1. 1. THOIVISON ..PARANINFO Electrotecnia Pablo Alcalde San Miguel Gerente Editorial rea Tcnico-Vocacional: Oiga Me Vicente Crespo Editoras de Produccin: Clara Me de la Fuente Rojo Consuelo Garc!a Asensio Produccin Industrial: Susana Pavn Snchez Diseo de cubierta: tiJ!.""t"""Preimpresin: .JJHi.'tUXif'- Impresin: Grficas Rogar. Polig. lnd. Alparrache Navalcarnero (Madrid) COPYRIGHT 2003 lnternational Thomson Editores Spain Paraninfo, S.A. 48 edicin, 28 reimpresin, 2004 Magallanes, 25; 28015 Madrid ESPAA Telfono: 91 4463350 Fax: 91 4456218 clentes@paraninfo.es www.paraninfo.es Impreso en Espaa Printed in Spain ISBN: 84-9732-270-3 Depsito Legal: M-S.333-2004 I026172nol Reservados los derechos para todos los pases de lengua espa ola. De conformidad con lo dispuesto en el artfculo 270 del Cdigo Panal vigente, podrn ser castigados con penas de multa y privacin de libertad quienes reprodujeren plagiaren, en todo o en parte, una obra litera ria, artstica o cientifica fijada en cualquier tipo de soporte sin la preceptiva autorizacin. Ningu- na parte de esta publicacin, incluido el diseo de la cubierta, puede ser reproducida, almace- nada o transmitida de ninguna forma, ni por ningn medio, sea ste electrnico, quimico, mec nico, electroptico, grabacin, fotocopia o cualquier otro, sin la previa autorizacin escrita por parte de la Editorial. Otras delegaciones: Cono Sur Venezuela Pasej8 Santa Rosa, 5141 Edicion8s RamvlUe C.P. 141 Ciudad de BU8nos Aires T81. (582) 7932092 Y 782-29-21 Tal. 48333838/3883 - 4831-0764 Falt (682) 793-6668 thomson@thomsonlearning,com.ar tcllbros@attglobal.net Buenos aires (Argentina) Caracas Mxico y Centroam{rica Tal. 1525) 281-2906 FSK (62512812656 clientes@mailoimernet,com.mK clientes@thomsonlearning.com.mX" Mxico,O.F. PUlIrto Rico Tel. (7871 758-75-80 Y81 Falt (787) 7587573 thomson@coqui.net Hato Rey Chile Tel. (582) 531-2647 Fax (562)524.4688 devoregr@netexpress.cl Sanllago Costa Rica EDISA TelJFax (506) 23588-55 edisacr@sol.racsa.co.cr San Jos Colombia Tel. (671)34094-70 Fax (671) 340-9475 clithomson@andinel.com Bogot Repblica Dominicana Carlbbean Marketing Se/vices Tel. (60g15332627 Fax (809)533-18-82 cms@codetel.net.do Bolivia Libreras Asociadas, S.R.L. Tel./Fax (591) 22445309 libras@datacombO.net La Paz El Salvador The Bookshop, SA d8 C,V. Tel. (503) 243-70-17 Falt l503) 24312-90 amoraI8~@S9I.gbm.l1et San Salvador Guetemala T8ltlOS,SA Tel. (502) 368-0148 Fax (502) 36815-70 textos@infovill.com.gt Guat8mala
2. 2. ndice PRLOGO .................... XI lp?"~ LA ELECTRICIDAD. CONCEPTOS '""'" GENERALES ........... " 1 1.1 Produccin y consumo de electricidad. . . . . . . . . . . . .. 2 1.2 Efectos de la electricidad 2 1.3 La electricidad 3 1.4 Electricidad esttica. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 5 1.5 Carga elctrica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 5 1.6 Movimiento de electrones .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 5 1.7 El circuito elctrico , . . . . . . . . . . . . . . .. 6 1.8 Formas de producir electricidad 7 1.8.1 Produccin de electricidad por reaccin qumica.. 7 1.8.2 Produccin de electricidad por presin ..... , . .. 7 1.8.3 Produccin de electricidad por accin de la luz .. 8 1.8,4 Produccin de elecuicidad por accin del calor . .. 8 1.8.5 Produccin de electricidad por accin mgnetica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 8 1.9 Intensidad de la corriente elctrica . . . . . . . . . . . . . .. 8 1.10 Sentido real y convencional de la corriente. . . . . . . .. 9 1.11 Movimiento de electrones en un circuito . . . . . . . . . .. 9 1.12 Medida de la corriente elctrica 9 1.13 Corriente continua (C.c.) 10 1.14 Corriente alterna (C.A.) ,......... la 1.15 Tensin elctrica. Fuerza electromotriz '. 11 1.16 Medida de la tensin " 11 2./ RESISTENCIA ELCTRICA ...... 13/0 2.1 Conductores y aislantes 14 2.2 Resistencia elctrica " 14 2.3 Medida de la resistencia elctrica 15 2.4 La ley de Ohm .,............................ 15 2.5 Resistencia de un conductor 16 2.6 Influencia de la temperatura sobre la resistividad 18 2.7 Resistencia de los aislauleS 19 2.8 Rigidez dielctrica ,................. 19 )r' POTENCIA Y ENERGA ELCTRICA 21 3.1 Potencia elctrica ,......... 22 3.2 Medida de la potencia elctrica , . . . . . . . . . 23 3.3 Energia elctrica 24 3.4 Medida de la energa elctrica , . . . . . . . . . . . . . . 24 ~c' EFECTO TRMICO DE LA ~. ELECTRICIDAD. . . . . . . . . . . .. 27 4.1 Efecto Joule ,....... 28 4.2 Calor especfico 28 4.3 Trausmisin de calor 29 4.4 Clculo de la seccin de conductores 29 4.4.1 Clculo de la seccin teniendo en cuenta el calentamiento de los conductores . . . . . . . . . . .. 30 4.4.2 Densidad de la corriente de un conductor ..... 31 4.4.3 Por qu se emplean altas tensiones en el transporte de energa elctrica .. . . . . . . . . . . .. 31 4.4.4 Cada de tensin en las lneas elctricas. . . . . .. 32 4.4.5 Clculo de la seccin teniendo en cuenta la cada de tensin. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 32 54? AI.'LICACIONES DEL EFECTO ~"~ TERMICO ................ , 37 5.1 Elementos de caldeo 38 5.2 Lmparas incandescentes 38 5.3 Inconvenientes del efecto tnnico 38 5.3.1 El cortocircuito . . . . . .. 34 5.3.2 La sobrecarga 34 5.3.3 Proteccin de los circuitos contra cortocircuitos y sobrecargas , , .. 40 5.3.4 Fusibles , . . . . . . . . . . . . .. 40 5.3.5 Los interruptores automticos 41 5.3.6 Funcionamiento de un interruptor automtico.. 42 5.3.7 Los motores pueden producir sobrecargas en su funcionamiento. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 43 6/ CIRCUITO SERIE, PARALELO ? YMIXTO 45 6.1 Acoplamiento de receptores en serie 46 6.1.1 Aplicaciones prcticas del acoplamiento en serie 48 6.2 Acoplamiento de receptores en paralelo ,... 49 6.3 Circuitos mixtos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 50 y RESOLUCIN DE CIRCUITOS CON VARIAS MALLAS................. 55 7.1 Leyes de Kirchhoff .... ,..................... 56 v
3. 3. 7.2 Resolucin de circuitos mediante transformaciones de tringulo a estrella 58 7.3 Resolucin de circuitos mediante transformaciones de estrella a tringulo 59 7.4 Teorema de superposicin 60 7.5 Teorema de Thevenin 62 1]:2> EFECTO QUMI EL ALTERNADOR TRIFSICO .. 247 ~;;.L:/' 21.1 Principio de funcionamiento del alternador. . . . . .. 248 21.2 Constitucin de un alternador de inducido fijo .... 248 21.3 Frecuencia de un alternador ,...... 249 21.4 Acoplamiento de alternadores . . . . . . . . . . . . . . . .. 250 22,~ MOTORES DE c. A. 253 r 22.1 El motor asncrono trifsico 254 22.1.1 Principio de funcionamiento del motor asncrono trifsico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 254 22.1.2 Campo magntico giratorio. . . . . . . . . . . . . .. 254 22.2 Motor asncrono trifsico de rotor en cortocircuito. 255 22.2.1 Caracterstica mecnica de un motor asncrono trifsico. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 256 22.2.2 Caractersticas tcnicas de un motor asncrono trifsico. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 257 22.2.3 Conexin de los devanados de un motor trifsico , . . . . . . . . . . .. 258 22.2.4 Sistemas de arranque de los motores asncronos trifsicos de rotor en cortocircuito. . . . . . . . .. 259 22.2.4.1 Arranque directo 259 22.2.4.2 AtTanque estrella-tringulo 260 22.2.4.3 Arranque por resistencias estatricas de un motor . . . . . . . . . . . .. 260 22.2.4.4 An'anque de un motor por autotransformador .. , . . . . . . . . . . .. 261 22.2.5 Inversin de giro de un motor asncrono trifsico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 261 22.3 Motor asncrono de rotor bobinado o de anillos rozantes ' . . . . .. 262 22.4 Regulacin de velocidad de los motores asncronos trifsicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 262 22.4.1 Motores de dos velocidades conexin Dahlander . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 262 22.4.2 Motor de dos velocidades con dos devanados separados 263 22.4.3 Regulacin de velocidad con variadores de frecuencia ,............... 263 22.5 Motores monofsicos ,................... 263 22.5.1 Motor monofsico de induccin de rotor en cortocircuito ,............. 263 22.5.2 Motor asncrono monofsico de fase partida. 264 22.5.3 Motor asncrono monofsico con condensador de arranque 264 22.5.4 Motor monofsico con espira en cortocircuito 266 22.5.5 Motor trifsico como monofsico. . . . . . . .. 266 22.5.6 Motor universal 267 22.6 Motor sncrono trifsico .,................... 267 22.7 Motores especiales 268 22.7.1 Motor paso a paso 268 22.7.2 Servomotor. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 268 22.8 Ensayos de los motores de c.A. ................ 268 .23;;. COMPONENTES ELECTRNICOS .j./ BSICOS. . . . . . . . . . . . . .. 271 23.1 Resistencias para circuitos electrnicos 272 23.1.1 Tolerancia de una resistencia 272 fTP-PARANINFO
4. 6. 23.1.2 Cdigo de colores. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 272 23.1.3 Potencia de disipacin de una resistencia, ,. 273 23.1.4 Clasificacin de las resistencias. . . . . . . . .. 273 23.1.5 Resistencias fijas 274 23.1.6 Resistencias variables. . . . . . . . . . . . . . . . .. 274 23.1.7 Resistencias dependientes. . . . . . . . . . . . . .. 274 23.1.7.1 Resistencias dependientes de la temperatnra . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 274 23.1.7.2 Resistencias dependientes de la luz, LDR 275 23.1.7.3 Resistencias dependientes de la tensin, VDR 276 23.2 Los semiconductores 276 23.3 El diodo como semiconductor 277 23.3.1 Caractersticas atmicas del silicio 277 23.3.2 El diodo de nnin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 278 23.3.3 Caractersticas en polarizacin directa de un diodo " 279 23.3.4 Caractersticas en polarizacin inversa de un diodo 279 23.3.5 Potencia y corriente nominal . . . . . . . . . . . . .. 280 23.3.6 Aplicacin de los diodos a circuitos de rectificacin ,. 280 23.3.6.1 Circuito rectificador monofsico de media onda .. . . . . . . . . . . . . . . . .. 280 23.3.6.2 Circuito rectificador monofsico de onda completa. . . . . . . . . . . . . . . .. 280 23.3.6.3 Circuito rectificador trifsico de media onda . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 281 23.3.6.4 Circuito rectificador trifsico de onda completa. . . . . . . . . . . . . . . .. 281 23.3.6.5 El filtrado. . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 281 23.4 El diodo Zener 283 23.4.1 El Zencr como regulador de tensin 283 23.5 Dispositivos optoelectrnicos 284 23.5.1 Diodos luminiscentes (LED) 284 23.5.2 Fotodiodos 285 23.6 El transistor 286 23.6.1 Funcionamiento del transistor , . . . .. 286 23.6.2 Identificacin de transistores. . . . . . . . . . . . .. 288 23.6.3 Comprobacin del estado de un transistor ... ' 289 23.6.4 Intensidades de corriente en el transistor, , . .. 289 23.6.5 Ganancia de corriente o parmetro beta (~) de un transistor , ,...... 290 23.6.6 Tensiones de roptura 291 23.6.7 Caractersticas de los transistores bipolares. .. 291 23.6.7.1 Curvas caractersticas con el emisor comn (EC) 291 fTP-PARANINFO 23.6.7.2 Obtencin de la ganancia de corriente de un transistor a partir de las curvas caractersticias 292 23.6.7.3 Influencia de la temperatura ambiente en la potencia mxima de un transistor , ,.,. 293 23.7 Tiristores 293 23.7.1 El rectificador controlado de silicio (SCR) 294 23.7.2 El diac 294 23.7.3 El triac 295 23.7.4 EIlTansistor de unijunlura (UJT) . . . . . . . . . .. 295 24,c CIRCUITOS ELECTRNICOS:/9 ~ ~ cr C ANALOGICOS BASICOS 301 24.1 Fuentes de alimentacin ,.......... 302 24.1.1 Fuentes de alimentacin con reguladores de tensin integrados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 302 24.1.2 Fuentes de alimentacin conmutadas 303 24.2 Circuitos bsicos de control de potencia , .. 303 24.2.1 Control de potencia en e.C. con un SCR 303 24.2.2 Control de potencia en e.A. con un SCR 304 24.2.3 Control de potencia en C.e. con un triac . . . .. 304 24.3 Amplitjcadores 305 24.3.1 Ganancia de un ampliticador . . . . . . . . . . . . .. 305 24.3.2 Adaptacin de impedancias. . . . . . . . . . . . . .. 306 24.3.3 Clasificacin de los amplificadores. . . . . . . .. 306 24.3.4 Amplificador de emisor comn (EC) . . . . . . .. 307 24.3.5 Amplificador de colector comn (Ce) 307 24.3.6 Amplificador de base comn (Be) 308 24.3.7 Acoplamiento Je amplificadores. . . . . . . . . .. 308 24.3.8 Realimentacin cnlos amplificadores. . . . . .. 309 24.3.9 Distorsin en los amplificadores. . . . . . . . . .. 309 24.3.10 El amplificador operacional 310 24.4 Generadores de seal y osciladores .. , ".... 313 24.4.1 Generadoressenoidales . . . . . . . . . . . . . . . . .. 313 24.4.2 Principio general de oscilacin ,.. 313 24.4.3 Osciladores RC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 314 24.4.4 Oscilador en puente de Wien . . . . . . . . . . . . .. 315 24.4.5 Osciladores Le . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 315 24.4.6 Osciladores de cristal 316 24.4.7 Multivibradores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 316 24.4.8 Osciladores integrados 318 Solucin a los Ejercicios de Autoevaluacin .. 323 Bibliografa .... ,....................... 329 IX...,l;lli,&~
5. 7. Prlogo El objetivo de este texto es el de servir como herramienta bsica de trabajo en el mdulo de "Electrotecnia" para alum- nos que vayan a cursar el ciclo formativo de grado medio de "Equipos e Instalaciones Electrotcnicas" (ElE). Por supuesto, con ello no pretendemos dar unas reglas fijas de trabajo, sino que entendemos que es el profesor, en ltimo caso, quien debe desanollar y organizar el conjunto del mdulo en funcin de la propia personalidad del gmpo destinatario y de los recursos didcticos que se encuentren a su alcance. Se ha realizado un esflerzo global para elaborar la herramienta docente ms adecuada para este proceso de aprendizaje, basn- donos para ello en las ms modernas tendencias pedaggicas. Por otro lado, entendemos que el mdulo es muy amplio, y que es el profesor quien deber decidir en todo momento qu aspectos del mdulo son ms relevantes, para poder incidir en ellos con ms insistencia y hacer una reduccin didctica en caso de que el tiempo lectivo disponible no sea suficiente. El ttulo de "Tcnico en Equipos e Instalaciones Electro- tcnicas" se enmarca en la familia profesional de "Electrici- dad Electrnica", y las capacidades que desarrolla se encuen- tran orientadas hacia el mbito de las instalaciones elctricas. El objetivo del ttulo de "Tcnico en Equipos e Instalacio- nes Electrotcnicas" e.o;; capacitar a los alumnos para que pue- dan realizar y construir instalaciones de distribucin de ener- ga elctrica en media y baja tensin (MT y BT) de instalaciones singulares y de automatizacin de edificios, as como equipos electrotcnicos de proteccin, medida y control para los mismos. Tambin, mantener dichas instalaciones, equipos y mquinas que las componen, de acuerdo con la reglamentacin electrotcnica de seguridad y medioambiental vigentes. La "Electrotecnia" es la disciplina tecnolgica que estudia las aplicaciones de la electricidad, y abarca el estudio de los fenmenos elctricos y electromagnticos desde el punto de vista de la utilidad prctica de la electricidad incluidos en tres grandes campos de conocimiento y experiencia: 1) los con- ceptos y leyes cientficas que explican el funcionamiento y comportamiento de los distintos aparatos, receptores y mqui- nas elctricas, respecto a los fenmenos fsicos que en ellos producen; 2) las leyes, teoremas, principios y tcnicas de an- lisis, clculo y prediccin del comportamiento de los circuitos elctricos y electrnicos; y 3) los elementos con los que se montan y construyen circuitos, aparatos y mquinas electri- cas: representacin, disposicin, normalizacin, conexiones y caracterticas. En el Real Decreto se expresan las siete capacidades ter- minales que deben ser alcanzadas por los alumnos: Analizar los fenmenos elctricos y electromagnticos caractersticos de los circuitos de corriente continua (CC) y de corriente alterna (CA) y aplicar las leyes y teo- remas fundamentales en el estudio de dichos circuitos. Analizar la estructura y caractersticas fundamentales de los sistemas elctricos pol{fsicos. Analizar la estructura, principio de funcionamiento y caractersticas de las mquinas elctricas estticas y rotativas, realizando una clasificacin de las mismas. Realiwr con precisi6n y seguridad las medidas de las magnitudes elctricas fundamentales (tensin, intensi- dad, resistencia, potencia, frecuencia, etc.), utilizando, en cada caso, el instrumento (polfmetro, vatmetro, oscilos- copio, etc.) y los elementos auxiliares ms apropiados. Realizar los ensayos bsicos caractersticos de las mqui- nas elctricas estticas y rotativas de baja potencia. Analizar la tipologia y caracter(sticas funcionales de los componentes electrnicos analgicos bsicos y su aplicacin en los circuitos electrnicos. Analizarfuncionalmente los circuitos electrnicos ana- 16gicos bsicos (rectificadores, filtros, amplifica- dores, etc.) y sus aplicaciones ms relevantes (fuentes de alimentacin, amplificadores de sonido, circuitos bdsicos de control de potencia, temporizadores, etc.). Para alcanzar estas capacidades terminales se han incluido en este texto 24 captulos donde se tratan los aspectos funda- mentales del mdulo de "Electrotecnia": 1, "La electricidad. Conceptos Generales"; 2, "Resistencia elctrica"; 3, "Poten- cia y energa elctrica"; 4, "Efecto trmico de la electricidad"; 5, "Aplicaciones del efecto trmico"; 6, ''Circuitos serie, paralelo y mixto"; 7, "Resolucin de circuitos con varias mallas"; 8, "Efecto qumico de la corriente elctrica. Pilas y acumula- dores"; 9, "Los condensadores"; 10, "Magnetismo y electro- magnetismo"; 11, "Interaccin entre la corriente elctrica y un campo magntico"; 12, "La corriente altema"; 13, "Circuitos serie R-L-C en C.A."; 14, "Resolucin de circuitos paralelos y mixtos en C.A."; 15, HSistemas trifsicos"; 16, "Medidas elctricas"; 17, "Lmparas elctricas"; 18, "El transformador" 19, "Generadores electromecnicos de C.C. Las dinamos"; 20, "Motores de corriente continua"; 21, "El alternador trif- sico"; 22, "Motores de C.A."; 23, "Componentes Electrnicos Bsicos"; 24, "Circuitos electrnicos analgicos bsicos". XI
6. 8. En todos los captulos se ha intentado incluir una serie de experiencias y actividades de tipo prctico'con la idea de inte- grar la teora y la prctica como dos elementos de un mismo proceso de aprendizaje, mediante el cual se le presenta al alumno un material significativo para que pueda darle sentido a lo que aprende. De esta forma se emplea una metodologa activa y por descubrimiento, como proceso de construccin de capacidades que integre conocimientos cientficos (con- ceptuales), tecnolgicos (concretos) y organizativos (indivi- dualmente y en equipo), con el fin de que el alumno se capa- cite para aprender por s solo. Se ha procurado que los contenidos desanollados sean pre- sentados a un nivel fundamental con un lenguaje sencillo y claro, procurando que sean significativos y que respondan a los problemas y situaciones de la realidad tecnolgica actual y de los propios integrantes del proceso formativo. Tambin se ha procurado que dichos contenidos sean interdisciplinares, dando oportunidad para que los alumnos influyan en la reali- dad presentada en los mismos. Tambin, se ha hecho un importante esfuerzo para no incluir procesos de desarrollo matemtico que resulten ser demasiado complejos para el nivel de los alumnos y que se aparten de los objetivos generales marcados. Aparte del captulo dedicado a las medidas elctricas, debi- do la importancia que este tema merece y con el objeto de dar a estos contenidos el sentido ms prctico posible, se ha intro- ducido el concepto de medida y, lo que es ms importante, los procedimientos de utilizacin de los aparatos de medida en cada uno de los momentos del proceso de aprendizaje. En los diferentes captulos se han incluido, aparte de los propios contenidos del mdulo, una serie de experiencias, que, realizadas de una forma organizada en el laboratorio, ayudarn a acercar los contenidos abstractos del mdulo a la realidad cotidiana de los alumnos. Estas experiencias sirven, en la mayora de las ocasiones, como presentacin de los con- tenidos que se van a tratar en cada uno de los captulos (los alumnos observan, manipulan, miden y analizan elementos reales de la "Electrotecnia"), Aqu tambin se sugiere el apoyo de estas fases de presen- tacin con otro tipo de recursos: visualizacin de vdeos tem- ticos, visitas a instalaciones propias del centro educativo y a instalaciones industriales, etc. Acompaando a los contenidos propios de la asignatura, se presenta una serie de ejemplos con los que se pretende "ejem- plificar" la solucin de aquellos ejercicios que resulten ms relevantes para la comprensin del mdulo. A este respecto se han seleccionado, en todo momento, ejemplos que sean lo ms cercanos a la realidad tecnolgica y a los propios partici- pantes del proceso de aprendizaje, huyendo en todo momento de ejercicios exclusivamente tericos. Aqu se sugiere que el profesor proponga a los alumnos la resolucin de algunos de los ejercicios propuestos en la seccin de autoevaluacin, y que estn relacionados con los que se acaban de resolver. Al final de cada uno de los captulos se incluye una serie de actividades de catcter eminentemente prctico, que ayu- darn a trasladar a la realidad todo aquello que se estudia en la teora. Por supuesto, ser el profesor el que decida qu tipos de ejercicios prcticos conviene llevar a cabo y cundo es ms conveniente hacerlo. Los ejercicios prcticos que aqu se incorporan son totalmente orientativos. En cada uno de los captulos se incorpora un apartado dedicado a la autoevaluacin. Aqu se propone una serie de preguntas y ejercicios, en los que se aporta el resultado al final del texto con el fin de que los alumnos puedan autoevaluarse. En todo momento se incentivar a los alumnos para que trabajen en grupo, planificando el desarrollo de las experien- cia, ejercicios y actividades que a lo largo del curso se lleven a cabo en el laboratorio de "Electrotecnia". Al finalizar cada una de estas actividades es conveniente que los alumnos pre~ senten un "informe~memoria" sobre la actividad desarrollada, indicando los resultados obtenidos y estructurndolos en los apartados necesarios para una adecuada documentacin de las mismas (descripcin del proceso seguido, medios utilizados, esquemas y planos utilizados, clculos, medidas, etc.), expo- niendo al resto del gmpo sus trabajos. Otro aspecto que cabe resaltar es que siempre resulta de gran inters que sean los propios alumnos los que investiguen ciertos procesos tecnolgicos y busquen informaciones tcni- cas en las diferentes fuentes de informacin, estimulando as la curiosidad y el afn por saber. A este respecto, conviene dotar al aula con una completa biblioteca tcnica, donde se incluyan manuales de uso de diferentes dispositivos electro- tcnicos, as como una gran variedad de informaciones tcni- cas, tales como catlogos comerciales, revistas tcnicas, reglamentos y normas vigeates en el campo de la "Electrotec- nia", proyectos ejemplo extrados de la realidad, etc. Los contenidos incluidos en los diferentes captulos se pue- den ampliar consultando diferentes pginas web en Internet. Para facilitar la bsqueda de las mismas se ha desarrollado, por parte del autor, una pgina web: http://www.t2000idio- mas.com/electrotecnia. Aqu se incluyen diferentes conteni~ dos de inters, como pueden ser direcciones tiles para la electrotecnia en Internet ordenadas por captulos del texto, gua didctica, currculo completo del ciclo formativo ElE del MEC, y muchas otras cosas ms. Si desea realizar alglm comentario o sugerencia, pueden contactar con el autor escribiendo a la siguiente direccin electrnica: pablo,alcalde@t2000idiomas.com Doy las gracias a Saci, Kainos AEO, Siemens, Imefy, Mazda, Osram, Philips, Kaise, Varta, y Tudor por su colabo- racin para disponer del matetial grfico que se presenta en este libro, XII::.; .... :,'. "";~,""';;G..',A~;",'.'",,':',,- @ ITP-PARANINFO
7. 9. La Electricidad. Conceptos Generales La electricidad es una de las formas de energa que ms ventajas y comodidades aporta a los seres humanos en la actualidad. Con ella conseguimos que funcionen, entre otras, las siguien- tes aplicaciones: luz con las ldmparas elctricas; calor con cocinas, hornos y calefacciones; fro con frigorficos y equipos de aire acondicionado; fuerza motriz con motores (ascensores, mqui~ nas herramientas, vehculos elctricos, electrodomsticos, etc); sistemas de informacin, auto- matizacin y telecomunicacin con ordenadores, microprocesadores, sistemas rabatizados, tele~ visores, radio, etc., y muchas otras aplicaciones que con el paso de los aos aparecern. En este captulo vamos a estudiar la naturaleza de la electricidad; de qu diferentes formas puede producirse esta energa; qu efectos provechosos podemos conseguir gra- cias a la electricidad, as como cules son sus magnitudes ms bsicas. Sistemas de produccin, transporte y distribucin de la energa elctrica. Efectos de la electricidad. '" Naturaleza de la electricidad. Carga elctrica. Corriente elctrica. El circuito elctrico. Formas de producir electricidad Intensidad de la corriente elctrica y su medida. Corriente continua y corriente alterna. Tensin elctrica y su medida. Fuerza electromotriz. Entender los procedimientos de produccin, transporte y consumo de la electricidad Identificar las partes de un circuito elctrico. Relacionar las magnitudes de un circuito elctrico con su unidad de medida corres~ pondiente, as como entender el papel de las mismas en el circuito y los aparatos de medida que las miden. Diferenciar una c.c. de una C.A. Emplear el voltmetro y ampermetro de una forma adecuada.
8. 10. Lneas de distribucin para consumo de electricidad Las snbestaciones de transformacin preparan la energa elctrica para ser distribuida, en un mayor numero de lneas, hacia los centros de consumo (grandes industrias, pequeas poblaciones, sectores de una ciudad, etc.). Esto se lleva a cabo con varios transformadores reductores que proporcionan media tensin en su salida. Las lneas de media tensin, que distribuyen la energa por los mencionados centros de consu- mo, suelen ser subterrneas. De esta manera, se reduce el peli- gro de las mismas. Por ltimo, se sitan transformadores reductores cerca de los consumidores y se lleva a cabo la lti- ma reduccin de la tensin, suministrando 230 o 400 voltios (baja tensin). Estas tensiones son ya mucho menos peligro- sas para las personas que utilizan la electricidad. Pero qu es exactamente la electricidad? Podramos decir que es lo que hace girar los motores, lucir las lmparas, etc., en definitiva una fuerza, que como tal es invisible y de la cual slo se notan su efectos. Los efectos fundamentales que se conocen de la corriente elctrica, son: En las primeras centrales elctricas el generador produca corriente continua mediante dinamos, lo que impeda el trans~ porte de la energa elctrica a grandes distancias. Actualmen~ te los generadores el.ctricos son alternadores trifsicos. Es decir, generan corriente alterna trifsica. De esta forma, es ms fcil transportar la electricidad a grandes distancias. Los alternadores de las centrales proporcionan la energa elctrica a una teusin de 10.000 a 20.000 voltios. Una vez producida la electricidad por stos, hay que transportarla hasta las ciudades, industrias, y todo tipo de centros de consumo que, casi siempre. se encuentran a mucha distancia. El trans~ porte se realiza a travs de lneas elctricas. Como stas no son perfectas, ya que poseen resistencia elctrica, se producen grandes prdidas de energa en forma de calor. Para reducir estas prdidas se utilizan lneas de alta tensin (220.000, 380.000 voltios). De esta forma, se disminuye la intenM sidad de la corriente elctrica y la electricidad puede recorrer gran~ des distancias con pocas prdidas. El generador produce la energa elctrica a una tensin de 10.000 a 20.000 V. En la estacin transfor- madora se eleva dicha tensin a 220.000 380.000 V, depen- diendo de la cantidad de energa que hay que transportar. Los aparatos que consiguen elevar la tensin son los trans- formadores elctricos. Estos dispositivos solamente funcio~ nan para la corriente alterna. Las lneas elctricas de alta tensin transportan la ener- ga elctrica desde las centrales hasta las proximidades dc los centros de consumo. Estas lneas constan de tres conductores elctricos (por lo general son de aluminio reforzados con acero) sujetos a torres metlicas de celosa y de gran altura. Las altas tensiones son muy peligrosas, por eso cuanto mayor es el valor de la tensin de la lnea, mayor altura tienen dichas torres. 1.2 Efectos de la electricidad Lneas de Transformador transporte reductor de tensin Transformador elevador de tensin N Generador (alternador) Figura 1.1. Sistema de produccin, transporte ydistribucin de la energa elctrica. Figura 1.2. Cuando se mueve el conductor dentro de un campo magntico se produce electricidad. Figura 1.3. Generador elctrico elemental. Energa primaria En un generador elctrico se hacen mover bobinas en sen- tido giratorio en las proximidades de campos magnticos pro- ducidos por imanes o electroimanes (Figura 1.3) El generador elctrico, que se utiliza habitualmente en una central elctrica, se basa en un fenmeno que fue descu- bierto en 1820, por Faraday. "Cuando se mueve un conductor elctrico (hilo metlico), en el seno de 1m campo magntico (imn o electroimn) aparece una corriente elctrica por dicho conductor. Lo mismo acune si se mueve el imn y se deja fijo el conductor" (Figura 1.2). La electricidad se produce fundamentalmente en las centra- les elctricas. Su misin consiste en transformar cualquier forma de energa primaria (hidrulica, trmica, nuclear, solar, etc.) en energa elctrica. Dada la facilidad con que se trans- porta la electricidad, por medio de las lneas elctricas, la ven- taja fundamental que conseguimos con esto es que producimos energa elctrica en las zonas donde podemos acceder con faci- lidad a la energa primaria, para luego consumirla en ciudades, empresas o cualquier otro centro de consumo (Figura. l. 1). 1.1 Produccin y consumo de electricidad @ ITpPARANINFO
9. 11. Efecto trmico: Al fluir la corrienie elctrica por ciertos materiales conductores, llamados resistivos, como el carbn, se produce calor en los mismos, pudiendo construirse, gracias a este efecto, calefacciones, cocinas, hornos, calentadores de agua, planchas, secadores, etc. (Figura. lA). )))))Wf;)))))) Figura 1.4. Efecto trmico de la electricidad. Efecto luminoso: En una lmpara elctrica incandescente, al Huir por su filamento resistivo una corriente elctrica, ste se calienta a altas temperaturas, irradiando luz (Figura 1.5). troimanes, motores elctricos, altavoces, instrumentos de medida, etc. (Figura. 1.7). + Figura 1.7. Efecto magntico de la electricidad. 1.3 la electricidad La electricidad es una manifestacin fsica que tiene que ver con las modificaciones que se dan en las partes ms pequeas de la materia, en los tomos, y ms concret'1rnente en el electrn. Seguidamente estudiaremos los fenmenos de electrizacin que se dan en los materiales. Experiencia 1.1: Consigue un bolgrafo de plstico y frtalo con un pao de lana. Seguidamente, acrcalo a unos pedacitos de papel (Figura 1.8). ~ Bolgrafo 1 Agua con sales Figura 1.6. Efecto qumico de la electricidad. Efecto magntico: Al conectar una bobina a un circuito elctrico, aqulla produce un campo magntico similar al de un imn, 10 que origina un efecto de atraccin sobre ciertos metales. Aprovechando este efecto se pueden construir elec- Figura 1.5. Efecto luminoso de la electricidad. Efecto qumico: Al fluir la corriente elctrica por ciertos lquidos, stos se disgregan, dndose el nombre de electrlisis a dicho proceso. Gracias a este efecto se pueden producir pro- ductos qumicos y metales, baos metlicos (galvanizacin) y recarga de bateras de acumuladores (Figura 1.6). ~ .....)'-o , o o - + " o o 'oo o , o 0,"'-- c-~ , ~ o o. o ; 2 H, f:!. 0 Sentido convencional de la corriente Figura. 1.33 Figura. 1,35 En un circuito elctrico, como el de la Figura 1.34, la inten- sidad de la corriente en cualquier punto del mismo es igual. Es decir, existe el mismo flujo de electrones a la salida del generador que a su entrada. Hay que pensar que, al igual que en una tubera que est llena de agua a presin, un conductor elctrico est tambin lleno de electrones libres dispuestos a moverse. En cuanto algunos se mueven, empujan al resto, establecindose un efecto de traslacin uniforme de electro- nes en todo el conductor. Este efecto de traslacin se comuni- ca a la velocidad de 300.000 kmls. 1.11 Movimiento de electrones en un circuito lculombiol 1segundo , IIAmperio = Intensidad = culombios segundo La unidad de medida de la intensidad (smbolo 1) de corriente elctrica es el amperio (A). De esta manera, cuando en un circuito se mueve una carga de un culombio en un tiem- po de un segundo, se dice que la corriente ticne una intensi- dad de un amperio. Elemplo: 1.2 Determinar la intensidad de corriente que se ha estable- cido por un conductor elctrico si por l ha fluido una carga de 4 culombios en un tiempo de 2 segundos. I=~--=~--Solucin: Q 4C 2A Sin embargo, los electrones se mueven lentamente, depen- diendo su velocidad de la intensidad de la corriente y de la seccin del conductor. Por 10 general, esta velocidad est en torno a algunos milmetros por segundo. Aunque, al conectar, por ejemplo, una lmpara a una fuente de energa elctrica, se enciende prcticamente al instante, ya que todos los electro- nes libres del conductor entran en movimiento a la vez. 2s 1.10 Sentido real yconvencional de la corriente En un circuito, el sentido de la corriente elctrica, lo deter- mina el movimiento de electrones, tal como se indica en la Figura 1.34. Sin embargo, los antiguos cientficos crean que la corriente elctrica flua del cuerpo cargado positivamente al 1.12 Medida de la corriente elctrica Para medir la intensidad de la cotriente elctrica utilizamos un aparato de medida llamado ampermetro. Para medir el caudal de agua intercalamos en la tubera un contador. De la misma manera, para medir la cantidad de cargas que se mue- ven por un circuito en la unidad de tiempo, el ampermetro deber estar intercalado en el conductor (Figura 1.36). Dado ITP-PARANINFO
10. 18. t (s)2 3 4 2 1 La corriente alterna es la que producen los alternadores en las centrales elctricas. Es la forma ms comn de transportar la energa elctrica y de consumirla en nuestros hogares y en la industria en generaL Su smbolo es -, Una corriente alterna se caractedza porque el flujo de elec- trones se mueve por el conductor en un sentido y en otro, y ade- ms, el valor de la corriente elctrica es variable. Se podria decir que en este caso el generador produce peridicamente cambios en la polmidad de sns terminales de salida (Figura. 1.40). HA) En el grfico de la Figura 1.39 se ha representado la C.C. de 1 A. Observa que este valor se mantiene invariable con el paso del tiempo. Figura 1.38 Un generador de c.c. mantiene invariable la polaridad de sus termlnales. Los usos que se hacen de la C.C. son muy variados~ baos electrolticos, alimentacin de aparatos electrnicos, traccin elctrica (coches, tranvas, etc.) y otros muchos ms. desviar siempre hacia la derecha de la escala. Si invirtise- mos la polaridad de la pila, la aguja indicadora intentara des- viarse hacia la izquierda. Figura 1.39. Representacin grfica de una c.e. 1=1 ArF---{Ar----, 1.14 Corriente alterna (CA.) ,..----{A)-----, A esta forma de conectar el ampermetro se le denomina 'en serie". Figura 1.36. El ampermetro se intercala en serie con el circuito. Gracias a la Experiencia 1.3, habrs podido observar qne el amperio no es una unidad de medida adecuada, ya que resul- ta excesivamente grande para expresar el resultado. En estos casos se ntilizan los submultiplos: Ampermetro Experiencia 1.3. Toma un ampermetro (o en su defecto un polmetro) y mide la intensidad que fluye por una lm, para al ser conectada a una pila (Figura 1.37). Al hacer el montaje cuida que el aparato de medida sirva para medir corriente continua, que las polaridades sean las correctas y que la escala elegida sea la adecuada con la magnitud a medir, ya que de otra manera podramos estropear el ins~ trumento medidor. Figura 1.37. Medida de la intensidad con el ampermetro. + --,,---- (~r -- ----:::::::=:=:=:=:= e=... :=:::=:=:=:::=:- - - - . - " - - - - - - - -- - -" -- - - - .. - . - -- - que la intensidad de la corriente es igual en todos los puntos del circuito, es indiferente donde conectemos el ampermetro. Contador de agua I mA (miliamperio) = 1/1.000 = 0,001= 10'3 A I,!LA (microamperio) = 111.000.000 = 0,000001 =10,6 A 1.13 Corriente continua (CC) Corriente continua es la que proporcionan las bateras de acumuladores, pilas, dinaruos y clulas fotovoltaicas. Su sm- bolo de representacin es -. Una corriente continua se caracteriza porque los electrones libres siempre se mueven en el mismo sentido por el conduc- tor con una intensidad constante. En el circuto de la Figura 1.38 la pila proporciona C.C. a la lmpara. El ampermetro indicar siempre la misma corriente, por ejemplo, I A. La aguja del aparato de medida se A Figura 1.40. Un geoerador de C.A. produce cambios peridicos en la polaridad de sus terminales. Para entender esto mejor, observa el grfico de la Figura 1.41. El eje de tiempos lo hemos pnesto en milisegundos, ya que los cambios de corriente son muy rpidos (para una C.A. industrial, la seal representada en la Figura 1.41 se repite SO veces en un segundo ). lO @ fTP-PARANINFO