electricidad básica en vehículos automotrices y componentes PDF

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electricidad aplicada en fusibles placas de diodos alternador y motor de arranque...

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ELECTRICIDAD AUTOMOTRIZ

◄ Capítulo 1 ►

PRINCIPIOS DEL SISTEMA ELÉCTRICO OBJETIVOS Después de estudiar en capítulo 1, el alumno será capaz de: 1. 2. 3. 4.

Definir la electricidad. Explicar las unidades de medición de la electricidad. Conocer la relación entre volts, amperes y ohms. Explicar cómo se utiliza el magnetismo en aplicaciones automotrices.

El sistema eléctrico es uno de los sistemas más importantes en un vehículo moderno. Cada año, más y más componentes y sistemas utilizan la electricidad. Los técnicos que realmente conozcan y entiendan la electricidad automotriz y los sistemas electrónicos, tendrán mayor demanda.

ELECTRICIDAD La palabra electricidad viene de la palabra griega elektron, que significa ámbar (una resina fósil). Los antiguos producían cargas eléctricas frotando el ámbar sobre lana. Esto producía electricidad estática, la cual fue el primer tipo de electricidad conocida. Se llama estática (sin movimiento) porque la carga está en reposo y no en movimiento a través de un alambre. Se detectó que realmente hay dos tipos de cargas eléctricas. Cuando una varilla de hule se frotaba sobre franela o piel, se generaba una carga negativa (-) en la varilla. Cuando una varilla de vidrio se frotaba contra seda, la varilla de cristal tenía una carga positiva (+). Véase figura 1-1.

RECOPILACIÓN: Heriberto Carrasco Pérez

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FIGURA 1-1 Un instrumento de prueba electroscopio muestra que las cargas positivas y negativas se oponen. También se descubrió que los objetos con cargas iguales (ambas positivas o ambas negativas) se repelen o se separen una de otra. Los objetivos con cargas diferentes (una positiva y otra negativa) se atraen o se mueven una hacia otra. Se determinó que las cargas negativas son causadas por un átomo con un número extra de electrones de carga negativa. Véase la figura 1-2. La electricidad es en realidad el movimiento de electrones de un átomo a otro.

FIGURA 1-2 Dos cargas negativas (o positivas) se repelen, mientras que cargas diferentes se atraen.

RECOPILACIÓN: Heriberto Carrasco Pérez

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EL ÁTOMO Y LOS ELECTRONES Para comenzar la explicación de lo que es la electricidad, se debe comprender primero la composición de un átomo. Un átomo es la unidad más pequeña de toda materia en el universo. Nuestro universo está compuesto de materia, la cual es cualquier cosa que tenga masa y ocupe espacio. La materia es, por tanto, cualquier cosa, excepto la nada en el espacio. La materia puede estar en forma sólida como una mesa, o en forma líquida como el agua y la gasolina. También puede estar en estado gaseoso como el vapor de agua o vapores de gasolina. Toda la materia está formada por algunos de los más de 100 componentes individuales llamados elementos. Si un elemento es reducido en cuanto a su tamaño, la parte más pequeña de él se llama átomo. Véase en la figura 1-3. El centro denso de cada átomo se llama núcleo, el cual contiene protones, de carga positiva, y neutrones que no tienen carga eléctrica. Orbitando alrededor del núcleo están los electrones, que tienen una carga negativa y cuyo peso es sólo 1/1800 del peso del protón. Cada átomo contiene un número igual de electrones y protones. Debido a que el número de electrones con carga negativa está balanceado con un mismo número de protones de carga positiva, un átomo tiene una carga neutra (sin carga).

NOTA: Para tener una idea de los tamaños relativos de las partes de un átomo, considere que si un átomo fuera amplificado tanto que el núcleo fuese el tamaño del punto al final de este párrafo, todo el átomo sería más grande que una casa.

FIGURA 1-3 El átomo de hidrógeno es el más sencillo, tiene únicamente un protón, un neutrón y un electrón. Los elementos más complejos contienen un número mucho mayor de protones, neutrones y electrones.

RECOPILACIÓN: Heriberto Carrasco Pérez

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ÓRBITAS DE ELECTRONES Cada elemento en el universo tiene su propio átomo característico individual, el cual tiene su propio número de protones, neutrones y electrones. El átomo tiene el mismo número de electrones en las órbitas alrededor de su núcleo que de protones. Los electrones viajan en órbitas a distancia variable del centro del núcleo, dependiendo del número de los mismos. Estas órbitas diferentes (llamadas capas) se identifican con las letras: K,L,M,N,O, y así sucesivamente. La órbita más cercana al núcleo es la órbita k, y tiene un límite de dos electrones. Si un átomo tiene más de dos electrones, los electrones adicionales tienen que moverse más lejos del núcleo. Véase la figura 1-4. La segunda órbita desde el núcleo se llama la capa L, y tiene una capacidad máxima de ocho electrones. Hay muchas capas diferentes, y cada una tiene su propio límite de electrones que pueden ocupar la capa. Las cinco capas más cercanas, junto con el número de electrones necesarios para llenarlas, son las siguientes: Capa K, 2 electrones Capa L, 8 electrones Capa M, 18 electrones Capa N, 32 electrones Capa O, 32 electrones

RECOPILACIÓN: Heriberto Carrasco Pérez

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FIGURA 1-4 Capas de electrones. A medida que se llena una capa (órbita de electrón) cercana al núcleo, los electrones adicionales para un átomo en particular deben comenzar a llenar las órbitas más alejadas del núcleo.

NIVELES DE ENERGÍA Entre más alejados están los electrones del núcleo del átomo, es mayor su nivel de energía. Algunos átomos no llenan completamente todas sus capas con electrones; en lugar de ello electrones con más alto nivel de energía giran alrededor del núcleo en capas más distantes. Ningún elemento tiene más de ocho electrones en su órbita exterior. El elemento aluminio contiene trece electrones. Estos electrones llenan la capa K (dos) y la capa L (ocho) y comienza a llenar la capa M con sus tres electrones restantes. Como la capa M tiene una capacidad para dieciocho electrones, esto deja la órbita exterior relativamente vacía con sus tres electrones. Si un elemento tiene menos de cuatro electrones en su órbita exterior, los electrones se llaman electrones libres porque pueden ser fácilmente “sacados de su capa por una fuerza eléctrica y enviados hacia dentro de la capa de un átomo idéntico adyacente. Estos electrones de capa exterior se conocen también como electrones de valencia porque pueden interactuar con otros electrones para crear enlaces entre elementos donde son compartidos, o pueden interactuar con los electrones de algún otro átomo del mismo elemento para formar moléculas, compuestos u otra combinación de átomos. Entre más alejados están los electrones libres del núcleo, es más débil la fuerza de “atracción” positiva de los protones del núcleo sobre la atracción negativa de los electrones. Véase la figura 1.5 como ejemplo de un átomo con un electrón libre. La resistencia de los electrones libres para moverse de un átomo a otro es menor en elementos que tienen pocos electrones en su órbita exterior. Este movimiento de electrones libres explica cómo se producen las cargas eléctricas estáticas. Una varilla de hule frotada contra una franela o piel, realmente transfiere electrones libres desde la franela o piel hacia dentro de la órbita exterior de la varilla de hule, creando temporalmente átomos de hule que tienen más electrones negativos que protones positivos. Los átomos de hule resultantes tienen una carga negativa. Si una varilla de cristal se frota contra la seda, ésta saca electrones de la varilla de cristal y se imparte a la varilla una carga positiva neta.

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FIGURA 1-5 Átomo de plata. El elemento plata tiene la más baja resistencia que cualquier otro conductor porque el electrón libre está ligado débilmente.

CONDUCTORES Los conductores son materiales con menos de cuatro electrones en la órbita exterior de sus átomos. El cobre es un ejemplo de un excelente conductor, porque sólo tiene un electrón en su órbita exterior. Esta órbita está suficientemente alejada del núcleo del átomo de cobre como para que la atracción o fuerza de retención sobre el electrón en la órbita exterior sea relativamente débil. (El cobre es el conductor que más se utiliza en los vehículos porque su precio es razonable comparado con el costo relativo de otros conductores con propiedades similares.) Todos los buenos conductores de electricidad son también buenos conductores del calor y del frío. Los conductores se clasifican también como metales. El hierro, acero, cobre, aluminio, plata y oro son ejemplos de metales (conductores). Los metales pueden ser, además, clasificados como los que contienen hierro (metales ferrosos), como el hierro fundido o el acero, y metales que no contienen hierro (metales no ferrosos). El cobre, plata, mercurio, oro y aluminio, son ejemplos de metales no ferrosos.

CÓMO LA RESISTENCIA DEL CONDUCTOR AUMENTA CON EL CALOR Cuando en cualquier conductor, como un alambre de cobre, se aumenta la temperatura, aumenta también su resistencia eléctrica. Este aumento en la resistencia se debe a las incontables colisiones de los electrones con la acelerada vibración de los átomos del conductor. A altas temperaturas, las vibraciones de los átomos llegan a ser más intensas y aumenta la resistencia al flujo de corriente. Véase la figura 1.6. Por lo anterior, muchos motores de arranque tienen escudos térmicos para evitar que el calor del motor del vehículo afecte al motor de arranque. Si se quitase el escudo térmico, el calor del motor del auto podría causar que los devanados de cobre y solenoide (si hay) de la marcha aumenten su resistencia. El resultado sería con arranque lento de la marcha cuando el motor del auto estuviera caliente, aun cuando la marcha podría operar normalmente cuando el motor del auto estuviera frío.

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FIGURA 1-6 Conforme aumenta la temperatura de un conductor, también aumenta su resistencia eléctrica.

AISLADORES Los aisladores son materiales con más de cuatro electrones en la órbita exterior de sus átomos. Como tienen más de cuatro electrones en su órbita exterior, resulta más fácil para estos materiales adquirir (ganar) electrones que ceder electrones. Ejemplo de aisladores son los plásticos, madera, vidrio, hule, cerámicas (bujías de encendido) y barnices para recubrir (aislar) alambres de cobre en alternadores y marchas.

SEMICONDUCTORES Los materiales con cuatro electrones exactamente en su órbita exterior, no son ni conductores ni aislantes, y se conocen como semiconductores. Véase el capítulo 3 para mayor explicación y conocer sus aplicaciones.

CORRIENTE ELÉCTRICA El movimiento de electrones a través de un conductor se llama corriente (movimiento) eléctrica, en contraste con la electricidad estática, en la cual no hay movimiento. De hecho, una vez que la electricidad estática es descargada, se convierte en corriente eléctrica porque las cargas están entonces en movimiento y ya no son estáticas.

CÓMO SE MUEVEN LOS ELECTRONES A TRAVÉS DE UN CONDUCTOR Un conductor contiene átomos neutros cuyos electrones están en constantes movimiento al azar dentro del material. Los electrones son normalmente golpeados en todas direcciones por los átomos, los cuáles están vibrando a una velocidad de millones de veces por segundo. Si una fuente de poder exterior, como una batería, es conectada a los extremos de un conductor, se coloca una carga positiva (carencia de electrones) a un extremo del conductor, y una carga negativa se coloca en el extremo opuesto del conductor. La carga negativa rechaza los electrones libres de los átomos del conductor mientras que la carga positiva en el extremo opuesto del conductor los atrae. Como resultado de esta atracción de cargas opuestas y repulsión de cargas iguales, los electrones fluirán a través del conductor. Véase en la figura 1-7. Estos electrones realmente viajan en un curso zigzagueante de un átomo a otro. Como cada electrón dispara otros electrones en una reacción en cadena, el efecto total es el flujo de electrones a través del conductor, viajando a una velocidad cercana a la de la luz. Está

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acción electrónica es similar al movimiento que se aprecia cuando uno empuja una hilera de fichas de dominó o golpea una hilera de bolas de billar. Véase la figura 1-8.

Figura 1-7 La corriente eléctrica es el movimiento de electrones a través de un conductor.

Figura 1-8 El movimiento de electrones a través de un conductor es similar a la acción de unas pelotas de golf cuando se empujan a través de un tubo de plástico.

TEORÍA CONVENCIONAL EN COMPARACIÓN CON LA TEORÍA ELECTRÓNICA Alguna vez se pensó que la electricidad tenía sólo una carga y que se movía del positivo al negativo. Esta teoría del flujo de la electricidad a través de un conductor se conoce como la teoría convencional del flujo de corriente. Véase en la figura 1-9. Después del descubrimiento del electrón y su carga negativa, surgió la teoría electrónica, la cual indica que hay un flujo de electrones del negativo al positivo. La mayor parte de las aplicaciones automotrices utiliza la teoría convencional. Este manual empleará la teoría convencional a menos que se indique lo contrario.

TEORÍA CONVENCIONAL +

-

TEORÍA ELECTRÓNICA -

+

FIGURA 1-9 La teoría convencional de la electricidad establece que la corriente fluye del positivo al negativo. La teoría electrónica establece que la corriente fluye del negativo al positivo. RECOPILACIÓN: Heriberto Carrasco Pérez

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AMPERES El ampere es la unidad empleada en todo el mundo como una medida de la cantidad del flujo de corriente. Cuando 6.28 billones de billones de electrones (el nombre de este enorme número de electrones es 1 culombio) se mueven pasando un cierto punto en un segundo, esto representa 1 ampere de corriente. Véase la figura 1-10. El ampere es la unidad eléctrica de la cantidad del flujo de electrones, así como los galones por minuto es la unidad que se emplea para medir la cantidad del flujo de agua. Su nombre se debe al electricista francés, André Marie Ampere (1775-1836). El empleo, abreviaturas convencionales y mediciones para los amperes se resumen como sigue: 1. El ampere es la unidad de medición de la cantidad del flujo de electrones. 2. A y amps se aceptan como abreviaturas de amperes. 3. La letra mayúscula I intensidad, se emplea en cálculos matemáticos para representar los amperes. 4. Los amperes se miden con un amperímetro.

ALAMBRE DE COBRE 6.28 BILLONES DE BILLONES ELECTRONES POR SEGUNDO

(1 AMPERE)

FIGURA 1-10 Un ampere es el movimiento de I culombio (6.28 billones de billón de electrones) que pasa por un punto en I segundo.

VOLTS El volt es la unidad de medida de la presión eléctrica. Su nombre procede de Alessandro Volta (1745-1827), un físico italiano. La unidad comparable usando agua como ejemplo, podría ser libras por pulgada cuadrada (psi). Es posible tener presiones muy altas (volts) y bajo flujo de agua (amperes). Es también posible tener muy alto flujo de agua (amperes) y bajas presiones (volts). El voltaje es conocido también como potencial eléctrico, porque si hay voltaje presente en un conductor, hay potencial (posibilidad) para el flujo de

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corriente. El voltaje no fluye a través de conductores, pero sí es el causante de que la corriente (en amperes) fluya a través del conductor. Los usos, abreviaturas convencionales y mediciones para el voltaje son como sigue: 1. 2. 3. 4. 5.

El volt es la unidad de medición para la cantidad de presión eléctrica. Fuerza electromotriz, abreviatura FEM, es otra forma de indicar el voltaje. V es la abreviatura generalmente aceptada para volts. El símbolo usado para cálculos es E para fuerza electromotriz. Los volts se miden con un voltímetro.

OHMS La resistencia al flujo de la corriente a través de un conductor se mide en unidades llamadas ohms, en honor del físico alemán Georg Simon Ohm (1787-1854). La resistencia al flujo de electrones libres a través de un conductor resulta de la infinidad de colisiones de los electrones causadas dentro de los átomos del conductor. Los usos, abreviaturas convencionales y mediciones para la resistencia son como sigue: 1. El ohm es la unidad de medida para la resistencia eléctrica. 2. El símbolo del ohm es Ω (letra griega omega mayúscula), la última letra del alfabeto griego. 3. El símbolo empleado en cálculos es R para la resistencia. 4. Los ohms se miden con un ohmiómetro.

CONDUCTORES Y RESISTENCIA Todos los conductores tienen alguna resistencia al flujo de corriente. Varios principios de conductores y sus resistencias incluyen lo siguiente: 1. Si se duplica la longitud del conductor, su resistencia se duplica. Ésta es la razón por la cual los cables de la batería se diseñan lo más cortos posible. 2. Si se aumenta el diámetro del conductor, se reduce su resistencia. Ésta es la razón por la que los cables del motor de arranque son de mayor diámetro que otro cableado del vehículo. Véase el capítulo 5 para mayores detalles sobre el calibre de los alambres. 3. Conforme aumenta la temperatura del conductor, aumenta también su resistencia. Ésta es la razón por la cual se instalan escudos térmicos en algunos motores de arranque. El escudo térmico ayuda a proteger los conductores (alambre de cobre en el interior de la marcha) del excesivo calor del motor del auto para ayudar a reducir la resistencia del circuito de la marcha. Debido a que un conductor aumenta su resistencia al aumentar la temperatura, el conductor se llama resistor de coeficiente de temperatura positivo (PTC, en inglés). RECOPILACIÓN: Heriberto Carrasco Pérez

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_______________________________________________________________________ NOTA: La mayor parte de los sensores de temperatura empleados por las computadoras del vehículo utilizan un material semiconductor que realmente disminuye su resistencia conforme aumenta la temperatura. Esto se llama resistencia de coeficiente de temperatura negativo (NTC, en inglés). (También se conoce como termistor debido a que la resistencia cambia con el termómetro [temperatura].) La diferencia entre PTC y NTC es la dirección en que cambia la resistencia al aumentar. Véase el capítulo 3 para información adicional sobre termistores.

RESISTORES La resistencia es la oposición al flujo de corriente. Los resistores representan una carga eléctrica o resistencia al flujo de corriente. La mayor parte de los dispositivos eléctricos y electrónicos emplean resistores de valores específicos para limitar y controlar el flujo de corriente. Los resistores pueden ser de carbón u otro material que restrinja el flujo de la electricidad. Los resistores están disponibles en varios tamaños y valores. La mayor parte de los resistores tienen una serie de banda de color alrededor de ellos. Estas bandas de color son el código para indicar el valor del resistor. Véase la figura 1-11. El tamaño del resistor está relacionado con qué tanta corriente puede controlar. El tamaño (no el valor de la resistencia) es calibrado en unidades llamadas watts (abreviado W). Un watt es la corriente en amperes multiplicada por el voltaje en el circuito (Watts = amperes x volts). Véase en la figura 1.12. Un resistor puede ser medido con un ohmiómetro o un multímetro ajustado para medir ohms, para verificar su resistencia y compararla con la que debería ser, de acuerdo con su código de color. Véase la figura 1-13.

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