UNIDAD 1
TECSUP - FUNDAMENTOS DE ELECTRICIDAD DE EQUIPO PESADOUNIDAD
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Fundamentos de Electricidad de Equipo PesadoContenidoUNIDAD 1:
Introduccin a la ElectricidadLeccin 1: Cmo Funciona la
ElectricidadLeccin 2: MagnetismoUNIDAD 2: Circuitos ElctricosLeccin
1: Ley de OhmLeccin 2: Teora de los Circuitos Elctricos
BsicosLeccin 3: Multmetro DigitalLeccin 4: Mediciones de los
Circuitos ElctricosLeccin 5: Fallas de los Circuitos
ElctricosUNIDAD 3: Componentes Elctricos y SmbolosLeccin 1:
Componentes Elctricos BsicosLeccin 2 : Componentes Elctricos de
Estado SlidoLeccin 3: Diagramas ElctricosUNIDAD 4: Fuentes
Elctricas de la MquinaLeccin 1: Batera
OBJETIVOS:Al terminar este curso, el estudiante tendr
conocimiento prctico de la teora elctrica bsica, de los componentes
elctricos y de los sistemas elctricos bsicos. Usando los diagramas
elctricos Caterpillar, el equipo de prueba y otras publicaciones de
referencia, el estudiante podr probar la operacin de los sistemas
de la mquina Caterpillar. El estudiante tambin podr localizar y
solucionar problemas, lo mismo que diagnosticar y reparar los
componentes y los sistemas elctricos.
UNIDAD 1Leccin 1: Cmo funciona la electricidad
Para entender mejor el funcionamiento de la electricidad, es
necesario tener un conocimiento bsico de la estructura atmica
fundamental de la materia. La materia tiene masa y ocupa espacio.
La materia toma varias formas o estados, tales como slido, lquido y
gaseoso. Este curso suministrar al tcnico Caterpillar la comprensin
mnima de los principios tericos necesarios que sirvan de base para
estudiar y trabajar con circuitos y componentes elctricos.Materia y
elementosDefinimos la materia como cualquier cosa que ocupa
espacio, y que por accin de la gravedad tiene peso. La materia
consta de partculas extremadamente pequeas, agrupadas para formar
tomos. Existen en forma natural cerca de cien tomos. Un elemento es
la agrupacin de tomos de un mismo tipo y se define como una
sustancia que por accin qumica no puede descomponerse ms. La mayora
de los elementos se encuentran en la naturaleza. Ejemplos de
algunos elementos naturales son: el cobre, el plomo, el hierro, el
oro y la plata. Otros elementos (aproximadamente 14) se han
producido en el laboratorio. Los elementos pueden transformarse en
otros slo por accin de una reaccin atmica o nuclear. Sin embargo,
la combinacin de elementos produce la gran cantidad de compuestos
comunes a nosotros todos los das. El tomo es la partcula ms pequea
de un elemento, que conserva las caractersticas del elemento. La
palabra tomo es de origen griego y significa partcula demasiado
pequea para dividirse ms.tomosAunque nadie ha visto un tomo, es una
estructura ideal que se ajusta a la evidencia experimental que se
ha medido con exactitud. Se han determinado el tamao y la carga
elctrica de las partculas invisibles de un tomo por el grado de
desviacin que experimenta cuando se aplican al tomo fuerzas
conocidas. El modelo Atmico actual, el cual se representa con el
ncleo en el centro, fue propuesto por Niels Bohr en 1913. Este
modelo tiene una semejanza con nuestro sistema solar en el que el
Sol est en el centro y sus planetas giran a su alrededor.
El centro de un tomo se conoce como ncleo y est compuesto
principalmente por partculas llamadas protones y neutrones. Girando
alrededor del ncleo hay partculas pequeas llamadas electrones.
Estos electrones tienen una masa mucho menor que un protn o un
neutrn. Normalmente, un tomo tiene en el ncleo un nmero de protones
e igual nmero de electrones que giran a su alrededor. El nmero de
protones o de electrones presentes en un tomo se llama nmero
atmico. El peso atmico de un elemento es el nmero total de
partculas - protones y neutrones - en el ncleo.
La figura 1.1.3 muestra la estructura de dos de los tomos ms
simples. La figura 1.1.3(a) es un tomo de hidrgeno, y contiene en
su ncleo un protn en equilibrio con un electrn en su rbita o capa.
El nmero atmico de un tomo de hidrgeno es 1. La figura 1.1.3 (b)
muestra un tomo simple de helio, que tiene 2 protones en su ncleo,
en equilibrio con 2 electrones en rbita. El nmero atmico del helio
es 2 y su peso atmico es 4 (2 protones + 2 neutrones).Los
cientficos han descubierto otras partculas en el tomo, pero para
propsito de este curso de electricidad bsica, estudiaremos
solamente tres partculas: electrones, protones y neutrones. Para un
mejor entendimiento de la electricidad bsica usaremos como ejemplo
un tomo de cobre.
La figura 1.1.4 muestra un tomo tpico de cobre. El ncleo del
tomo no es ms grande que un electrn y en realidad no se sabe
realmente que tan grande es. El ncleo del tomo de cobre tiene 29
protones (+) y 35 neutrones. Girando alrededor del ncleo hay 29
electrones (-). El nmero atmico del tomo de cobre es 29 y su peso
atmico es 64. Qu sucede cuando los extremos de un cable de cobre se
conectan a una fuente positiva y negativa, por ejemplo, a una
batera?
Un electrn (-) es sacado de la rbita del tomo y es atrado al
terminal (+) de la batera. El tomo queda cargado (+), y ahora le
hace falta un electrn (-). El tomo atraer un electrn del tomo
vecino. El tomo vecino, a su vez, atrae un electrn del tomo
siguiente, y as sucesivamente hasta que el ltimo tomo de cobre
recibe un electrn del terminal negativo de la batera.El resultado
de esta reaccin en cadena es un movimiento de electrones del
terminal negativo al terminal positivo del conductor. El flujo de
electrones contina todo el tiempo que las cargas positivas y
negativas de la batera se mantengan en cada extremo del
conductor.Energa elctricaHay dos tipos de fuerzas que trabajan en
cada tomo. En circunstancias normales, esas dos fuerzas estn en
equilibrio. Los protones y los electrones ejercen fuerzas entre s,
adems de las fuerzas gravitacionales o centrfugas. Se ha
determinado que adems de la masa, los electrones y los protones
transportan una carga elctrica, a la que se atribuyen esas fuerzas
adicionales. Sin embargo, las fuerzas actan de modo diferente. En
la fuerza entre dos masas, la fuerza gravitacional siempre es una
atraccin, mientras que las fuerzas elctricas se atraen y se
repelen. Los protones y los electrones se atraen entre s, mientras
los protones ejercen fuerzas de repulsin en otros protones y los
electrones ejercen fuerzas de repulsin en otros electrones.
As, existen dos clases de carga elctrica. Se determin que los
protones transportan la carga positiva (+) y los electrones la
carga negativa (-). El neutrn, como su nombre lo indica, es una
carga neutra. La direccin de la electricidad basada en el tipo de
carga se llama polaridad. Esto nos lleva a definir la ley bsica de
la electrosttica: cargas elctricas DIFERENTES se atraen, mientras
que cargas elctricas IGUALES se repelen.Cargas y electrosttica
La atraccin o la repulsin de cuerpos cargados elctricamente se
debe a una fuerza invisible que se encuentra alrededor del cuerpo
cargado, llamada campo electrosttico. La figura 1.1.7 muestra la
fuerza entre partculas cargadas elctricamente como lneas
electrostticas imaginarias que van de la carga negativa a la carga
positiva.Cuando dos cargas iguales se sitan una cerca de otra, las
lneas de fuerza se repelen entre s, como se muestra en la figura de
abajo.
Diferencia de potencialGracias a la fuerza de su campo
electrosttico, una carga elctrica tiene la capacidad de realizar un
trabajo al mover otra carga elctrica por atraccin o por repulsin. A
esta capacidad de atraer o repeler cargas elctricas se llama
potencial. Cuando las cargas no son iguales, habr una diferencia de
potencial entre ellas.La diferencia de la suma del potencial de
todas las cargas del campo electrosttico se conoce como fuerza
electromotriz (EMF). La unidad bsica de la diferencia de potencial
es el voltio (V), llamada as en honor de Alessandro Volta,
cientfico italiano inventor de la pila voltaica, la primera pila
seca. El smbolo para potencial es la letra V e indica la capacidad
de realizar el trabajo necesario que obligue a los electrones a
moverse. Debido a que se usa la unidad voltio, la diferencia de
potencial se llama voltaje.Hay varias formas de producir voltaje,
incluyendo friccin, calor, reaccin qumica e induccin
electromagntica. La atraccin de pedazos pequeos de papel por un
peine que ha sido frotado con un pao de lana es un ejemplo de
voltaje producido por friccin. La fotocelda de una calculadora sera
un ejemplo de voltaje producido por energa solar.CulombioSe hizo
necesario desarrollar una unidad de medida para la carga elctrica.
Un cientfico llamado Charles Coulomb investig las leyes de la
fuerza entre los cuerpos cargados y adopt una unidad de medida
llamada culombio. Escrita en notacin cientfica, un culombio es
igual a 6,28 x 1018 electrones o protones. En trminos ms simples,
en un conductor de cobre, un amperio es una corriente elctrica de
6,28 millones de millones de electrones que cruzan un punto del
conductor en un segundo.CorrienteComo se dijo anteriormente, la
preocupacin de las teoras electrostticas era principalmente las
fuerzas entre las cargas. Otra teora que necesita explicarse es la
del movimiento en un conductor. El movimiento de cargas en un
conductor se define como la corriente elctrica. Un electrn se ver
afectado por un campo electrosttico del mismo modo que un cuerpo
con carga negativa. El electrn es repelido por una carga negativa y
atrado por una carga positiva. El desplazamiento de electrones o
movimiento genera una corriente elctrica.La magnitud o la
intensidad de la corriente se mide en amperios. El smbolo de la
unidad de medida de la corriente es la letra A. El amperio es una
medida de la velocidad a la cual se mueve una carga a travs de un
conductor. Un amperio es un culombio de carga que pasa por un punto
en un segundo.
Flujo de electrones frente a flujo convencionalHay dos modos de
describir un flujo de corriente elctrica en un conductor. Antes de
plantearse la teora atmica para explicar la composicin de la
materia, los cientficos definieron la corriente como un movimiento
de cargas positivas que fluye en un conductor desde un punto de
polaridad positiva hasta un punto de polaridad negativa. Esta
conclusin todava se usa ampliamente en algunos libros y normas de
ingeniera. Algunos ejemplos de cargas positivas en movimiento son
las aplicaciones de corriente en lquidos, gases y semiconductores.
Esta teora de flujo de corriente se llama flujo de corriente
convencional.Con el planteamiento de la teora atmica para explicar
la composicin de la materia, se determin que el flujo de corriente
a travs de un conductor se basaba en un flujo de electrones (-), o
carga negativa. Por tanto, la corriente de electrones est en
sentido opuesto al de la corriente convencional y se conoce con el
nombre de flujo de corriente electrnica.Aunque pueden usarse ambas
teoras, este curso utilizar la teora convencional, ms popular y que
describe la corriente que fluye de una carga positiva (+) a una
carga negativa (-).ResistenciaGeorg Simon Ohm descubri que teniendo
un voltaje fijo, la cantidad de corriente que fluye a travs de un
material depende del tipo de material y de sus dimensiones fsicas.
En otras palabras, todos los materiales se oponen en algn grado al
flujo de electrones. Esta oposicin se llama resistencia. Si la
resistencia es pequea, el material es un conductor. Si la
resistencia es grande, el material es un aislador.El ohmio es la
unidad de resistencia elctrica y el smbolo para representarlo es la
letra griega omega (). Un material tiene una resistencia de un
ohmio si el potencial de un voltio produce una corriente de un
amperio.Es importante recordar que la resistencia elctrica est
presente en todos los circuitos elctricos, incluyendo los
componentes, los cables de interconexin y los conectores. Los
circuitos elctricos y las leyes relacionadas se tratarn ms adelante
en esta unidad. A medida que la resistencia se opone al flujo de
corriente, la energa elctrica se transforma en otras energas, tales
como calor, luz o movimiento. La resistencia de un conductor est
determinada por cuatro factores:
1. Estructura atmica (cantidad de electrones libres). Mientras
ms electrones libres tenga un material, ser menor la resistencia
que ofrece al flujo de corriente.
2. Longitud. Mientras ms largo sea un conductor, ser mayor la
resistencia. Si se duplica el valor de la longitud de un cable,
como se muestra en la figura 1.1.12(a), el valor de la resistencia
se duplica entre los dos extremos.3. Ancho (rea seccional
transversal). Mientras mayor sea el rea seccional transversal de un
conductor, ser menor la resistencia (a mayor dimetro de una tubera,
mayor flujo de agua). Si el rea de la seccin transversal se reduce
a la mitad, como se muestra en la figura 1.1.12(b), la resistencia
para cualquier longitud dada se incrementa en un factor de 4.4.
Temperatura. En casi todos los materiales, a mayor temperatura,
mayor resistencia. La grfica de la figura 1.1.12(c) muestra la
resistencia a medida que la temperatura aumenta. Tenga en cuenta
que hay algunos materiales cuyo efecto es disminuir la resistencia
cuando la temperatura aumenta.Circuitos elctricos y leyesUn
circuito elctrico es un paso, o un grupo de pasos interconectados,
capaces de transportar corrientes elctricas. El circuito elctrico
es un paso cerrado que contiene una fuente o fuentes de voltaje.
Hay dos tipos bsicos de circuitos elctricos: en serie y en
paralelo. Los circuitos en serie y en paralelo bsicos pueden
combinarse para formar circuitos ms complejos, pero estos circuitos
combinados pueden simplificarse y analizarse como circuitos bsicos
en serie o en paralelo. Es importante entender las leyes necesarias
para analizar y diagnosticar los circuitos elctricos. Estas son la
Ley de Kirchoff y la Ley de Ohm.Gustav Kirchoff desarroll dos leyes
para analizar los circuitos. Estas leyes son:1. La Ley de Corriente
de Kirchoff (KCL) determina que la suma algebraica de las
corrientes de cualquier unin en un circuito elctrico es igual a
cero. Expresado en forma ms simple, la corriente que entra a una
unin es igual a la corriente que sale de la unin. Nada se pierde.2.
La Ley de Voltaje de Kirchoff (KVL) determina que la suma
algebraica de las fuerzas electromotrices y las cadas de voltaje
alrededor de cualquier bucle elctrico cerrado es igual a cero.
Expresado de otro modo, si partimos de un punto particular de un
circuito cerrado y damos la vuelta por el circuito sumando las
diferencias individuales de potencial hasta que todas sean
consideradas, cuando lleguemos al punto de inicio, no debera haber
voltaje extra.Georg Simon Ohm descubri una de las ms importantes
leyes de la electricidad. sta describe la relacin entre tres
parmetros elctricos: voltaje, corriente y resistencia. La Ley de
Ohm se define como sigue: La corriente de un circuito elctrico es
directamente proporcional al voltaje e inversamente proporcional a
la resistencia. La relacin puede expresarse por la siguiente
ecuacin matemtica:
o, definida en unidades elctricas como:
Cuando usamos ecuaciones matemticas para expresar las relaciones
elctricas, las representamos con letras. La resistencia se
representa con la letra R o el smbolo omega (). El voltaje o la
diferencia de potencial se representa por la letra E o V (fuerza
electromotriz). La corriente se representa por la letra I
(intensidad de carga). Ms adelante, veremos cmo usar estas leyes
para calcular los valores de los circuitos elctricos.Conductores
elctricosEn aplicaciones elctricas, los electrones viajan a lo
largo de un camino llamado conductor o cable. Los electrones se
mueven viajando de tomo en tomo. Algunos materiales hacen que los
electrones viajen ms fcilmente y se llaman buenos conductores.
Ejemplos de buenos conductores son: la plata, el cobre, el oro, el
cromo, el aluminio y el tungsteno. Se dice que un material es un
buen conductor si tiene gran cantidad de electrones libres. La
cantidad de presin elctrica o voltaje que se necesita para mover
los electrones a travs de un material depende de la cantidad de
electrones libres del material.La plata es el mejor conductor, pero
su utilizacin se ve limitada por razn de su alto costo. El oro es
un buen conductor, pero no es tan bueno como el cobre. El oro tiene
la ventaja de no sufrir corrosin como el cobre. El aluminio no es
tan buen conductor como el cobre, pero es menos costoso y ms
liviano.La conductividad de un material determina qu tan buen
conductor es. La figura 1.1.13 indica algunos de los conductores ms
comunes y su conductividad con respecto al cobre.
Otros materiales dificultan el movimiento de los electrones y se
llaman aisladores. Un buen aislador mantiene los electrones
fuertemente ligados en su rbita. Ejemplos de aisladores son el
caucho, la madera, los plsticos y las cermicas. Tambin es
importante saber que se puede crear un flujo de corriente elctrica
a travs de cualquier material. Si el voltaje aplicado es lo
suficientemente alto, aun los mejores aisladores permitirn el flujo
de corriente. La tabla de la figura 1.1.14 indica algunos de los
aisladores ms comunes.
Existen otros elementos que deben considerarse cuando se habla
de aisladores. La suciedad y la humedad pueden servir para conducir
la electricidad alrededor de un aislador. Si un aislador est sucio
o hay humedad presente, puede causar problemas. El aislador no
permite el paso de corriente, pero la suciedad o la humedad pueden
proveer un paso para que los electrones fluyan. Por esto es
importante mantener limpios los aisladores y las conexiones.
Cables elctricosEl cable de un circuito elctrico se compone de
un conductor y un aislador. Generalmente, el conductor es de cobre
y el aislador (cubrimiento externo) es de plstico o de caucho. Los
conductores pueden ser cables slidos o trenzados. En la mayora de
las aplicaciones de movimiento de tierra, los cables elctricos son
de cobre trenzado con un aislador plstico que cubre el
conductor.Hay diferentes clasificaciones de cables. Mientras ms
pequeo sea el cable mayor ser su nmero de identificacin. El sistema
numrico se conoce como Calibre de Cable Americano (AWG). La
siguiente tabla de la figura 1.1.15 muestra la clasificacin estndar
de cable AWG.
La resistencia de un cable puede tambin verse afectada por otras
condiciones, como la corrosin, y deben tenerse en cuenta cuando se
realizan mediciones de resistencias.
