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Instalaciones Eléctricas, segundo grado abril. Unidad 4. Trabajo de la Corriente Eléctrica y sus Aplicaciones. Elaboración final del Material: Jaime Alirio Zuluaga, Heriberto López, Diseño del Material Original de Consulta: Gerardo Saavedra, Javier Aguirre, Gerardo Mantilla, Holman González, Mario Logroño. Adecuación Metodológica y Asesoría General del Proyecto: Socorro Martínez (SENA, Colombia) Este material de Instalaciones Eléctricas ha sido reproducido con la autorización del Servicio Nacional de Aprendizaje -SENA -, de Colombia. CENAPEC agradece esta gentil colaboración. Los cursos de CENAPEC están aprobados por el Gobierno de la República Dominicana, según Decreto No. 1308 de fecha 27 de julio de 1971 y por la Secretaría de Estado de Educación, según Resolución No. 9.72 de fecha 8 de mayo de 1972. Centros APEC, de Educación a Distancia (CENAPEC) es una institución educativa, sin fines de lucro, fundada el 4 de abril de 1972 bajo los auspicios de Acción Pro-Educación y Cultura, Inc. (APEC). Su objetivo general es ofrecer programas a bajo costo a dominicanos adultos en áreas que incidan en el desarrollo nacional y contribuyan a mejorar la calidad de su vida, mediante el sistema de educación a distancia. UNIDAD 4 TRABAJO DE LA CORRIENTE ELÉCTRICA Y SUS APLICACIONES OBJETIVOS GENERALES: Al finalizar esta unidad, el estudiante será capaz de: 1. Reconocer un circuito eléctrico. 2. Diferenciar entre intensidad y resistencia eléctrica. 3. Reconocer las principales leyes que rigen la electricidad. 4. Comprender las múltiples aplicaciones de la corriente eléctrica. INSTALACIONES ELÉCTRICAS CONTENIDO LECCIÓN 9.1. TRABAJO DE LA CORRIENTE ELECTRICA. 9.1.1 El circuito eléctrico. Sus elementos 9.1.2. Intensidad de la corriente eléctrica 9.1.3 Concepto de la resistencia eléctrica 9.1.4. Ley de Ohm 13

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9.1.5. 9.1.6. 9.1.7. 9.1.8.

Trabajo de la corriente eléctrica 14 Potencia de la corriente eléctrica 15 Estudio cuantitativo del efecto calorífico de la corriente eléctrica....... Ley de Joule. Aplicaciones. 18

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LECCIÓN 9.2. APLICACIONES DE LA CORRIENTE ELÉCTRICA. 9.2.1. 9.2.2. 9.2.3. 9.2.4. 9.2.5. 9.2.6. 9.2.7.

Fusibles 21 El timbre eléctrico El teléfono 22 El telégrafo 22 La televisión 23 Los rayos x 27 La radioactividad

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Problemas Auto evaluación final Bibliografía NSTALACIONES ELÉCTRICAS

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9.1. TRABAJO DE LA CORRIENTE ELÉCTRICA. OBJETIVOS ESPECÍFICOS. El estudiante será capaz de: 1. Distinguir qué es un circuito abierto y qué es un circuito cerrado. 2. Calcular la intensidad de la corriente eléctrica. 3. Calcular la resistencia eléctrica. 4. Aplicar la ley de Ohm. 5. Calcular la potencia de una corriente, dados los datos suficientes. 6. Aplicar la ley de Joule. 7. Diferenciarlas distintas unidades utilizadas en la corriente eléctrica. 9.1.1. EL CIRCUITO ELÉCTRICO Y SUS ELEMENTOS. Podemos definir un circuito eléctrico corno el recorrido efectuado por la corriente eléctrica entre dos puntos considerados. Los elementos principales de un circuito eléctrico son: el generador con sus dos polos (en nuestro ejemplo la pila), la línea (en este caso el alambre que une la pila a la lamparilla) y el receptor (la lamparilla y la carga eléctrica). El generador es el instrumento que mantiene la diferencia de potencial entre los dos puntos desde los cuales se establece la corriente eléctrica.

Supongamos que disponemos de una pila y unimos sus bordes a una lamparilla eléctrica, entonces habremos formado un circuito. En este caso los electrones salen del borne negativo(A) pasan por el conductor, luego por el filamento de la lamparilla (L) y llegan al borde positivo (B). El recorrido A-L-B (borne negativo-lamparilla-borne positivo) es un circuito eléctrico. Los conductores son de dos tipos: los llamados de primera clase, cables metálicos y los de segunda clase, llamados electrolíticos (líquidos). La carga eléctrica del circuito, se conoce como resistencia eléctrica y esta formada pe los aparatos que utilizan la energía eléctrica (lámparas, motores, etc.) 9.1.2. INTENSIDAD DE LA CORRIENTE ELECTRICA. Los electrones libres en un conductor están ordinariamente en estado de movimiento caótico, en todas las direcciones,' Pero cuando una fuerza electromotriz como la que proporciona una pila se conecta a través del conductor, dichos electrones se orientan ordenadamente de un átomo a otro, desde el borne negativo de la pila al borne positivo. Este movimiento de electrones constituye la corriente eléctrica. Se desplazan con una velocidad relativamente pequeña, pero el impulso que provoca este desplazamiento se transmite con la velocidad de la luz. FUENTE F.E.M. (BATERÍA) FLUJO DE ELECTRONES FLUJO CONVENCIONAL DE CORRIENTE El conductor es si mismo permanece eléctricamente neutro. Los átomos del cable no ganan ni pierden electrones, ya que el mismo número de electrones que salen del borne negativo del generador llegan al borne positivo. Intensidad de una corriente eléctrica es la magnitud de la carga que pasa por la sección transversal de un conductor, en la unidad de tiempo. INSTALACIONES ELÉCTRICAS Considerando como "g" la carga que pasa por la sección transversal en tiempo t, tendremos que: J = g/t Intensidad a)

En el sistema C.G.S. la unidad se denomina amperio estático.

1 Amperio estático = 1 colombio estático 1 seg. Se puede abreviar así; 1 Amperio estático = ata 1 segundó. Un amperio estático es la intensidad de una comente eléctrica, cuando por la sección transversal de un conductor, en un segundo, pasa la carga de un culombio estático. Un amperio equivale a 6.25 x 1018 cargas elementales por segundo. Submúltiplos, 1. Miliamperio (ma) =103 amperios'. 2. Microamperio (Ma)= 106 amperios. b) Amperio Internacional. El amperio internacional es la intensidad de la corriente eléctrica que deposita 0.0011183 gramos de plata en una solución de ese metal en un segundo. c) Amperio absoluto: 1 Amperio absoluto = 1,000.165 amperio internacional. 9.1.3. RESISTENCIA ELECTRICA Cada material ofrece alguna oposición al desplazamiento de los electrones libres. Esta oposición se denomina resistencia eléctrica, se simboliza comúnmente por una línea quebrada. Los conductores metálicos tienen baja resistencia. Los aisladores tienen una resistencia elevadísima. La unidad de resistencia eléctrica es el Ohmio. El Ohmio es la resistencia de un conductor cuando presenta entre sus extremos la diferencia de potencial de un voltio y circula por el la intensidad de corriente de un amperio. Se abrevia así: Ü 1 Ohmio = Voltio Amperio ISTALACIO

Supongamos una carga + Q situada en un punto A de potencial VA mayor que el potencial VB en un punto B, perteneciente ambos a un campo uniforme de intensidad E y sus distancia sea d. Supongamos que la carga + Q por efecto de la fuerza F = QE, que el campo ejerce sobre ella, se traslada de A, B. La fuerza F*efectúa un trabajo motor. W = F d = QEd Este trabajo mide la energía eléctrica que recibe la carga Q al pasar de A, B pero este trabajo puede expresarse así: W = Q (VA-V8) Luego QEd = Q (VA- VB) de donde se desprende que: E= Voltio Newton o en metro culombio CARACTERÍSTICAS DE LA RESISTENCIA ELECTRICA a) La resistencia de un conductor es directamente proporcional a su longitud. b) La resistencia de un conductor es inversamente proporcionar al área de la sección recta. Ejemplo: La resistencia de un alambre de cobre de 0.1 mm2de reacción recta es 16 Ohmios. Halle la resistencia de un alambre de cobre de igual longitud y 0.2 mm2 de sección recta. Solución: 16 Ohmios 0.2 mm2 R

"

0.1 mm2

¿Por qué sucede esto? Cuando un alambre esta frío sus átomos vibran menos energéticamente. Los electrones pueden deslizarse por entre los átomos fácilmente. En un metal caliente los átomos vibran más energéticamente y así aumenta la resistencia al flujo de electrones. La resistencia depende del material de que esta hecho el conductor. Ya vimos en la característica b que R= l/s (inversamente proporcional al área. Luego R = P g. Aquí P es el coeficiente de la sustancia de que esta constituido el conductor, a P se le llama coeficiente de resistividad. De la fórmula anterior se obtiene que; P= R. JL 1

Donde haciendo S la unidad de área y 1 la unidad de longitud se obtiene: La resistividad es la resistencia entre dos caras opuestas de un cubo de la sustancia considerada, que tenga de arista 1 m. Así: P=R. J. = R, S 1 Ejemplo.: Calculé la resistencia de un metro (1m.) de cinta de 5 mm de ancho y 0.04 mm de espesor. Resistividad P = 2.9 microbios cm. V R = P. 4R= 2.9x 1Q-6fí x cm x 1Ó0cm 0.002 cm2 R= 0.145 Nótese que: 1 m = 100 cm y que S - 5mm x 0.4mm S = 0.20rnm2 x 0.002cm2 9.1.4. LEY DE OHM Sabemos que la resistencia de un conductor esta definida por la diferencia de potencial aplicada a sus extremos y la intensidad de la corriente que por el circula. Figura. 2-5. Gráfico para explicar la ley de Ohm. Vamos a suponer que tenemos un circuito formado por una pila seca y un cable de longitud determinada. Si nosotros medimos la intensidad, vamos a suponer que hemos obtenido. VA - VB = 1.5 voltios 1= 0.3 amperios Al establecer la relación V-V 1.5 voltios =5 Si con el mismo cable formamos el circuito con dos pilas, tendremos: 3 voltios. =5 0.6 amperios

Como se observa, hemos obtenido la misma razón. Si llamamos R a la resistencia se Obtiene: x = R, o sea VA - VB = R.1, podemos representar la diferencia de potencial por V y se obtiene: y = R ó V = R.1 Ley de Ohm: La resistencia de un conductor es la razón constante entre la diferencia de potencial aplicada a sus extremos y la intensidad de la corriente que por el circula. 9.1.5 TRABAJO DE LA CORRIENTE ELECTRICA. Ya hemos visto que para transportar una carga Q de un punto A otro B cuya diferencia de potencial es V se necesita un trabajo. W = Q. V Si la carga Q pasa de A a B en forma de corriente de intensidad constante (1) se cumple: Q = 1t En el interior de un generador de fuerza electromotriz (f.e.m.), la carga se mueve en oposición a la diferencia de potencial, y el trabajo W lo hace el generador sobre los electrones, a medida que la carga se mueve por el circuito, el trabajo W lo hace los electrones sobre los componentes del circuito. Esta energía eléctrica, gastada en el circuito exterior es la que se aprovecha para efectuar un trabajo útil, pudiendo transformarse en otras formas de energía: luz, movimiento, sonido, energía química, etc. Pero en todos los casos parte del trabajo W aparece como calor a causa de la inherente resistencia de los componentes del circuito. Si una resistencia ordinaria constituye el circuito todo el trabajo se convierte en calor, ya que no se efectúa trabajo mecánico ni químico. 9.1.6 POTENCIA DE LA CORRIENTE ELECTRICA. La potencia se define como el cociente entre trabajo realizado y el tiempo empleado en realizarlo. p _ W trabajo T tiempo MI INSTALACIONES ELÉCTRICAS Ya vimos que W = E

Si sustituimos en la primera se obtendrá: Esta es la expresión de la potencia desarrollada por el generador y mandada al circuito. Del mismo modo la potencia gastada en una parte del circuito es P= V1. Aquí V es la caída de potencial en esa parte del circuito. Si quisiéramos tener una fórmula en el caso de que toda la potencia se emplee en vencer la resistencia, entonces P se expresa en función de R. De acuerdo con la ley de Ohm V = R. 1, luego al sustituir V en la anterior tendremos: P=(R.1)/=R.12 Unidad de Potencia. Se usa el voltio (W) y su múltiplo el kilovoltio (KW = 1000 W). Es común expresar la energía eléctrica, consumida un tiempo determinado, en la unidad de trabajo llamada kilovatio-hora (KW - h) que es la energía consumida en una hora a kilovatio en cada segundo. 1 kilovatio-hora = 1000 W x 3600 seg. = 1000 j/S 3600 S = 3.6 x 106 voltios. 9.1.7 ESTUDIO CUANTITATIVO DEL EFECTO CALORÍFICO DE LA CORRIENTE ELÉCTRICA. En el año 1845 Joule demostró mediante experiencias que el calor producido en el conductor por una corriente eléctrica constante es proporcional: a) Al tiempo durante el cual pasa la corriente. b) Al cuadrado de la intensidad de la corriente. c) A la resistencia del conductor. INSTALACIONES ELÉCTRICAS Veamos que sucede teóricamente. Hemos visto que todo el trabajo realizado por la corriente en una resistencia aparece en forma de calor, la energía eléctrica gatada en la resistencia es directamente proporcional a la cantidad de calor que aparece. W=JQ Aquí W es la energía eléctrica en julios. 1 es una constante de proporcionalidad (equivalente mecánico de la caloría = 4,19 julio y Q la cantidad de calor obtenido en calorías.

Si despejamos a Q en la fórmula anterior: Q = W. Si sustituimos a W por R121 se obtiene Q - 12Rt 0.24 ™ 12Rt Ya vimos que: El calor producido en un conductor por una corriente eléctrica es; a) Proporcional al tiempo durante el cual pasa la corriente, b) Proporcional al cuadrado de la intensidad de la corriente. c) Proporcional a la resistencia del conductor. Q = 1ÍBL = 0.24 M. 12Rt Esto puede verificare experimentalmente, veamos: El aparato que vemos comprende: a) un generador o toma de corriente E, b) un interruptor, c) un alambre e níquel muy fino en forma de hélice sumergido en agua destilada, d) un amperímetro, e) un reóstato, aparato que modifica la intensidad de la corriente. 1. ¿Como influye el tiempo? Si se hace pasar la corriente durante un minuto y se agita el agua, si hacen anotaciones de las elevaciones de temperatura del agua, veremos que al pasar la misma intensidad durante 2, 3, 4 minutos, se hallan elevaciones de temperatura 2, 3,4 veces mayores. Pero veremos que la cantidad de calor recibida e proporcional a la elevación de temperatura. 2. ¿Cómo influye la intensidad de la corriente? Supongamos que una corriente de un (1) amperio durante un minuto, produce una elevación de temperatura. Por ejemplo, de 10 C, si hacemos que la intensidad sea 2, 3, 4, 5 amperios, las elevaciones de temperatura después del mismo tiempo son 4, 9, 16, 25 veces mayores. Luego se comprueba que; la cantidad de calor, desprendido en el conductor recorrido por una corriente constante es proporcional al tiempo durante el cual pasa la corriente.' La cantidad de calor desprendido en unos conductores proporcional al cuadrado de la intensidad de la corriente. 3. ¿De qué modo influye al conductor? Supongamos que en nuestro dispositivo (Ver figura) reemplazamos el níquel por cobre y hacemos pasar la misma intensidad de corriente durante el mismo tiempo, veremos que las elevaciones de temperatura son diferentes.

Por tanto: La cantidad de calor desprendido en el conductor depende de la naturaleza del metal por el cual pasa la corriente y en especial de la resistencia de dicho metal. LECCIÓN 9.2. APLICACIONES DE LA CORRIENTE ELECTRICA OBJETIVOS ESPECÍFICOS; Al finalizar el estudio de esta lección, el estudiante será capaz de: 1: Comprender la utilidad de los fusibles. 2. Distinguir los elementos que forman el teléfono. 3. Comprender en que se basa el teléfono. 4. Comprender en que se basa el telégrafo. 5. Comprender la importancia de los rayos x. 6. Conocer los elementos radiactivos. 7. Comprender que es la televisión. 8. Comprender como funciona la televisión. 9. Distinguir los elementos que forman el timbre eléctrico. 9.2.1 FUSIBLES Un fusible es una clase especial de interruptor. Los electrones que fluyen por un alambre pierden una pequeña parte de su energía,»en forma de calor; Si la corriente es grande, los alambres pueden calentarse tanto que se funden o inician un incendio. Debido a esto los circuitos caseros están protegidos con fusibles. ¿Cómo se fabrica un fusible? Un fusible se fabrica con una aleación de punto bajo, que se derrite antes que los alambres del circuito este peligrosamente calientes. Tan pronto se funde el alambre del fusible el circuito se rompe y cesa la corriente. Los fusibles comunes caseros son de tomillo y pueden insertarse en receptáculos montados en el tablero de fusibles. 9.2.2. EL TIMBRE ELÉCTRICO. El Timbre Eléctrico es una aplicación del electroimán. Esta formado por una electroimán, por una armadura (A) colocada delante de sus polos y que puede moverse gracias a la lamina elástica (L) sobre la cual se apoya, en el extremo lleva un martillo (M) próximo a la campana(C). Además tiene un tornillo (T) que en su posición normal está en contacto con la barra(A), Una pila (A) puede estar reemplazada por la corriente de línea y un botón (B) completa el circuito. ¿Cómo funciona? Al apretar el botón se cierra el circuito; el electroimán atrae a la armadura A con lo que el martillo M da en la campana C. Pero al mismo instante, A pierde el contacto con el martillo

T y por tanto, el circuito queda abierto. Luego, sucede que el electroimán pierde su imantación y deja de atraer la armadura A, que vuelve a hacer contacto con el tornillo. Al cerrarse el circuito se imanta El electroimán y atrae de nuevo la armadura, cuyo martillo da de nuevo y golpea a la campana. Este proceso se repite muchas veces dando origen al repiqueteo. 9.2.3. EL TELEFONO: El teléfono consta de dos partes principales: el micrófono que se basa en la conversión de los impulsos acústicos(mecánicos) en impulsos eléctricos, cambiando la intensidad de la electricidad que pasa por un circuito; funciona a base de una corriente inducida, que luego vuelve a convertirse en impulso mecánico(acústico) y I a otra parte es el audífono o auricular. Estas dos partes actualmente se ponen en una sola pieza; el micrófono es el transmisor y el auricular el receptor que trabaja de modo análogo al transmisor, pero a la inversa. 9.2.4. EL TELÉGRAFO. La necesidad de comunicarse rápidamente para fines militares dio lugar a que se iniciaran una serie de investigaciones a principio del siglo XIX, para transmitir señales a distancia, por medio de la corriente eléctrica; se tomo como base fundamental la propiedad que tiene la corriente eléctrica de desviar la aguja imantada cuando circula por un conductor. A Steinheil se encomendó la ardua tarea del perfeccionamiento del telégrafo en el 1837, y debería llegar en sus experimentos hasta la recepción gráfica. Por medio de dos agujas imantadas desvíales, la cuales llevan en sus extremos pequeños depósitos de tinta, logró escribir los signos aislados sobre una tira móvil de papel. El americano Samuel F.B. Morse inventó, en el mismo año que Steinheil efectuaba sus trabajos, un aparato que consistía en un electroimán que al ser excitado por la corriente eléctrica desviaba un lápiz que trazaba sobre una tira móvil de papel puntos o rayas según el tiempo de contacto. Este aparato fue aplicado en la transmisión de señales a distancia en el año 1843 con el nombre de Telégrafo de Morse; estableciéndose al siguiente año la primera línea telegráfica para el servicio público con una longitud de 64 Km. Entre Washington y Baltimore. N En todo sistema telegráfico podemos considerar las siguientes partes: la batería, la línea conductora o alambres, la llave telegráfica o de Morse llamada también manipulador, el resonador o receptor y el reloj. La llave sirve únicamente para abrir o cerrar el circuito, es decir, para transmitir las señales, las cuales consisten en hacer escurrir la corriente eléctrica en pequeños intervalos de tiempo. El receptor puede consistir en un sistema electromagnético que trace por medio de un estilete o lápiz, las señales sobre una tira móvil de papel. En la actualidad se prefiere el

receptor de sonido o resonador porque con el se logra señales audibles perfectamente diferenciadas. El resonador lleva adaptado un aditamento; el reloj que permite que las señales sea más intensa. En la Figura A se muestra el esquema de un circuito local donde se ve la función del reloj. En la figura B se lustra un diagrama de un sistema telegráfico entre dos estaciones; por medio del manipulador M se transmiten las señales de una estación a la otra en donde son percibidas por el resonador. En la transmisión de señales se emplea el código de Morse. 9.2.5. LA TELEVISIÓN. Uno de los problemas que ha apasionado la mente humana desde el 1873, con el descubrimiento de las propiedades fotoeléctricas del setenio que consistían en la variación de su conductividad eléctrica con la iluminación, es el de la transmisión por conducto...