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INTRODUCCIÓN A LA ELECTRICIDAD

¿QUÉ ES LA ELECTRICIDAD?

LAS FUERZAS ELÉCTRICAS

Las fuerzas eléctricas explican como fluye la

corriente eléctrica por un circuito. Están

presentes en la mayoría de nuestras

actividades, desde el uso de la luz eléctrica

para iluminarnos o el de aparatos como la

lavadora o el frigorífico. Además son

responsables de una gran cantidad de

fenómenos naturales. También los procesos

químicos como la formación de enlaces o el

metabolismo de nuestro propio cuerpo están

gobernados por este tipo de fuerzas.

Todos los cuerpos están compuestos por elementos químicos. La partícula más

elemental de un cuerpo es el Átomo.

Cada átomo tiene un núcleo, alrededor del cual giran los electrones en órbitas

concéntricas a gran velocidad, como se ve en la figura.

El número de electrones que tiene cada átomo varía en función del tipo de elemento,

siendo este número el que define las propiedades del elemento.

En cada átomo, el número de protones del núcleo (carga +) es igual al número de

electrones de la corteza (carga -).

Los protones, por ser de carga positiva, atraen a los

electrones, de carga negativa. La fuerza en que los protones

(+) atraen a los electrones (-) queda compensada por la

fuerza centrífuga que se genera al girar estos alrededor del

núcleo. Este es el motivo por el cual los átomos se

mantienen en equilibrio.

Hay materiales en los que esta fuerza de enlace es muy

débil, por lo que, si hacemos que una fuerza externa actúe

sobre el elemento, podemos hacer que se rompa el

equilibrio y estos electrones se desplacen.

A los electrones que podemos desplazar de esta manera los llamamos electrones libres.

La carga eléctrica de un cuerpo se genera o produce cuando predominan los electrones (carga negativa) o los protones (carga positiva).

La electrización es el proceso por el cual un cuerpo adquiere carga eléctrica.

Las cargas del mismo signo se repelen y las de signo contrario se atraen.

El fenómeno por el que los electrones se desplazan ordenadamente llama CORRIENTE ELÉCTRICA.

Electrón

Protón

Electrón

Nucleo

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La TENSIÓN ELÉCTRICA es la que hace que los electrones se pongan en movimiento (la fuerza

externa que hace que se muevan).

Sabemos que hay sustancias como los plásticos o los cristales que al frotarlos con un paño de

algodón o de lana quedan cargados de electricidad y son capaces de atraer objetos pequeños, como

trozos de papel o pelo; este fenómeno se denomina Electricidad Estática.

Por ejemplo: Si frotamos un bolígrafo de plástico con un paño de lana, los electrones del paño

pasan al bolígrafo. Ahora el bolígrafo está cargado negativamente. Al acercarse el bolígrafo los

papelitos, los electrones de éste son atraídos por los protones de los papelitos. Por eso el

bolígrafo atrae a los papeles.

El rozamiento será la fuerza externa que hace que los electrones se liberen.

En todo proceso la carga eléctrica total permanece

constante. La conservación de la carga eléctrica es un

principio tan importante como el principio de

conservación del momento lineal o el de la energía..

¿CÓMO SE GENERA LA TENSIÓN ELÉCTRICA?

Por transformación química (pilas y baterías) Por inducción eléctrica (generadores eléctricos) Por calentamiento (Termopares)

Por acción de la luz (células fotoeléctricas) Por rozamiento (Electricidad estática y algún tipo de rayos)

Con Cristales Piezoeléctricos (Relojes de los Ordenadores hechos con cristales de cuarzo)

CONDUCTORES, SEMICONDUCTORES y AISLANTES

Conductores: Materiales con fuerza de enlace débil y que, por tanto, oponen poca

resistencia al paso de la corriente eléctrica (metales, carbón, ácidos y soluciones salinas,

los mejores son la Plata, el Cobre y el Aluminio). Los materiales conductores se utilizan

en la creación de los circuitos eléctricos.

Semiconductores: Son sustancias que, sin ser conductoras, tienen una conductividad

baja que, además, aumenta con la temperatura. Son los principales materiales utilizados

en electrónica (Silicio, Germanio, Selenio, etc.)

Aislantes: Son aquellos materiales que no conducen la electricidad y que no permiten el

paso de la corriente eléctrica. Se emplean para cortar el paso a la corriente eléctrica.

Como características, también suelen ser buenos resistentes al calor y, a veces, no

inflamables (Madera, Plásticos, Papel, Vidrio, etc.)

CURIOSIDADES

Las moléculas de ADN, que constituyen el material genético de un individuo, están formadas por dos cadenas (doble hélice) que se mantienen unidas por las fuerzas eléctricas de los puentes de hidrógeno.

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CURIOSIDADES

La comprensión de los fenómenos electrostáticos ha permitido el desarrollo de muchas aplicaciones tecnológicas de gran utilidad, como la detención de rayos en las tormentas o el precipitador electrostático, que reduce de forma muy eficaz las emisiones de polvo contaminantes de algunas industrias.

¿CÓMO FLUYE LA ELECTRICIDAD EN UN CIRCUITO?

Un generador es el elemento del circuito que crea la "presión" (tensión eléctrica) capaz de hacer mover los electrones. Es un dispositivo que transforma algún tipo de energía en energía eléctrica, por ejemplo las pilas y las baterías transforman energía química en eléctrica.

El generador a costa de consumir algún tipo de energía separa las cargas gracias a la fuerza electromotriz (F.E.M.) tomando electrones de una placa y depositándolos en otra. La placa donde son arrancados los electrones queda, por tanto, cargada positivamente (defecto de electrones ), mientras que la placa donde se depositan queda cargada negativamente (exceso de electrones), formándose el polo positivo y negativo del generador. Ahora, entre estos polos aparece una diferencia de cargas o tensión eléctrica que hace que los electrones sean fuertemente atraídos por el polo positivo. A través del generador, los electrones no pueden fluir de un polo a otro dado que la fuerza electromotriz es de un valor un poco más alto que la fuerza provocada por la tensión. El único camino posible que los electrones pueden moverse desde el polo negativo al positivo es el conductor.

El generador es parte fundamental en las instalaciones eléctricas, así como el equipo de medición, interruptores, el transformador, tableros, tablero general, centro de control de motores, tableros de distribución o derivados, motores y equipos accionados por motores, estaciones o puntos de control, salidas para alumbrado y contactos, plantas de emergencias, tierra o neutro, etc.

Es fundamental conocer los conjuntos de elementos y los procesos para llevar a cabo una buena instalación eléctrica, los principios de funcionamiento de las instalaciones eléctricas en general así como las funciones que realizan los conductores y aisladores eléctricos, así como la importancia de las canalizaciones para el cuidado de los conductores y así mismo evitar algún accidente mediante la protección de los elementos para evitar fallos en la instalación y proteger la carga, de esta forma ayudamos que la instalación tenga una larga vida útil.

EL CIRCUITO ELÉCTRICO

Para que se establezca una corriente eléctrica, un circuito debe tener como mínimo los siguientes parámetros:

Generador: Se encarga de generar una diferencia de cargas o de

potencial entre sus polos.

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Conductor: A través del conductor fluyen los electrones de una parte a otra

del circuito.

Receptor: Aprovechando el movimiento de electrones, transforma la energía eléctrica en energía luminosa, calorífica, motriz...

MAGNITUDES ELÉCTRICAS

Intensidad de corriente eléctrica y su medición

La intensidad de la corriente eléctrica es la cantidad de electrones que recorren el circuito por unidad de tiempo. La unidad de medida es el amperio (A).

1 A= 1C/1s

Donde C son Culombis (unidad de cantidad de carga eléctrica en el SI) y s segundos. Para medir la intensidad de la corriente eléctrica se utiliza un aparato de medida llamado Amperímetro. Se intercalar en el conductor, es decir, conectarse "en serie".

Tensión eléctrica y su medida La tensión eléctrica, diferencia de potencial o voltaje es la diferencia de cargas entre dos los puntos de un circuito. La unidad de medida es el voltio (V). La fuerza necesaria para trasladar los electrones desde el polo positivo al negativo (sentido convencional) y crear así la diferencia de cargas, se le denomina fuerza electromotriz (f.e.m.). Para medir la tensión eléctrica se precisa de un voltímetro, que se conectan siempre entre los dos puntos entre los que se quiere medir la tensión, es decir, se debe conectar "en paralelo".

Resistencia eléctrica y su medición

La resistencia eléctrica es la mayor o menor oposición que ofrece un material al paso de la

corriente eléctrica. Esta magnitud diferencia los buenos de los malos conductores.

La unidad de medida es el ohm, y se representa con la letra griega Ω. El aparato de medida es

el óhmetro y su conexión es "en paralelo".

LEY DE OHM

Hemos llamado corriente eléctrica al movimiento de electrones por el interior de un conductor. Para que se produzca este desplazamiento debe existir una diferencia de cargas entre los dos puntos de un conductor, que impulse el movimiento de los electrones. Este movimiento de electrones se lleva a cabo de manera que los electrones se desplazan a zonas con un mayor potencial. Es decir, el sentido real de la corriente eléctrica lo establecen los electrones, esto es, desde donde hay exceso de carga negativa hasta donde hay carga positiva. Aunque realmente los electrones se mueven del polo negativo al positivo, antiguamente se creía lo contrario. Esto ha provocado que hoy se siga manteniendo este criterio, sentido convencional de la corriente eléctrica (desde el polo positivo al polo negativo).

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La ley de Ohm se aplica a todos los circuitos eléctricos, tanto a los de corriente continua (CC) como a los de corriente alterna (CA), aunque para el análisis de circuitos complejos y circuitos de CA deben emplearse principios adicionales que incluyen inductancias y capacitancia

Ley de Ohm: Hasta ahora se han estudiado las principales magnitudes eléctricas que

son intensidad de corriente, diferencia de potencial y resistencia eléctrica, la expresión que relaciona estas magnitudes eléctricas es la ley de Ohm.

La ley de Ohm, (ley básica del flujo de corriente) se expresa mediante la fórmula E = V / R, siendo I la intensidad de corriente en amperios, V la diferencia de potencial o voltaje en voltios y R la resistencia en ohmios (Ω):

V = I R

donde:

V es la diferencia de potencial en los extremos de la resistencia (V)

I es la intensidad de corriente que atraviesa el elemento resistivo (A)

R es el valor de la resistencia eléctrica (Ω)

Ley de Ohm en corriente alterna

La intensidad de corriente que circula por un circuito de CA es directamente proporcional a la tensión V aplicada, e inversamente proporcional a la Impedancia Z.

I = V / Z

La impedancia Z es la dificultad que pone el circuito al paso de la corriente alterna debido a elementos pasivos como: una resistencia R, una bobina L o un condensador C. Por otra parte, existen elementos activos que también oponen dificultad al paso de la corriente como : los motores, o los transformadores.

POTENCIA ELÉCTRICA

La potencia es la cantidad de energía eléctrica consumida o generada por un dispositivo eléctrico por unidad de tiempo. Su unidad de medida es el wat o vatio (W).

donde:

P es la potencia consumida o generada (W watts)

I es energía eléctrica consumida o generada (J joules)

t es el tiempo (s)

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Esta magnitud puede relacionarse con las magnitudes eléctricas de un circuito de modo que puede calcularse también mediante la expresión:

P = V · I

donde:

P es la potencia consumida o generada (W)

V es la diferencia de potencial (V)

I es la intensidad de corriente (A)

Otra expresión para la potencia eléctrica es (sustituyendo V = I ·R):

P = I2 · R

¿Que es la potencia eléctrica consumida por un conductor, por efecto Joule?

Cuando una corriente atraviesa un conductor, éste experimenta un aumento de temperatura.

Este efecto se denomina “efecto Joule”.

En corriente alterna, la potencia total, real o consumida por un circuito, es el producto del voltaje aplicado y de la componente en fase de la corriente

P= V · I · cosØ

Donde cosØ es el factor de potencia. Si se tiene en cuenta que la potencia es la cantidad de energía que consume o genera un dispositivo por unidad de tiempo, teniendo en cuenta el principio de conservación de la energía, la potencia total generada debe coincidir con la potencia total consumida. A este teorema se le conoce como teorema de Boucherot.

Pgenerada = Pconsumida

LEYES DE KIRCHHOFF

Si un circuito tiene un número de derivaciones interconectadas, es necesario aplicar otras dos leyes

para obtener el flujo de corriente que recorre las distintas derivaciones. Estas leyes, descubiertas

por el físico alemán Gustav Robert Kirchhoff, son conocidas como las leyes de Kirchhoff:

La primera, la Ley de los Nudos, enuncia que en cualquier unión en un circuito a través del cual fluye una corriente constante, la suma de las intensidades que llegan a un nudo es igual a la suma de las intensidades que salen del mismo.

Σ I = 0 (a la unió)

La segunda ley, o Ley de las Mallas dice que, comenzando por cualquier punto de una red y siguiendo cualquier trayecto cerrado de vuelta al punto inicial, la suma neta de los voltajes será igual a la suma neta de los productos de las resistencias encontradas y de las intensidades que fluyen a través de ellas.

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Esta segunda ley es sencillamente una ampliación de la ley de Ohm.

Σ V - Σ I*R = 0

RELACIÓN ENTRE MAGNITUDES ELÉCTRICAS:

INSTALACIÓN ELÉCTRICA Se llama instalación eléctrica al conjunto de elementos que permiten transportar y distribuir la energía eléctrica de un punto de suministro hasta los equipos que la utilizan. Estos elementos son tableros, interruptores, cables, transformadores, sensores, dispositivos de control local o remoto, contactos, conexiones, canalizaciones y soportes, entre otros. Una instalación eléctrica debe distribuir la energía a los equipos conectados de una manera segura y eficiente. El diseño de cualquier instalación eléctrica se realiza dentro de un marco legal. Un proyecto de ingeniería es una respuesta técnica y económicamente adecuada, que respeta las normas y códigos aplicables.