Manual Eléctricidad Básica

8/18/2019 Manual Eléctricidad Básica

1/86

DIRECCIÓN DE OPERACIÓN COORDINACIÓN DE LOS CENAC

CENTRO NACIONAL DE CAPACITACIÓN NORESTE

Introducción al Sistema Eléctrico de las Centrales.

ELECTRICIDAD BÁSICA.

Facilitador:

Ing. José Gpe. Urano Rincón


2/86




RECONOCIMIENTO

Se hace patente el reconocimiento a las personas que participaron en la elaboración del

presente material, así como a sus centros de adscripción por las facilidades prestadas

para este fin.

Ing. José Luis Cuevas Madrigal.

CENAC Celaya.

Ing. Baltazar Paulin Torres

CENAC Celaya.

Ing. Juan Antonio Contreras Laguna.

CENAC Celaya.

Ing. Eduardo Quinto Aragón

CENAC Celaya.

Actualización y revisión 2013

Ing. José Gpe. Urano Rincón

CENAC Noreste.


3/86




Indice

OBJETIVO TERMINAL .......................................................................................................... 1

INTRODUCCIÓN .................................................................................................................. 2

UNIDAD UNO. Antecedentes históricos y principios de la electricidad .................................... 3

Antecedentes históricos. .................................................................................................. 3

Teoría del electrón ........................................................................................................... 6

Formas para obtener la energía eléctrica. ....................................................................... 8

Principales conceptos. ...................................................................................................... 9

UNIDAD DOS. Fundamentos de la Corriente Directa ........................................................... 10

Ley de Coulomb .............................................................................................................. 12

Conductores y aisladores. .............................................................................................. 13

Flujo de corriente. .......................................................................................................... 14

Fuerza electromotriz (FEM). ........................................................................................... 16

Resistencia eléctrica ....................................................................................................... 17

Ley de ohm ..................................................................................................................... 19Circuitos en serie, paralelo y serie-paralelo ................................................................... 20

Potencia eléctrica ........................................................................................................... 32

UNIDAD TRES. Magnetismo y electromagnetismo .............................................................. 34

Imanes. ........................................................................................................................... 34

Imanes temporales e imanes permanentes ................................................................... 34

Campos magnéticos. ...................................................................................................... 35Electromagnetismo ........................................................................................................ 37

UNIDAD CUATRO. Circuitos eléctricos de Corriente Directa y Corriente Alterna................... 40

Características de la corriente directa y de corriente alterna ........................................ 41

El generador elemental. ................................................................................................. 44

Frecuencia ...................................................................................................................... 48

Valores máximos, pico a pico, medio y eficaz de una onda senoidal ............................. 48


4/86




Inductancia. ..................................................................................................................... 52

Reactancia inductiva....................................................................................................... 57

Relaciones de fase en circuitos inductivos de CA. .......................................................... 58Efecto de la diferencia de fase en la onda de potencia de CA. ...................................... 60

Capacitancia. .................................................................................................................. 61

Reactancia capacitiva ................................................................................................... 63

Relaciones de fase en circuitos capacitivos. ................................................................. 64

Impedancia. .................................................................................................................. 67

UNIDAD CINCO. Potencia y factor de potencia ................................................................... 51 5.1 Potencia y factor de potencia. ........................................................................................ 51

Anexos ........................................................................................................................................ 75

Bibliografía ................................................................................................................................. 82


5/86




1

OBJETIVO FINAL

Al término del curso, el participante conocerá los fundamentos de electricidad,

electromagnetismo y circuitos eléctricos de corriente directa y corriente alterna

para lograr una mayor eficacia al desarrollar trabajos en la especialidad de

electricidad conforme a las necesidades de su centro de trabajo.


6/86




2

INTRODUCCION.

Hoy en día se puede decir que no hay lugar en donde exista la tecnología y no tengamos

necesidad de utilizar la energía eléctrica. La electricidad la requerimos en casi cualquier

actividad que realizamos desde la iluminación y entretenimiento de nuestros hogares

hasta en la industria y en las tecnologías más avanzadas.

Esta necesidad de utilizar la energía eléctrica nos obliga a tener conocimiento sobre ella,

especialmente en esta empresa en la que nos dedicamos a la generación, transmisión y

distribución de energía eléctrica y aún más al personal técnico que constantemente

necesitamos de dicha energía para poder realizar nuestro trabajo, inclusive en voltajes

mayores a los que tenemos en una instalación doméstica.

El avance tecnológico del país y específicamente en Comisión Federal de Electricidad, va

acorde con la demanda de energía eléctrica requerida. Por lo que una de las

preocupaciones primordiales de C.F.E., es la de capacitar al personal que labora para

este fin.

El contenido de dicho material es una recopilación y aportación de experiencias

adquiridas en dicha área, a la vez que se ha tenido el apoyo de libros técnicos e

instructivos de C.F.E.

El material que se presenta sobre Principios Básicos de Electricidad te ayudará acontar con las bases suficientes para tener un mejor desempeño de las actividades que

realizas día a día en tu área de trabajo.


7/86




3

UNIDAD UNO.

ANTECEDENTES HISTORICOS Y PRINCIPIOS DE LA ELECTRICIDAD.

Antecedentes histór icos.

La palabra electricidad proviene del vocablo griego electrón ámbar. El ámbar es unaresina fósil transparente de color amarillo, producido en tiempos muy remotos por árbolesque actualmente son carbón fósil.

Los primeros fenómenos eléctricos fueron descritos por el matemático griego Tales deMileto, quien vivió aproximadamente en el año 600 a.C. El señalaba que al frotar el ámbarcon una piel de gato podía atraer algunos cuerpos ligeros como polvo, cabellos o paja.

El físico alemán Otto de Guericke (1602-1686) construyó la primera máquina eléctrica,cuyo principio de funcionamiento se basaba en el frotamiento de una bola de azufre que algirar producía chispas eléctricas. El holandés Pieter Van Musschenbroek (1692-1761)descubrió la condensación eléctrica al utilizar la llamada botella de Leyden la cual es uncondensador experimental constituido por una botella de vidrio que actúa como aislante odieléctrico. Tiene dos armaduras consistentes de un forro o revestimiento metálico exteriory un relleno de papel metálico interior prolongado eléctricamente hacia afuera a través deuna varilla metálica que atraviesa un tapón de corcho. La botella de Leyden se carga alsujetar una de sus armaduras y aplicar la otra al conductor de una máquina eléctrica. Si

una de sus armaduras después se toca con un conductor, se produce una chispa quedescargará parcialmente la botella.

El estadounidense Benjamín Franklin (1706-1790) observó que cuando un conductor concarga negativa terminaba en punta, los electrones se acumulan en esa región y porrepulsión abandonan dicho extremo, fijándose sobre las moléculas de aire o sobre unconductor cercano con carga positiva (o carente de electrones). D e la misma manera, unconductor cargado positivamente atrae a los electrones por la punta. Arrancándolos de las

moléculas de aire cercanas. Estos fenómenos se producen debido al llamado poder depuntas.

Benjamín Franklin propuso aplicar las propiedades antes descritas en la protección deedificios, mediante la construcción del pararrayos. Un pararrayos es una larga barrametálica terminada en punta que se coloca en la parte más alta de las construcciones y,por medio de un cable de cobre, se conecta a una plancha metálica enterrada en el suelohúmedo.


8/86




4

Charles Coulomb, científico francés (1736-1806), estudió las leyes de atracción yrepulsión eléctrica. En 1777 inventó la balanza de torsión para medir la fuerza deatracción o de repulsión por medio del retorcimiento de una fibra fina y rígida a la vez.

Para ello, colocó una pequeña esfera con carga eléctrica a diferentes distancias de otras,también con carga, así logró medir la fuerza de atracción o repulsión de acuerdo con latorsión observada en la balanza.

El físico italiano Alessandro Volta (1745-1827), También contribuyó notablemente alestudio de la electricidad. En 1775 inventó el electróforo, este dispositivo generaba yalmacenaba electricidad estática. En 1800 explicó por qué se produce electricidad cuandodos cuerpos metálicos diferentes se ponen en contacto. Aplicó su descubrimiento en la

elaboración de la primera pila eléctrica del mundo; para ello, combinó dos metalesdistintos con un líquido que servía de conductor.

Fue George Ohm, físico alemán (1789-1854), quien describió la resistencia eléctrica deun conductor, y en 1827 estableció la Ley Fundamental de las Corrientes Eléctricas alencontrar la existencia de una relación entre la resistencia de un conductor, la diferenciade potencial y la intensidad de corriente eléctrica.

Por su parte, Michael Faraday físico y químico inglés (1791-1867), descubrió cómo podíaemplearse un imán para generar una corriente eléctrica en una espiral de hierro. Propuso

la teoría sobre la electrización por influencia, al señalar que un conductor hueco (jaula deFaraday) forma una pantalla para las acciones eléctricas. A partir del descubrimiento de lainducción electromagnética, Faraday logró inventar el generador eléctrico.

El físico inglés James Joule (1818-1889) estudió los fenómenos producidos por lascorrientes eléctricas y el calor desprendido en los circuitos eléctricos. Encontró que elcalor originado por una corriente eléctrica al circular a través de un conductor, esdirectamente proporcional a la resistencia, al cuadrado de la intensidad de la corriente y al

tiempo que ésta dure en pasar.

Otros investigadores han contribuido al desarrollo de la electricidad, entre ellos figuran: elestadounidense Joseph Henry (1797-1878), constructor del primer electroimán; el rusoHeinrich Lenz (1804-1865), quien enunció la ley relativa al sentido de la Corrienteinducida; el escocés James Maxwell (1831-1879), quien propuso la TeoríaElectromagnética de la Luz y las ecuaciones generales del campo electromagnético; elyugoslavo Nikola Tesla (1856-1943), inventor del motor asincrónico y estudioso de las


9/86




5

Corrientes polifásicas; y el inglés Joseph Thomson (1856-1940), quien investigó laestructura de la materia y de los electrones.

En los últimos sesenta años el estudio de la electricidad ha evolucionado intensamenteporque se han comprobado sus ventajas sobre otras clases de energía; por ejemplo:puede transformarse con facilidad, se transporta de manera sencilla y a grandesdistancias a través de líneas aéreas no contaminantes. También puede utilizarse en formade corrientes muy potentes para alimentar enormes motores eléctricos, o bien, enpequeñas corrientes a fin de hacer funcionar dispositivos electrónicos.

En la actualidad, en nuestra empresa existen varios medios para producir energíaeléctrica: centrales hidroeléctricas, termoeléctricas, ciclo combinado y nucleoeléctricas;todas ellas de mucha importancia y siendo las más utilizadas las primeras tres, sinrestarle importancia a la energía eólica que tiene un auge muy importante a nivelinternacional junto con la energía solar.


10/86




6

Teoría del electrón.

Los antiguos griegos observaron que cuando el ámbar se frotaba con una tela, atraía

pedazos ligeros de material, como pedazos de papel. Los científicos demostraron

posteriormente que esta propiedad de atracción ocurría en otros materiales como el hule y

el vidrio, pero no sucedía con el cobre y el hierro. Los materiales que tenían esta

propiedad de atracción al frotarse con la tela, se decía estaban cargados con una fuerza

eléctrica; además se observó que algunos de estos materiales cargados eran atraídos por

una barrita de vidrio cargado y que otros eran rechazados. Lo que en realidad se

observaba era un exceso o deficiencia de electrones en los materiales, dando lugar a lo

que se llama cargas eléctricas positivas y negativas.

Todos los efectos de la electricidad se producen debido a la existencia de una diminuta

partícula llamada electrón, puesto que nadie ha visto un electrón, sino únicamente sus

efectos que produce, se llama teoría electrónica a las leyes que gobiernan su

comportamiento.

En un átomo el número total de electrones cargados negativamente que giran alrededor

del núcleo es igual al número de protones cargados positivamente contenidos en el

núcleo; además de los protones, el núcleo contiene también partículas eléctricamente

neutras llamadas neutrones.


11/86




7

La teoría electrónica no sólo es la base para el diseño de todo el equipo eléctrico y

electrónico, sino también explica la acción físico-química y ayuda a los científicos a

sondear en la naturaleza íntima del universo y de la vida misma.

Toda la materia está compuesta de átomos de distintos tamaños, grados de complejidadestructural y pesos, pero todos ellos tienen la misma configuración, es decir, un núcleo

(protones y neutrones) y girando alrededor de éste los electrones, semejantes a un

sistema solar en miniatura. Los electrones y protones tienen una propiedad llamada carga

eléctrica.


12/86




8

Formas para obtener la energía eléctr ica.

La energía eléctrica la obtenemos por medio de la transformación de otros tipos de

energía y existen distintas formas para obtener la energía eléctrica. Las diferentes formas

conocidas para electrizar a los cuerpos son las siguientes:

Por magnetismo (generadores)

Acción química (baterías).

Luz (solar, fotoceldas).

Presión

Fricción.

Calor

La más utilizada en la industria de la generación de energía eléctrica es por medio del

magnetismo, que es el principio del funcionamiento de los generadores eléctricos, los

cuales se encuentran en la mayoría de las centrales generadoras, ya sean

termoeléctricas, hidroeléctricas, eólicas, etc. Aunque también empieza a tomar fuerza por

ser una energía no contaminante la energía solar, que se obtiene por medio de la luz a

través de equipos llamados fotoceldas.


13/86




9

Conceptos Básicos de electricidad.

Electricidad. Proviene del griego elektron, que significa ámbar.

Intensidad eléctrica. (Corriente) Esta se presenta cuando existe flujo de electrones de

un átomo a otro. La intensidad depende de la fuerza (voltaje) que se aplique para

ocasionar este movimiento de electrones y de la facilidad de los materiales para ceder

estos electrones (resistencia).

Voltaje. (También conocido como Diferencia de Potencial). Es la fuerza que es capaz de

producir un flujo eléctrico (intensidad) al aplicarse a un circuito. Medida en Volts.

Resistencia. Es la oposición que presenta cualquier material al paso de la corriente

eléctrica. Se mide en Ohms.

Potencia. Es la rapidez con que se realiza un trabajo. Se mide en Watts o Volts-Amperes


14/86




10

UNIDAD DOS

FUNDAMENTOS DE CD.

Todos los átomos se encuentran unidos entre sí por fuerzas poderosas de atracción entre

el núcleo y sus electrones, sin embargo los electrones de las órbitas exteriores de un

átomo, son atraídos hacia su núcleo más débilmente que los electrones cuyas órbitas

están más cerca del núcleo.

Los electrones poseen una carga negativa ( - ) y los protones una carga positiva (+). Un

átomo normal contiene el mismo número de protones y de electrones, por lo que seconsidera neutro. Sin embargo, un átomo puede ganar electrones y quedar con una carga

negativa y por el contrario, perder electrones y quedar con una carga positiva.

En algunos materiales, especialmente los metales, los electrones que giran en las órbitas

exteriores del átomo pueden ser desplazados de sus órbitas con relativa facilidad y

reciben el nombre de electrones libres. Cuando esto sucede, el átomo adquiere carga

positiva puesto que ha perdido carga negativa, dejando un estado de desequilibrio a favor

de las cargas positivas (protones). Así mismo la adición de un electrón a un átomo en su

estado estable lo hará que adquiera carga negativa.

Los electrones que son expulsados fuera de sus órbitas de alguna manera, producirán

escasez de electrones en el material que abandonan y un exceso de electrones en el

material que ocupan; al exceso de electrones se le llama carga negativa y al déficit de

electrones se le llama carga positiva. Cuando estas cargas existen y están en reposo, se

tiene lo que se conoce como Electricidad Estática.


15/86




11

Cuando dos materiales se frotan entre sí, algunas órbitas electrónicas de la superficie de

los materiales se entre cruzarán y un material puede ceder electrones al otro debido a

la fricción, si esto sucede, se generan cargas estáticas en los materiales, la carga podráser positiva o negativa dependiendo de cuál sea el material que cede electrones con

mayor facilidad.

Cuando la varilla es frotada con una piel o tela, ésta cede electrones a la varilla, quedando

ésta cargada negativamente y la piel positivamente, como se observa en el dibujo

siguiente:

Cuando los materiales están cargados con electricidad estática, se comportan de unamanera distinta. Cargas con carga del mismo signo se repelen y cargas de signo contrario

se atraen.

Si se ponen en contacto dos materiales con cargas opuestas, el exceso de electrones de

la carga negativa pasará al material con deficiencia de ellos. A este traslado de electrones

desde una carga negativa a una positiva se le llama descarga y representa un flujo de

corriente.


16/86




12

Ley de Coulomb:

Se ha visto que cargas iguales se repelen y que cargas distintas se atraen; ya que esto

sucede cuando los cuerpos cargados están separados, esto debe significar que hay un

campo de fuerza que rodea a las cargas y que el efecto de atracción o repulsión es

debido a este campo eléctrico de fuerza (E). El científico francés Charles Augusto

Coulomb, estudió estos campos en el siglo XVIII, y halló que éstos se comportan de una

manera predecible de acuerdo con lo que ahora se conoce como Ley de Coulomb, que

establece que la fuerza de atracción o repulsión entre dos cuerpos cargados es

directamente proporcional a la cantidad de carga presente en ambos cuerpos e

inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que los separa. A mayor distancia entredos cargas eléctricas,menor fuerza de atracción

F ∞ Q1 x Q2

D2o repulsión.

Mientras mayor sea elproducto de las cargasen dos cuerpos mayorserá la fuerza deatracción o repulsión.

Esta proporción puede convertirse en igualdad multiplicando por una constante K.

F = K Q1 x Q2

D2

El valor de la constante K de proporcionalidad depende de las unidades en las cuales se

expresan la fuerza ( F ) la carga ( Q ) y la distancia ( D ).

En resumen, la ley de coulomb enuncia lo siguiente: La fuerza eléctrica de atracción o

repulsión entre dos cargas puntuales, es directamente proporcional al producto de las

cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa.


17/86




13

Conductores y aisladores.

En algunos casos los electrones de las órbitas externas que giran en torno al núcleo con

más fáciles de desplazar de sus órbitas que en otros casos. Esos átomos que fácilmente

desprenden un electrón o permiten que un electrón se una a ellos, constituyen los

materiales llamados conductores; la mayoría de los metales entran en esta categoría.

Entre los conductores se cuentan la plata, cobre, hierro, aluminio, latón, etc.

Algunos materiales tales como el hule, vidrio, baquelita, etc., tienen una estructura

atómica que impide grandemente el libre movimiento de los electrones de un átomo a

otro, de aquí que reciban el nombre de aisladores; estos materiales requieren de una gran

cantidad de energía para extraer los electrones fuera de la órbita del átomo.

Los aisladores son tan importantes como los conductores, porque sin ellos no es posible

mantener a los electrones fluyendo en las zonas en que deseamos y evitarlos en donde

no se requieren.

ConductoresAislantes.


18/86




14

Flujo de corriente. La corriente eléctrica es el movimiento de las cargas negativas a

través de un conductor.

Cuando se conecta un conductor entre las terminales de una pila, se producirá en seguida

una fuerza sobre todos los electrones libres del alambre, expulsando a algunos fuera de la

terminal positiva de la pila; al mismo tiempo la terminal negativa de pila empujará más

electrones libres hacia la otra terminal del alambre. De esta manera se producirá un

movimiento continuo de electrones de la terminal con carga negativa a la terminal positiva,

a este movimiento de electrones libres a través de un conductor es lo que se llama flujo

de corriente.

Si pasa una carga neta “q” por una sección transversal cualquiera del conductor en un

tiempo “t”, la corriente que se supone constante será:

Si la rapidez del flujo de carga no es constante al transcurrir el tiempo, la corriente variará

con el tiempo y estará dada por.


19/86




15

La corriente “i” es la misma para todas las secciones transversales de un conductor, aún

cuando el área de la sección transversal pueda ser distinta en diferentes puntos.

Aún cuando en los metales los portadores de carga son los electrones, en los electrolitos

o en los conductores gaseosos los portadores de carga pueden ser también los iones

positivos o negativos o bien ambos.

Sentido del flujo de corriente.-

Sentido Real. De acuerdo con la teoría electrónica, el flujo de corriente va siempre de la

carga negativa (-) hacia la carga positiva (+). De tal manera que si se conecta un

conductor entre las terminales de una pila, la corriente fluirá de la terminal (-) hacia la

terminal (+).

Sentido convencional. Pero antes de haberse concebido la teoría electrónica ya se usaba

la electricidad y se pensaba que había un fluido eléctrico que se movía de una carga (+)

hacia una carga (-) dentro del conductor; a esta concepción del flujo de corriente se le

llamó flujo de corriente convencional.


20/86




16

fuerza electromotriz (FEM).

La diferencia de potencial o voltaje es la fuerza que obliga a los electrones a circular a

través de un conductor en un circuito electrico, por consiguiente, el flujo de electrones

será mayor cuanto mayor sea el voltaje y viceversa. Esto es cierto siempre y cuando el

conductor sea del mismo material, el mismo calibre, la misma longitud y a la misma

temperatura.

La unidad para la diferencia de potencial o voltaje es el Volt. Un volt es la diferencia de

potencial necesaria para obtener un joule de trabajo cuando hay un flujo de carga de un

Coulomb.


21/86




17

Resistencia eléctrica.

Es un hecho que la intensidad de la

corriente es directamente proporcional a la

tensión aplicada, es decir, cuanto mayor o

menor sea el voltaje, mayor o menor será la

corriente.

Voltaje y Corriente.

Pero la corriente no depende solamente del voltaje sino también de las características del

material del conductor.

Cuando las características del material conductor son diferentes en cuanto a su

naturaleza, su calibre, su longitud y su temperatura; su oposición al flujo de los electrones

es diferente aunque el voltaje aplicado sea el mismo. A esta oposición que ofrecen losmateriales al paso de la corriente es lo que se llama “Resistencia Eléctrica”.

La resistencia eléctrica se representa con la letra “R” y la unidad de medida es el Ohm y

se representa con el símbolo Ω.

Factores que afectan el valor de la resistencia de un conductor.

La resistencia es directamente proporcional a la longitud del conductor e inversamente

proporcional a su sección transversal.


22/86




18

Donde:

R = Resistencia del conductor.

= Resistividad del material.

L

A

=

=

Longitud del material.

Sección transversal (Area).

Las substancias que tienen resistividades grandes son malos conductores o buenos

aisladores y las substancias con resistividad pequeña son buenos conductores y malos

aisladores, no existe ningún aislador perfecto ( = ∞), ni tampoco un conductor perfecto

( =0).

La temperatura también afecta el valor de la resistencia de un conductor, cuanto más

caliente esté mayor resistencia ofrecerá al paso de la corriente, cuanto más frio esté,

menor resistencia ofrecerá al paso de la corriente.


23/86




19

Ley de ohm.

Se recordará que el flujo de corriente es producido por el voltaje aplicado entre dos puntos

y está limitado por la resistencia entre esos mismos puntos.

Si el voltaje que se aplica a una resistencia es mayor, entonces el flujo de corriente será

más grande; similarmente si el voltaje que se aplica es más bajo, entonces el flujo de

corriente será menor. Si se aumenta la resistencia de la carga a la cual se le aplica un

voltaje constante, el flujo de la corriente será menor; similarmente si se reduce la

resistencia, el flujo será mayor. Lo anterior es válido si la temperatura se mantiene

constante.

Esta relación entre el voltaje ( E ), la corriente ( I ) y la resistencia ( R ), fue estudiada por

el matemático alemán Jeorge Simon Ohm, estableciendo lo que se conoce como Ley de

Ohm, esta ley establece que “ La corriente ( I ) que fluye en un circuito, es directamente

proporcional al voltaje aplicado (E ) e inversamente proporciona l a laresistencia ( R )”.

Esto quiere decir lo siguiente:

La intensidad de la corriente varia en forma directamente proporcional a la

variación del voltaje.

La intensidad de la corriente varia en forma inversamente proporcional a la

variación de la resistencia.

Matemáticamente veremos que

Donde:

V = Voltaje.

I = Corriente o intensidad eléctrica.

R= Resistencia.


24/86




20

Circuitos en serie, circuitos en paralelo y ci rcuitos serie-paralelo.

EL CIRCUITO EN SERIE:

Antes de empezar con el estudio de los circuitos eléctricos es conveniente familiarizarnos

con la simbología correspondiente. Ve la siguiente imagen y trata de memorizar los

principales símbolos utilizados en los circuitos eléctricos.

FUENTE DE CD. FUENTE DE CA.

CONDUCTOR.

RESISTENCIA.

CAPACITOR.

IMPEDANCIA.

BOBINA.

En cualquier circuito eléctrico está formado principalmente por tres elementos, una fuente

de voltaje, un conductor y una carga o resistencia. Por lo tanto en un circuito eléctrico

existen los siguientes elementos fundamentales:

Voltaje.

Corriente.

Resistencia.


25/86




21

Un circuito serie es cuando dos o más resistencias están conectadas extremo con

extremo (uno a continuación del otro) de tal manera que se tenga un solo camino para

que fluya la corriente.

CIRCUITO EN SERIE.

Cualquier número de lámparas o resistencias se pueden usar para formar circuitos en

serie, siempre y cuando estén conectados extremos con extremos a través de las

terminales de una fuente y que solo presenten una sola trayectoria al flujo de la

corriente; las características de los circuitos serie son las siguientes:

El valor total de la resistencia del circuito es igual a la suma de todos los elementos que lo

forman.

Rt= R1+R2+R3+...+Rn

La corriente es la misma a través de todo el circuito, es decir a través de cada uno de sus

componentes.

It = I1 = I2 = I3 = In

El voltaje total aplicado al circuito es igual a la suma de las caídas de colt


26/86




22

Para determinar el voltaje presente en cada componente de un circuito, partiremos de

nuestro amigo Ohm que en su ley nos dice que V= I x R.

Tomando como ejemplo un circuito con tres resistencias tendríamos que el voltaje total

del circuito es igual a la suma del voltaje que se presenta en cada una de sus

resistencias, es decir:

VT = V1 + V2 + V3.

Y dado que estas resistencias se encuentran en serie, sabemos que la corriente que

circula por cada una de ellas es igual a la total, esto es:

IT = I1 + I2 + I3

Por lo tanto:

V1=IR1; V2= IR2; V3 = IR3

Y

VT= IR1 + IR2 + IR3


27/86




23

EL CIRCUITO EN PARALELO:

Cuando un cierto número de resistencias se conectan de tal forma que haya más de una

trayectoria para que fluya la corriente, se dice que la conexión es en paralelo.

Si dos resistencias conectadas terminal a terminal por medio de un alambre se conectan a

una fuente de voltaje, todo el conjunto forman un circuito en paralelo

Las características de los circuitos son las siguientes:

El voltaje a través de cada una de las resistencias es siempre el mismo y es igual al

voltaje total aplicado.

Et = E1 = E2 = ... = En

El hecho de que los voltajes aplicados a cada elemento del circuito en paralelo sean

siempre los mismos, tienen una consecuencia práctica importante; es decir todos los

elementos que se han de conectar en paralelo deben tener la misma especificación de

voltaje para que funcionen adecuadamente.

La corriente que fluye a través de un circuito en paralelo, se divide y fluye por cada una de

las trayectorias en paralelo.

It = I1 + I2 + I3 + … + In


28/86




24

Nota. Observe en esta imagen como la corriente que sale de la pila se divide entre los dos

focos y como el voltaje de las dos resistencias (focos) es el mismo. La suma de las dos

corrientes I1 + I2 es igual a la corriente total del circuito It.

Cuando se conectan resistencias de diferente valor en paralelo, la oposición al flujo decorriente no es la misma para cada rama del circuito, una resistencia de menor valor

muestra menos oposición al flujo de la corriente, de modo que fluirá mayor corriente a

través de la trayectoria de menor oposición; de aquí que por los resistores de menor valor

de un circuito en paralelo siempre fluirá mayor corriente que por los resistores de mayor

valor.


29/86




25

Para poder encontrar el valor de la resistencia total de un número cuales quiera de

resistores conectados en paralelo; nos auxiliaremos con la ley de Ohm y con la primera

ley de Kirchhoff, así como de la figura siguiente:

Primera ley de Kirchhoff. La suma de todas las intensidades de corriente que llegan a un

nodo de un circuito es igual a la suma de todas las corrientes que salen de él.

De la primera ley de Kirchhoff, se sabe que:

( 1)

Y de la ley de ohm, se tiene que:

It = E, I1= E, I2= E, I3= E ……. ( 2 )

Rt R1 R2 R3


30/86


26



Sustituyendo ( 2 ) en ( 1 ), se tiene:

E = E + E + E ………….. (3)

Rt R1 R2 R3

Dividiendo la ec. (3) entre “E”, tenemos:

1 = 1 + 1 + 1

Rt R1 R2 R3

Esta ecuación se puede aplicar para un número mayor de resistencias en paralelo, así se

tendrá:

1 = 1 + 1 + 1 + ………. 1

Rt R1 R2 R3 Rn

Ejemplo, se tiene tres resistencias conectadas en paralelo con los valores que se indican

en la figura, calcular el valor de la resistencia efectiva de la combinación.


31/86


27



Procedimiento: Primero se consideran R1 y R2 y se calculará el valor de la resistencia

equivalente de esta combinación, a la que le llamaremos Re.

1 = 1 + 1

Re R1 R2

1 = R2 + R1

Re R1 x R2

Re = R1 x R2

R1 + R2

Sustituyendo sus valores, se tiene:

Re = 300 x 200

300 + 200

Re = 6000 = 120 Ω

500

Ahora se combina Re con R3 de la misma manera y el resultado será la resistencia total

del circuito completo.

Rt = Ra x R3

Ra + R3

Rt = 120 x 60

120 + 60


32/86


28



Rt = 7200 = 40Ω

180

Rt = 40 Ω


33/86


29



EL CIRCUITO EN SERIE-PARALELO DE C.D.:

Los circuitos serie-paralelo como su nombre lo indica son aquellos formados por una

combinación de elementos que parte están conectados en serie y parte conectados

en paralelo.

Para encontrar la resistencia equivalente de los circuitos serie-paralelo, lo que se hace es

separar el circuito completo en partes, cada una formada por circuitos simples en serie y

circuitos simples en paralelo; entonces se resuelve cada parte por separado y secombinan las respuestas.

Ejemplo, encontrar la resistencia total del circuito siguiente:


34/86




30

Procedimiento: Primero se dibuja el circuito con los resistores R3 y R4 en serie

sumándose para formar una resistencia equivalente Ra.

Ra = R3 + R4

Ra = 6 + 4 = 10 Ω

Luego se combina en paralelo Ra con R2, para obtener la resistencia equivalente Rb.

Rb = R2 x Ra

Rb =

R2

10

+

x

Ra

10

Rb= 100

10

=

+

5 Ω

10

20


35/86




31

Por último la resistencia R1 se combina en serie con Rb para encontrar la resistencia total

del circuito.

Rt = R1 + Rb

Rt = 7 + 5

Rt = 12

RT = 12 Ω.


36/86




32

Potencia eléctrica.

Siempre que una fuerza de cualquier clase produce movimiento, se dice que se realiza un

trabajo. Una fuerza que se aplica sin causar movimiento, dicha fuerza no efectúa trabajo

alguno.

Ya se sabe que la diferencia de potencial entre dos puntos cualesquiera de un circuito

eléctrico, produce un movimiento de electrones y un flujo de corriente. Este es un caso

evidente de una fuerza que produce movimiento y por tanto, que hace que se realice un

trabajo. A la rapidez con que se realiza el trabajo para mover los electrones de un punto a

otro se llama “Potencia Eléctrica”, se le representa con la letra “P”, y la unidad es Watt

(W). El watt, se puede definir en la práctica como la rapidez con que se efectúa trabajando

en un circuito en el que fluye una corriente de un Ampere cuando el voltaje aplicado es de

un volt.

Para los circuitos de C.D. la potencia se puede determinar por la relación siguiente:


37/86




33


38/86




34

UNIDAD TRES

MAGNETISMO Y ELECTROMAGNETISMO.

Imanes.

En la antigüedad, los griegos descubrieron que cierta clase de Piedra que encontraron

cerca de la Ciudad de Magnesia (Asia Menor), tenía la propiedad de recoger limaduras o

trozos de hierro. Esta piedra era en realidad un tipo de mineral de hierro llamado

magnetita, cuyo poder de atracción se denomina magnetismo.

A los materiales que contienen mineral con esta propiedad de atracción se les llama

imanes naturales.

Al emplear imanes naturales, se descubrió que un trozo de hierro adquiría propiedades

magnéticas al hacer contacto con el imán natural, dando lugar a un imán artificial. Los

imanes artificiales también se pueden hacer mediante electricidad, y para los imanes más

potentes se pueden emplear otros metales aparte del hierro. Los mejores imanes son losque están hechos con aleaciones que contienen níquel y cobalto.

Imanes temporales e imanes permanentes.

El hierro se imanta con mayor facilidad que otros materiales, pero también se desimanta

con facilidad, de manera que a los imanes de hierro dulce se les conoce como imanes

temporales. Los imanes de aleaciones de acero conservan su magnetismo por un lapso

mayor, a estos se les llama imanes permanentes.

Los efectos magnéticos de un imán están concentrados en dos puntos, generalmente en

los extremos del imán estos puntos se llaman polos del imán, siendo uno polo Norte y el

otro polo Sur.


39/86




35

Campos magnéticos.

El campo magnético es el espacio donde se hacen sentir los efectos de un imán, y se

representa por líneas de fuerza invisibles que salen del imán por un extremo y entran por

el otro. A estas líneas invisibles se les llama línea de fuerza magnética; el número de

líneas de flujo por unidad de área se le llama “densidad de flujo”, cuando la densidad de

flujo se mide en líneas por cm 2, se usa la unidad de densidad de flujo que es el gauss.

Una de las características de las líneas de fuerza magnética es que se rechazan entre sí y

jamás se tocan ni se cruzan.

Si se acercan polos del mismo nombre de un imán, se rechazan, pero si se acercan polos

de diferente nombre se atraerán. Los polos magnéticos son muy parecidos a las cargas

estáticas en este aspecto. Las cargas o polos iguales se rechazan y cargas o polos

distintos se atraen.

Las líneas de fuerza magnética atraviesan ciertos materiales con mayor facilidad que

otros, los materiales que no dejan pasar las líneas de flujo con tanta facilidad o que

dificultan el paso de éstas, tienen una alta reluctancia. Los materiales que dejan pasar o

que no obstaculizan el paso a las líneas de flujo, se dicen que tienen una baja reluctancia.


40/86




36

Las líneas de fuerza magnética siguen el camino que presenta menor reluctancia, así se

tiene que viajan con mayor facilidad a través del hierro que en el aire debido a que el aire

tiene una reluctancia mayor que el hierro, la concentración del campo magnético se hacemayor en el hierro porque en éste la reluctancia es menor.

En un trozo de material solo se pueden concentrar cierto número de líneas magnéticas,

esta concentración varía de acuerdo al tipo de material, pero una vez logrado el máximo,

se dice que el material está saturado; este fenómeno se aprovecha en distintas piezas de

equipo eléctrico, pero es un efecto muy poco deseado en la mayor parte de equipo

eléctrico ya que limita la fuerza de un determinado imán hecho de un material en

particular. Entonces para el equipo que requiere de campos magnéticos muy potentes, se

necesitará un material de muy alta saturación magnética o se requerirá incrementar la

cantidad de hierro u otro material magnético.


41/86




37

3.4 Electromagnetismo.

Cualquier conductor que transporta una corriente, produce un campo magnético en torno

al conductor y la dirección de este campo depende del sentido del flujo de corriente.

Existe una relación bien definida entre el sentido del flujo de la corriente en un conductor y

el sentido del campo magnético que lo rodea, esta relación se puede determinar aplicando

la regla de la mano izquierda.

En donde el dedo pulgar apunta hacia la dirección en que fluye la corriente en un

conductor recto, mientras que los demás dedos nos dicen en qué dirección gira el campo

magnético en torno al conductor.


42/86




38

Campos magnéticos en torno a una bobina.-

Si se dobla un tramo de alambre formado una espira, las líneas de fuerza que rodean al

conductor, saldrán todas ellas por un costado de la espira y entrarán por el otro, de

manera que la espira que conduce corriente se comporta como un imán débil con su polo

norte y su polo sur. Si se desea aumentar la potencia del campo magnético de la espira,

se puede arrollar el alambre varias veces o sea aumentar el número de espiras formando

una bobina; los campos individuales de cada espira entran en serie, formando un potente

campo magnético dentro y fuera de la bobina.

En la figura siguiente podremos observar cómo se determina la polaridad del campo

magnético que se genera al energizar una bobina. Observe bien la explicación y consulte

nuevamente la regla de la mano izquierda si lo cree necesario para comprender esta

ilustración.


43/86




39

Según el enrollamiento de una bobina

es como se determinan sus polos

norte y sur.

En este caso, observemos que la

corriente entra por el extremo izquierdo y

finaliza en el lado derecho y que la

primera bobina empieza para atrás y gira

hacia adelante, si lo pudiéramos colocar

nuestra mano izquierda y agarrar la

bobina con nuestro dedo pulgar en elsentido del giro de la bobina, estaríamos

indicando con nuestro dedo pulgar el

hacia el polo norte del campo magnético

que forma la bobina.

En caso contrario, si la corriente entrara por el extremo

derecho, el giro de la bobina sería en sentido contrario

por lo que al energizar la bobina tendríamos al polo norte

por el extremo izquierdo.


44/86




40

UNIDAD CUATRO.

CIRCUITOS ELECTRICOS DE C.A. Y C.D.

Antes de continuar con el siguiente tema es conveniente realizar un repaso a lo antes

visto y realizar varios ejercicios hasta comprender la relación entre los 4 parámetros

principales en los circuitos eléctricos. Voltaje, Corriente, Resistencia y Potencia.

El siguiente formulario será de gran apoyo, es conveniente tenerlo a la mano al resolver

los problemas o tareas que se te presenten.

VOLTAJE

V VOLTS

CORRIENTE

A AMPERS

RESISTENCIA

Ω OHMS

POTENCIA

W WATTS

(P X R) V / R P /I2 V x I

P/I P / V V2 / P I2 x R

I x R (P / R) V / I V2/R


45/86




41

Características de la corr iente directa y la corr iente alterna.

Existen varias razones para preferir el uso de la corriente alterna (CA) sobre la corriente

directa (CD), entre ellas se puede mencionar que: la transmisión de energía eléctrica es

más sencilla y más económica con C.A. que con C.D.; el voltaje de C.A. se puede

incrementar o reducir en forma fácil y sin pérdida apreciable de energía con el uso de

transformadores.

La elevación y reducción de voltaje de C.D. , es difícil y relativamente ineficiente, así que

el uso de transmisión de energía de C.D. es limitado.

Como se sabe la potencia (P) transmitida por una línea es el producto del voltaje (E) en la

terminación de la línea y la corriente (I) en la línea. Para transmisión de potencia máxima,

el voltaje y la corriente deben ser tan grandes como sea posible; la corriente (I) se limita

por el calibre del alambre usado para construir la línea de transmisión; el voltaje ( E ) se

limita por el aislamiento de la línea. Es más fácil y más económico construir una línea con

muy buen aislamiento permitiendo el uso de un voltaje muy alto que el construir una líneacon alambre capaz de conducir corrientes muy grandes.

Pérdidas de energía en un conductor . Cuando fluye corriente por un alambre, existe una

pérdida que es proporcional al cuadrado de la corriente (P= I 2R), todo el alambre tiene

resistencia; cualquier reducción en la cantidad de flujo de corriente requerida para la

transmisión de potencia resulta en una reducción en la cantidad de potencia perdida en un

conductor (o cable, por ejemplo las líneas de transmisión). Con el uso de voltaje alto, se

requiere menor flujo de corriente para transmitir una cantidad de potencia específica.

Entonces la transmisión de potencia en forma eficiente, demanda el uso de voltajes muy

altos; y a la salida de una central generadora, se tiene que elevar para transmisión y

reducirse después para su uso. Esto se consigue lo más económico posible si la corriente

suministrada es C.A.


46/86




42

Con el siguiente ejemplo, quedará ilustrada la importancia del uso de alto voltaje y baja

corriente en la transmisión de potencia:

Si se tiene una fuente de 10 KV y fluyen 100 A por una línea de 10 Ω, se tendrá una

potencia de 1 MW; también se puede obtener la misma potencia cuando el voltaje se

incrementa a 100 KV y la corriente se reduce a 10 A.

Línea de 10 KV Línea de 100 KV

P = E x I P = E x I

P = 10000 x 100 P = 100000 X 10

P = 1 Mw P = 1 MW

PÉRDIDAS.

P= I2R P= I2R

P = (100)2 x 10 P = (10)2 x 10

P = 100000 Watts. P = 1000 Watts.

De donde se puede observar que una línea de transmisión de 10 KV con una resistencia

de 10 Ω, tiene 100 veces más pérdidas que la misma línea cuando la tensión es de 100

KV.


47/86




43

Formas de Onda. Las formas de onda son imágenes que muestran cómo varían los

voltajes y las corrientes en un período. Las formas de onda para la C.D., son líneas rectas

y cambian muy lentamente porque ni el voltaje ni la corriente varían en forma rápida enningún circuito.

La forma de onda que presenta la corrientes alterna son curvas suaves que representan

cambios graduales en voltaje y corriente, primero incrementando, luego decreciendo envalor para cada dirección del flujo de corriente. La forma de onda a que da lugar esta

variación es del tipo senoidal.

Cuando una corriente o voltaje de C.A. pasa a través de un conjunto completo de valorespositivos y negativos, se dice que ha complementado un ciclo. La C.A., primero se

incrementa a un máximo y disminuye a cero en una dirección, después aumenta a un

máximo y disminuye a cero en la dirección opuesta; esto constituye un ciclo de corriente

alterna y el ciclo se repite tantas veces como fluya la corriente. Un ciclo es un conjunto

completo de valores positivos y negativos.


48/86




44

El Generador Elemental.

El generador eléctrico es la máquina encargada de transformar la energía mecánica en

energía eléctrica. Está constituido por un inductor elaborado a base de electroimanes o

imanes permanentes que producen un campo magnético y por un inducido que consta de

un núcleo magnético de hierro al cual se le enrolla alambre conductor.

Un generador elemental consiste de una espira de alambre colocada de tal manera que

pueda girar dentro de un campo magnético estacionario para producir una corriente

inducida en la espira. Los contactos deslizantes sirven para conectar la espira a un

circuito externo.

Como los lados de la espira al girar dentro del campo magnético cortan las líneas de

fuerza magnética, se genera una fuerza electromotriz (fem) inducida que hace que fluya

una corriente a través de los anillos deslizantes, escobillas, ampérmetro y la carga ( R ).

La fem inducida que se genera en la espira y por consiguiente la corriente que fluye,

depende de la posición instantánea de la espira en relación al campo magnético.

Suponiendo que la espira gira en sentido de las manecillas del reloj y que su posición

inicial esta en el punto A (O°). En la posición “A”, la espira es perpendicular al campo

magnético y los conductores blanco y negro de la espira están moviéndose paralelamente


49/86




45

al campo magnético, si un conductor se mueve paralelo al campo magnético, no corta ninguna línea de

fuerza magnética y no puede generar ninguna fem (voltaje) en el conductor .

A medida que la espira gira de la potencia “A” a la posición “B” la espira está cortando

más y más líneas de fuerza magnética hasta que a 90° (posición B), corta un número

máximo de líneas de fuerza, o sea que de 0° a 90°, la fem inducida en la espira aumenta

de cero a un valor máximo, obsérvese que de 0° a 90° la parte negra del conductor se

mueve hacia abajo cortando líneas de fuerza, mientras que al mismo tiempo, la parte

blanca de la espira se mueve hacia arriba cortando líneas de fuerza, por consiguiente las

fems inducidas en ambos lados están en serie sumándose. La corriente por el circuito

variará en la misma forma que la fem inducida, siendo cero en 0° y aumentando al

máximo en 90°, la dirección del flujo de corriente y la polaridad de la fem inducida

depende de la dirección del campo magnético y del sentido de rotación de la espira.


50/86




46

A medida que la espira continúa girando de la posición “B” (90°) a la posición “C” (180°),

los lados de la espira están cortando un número máximo de líneas de fuerza magnética

en “B”, pasan a través de menos líneas de fuerza hasta la posición “C” (180°) donde seestán moviendo paralelamente al campo magnético y no cortan ninguna línea de fuerza;

por consiguiente, la fem inducida decrece de 90° a 180° de la misma manera como

aumenta de 0° a 90°. En forma similar el flujo de corriente seguirá las variaciones del

voltaje.

A medida que la espira gira más allá de 180° regresando a la posición “A”, la dirección de

la acción del corte de los lados de la espira por el campo magnético se invierte, ahora el

conductor negro se mueve hacia arriba y el conductor blanco se mueve hacia abajo através del campo; por consiguiente la polaridad de la fem y el flujo de corriente se

invierten. De la posición “C” a la “D” regresando a la posición “A”, el flujo de corriente

estará en la dirección opuesta de las posiciones “A” a “C”.


51/86




47

Cuando la espira gira de 180° a 270°, la fem inducida alcanza su valor máximo negativo.

Cuando la espira gira de 270° a 360°, ha dado una vuelta completa, generando un ciclo

completo, alternando su polaridad en medio ciclo positivo y medio ciclo negativo; como se

ilustra en la figura siguiente:


52/86




48

Frecuencia.

Cuando más rápido sea le movimiento de rotación de la espira dentro del campo

magnético, con mayor frecuencia se invierte la corriente. En corriente alterna el número

de ciclos por segundo se denomina “Frecuencia”; y se expresa en Hertz.

y

1

La frecuencia comercial usada en nuestro país es de 60 Hz; frecuencias menores de 60

Hz; frecuencias menores de 60 Hz causarían un “parpadeo” cuando se use para

alumbrado. La razón de esto es que cada vez que la corriente cambia de dirección,

disminuye a cero y por consiguiente en forma momentánea apaga la lámpara, sin

embargo a 60 Hz, la lámpara se enciende y se apaga cada medio ciclo; el ojo humano no

puede reaccionar lo suficientemente rápido para detectar esto y así recibe la impresión de

que la lámpara está encendida en forma permanente.

Valores máximos, pico a pico, medio y eficaz de una onda senoidal:

Existen dos valores máximos o pico por cada ciclo completo de C.A., uno para el medio

ciclo positivo y el otro para el medio ciclo negativo; la diferencia entre el valor pico positivo

y el valor pico negativo se le llama valor pico a pico de una onda senoidal. Este valor es el

doble del valor pico de la onda y algunas veces se usa para mediciones de voltaje de

C.A., aunque por lo general las corrientes y voltajes de C.A. se expresan en valor efectivo

o eficaz en vez de valor pico a pico.


53/86




49

El valor promedio (medio) de un ciclo de la onda senoidal de C.A., es menor que el valor

pico, porque todos los puntos sobre la forma de onda excepto uno son menores en valor.

El valor promedio para un medio ciclo de todas las ondas senoidales es 0.637 ó 63.7 %

del valor máximo. Este valor se obtiene al promediar todos los valores instantáneos de la

onda seno en un medio ciclo.


54/86




50

Valor eficaz o efectivo de una onda senoidal.

La tensión o la potencia eficaz, se nombran muchas veces por las letras RMS.

Se sabe que cuando cualquier tipo de corriente C.D. o C.A. fluye a través de una

resistencia, la energía eléctrica se convierte en calor; sin embargo la rapidez a la que se

convierte la energía y se usa la potencia será menor en el caso de C.A., esta corriente

varía en forma continua entre valores máximo y cero y es menor que la C.D. estable con

un valor igual al valor máximo de la C.A.

Relacionando la C.D. y la C.A. para determinar su eficiencia relativa en conversión de

energía, un modo conveniente de efectuar esto es comprar el efecto de calentamiento en

una resistencia de cierto valor cuando fluya C.D. y C.A. de valor máximo igual al valor de

la C.D. durante el mismo período. Entonces el aumento de temperatura producido por la

C.A. en la resistencia se compara con el aumento en temperatura producido por la C.D. y

de esta relación se puede calcular el valor efectivo.


55/86




51

Los circuitos anteriores tienen una resistencia del mismo valor. En el circuito de C.D. una

corriente de 1 Amp. Eleva la temperatura de la resistencia a 50°C. En el circuito de C.A.

se tiene un valor máximo de corriente igual a 1 Amp.; la temperatura de la resistencia solose eleva a 25° C. La potencia usada para calentar una resistencia se calcula por P= I2R.

Para conocer la relación que existe entre el valor máximo y el valor eficaz de una corriente

alterna tenemos la siguiente fórmula:

En donde.:

Por lo tanto:

y

Lo mismo aplica para el voltaje.

y

Cuando se menciona una corriente o voltaje alternos, siempre es el valor eficaz el que se

especifica, a menos que exista una aclaración definida de lo contrario. Todos los

instrumentos de medición, a menos que se indique lo contrario miden valores eficaces

(rms) de la corriente y voltaje.


56/86




52

Inductancia ( L ).

Inductancia es la propiedad que tiene un circuito de generar una fem de autoinducción, la

cual se opone a las variaciones de la corriente; esta fem de autoinducción de oposición se

llama también contra-electromotriz (fcem).

Se sabe que cuando fluye corriente por un circuito se forma campo magnético, este

campo es proporcional al flujo de la corriente. Cuando la intensidad de la corriente

aumenta o disminuya, la fuerza del campo magnético aumenta o disminuye en el mismo

sentido. A medida que la intensidad de campo aumenta, las líneas de fuerza aumentan en

número y se expanden hacia afuera del Centro del Conductor, y cuando la intensidad de

campo decrece, las líneas de fuerza se contraen hacia el centro del conductor.

Esta expansión y contracción del campo magnético a medida que la corriente varía, causa

una fem de autoinducción la cual se opone a cualquier cambio de corriente.


57/86




53

Siempre que circula una corriente por una bobina, induce un campo magnético que

atraviesa o corta las espiras adyacentes de dicha bobina. Cuando la corriente cambia de

valor, el campo inducido se modifica y el efecto de esta variación de campo al atravesarlas espiras adyacentes de la bobina, se opone a la variación de la corriente.


58/86




54

En un circuito inductivo cuando se incrementa la corriente el circuito almacena energía en

el campo magnético y cuando decrece la corriente, el circuito cede la energía del campo

magnético; este fenómeno es lo que hace que la inductancia se oponga a los cambios decorriente.

La unidad de medida para la inductancia es el “Henry” y se simboliza con “H”, usándose

los sub-múltiplos milihenry y microhenry para valores inferiores del Henry.


59/86




55

Un circuito tiene una inductancia de 1 Henry cuando la fcem inducida en él es de 1 Volt y

cuando la corriente está cambiando con una rapidez de 1 A/seg.

El signo ( - ) indica que la fcem está en dirección opuesta al voltaje aplicado.

FACTORES QUE AFECTAN LA INDUCTANCIA:

Cualquier factor que afecte la intensidad de campo magnético también afecta la

inductancia del circuito. Por ejemplo un núcleo de hierro insertado en una bobina aumenta

la inductancia porque proporciona un mejor camino a las líneas de fuerza magnética que

el aire; por consiguiente más líneas de fuerza magnética están presentes, las cuales se

pueden expandir o contraer cuando exista un cambio en la corriente.

La inductancia puede medirse solo con instrumentos especiales de laboratorio y depende

completamente de la construcción física del circuito. Algunos de los factores más

importantes al determinar la magnitud de la inductancia son los siguientes:

a) Número de vueltas de la bobina.

b) Espaciamiento entre las vueltas.

c) Diámetro de la bobina.

d) Calibre del alambre.

e) Forma de la bobina.

f) Número de capas de arrollamiento.

g) Tipo de arrollamiento

h) Material del núcleo.


60/86




56

También la frecuencia afecta la inductancia, si la frecuencia es baja, la intensidad tendrá

tiempo para alcanzar mayor valor antes que se invierta el sentido, que si la frecuencia es

alta. Por lo tanto a mayor frecuencia menor intensidad habrá en un circuito inductivo.


61/86




57

Reactancia inductiva.

Por lo general, todos los circuitos de corriente alterna constan de resistencia (R),

inductancia (L) y capacitancia (C).

Cuando los valores de la inductancia y capacitancia son muy pequeños y se consideran

despreciables, puede aplicarse la ley de ohm para calcular la intensidad en cualquier

parte de un circuito pero cuando L y C son de un valor considerable, éstos producen

diferencias de fase o retardos entre la corriente y el voltaje.

REACTANCIA INDUCTIVA

La reactancia inductiva es la oposición al flujo de la corriente ofrecida por la

inductancia de un circuito. Como se sabe la inductancia solo afecta el flujo de la corriente

mientras ésta esté cambiando porque el cambio de corriente genera una fem inducida.

Para la CD, el efecto de inductancia solo se presenta cuando la corriente se conecta odesconecta; en cambio para la CA como se encuentra variando continuamente, se genera

una fem inducida constante.

La reactancia inductiva , queda determinada por:

Donde:

= Reactancia inductiva, expresada en ohms.

f

L

=

=

Frecuencia, expresada en Hertz.

Inductancia, expresada en Henrys.


62/86




58

Relaciones de fase en circuitos inductivos de Corriente Alterna.

En un circuito de CA que contiene solamente resistencia pura, la corriente varía

exactamente al mismo tiempo como lo hace el voltaje y las dos ondas están en fase.

Con un circuito puramente inductivo ( sin resistencia ) alimentando con CA, la corriente no

empezará a fluir en la misma dirección que el voltaje hasta que alcance su valor máximo y

luego la onda de corriente se eleva mientras el voltaje decrece. En el instante que elvoltaje alcanza el cero, la corriente es máxima y empieza a decrecer hacia cero; sin

embargo es máxima y empieza a decrecer hacia cero; sin embargo el campo

colapsándose retrasa la disminución de corriente, hasta que el voltaje alcanza su valor

máximo un cuarto de ciclo antes que la onda de corriente en cada medio ciclo. En un

circuito puramente inductivo, la onda de voltaje adelanta a la corriente 90° o la onda de

corriente va atrás de la onda de voltaje 90°.

Nota: Observe como cuando el voltaje se encuentra en cero, el valor de la corriente está

en su valor máximo. Cuando sucede esto se dice que el voltaje esta adelantado a la

corriente.


63/86




59

Para un circuito formado por reactancia inductiva (XL) y resistencia (R), la onda de

corriente de CA estará atrasada de la onda de voltaje por una cantidad entre 0 y 90°,

dependiendo de la relación de la resistencia a la inductancia del circuito, entre mayor sea

el valor de la resistencia comprada con la inductancia, más próximas estarán las ondas a

la condición de fase, entre más baja sea la resistencia comparada con la inductancia

mayor será el desfasamiento entre las dos ondas.


64/86




60

Efecto de la diferencia de fase en la onda de potencia de corriente alterna.

Como se sabe una inductancia utiliza energía para crear un campo magnético y éste

retorna la energía hacia la línea cuando se colapsa.

Para determinar la onda de potencia en un circuito puramente inductivo, todos los valores

instantáneos de voltaje y corriente se multiplican entre si para obtener los valores

instantáneos de potencia, después estos valores se grafican, al calcular valores

instantáneos de potencia cuando el voltaje y la corriente no están en fase, algunos de los

valores son negativos, si la diferencia de fase es 90° como en el caso de un circuito

puramente inductivo, la mitad de los valores instantáneos de potencia son positivos y la

mitad son negativos.

La porción de la onda de potencia la cual está sobre el eje de cero, se llama

potencia positiva y aquella que está abajo del eje se llama potencia negativa. La

potencia positiva representa la potencia suministrada al circuito por la fuente,

mientras que la potencia negativa representa la potencia que el circuito regresa a la

fuente de potencia.


65/86




61

Capacitancia ( C ).

Capacitor: Un capacitor, también llamado “condensador eléctrico”, está formado por dos

superficies conductoras separadas por un material dieléctrico. O bien son dos

conductores separados por un aislamiento.

La capacitancia es la propiedad que un circuito tiene para almacenar carga eléctrica, la

cual se opone a las variaciones del voltaje . La capacitancia existe en un circuito porque

ciertas partes del mismo son capaces de almacenar cargas eléctricas.

Para comprender como afecta la capacitancia al voltaje de un circuito, supóngase un

circuito que contiene un capacitador de dos placas; suponiendo que las placas están

descargadas y el interruptor abierto, no habrá paso de corriente y el voltaje en las placas

será nulo.

Al cerrar el interruptor, la fuente suministrará electrones a la placa conectada a la terminal

negativa de la fuente y retirará electrones de la placa conectada a terminal positiva. El

voltaje entre ambas placas se igualará al voltaje de la fuente, sin embargo esto no sucede

instantáneamente porque para que el voltaje de las placas se iguale con el de la fuente,

una de ellas debe tomar un exceso de electrones para adquirir carga negativa, mientras

que la otra debe ceder electrones se dirigen a la placa conectada a la terminal negativa de

la fuente, se va formando en la placa una carga negativa que se opone a la llegada de

nuevos electrones; del mismo modo a medida que los electrones son extraídos de la

placa conectada a terminal positiva, se va formando una carga positiva que se opone a la

extracción de más electrones de esa placa. Esta acción en ambas placas se denomina

“Capacitancia”.


66/86




62

La unidad básica de la capacitancia es el “Farad”. Un capacitor tiene una capacitancia de

1 F, cuando una corriente de carga de 1 A fluye durante 1 seg., causa un cambio de 1V

en el potencial entre sus placas.

El Farad es demasiado grande para usarlo como unidad de capacitancia, en la práctica se

usan los submúltiplos. Así se tiene:

MicroFarad

PicoFarad


67/86




63

Reactancia capacitiva .

La reactancia capacitiva .

Es la propiedad de un capacitor para reducir la corriente en un circuito de corriente

alterna.

Es la oposición que la capacitancia de un circuito ofrece al flujo de la corriente.

La capacitancia solo afecta al flujo de la corriente mientras exista variación del voltaje ya

que esta hace que se almacene carga eléctrica en el circuito.

Debido a que el voltaje de CD, suele variar solo cuando se abre o cierra el circuito, la

capacitancia solo afecta en esos momentos; en cambio en los circuitos de CA, el voltaje

está variando constantemente, de modo que el efecto de la capacitancia es constante en

ellos.

Como no existe el flujo continuo de corriente directa en un circuito capacitivo, la

reactancia capacitiva se considera infinita para la CD.

La C.A. varía continuamente en valor y polaridad, por consiguiente el capacitor se está

cargando y descargando en forma continua, resultando un flujo continuo de corriente en el

circuito y por tanto la reactancia capacitiva se considera finita.

Como las corrientes para cargar y descargar son más altas al comienzo de la carga y

descarga de un capacitor, la corriente promedio será mayor a medida que la velocidad de

carga y descarga se vuelva más alta. De este hecho puede verse que la magnitud del flujo

de corriente en un circuito de CA, depende de la frecuencia para un valor específico de

capacitancia.


68/86




64

Entre mayor sea la frecuencia, mayor es el flujo de corriente porque la corriente de carga

en cada dirección, se invertirá antes que tenga tiempo para disminuir; si el voltaje de CA

de la fuente es de frecuencia baja, la corriente caerá en un valor más bajo antes de quese invierta la polaridad, resultando un flujo de corriente de valor promedio más bajo.

La reactancia capacitiva queda determinada de la siguiente manera:

Donde,

= Reactancia capacitiva expresada en ohms.

= Frecuencia en Hertz.

= Capacitancia en farads.


69/86




65

Relaciones de fase en circui tos capacitivos.

En un circuito puramente capacitivo ( Sin resistencia), el voltaje a través del capacitor

existe únicamente después de que fluye la corriente para cargar las placas. En el

momento que empieza a cargarse el capacitor, el voltaje a través de sus placas es cero y

el flujo de corriente es máximo. A medida que se carga el capacitor el flujo de corriente

disminuye hacia cero mientras que se eleva el voltaje a su valor máximo. Cuando el

capacitor alcanza su carga plena, la corriente es cero y el voltaje es máximo. Durante la

descarga, la corriente empieza en cero y se eleva a un máximo en la dirección opuesta,

mientras el voltaje disminuye del máximo a cero.

Al comparar las ondas de voltaje y corriente, se puede observar que la onda de corriente

adelanta a la onda de voltaje en 90°.


70/86




66

La resistencia afecta a los circuitos capacitivos de la misma manera como a los circuitos

inductivos. Para un circuito puramente capacitivo la corriente adelanta el voltaje en 90°,

pero con resistencia y capacitancia en un circuito, la cantidad de adelanto decrecedependiendo de la relación entre la reactancia capacitiva (Xc) y la resistencia ( R ).


71/86




67

Impedancia.

Hasta aquí se ha visto como la resistencia (R), inductancia (L) y capacitancia (C) afectan

individualmente al flujo de corriente, ángulo de fase y potencia en circuitos de CA; sin

embargo no se ha considerado los circuitos de CA con dos o más de estos elementos;

como se sabe cada circuito eléctrico contiene una cierta cantidad de R,L y C, por

consiguiente, los circuitos de CA pueden contener tres factores que se oponen al flujo de

corriente: R, XL y Xc, estos factores pueden combinarse de maneras especiales para

determinar la oposición total al flujo de la corriente y se le llama “Impedancia” y se

representa por “z”.

a) Impedancia de circuitos R y L en serie.-

La impedancia de un circuito en serie formado solo por resistencia e inductancia se

determina con la suma vectorial de la resistencia y la reactancia inductiva.

Si se conocen los valores de resistencia e inductancia, se puede determinar la

impedancia. Por ejemplo:

Si R= 180 Ω , L = 400 mH , F = 60 Hz.

Entonces,


72/86




68

.

. . = = = 234 Ω

Z = 234 Ω

El ángulo ( Ө ) entre el vector resistencia ( R ) e impedancia ( Z ) es el ángulo de fase del

circuito, éste es el ángulo entre la corriente y el voltaje del circuito y representa un atraso

en la corriente dado que el circuito es inductivo.

b) Impedancia de circuitos R y C en serie.-

Si un circuito de CA en serie consiste de resistencia y capacitancia, la oposición total al

flujo de corriente o sea la impedancia ( z ) se debe a dos factores:

Documents

Manual Eléctricidad Básica