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Electrotecnia. U.D. 1: La electricidad y el Circuito eléctrico.

Unidad Didáctica 1: La electricidad y el circuito eléctrico.

Dpto. de Tecnología del I.E.S. “Santa María de Alarcos” Página 1 de 22


Índice de contenido

1.1.-Introducción a la electrotecnia...................................................................................................... 21.2.-Naturaleza de la electricidad......................................................................................................... 3

Ley de Coulomb. Fuerza entre cargas..............................................................................................4Campo eléctrico............................................................................................................................... 4

1.3.-Energía potencial eléctrica. Potencial eléctrico.............................................................................5Diferencia de potencial (ddp).......................................................................................................... 6Intensidad de corriente eléctrica...................................................................................................... 7Resistencia eléctrica. Resistividad. Conductividad. Conductancia.................................................7Efectos de la electricidad................................................................................................................. 8

1.4.-Clasificación de materiales según su conductividad..................................................................... 9Conductores..................................................................................................................................... 9Semiconductores............................................................................................................................10Aislantes, materiales dieléctricos o no conductores...................................................................... 10Superconductores...........................................................................................................................10

1.5.-Circuito eléctrico......................................................................................................................... 11Generadores:.................................................................................................................................. 11Conductores: ................................................................................................................................. 12Elementos de mando: ....................................................................................................................13Elementos de protección: ..............................................................................................................13Receptores: ....................................................................................................................................14Simbología..................................................................................................................................... 18

1.6.-Instrumentos de medida.............................................................................................................. 19Bibliografía.........................................................................................................................................22

1.1.-Introducción a la electrotecniaLa electrotecnia es una parte de la técnica que trata de la aplicación práctica de los fenómenos

eléctricos y magnéticos así como de las relaciones existentes entre ellos.

El origen del estudio de esta ciencia viene de los griegos, primero, y de los científicos del siglo XVII planteándose las causas de los fenómenos eléctricos, que al irlos comprendiendo establecieron sus bases.

Desde el punto de vista cronológico:

• 1600.-El término electricidad se le atribuye a William Gilbert en la obra “De Magnete” en la que expone la teoría del magnetismo terrestre.

• 1672.-Otto von Guericke construye la primera máquina electrostática para producir cargas eléctricas.

• 1745.-Pieter van Musschenbroek y Ewald Georg von Kleist inventan el primer condensador o ampolla de Leyden.

• 1785.-Charles Augustin de Coulomb obtiene la ley que rige las atracciones y repulsiones entre cargas eléctricas.



• 1800.-Alessandro Volta construye la pila eléctrica denominada “galvánica”.

• 1826.-Georg Simon Ohm estudia la conducción eléctrica en los metales y formula la ley que relaciona voltaje, intensidad de corriente y resistencia.

• 1827.-André Marie Ampère estudia la acción entre el imán y las corrientes eléctricas y formula las leyes básicas del electromagnetismo.

• 1831.-Michael Faraday descubre la inducción electromagnética.

• 1845.-Gustav Robert Kirchhoff formula las leyes de nudos y mallas que posteriormente permitirán resolver circuitos complejos.

• 1868.-Jmes Clerk Maxwell formula el fundamento teórico del eletromagnetismo.

• 1879.-Thomas Alba Edison inventa la lámpara de filamento de grafito y desarrolla el alumbrado eléctrico.

• 1882.-Lucian Gaulard y John Dixon inventan el transformador.

• 1884.-Meinrich Hertz demuestra que la electricidad se puede transmitir en forma de ondas electromagnéticas que se propagan a la velocidad de la luz.

• 1887.-Mijail Osipovich Dolivo-Dobrowoslki desarrolla el sistema de corrientes trifásicas.

• 1893.-Wihelm Conrad Röntgen descubre la descarga eléctrica en gases enrarecidos y los rayos X.

• 1897.-Joseph John Thomsom estudia las propiedades de la materia en relación con la electricidad y descubre el electrón como partícula constituyente.

1.2.-Naturaleza de la electricidadLa electricidad es una característica de la materia, puesto que su origen está

en el átomo.

El átomo (indivisible en griego) durante mucho tiempo se consideró la partícula más pequeña de la materia. Más tarde, a partir de Rutherford y Bohr se descubrió que los átomos estaban formados por otras partículas: electrones, protones, neutrones, positrones, mesones, neutrinos, antiprotones, etc.

Si partimos del modelo atómico de Bohr, por su simplicidad, las partículas subatómicas son los electrones, los protones y los neutrones.

Los protones y los neutrones se sitúan en el núcleo del átomo. En la corteza del mismo, orbitando, se desplazan a gran velocidad los electrones. La masa de protones y neutrones es de casi 2000 veces la del electrón.

En los estudios se constató que, en circunstancias normales,

• Existían el mismo número de electrones que de protones y neutrones, para átomos de un mismo elemento

• El que el electrón orbite a esa velocidad sin escapar de la influencia del núcleo del átomo no



podía responder a una fuerza exclusivamente gravitatoria, debía existir “algo más” que ejerciese atracción.

• Que electrones de un mismo átomo entre sí ejercían fuerzas de repulsión.

• Que cuanto más alejado esté el electrón del núcleo, menos energía hay que suministrarle para conseguir que venza la fuerza de atracción y hacer que salte de la última capa.

• Cuando a un átomo le faltan electrones tienden a captarlos de su entorno. Esto es lo que ocurre cuando se frota un bolígrafo y se acercan trozos de papel, por ejemplo.

Con todo ello se estableció por convenio que la fuerza que mantenía a los electrones orbitando alrededor del núcleo se llamase atracción eléctrica, al fenómeno electricidad y las partículas se les cuantificó la fuerza o carga asignándoles un signo negativo a los electrones y positivo a los protones.

De tal manera que, la interacción de cargas de igual signo o naturaleza produce fuerzas de repulsión, mientras que de distinto signo de atracción.

Ley de Coulomb. Fuerza entre cargas.

En el siglo VII a.C. Tales de Mileto observó que frotando un trozo de ámbar (resina fosilizada) con un paño de lana, atraía mágicamente plumas o pequeñas pajas. Lo que ocurría es que al frotar el ámbar, electrones de átomos del paño se pasaban al ámbar concediéndoles una carga negativa. Caso contrario ocurre, por ejemplo con el cristal, que al ser frotado pierden electrones quedando cargados positivamente Si los acercamos, veremos que se atraen. Se dice, pues, que el cristal y el ámbar han quedado electrizados. Este tipo de energía se denomina electroestática.

La ley de Coulomb permite cuantificar la fuerza de atracción o repulsión entre dos cargas (Q y Q') indicando que es directamente proporcional al producto de las mismas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia (r) que las separa.

F=K⋅Q⋅Q '

r 2 Donde K es una constante que depende del medio que las rodea definiéndose

como K= 14⋅⋅ siendo en el aire o en el vacío K=9⋅109⋅N⋅m

2

C 2

A recibe el nombre de permitividad o constante dieléctrica del medio. Se puede definir la

permitividad relativa r=o

Donde: r : permitividad relativa : permitividad del medio0: permitividad del vacío

En el caso de que haya tres o más cargas eléctricas puntuales, la fuerza eléctrica resultante que ejercen sobre una de las cargas es la suma vectorial de las fuerzas que actúan sobre ésta.

Campo eléctrico

Se define campo eléctrico debido a una carga Q como la región del espacio alrededor de esta carga en el que se manifiestan las fuerzas de atracción o repulsión sobre otras cargas eléctricas situadas en este espacio.

El campo eléctrico se representa mediante líneas de fuerza, que corresponden a los caminos que



seguiría una carga eléctrica puntual positiva al ser atraída o repelida por la carga eléctrica que ha creado el canpo.

La intensidad de campo eléctrico E creada por una carga Q en un punto es la fuerza eléctrica que actúa sobre una unidad de carga situada en este punto

E=FQ '

=K⋅Q⋅Q '

r 2⋅ 1Q '

= K⋅Qr2

⇒ E= K⋅Qr2

Despejando de la fórmula anterior la fuerza: F=Q '⋅E lo que indica que la dirección del campo eléctrico en un punto es la misma que la de la fuerza aplicada sobre una carga positiva en ese punto, o bien, la tangente a las líneas de fuerza del campo.

Si en lugar de una carga hay varias, el campo eléctrico resultante es la suma de los campos, cumpliéndose el principio de superposición.

E= E1 E 2 E 3... E n=∑ E i ,∀ i

1.3.-Energía potencial eléctrica. Potencial eléctricoPara levantar un objeto desde el suelo hasta una altura “h” debemos realizar un trabajo que

venza a fuerza de gravedad de la Tierra. Este trabajo se almacena en forma de energía potencial mecánica (Ep).

E p=F⋅h ; F=m⋅g⇒ E p=m⋅g⋅h Siendo:

F : fuerza aplicadam :masa del objetog :aceleración de la gravedadh : alturadel objeto

Al dejar caer el objeto, en un sistema sin rozamiento, esta energía se transforma en energía cinética (Ec), de manera que la suma de las dos energías siempre será igual al trabajo (W) realizado.

Ec=12⋅m⋅v 2 Siendo v: la velocidad del objeto y el trabajo: W=E pE c

Lo mismo que ocurre a nivel mecánico, se puede aplicar al campo eléctrico. Si queremos acercar una carga eléctrica a otra del mismo signo, debemos realizar un trabajo externo parecido al de levantar un objeto del suelo. Este trabajo se almacena en energía potencial eléctrica en la carga, ya que, si la dejamos libre, ésta regresará a su posición original.

El trabajo realizado para mover una carga Q' de un punto B a otro A en el seno de un campo eléctrico creado por otra carga Q, equivale a la variación de la energía potencial eléctrica cambiada de signo

E=−W=−F⋅r Si desplazamos muy poco la carga dr , realizaremos un dW por medio de la aplicación de una fuerza F a de tal manera que dW= F a⋅dr o dW=Q '⋅Ea⋅d r .

El trabajo total de desplazar la carga de B a A se obtiene integrando la expresión anterior:

W BA=∫B

A

Q '⋅E⋅d r=∫B

A

Q '⋅K⋅Qr2⋅d r=K⋅Q⋅Q '∫

B

A1

r2⋅d r=K⋅Q⋅Q '⋅1r A −1

rB Por lo que W BA=K⋅Q⋅Q '

rA−K⋅Q⋅Q '

r B, si se define la E p B como



E p B=K⋅Q⋅Q 'rB

⇒ E p=K⋅Q⋅Q 'r

Si el radio es infinito, r=∞ , entonces E p∞=K⋅Q⋅Q'∞

=0

Se define el potencial eléctrico (V) en un punto es el trabajo (cambiado de signo) que hay que hacer para vencer las fuerzas del campo eléctrico, para trasladar una unidad de carga positiva desde el infinito hasta el punto.

Esto equivale al cociente entre la energía potencial eléctrica de una carga Q' colocada en este punto y la carga, es decir, la energía potencial eléctrica por unidad de carga.

V A=E p

Q'=Q '⋅E⋅rQ '

=E⋅r (V)

La unidad en el SI es el voltio (V): voltio V = julio J culombioC

Si en lugar de una carga puntual tenemos una distribución de cargas, el potencial será la suma de los potenciales que crean cada una de las cargas.

El signo del potencial es positivo o negativo en función del signo de la carga.

Todos los puntos que se encuentran a una misma distancia de la carga Q tienen el mismo potencial. Estos puntos pertenecen a una superficie esférica que tiene por radio la distancia r hasta la carga; esta superficie se denomina superficie equipotencial. Si tenemos sólo una carga, las superficies equipotenciales son esferas concéntricas.

Diferencia de potencial (ddp)

Se define la diferencia de potencial eléctrica como el trabajo necesario para trasladar una carga entre dos puntos de este campo.

Si partimos de la expresión obtenida anteriormente en el cálculo de la diferencia de energía



potencial eléctrica entre dos puntos, tendremos:

−W=E p=K⋅Q⋅Q 'rA

−K⋅Q⋅Q 'rB

=E⋅Q '⋅r A−E⋅Q'⋅rB=Q'⋅V A−Q '⋅V B⇒−W=Q '⋅V A−V B

La expresión V A−V B se reconoce con el nombre de diferencia de potencial entre dos puntos,

despejando de la expresión anterior: V A−V B =−WQ '

Luego la diferencia de potencial entre

dos puntos es el trabajo necesario para trasladar la unidad de carga positiva desde B hasta A, cambiado de signo.

V A−V B=−WQ '

=E p

Q'⇒V A−V B=K⋅Q⋅1r A −1

r B Intensidad de corriente eléctrica

La intensidad de corriente eléctrica es un fenómeno resultante de la propiedad que tienen todos los cuerpos de neutralizarse electrónicamente. Así, un cuerpo cargado negativamente tiende a ceder su exceso de electrones, mientras que su cuerpo cargado positivamente tiende a neutralizarse capturando electrones de átomos que tienes en exceso.

La intensidad de corriente eléctrica (I) es la cantidad de carga eléctrica que pasa por una sección transversal de un conductor en la unidad de tiempo.

Si la carga eléctrica que circula por un conductor es constante, tendremos:

I=Qt

⇒Q :carga eléctrica en culombiosC I : intensidad eléctrica en amperios At : tiempoen segundoss

Si el flujo de carga no fuera constante, tomaremos la carga como Q en un tiempo

suficientemente pequeño t , entonces: I=Q t

Según sea el flujo de cargas, podemos tener diferentes tipos de corriente eléctrica:

• Corriente continua o constante es aquella en la que el flujo de cargas o electrones es constante en todo momento y no cambia de sentido.

• Corrientes variables:

◦ Corriente continua variable en el tiempo si el sentido de circulación de la corriente eléctrica es siempre el mismo con variaciones en la magnitud.

◦ Corriente alterna, si el sentido de circulación de la corriente eléctrica es alternativo y, en función de la forma de la señal, distinguiremos corriente alterna senoidal o sinusoidal y corriente pulsante.

Resistencia eléctrica. Resistividad. Conductividad. Conductancia.

La resistencia eléctrica es la oposición que presentan los materiales al paso de la corriente eléctrica por su seno. La resistencia de un conductor depende de su naturaleza, longitud y de su sección.



• Naturaleza o estructura atómica del conductor representada por la resistividad propia de cada material.

• Cuanto mayor longitud tenga el material, mayor será la oposición al paso de electrones por su seno ya que el número de colisiones entre electrones.

• Cuanto mayor sea la sección del material, menor será la resistencia puesto que facilitamos el paso de electrones.

De tal manera que el valor de la resistencia de un material se define como:

R=⋅lS⇒

R : resistencia : resistividad m l : longitud mS : sección m2

El material más empleado como conductor eléctrico es el cobre, porque presenta una baja resistividad, es muy dúctil y es uno de los más económicos. En microelectrónica se emplea también el oro, ya que no se oxida.

Experimentalmente se ha observado que la resistividad de un material depende de la temperatura. En los metales aumenta con la temperatura según la expresión: T=20ºC⋅1⋅T−20ºC

Se da la circunstancia que algunos metales (mercurio, aluminio o estaño), cerca del cero absoluto de temperatura, su resistividad es nula y su comportamiento es diamagnético llamándose a estos materiales superconductores.

La conductancia (G) es la magnitud inversa de la resistencia, ya que indica la facilidad que

tiene un conductor al paso de electrones por su seno. G=1R

La conductividad es la inversa de la resistividad y representa la aptitud de un material para la conducción de la corriente eléctrica.

Efectos de la electricidad

La corriente eléctrica a su paso por el seno de un material puede producir los siguientes efectos: calorífico, magnético, luminoso, químico, fisiológico

• Efecto calorífico: al pasar la corriente eléctrica por un conductor, los choques producidos por los electrones y la variación de fuerzas en los átomos debida a la intensidad de corriente hace vibrar la red cristalina del material. Esa vibración es reflejo de un aumento de su energía interna y que conocemos como calor.

• Efecto magnético: cuando por un conductor circula una corriente eléctrica, a su alrededor genera un campo magnético. Es el principio de funcionamiento de los motores eléctricos.

• Efecto luminoso: puede producirse por varias causas.

◦ Lámparas de incandescencia: realmente corresponde al efecto calorífico pero en el que la temperatura coloca al filamento, primero, al rojo, después al naranja, al amarillo y finalmente al blanco.



◦ Lámparas fluorescentes. Algunas sustancias, al ser bombardeadas por electrones producen radiaciones luminosas, a ese efecto se denomina fluorescencia.

◦ LED (Light Emitting Diode), IRED (Infrared Emitting Diode), diodo UV (ultravioleta) o diodo láser, son emisores de luz. Los electrones de algunos materiales semiconductores al abandonar la banda de valencia hacia la de conducción, pierden energía que puede emitirse como fotones (partículas de luz).

• Efecto químico: el paso de una corriente por un electrolito produce reacciones químicas como la electrólisis que se emplea para recubrimientos metálicos como el cromado o el galvanizado.

• Efecto fisiológico: el paso de la corriente eléctrica a través del cuerpo humano puede producir lesiones o incluso la muerte. Estos efectos se emplean en pistolas de sacrificio de ganado.

1.4.-Clasificación de materiales según su conductividad

Teniendo en cuenta ciertas propiedades eléctricas, los cuerpos se pueden clasificar en: superconductores, conductores, semiconductores y aislantes.

Conductores

En los metales, los átomos están unidos por enlaces metálicos, por lo que dan una estructura geométrica muy rígida. Para este tipo de enlace no son necesarios todos los electrones del átomo, y alguno de ellos quedan



sujetos al núcleo atómico. Estos electrones recorren el metal de manera libre y desordenada y se denominan electrones libres. Los electrones libres son la causa de que los metales sean buenos conductores de la electricidad y del calor.

Semiconductores

Algunos elementos, como el selenio, el silicio y el germanio, tienen cuatro electrones de valencia y para formar su estructura comparten estos electrones con electrones de átomos próximos. Este tipo de enlace se denomina enlace covalente y proporciona fuerzas atractivas muy fuertes entre los diferentes átomos. Al aumentar la temperatura en estos materiales se rompen algunos de estos enlaces y quedan electrones libres, por lo tanto, se convierten en conductores bajo determinadas circunstancias. Su conductividad dependerá del número de electrones libres existentes.

Aislantes, materiales dieléctricos o no conductores

Estas sustancias, a diferencia de los metales, no disponen de electrones libres porque necesitan todos sus electrones de valencia para realizar sus enlaces.

Superconductores

Los materiales superconductores se caracterizan por los siguientes aspectos:

• Resistencia indetectable: de ahí que se diga que no presentan resistividad. Lo cierto es que la sensibilidad de los instrumentos de medida existentes es insuficiente.

• En superconductores tipo 1: se cumple el Efecto Meissner, por debajo de una temperatura, consiste en un comportamiento diamagnético perfecto, es decir, bajo la acción de un campo magnético, expulsa la líneas de campo fuera de su seno.

• En superconductores tipo 2 o inperfectos, se presentan vórtices de Abrikosov o fluxones, que presenta zonas de efecto Meissner y otras no.

Permiten realizar bobinas en las que se inyectan grandes corrientes eléctricas, sin pérdidas, que

producen grandes campos magnéticos. Al no presentar resistencia, no produce calor por efecto Joule. El problema de estos materiales es la



temperatura a la que presentan estas condiciones, que son muy bajas. Para metales puros (mercurio, estaño o aluminio), la temperatura es cercana al cero absoluto, con lo que el sistema de refrigeración es muy caro. Los nuevos materiales superconductores, de alta temperatura, 90 K, son óxidos cerámicos con estructura perovsquita. Empleados en: aparatos de resonancia magnética nuclear, separadores para metales en minas, barras para centrales de transformación eléctrica.

1.5.-Circuito eléctricoUn circuito eléctrico es la unión coherente de los operadores eléctricos para conseguir, por

medio de la electricidad, un determinado fin.

Los elementos componentes se representan gráficamente mediante símbolos elementales normalizados para su interpretación a nivel internacional. Los operadores eléctricos de circuitos se pueden clasificar en: generadores, conductores, elementos de mando, elementos de protección y receptores.

Generadores:

Son los aparatos que transforman el trabajo u otro tipo de energía cualquiera en energía eléctrica. Son los elementos que aportan los electrones al circuito. De entre ellos destacaremos: generadores, baterías y acumuladores.

Se denomina fuerza electromotriz (FEM) de un generador al trabajo realizado por unidad de

carga que cruza el generador. e FEM =WQ

No se puede medir directamente pero sí se puede

medir su efecto, la diferencia de potencial (ddp) o tensión que aparece en los extremos del generador.

La FEM es la causa del movimiento de las cargas por el interior del generador y la diferencia de potencial es la causa del movimiento de las cargas por el resto del circuito. Estos dos valores raramente coinciden porque en el interior del generador existen pérdidas.

Para generar la FEM hay varios sistemas: reacciones químicas, inducción electromagnética, efecto piezoeléctrico, efecto fotoeléctrico, efecto termoeléctrico, frotación



• Reacciones químicas: las pilas y baterías son dispositivos en los que, mediante una reacción química entre el electrolito y las placas sumergidas en una disolución, los electrones de la placa de cobre se desplazan a la de cinc, donde se acumulan, con lo que se crea una diferencia de potencial.

• Inducción electromagnética: es un efecto que se basa en el principio de Faraday que establece que al mover un conductor en el seno de un campo magnético produce en sus extremos una diferencia de potencial. Es la base del funcionamiento de los alternadores de las centrales eléctricas o de las dinamos.

• Efecto piezoeléctrico: algunos materiales, cuarzo o turmalina, al deformar su estructura cristalina por compresión o tracción entre dos de sus caras (opuestas) transversalmente, acumula cargas eléctricas positivas en un lado y negativas en el otro, proporcionando una diferencia de potencial.

• Efecto fotoeléctrico: algunos materiales, generalmente metálicos o semiconductores litio, cesio, selenio, silicio, etc., al ser bombardeados por fotones (partículas luminosas), la energía que proporcionan, producen que electrones se liberen de sus átomos creando entre sus caras una diferencia de potencial. Es el principio de las células fotovoltaicas.

• Efecto termoeléctrico o efecto Seebeck (termopar): su fundamento consiste en que si unimos dos materiales A y B por medio de soldaduras A-B y existe una diferencia de temperatura entre sus soldaduras, en los extremos libres del hilo, se acumulan cargas, generando una diferencia de potencial. Se emplea para medir temperatura y es el efecto contrario al Peltier.

• Frotación: el origen del descubrimiento de la electricidad estática del paño y el cristal, o cuero y la ebonita o ámbar, que al ser frotados acumulan cargas, es el fundamento de los generadores de Van der Graff con los que se pueden conseguir tensiones cercanas a megavoltios.

Conductores:

Es cualquier material que tenga las siguientes propiedades: que no ofrezca resistencia apreciable al paso de corriente y que no aparezca diferencia de potencial entre sus extremos cuando circule una



corriente eléctrica. En los circuitos eléctricos, normalmente, se emplean cables metálicos de cobre o aluminio. Cables que pueden ir aislados por materiales plásticos.

Elementos de mando:

Gobiernan circuitos interrumpiendo o cambiando de camino la corriente eléctrica dentro del circuito. De entre ellos destacaremos: pulsadores, interruptores y conmutadores.

• Pulsadores: conectan (normalmente abierto, NA) o desconectan (normalmente cerrado, NC) parte del circuito al ser y mientras que se mantiene pulsado. Volviendo a la posición estable de reposo en cuanto se deja de pulsar.

• Interruptores: su misión es como la del pulsador, interrumpir el paso de corriente pero con dos posiciones estables: conectado (cerrado), sin conectar (abierto).

• Conmutadores: su función consiste en activar y desactivar partes del circuito.

Elementos de protección:

Su función consiste en proteger al circuito de corrientes que lo dañarían total o en parte o proteger al usuario de contactos indirectos. Los más comunes son los fusibles, los interruptores magnetotérmicos y los interruptores automáticos diferenciales.

• Fusibles: se denomina fusible a un dispositivo, constituido por un soporte adecuado, un filamento o lámina de un metal o aleación de bajo punto de fusión que se intercala en un punto determinado de una instalación eléctrica para que se funda, por Efecto Joule, cuando la intensidad de corriente supere, por un cortocircuito o un exceso de carga, un determinado valor que pudiera hacer peligrar la integridad de los conductores de la instalación con el consiguiente riesgo de incendio o destrucción de otros elementos.

• Interruptores magnetotérmicos: o disyuntor termomagnético, es un dispositivo capaz de interrumpir la corriente eléctrica de un circuito cuando ésta sobrepasa ciertos valores máximos. Su funcionamiento se basa en dos de los efectos producidos por la circulación de corriente eléctrica en un circuito: el magnético y el térmico (efecto Joule). El dispositivo consta, por tanto, de dos partes, un electroimán y una lámina bimetálica, conectadas en serie y por las que circula la corriente que va hacia la carga.

• Interruptores automáticos diferenciales: también llamado disyuntor por corriente diferencial o residual, es un dispositivo electromecánico que se coloca en las instalaciones eléctricas con el fin de proteger a las personas de las derivaciones causadas por faltas de aislamiento entre los conductores activos y tierra o masa de los aparatos. En esencia, el interruptor diferencial consta de dos bobinas, colocadas en serie con los conductores de alimentación de corriente y que producen campos magnéticos opuestos y un núcleo o armadura que mediante un dispositivo mecánico adecuado puede accionar unos contactos.



Receptores:

Transforman la energía eléctrica en otra forma de energía, es decir, realizan la función inversa a la de los generadores. De entre los elementos receptores destacar: resistores, condensadores, bobinas, electroimanes, relés, transformadores, motores, lámparas, timbres y zumbadores.

• Resistores: son aquellos cuya característica principal es la resistencia eléctrica. Se pueden clasificar según la tecnología constructiva, por la potencia que es capaz de soportar o por su valor en: fijas y variables y, dentro de estas últimas, independientes o dependientes. Los resistores fijos, también llamados coloquialmente resistencias, se indica su valor con un código de bandas de colores.



• Condensadores: es un dispositivo que es capaz de almacenar cargas. Consta de electrodos metálicos donde se almacenan cargas y un material dieléctrico que las aisla. Existen de muchos tipos de entre los que destacaremos: cerámicos, de mica, aire o electrolíticos. Sus valores llegan hasta milifaradios. Su comportamiento varía según la naturaleza de la corriente que circula por él: en corriente continua trabaja como un circuito abierto, mientras que en corriente alterna no. La capacidad de un condensador viene modelizada por la siguiente expresión:

C=q1

V 1−V 2

=q2

V 2−V 1

⇒ siendoC :capacidadq1: carga almacenadaen la placa1V 1−V 2:diferencia de potencial entre la placa1 y la 2

• Bobinas o inductores: son componentes pasivos de un circuito eléctrico que, debido al fenómeno de la autoinducción, almacenan energía en forma de campo magnético. Se trata de hilos conductores dispuestos de tal manera que forman espiras. Su comportamiento depende de la naturaleza de la corriente: en corriente contínua se puede considerar un cortocircuito (o un conductor) mientras que en alterna no. La energía que es capaz de almacenar es:

E=12⋅L⋅I 2⇒ siendo

E : energíaalmacenadaL :inductancia de la bobinaI : intensidad de corriente

• Electroimán: es un dispositivo que se comporta como un imán de manera que el campo magnético se produce por causa de una corriente eléctrica, desapareciendo en cuanto cesa dicha ésta. Se trata de una bobina, generalmente con núcleo ferromagnético o ferrimagnético. Su empleo en altavoces, electroválvulas, relés o imanes industriales de gran potencia fabricados con materiales superconductores es muy extendido.



• Relé: o relevador, es un dispositivo electromecánico. Funciona como un interruptor controlado por un circuito eléctrico en el que, por medio de una bobina y un electroimán, se acciona un juego de uno o varios contactos que permiten abrir o cerrar otros circuitos eléctricos independientes. Fue inventado por Joseph Henry en 1835. Dado que el relé es capaz de controlar un circuito de salida de mayor potencia que el de entrada, puede considerarse, en un amplio sentido, como un amplificador eléctrico. Como tal se emplearon en telegrafía, haciendo la función de repetidores que generaban una nueva señal con corriente procedente de pilas locales a partir de la señal débil recibida por la línea. Se les llamaba "relevadores". De ahí "relé".

• Transformadores. Se denomina transformador o trafo (abreviatura) a un dispositivo eléctrico que permite aumentar o disminuir la tensión en un circuito eléctrico de corriente alterna, manteniendo la frecuencia. La potencia que ingresa al equipo, en el caso de un transformador ideal (esto es, sin pérdidas), es igual a la que se obtiene a la salida. Las máquinas reales presentan un pequeño porcentaje de pérdidas, dependiendo de su diseño, tamaño, etc. El transformador es un dispositivo que convierte la energía eléctrica alterna de un cierto de nivel de voltaje, en energía alterna de otro nivel de voltaje, por medio de la acción de un campo magnético. Está constituido por dos o más bobinas de material conductor, aisladas entre sí eléctricamente por lo general arrolladas alrededor de un mismo núcleo de material ferromagnético. La única conexión entre las bobinas la constituye el flujo magnético común que se establece en el núcleo. Los transformadores son dispositivos basados en el fenómeno de la inducción electromagnética y están constituidos, en su forma más simple, por dos bobinas devanadas sobre un núcleo cerrado de hierro dulce o hierro silicio. Las bobinas o devanados se denominan primario y secundario según correspondan a la entrada o salida del sistema en cuestión, respectivamente. También existen transformadores con más devanados; en este caso, puede existir un devanado "terciario", de menor tensión que el secundario.

• Motores: son máquinas eléctricas que transforman energía eléctrica en energía mecánica por medio de interacciones electromagnéticas. Algunos de los motores eléctricos son reversibles, pueden transformar energía mecánica en energía eléctrica funcionando como generadores. Los motores eléctricos de tracción usados en locomotoras realizan a menudo ambas tareas, si se los equipa con frenos regenerativos. Son ampliamente utilizados en instalaciones industriales, comerciales y



particulares. Pueden funcionar conectados a una red de suministro eléctrico o a baterías. Así, en automóviles se están empezando a utilizar en vehículos híbridos para aprovechar las ventajas de ambos.

• Lámparas: coloquialmente llamadas bombillas, son dispositivos que convierten energía eléctrica en lumínica por varios medios, ya comentados en esta unidad.

• Timbres y zumbadores: son dispositivos que transforman la energía eléctrica en mecánica, sonido, empleando diferentes medios: campanas con electroimán, materiales piezoeléctricos y altavoces.



Simbología



1.6.-Instrumentos de medidaSon aparatos que se usan para averiguar magnitudes físicas por comparación. Se pueden clasificar en función de la tecnología o de la magnitud a medir.Según la tecnología podemos diferenciar los instrumentos de medida en analógicos y digitales.Según la magnitud, en este caso eléctrica, a medir tenemos:

• Voltímetro: sirve para medir la diferencia de potencial o tensión eléctrica, voltios, entre dos puntos de un circuito.

Sirve para medir diferencias de potencial (tensión eléctrica) entre dos puntos de un circuito. Puede medir tensión en alterna o en continua. Como instrumento de medida independiente se emplea en fuentes de alimentación de laboratorio o cuadros de medida de estaciones transformadoras. Un tipo especial de este medidor son los “vumeter” o relojes que se colocan en equipos de sonido:

mesas de mezclas, amplificadores, ecualizadores...El funcionamiento del voltímetro de reloj consiste en un motor asociado a un muelle en espiral.El voltímetro electrónico se resuelve con circuitos integrados (chip) específicos. En el ejemplo se muestra el de un “vumeter”.

• Amperímetro: sirve para medir la intensidad de corriente eléctrica, amperios, de una rama de un circuito.

Es un instrumento de medida de la intensidad de corriente eléctrica ya sea en alterna o en continua. Su funcionamiento es igual que el anterior. Como instrumento de medida independiente, al igual que el voltímetro, se emplea en fuentes de alimentación de laboratorio o cuadros de medida de estaciones transformadoras.Se puede medir la corriente que pasa por un conductor sin necesidad de tocarlo, por medio de las pinzas amperimétricas que consiste en una pinza (espira), que abraza el conductor a medir, conviertiéndose en un transformador de corriente, es decir, se induce una corriente en la espira que es proporcional a la que pasa



por el conductor.• Ohmetro: mide la resistencia eléctrica, ohmios, de un determinado receptor, también se

emplea para comprobar continuidad en un conductor y fusibles.Es un instrumento de medida de la resistencia eléctrica de un elemento-componente. Su funcionamiento consiste en aplicar una tensión a un circuito resistivo en el que el elemento a medir es la carga en bornes del aparato y se comprueba la tensión en sus extremos. Para realizar la medida correctamente, el estado de las pilas del aparato debe ser el adecuado.En la imagen,

• Las resistencias “Ra”, “Rb”, “Rc” y “Rd” establecen junto con “R1”, “R2” y “R3” las escalas de medición (“1”, “2”, “3” respectivamente) del aparato.

• “Rx” corresponde el elemento a medir. • “E” representa el valor de tensión de la batería.• El círculo con la flecha simboliza la medida en bornes

del aparato o, que es lo mismo, “Rx”.Como se puede observar, la medida de resistencia es en

realidad una medida de tensión empleando la ley de ohm.• Por un lado, E=Requivalente⋅I⇒ E=RaRbRcR1R1Rx ⋅I• Por otro lado, la medida “V” que toma el instrumento es V=Rx⋅I

• Como la corriente “I” es la misma, entonces se puede sustituir en su valor I= VRx

en la ecuación anterior, de tal manera que tenemos que

E=RaRbRcR1R1Rx⋅VRx

• Si despejamos “Rx” de la ecuación anterior, puesto que el resto de valores los conocemos, tendremos la resistencia del elemento.

Rx=RaRbRcR1R1Rx ⋅VE

⇒ Rx=RaRbRcR1R1⋅VE

Rx⋅VE

⇒

Rx− Rx⋅VE

=RaRbRcR1R1⋅VE

⇒ Rx⋅1−VE=RaRbRcR1R1⋅V

E⇒

Quedando:

Rx=RaRbRcR1R1⋅VE−V

• Vatímetro: mide la potencia activa de un circuito en vatios.

El vatímetro es un instrumento electrodinámico para medir la potencia eléctrica o la tasa de suministro de energía eléctrica de un circuito eléctrico dado. El dispositivo consiste en un par de bobinas fijas, llamadas «bobinas de corriente», y una bobina móvil llamada «bobina de potencial».

Las bobinas fijas se conectan en serie con el circuito, mientras la móvil se conecta en paralelo. Además, en los vatímetros analógicos la bobina móvil tiene una aguja que se mueve sobre una escala para indicar



la potencia medida. Una corriente que circule por las bobinas fijas genera un campo electromagnético cuya potencia es proporcional a la corriente y está en fase con ella. La bobina móvil tiene, por regla general, una resistencia grande conectada en serie para reducir la corriente que circula por ella.

En instalaciones eléctricas, es el elemento que han empleado las compañías suministradoras para comprobar el consumo, recibiendo el nombre de contador. Actualmente, se están sustituyendo estos instrumentos por vatímetros y maxímetros digitales, que ofrecen mayores prestaciones.

• Capacímetro: mide la capacidad de carga en microfaradios de condensadores.

El capacímetro es un equipo de prueba electrónico utilizado para medir la capacidad o capacitancia de los condensadores. Dependiendo de la sofisticación del equipo, puede simplemente mostrar la capacidad o también puede medir una serie de parámetros tales como las fugas, la resistencia del dieléctrico o la componente inductiva.

• Frecuencímetro: mide la frecuencia en Hertzios de una señal alterna o pulsante. Exteriormente es similar al capacímetro pero con las escalas correspondientes que van desde Hz, KHz, Mhz y Ghz. Para rangos de frecuencia grandes suelen llevar un dispositivo llamado “prescaler” que no es más que un divisor de frecuencia.

• Osciloscopio u osciloscipiode: permite representar magnitudes de tensión frente a tiempo en una pantalla plana. Permite ver la forma de la señal. Es un instrumento de medición electrónico para la representación gráfica de señales eléctricas que pueden variar en el tiempo. Es muy usado en electrónica de señal, frecuentemente junto a un analizador de espectro.

Presenta los valores de las señales eléctricas en forma de coordenadas en una pantalla, en la que normalmente el eje X (horizontal) representa tiempos y el eje Y (vertical) representa tensiones. La imagen así obtenida se denomina oscilograma. Suelen incluir otra entrada, llamada "eje Z" o "Cilindro de Wehnelt" que controla la luminosidad del haz, permitiendo resaltar o apagar algunos segmentos de la traza.Los osciloscopios, clasificados según su funcionamiento interno, pueden ser tanto analógicos como digitales, siendo el resultado mostrado idéntico en cualquiera de los dos casos, en teoría.



BibliografíaLibros de texto:

• “Electrotecnia. Bachillerato”,Ed. Mc Graw Hill, M. Guasch Vallcorba y otros.

• “Electrotecnia. Grado Medio”,Ed. Santillana, Germán Santamaría y Agustín Castejón.

Internet:

• Wikipedia: http://es.wikipedia.org/wiki/Wikipedia:Portada

• Diccionario de la Real Academia Española de la lengua: http://www.rae.es/rae.html

• Página de Tecnología eléctrica: http://www.tuveras.com/


http://es.wikipedia.org/wiki/Wikipedia:Portada

http://www.tuveras.com/

http://www.rae.es/rae.html

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