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ELECTRICIDAD 1 DISPOSITIVOS, CIRCUITOS Y MATERIALES NOVENA EDICIÓN THOMAS KUBALA ELECTRICIDAD 1 Autor THOMAS KUBALA Revisor Técnico ING. SATURNINO FERNÁNDEZ UTN - Facultad Regional Buenos Aires ELECTRICIDAD 1 DISPOSITIVOS, CIRCUITOS Y MATERIALES THOMAS KUBALA NOVENA EDICIÓN ELECTRICIDAD 1. DISPOSITI...

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ELECTRICIDAD 1 DISPOSITIVOS, CIRCUITOS Y MATERIALES NOVENA EDICIÓN

THOMAS KUBALA

ELECTRICIDAD 1

Autor THOMAS KUBALA

Revisor Técnico ING. SATURNINO FERNÁNDEZ UTN - Facultad Regional Buenos Aires

ELECTRICIDAD 1 DISPOSITIVOS, CIRCUITOS Y MATERIALES

THOMAS KUBALA

NOVENA EDICIÓN

ELECTRICIDAD 1. DISPOSITIVOS, CIRCUITOS Y MATERIALES Novena Edición Thomas Kubala

Revisor Técnico Ing. Saturnino Fernández

Directora General Susana de Luque Coordinadora de Marketing y Producción Luciana Rabuffetti Traducción Studio Dav Diseño Sebastián Escandell Verónica De Luca Traducido del libro ELECTRICITY 1. DEVICES, CIRCUITS, AND MATERIALS Ninth Edition Publicado en inglés por Delmar Cengage Learning © 2009

Copyright D.R. 2009 Cengage Learning Argentina, una división de Cengage Learning Inc. Cengage Learning™ es una marca registrada usada bajo permiso. Todos los derechos reservados.

Rojas 2128. (C1416CPX) Ciudad Autónoma de Buenos Aires, Argentina. Tel: 54 (11) 4582-0601 Para mayor información, contáctenos en www.cengage.com o vía e-mail a: [email protected] Impreso en Artes Grácas Buschi S.A. Tirada de 2000 ejemplares Impreso en Argentina. 1 2 3 4 5 - 11 10 09 08 07

Kubala, Thomas Electricidad 1: dispositivos, circuitos y materiales / Thomas Kubala; adaptado por Saturnino Fernández 9a ed. - Buenos Aires, Cengage Learning Argentina, 20 11. 188 p.; 18.7 x 23.5 cm. E-Book. ISBN ELECTRÓNICO 978-987-1486-62-5 1. Electricidad. 2. Circuitos. I. Título. CDD 621.319 21 Fecha de Catalogación: 31/05/2011

División Latinoamérica

Cono Sur Rojas 2128 (C1416CPX) Ciudad Autónoma de Buenos Aires, Argentina www.cengage.com.ar México Corporativo Santa Fe 505, piso 12 Col. Cruz Manca, Santa Fe 05349, Cuajimalpa, México DF www.cengage.com.mx Pacto Andino Carrera 90 #17b-39, Bodega 27 Bogotá, Colombia www.cengage.com.co El Caribe Metro Ofce Park 3 - Barrio Capellania Suite 201, St. 1, Lot. 3 - Code 00968-1705 Guaynabo, Puerto Rico www.cengage.com

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CONTENIDO 1 2

Prefacio

vii

INTRODUCCIÓN

1 TEORÍA DEL ELECTRÓN Y LEY DE OHM

7

3

CIRCUITOSEN SERIE

15

4

CIRCUITOSPARALELOS

23

5 6ENERGÍA ELÉCTRICA Y POTENCIA

CIRCUITOSMIXTOS

TERÍAS

7 8 9

33 41 49

CONDUCTORES ELÉCTRICOS Y TAMAÑOS DE CABLES

59

CAÍDA DE TENSIÓN EN LOS CONDUCTORES

67

10 RESUMEN DE REVISIÓN DE LAS UNIDADES 1-9

75

io

11 IMANES Y CAMPOS MAGNÉTICOS 12

ELECTROMAGNETISMO

83 89

13GENERACIÓNDE FUERZA ELECTROMOTRIZ

97

14 PRINCIPIOSDE MOTORES DE CORRIENTECONTINUA

107

15

113

RESUMENDE REVISIÓN DE LAS UNIDADES 11-14

16

CIRCUITOSDETIMBRE TÍPICOS

17

119

INTERRUPTORESPAR EL CONTROL DE LOS CIRCUITOSDE ILUMINACIÓN

18

MATERIALESPARA CABLEADO

19

127 137

SISTEMAS DECOMANDO A DISTANCIA PARA CIRCUITOSDE ILUMINACIÓN

20 RESUMEN DE REVISIÓN DE LAS UNIDADES16-19 Anexo

157 165 171

173 175

PREFACIO Esta edición de ELECTRICIDAD 1 se ha actualizado para ref lejar los material es y las técnicas actuales en aplicaciones eléctricas, manteniendo al mismo tiempo las características que lo convirtieron en un texto tan popular a lo largo de las ediciones anteriores. Los resúmenes se encuentran al final de cada unidad y se han incluido varios problemas nuevos en las secciones Revisión de Logros. ELECTR ICIDAD 1 ayuda al estud iante a lograr una comprensión básica acerca de la teoría eléctrica y su aplicación en dispositivos, circuitos y materiales. El conocimiento adquirido a través del estudio de este libro permite al estudiante avanzar en otros estudios. El desarrollo y el estudio del tema de la electricidad son procesos continuos. La industria eléctrica incorpora constantemente dispositivos y materiales nuevos y mejorados, que a su vez y con frecuencia conducen a cambios en las técnicas de instalación. Los códigos eléctricos sufren revisiones periódicas para mejorar la seguridad y la calidad de las instalaciones eléctricas. El libro es de fácil lectura y se presentan los temas en una secuencia lógica. Los problemas proporcionados en el libro requieren el empleo de álgebra simple para su resolución. Se le advierte al estudiante que el movimiento de electrones (de negativo a positivo ) se utiliza en este libro para definir la dirección

de la corriente. Cada unidad comienza con objetivos que advierten a los estudiantes sobre el conocimiento que se espera que aprendan como resultado del est udio de la unidad. Una Revisión de Logros al f inal de cada unidad evalúa la comprensión del estudiante para determinar si se han cumplido los objetivos. A continuación de los grupos seleccionados de unidades (Unidades 1-9, Unidades 11-14 y Unidades 16-19),

se incluye una unidad de revisión que contiene preguntas y problemas adicionales para evaluar la comprensión del estudiante de una bloque de información. Esta combinación de revisiones es fundamental para el proceso de aprendizaje requerido por el libro. Todos los estudiantes de electricidad encontrarán este libro muy útil, en especial aquellos que participan en programas de formación profesional, en escuelas comerciales y técnicas y en diversos programas ocupacionales. Se recomienda tener disponible como referencia la edición más reciente del Código Eléctrico Nacional® (publicado por la Asociación Nacional para la Prevención de Incendios) cuando los estudiantes utilizan ELECTRICIDAD 1. Asimismo deben consultarse las normas locales y estatales aplicables cuando se realizan instalaciones verdaderas, específicamente las NORMAS IRAM.

Las características de la novena edición comprenden: • • • • • •

Soluciones ejemplo en diversas unidades. Problemas desafiantes en las revisiones de logros. Gran cantidad de problemas nuevos para la práctica del estudiante. Validez acorde a la edición más reciente del Código Eléctrico Nacional®. Contenido actualizado en base a las sugerencias propuestas por los profesores. Resúmenes en todas las unidades.

vii

REVISOR TÉCNICO Ing. Fernández, Saturnino. Electrotécnico en E.N.E.T N°1 “Ing. Otto Krause”; Ingeniero en Electrónica en la Universidad Tecnológica Nacional, Facultad Regional Buenos Aires. Docente en las áreas de Eléctrica y Electrónica en ámbitos técnico-secundarios y universitarios desde el año 1980, Electrónica Industrial, I nstalaciones Eléctricas, Teoría de Circuitos, Electrónica Aplicada, Técnicas Digitales, entre otras. Profesional independiente orientado al área de sistemas informáticos: diseño e implementación de redes estructurales, provisión y puesta en marcha de puntos de venta fiscales, instalación de sistemas operativos y aplicaciones cliente-servidor, proyectos “llave en mano”, cursos de perfeccionamiento y capacitación.

viii

ECUACIONES ECUACIONES EN BASE A LA LEY LEY DE OHM

E

E = IR I

I

=

R R =

E I

P = IE

P

I I

E R

=

E E =

P E P I

ix

U•N•I•D•A•D

1

INTRODUCCIÓN OBJETIVOS Al concluir el estudio de esta unidad, el estudiante podrá: • Enumerar las áreas de trabajo con las que trabajó el estudiante de electricidad. • Debatir la ética y las calificaciones necesarias para la formación profesional en electricidad. • Describir el programa educativo y debatir sus valores.

Al comenzar un nuevo programa de estudio, la persona debe conocer perfectamente la naturaleza del programa, sus valores y requisitos. Esto resulta especialmente impor tante cuando el programa implica

la capacitación para una profesión continua y duradera.

DESCRIPCIÓN DESCRIPCIÓN DE LA FORMA FORMACIÓN PROFESIONAL PROFESIONAL La formación profesional en electricidad constituye uno de los oficios básicos yendestrezas la industria de la construcción. Se trata de un oficio en el que se reconocen y premian las aptitudes de un individuo. La formación requerida incluye las siguientes áreas: instalación eléctrica en nuevas construcciones, renovación de la instalación eléctrica en construcciones viejas, mantenimiento y reparación eléctrica, localización y solución de problemas en equipos e instalaciones eléctricas. Muchas de estas áreas son comunes a los campos de potencia y electrónica. El trabajo implicado en todos estos campos está estrecha mente relacionado a losconceptos técnicos

y teóricos de la electricidad que sólo una persona capacitada puede realizar. Esto es totalmente cierto en el campo de la electrónica. Debido a que se utilizan cada vez más equipos electrónicos, se espera que el electricista sea capaz de instalar y mantener estos equipos. Por lo tanto, el electricista aprendiz debe adquirir la información técnica relacionada.

CONDICIONES LABORALES LABORALES DE LA PROFESIÓN El entorno y las condiciones laborales del electricista profesional son favorables. Se puede trabajar

tanto en exteriores como en interiores. Las horas de trabajo y las condiciones le permiten al trabajador eléctrico encontrar placer mientras realiza un trabajo de primera clase. En muchos trabajos, los oficiales

tienen la oportunidad de tratar con los clientes; por lo tanto, la conducta personal del trabajador experi-

1

2

Unidad 1 Introducción ►

mentado afecta el progreso futuro de la profesión y la industria. La formación profesional en electricidad requiere un alto grado de responsabilidad de parte del técnico capacitado ya que esta persona estará a cargo

de interconectar y construir complejos sistemas eléctricos, los cuales están controlados por códigos de construcción locales y estatales, el Código Eléctrico Nacional® y las NORMAS IRAM. Como resultado, el trabajo requiere de técnicos calificados.

OPORTUN OPORTUNIDADES IDADES EN LA LA PROFESIÓN El interés general del público en la construcción de edificios en la actualidad requiere de una mayor

cantidad de electricistas altamente calificados. Mientras que los hogares modernos, las oficinas y las fábricas requieren un mayor nivel de competencia en los trabajos eléctricos. El aumento constante de los nuevos tipos de construcciones, los nuevos equipos eléctricos y sus nuevos usos ofrecen crecientes oportunidades laborales para los electricistas calificados. El uso cada vez más amplio de los equipos electrónicos en el campo de la energía ha demostrado la necesidad de capacitación avanzada por parte de los electricistas. Los avances tecnológicos han generado nuevas mejoras, ideas y procesos. El aprendiz debe estar familiarizado de estos descubrimientos para avanzar en la profesión. El creciente uso de esta información por parte de los electricistas convierte a la profesión en un oficio más interesante y atractivo. El aprendiz

puede convertirse en un oficial de primera clase a través de la comprensión de nuevas fases del campo eléctrico. Un oficial de primera clase puede avanzar hasta alcanzar el puesto de capataz o contratista. La profesión requiere de individuos con un conocimiento total de las fases técnicas y prácticas del oficio, incluidos aquellos que pueden supervisar a los trabajadores durante el trabajo. Algunos de los campos que ofrecen oportunidades son la construcción eléctrica, construcción de líneas, instalación de cables, sistemas de señalización, sistemas de iluminación y energía, mantenimiento

y reparación de motores eléctricos, servicio de reparación de equipos y aparatos en electrónica industrial. Debido a las crecientes demandas de nuestra sociedad, las nuevas oportunidades se desar rollan con rapidez.

ÉTICA PROFESIONAL A los electricistas se los evalúa por la calidad de su trabajo y su actitud para con sus compañeros, empleadores y el público. Un buen electricista se enorgullece por realizar un trabajo de calidad y ofrece un día de trabajo honesto a cambio del pago honesto por dicho día. En cada una de las actividades se espera un trabajo preciso y completo, incluido el manejo seguro de los materiales (Figura 1-1). La mayor parte del trabajo se realiza en forma individual y sin supervisión.

REQUISITOS REQUISITOS DE EMPLEO Educativos El estudiante debe ser graduado de la escuela superior o equivalente, y tener ganas de aprender las habilidades y la información necesarias para tener éxito en la profesión. Se espera que el estudiante posea un conocimiento básico de matemática ya que esto ayuda a comprender fórmulas eléctricas importantes y necesarias.

Unidad 1 I ntroducción ►

3

Físicos La persona debe ser lo suficientemente fuerte para llevar a cabo determinadas tareas ya que este oficio requiere una considerable cantidad de movimientos, escalar y trabajar bajo condiciones que demandan fuerza muscular. El estudiante debe tener un buen estado general de salud. Figura 1-1 – Manejo seguro.

Generales Al estudiante debe gustarle trabajar con equipos eléctricos y debe interesarse por la teoría general de la electricidad. Debe gustarle trabajar con otros en forma cooperativa. Los electricistas por lo general

trabajan de a dos y también con personas de otros sindicatos. La profesión requiere una afición tanto por el trabajo en exteriores como en interiores y una buena disposición a compartir el trabajo manual.

EL VALOR VALOR DE LOS PROGRA PROGRAMAS MAS DE APRENDIZAJ APRENDIZAJE E • El aprendizaje es una experiencia educativa. • Un programa de aprendizaje proporciona una capacitación organizada. • Un aprendizaje controlado reúne los factores fundamentales necesarios para convertirse en un

técnico calificado. • El aprendizaje es un medio práctico y eficaz para capacitar a un técnico calificado. • Un programa de aprendizaje es beneficioso tanto para el aprendiz, el empleador, el sindicato y la

sociedad ya que todos obtienen trabajos de mejor calidad. • Los electricistas exitosos logran resultados de acuerdo con sus conocimientos y habilidades.

Contar con los requisitos más altos es una ventaja.

4

Unidad 1 Introducción ►

Figura 1-2 – Casco y antiparras protectoras.

RESPONSABILIDADES Los programas educativos asociados con las experiencias laborales le brindan al estudiante la oportunidad de a dquirir el conocimiento y las habilidades necesarias para convertirse e n un técnico calificado. Es responsabilidad del aprendiz aprovechar al máximo estas oportunidades. Se espera que los estudiantes se interesen por su trabajo, que deseen aprender para poder adaptarse

a las necesidades de la organización del empleador, que planifiquen y organicen su trabajo de manera eficiente, que sean emprendedores y sepan cómo conservar los materiales. Se espera además que los estudiantes sean puntuales, que mantengan una buena salud, que desarrollen iniciativas y capacidad de liderazgo, que cooperen de diferentes maneras, sean prolijos en su apariencia y empleen procedimientos de trabajo seguros en todas las ocasiones con el equipo apropiado (Figura 1-2). Se espera que los estudiantes estén actualizados acerca de nuevos hechos, ideas y procedimientos.

Debido a que también se espera la continuación del aprendizaje mientras se avanza, el aprendiz debe prepararse para asistir a la escuela para adquirir la capacitación técnica y específica necesaria.

EL PROGRAMA PROGRAMA DE CAPACITACIÓN RELACIONADA Por lo general, un programa de aprendizaje requiere la asistencia del estudiante a clases de temas relacionados por una cantidad mínima de horas. La duración del período de aprendizaje en la profesión de electricista por lo general comprende cinco años. En determinadas localidades, el tiempo dedicado a la capacitación relacionada no se clasifica como tiempo de trabajo y por lo tanto no es pago, mientras que otras localidades, la asistencia a la escuela se considera tiempo de trabajo por lo que el estudiante recibe un pago según la tarifa salarial imperante. El programa de capacitación consiste en cursos en base a las divisiones deltrabajo dentro del oficio, por ejemplo cableado residencial, cableado comercial, cableado de una planta industrial, mantenimiento y reparación. Cada curso incluye información, tal como ciencia del oficio, matemática del oficio y teoría

y práctica del oficio.

Unidad 1 I ntroducción ►

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Si los estudiantes ingresan a un programa de capacitación relacionada al mismo tiempo en que se dicta el curso, recibirá la capacitación en la forma habitual por medio de la asistencia a clases. Si el curso de capacitación relacionada no se dicta en el momento en que los estudiantes ingresan al programa, la información se adquirirá a través del estudio personal, bajo la supervisión y la asistencia de un instructor.

Se espera que los estudiantes proporcionen sus propios materiales, tales como libros de texto, apuntes y cuadernillos de ejercicios, según la recomendación del instructor.

RESUMEN Los electricistas y los trabajadores eléctricos de toda clase se solicitan con mucha frecuencia hoy en día. El pago se relaciona directamente con el conocimiento y las habilidades de los trabajadores y su

capacidad de mantenerse actualizados acerca de los cambios en la industria. Es fundamental la compren-

sión sólida de los conceptos eléctricos. Los programas de aprendizaje se encuentran en la mayoría de las comunidades en todo el país, además de las oportunidades de capacitación relacionada en las escuelas locales y en los colegios técnicos municipales.

REVISIÓN REVISIÓN DE LOGROS LOGROS 1. Mencione tres campos que ofrecen oportunidades en la profesión. __________________________________________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________________________________________

2. Describa brevemente los requisitos educativos y físicos para el empleo. __________________________________________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________________________...