan los devanadosy de la tensión del devanado primario.

En todos los transformadores se cumple que:

Siendo:

Vp

y Vs

las tensiones en el devanado primario y en el secundario respectivamente y

Np

y Ns

el número de espiras en el devanado primario y en el secundario respectivamente.

La aplicación más importante de los transformadores la encontramos en la fase de transporte de energía eléctrica a larga y mediadistancia.

Debido a que los conductores reales tienen una cierta resistencia al paso de la corriente eléctrica, y el transporte desde las centraleseléctricas hasta los lugares de consumo puede ser de cientos de kilómetros, se tiene que contemplar la perdida de potencia que seproduce en este transporte. La forma de minimizar esta pérdida es efectuando el transporte a elevadas tensiones y con bajasintensidades. Por lo tanto, se utilizan equipos de transformadores para elevar la tensión a valores adecuados para el transporte.

Tambien se aplica para transformar la corriente de 220 V a tensiones más pequeñas para que se pujedan utilizar algunos equiposelectrónicos (ordenador portátil, tablet, teléfonos móviles, etc.)

Elementos de control y protección .

Las instalaciones eléctricas disponen de diversos elementos de seguridad para disminuir el riesgo de accidentes, como los causados porcortocircuitos, sobrecargas o contacto de personas o animales con elementos en tensión.

Un cortocircuito se produce por fallos en el aislante de los conductores, por contacto accidental entre conductores aéreos debidos afuertes vientos o rotura de los apoyos.

Dado que un cortocircuito puede causar daños importantes en las instalaciones eléctricas e incluso incendios en edificios, las instalacionesestán normalmente dotadas de fusibles, interruptores magnetotérmicos o diferenciales y tomas de tierra, a fin de proteger a las personasy las cosas.

Los elementos de seguridad más habituales son:

Fusible

Dispositivo, constituido por un filamento con bajo punto de fusión .

El fusible se intercala en un punto de una instalación eléctrica para que, por efecto Joule, se funda cuando la intensidad de corrientesupere un determinado valor, ya sea por un cortocircuito o por un exceso de carga, que pudiera poner en peligro la integridad de lainstalación con el subsiguiente peligro de incendio o destrucción de elementos.

Imagen

de elaboración propia


bajo CC


de [email protected] bajo licencia CC

Imagen en Intef Alessandro Quisi bajo CC

Interruptor magnetotérmico (PIA)

Dispositivo empleado para proteger los circuitos eléctricos de sobrecargas ycortocircuitos, en sustitución de los fusibles.

Una vez que actúan debido a una sobrecarga o un cortocircuito, se pueden rearmar sinnecesidad de sustituirlos como ocurre con los fusibles. Cuando desconectan el circuito.

Interruptor diferencial:

Dispositivo electromecánico que se conecta en las instalaciones eléctricas para proteger a las personas de posibles derivacionesdebidas a falta de aislamiento entre los conductores activos y tierra de los aparatos. El diferencial corta el suministro de corrientecuando existe una derivación de corriente a tierra, que de pasar a través de un cuerpo humano podría tener fatales consecuencias.

La siguiente animación te muestra con más detalle el funcionamiento de un diferencial.

Animación en Eroski bajo liecencia de uso educativo


de Commander Keane bajo licencia CC

Toma de tierra

Se emplea en las instalaciones eléctricas para evitar el paso de corriente al usuario por unfallo del aislamiento de los conductores activos. La puesta a tierra es un camino queofrece muy poca resistencia a cualquier corriente de fuga para que cierre el circuito "atierra" en lugar de pasar a través del usuario.

Consiste en una pieza metálica enterrada en una mezcla especial de tierra y conectada ala instalación eléctrica a través de un cable. En todas las instalaciones interiores el cablede tierra se identifica por ser de color verde y amarillo y a él se deben conectar todos loselementos metálicos de los componentes eléctricos.

Imagen en Flickr de rofi bajo CC

Receptores

Los receptores son todos aquellos elementos de un circuito eléctrico que transforman la energía eléctrica de losgeneradores en otro tipo de energía .

En los circuitos de corriente alterna los receptores pueden ser de 3 tipos:

Resistivos: formados únicamente por resistencia eléctrica. Se caracterizan por generarcalor.

Inductivos: formados por bobinas y devanados que crean campos magnéticos. Son losmotores, transformadores, etc.

Capacitivos: son los condensadores, cuyo uso se limita a aplicaciones muy concretascomo por ejemplo en circuitos para corrección del factor de potencia.

En líneas generales diremos que hay distintos tipos de receptores eléctricos en función de tipode energía que se puede obtener de ellos por trasformación de la energía eléctrica que recibe,de entre todos ellos podemos destacar:

Receptores térmicos: Son dispositivos en los que se transforma la energía eléctrica encalor como por ejemplos; estufas, calentadores, planchas, hornillos, secadores, etc.

Receptores lumínicos: son aparatos que reciben energía eléctrica y la transforman enluz. Los más característicos de este tipo de receptores son las lámparas.

Receptores mecánicos: Son elementos que transforma la energía eléctrica en energíamecánica. De este tipo son los motores eléctricos que pueden ser de corriente continua ode corriente alterna.

3.3. Circuitos de corriente alterna (c.a.)

La mayoría de circuitos de corriente alterna están compuestos de elementos lineales tales como resistencias, bobinas ycondensadores.

A continuación veremos como se comporta cada uno de ellos en un circuito de corriente alterna.

Circuito resistivo

Empezaremos por el caso más sencillo, que es el de una resistencia, que supondremos totalmente óhmica o pura (Sólo ofrece valoróhmico, sin embargo algunas resistencias bobinadas pueden tener un componente inductivo), que está conectada a un generador decorriente alterna senoidal.


El valor de la tensión proporcionada por el generador va a ser:

donde, como ya sabes, V es el valor instantáneo y Vm el valor máximo de la tensión.

Ahora vamos a aplicar la Ley de Ohm con lo que obtendremos que:

Basta comparar las dos ecuaciones para ver que tanto la intensidad como la tensión tienen la misma frecuencia y además están en fase.Gráficamente se representa de la siguiente forma.


Si ahora dividimos por , en ambos miembros de la ecuación, para obtener el valor eficaz llegamos a que:

De esta expresión deducimos que la Ley de Ohm se cumple tanto para valores máximos como valores eficaces.

Importante

Hallar la expresión de la intensidad que circula por un circuito que tiene conectado una resistencia pura de 50 Ω y seconecta a un generador que proporciona 200 V y una frecuencia de 50 Hz.

Circuito inductivo.

En la siguiente imagen puedes observar como sería el circuito con una bobina, al igual que ocurría con el circuito resistivo, en el quesuponíamos que la resistencia era pura, ahora vamos a suponer que tenemos una bobina ideal, es decir no presentará ningún tipo deresistencia óhmica.


Seguimos considerando que la fuente de energía aplicada, responde a la ecuación:

Y el valor de la intensidad será:

De esta expresión podemos deducir que:

La tensión y la intensidad tienen la misma frecuencia.

La intensidad está retrasada 90º respecto de la tensión, según puedes ver en la siguiente gráfica.


La bobina se opone al paso de corriente, que denominamos impedancia, y desde ahora en adelante denominaremos XL,

que

se medirá en óhmios,

y que dependerá de la frecuencia y del valor de la bobina.

llegamos a que:

Como ya habrás podido observar, existe un desfase de 90º que se produce entre la tensión y la intensidad. Y además que una bobina creauna oposición al paso de corriente.

La Ley de Ohm también se cumple para un circuito inductivo, en el que ahora no tenemos resistencia, tenemos impedancia (XL

) por lo

tanto no te será dificil llegar a que:

En un circuito alimentado por una fuente de corriente alterna de 220 V y frecuencia de 50 Hz, se conecta una bobinade 300 mH. ¿Que intensidad de corriente circula a través de la bobina? Hallar el valor máximo, el eficaz y la expresiónde la intensidad instantánea.

Circuito capacitivo.

En la siguiente imagen puedes ver como sería el circuito con un condensador, al igual que ocurría con el circuito resistivo, o el inductivo,en el que suponíamos elementos ideales, ahora consideraremos lo mismo con el condensador.


La fuente de tensión responderá a la ecuación.

Y la intensidad instantanea será:

La representación gráfica que se obtiene en este tipo de circuito es:


La oposición que ofrece un condensador al paso de corriente se denomina capacitancia y se mide en ohmios (Ω) y se denomina porX

C. Su valor dependerá de la frecuencia.

Que expresado en forma de frecuencia quedará:

Dado un condensador de 250 µF de capacidad conectado a un circuito alimentado por una corriente alterna de 220 V y50 Hz. Calcular el valor eficaz e instantáneo de la intensidad que circula por el circuito.

Impedancia

Vamos a ver a continuación el concepto de impedancia, ya que lo normal es que la mayoría de los circuitos incorporen los trescomponentes. Fíjate que en el circuito de la figura ya no aparece mención ninguna a que sea un circuito resistivo, inductivo o capacitivo.Veamos que es esa "Z" que aparece ahora en el circuito.


Vamos a definir una nueva magnitud que englobará a las anteriores y que se denomina impedancia, se representa por Z y su unidadde medida es en ohmios (Ω). La fórmula que nos da la impedancia en un circuito es:

Si aplicamos la Ley de Ohm en este tipo de circuito tenemos que:

Hemos visto anteriormente el comportamiento de las resistencias, bobinas y condensadores cuando se conectaban a un circuito decorriente alterna y por último hemos definido el concepto de impedancia.

Pues bien, a continuación vamos a ver qué ocurre cuando asociamos los elementos lineales entre sí. Esto va a dar origen a diferentesposibilidades que analizaremos por independiente.

Aunque hasta ahora hemos considerado elementos puros eso en la práctica no es posible. Las resistencias van a tener un componenteinductivo, las bobinas y condensadores un componente resistivo.

¿Esto que supone? No te será difícil entender que los desfases que veíamos en los circuitos anteriores ya no van a ser los previstos, queidealmente siempre eran de 90º.

Por lo que en todo circuito eléctrico vamos a tener una combinación ya sea en serie, paralelo o mixto de diferentes componentes lineales.

Circuito serie R-L

Vamos a empezar por el caso mas sencillo, en él vamos a tener una fuente de alterna conectada a una bobina y a una resistencia lascuales están en serie tal y como puedes ver en la figura.


Como puedes ver, tanto en la resistencia como en la bobina tienen una tensión, la suma de estas tensiones va a ser la tensión total demanera que se tiene que cumplir que:

El valor de la impedancia será:

Y el ángulo de desfase:

Si ahora lo que quieres es calcular la intensidad que circula por el circuito, simplemente tienes que aplicar la Ley de Ohm.

A un circuito alimentado con un generador de alterna de 125 V, y 50 Hz le conectamos una asociación serie de unabobina de 100 mH y una resistencia de 30 Ω. Calcular:

a. Caídas de tensión en la resistencia y en la bobina.

b. Desfase entre la tensión y la intensidad.

Es necesario que tengas claro los conceptos de inductancia e impedancia, vistos anteriormente, así como las formas

Circuito serie R-C

Vamos a ver a continuación que ocurre si sustituimos la bobina en el circuito del apartado anterior por un condensador.


Al igual que ocurría con la bobina, aquí vamos a tener una tensión en el condensador y otra en la resistencia.

La tensión total es igual a la suma de la tensión en la resistencia y en el condensador por lo tanto:

Como tenemos un condensador y una resistencia en serie, lo sustituiremos por una impedancia cuyo valor será:

O lo que es lo mismo:

Y el ángulo de desfase será:

En un circuito de corriente alterna, alimentado con un generador de 125 V y 50 Hz de frecuencia, tiene conectado uncondensador de 40 µF y una resistencia de 20 Ω. Calcular:

a. La impedancia del circuito.

b. La intensidad que circula por el mismo.

c. La caída de tensión en cada uno de sus componentes.

Circuito serie R-L-C

Vamos a ver que ocurre ahora si conectamos a un circuito una resistencia, una bobina y un condensador.


Al igual que ocurría en los casos vistos anteriormente tenemos que:

Calculamos la impedancia tal y como hemos hecho en los dos casos anteriores:

El ángulo de desfase vendrá dado por:

A un circuito de corriente alterna alimentado por un generador de 125V 50 Hz, le conectamos en serie una resistenciade 25 Ω, una bobina de 100 mH y un condensador de 50 µF. Calcular:

a. La impedancia del circuito.

b. El ángulo de desfase.

c. La intensidad que atraviesa el circuito.

d. Las caídas de tensión en cada componente.

Circuitos en paralelo

Para simplificar el trabajo con elementos conectados en paralelo vamos a introducir el concepto de admitancia.

Vamos a denominar admitancia al cociente entre la intensidad y la tensión y la denominaremos por "Y".

Como puedes ver, la admitancia es simplemente la inversa de la impedancia:

Pero seguro que te preguntas ¿dónde está la ventaja de trabajar con admitancias?

Pues bien, la admitancia equivalente, expresada en forma compleja, es igual a la suma de las admitancias de cada rama tal y comopuedes ver a continuación:


De la figura anterior podemos ver fácilmente que:

Aplicando la Ley de Ohm:

Sacamos factor común a la tensión y nos queda que:

Expresado utilizando el concepto de admitancia:

Finalmente:

4. Distribución de energía eléctrica

Los componentes más importantes de las líneas de transporte y distribución eléctricas son los representados en la siguiente imagen:

Imagen en Wikimedia Commons de PACO bajo CC

Estas instalaciones suelen utilizar corriente alterna, ya que es fácil modificar la tensión con transformadores. De esta forma, cada partedel sistema puede funcionar con el voltaje apropiado.

Central eléctrica: En ella se transforma la energía primaria en energía eléctrica. La energía eléctrica producida en una centraltiene un voltaje de 26 kilovoltios; valores superiores no son adecuados por ser muy difíciles de aislar y por el elevado riesgo decortocircuitos y sus consecuencias.

Centro de transformación: En él se eleva el voltaje de la energía eléctrica generada hasta las altas tensiones necesarias enlas redes de transporte. Este voltaje se eleva mediante transformadores a tensiones entre 138 y 765 kilovoltios para la línea detransporte primaria, cuanto más alta es la tensión en la línea, menor es la corriente y menores son las pérdidas por calor (efectoJoule) en los conductores, ya que estas son proporcionales al cuadrado de la intensidad de corriente.

Líneas de transporte: Son el medio de transporte físico de la energía eléctrica entre los centros de transformación y lassubestaciones.

Subestaciones: Instalaciones en las que se reduce el voltaje para adecuarlo a las líneas de reparto o distribución. En ellas elvoltaje se transforma en tensiones entre 69 y 138 kilovoltios para que sea posible transferir la electricidad al sistema dedistribución.

Líneas de distribución en media tensión: Transmiten la corriente eléctrica hasta los transformadores.

Transformadores : Adaptan el voltaje al valor requerido por los consumidores. En ellos la tensión se vuelve a reducir en cadapunto de distribución para abastecer convenientemente a los diferentes usuarios, así la industria pesada suele trabajar a 33kilovoltios, los trenes eléctricos requieren de 15 a 25 kilovoltios. La tensión industrial está comprendida entre 380 y 415 voltios, y elconsumo doméstico se alimenta a 220 voltios.

En España, Red Eléctrica es la empresa que se encarga de transportar la energía eléctrica en alta tensión, gestionar las infraestructuraseléctricas que componen la red de transporte y conectar las centrales de generación con los puntos de distribución a los consumidores. Lared de transporte la constituyen más de 33.500 kilómetros de líneas eléctricas de alta tensión y más de 3.000 subestaciones detransformación, configurando una red mallada.

Si la producción de energía eléctrica a partir de fuentes renovables se generalizase, los sistemas de distribución y transformación noserían ya los grandes distribuidores de energía eléctrica, pero actuarían para equilibrar las necesidades de electricidad de las pequeñascomunidades. Los que tienen excedentes de energía venderían a los sectores deficitarios.

El uso a pequeña escala de energías renovables, disminuye la necesidad de disponer de sistemas de distribución de electricidad. Se hacomprobado que un hogar medio que disponga de un sistema solar con almacenamiento de energía, y paneles de un tamaño suficiente,solo tiene que recurrir a fuentes de electricidad exteriores algunas horas por semana.

Infografía

En ella se explica todo el proceso seguido por la corriente eléctrica desde que es producida en el generador hasta que es consumida poralgún tipo de receptor.

Animación en Eroski Consumer bajo licencia de uso educativo

5. Apéndice

5.1. Curiosidades

Una pila nueva de las normales de 1,5 V presenta una resistencia interna 0,35 Ω, aproximadamente, a medida que seva agotando su resistencia interna va aumentando y una vez agotada alcanza varios ohmios.

Por esta razón la medición de la tensión con un voltímetro no informa de en que estado se encuentra la pila; a circuitoabierto una pila con toda la carga consumida puede marcar 1,4 V dada la carga insignificante que representa laresistencia de entrada del voltímetro, pero, si la medición se efectúa con la resistencia de carga que habitualmentealimenta, la lectura descenderá por debajo de 1 V, por lo que esa pila ha dejado de tener utilidad.

Las pilas alcalinas tienen una curva de descarga mucho más suave que las convencionales de carbón; su resistenciainterna aumenta proporcionalmente mucho más despacio.

Cuando nos referimos al generador o fuente de alimentación que proporciona corriente a nuestro PC, es convenienterevisar con alguna frecuencia el estado del ventilador de la fuente. Un ventilador de fuente deteriorado puede significarel final de nuestro equipo, ya que se podría elevar la temperatura por encima de valores recomendados y podríanquemarse los componentes más sensibles del sistema.

Si tenemos pensado conectar muchos elementos, por ejemplo, discos duros, dispositivos internos, dispositivos USB,...tenemos que elegir cuidadosamente la fuente de alimentación que sea capaz de abastecer todo el consumoholgadamente. Si la fuente no pudiera alimentar suficientemente a todos los dispositivos a ella conectados, podríanprovocarse fallos en algunos de estos dispositivos y podemos acabar con la placa base quemada.

En este video puedes ver cómo leer el código de resistencias.

Curiosidad

Curiosidad

Curiosidad

Curiosidad

los de la tabla adjunta:

Imagen de elaoración propia

Solo se pueden conseguir resistores con esos valores y sus múltiplos en potencias de diez; por ejemplo en la tablaaparece el número 47, eso quiere decir que en el mercado hay resistencias de 0,47 Ω; 4,7 Ω; 47 Ω; 470 Ω; 4.7 kΩ; 47kΩ; 470 kΩ; 4,7 MΩ.


de BigRiz bajo CC

En la actualidad y cada vez más frecuentemente se está empleando la fibraóptica como medio de transmisión de redes de datos.

La fibra óptica consiste en un hilo muy fino de material transparente, vidrio omateriales plásticos, por el que se envían pulsos de luz que representan los datosa transmitir. El haz de luz queda completamente confinado y se propaga por elnúcleo de la fibra con un ángulo de reflexión por encima del ángulo límite dereflexión total; por el mismo conductor se pueden enviar simultáneamentediversas líneas de datos que no se mezclan entre ellas con tal de no tener lamisma longitud de onda. La fuente de luz puede ser láser o un LED.

Son ampliamente utilizadas en telecomunicaciones, ya que permiten enviar grancantidad de datos a gran velocidad, mucho más rápido que en las comunicacionesde radio y cable. También se utilizan para redes locales. Son el medio detransmisión por excelencia, inmune a las interferencias. Tienen un costo elevado,aunque se va reduciendo progresivamente.

La siguiente animación te muestra el funcionamiento de un cable de fibra óptica:

Animación en Eroski bajo licencia de uso educativo

Curiosidad

Curiosidad

"paralelo". No tengo ni idea de que me ha querido decir, pero no quiero volver a preguntale y demostrar lo poco que séde electricidad. A ver si después de estudiar este punto puedo entenderlo.

Aquí tienes otro enlace que te lleva a una ficha muy interesante sobre varios aspectos de los circuitos eléctricos.

Visita este enlace para conocer algún detalle más de Gustav Kirchhoff. ¿Sabías que Kirchhoff estableció las leyes quehas estudiado en este apartado cuando todavía era un estudiante?

Las fórmulas más utilizadas para la resolución de problemas son las de la ley de Ohm y la de la potencia eléctrica.

Siempre que conozcamos dos magnitudes eléctricas de un componente, aplicando estas fórmulas, de modo implícito,se pueden conocer las cuatro magnitudes fundamentales.

Georg Simon Ohm (1789-1854) fue un físico y matemático alemán que aportó a la teoría de la electricidad la Ley deOhm, conocido principalmente por su investigación sobre las corrientes eléctricas. Puedes conocer algún dato mássobre este científico clave para el desarrollo del estudio de la electricidad visitando el siguiente enlace .

Curiosidad

Curiosidad

Curiosidad

Curiosidad

Se denomina osciloscopio a un instrumento de medida electrónico, empleado para la representación gráfica deseñales eléctricas que pueden variar en el tiempo. Un osciloscopio permite observar gráficamente fenómenostransitorios así como formas de ondas en circuitos eléctricos y electrónicos por lo que es muy útil para diagnosticar losproblemas del funcionamiento de un determinado circuito. Es uno de los instrumentos de medida y verificacióneléctrica más versátiles que existen y se utiliza en una gran cantidad de aplicaciones técnicas. Un osciloscopio puedemedir un gran número de fenómenos, si va provisto del transductor adecuado.

Imagen en Wikimedia Commons de PACO bajo CC

El siguiente vídeo puede serte de utilidad

La ley de Joule debe su nombre a su descubridor el físico inglés James Prescot Joule. Si quieres conocer algún datocurioso sobre este importante científico visita este enlace .

Curiosidad

Curiosidad

5.2. Para saber más

Para utilizar un téster o polímetro es conveniente seguir un protocolo.

Comprobar que los terminales del aparato están debidamente conectados.

Comprobar que el selector del polímetro está en la posición adecuada según la magnitud que se desea medir:intensidad, tensión, o resistencia.

Elegir la escala para la magnitud que se quiere medir, si no tenemos idea del orden de la magnitud a medir esconveniente empezar por escalas grandes y posteriormente se va adaptando la escala a la medida que se tieneque realizar. Los valores numéricos de las distintas escalas informan del valor máximo de la magnitud a medircon esa escala. Si este número aparece precedido por el símbolo ×, éste indica por el factor que hemos demultiplicar el resultado de la lectura.

Cuanto más pequeña es la escala seleccionada para efectuar la medida, ésta se obtendrá con mayor precisión.Nunca se debe emplear una escala inferior a la medida que se vaya a realizar, porque podríamos dañar elpolímetro.

Antes de efectuar una medida, verificar que la aguja coincida con el cero de la escala. De no ser así, se tieneque ajustar a cero antes de comenzar a medir.

Al medir en corriente continua tener precaución con la polaridad, es conveniente utilizar el terminal rojo parael polo + y el negro para el -.

No conectar el polímetro en paralelo con una fuente de tensión cuando se tengan que medir resistencias ointensidades, ya que este error puede quemar el polímetro.

Procurar ser rápidos a la hora de efectuar las medidas.

Polímetro analógico. - Medida de resistencias:

1. Conectar los terminales en las posiciones indicadas para medida de resistencias "COM" (polaridad -) y "Ω"(polaridad +).

2. Seleccionar la posición "Ω".

3. Seleccionar la mayor escala de resistencias que tenga el polímetro, indicando con el selector el mayor númeroque aparezca bajo el indicativo de "Ω".

4. Ajuste del cero, consiste en unir los dos terminales del polímetro y girar el botón de ajuste ("0ΩADJ") hastaque la aguja coincida con el 0 de la escala de ohmios (Si no se consigue ajustar a cero, hay que cambiar las pilasdel polímetro).

5. Conectar ahora los dos terminales del polímetro a cada uno de los extremos de la resistencia (que debe estarsin conectar a ninguna fuente), y observar la zona donde se detiene la aguja del polímetro.

6. Repetir la medida reduciendo la escala hasta que esta se realiza en la zona intermedia de la escala.

Polímetro analógico. -Medida de diferencia de potencial (Tensión, voltaje)

1. Conectar los terminales en las posiciones indicadas para medida de tensión: COM (polaridad -) y V (polaridad+).

2. Seleccionar con el interruptor de polaridad del polímetro la posición "+ (DC)".

3. Seleccionar la escala mayor de Tensiones en el polímetro, señalando con el selector el mayor número queaparezca bajo el indicativo "V (DC)" (Voltios en corriente continua).

4. Conectar los terminales del polímetro entre los dos puntos que deseamos conocer la diferencia de potencial,si la aguja trata de desplazarse en sentido contrario es porque debemos cambiar la posición de los terminales; elterminal que sale del borne "COM" del polímetro debe estar conectado al punto más cercano al borne negativode la pila.

5. Repetir la medición si fuese aconsejable reduciendo la escala de medida.

Polímetro analógico. -Medida de Intensidades

1. Seleccionar la posición "+ (DC)".

2. Conectar el terminal de polaridad - en COM y el terminal de polaridad + según el rango de intensidad que sevaya a medir.

3. Seleccionar la escala mayor de Intensidades en el polímetro, señalando con el selector el mayor número queaparezca bajo el indicativo "A (DC)" (Amperios en corriente continua).

4. Abrir el circuito y conectar, en el punto de potencial menor, el terminal del polímetro unido al "COM", y el otroterminal del polímetro conectarlo al extremo del circuito que ha quedado libre.

5. Si fuese necesario seleccionar una escala menor para que la medida se a lo más precisa posible.

Polímetro digital

1. El polímetro digital no tiene interruptor de polaridad, por lo que no es necesario realizar los pasosmencionados en el caso del aparto analógico.

2. Para medir resistencias no hay que realizar el ajuste del cero, se miden directamente.

Para saber más

Para saber más

queda indicado claramente en el propio polímetro.

5. Siempre se debe comenzar seleccionando la escala mayor, para luego ir reduciéndola, hasta llegar a la escalaadecuada.

A continuación te planteamos la visita a este sencillo tutorial para entender todos los principios básicos de un circuitoeléctrico.

Para saber más

Tecnología Industrial Circuitos: Circuitos...

Documents

Transcript of Tecnología Industrial Circuitos: Circuitos...