Electrotecnia básica para técnicos VLADIMIR PINZÓN VILLAREAL DAVES ROA BORRÉ PDF

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1 1 ISBN: 978-958-56056-1-9 Electrotecnia básica para técnicos 2012 Instituto Tecnológico de Soledad Atlántico ITSA (958-57393) Vladimir Pinzón Villarreal Daves Roa Borré Instituto Tecnológico de Soledad Atlántico 31/01/2012 VLADIMIR PINZÓN VILLAREAL DAVES ROA BORRÉ 2 INTRODUCCIÓN A LA ELECTROTECNIA...

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Instituto Tecnológico de Soledad Atlántico ITSA (958-57393)

ISBN: 978-958-56056-1-9

1

Electrotecnia básica para técnicos

2012

Vladimir Pinzón Villarreal Daves Roa Borré Instituto Tecnológico de Soledad Atlántico 31/01/2012

VLADIMIR PINZÓN VILLAREAL DAVES ROA BORRÉ

2

INTRODUCCIÓN A LA ELECTROTECNIA

Desde el principio de su existencia el hombre se ha cuestionado acerca del origen y principio de todas las cosas que hacen parte de su vida diaria, es así como, se interesó por la electricidad y sus fenómenos. Esto ha llevado el desarrollo tecnológico a altos niveles y ha incrementado la utilización de circuitos eléctricos y electrónicos en las industrias de la electromecánica, la electrónica, las telecomunicaciones, la informática y otros campos de la tecnología; creando la necesidad de conocer los fundamentos de la electrotecnia y cada uno de los elementos que conforman un sistema eléctrico, tanto para su aplicación como para la comprensión del funcionamiento de equipos e instrumentos eléctricos y electrónicos. Para Hermosa (2013), la electrotecnia se puede definir como una ciencia que se encarga de estudiar la aplicación práctica de la electricidad así como del electromagnetismo. El origen del término viene de electro y techne, que quieren decir tecnología en la electricidad. Abarca un amplio número de campos relacionados, entre los que se destacan los sistemas de iluminación, maquinas eléctricas, controles eléctricos, etc.

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CONCEPTOS BÁSICOS

1.

Para lograr comprender esta ciencia se hace necesario el uso de ciertos términos y conceptos básicos que permiten una mejor comprensión y análisis de los diferentes sistemas eléctricos existentes en electrotecnia. 1.1.

Unidades del sistema internacional

El estudio de la Electrotecnia nos obliga a conocer las unidades y magnitudes que se manejan en electricidad y que se estarán mencionando a lo largo del libro. Tabla 1. Unidades del sistema internacional. MAGNITUD

SIMBOLO

UNIDAD

ABREVIATURA

L, l

Metro

m

M, m

Kilogramo

Kg

t

Segundo

s

Intensidad de corriente

I, i

Amperio

A

Temperatura

T

Kelvin

K

mol

mol

Candela

Cd

Longitud Masa Tiempo

Cantidad de sustancia Intensidad luminosa Carga eléctrica

Q, q

Coulombio

C

Potencial Eléctrico

V, v

Voltio

Resistencia

R

Ohmio

V W

Conductancia

G

Siemens

S

Inductancia

L

Henrio

H

Capacitancia

C

Faradio

F

Frecuencia

f

Hertz

Hz

Energía

W

Julio

J

Potencia

P f

Watt

W

Weber

Wb

B

Tesla

T

Flujo Magnético Densidad de flujo magnético

1.2.

Fuente: Elaboración propia

Notación científica

Hubert (1990), dice que la notación científica es una forma conveniente para comparar números o una indicación de cifras significativas. Un número expresado en notación científica se escribe con el punto decimal a la derecha del primer dígito y un multiplicador 10N, para indicar el valor del número. Cantidad Notación Científica 0,016 1,6X10-2 594 5,94X102 0,00045 4,5X10-4 6500000 6,5X106 1543,68 1,54368X103

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Múltiplos y submúltiplos Estos se forman por medio de prefijos que designan los factores numéricos decimales por los que se multiplica la unidad. La Tabla 2 muestra los principales múltiplos y submúltiplos utilizados en electrotecnia. Tabla 2. Múltiplos y Submúltiplos. Factor 1018 1015 1012 109 106 103 102 101

Múltiplos Prefijo Exa Peta Tera Giga Mega Kilo Hecto Deca

Símbolo E P T G M K H D

Factor 10-1 10-2 10-3 10-6 10-9 10-12 10-15 10-18

Submúltiplos Prefijo Deci Centi Mili Micro Nano Pico Femto Atto

Símbolo d c m m n p f A

Fuente: Castejón, A., & Santamaría, G. (1993). Tecnología Eléctrica (Primera). Mc Graw Hill.

En electrotecnia los múltiplos y submúltiplos más utilizados son: Giga, Mega, Kilo, mili, micro, nano y pico. Ejemplos: Cantidad 4000 V 6875000 W 0,084 A 0,0000017 F 0,0000000562 C 65340 A 1.3.

Notación científica 4 x 103 V 6,875 x 106 W 84 x 10-3 A 1,7 x 10-6 F 56,2 x 10-9 C 65,34 x 103 A

Múltiplo / submúltiplo 4 KV 6,875 MW 84 mA 1,7 mF 56,2 nC 65,34 KA

¿Qué es la electricidad?

SENA (2016), indica que la electricidad es una forma de energía que se da naturalmente, pero también puede ser producida artificialmente. Esta forma de energía se caracteriza por su gran poder de transformación, es decir, se puede convertir en otras formas de energía como la luz, el calor, el sonido, el movimiento, etc. Si no se sabía, un Rayo es una descarga eléctrica de gran poder capaz de producir daños irreparables tanto a la naturaleza como a las estructuras o máquinas hechas por el hombre, estas descargas eléctricas son producidas por el rozamiento de las partículas de agua en la atmósfera cuyo nombre es electricidad estática, además el cuerpo humano funciona gracias a la electricidad, todos el sistema nervioso se encuentra interconectado por neuronas; estas son células que tienen la propiedad de conducir usando señales electroquímicas, las cuales nos permiten realizar los diferentes movimientos de nuestros músculos.

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Giancoli (2009), expone que una manifestación habitual de la electricidad es la fuerza de atracción o repulsión entre dos cuerpos estacionarios que, de acuerdo con el principio de acción y reacción, ejercen la misma fuerza eléctrica uno sobre otro. La carga eléctrica de cada cuerpo puede medirse en culombios. La fuerza entre dos partículas con cargas q1 y q2 puede calcularse a partir de la ley de Coulomb: Dónde; Fe : es la fuerza eléctrica K : es una constante que depende del medio que rodea las cargas q1, q2: es el valor de las cargas 1 y 2 d : es la distancia de separación entre las cargas El átomo

1.4.

Para conocer los efectos de la electricidad hay que ir a la partícula más pequeña con el fin de comprender sus efectos y principios más básicos. Floyd (2007), menciona que el átomo es la partícula más pequeña de la materia que mantiene su identidad o propiedades; sin embargo, gracias a la Física Nuclear quedó demostrado que dentro de éste existen otras partículas más pequeñas llamadas protones (cargas positivas), electrones (cargas negativas) y neutrones (cargas sin polaridad), todo este conjunto de partículas define e identifican las características de la materia. Un átomo está constituido por un núcleo cargado positivamente (Protones), alrededor del cual se encuentran partículas cargadas negativamente (electrones) ubicados en orbitas o cortezas.

Figura 1. Modelo atómico Fuente: Átomo: ¿Qué es un átomo? definición, estructura, historia, partes, concepto. (2012). Retrieved from http:// www.que-es-la-ciencia-quimica-y-fisica.info

En un átomo, la cantidad de protones es igual a la cantidad de electrones en las orbitas, lo cual indica que los átomos son partículas neutras. La cantidad de electrones en cada orbita o corteza viene dado por la ecuación 2n2, donde n es la órbita. Si se observa la tabla periódica, se notará que todos los elementos conocidos hasta el momento poseen un número, llamado número atómico y éste indica cuantos protones posee el elemento, que como se sabe será también igual al número de electrones y neutrones del mismo. Analícese, por ejemplo, el átomo de cobre, cuyo número atómico es 29, entonces: ฀ ฀ ฀ ฀

Órbita 1: 2(1)2 = 2 electrones 2 electrones 2 Órbita 2: 2(2) = 8 electrones 10 electrones Órbita 3: 2(3)2 =18 electrones 28 electrones, falta por colocar 1 electrón En la órbita 4 se colocaría este electrón para completar los 29 de su número atómico

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Figura 2. Estructura atómica del cobre Fuente: Elaboración propia

Entre estas cargas se ejercen fuerzas de atracción y repulsión. De los resultados experimentales, se encontró que: ฀ Las cargas iguales se repelen entre sí, es decir, cargas positivas se repelen, igual sucede con las cargas negativas. ฀ Las cargas diferentes se atraen entre sí, es decir, cargas positivas atraen cargas negativas y viceversa.

Figura 3. Fuerzas entre cargas eléctricas Fuente: Elaboración propia

Como se observó, el cobre en su última orbita solo tiene un electrón y por estar más lejos del núcleo este electrón (electrón de valencia) tiene menor fuerza de atracción, por lo tanto es más fácil de arrancar cuando se somete a un trabajo (voltaje). Esta característica hace del cobre uno de los mejores conductores, sin embargo a continuación se encontrará una tabla con el orden correcto de los conductores eléctricos iniciándose en el mejor conductor, el cual posee mayor conductividad o sea menor resistencia al paso de la corriente eléctrica. Cabe anotar que los elementos que aparecen en esta tabla como mejores conductores tienen un alto costo y que en su momento el cobre era la mejor opción (es más económico), aunque en estos días se han buscado nuevas alternativas ya que el cobre ha estado incrementando su valor, de allí el uso del aluminio cuyo precio es menor. En la tabla 3, se ordenan algunos metales y aleaciones comunes, comenzando por el mejor conductor, indicando su conductividad eléctrica aproximada a temperatura ambiente de 20°C, en unidades de 10 millones de siemens por metro, es decir 107 S/m. El siemens es la unidad de conductancia (G), que es el inverso de la resistencia (G = 1/R), en la tabla 4, se muestran valores aproximados de la resistividad eléctrica a 20°C y en 10-8 W/m, de algunos metales utilizados es dispositivos eléctricos.

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Tabla 3. Conductividad eléctrica de los metales. Metal Plata Cobre Oro Aluminio Latón Hierro Platino Acero al Carbono Acero inoxidable

Conductividad Eléctrica [ x107 s/m] 6.8 6.0 4.3 3.8 1.6 1.0 0.94 0.6 0.2 Fuente: Elaboración propia

Tabla 4. Resistividad eléctrica de los metales. Metal Plata Cobre Oro Aluminio Tungsteno Platino Bronce al aluminio Estaño Plomo

Resistividad Eléctrica [ x10-8W/m] 1.6 1.7 2.2 2.7 5.51 10.6 11 11.5 20.7 Fuente: Elaboración propia

2.

MAGNITUDES ELÉCTRICAS BÁSICAS

En electricidad existen muchas magnitudes (aquello que es posible medir), sin embargo, se puede decir que las básicas son cuatro, entre ellas se tienen la tensión eléctrica o voltaje, la corriente eléctrica, la resistencia eléctrica y la potencia eléctrica. La comprensión del comportamiento de estas magnitudes es pieza fundamental para el desarrollo de cualquier actividad relacionada con la electricidad, a continuación se detallará cada una de estas magnitudes: 2.1.

Resistencia eléctrica

En las magnitudes vistas con anterioridad, se puede establecer que se necesita una diferencia de potencial o tensión eléctrica para desplazar a los electrones, además se puede decir, que entre mayor sea esa diferencia de potencial eléctrico, mayor será la cantidad de electrones que se desplazarán,

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pero cabe recordar que existen diferentes tipos de elementos y algunos de ellos se comportan como excelentes conductores y otros como muy malos conductores de la electricidad. Por eso existe este término de Resistencia eléctrica, ya que dependiendo de cada elemento usado en un sistema eléctrico, existirán condiciones que influyen directamente sobre la corriente eléctrica. Dicho de otra forma, la corriente eléctrica no solo depende directamente de la Tensión que se aplique, sino también inversamente de la Resistencia eléctrica existente en el material o elemento que se use. Para comprender esto es necesario recordar que el vidrio, los polímeros (plásticos), la madera seca, el acrílico, el caucho y hasta el mismo aire, poseen una alta resistencia eléctrica; es decir no permiten el flujo de electrones con facilidad. A estos materiales se les da el nombre de Aislantes y éstos serán de utilidad para evitar que la corriente eléctrica circule por donde no se desea, un ejemplo de esto sería que circule por nuestro cuerpo lo cual podría causar quemaduras o hasta la misma muerte dependiendo del nivel de corriente eléctrica que circule. Cuando hay baja resistencia por parte del material, los electrones se mueven con facilidad como muestra la figura A, y cuando el material se comporta como mal conductor, o sea como aislante, figura B. Los electrones chocan y pueda que exista algún ligero movimiento o no, dependiendo de la tensión eléctrica y del material utilizado.

Figura 4. Conductor y aislante eléctrico Fuente: García, J. (2004). Qué es la resistencia eléctrica. Retrieved from http://www.asifunciona.c om/elec trote cnia/ ke_resistencia/ke_resistencia_1.htm

En otras palabras, la resistencia es la oposición que ofrece un circuito eléctrico al desplazamiento de los electrones (corriente eléctrica), se representa por la letra R y su unidad es el Ohmio (W).

Matemáticamente, la resistencia de cualquier material se puede calcular de acuerdo a la siguiente expresión: Donde; R: Resistencia del material [W] l: longitud del conductor [m] A: Área de la sección transversal del material [m2] P: Resistividad del material [W . m]

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La resistividad es la resistencia que ofrece un material a la corriente eléctrica, de longitud l y sección transversal unitaria de ese material. Si se trata de un conductor eléctrico:

Figura 5. Características geométricas de un conductor eléctrico. Fuente: Elaboración propia

Los valores típicos de resistividad de varios materiales a 23° C, son: Tabla 5. Resistividad eléctrica de algunos materiales Material Plata Cobre Oro Aluminio Tungsteno Hierro Acero Platino Plomo Nicromio Carbón Germanio Silicio Piel humana Vidrio Hule

Resistividad (W . m) 1.59 X 10-8 1.68 X 10-8 2.20 X10-8 2.65 X 10-8 5.6 X 10-8 9.71 X 10-8 7.2 X 10-7 1.1 X10-7 2.2 X 10-7 1.50 X 10-6 3.5 X 10-5 4.6 X 10-1 6.4 X 102 5 X 105 Aprox. 1010 a 1014 1013 Aprox.

Fuente: Elaboración propia

2.2.

Tensión eléctrica

Para Castejón & Santamaría (1993), la tensión eléctrica, también conocida como diferencia de potencial o voltaje, se define como el trabajo necesario para trasladar uina carga eléctrica desde un punto A hasta un punto B, generalmente estos puntos se encuentran en un conductor eléctrico y por consiguiente la tensión eléctrica deberá ser aplicada a estos puntos.

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Figura 6. Movimientos de electrones. Fuente: Elaboración propia.

La diferencia de potencial se representa por la letra V y su unidad es el Voltio [V]. Un voltio es el trabajo realizado por 1 julio cuando traslada de un punto a otro 1 culombio, el instrumento utilizado para medir esta magnitud recibe el nombre de Voltímetro.

Figura 7. Medición de voltaje. Fuente: Elaboración propia.

2.3.

Corriente eléctrica

En el ejemplo del átomo de cobre, el electrón de valencia se pone en circulación a través del conductor, cuando se somete a un voltaje, esto se conoce como corriente eléctrica, y se define como el movimiento de cargas eléctricas (electrones) con respecto al tiempo, a través de conductores metálicos, semiconductores, electrolitos o gases.

Figura 8. Movimiento de cargas eléctricas Fuente: Elaboración propia

La anterior definición implica el movimiento de electrones, y, por consiguiente, a la velocidad o intensidad de ese desplazamiento se le llama intensidad de corriente, que se define como la cantidad de electrones que pasan por un punto específico, en una dirección dada y en la unidad de tiempo. La intensidad de corriente se representa por la letra I, y su unidad es el Amperio [A]; Esta magnitud forma parte de las unidades básicas en el Sistema Internacional de Medidas y fue nombrado así en honor a André Marie Ampere, matemático y físico francés que descubriera el electromagnetismo.

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El instrumento utilizado para medir esta magnitud recibe el nombre de amperímetro. En un sistema eléctrico como el de la Figura 9 se puede observar el funcionamiento de una lámpara incandescente también llamada bombillo o bombilla, cuando es conectada a una batería; la batería es la fuente de energía eléctrica capaz de producir tensión, por eso se encuentran en ella dos polaridades: positivo (+) y negativo (-), las cuales al ser conectadas a la bombilla producirán una corriente eléctrica.

Figura 9. Circuito eléctrico Fuente: Elaboración propia.

De esta forma, la diferencia de potencial existente en la batería ejerce la fuerza necesaria para que los electrones se desplacen desde el polo negativo de la batería hasta el polo positivo de la misma atravesando claro está el filamento del bombillo, el cual se calentará al punto de ponerse al rojo vivo pero no se derretirá o se consumirá en fuego debido a que no hay oxigeno dentro de la ampolla, este sistema no ofrece muy buena reproducción de los colores (rendimiento de color), ya que no emite en la zona de colores fríos, pero al ser su espectro de emisiones continuo logra contener todas las longitudes de onda en la parte que emite del espectro.

Su eficiencia es muy baja, ya que solo convierte en trabajo (luz visible) alrededor del 15% de la energía consumida. Otro 25% será transformado en energía calorífica y el 60% restante en ondas no perceptibles (luz ultravioleta e infrarroja) que acaban convirtiéndose en calor.

Figura 10. Medición de corriente Fuente: Elaboración propia.

2.4.

Potencia eléctrica

La potencia eléctrica es la velocidad a la cual la energía se utiliza, almacena o transporta. Su símbolo es la letra P y su unidad es el Vatio o Watt [W]

P=V∙I

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2.5.

Energía eléctrica

La energía eléctrica o trabajo se produce cuando una fuente de energía eléctrica hace mover una carga eléctrica, desde un punto a otro entre los que hay una diferencia de potencial. Se representa por la letra E y su unidad es el Julio [J]. Es decir:

E=q∙V Ahora, como se sabe I = Q ⁄ t, , entonces Q = I ∙ t , si se remplaza este resultado en la ecuación de la energía, se obtiene: . Por lo tanto,

E=P∙t Es decir, que la energía también puede tener unidades de [W∙s] ó [kW∙s] ó [kW∙h] , que son las unidades en las que se mide la energía en la facturación que normalmente llega a la casa de cada usuario o a la industria o comercio. 2.6.

Elementos activos y pasivos

Edminister & Nahvi (1997), dice que cualquier equipo eléctrico se representa mediante un esquema, constituido por elementos de dos terminales conectados en serie, paralelo o una combinación de los dos. Por lo tanto, existen dos tipos de elementos: Activos y Pasivos. a. Elementos activos: son aquellos capaces de proporcionar energía a ...