New S istemas de carga · 2020. 6. 2. · Empresas que han colaborado de forma desinteresada con...

S istemas de carga y arranque

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S istemas de carga y arranque

Andrés Pulpillo Pulpillo

Empresas que han colaborado de forma desinteresada con diverso material gráfico:

Bosch, Fiat, Volkswagen, Groupe PSA

© Andrés Pulpillo Pulpillo

© EDITORIAL SÍNTESIS, S. A.Vallehermoso, 34. 28015 Madrid

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ISBN: 978-84-9171-495-8Depósito Legal: M-9.003-2020

Impreso en España - Printed in Spain

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de Editorial Síntesis, S. A.

Asesor editoriAl:

Juan Carlos Moreno Pérez

Índice

Índice

PRESENTACIÓN .............................................................................................................................................................. 13

1. INSTALACIONES ELÉCTRICAS DEL VEHÍCULO .................................................................................... 15

Objetivos ................................................................................................................................................................... 15Mapa conceptual ................................................................................................................................................. 16Glosario ...................................................................................................................................................................... 161.1. Aplicación de la electricidad y electrónica en el automóvil ....................................... 17

1.1.1. Circuitos eléctricos del automóvil .......................................................................................... 171.1.2. Instalaciones eléctricas en el vehículo .................................................................................. 17

1.2. Conductores eléctricos ...................................................................................................................... 201.2.1. Material conductor de los cables ........................................................................................... 201.2.2. Funda aislante .................................................................................................................................. 221.2.3. Clasificación de los cables por su estructura interna ...................................................... 23

1.3. Conexiones entre conductores ...................................................................................................... 241.4. Central de conexiones ......................................................................................................................... 271.5. Reparación de instalaciones eléctricas ...................................................................................... 29

1.5.1. Daños más habituales en cables y conectores .................................................................. 291.5.2. Equipos y materiales de reparación ...................................................................................... 301.5.3. Intervenciones habituales ........................................................................................................... 31

Resumen .................................................................................................................................................................... 37Ejercicios propuestos ........................................................................................................................................ 37Práctica 1 .................................................................................................................................................................. 38

2. INTRODUCCIÓN A LA ELECTRICIDAD ..................................................................................................... 41

Objetivos ................................................................................................................................................................... 41Mapa conceptual ................................................................................................................................................. 42Glosario ...................................................................................................................................................................... 422.1. Estructura atómica de la materia ................................................................................................... 43

6 SiStemaS de carga y arranque

Índice

2.1.1. Características de los átomos ................................................................................................... 442.2. Conductores y aislantes ..................................................................................................................... 45

2.2.1. Conductores .................................................................................................................................... 452.2.2. Aislantes ............................................................................................................................................ 46

2.3. Clases de electricidad ........................................................................................................................... 462.3.1. Electricidad estática ..................................................................................................................... 472.3.2. Electricidad dinámica. Corriente eléctrica .......................................................................... 502.3.3. Clases de corriente eléctrica ..................................................................................................... 51

2.4. Efectos de la corriente eléctrica .................................................................................................. 522.5. Procedimientos de producción de electricidad ................................................................. 532.6. Magnitudes fundamentales de la electricidad ...................................................................... 55

2.6.1. Intensidad de corriente ............................................................................................................... 552.6.2. Tensión ............................................................................................................................................... 562.6.3. Resistencia eléctrica ...................................................................................................................... 57

2.7. Ley de Ohm ................................................................................................................................................. 582.7.1. Caída de tensión ............................................................................................................................ 592.7.2. Cortocircuito .................................................................................................................................... 60

2.8. Trabajo eléctrico ...................................................................................................................................... 602.9. Potencia eléctrica .................................................................................................................................... 60

2.9.1. Unidades para medir la potencia ........................................................................................... 61Resumen .................................................................................................................................................................... 62Ejercicios propuestos ........................................................................................................................................ 62Práctica 2 .................................................................................................................................................................. 63

3. CIRCUITOS ELÉCTRICOS ................................................................................................................................... 65

Objetivos ................................................................................................................................................................... 65Mapa conceptual ................................................................................................................................................. 66Glosario ...................................................................................................................................................................... 663.1. Introducción a los circuitos eléctricos ....................................................................................... 663.2. Circuitos en serie .................................................................................................................................... 673.3. Circuitos en paralelo .............................................................................................................................. 683.4. Circuitos mixtos ........................................................................................................................................ 703.5. Métodos de resolución de circuitos. Leyes de Kirchhoff .............................................. 72

3.5.1. Primera ley de Kirchhoff o ley de los nudos ....................................................................... 733.5.2. Segunda ley de Kirchhoff o ley de las mallas ..................................................................... 733.5.3. Aplicación de las leyes de Kirchhoff ..................................................................................... 74

3.6. Caídas de tensión particulares ........................................................................................................ 763.6.1. Caída de tensión en el generador ........................................................................................... 763.6.2. Caída de tensión en los conductores ................................................................................... 77

3.7. Calor desprendido por el paso de la corriente eléctrica (efecto Joule) ............ 773.7.1. Aplicaciones del efecto Joule ................................................................................................ 78


4. APARATOS DE MEDIDA ELÉCTRICA .......................................................................................................... 85

Objetivos ................................................................................................................................................................... 85Mapa conceptual ................................................................................................................................................. 86

7SiStemaS de carga y arranque

Índice

Glosario ...................................................................................................................................................................... 864.1. Introducción ............................................................................................................................................... 864.2. El polímetro ............................................................................................................................................... 87

4.2.1. Descripción del polímetro ....................................................................................................... 874.2.2. El amperímetro ............................................................................................................................... 884.2.3. El voltímetro ................................................................................................................................... 904.2.4. El óhmetro ........................................................................................................................................ 914.2.5. Especificaciones de tolerancia en el polímetro ................................................................ 924.2.6. Aplicaciones del polímetro en automoción ...................................................................... 92

4.3. Lámpara de pruebas ............................................................................................................................ 954.4. Pinza amperimétrica ............................................................................................................................. 954.5. El osciloscopio ......................................................................................................................................... 96

4.5.1. Osciloscopio analógico .............................................................................................................. 964.5.2. Osciloscopio digital ..................................................................................................................... 974.5.3. Aplicaciones del osciloscopio ................................................................................................ 97


5. COMPONENTES ELÉCTRICOS ....................................................................................................................... 101

Objetivos ................................................................................................................................................................... 101Mapa conceptual ................................................................................................................................................. 102Glosario ...................................................................................................................................................................... 1025.1. Introducción ............................................................................................................................................... 1035.2. Interruptores ............................................................................................................................................. 1035.3. Fusibles y limitadores de intensidad .......................................................................................... 1045.4. Resistencias ................................................................................................................................................ 105

5.4.1. Resistencias lineales ..................................................................................................................... 1055.4.2. Resistencias variables .................................................................................................................. 1085.4.3. Resistencias dependientes ........................................................................................................ 109

5.5. Bobinados o inductancias ................................................................................................................ 1135.5.1. Relé ...................................................................................................................................................... 114

5.6. Condensadores ........................................................................................................................................ 1175.6.1. Gráficas de carga y descarga ................................................................................................... 1175.6.2. Tipos de condensadores .......................................................................................................... 118


6. COMPONENTES ELECTRÓNICOS ............................................................................................................... 125

Objetivos ................................................................................................................................................................... 125Mapa conceptual ................................................................................................................................................. 126Glosario ...................................................................................................................................................................... 1266.1. Introducción ............................................................................................................................................... 1276.2. Materiales semiconductores ........................................................................................................... 127

6.2.1. Semiconductores intrínsecos .................................................................................................. 1276.2.2. Semiconductores extrínsecos ................................................................................................. 128

6.3. Diodos semiconductores .................................................................................................................... 128


Índice

6.3.1. Diodo LED (Light Emiting Diode) ........................................................................................... 1316.3.2. Diodo Zener ................................................................................................................................... 1326.3.3. Fotodiodos ...................................................................................................................................... 133

6.4. Transistores ................................................................................................................................................. 1336.4.1. Modos de funcionamiento de un transistor ...................................................................... 1346.4.2. Leyes de la electricidad aplicadas a los transistores ...................................................... 1356.4.3. Parámetros y características de los transistores ................................................................ 1366.4.4. Aplicaciones de los transistores ............................................................................................ 1376.4.5. Ejemplos de transistores ........................................................................................................... 1386.4.6. Transistor Darlington .................................................................................................................... 139

6.5. Tiristores ....................................................................................................................................................... 1406.6. Circuitos impresos .................................................................................................................................. 1406.7. Circuitos integrados ............................................................................................................................... 141Resumen .................................................................................................................................................................... 142Ejercicios propuestos ........................................................................................................................................ 142Práctica 6 .................................................................................................................................................................. 143

7. LEYES DEL ELECTROMAGNETISMO ........................................................................................................... 145

Objetivos ................................................................................................................................................................... 145Mapa conceptual ................................................................................................................................................. 146Glosario ...................................................................................................................................................................... 1467.1. Magnetismo ................................................................................................................................................. 147

7.1.1. Polos magnéticos ......................................................................................................................... 1487.2. Campo magnético .................................................................................................................................. 149

7.2.1. Experiencia de Coulomb .......................................................................................................... 1507.3. Magnetismo y electricidad. Electromagnetismo .................................................................. 151

7.3.1. Experiencia de Ampère ............................................................................................................ 1517.3.2. Ley de Maxwell ............................................................................................................................. 1517.3.3. Campo magnético creado por un solenoide ................................................................... 152

7.4. Magnitudes electromagnéticas ...................................................................................................... 1537.4.1. Flujo magnético .............................................................................................................................. 1537.4.2. Inducción magnética .................................................................................................................. 1547.4.3. Intensidad de campo magnético .......................................................................................... 1547.4.4. Fuerza magnetomotriz ................................................................................................................ 1557.4.5. Reluctancia ...................................................................................................................................... 1557.4.6. Permeabilidad magnética ......................................................................................................... 1567.4.7. Permeabilidad magnética relativa .......................................................................................... 157

7.5. Circuitos magnéticos ............................................................................................................................ 1577.6. Inducción electromagnética (generador) .............................................................................. 159

7.6.1. Corriente electromagnética inducida en un conductor. Ley de Faraday ................. 1597.6.2. Factores que determinan la inducción electromagnética ............................................ 1627.6.3. Principio básico de funcionamiento de un generador ................................................. 1637.6.4. Inducción electromagnética entre bobinas o inducción mutua ............................... 1657.6.5. El transformador como aplicación de la inducción electromagnética

entre bobinas ................................................................................................................................. 1657.6.6. Autoinducción .............................................................................................................................. 166

7.7. Fuerza de inducción magnética (motor) ................................................................................. 168Resumen .................................................................................................................................................................... 168Ejercicios propuestos ........................................................................................................................................ 168Práctica 7 .................................................................................................................................................................. 170


Índice

8. CIRCUITO DE CARGA. EL ALTERNADOR ................................................................................................ 171

Objetivos ................................................................................................................................................................... 171Mapa conceptual ................................................................................................................................................. 172Glosario ...................................................................................................................................................................... 172 8.1. Circuito de carga ................................................................................................................................... 173 8.2. El alternador ............................................................................................................................................ 174 8.3. Constitución del alternador ........................................................................................................... 175

8.3.1. Polea ............................................................................................................................................... 1778.3.2. Rotor o inductor .......................................................................................................................... 1778.3.3. Estátor o inductor ....................................................................................................................... 1798.3.4. Puente de diodos ....................................................................................................................... 1798.3.5. Tapas .............................................................................................................................................. 1818.3.6. Estructura eléctrica del alternador ...................................................................................... 1828.3.7. Nomenclatura de bornes ....................................................................................................... 182

8.4. Funcionamiento del alternador ................................................................................................. 1838.4.1. Funcionamiento del puente rectificador ......................................................................... 1858.4.2. Excitación del alternador ....................................................................................................... 1918.4.3. Circuitos eléctricos del alternador ...................................................................................... 193

8.5. La regulación .......................................................................................................................................... 1948.5.1. Reguladores de contactos con ayuda electrónica ....................................................... 1958.5.2. Reguladores electrónicos ....................................................................................................... 1968.5.3. Reguladores electrónicos incorporados en el alternador ......................................... 197

8.6. Refrigeración ............................................................................................................................................ 198 8.7. Ruido ............................................................................................................................................................ 199 8.8. Rendimiento y balance energético ........................................................................................... 201 8.9. Curvas características ......................................................................................................................... 2028.10. Alternador reversible de alta tensión .................................................................................... 203Resumen .................................................................................................................................................................... 204Ejercicios propuestos ........................................................................................................................................ 204Práctica 8 .................................................................................................................................................................. 204

9. VERIFICACIÓN DEL CIRCUITO DE CARGA ............................................................................................. 205

Objetivos ................................................................................................................................................................... 205Mapa conceptual ................................................................................................................................................. 206Glosario ...................................................................................................................................................................... 206 9.1. Introducción ............................................................................................................................................ 207 9.2. Verificación y control del circuito de carga sobre vehículo .................................... 207

9.2.1. Precauciones al actuar sobre el circuito de carga y alternador ................................ 209 9.3. Mantenimiento del alternador ..................................................................................................... 209 9.4. Desmontaje y montaje del alternador sobre vehículo ................................................. 210 9.5. Verificación y control del alternador ....................................................................................... 211

9.5.1. Proceso de despiece de un alternador ............................................................................. 2119.5.2. Pruebas mecánicas ..................................................................................................................... 2119.5.3. Pruebas eléctricas ....................................................................................................................... 213

9.6. Verificación y control del regulador ......................................................................................... 219Resumen .................................................................................................................................................................... 220Ejercicios propuestos ........................................................................................................................................ 220Práctica 9.1 .............................................................................................................................................................. 221Práctica 9.2 .............................................................................................................................................................. 221


Índice

10. CIRCUITO DE ARRANQUE ............................................................................................................................... 223

Objetivos ................................................................................................................................................................... 223Mapa conceptual ................................................................................................................................................. 224Glosario ...................................................................................................................................................................... 22410.1. Introducción ........................................................................................................................................... 22510.2. Factores condicionantes del motor de arranque ............................................................ 22710.3. Estructura del motor de arranque ............................................................................................. 22910.4. Análisis de componentes y funcionamiento del motor de arranque ................. 230

10.4.1. El estátor o inductor ............................................................................................................... 23010.4.2. El rotor o inducido ................................................................................................................. 23210.4.3. Carcasa soporte delantera o del lado de accionamiento ....................................... 23410.4.4. Tapa de escobillas o soporte del lado colector ....................................................... 23410.4.5. Relé de engrane ....................................................................................................................... 235

10.5. Funcionamiento eléctrico del motor de arranque ......................................................... 23610.5.1. Principio electromagnético ................................................................................................. 23710.5.2. Funcionamiento eléctrico y magnético .......................................................................... 239

10.6. Funcionamiento del mecanismo de engrane ..................................................................... 24010.6.1. Conjunto piñón ........................................................................................................................ 24310.6.2. Mecanismo reductor ............................................................................................................. 24410.6.3. Sistema de acoplamiento-desacoplamiento por rueda libre ............................... 245

10.7. Clasificaciones de los motores de arranque ....................................................................... 24510.7.1. Tipos de motores de arranque por sus características eléctricas ........................ 24610.7.2. Tipos de motores de arranque por tipo de engrane ................................................ 24810.7.3. Tipos de motores de arranque por el tipo de excitación ...................................... 250

10.8. Ejecuciones y disposiciones de motores de arranque ................................................ 25110.8.1. Motores de arranque con imanes permanentes ......................................................... 25110.8.2. Motores de arranque con reducción por engranajes planetarios ....................... 25210.8.3. Sistemas de arranque con dispositivo de bloqueo de arranque/dispositivo

de reintento de arranque electrónicos ........................................................................... 25410.8.4. Sistemas de arranque con conmutación de 12/24 voltios ..................................... 25510.8.5. Sistemas de arranque con doble motor de arranque .............................................. 255

10.9. Sistema “Start & Stop” ....................................................................................................................... 257Resumen .................................................................................................................................................................... 258Ejercicios propuestos ........................................................................................................................................ 258Práctica 10 ............................................................................................................................................................... 258

11. VERIFICACIÓN DEL CIRCUITO DE ARRANQUE ................................................................................... 259

Objetivos ................................................................................................................................................................... 259Mapa conceptual ................................................................................................................................................. 260Glosario ...................................................................................................................................................................... 26011.1. Introducción ............................................................................................................................................ 26111.2. Comprobación del circuito de arranque sobre vehículo ........................................... 26111.3. Instalación de motores de arranque ........................................................................................ 26211.4. Comprobación de funcionamiento .......................................................................................... 26311.5. Proceso de desmontaje ................................................................................................................... 26411.6. Pruebas mecánicas .............................................................................................................................. 265

11.6.1. Pruebas visuales ....................................................................................................................... 26511.6.2. Pruebas en el estátor o inductor ....................................................................................... 26511.6.3. Pruebas en el inducido o rotor .......................................................................................... 26511.6.4. Pruebas en las tapas ............................................................................................................... 266


Índice

11.6.5. Pruebas en el portaescobillas ............................................................................................ 26611.7. Pruebas eléctricas ................................................................................................................................ 267

11.7.1. Conjunto estátor o inductor ................................................................................................ 26711.7.2. Conjunto rotor o inducido .................................................................................................. 26811.7.3. Tapa portaescobillas .............................................................................................................. 269

11.8. Mecanismo de arrastre ...................................................................................................................... 27011.9. Relé de mando ....................................................................................................................................... 271Resumen .................................................................................................................................................................... 272Ejercicios propuestos ........................................................................................................................................ 272Práctica 11.1 ........................................................................................................................................................... 273Práctica 11.2 ........................................................................................................................................................... 274

12. BATERÍAS DE ARRANQUE ............................................................................................................................... 275

Objetivos ................................................................................................................................................................... 275Mapa conceptual ................................................................................................................................................. 276Glosario ...................................................................................................................................................................... 27612.1. Introducción ........................................................................................................................................... 276

12.1.1. Misión de la batería .............................................................................................................. 27712.1.2. Características de las baterías ........................................................................................... 27812.1.3. Clasificación de las baterías ................................................................................................ 278

12.2. Principios químicos ............................................................................................................................ 28012.2.1. Disoluciones y electrólitos ................................................................................................. 28012.2.2. El acumulador ......................................................................................................................... 28112.2.3. Proceso de descarga de una batería ............................................................................... 28112.2.4. Proceso de carga de una batería ...................................................................................... 282

12.3. Componentes de las baterías ....................................................................................................... 28412.3.1. Figuras de baterías .................................................................................................................. 288

12.4. Características de la batería ........................................................................................................... 28912.4.1. Tensión ........................................................................................................................................ 28912.4.2. Resistencia interna ................................................................................................................... 29112.4.3. Capacidad de la batería ....................................................................................................... 29112.4.4. Corriente de descarga rápida ............................................................................................. 29212.4.5. Rendimiento .............................................................................................................................. 29212.4.6. Autodescarga ........................................................................................................................... 293

12.5. Evolución y tipos de baterías ........................................................................................................ 29312.6. Dimensionado de baterías .............................................................................................................. 295Resumen .................................................................................................................................................................... 296Ejercicios propuestos ........................................................................................................................................ 296Práctica 12 ............................................................................................................................................................... 297

13. MANTENIMIENTO DE BATERÍAS DE ARRANQUE ............................................................................. 299

Objetivos ................................................................................................................................................................... 299Mapa conceptual ................................................................................................................................................. 300Glosario ...................................................................................................................................................................... 30013.1. Introducción ........................................................................................................................................... 30013.2. Acoplamiento de baterías .............................................................................................................. 30013.3. Precauciones en la manipulación de baterías ................................................................... 30213.4. Verificación y control de baterías .............................................................................................. 303

13.4.1. Inspección visual ..................................................................................................................... 30313.4.2. Comprobación con voltímetro .......................................................................................... 304


Índice

13.4.3. Comprobación de la tensión de descarga ................................................................... 30413.4.4. Comprobación de la densidad del electrólito con densímetro ........................ 30513.4.5. Ojo mágico ................................................................................................................................ 307

13.5. Carga de las baterías ........................................................................................................................... 30713.5.1. Cargadores de baterías ......................................................................................................... 30813.5.2. Proceso de carga ..................................................................................................................... 31013.5.3. Carga con cargador convencional .................................................................................... 31113.5.4. Carga con cargador inteligente .......................................................................................... 31213.5.5. Precauciones en el proceso de carga ............................................................................. 312

13.6. Baterías de recambio ......................................................................................................................... 31313.6.1. Sustitución de baterías ......................................................................................................... 31313.6.2. Designación de baterías ....................................................................................................... 314

13.7. Conservación de las baterías ......................................................................................................... 31513.7.1. Conservación de baterías en servicio ............................................................................. 31513.7.2. Conservación de baterías sin servicio ............................................................................. 316

13.8. Eliminación de baterías ..................................................................................................................... 316Resumen .................................................................................................................................................................... 317Ejercicios propuestos ........................................................................................................................................ 318Práctica 13.1 ........................................................................................................................................................... 318Práctica 13.2 ........................................................................................................................................................... 319

14. SEGURIDAD EN LAS INTERVENCIONES ELÉCTRICAS ..................................................................... 321

Objetivos ................................................................................................................................................................... 321Mapa conceptual ................................................................................................................................................. 322Glosario ...................................................................................................................................................................... 32214.1. Introducción ........................................................................................................................................... 322

14.1.1. Legislación ................................................................................................................................ 32314.2. Riesgos eléctricos ................................................................................................................................ 32314.3. Efectos de la corriente eléctrica sobre el organismo ................................................... 324

14.3.1. Factores que influyen en los efectos de la corriente eléctrica sobre el organismo humano ................................................................................................................. 32514.3.2. Gráfica de los efectos de la corriente eléctrica sobre el organismo ................. 328

14.4. Tipos de accidentes eléctricos .................................................................................................... 32914.4.1. Contacto eléctrico directo .................................................................................................. 32914.4.2. Contacto eléctrico indirecto ............................................................................................... 33014.4.3. Quemaduras, incendios y explosiones .......................................................................... 330

14.5. Medidas preventivas generales .................................................................................................... 33014.6. Medidas preventivas con relación a útiles o herramientas eléctricas portátiles .................................................................................................................................................... 33114.7. Seguridad en relación con el trabajo en vehículos híbridos y eléctricos ....... 33314.8. Equipos de protección individual (EPI) y herramientas ............................................... 33414.9. Medidas de seguridad en el taller ............................................................................................. 33614.10. Medidas formativas y de información ...................................................................................... 336Resumen .................................................................................................................................................................... 337Ejercicios propuestos ........................................................................................................................................ 337Práctica 14 ............................................................................................................................................................... 338

2

3 Conocer la estructura atómica de la materia.3 Clasificar los materiales según su comportamiento eléctrico.3 Descubrir la relación entre la estructura atómica de la materia y el compor-

tamiento eléctrico de los materiales.3 Distinguir los tipos de electricidad.3 Entender los conceptos y magnitudes básicas de la electricidad estática.3 Seleccionar los tipos de corriente eléctrica.3 Comprender los efectos de la corriente eléctrica.3 Determinar los procedimientos de producción eléctrica.3 Familiarizarse con las magnitudes y unidades con las que se mide la electri-

cidad.

Objetivos

Introducción a la electricidad

42 sIsTemas de caRGa Y aRRanQue

caPÍTuLo 2

Mapa conceptual

INTRODUCCIÓN A LA

ELECTRICIDAD

AislantesConductores Semiconductores

Átomo. La porción más pequeña en que se puede dividir una sustancia por medios quími-cos. Es un núcleo positivo rodeado de electrones negativos.

Corriente eléctrica. Movimiento ordenado de electrones que han sido desplazados de sus órbitas mediante la aplicación de una fuerza eléctrica.

Intensidad. Cantidad de cargas eléctricas que circulan por un conductor en la unidad de tiempo.

Materia. Toda sustancia dotada de masa que ocupa un espacio.

Material conductor. El que conduce la electricidad y, por lo común, el calor. Es lo contra-rio de material aislante.

Número atómico. Cantidad de protones de un átomo.

Tensión eléctrica. Fuerza que empuja a los electrones a través de un circuito.

Glosario

Estructura atómica de la materia

Efectos de la electricidad

Tipos de electricidad

Procesos de producción

de la electricidad

Dinámica

Magnitudes

Estática

Continua Alterna

Magnitudes

43InTRoduccIÓn a La eLecTRIcIdad

caPÍTuLo 2

2.1. Estructura atómica de la materia

La electricidad está íntimamente ligada a la estructura atómica de la materia, dado que la mate-ria contiene las cargas eléctricas gracias a las cuales es posible obtener los diferentes fenómenos eléctricos.

Se define materia como toda sustancia dotada de masa que ocupa un espacio. Las partículas más pequeñas que constituyen la materia son las moléculas que, a su vez están formadas por átomos (figura 2.1). Un átomo es la porción más pequeña de una sustancia que mantiene sus propiedades químicas. La palabra átomo es de origen griego y significa indivisible.

Figura 2.1Materia, molécula y átomos.

Desde el punto de vista eléctrico, el átomo de cual-quier elemento está formado por un núcleo en el que se encuentran los protones, con carga eléctrica + y los neu-trones, sin carga eléctrica. Los neutrones actúan en el nú-cleo como aglomerante de los protones que, dada su carga eléctrica, tienden a repelerse entre ellos. Los átomos tam-bién tienen una corteza en la que los electrones, con carga eléctrica –, giran en diferentes órbitas alrededor del núcleo con velocidades del orden de 2 000 km/s (figura 2.2).

A esta concepción planetaria del átomo se le deno-mina modelo de Bohr y sirve para explicar gran parte de los fenómenos en los que intervienen los átomos, entre ellos los referidos a la electricidad.

A lo largo de la historia se han postulado distintos modelos atómicos, cada uno con su propia representación. Además de este del físico da-nés Niels Bohr, se han utilizado otros modelos para justificar diferen-tes propiedades y comportamientos del átomo, como los de Thomson, Dalton, Rutherford, Sommerfield o Schrödinger.

Figura 2.2El átomo de litio.

sabÍas Que...


capítulo 2

2.1.1. Características de los átomos

El estudio profundo y moderno de la estructura atómica de la materia lleva a más amplias conclusiones de las expuestas, para resolver cuestiones importantes de la física cuántica (quarks, antimateria, bosón de Higgs). Pero el modelo de Bohr, sin ser tan extenso y concreto, es perfec-tamente válido para explicar los fenómenos eléctricos que nos incumben.

Recursos electrónicos

2.1. Características de los átomos de este modelo para entender su naturaleza eléctrica.

2.2. Tabla periódica de los elementos.

La cantidad de átomos distintos corresponde a los elementos de la tabla periódica. Los áto-mos de cada uno de estos elementos son distintos y su diferencia radica en:

l El número atómico, que es la cantidad de protones que el átomo tiene en el núcleo. Este nú-mero es el que establece el orden de los elementos en la tabla periódica, empezando por el hidrógeno que tiene un solo protón, el helio que tiene 2, el litio 3, el berilio 4 y así sucesivamente hasta el oganeson, que tiene 118 y a día de hoy es el elemento más grande, aunque no existe en la naturaleza.

l La distribución de los electrones en las zonas orbitales.

Como ejemplo, veamos de la distribución de los electrones del átomo de cobre (figura 2.3). La estructura electrónica del átomo de cobre es 1s22s22p63s23p63d104s1.

3 En el primer nivel de energía existen 2 electrones. Son los que giran más cerca del núcleo. Se mueven en una región esférica y grandes fuerzas los ligan fuertemente al núcleo debido a las fuerzas de atrac-ción entre protones y electrones.

3 En el segundo nivel de energía existen 8 electrones. Ocupan regiones esféricas y lobulares. Las fuerzas de atracción entre el núcleo y los electrones de este nivel son menores debido a la mayor distancia entre ellos.

3 En el tercer nivel de energía existen 18 electrones que también siguen órbitas circulares y elípticas.

En el último nivel de energía existe 1 electrón. Este último electrón está muy poco ligado al núcleo y puede intercambiarse fácilmente con otro electrón de otro átomo. Esto es lo que confiere al cobre sus especiales características de conducción eléctrica, ya que cuando todos los intercambios de electrones se producen en una misma dirección, se produce un trasvase de energía eléctrica.

www

Cu

Figura 2.3 Átomo de cobre.


caPÍTuLo 2

Recurso web

La configuración electrónica del cobre presenta una anomalía, muy estudiada por los científicos, que hace que en lugar de seguir la regla habitual de llenado de los niveles y subniveles energéticos, se produz-ca una pequeña variación que da lugar a un último electrón solitario “4s1”, cuando teóricamente debiera ser un “3d94s2”. Más información en el siguiente código QR.

2.2. Conductores y aislantes

Los electrones en un átomo se distribuyen de manera que su energía sea mínima, es decir, si-tuándose en los niveles más bajos pero respetando siempre una determinada cantidad máxima de ellos en cada nivel. Cuando una capa o nivel está completa, los electrones están muy ligados al núcleo y es muy difícil desprenderlos de sus órbitas.

Por el contrario, cuando la última capa no está completa, como en el caso del cobre, sus electrones, llamados electrones de valencia, tienen una gran movilidad y pueden ser sacados de sus órbitas sin gran dificultad. Por ello, se les llama también electrones libres y, en los cuerpos o elementos formados por estos átomos, los electrones libres están moviéndose continuamente, pasando de un átomo a otro contiguo.

La órbita que deja libre un electrón es inmediatamente ocupada por otro, pues el átomo queda desequilibrado al tener un electrón menos y tiende al equilibrio para volver a ser neutro, atrayendo otro electrón libre del átomo más cercano para conseguirlo

De lo anterior se deduce que, atendiendo a la estructura de sus átomos, los elementos o los cuerpos pueden ser conductores o aislantes. Todos los fenómenos que están relacionados con la conducción eléctrica, suceden en la periferia exterior de los átomos y tienen que ver con el intercambio de electrones entre átomos.

2.2.1. Conductores

Los cuerpos formados por átomos, cuya última capa está ocupada por uno o dos electrones, son los llamados conductores. El cuerpo resultará tanto más conductor cuanto menos ligados

www

Figura 2.4Diagrama de Möller que

explica cómo se distribuyen los electrones en la corteza

de los átomos.


capítulo 2

al núcleo estén los electrones libres. Los cuerpos con-ductores permiten el movimiento de los electrones a través de ellos, y si les aplicamos una fuerza de origen eléctrico, podemos conseguir un flujo de electrones llamado corriente eléctrica.

De ello resulta, que todos los metales son buenos conductores, ya que una de sus características en la distribución de los electrones en las zonas orbitales, es la de tener uno o dos ligados muy débilmente al núcleo, moviéndose libremente a través de la textura metálica (figura 2.5). Otra característica típica de los metales es su alta resistencia mecánica, proporcionada por la fuerte unión entre sus átomos en estructura cristalina. típica del enlace metálico.

De entre los metales, destacan como excelentes conductores, el cobre, el aluminio y la plata.

2.2.2. Aislantes

Los cuerpos formados por átomos cuya capa externa esté completa o faltan uno o dos elec-trones para completarla son los llamados aislantes. En ellos, los electrones son retenidos fuerte-mente y tienen muy poca movilidad, por cuya causa resulta difícil su desplazamiento a través del cuerpo y, en consecuencia, existe una gran dificultad para conseguir un flujo electrónico.

Entre los malos conductores está el caucho, la porcelana o el vidrio. Teóricamente, ningún cuerpo es aislante perfecto, puesto que con una fuerza eléctrica lo suficientemente grande se puede conseguir el desplazamiento de los electrones.

Hay sustancias que tienen propiedades intermedias entre los conductores y los aislantes. Se trata de los materiales semiconductores. En ellos, la cantidad de electrones libres depende de factores como la luz, el calor, aditivos, etc.

Actividad propuesta 2.1

Estudia los siguientes átomos: neón, plata, xenón, platino. Localiza su situación en la tabla periódica y busca su estructura electrónica

en Internet. Averigua cuáles y por qué son conductores y aislantes.

2.3. Clases de electricidad

La electricidad puede ser clasificada en dos tipos: estática y dinámica. A su vez la electricidad dinámica se divide en corriente continua y alterna.

+ + + + +

+ + +

+ + + + +

+ + + + +

++

Figura 2.5 Electrones libres en una estructura metálica.


caPÍTuLo 2

ELECTRICIDAD

Estática

Dinámica

Corriente continua (CC)

Corriente alterna (CA)

PaRa sabeR más

La forma en la que la corriente llega a los hogares y las industrias es la alterna. Sin embargo, los componentes de los vehículos utilizan principalmente corriente continua.

2.3.1. Electricidad estática

Los fenómenos de electrización o electricidad estática se explican admitiendo que la materia neu-tra posee las dos clases de electricidad (+ y –) y con distribución homogénea. Así pues, la mate-ria es neutra porque en cada punto están compensadas las cargas eléctricas positivas y negativas.

Se denomina electricidad estática a aquella que no se mueve con respecto a un cuerpo determi-nado. Desde el punto de vista de los electrones, la electricidad estática se refiere al estado en el que los electrones libres están separados de sus átomos y no se mueven en la superficie de los materiales.

El ejemplo clásico es el de la varilla de vidrio que se frota con un paño (figura 2.6). Tanto el paño como la varilla quedan cargados eléctricamente debido a un flujo de electrones de la barra al paño (el paño toma electrones y se carga negativamente y la varilla cede electrones por lo que se carga positivamente).

Figura 2.6Transferencia de electrones

entre paño y varilla.


capítulo 2

Por tanto, la electrización de un cuerpo se explica por un desplazamiento de electrones: si los gana se carga negativamente, y si los pierde positivamente. La electricidad acumulada en am-bos materiales permanecerá sin moverse a menos que los pongamos en contacto, o se conecten por medio de un conductor.

El extremo de la varilla frotado adquiere la propiedad de atraer cuerpos ligeros como trozos de papel o corcho que están cargados negativamente o la de repeler objetos con carga positiva, como otra varilla frotada. La cantidad de electricidad o carga eléctrica, será igual al número de electrones desplazados por la carga eléctrica unitaria del electrón.

Figura 2.7 El inglés Stephen Gray (1666-1736) usaba la electricidad estática a modo de espectáculo que sus contemporáneos veían como magia.

Por ser la carga del electrón una cantidad muy pequeña, se usa un múltiplo de ella, y así en el Sistema Internacional, la unidad de carga eléctrica o de cantidad de electricidad es el culom-bio (C).

1 culombio = 6,25 · 1018 electrones libres

Por tanto, la carga eléctrica de cada electrón será:

1 electrón = 1,6 ·10-19 C

A) Inducción electrostática

Cuando se mueve un cuerpo (A) cargado eléctricamente hacia un cuerpo (B) conductor de-bidamente aislado, las cargas de este último se reorganizan, de modo que aparece en la zona más cercana al cuerpo cargado, una carga eléctrica que es opuesta a la carga del cuerpo carga-do inicialmente (figura 2.8). A este fenóme-no se le denomina inducción electrostática.

Si la carga que se acumula entre los dos cuerpos es grande y se acercan lo suficiente, se genera una gran fuerza electrostática, de forma que, las cargas eléctricas se descargan a través del aire sin necesidad de poner en contacto los cuerpos.

Figura 2.8 Inducción electrostática.

49IntroduccIón a la electrIcIdad

capítulo 2

Esto ocurre en el fenómeno meteoroló-gico de los rayos: las nubes se cargan positi-vamente, mientras que la tierra está cargada negativamente. Cuando la carga de las nubes es lo suficientemente grande, se produce una descarga violenta a través del aire hacia la tie-rra (figura 2.9).

B) Ley de Coulomb

Así se demuestra la existencia de cargas de signo contrario y la existencia de fuerzas que actúan mutuamente entre ellas. Esta relación fue establecida por Coulomb por medio de la siguiente ley: “la fuerza de atracción o re-pulsión sobre dos cargas puntuales (Q1, Q2) es directamente proporcional al producto de las cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia entre ambas”.

=⋅

F KQ Q

d1 2

2

donde:

F: la fuerza de atracción o repulsión. Se mide en newton (N).Q1, Q2: las cargas puntuales. Se miden en culombios (C). d: la distancia entre cargas. Se mide en metros (m).K: constante que depende del medio donde se encuentren las cargas. Se mide en Nm2/C2.

Para el vacío: K = 9 · 109 Nm2/C2.

De la expresión de la Ley de Coulomb se deduce que al aumentar la distancia que separa las cargas, la fuerza disminuye y viceversa. La dirección de la fuerza será la de la línea recta que une las cargas y el sentido el de atracción o repulsión entre las mismas en función de su signo. Si existen más de dos cargas, la fuerza ejercida por una de ellas sobre las demás, se calcula a partir de la siguiente ecuación vectorial:

= + + +…F F F F1 2 3

Actividad propuesta 2.2

Calcula la fuerza de acción que ejercerá una carga puntual de 2 C sobre otra carga de 1/3 · 10-6 C de signo contrario a ella situada en el vacío a 3 cm de distancia. Debes expresar el resultado en newton (N) y recuerda que la constante K para el vacío es K = 9 · 109 Nm2/C2.

Figura 2.9 Los rayos son un ejemplo

de inducción electrostática.


capítulo 2

Recurso electrónico 2.3

Conceptos de campo eléctrico, líneas de fuerza, potencial eléc-trico y diferencia de potencial.

2.3.2. Electricidad dinámica. Corriente eléctrica

En un material conductor, en condiciones normales, los electrones libres se mueven aleato-riamente en todas direcciones. Pero resulta posible obtener un movimiento ordenado de los mismos, o sea, un flujo de electrones en una misma dirección. Si a un conductor se le conecta una pila, sus electrones libres sufren un empuje eléctrico debido a la pila, de tal forma que se desplazan a través del conductor, originándose una corriente eléctrica. El flujo electrónico está dirigido hacia el polo positivo de la pila, como si los electrones del conductor sufrieran repul-sión desde el polo negativo o atracción desde el positivo.

Figura 2.10 Conducción de la electricidad a través de los átomos de cobre.

Se puede decir que el primer electrón A del conductor sufre un empuje que lo hace des-plazarse hasta B, sacando a este electrón de su órbita para ocuparla él, mientras que el electrón B hace lo propio con el siguiente (figura 2.10).

Así, sucesivamente, hasta que el último de los electrones del conductor es sacado de su órbita y del cuerpo conductor, entrando por el otro extremo a ocupar el espacio vacío dejado por el electrón A. Se observa, que para obtener el movimiento de un electrón, es necesario que otro ocupe su lugar. Luego en un conductor siempre hay el mismo número de electrones y, si sale uno por un extremo, entra otro por el opuesto.

Fundamental

La corriente eléctrica es el movimiento ordenado de los electrones que han sido desplazados de sus órbitas mediante la aplicación de una fuerza eléctrica.

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New S istemas de carga · 2020. 6. 2. · Empresas que han colaborado de forma desinteresada con...

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