Transcript of Electrotecnia libro de texto de paraninfo (ocr)
- 1. THOIVISON ..PARANINFO Electrotecnia Pablo Alcalde San Miguel
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- 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. 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
- 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,&~
- 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
- 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
- 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.
- 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
- 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
- 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