Que Es La Electotecnia

Electrotecnia. Marcombo A. Hermosa

Unidad didctica 1

Introduccin a la electrotecnia

Resumen del contenido

1.1 Qu es la electrotecnia? 1.2 Principios fundamentales de la electricidad

1.3 El tomo

1.4 Cargas elctricas. Ley de coulomb

1.5 La corriente elctrica

1.6 Fuerza electromotriz (f.e.m.)

1.7 Intensidad elctrica

1.8 Tensin elctrica

1.9 El circuito elctrico. Circulacin de la corriente.

Objetivos:

Comprender los principios bsicos de la electricidad, ya que es la base de la

Electrotecnia.

Conocer claramente los conceptos de corriente, intensidad y tensin.

Operar con las unidades bsicas elctricas, Culombio, Amperio, Voltio.

Comprender el concepto, funcionamiento y aplicacin de los circuitos elctricos.

Distinguir entre corriente continua y corriente alterna

+ Electrn libre


1.1 Qu es la electrotecnia?

La Electrotecnia es la aplicacin prctica de la electricidad y tambin del magnetismo; de

hecho, la palabra electrotecnia viene de la combinacin de electro y techne; o sea, es la

tecnologa elctrica, donde se encuentran componentes tales como motores elctricos,

interruptores, condensadores, contactores, equipos de iluminacin, etc.

Los equipos electrotcnicos pueden ser tan sencillos como el circuito de una linterna

hasta de un nivel tecnolgico tal que combina circuitos electrnicos complejos; as son

muchos de los cuadros de control que se encuentran en la industria. Por ejemplo, en un

cuadro elctrico de control clsico de un ascensor se encuentran componentes elctricos

tales como pulsadores, detectores finales de carrera, contactores, fusibles, motores

trifsicos, etc. Y modernamente, pero ya desde hace bastante tiempo, en dichos cuadros

de control se encuentran tambin placas con sistemas electrnicos microprocesadores o

autmatas programables. Por otra parte, tambin se encuentran sistemas muy

sofisticados en instalaciones domesticas, es el caso de la domtica.

De hecho, la electrnica es una extensin de la electricidad, aparecida como

consecuencia de los avances en la evolucin de la tecnologa elctrica, y que se basa

tambin en la electricidad (todo sistema electrnico, por simple o complicado que sea, se

alimenta con energa elctrica, y por tanto ya existe un proceso elctrico). Por ello, dentro

del programa oficial de electrotecnia se encuentra tambin una parte considerable de

electrnica. El programa de materias de electrotecnia en ciclos formativos es muy amplio

y ambicioso, pero la realidad, tiempo y necesidades profesionales obligan a distinguir

aquellas materias que constituyen la base fundamental necesaria; lo cual se ha procurado

hacer en este libro, de manera que no sea un libro ms de electrotecnia: resulte ameno, y

sobre todo didctico y fundamental en materias.

1.2 Principios fundamentales de la electricidad En principio, se puede decir que la electricidad es un tipo de energa, y como tal,

capaz de realizar trabajo. Ejemplo de sus aplicaciones prcticas son los motores,

calefactores, lmparas, etc. Y de la misma manera que ocurre con la fuerza magntica, no

nos resulta visible, pero su existencia queda claramente manifiesta por los efectos que

produce.

La fuerza de origen magntico (generada por cuerpos magnetizados) acta sobre

ciertos tipos de materiales (los denominados ferromagnticos), lo cuales pueden ser


influidos por dicha fuerza. Pues tambin existe fuerza de origen elctrico, generada por

cuerpos con carga elctrica, invisible, pero tambin capaz de producir una fuerza sobre

otros cuerpos. Se pueden encontrar experimentos de este tipo en, por ejemplo, museos

de la ciencia, siendo uno caracterstico el movimiento de atraccin (o repulsin) entre dos

esferas cargadas elctricamente.

De hecho, todos nos podemos encontrar en algn momento con estas manifestaciones

fsicas de la electricidad: al peinarnos (a veces el pelo se pone de punta, siguiendo al

peine), al salir del coche y cerrar la puerta puede darnos una especie de calambre, al

caminar sobre moqueta pueden aparecer chispas por los pies, etc.; todo se debe a la

accin de la electricidad, originada, en estos casos, por la friccin entre dos cuerpos

diferentes, los cuales pasan de ser neutros a tener una cierta carga de electricidad.

1.2.1 Conceptos sobre molculas, tomos y electrones Se puede decir que los principios elctricos se encuentran en todos los tipos de

materia, ya que sta se forma por molculas que a su vez estn formadas por tomos, y

en el tomo se encuentra la partcula fundamental de la electricidad: el Electrn.

Los electrones son las partculas elementales de la electricidad, la mnima

expresin de carga elctrica (negativa), y lo que da lugar a la corriente elctrica y de

todas sus manifestaciones. Se puede decir que todos los sistemas elctricos y

electrnicos, desde el ms elemental, como puede ser una bombilla, hasta el

microprocesador ms avanzado, se fundamentan en la circulacin controlada de

electrones.

La molcula es la mnima parte que se puede obtener de una cierta materia sin que

desaparezcan sus propiedades qumicas, o sea, sigue conservando las mismas

caractersticas del tipo de materia. Por ejemplo, si pudiramos partir un grano de sal por la

mitad, y cada trocito lo volviramos a partir por la mitad, y as sucesivamente, se llegara a

obtener una minscula parte de materia que ya no sera sal; obtendramos tomos de

cloro y sodio, que es la composicin qumica de la sal comn (cloruro de sodio) (fig.1.1).

Figura 1.1. Molcula de sal (cloruro de sodio). Se compone de un tomo de sodio y un tomo de

cloro.

1 tomo de cloro + 1 tomo de sodio =

Molcula

de sal


Y en el caso del agua, la mnima cantidad que aun sigue siendo agua, molcula de agua,

se compone de dos tomos de hidrogeno y uno de oxigeno; la particin de la molcula

dara lugar a tomos.

Existen materiales que se componen exclusivamente por tomos de un mismo tipo, son

los denominados cuerpos simples, y constituyen los elementos qumicos: oro, hierro,

carbono, oxigeno, etc.

Los materiales cuya composicin se basa en diferentes tipos de tomos, se

denominan cuerpos compuestos, un ejemplo sencillo y fundamental es el agua; se

compone de dos tipos de tomos (hidrogeno y oxigeno).

Toda la materia se compone de tomos, desde un trocito de hierro hasta el cuerpo

humano, o sea, que las personas tambin poseemos electrones; y bajo este principio, se

puede decir, que somos tambin susceptibles a las manifestaciones elctricas. De hecho,

algunos de los aparatos mdicos se basan en la deteccin de ciertas manifestaciones

elctricas que se encuentran en el cuerpo. Por ejemplo, en el cerebro se encuentran unas

seales elctricas caractersticas (ondas alfa, beta, etc.) que detectadas y analizadas por

medio del Electroencefalgrafo, permiten detectar ciertas enfermedades.

Asimismo, por medio del instrumento Electrocardiograma se pueden detectar y

analizar ciertos impulsos elctricos que se dan en el corazn, pudindose as detectar

posibles anormalidades.

Propuesta de actividades 1. Da una breve explicacin sobre lo que significa electrotecnia

2. Indica componentes, aparatos, enmarcados dentro de la electrotecnia.

3. Qu es un electrn?

4. Diferenciar entre molcula y tomo.

1.3 Estructura del tomo Los tomos se componen, fundamentalmente, de dos partes: ncleo y corteza. En

el ncleo se encuentra carga elctrica denominada positiva (+), compuesta por unas

partculas llamadas protones, junto con otras partculas que se conocen por neutrones.

La carga positiva es debida a los protones; se puede decir que un protn es la mnima

expresin de una carga elctrica positiva. Los neutrones son partculas, que como su


nombre indica, son neutras; no poseen carga elctrica, pero su masa es del mismo orden

que la del protn.

La corteza se compone de cargas elctricas denominadas negativas (-), compuesta por

las partculas llamadas electrones; son las partculas ms importantes desde el punto de

vista elctrico-electrnico.

En la figura 1.2 se muestra una representacin tpica de la estructura de un tomo

(el del oxigeno, a modo de ejemplo). Como se observa, los electrones giran alrededor del

ncleo en diferentes capas (rbitas), a semejanza del sistema planetario del universo.

Figura 1.2. Estructura de un tomo (oxgeno).Bsicamente se compone del ncleo (que es donde se encuentra la carga positiva) y de la corteza (carga negativa)

De hecho, esta estructura del tomo es a modo simplista, entre otras cosas, porque los

desarrollos cientficos han llegado a detectar otras partculas (por ejemplo, los quarks),

pero esta estructura sigue siendo vlida. Elctricamente, slo resultan interesantes las

partculas protn (+) y electrn (-), especialmente esta ultima. As, resumiendo:

Protn: Partcula elemental, mnima expresin de carga elctrica positiva (+)

Electrn: Partcula elemental, mnima expresin de carga elctrica negativa (-)

La cantidad de carga elctrica de ambas partculas es la misma, y en todos los

tomos en estado normal existe un nmero de protones igual al de electrones. Por ello,

los tomos en su estado normal, elctricamente, son neutros; pues tienen la misma

cantidad de carga positiva como de negativa.

Las denominaciones de positivo (+) y negativo (-) se emplean para indicar los dos

tipos de estados elctricos (o polaridades) diferentes que existen; son dos estados

elctricos de signo contrario entre si, de forma semejante a como ocurre con los polos sur

Ncleo: carga positiva

(protones)

Corteza: Carga negativa

(electrones)


y norte de los imanes. Cada uno de estos estados elctricos posee cierta energa, y se

sabe que entre dos cuerpos con carga elctrica pueden manifestarse ciertas fuerzas.

Un principio fundamental en electricidad es el siguiente:

Entre cargas elctricas del mismo signo se produce una fuerza de repulsin

Entre cargas elctricas de diferente signo se produce una fuerza de atraccin

Esto queda ilustrado en la figura 1.3.

Y bajo este simple principio se basa el funcionamiento de, por ejemplo, los motores

elctricos y los altavoces.

Figura 1.3. Principio fundamental de fuerzas de atraccin y repulsin entre cargas elctricas. a) Si las cargas son iguales, se produce una fuerza de repulsin. b) Si las cargas son diferentes, se produce una fuerza de atraccin.

As, puesto que los protones y los electrones son cargas elctricas de diferente

signo, aunque sea en su mnima expresin, dichas fuerzas ya se ejercen entre dichas

Repulsin Repulsin

a)

Cargas iguales

Atraccin Atraccin

b) (tomo de hidrgeno)

Cargas diferentes


partculas. Por ello, en los electrones se ejerce una fuerza de atraccin hacia el ncleo;

pero no llegan a l, y siguen su trayectoria orbital, debido a otra fuerza que origina el

movimiento a gran velocidad.

As, los tomos, y la materia en general en su estado normal, es de carcter

elctricamente neutro, pues tiene tantas cargas elctricas negativas (electrones) como

positivas (protones).

Cuanto ms separados del ncleo se encuentran los electrones, pues existen

diferentes rbitas, menos fuerza de atraccin reciben los electrones hacia el ncleo. Son

precisamente los electrones de la ltima capa, los ms alejados del ncleo, los causantes

de todos los fenmenos elctricos; al ser los electrones con menos atraccin hacia el

ncleo, son los que, por medio de algn tipo de energa externa, pueden dejar el tomo,

dando lugar al concepto de: cargas elctricas mviles, o electrones libres, y son los

causantes de que se produzca la corriente elctrica (fig.1.4).

Figura 1.4. Electrn, que por alguna circunstancia, deja de formar parte del tomo; aparece as un electrn libre.

A ciertas temperaturas, en los electrones perifricos ya puede existir un cierto movimiento

incontrolado, errtico, de tomo en tomo; son los electrones libres.

La corriente y la generacin de cuerpos con carga elctrica se debe a que, por

algn tipo fuerza externa, los tomos pierden electrones libres (de la ltima capa, los mas

externos); apareciendo as cuerpos con carga positiva y carga negativa (fig.1.5).

Cuerpo cargado positivamente: sus tomos han perdido electrones, han dejado de ser

neutros; tienen menos electrones que protones.

Cuerpo cargado negativamente: sus tomos han recibido electrones, han dejado de ser

neutros; tienen ms electrones que protones.

electrn libre


Figura 1.5. Representacin de un cuerpo neutro y otros cargados elctricamente.

Son los electrones perifricos los que caracterizan a los materiales como buenos o malos

conductores, segn la facilidad con que stos se mueven. Y esta ms o menos facilidad

de movimiento depende de las caractersticas de los tomos que forman la sustancia en

cuestin. Aparece as el concepto de materiales buenos y malos conductores de la

electricidad.

Adelantamos, que cuando se produce un movimiento ordenado de electrones, por

medio de aplicar una energa externa, aparece el concepto de corriente elctrica.

1.3.1 Configuracin electrnica del tomo En principio, sabemos que en cada tomo en estado normal, existe un nmero de

protones (cargas positivas) igual al de electrones (cargas negativas), por lo cual su estado

elctrico es neutro. En el ncleo se encuentra concentrada la carga positiva, pero la carga

negativa se encuentra distribuida alrededor del ncleo, en diferentes rbitas.

El nmero atmico de cada tomo indica su cantidad total de electrones (y, por

tanto, tambin el de protones), lo cual determina su clasificacin en lo que se conoce por

tabla peridica de los elementos.

El nmero atmico es necesario para saber la configuracin electrnica del tomo, lo cual

nos puede dar una informacin prctica sobre su mayor o menor facilidad de conduccin

elctrica del material. Cuanto menos electrones existen en la ltima capa, y ms alejados

se encuentran del ncleo, mejor conductor de electricidad es el material; as, los mejores

materiales conductores de electricidad son aquellos en los cuales sus tomos tienen un

solo electrn en la ltima capa, es el caso de la plata y el cobre.

La cantidad de electrones que se encuentra en cada capa se puede determinar por

medio de la expresin: E = 2 n2

Siendo: E = nmero de electrones de la capa y n = nmero de la capa

Material neutro (El n de cargas positivas es igual al de negativas.

Material cargado negativamente

(Tiene ms cargas negativas que positivas; ha ganado electrones.

Material cargado positivamente

(Tiene ms cargas positivas que negativas; ha perdido

electrones)


Hay que partir de la condicin de que en la ltima capa, como mximo, pueden

existir 8 electrones y en la penltima 18. Las primeras cuatro capas (rbitas), se

denominan K, L, M y N, siendo K la ms prxima al ncleo.

Ejemplo:

Configuracin electrnica del tomo de cobre.

Nmero atmico: 29

1 capa (K): 2 n2 = 2 x 12 = 2 x 1 = 2 electrones

2 capa (L): 2 n2 = 2 x 22 = 2 x 4 = 8 electrones

3 capa (M): 2 n2 = 2 x 32 = 2 x 9 = 18 electrones

Como que en estas tres capas ya suman 28 electrones, se deduce que en la 4 capa (N),

y ltima, slo habr un electrn; pues en total deben haber 29, que es su nmero atmico.

En la figura 1.6 se representa dicha configuracin electrnica.

As, los tomos del cobre disponen como carga mvil, un slo electrn, y situado en una

4 capa; la poca fuerza de atraccin ejercida por el ncleo sobre dicho electrn perifrico,

hace que fcilmente ste pueda salir del tomo y en consecuencia dar lugar a una

corriente elctrica.

El cobre es el tipo de material normalmente utilizado para fabricar los conductores

elctricos (hilos, cables), debido a su buena conductividad elctrica y relativo bajo precio.

Figura 1.6. Estructura atmica del tomo de cobre,

Electrn perifrico


Propuesta de actividades 1. Da una breve explicacin sobre las partculas Protn y Electrn.

2. De las dos partculas anteriores, cul de las dos es la que da lugar a la corriente

elctrica?

3. Porqu pueden aparecer cuerpos con carga positiva o negativa? Y que efectos

pueden dar lugar entre ellos? Piensa en alguna manifestacin de esto efecto, que a

veces se experimenta en la vida cotidiana.

4. Qu dos tomos dan lugar a los mejores materiales (prcticos) conductores de

la electricidad?

5. Calcula la estructura electrnica del tomo de aluminio (n atmico = 13).

1.4 Cargas elctricas. Ley de coulomb

Como se sabe, la mnima expresin de carga elctrica lo constituye el electrn y

protn. Al ser de una magnitud tan pequea, se establece como unidad de carga elctrica

el culombio (C), que equivale a la carga de, aproximadamente,

6.230.000.000.000.000.000 electrones = 6,23 1023

Unidad de carga elctrica: Culombio

1 Culombio 6,23 1018 electrones

Por tanto, la cantidad de carga elctrica del electrn (y del protn) es:

Carga del electrn (-e) = 1,602 10-19 C

Carga del protn (+e) = 1,602 10-19 C

Aunque las cargas elctricas del protn y electrn son las mismas, no ocurre lo

mismo con sus masas. La masa del protn es mucho mayor que la del electrn:

Masa del electrn: 9,11 10-31 kg

Masa del protn: 1,67 10-27 kg

As, la masa del protn es unas 1830 veces mayor que la del electrn. Por otra parte,

como se sabe, en el ncleo tambin se encuentran las partculas denominadas neutrones,

elctricamente neutras, pero su masa es similar a la del protn. As, pues, se deduce que

en el ncleo del tomo es donde se concentra casi toda su masa.


Aparecen cargas elctricas, materiales cargados elctricamente, cuando por algn

tipo de circunstancia los tomos pierden algn electrn. Cuando esto ocurre, los

electrones que dejan de formar parte de un tomo se mueven hacia otro tomo. Se dice

entonces que los tomos que pierden electrones adquieren carga elctrica positiva, y

dejan de ser neutros, al tener ms cantidad de protones que de electrones; lo cual les da

la propiedad de poder atraer otros electrones de su entorno (fig.1.7).

Figura 1.7. Los tomos que han perdido algn electrn dejar de ser neutros y adquieren carga elctrica positiva, con lo cual pueden atraer electrones libres.

En su estado normal, tomo neutro, los electrones libres no son atrados porque la fuerza

de atraccin del ncleo es compensada por la fuerza de repulsin por parte de la corteza

(electrones).

Si los tomos reciben electrones, tambin dejan de ser neutros, ya que adquieren

carga negativa, puesto que pasan a tener ms electrones que protones.

En general, tambin se denominan iones a los tomos que dejan de ser neutros,

bien porque pierden o ganan electrones. As, se denomina ion positivo a los tomos con

carga + (han perdido electrones), y ion negativo a los tomos con carga negativa (han

ganado electrones).

Campo elctrico:

Las cargas elctricas dan lugar tambin a lo que se conoce por campo elctrico,

lo cual se puede manifestar experimentalmente. Digamos, que es una fuerza similar a la

magntica, invisible, de accin a distancia, y que puede ser de atraccin o repulsin. Se

puede decir que existe una fuerza de campo elctrico en un cierto punto del espacio, si en

dicho punto se ejerce fuerza sobre cualquier otro tipo de carga. As, la situacin de un

cuerpo cargado elctricamente puede ejercer cierta fuerza sobre otras cargas situadas a

su alrededor, y en cierta regin del espacio se dice que existe un campo elctrico.

Electrn atrado

tomo cargado positivamente


1.4.2 Ley de Coulomb La Ley de Coulomb viene a decir que la fuerza (F) ejercida entre dos cargas

elctricas, q1 y q2, es directamente proporcional a su producto e inversamente

proporcional a su distancia de separacin. Matemticamente se expresa por:

221

d

qqKF =

siendo:

K: constante de proporcionalidad

q1 y q2: cargas elctricas, culombios (C).

d: distancia de separacin, metros (m).

Como se comprende, es similar a la fuerza de gravitacin universal de Newton. A

mayor distancia de separacin, menos influencia existe entre las cargas y menor es la

fuerza (de atraccin o repulsin). Asimismo, a mayor cantidad de cargas, mayor ser la

fuerza que se ejercer (fig.1.8).

Figura 1.8. Representacin de la ley de Coulomb.

Ejemplo 1.4.1:

Clculo de la fuerza de atraccin entre un protn y un electrn, situados a una distancia

de 610-11 metros.

Sabemos que las cargas de estas partculas elementales es:

+e = -e = 1,610-19 C. Y la constante K, en el vaco, es de 9109. Por tanto, la fuerza de

atraccin ser:

Nd

qqKF 8

211

19199

2

21 104,6)106(

106,1106,1109 -

-

--

@

==

q1

q2

Distancia de separacin (d)

Carga elctrica Carga elctrica

221

dqq

KF =


Bajo este principio, tambin se puede definir la unidad de carga elctrica, Culombio,

como la carga elctrica que situada frente a otra igual, en el vaco y a 1 metro de

distancia, da lugar a una fuerza de repulsin de 9109 N.

Propuesta de actividades 1. Da una explicacin sobre el concepto de campo elctrico

2. A qu se refiere la unidad Culombio?

3. Cul es la carga elctrica de un electrn y de un protn?

4. A qu se denominan iones?

5. Qu viene decir la ley de Coulomb?

6. Ejercicio sobre la ley de Coulomb: Calcular la fuerza de atraccin del ejemplo

1.4.1, si la distancia es 10 veces menor. Razonar el resultado.

1.5 La corriente elctrica La corriente elctrica aparece como consecuencia del movimiento de electrones, y

se puede definir de la siguiente manera:

Corriente elctrica, es la circulacin ordenada de electrones a travs de un conductor (a

causa de una fuerza de atraccin).

Figura 1.9. Representacin del concepto de corriente elctrica.

En base a un smil hidrulico, la corriente equivale al lquido, agua, que circula por una

tubera; y el conductor de electricidad, un cable de cobre, equivale, por tanto, a la tubera

por la cual circula el agua.

Cable conductor (cobre)

Flujo de electrones circulando ordenadamente: corriente elctrica

Generador de fuerza (tensin elctrica)

+ -


En la figura 1.9 se muestra una representacin de la circulacin de la corriente elctrica a

travs de un conductor. Obviamente, para que se produzca la corriente elctrica tiene que

haber algo, una fuerza, que presione para que esto suceda; esta presin elctrica es lo

que se conoce por tensin elctrica (voltios), y es la fuerza que hace que los electrones

circulen ordenadamente recorriendo un circuito. En la prctica, son los voltios generados

por una pila (1,5 V), una batera (12 V), la red elctrica (230 V), etc.

1.5.1 Conductores y aislantes Como ya debe saberse, el causante de que pueda existir una corriente elctrica a

travs de un conductor se debe a la posibilidad de que los electrones perifricos de sus

tomos puedan dejar el tomo debido a alguna influencia externa. Y la facilidad para que

esto ocurra depende de lo alejado del ncleo que estn los electrones perifricos, ya que

la fuerza de atraccin que ejerce el ncleo (carga positiva) sobre ellos es as menor.

1.5.1.1 Buenos conductores

Se puede resumir, que los materiales son mejores conductores de la electricidad

cuanto menos electrones perifricos tengan sus tomos y ms alejados se encuentren del

ncleo; en general, los que tienen muchos electrones libres. La facilidad de movimiento de

dichas partculas, ya con un cierto movimiento desordenado en estado normal, puede

controlarse y lograr que adquieran una circulacin ordenada, en un determinada direccin

(corriente elctrica) aplicando una fuerza externa de carcter elctrico.

En general, todos los metales son ms o buenos conductores de electricidad,

siendo los mejores la plata seguida del cobre, cuya estructura atmica se representa en la

figura 1.10.

Figura 1.10. Estructuras de los tomos de cobre y plata; los materiales mejores conductores de la electricidad.

tomo de cobre N atmico: 29

tomo de plata N atmico: 47


1.5.1.2 Aislantes Se entiende por materiales aislantes de la electricidad, aquellos que, debido a su

estructura atmica, no dan lugar a una circulacin ordenada de electrones, no permiten el

paso prcticamente de corriente; de ah el trmino aislantes. Son aislantes, por ejemplo,

la porcelana, el aire (seco), papel, goma, etc. Los aislantes se utilizan precisamente para

aislar, cortar, el paso de la corriente; por ejemplo, se utilizan como medio de aislamiento

elctrico en cables, herramientas, cajas de equipos, etc.

Tambin se puede decir que este tipo de materiales oponen una muy alta oposicin

al paso de la corriente (adelantando as el concepto de resistividad). Es conveniente

saber, que todo aislante, en segn que condiciones puede llegar ha hacerse ms o menos

conductor y dejar pasar una cierta corriente. Esto ocurre, por ejemplo, cuando el aire o la

madera se humedece, o bien por una elevada fuerza de campo elctrico (que rompe la

estructura atmica). Por eso, puede pasar que un cierto material sea buen aislante para

ciertas aplicaciones y para otras no lo sea. Precisamente, cuando se da lo que se conoce

por arco elctrico (rayos, chispas desde un cable de la buja de un coche hacia la chapa,

etc.), es porque el aire, que es un aislante, se hace conductor debido a la fuerte fuerza

elctrica.

Hay que tener en cuenta que movimiento de electrones no siempre significa

corriente elctrica, pues, a ciertas temperaturas, los tomos perifricos, pueden tener ya

un cierto movimiento entre tomos; pero esto no se considera corriente elctrica porque

no es un movimiento ordenado, sino desordenado o errtico.

Propuesta de actividades 1. Define con tus palabras, el concepto de corriente elctrica. Dibuja una

representacin de esto.

2. Hidrulicamente, a que compararas la corriente y la tensin elctrica?

3. Define el concepto de buenos materiales conductores y materiales aislantes.

Contribuye a ello la configuracin electrnica de los tomos de la materia con que

estn formados? Razona la respuesta.

4. Indica dos materiales buenos conductores y dos materiales aislantes.


1.6 Fuerza electromotriz (f.e.m.) Para que exista una corriente elctrica se precisa de algo que fuerce a que los

electrones circulen ordenadamente; una fuerza de origen elctrica, denominada fuerza

electromotriz (f.e.m.), cuya unidad es el voltio. Aunque esto ser explicado ms adelante

de forma ms detallada adelantamos que esta fuerza externa que da lugar a la aparicin

de la corriente elctrica, es la que proporcionan los generadores de electricidad: Pila,

batera, alternador, clula solar fotovoltaica, etc.

En los generadores de electricidad, como consecuencia de algn tipo de proceso,

se produce en su interior lo que se llama una f.e.m., lo cual se puede definir de la

siguiente manera:

Fuerza electromotriz (f.e.m.): es la fuerza que obliga a moverse a los electrones

(dentro del generador), y que tiene por efecto producir una tensin elctrica.

Y la tensin elctrica, que se expresa en voltios, es: la fuerza que hace que los

electrones se muevan ordenadamente en una cierta direccin a travs de las lneas de

conductoras (circuito), o sea, lo que hace que aparezca una corriente elctrica. Este

principio se ilustra en la figura 1.11. Aparecen as los trminos tan conocidos como pila de

9 V, batera de 12 V, 220 V de la red elctrica, etc.

Figura 1.11. Representacin genrica de un circuito elctrico. Un generador de electricidad suministra una tensin elctrica (voltios) que hace que circule una corriente elctrica a travs del receptor (carga) para desarrollar un cierto trabajo (luz, calor, fuerza mecnica, etc.). Las lneas conductoras son el medio de transporte de la energa elctrica, del generador a la carga.

f.e.m. Tensin elctrica (V)

Generador de electricidad: - Pila - Batera - Alternador - Etc.

Lnea conductora (cobre)

Corriente elctrica

Dispositivo Receptor (carga):

- Bombilla - Motor - Estufa - Etc.


Sin entrar en detalles, porque ser explicado en profundidad ms adelante, hay que ir

sabiendo que la corriente elctrica puede ser de tipo continua (c.c.) o alterna (c.a.), segn

el tipo de generador de f.e.m. utilizado. Las pilas y bateras generan tensin continua, y

esto significa que la polaridad de la tensin y el sentido de la corriente es constante, no

vara. En el caso de la tensin de la red elctrica (220 V), la corriente es alterna (debido a

que es generada en la central por maquinas denominadas alternadores); en este caso, la

polaridad de la tensin va cambiando peridicamente, y lo hace 50 veces por segundo.

As, pues, en circuitos de tensin continua la corriente circula siempre en el mismo

sentido, pero en los circuitos de corriente alterna la corriente circula invirtiendo el sentido

muy rpidamente.

Propuesta de actividades 1. Explica, a tu manera, el concepto de fuerza electromotriz.

2. Indica tres componentes generadores de fuerza electromotriz.

3. Indica conceptualmente lo que es c.c. y c.a.

1.7 Intensidad elctrica La intensidad de corriente es un concepto que relaciona la cantidad de carga elctrica y el

tiempo, y se puede definir de la siguiente manera:

Intensidad elctrica: Es la cantidad de carga elctrica que circula por un conductor

en la unidad de tiempo.

O sea, es una medida de la cantidad de corriente. Matemticamente se expresa

por:

tq

stiempoCcarga de Cantidad

I ==)(

)(

Unidad: Amperio (A)

Circula la intensidad de un amperio cuando pasa un culombio por segundo:

amperioegundosulombioC

tq

Intensidad 11

1===

Siguiendo con el smil hidrulico, la intensidad elctrica es similar al caudal (cantidad de

agua que pasa por la tubera en la unidad de tiempo).

Unidades derivadas, utilizadas en electrnica, son:


Miliamperio: mA 1 mA = 0,001 A = 10-3 A

Microamperio: mA 1 mA = 0,000001 A = 10-6 A

Nanoamperio: nA 1nA = 0,00000000 1 A = 10-9 A

Picoamperio: pA 1pA = 0,000000000001 A = 10-12 A

Las unidades con que normalmente se trabaja en electrnica son el Amperio (A), el

mA y el mA. Con nA y pA normalmente no se trabaja, pero es necesario conocerlas

porque en la tecnologa microelectrnica (circuitos integrados) se trata con magnitudes de

corrientes muy pequeas, hasta de pA. En cambio, en electricidad y electrnica industrial,

se puede trabajar hasta con miles de amperios, lo cual se expresa por medio de la letra K,

que en el mundo tcnico equivale a mil:

k = 1000 1kA = 1000 A

Ejercicios de ejemplo:

1.- La intensidad que circula por un conductor por el cual pasan 2 culombios por segundo

es:

Atq

I 212

===

2.- La intensidad que circula por un conductor por el cual pasan 4 culombios cada 0,5

segundos es:

3.- Cantidad de carga, culombios, que pasan por un conductor cada segundo por el cual

la intensidad que circula es de 450 mA:

Pasando la intensidad de 450 mA a Amperios, tenemos:

1 mA = 0,001 A 450 mA = 450 x 0,001 = 0,45 A.

La cantidad de carga (q) es:

Atq

I 85,0

4===


CtIqtq

I 45,0145,0 ====

Propuesta de actividades 1. Explica qu es una intensidad elctrica. Cul es su unidad?

2. Calcular la intensidad que circula por un conductor por el cual pasan 0,5

culombios cada 0,25 segundos.

3. Calcular la cantidad de carga que circulara en un conductor cada segundo si la

intensidad medida es de 300 mA.

4. Indicar, en amperios, los valores 300 mA, 100pA y 20mA.

1.8 Tensin elctrica Desde un punto de vista prctico, se puede definir de la siguiente manera:

Tensin elctrica: es la fuerza que da lugar a que los electrones se muevan

ordenadamente a travs de un conductor, producindose as una corriente elctrica.

Siguiendo con el smil hidrulico, se puede decir, que la tensin elctrica es

equivalente a la fuerza de presin que genera una bomba para hacer que el agua circule

por las tuberas.

Esta fuerza elctrica, tensin, es lo que produce todo generador de electricidad

(pila, alternador, clula solar, etc.).

En los generadores de electricidad, aparece el trmino fuerza electromotriz (f.e.m.);

que es el proceso energtico que se da en el interior del generador, y que da lugar a que

se produzca la tensin en los terminales de salida. As, f.e.m. es equivalente a la energa

que se da en el interior de una bomba hidrulica, y que da lugar a la presin. En el caso,

por ejemplo, de una pila, la f.e.m. es el proceso qumico interno que da lugar a la energa

que pone en movimiento a los electrones, y su efecto produce la tensin de salida.

La unidad de tensin elctrica es el Voltio; por tanto, el voltaje es la medida de la

tensin elctrica. As, se dice que la tensin de la batera del coche es de 12 V, la

tensin de la red elctrica domstica es de 220 V, una pila de 1,5 V, etc.

Visto de una forma ms tcnica, aparecen otros trminos relacionados que se

denominan potencial elctrico y diferencia de potencial.

Se define por potencial elctrico en un punto, al trabajo necesario para trasladar la

unidad de carga elctrica positiva desde el infinito hasta dicho punto; es un trabajo por


unidad de carga, que se mide en voltios (V). La unidad voltio resulta ser pues el trabajo de

un julio (J) sobre la carga de un culombio (C); se tiene el potencial de un voltio si se

realiza el trabajo de un julio para trasladar la carga de un culombio: 1 V = 1J/1C.

Se define por diferencia de potencial entre dos puntos, al trabajo necesario para

que la unidad de carga se traslade de un punto a otro, y tambin se mide en voltios. As,

se tiene un voltio si se realiza el trabajo de un julio para que la carga de un culombio se

mueva de un punto a otro:

CulombioJulio

Voltio1

11 =

El trmino diferencia de potencial es muy utilizado en la prctica, y bajo un principio

de comprensin sencillo, como ya se ver.

As, en resumen, los trminos tensin, potencial y diferencial de potencial, se

expresan mediante la unidad voltio, y a menudo simplemente como voltaje. Por ejemplo,

respecto a una pila de 9 V se puede decir: que la pila proporciona una tensin de 9 V, que

entre sus terminales [positivo (+) y negativo (-)] aparece la diferencia de potencial de 9 V,

o simplemente, que genera un voltaje de 9 V.

Propuesta de actividades 1. Explica, a tu manera, el concepto de tensin elctrica. Cul es su unidad?

2. Hidrulicamente, a qu asimilaras la tensin elctrica?

3. Da un ejemplo prctico de un componente que produce una diferencia de

potencial.

4. Con una tensin de 2 voltios, que cantidad de carga (culombios) se podr mover

si el trabajo realizado es de 4 julios.

1.9 El circuito elctrico. Circulacin de la corriente. Todos los circuitos elctricos disponen de una serie de componentes bsicos, de

manera que se obtenga el paso de una corriente elctrica a travs del dispositivo de

salida que se necesite. En principio, para que exista una circulacin de corriente elctrica

se necesita que el circuito est cerrado. O sea, desde un punto del generador, la corriente

debe entrar por la lnea de conduccin, cables, salir por otro punto, y despus de pasar

por el tipo de dispositivo receptor que sea (bombilla, motor, etc.), debe retornar al otro

punto del generador; cualquier tipo de interrupcin, corte, en cualquier punto de la lnea,


hace que se interrumpa la circulacin de corriente y que por tanto el dispositivo receptor

deje de recibir energa elctrica.

El circuito elctrico ms elemental es el que se muestra en la figura 1.12; se basa en un

generador, las lneas conductoras y el receptor de la energa elctrica. Al cerrarse el

circuito, se unen los terminales del generador a travs de algn elemento conductor, y ello

da lugar a que circule una corriente elctrica a travs de la lnea conductora.

1.9.1 Sentido electrnico real

Fsicamente, se sabe que el sentido de la corriente elctrica va de negativo (-) a

positivo (+); o sea, el flujo de electrones parte del polo negativo del generador y se dirige,

a travs de las lneas de conduccin, hacia el polo positivo del generador (por dentro del

generador, el flujo electrnico circula desde el polo positivo al negativo). Este sentido, de

negativo a positivo, es el sentido electrnico real (fig.1.12b).

1.9.2 Sentido convencional Existe tambin lo que se conoce por sentido convencional de la corriente, que va al

revs del sentido real; o sea, de positivo (+) a negativo (-), segn se representa en la

figura 1.12a. Esto es as porque en los principios del descubrimiento de la electricidad, se

crea que ste era el sentido real de la corriente, y as se consider durante mucho

tiempo. Pero posteriores descubrimientos demostraron que realmente el sentido era al

revs; los electrones (cargas negativas) son realmente lo que se mueve y su tendencia es

ir hacia cargas de distinto signo (positivas).


Figura 1.12. Circuito elemental. Sentido de circulacin de la corriente elctrica: a) sentido convencional. b) sentido real. En la prctica, el que normalmente se considera es el sentido convencional.

En la prctica, por lo general, el sentido de la corriente que se considera es el

convencional (de + a -), por cuestiones de convencin, y dado que existe una gran

diversidad de publicaciones que lo consideran as. Por otra parte, hay que tener en cuenta

de que, energticamente, no importa el sentido de la corriente, el trabajo realizado es el

mismo. Por ejemplo, si en una linterna ponemos la pila al revs, la bombilla se enciende

igual. En esta obra, ste ser el sentido de la corriente utilizado, el convencional.

f.e.m. Dispositivo

receptor

b)

Intensidad

a)

f.e.m. Dispositivo

receptor

Intensidad

+ Sentido convencional de la corriente:

-

+ Sentido electrnico real de la corriente:


1.9.3 Corriente continua (c.c.) y corriente alterna (c.a.) Otras cuestiones relacionadas con el sentido de circulacin de la corriente, son los

conceptos de corriente continua (c.c.) y corriente alterna (c.a.).

Existe corriente continua cuando el flujo de electrones circula siempre en el mismo

sentido, y en este caso aparece el concepto de polaridad [polo positivo (+) y polo negativo

(-)]. Es el tipo de corriente que se obtiene por medio de las pilas, batera, clula solar

fotovoltaica, etc. En la figura 1.13 se representa la simbologa de un generador de c.c. en

general, el de una pila y la representacin grfica de la corriente continua.

Figura 1.13. a) Simbologa de componentes tpicos generadores de tensin continua. b) Grfico

que representa una tensin continua (b).

Existe tambin la denominada corriente alterna, cuyo concepto adelantamos: Existe

corriente alterna cuando el sentido se va invirtiendo constantemente en funcin del

t

a)

b)

G

Generador de tensin continua

Pila

+ V

9 V

0

Tiempo (t)

9 V

Tensin continua


tiempo. Es como, por ejemplo, si furamos invirtiendo rpidamente la polaridad de la pila

en una linterna; la bombilla recibira corriente alterna, a veces un terminal de la bombilla

se conectara al polo + y otras veces al polo -, y tambin se encendera.

Es precisamente corriente alterna la que disponemos en la red elctrica; todos los

aparatos elctricos y electrnicos que conectamos a la red, reciben corriente alterna. Esto

es debido, en principio, a que los generadores elctricos utilizados en las centrales

elctricas para suministrar la energa elctrica son mquinas denominadas alternadores.

En la figura 1.14 se representa el smbolo de un generador de c.a., alternador, y la forma

como vara la tensin que genera.

Figura 1.14. Smbolo de un alternador (generador de c.a.) y la forma de variacin de la tensin que genera (tensin alterna).

Propuesta de actividades 1. Qu significa sentido de circulacin electrnico y sentido convencional de la

corriente? Cul de los dos es sentidos es el normalmente considerado en la

prctica?

2. Afecta la cantidad de energa elctrica recibida por un receptor (bombilla, por

ejemplo), segn sea el sentido de circulacin de la corriente?

3. Define los conceptos de c.c. y c.a.

4. Indica dos componentes generadores de c.c.

5. Cmo es la energa elctrica que recibimos de la red, c.c. c.a ?

G

0 t

+V

-V

Tensin alterna


Actividades finales

Ejercicio 1.1. Describir la estructura del tomo. Cul es la partcula elemental con carga

elctrica que da origen a la corriente elctrica ?

Ejercicio 1.2. Definir el concepto de corriente elctrica. Cmo se llama la fuerza

necesaria para que se produzca ?

Ejercicio 1.3. Cmo se denomina la unidad de carga elctrica. Cul es su valor ?

Ejercicio 1.4. Si un cuerpo, debido a frotamiento, pierde electrones, de que tipo es la

carga que adquiere positiva negativa ? A qu se denomina iones ?

Ejercicio 1.5. Calcular la fuerza que se ejerce entre dos electrones, situados en el vaco,

cuya distancia de separacin es de 9,5 10-11 m. Cmo es la fuerza de atraccin o

repulsin ?

Ejercicio 1.6. Explicar la diferencia entre los materiales buenos conductores y los

denominados aislantes.

Ejercicio 1.7. De qu material se fabrican normalmente los conductores elctricos por

qu ?

Ejercicio 1.8. Respecto a la intensidad elctrica:

a) Definir el concepto.

b) Cual es su analoga hidrulica ?

c) Cual es su unidad ?

Ejercicio 1.9. Respecto a la tensin elctrica:

a) Definir el concepto.

b) Cual es su analoga hidrulica ?

c) Cual es su unidad ?

d) Cmo se obtiene ?

Ejercicio 1.10. Indicar el sentido de circulacin de la electricidad electrnico y el

denominado convencional.

Ejercicio 1.11. Cul es la diferencia entre la corriente continua y la alterna ?

Ejercicio 1.12. Calcular la cantidad de culombios que circulan por segundo en un

conductor si el valor de intensidad es de 350 mA.

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