Reporte DE Investigacion 01 Conceptos Básicos DE Electricidad PDF

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Conceptos basicos...

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TECNOLÓGICO NACIONAL DE MEXICO INSTITUTO TECNOLÓGICO DE PUEBLA Especialidad Ingeniería industrial. Materia y hora Electricidad y electrónica industrial. Lunes y miércoles de 9:00a.m – 11:00 a.m.

Conceptos Básicos. Presenta: Martínez Arroyo Blanca Guadalupe Martínez Bravo Omar David. Álvaro Josué Amador Nicolás 10-02-2021

Contenido Índice

de

figuras

…………………………………………………………………………...4 Introducción…………………………………………………………………………..……6 1.1 Potencial Eléctrico……………………………………………………………………7

2

1.2 Energía potencial eléctrica de dos cargas puntuales…………………………….7 1.3 Superficies Equipotenciales…………………………………………………………9 2.1 Voltaje Eléctrico………………………………………………………………………11 2.2

Voltaje

eléctrico

en

la

Ley

de

Ohm………………………………………………….12 2.3 Tipos de voltaje………………………………………………………………………13 2.4

¿Cómo

se

mide

el

voltaje?.................................................................................15 3.1

Corriente

Eléctrica…………………………………………………………………...16 3.2 Tipos de corriente eléctrica…………………………………………………………17 3.3 Efectos de la Corriente Eléctrica…………………………………………………… 17 4.1Resistencia Eléctrica…………………………………………………………………18 4.2¿Qué

tipos

de

resistencias

eléctricas

existen?...................................................19 5.1¿Qué es un capacitor?.......................................................................................21 5.2

función

de

un

capacitor……………………………………………………………...23 5.3

Herramienta

para

medir

la

capacitancia…………………………………………...24 6.1 Bobinas……………………………………………………………………………….24 6.2

Para

qué

sirve

una

bobina………………………………………………………….25 6.3 Tipos de bobinas…………………………………………………………………….25

3

6.4 Usos y aplicaciones de la bobina………………………………………………….27 7.1 Circuito paralelo……………………………………………………………………..27 8.1 Circuito serie…………………………………………………………………………28 8.2 Elementos de un circuito en serie…………………………………………………29 8.3 Características de un circuito en serie…………………………………………….30 9. 1 Circuito mixto……………………………………………………………………..…30 10.1 Nodo, Malla, Rama………………………………………………………………...31 11.1 Circuito abierto, circuito cerrado……………………………………………........33 12.1 Múltiplos: Pico, nano, micro, kilo, mega y tera; ejemplos de uso…………….34 13. Conclusiones ………………………………………………………………………..36 Bibliografías ……………………………………………………………………………...37

4

Índice de figuras Figura 1.1 Potencial Eléctrico…………………………………………………….……… 7 Figura

1.2.1

Trayectoria

arbitraría

desde

el

punto

a

hasta

el

punto

b…………………8 Figura

1.2.2

Ecuaciones

en

función

al

Campo

Eléctrico……………………………….9 Figura

1.2.3

Fuerza

Conservativa………………………………………………………..9 Figura 1.3.1 Superficies Equipotenciales……………………………………………… 10 Figura 1.3.2 Superficies Equipotenciales……………………………………………… 10 Figura

1.3.3

Ecuaciones

Equipotencial………………………………………………...10 Figura 2.1 El voltaje es el trabajo que ejerce un campo eléctrico sobre una partícula…………………………………………………………………………………...11 Figura 2.3.1 Voltaje Inducido……………………………………………………………13 Figura 2.3.1 Voltaje Inducido……………………………………………………………14 Figura 2.3.2 Voltaje Alterno……………………………………………………………..14 Figura 2.4.1 Multímetro………………………………………………………………….15 Figura 3.1.1Corriente Eléctrica…………………………………………………………16 5

Figura 3.2.1 Corriente continua (C.C.)………………………………………………… 16 Figura 4.1.2 Resistencia Eléctrica……………………………………………………… 19 Figura 5.1.1 Ejemplo de Capacitancia ………………………………………………… 21 Figura 5.1.2 Símbolo y Capacitor ……………………………………………………… 22 Figura 5.1.3 Partes de un Capacitor…………………………………………………… 22 Figura

5.1.4

Dialecto

colocado

entre

dos

placas

……………………………………..23 Figura

5.1.6

Multímetro

………………………………………………………………….24 Figura

6.1.1

Bobina

……………………………………………………………….

6.1.2

Bobina…………………………………………………………………...

……..25 Figura ….25 Figura 6.1.3 Bobina fija………………………………………………………………..… 26 Figura

6.1.4

núcleo

de

hierro…………………………………………………………....26 Figura 6.1.5 Bobina de núcleo de ferrita ……………………………………….……… 27 Figura 7.1.1 Circuito Paralelo con tres Lámparas …………………………………...28 Figura

8.1.

Circuito

en

Serie…………………………………………………………….29 Figura

8.1.2

Elementos

de

Circuito

en

Serie…………………………………………..30 Figura

9.1.

Circuito

Mixto

………………………………………………………………..31 6

Figura 10.1 Nodo ……………………………………………………………………...… 32 Figura 10.1.2 Representación de Cuatro Ramas……………………………………. 32 Figura 10.2.3 Malla ……………………………………………………………..……….33 Figura 11.1 Circuito abierto, circuito cerrado………………………………………..… 34 Figura

12.1

Prefijos……………………………………………………………………....35

7

Introducción. La electricidad y electrónica es de vital importancia para el perfil del ingeniero industrial ya que le da la capacidad de estudiar y comprender el proceso actual de generación de electricidad, comportamiento y medición de los elementos y parámetros eléctricos básicos que intervienen en la dinámica de circuitos eléctricos, así como la transformación de energía eléctrica en cuestiones domésticas e industriales. Para comenzar a estudiar la electricidad y electrónica es necesario tener conocimientos previos sobre algunos conceptos básicos de la materia tales como potencial eléctrico, voltaje eléctrico, corriente eléctrica, tipos de circuitos, etcétera. Por ello, en este proyecto de investigación se definirán esos conceptos y se darán algunos ejemplos, así como recursos visuales a fin de poder introducirnos a esta materia.

8

1.1 Potencial Eléctrico El Potencial Eléctrico en un punto del espacio de un campo eléctrico es la energía

potencial

eléctrica que

adquiere

una unidad

de

carga

positiva situada en dicho punto. Se establece una nueva magnitud escalar propia de los campos eléctricos denominada potencial eléctrico y que representa la energía potencial electrostática que adquiere una unidad de carga positiva si la situamos en dicho punto. Figura 1.

Figura 1.1

Potencial Eléctrico.

Todas las magnitudes sean escalares, permite que el estudio del campo eléctrico sea más sencillo. De esta forma, si el valor del potencial eléctrico V en un punto, podemos llegar a determinar que la energía potencial eléctrica de una carga que es situada en él es:[1] Ep=V⋅q El potencial en un punto es independiente de la carga de prueba �´ y únicamente caracteriza la influencia del campo eléctrico en el espacio. [2] �=

U q´

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1.2 Energía potencial eléctrica de dos cargas puntuales Los conceptos de potencial y voltaje son cruciales para entender la manera en que funcionan los circuitos eléctricos, y tienen aplicaciones de gran importancia en los haces de electrones que se utilizan en la radioterapia contra el cáncer, los aceleradores de partículas de alta energía y muchos otros aparatos. Uno de los conceptos fundamentales para entender potencial eléctrico, es comprender el concepto de trabajo, energía potencial y conservación de la energía potencial. Estamos trabajando con las propiedades escalares de un Campo. Sea una partícula cargada qo puesta en una región del espacio donde existe un campo eléctrico radial, la que se quiere mover desde el punto a hasta el punto b por una trayectoria arbitraria como marca la trayectoria punteada en la Figura 1.2.1

Figura 1.2.1 Trayectoria arbitraría desde el punto a hasta el punto b

En las siguientes ecuaciones (Figura 1.2.2) se expresa el trabajo en función del campo eléctrico, como se ve este depende sólo de la posición final y la inicial no de la trayectoria seguida. Al depender el trabajo sólo de la posición, entonces se está en la presencia de una fuerza conservativa, luego la fuerza eléctrica es conservativa y el campo igualmente.

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Figura 1.2.2 Ecuaciones en función al Campo Eléctrico

Como esta fuerza es de tipo conservativa, entonces el trabajo realizado por F se puede definir en término de la energía potencial U. Por lo tanto, el trabajo hecho sobre una superficie cerrada es cero, y el trabajo solo depende de la posición inicial y final, no se su trayectoria. (Figura 1.2.3)

Figura 1.2.3 Fuerza Conservativa.

Cuando Wab es positivo, Ua es mayor que Ub, la variación de U es negativo y la energía potencial disminuye. Eso es lo que ocurre cuando una pelota cae de un punto elevado (a) a otro más bajo (b) en presencia de la gravedad terrestre; la fuerza de la gravedad efectúa un trabajo positivo, y la energía potencial gravitacional disminuye.[3] 1.3 Superficies Equipotenciales Las superficies equipotenciales, como dice su nombre es aquella región que rodea la carga eléctrica la cual está al mismo potencial, o sea, que no hay que hacer trabajo para mover una carga a través de ella. Otra de las características es 11

que las líneas de fuerza son perpendiculares a estas superficies. En la figura1.3.1 están representadas por los círculos concéntricos a cada carga.[3]

Figura 1.3.1 Superficies Equipotenciales

Las superficies equipotenciales son perpendiculares a las líneas de campo: (Figura 1.3.2)

Figura 1.3.2 Superficies Equipotenciales

Como el potencial es constante sobre una superficie equipotencial: (Figura1.3.3)

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Figura 1.3.3 Ecuaciones Equipotencial

El campo es perpendicular a la superficie equipotencial.[3]

2.1 Voltaje Eléctrico El voltaje o tensión eléctrica es la fuerza necesaria para empujar a los electrones a través de un material conductor, desde un punto de mayor potencial a otro punto de menor potencial, un voltio es la unidad que se reconoce como la medida de potencial eléctrico, fuerza electromotriz y/o voltaje.[4](Figura 2.1)

Figura 2.1 El voltaje es el trabajo que ejerce un campo eléctrico sobre una partícula

También llamado diferencia de potencial eléctrico o tensión eléctrica, es el trabajo por unidad de carga eléctrica que ejerce sobre una partícula un eléctrico, para lograr moverla entre dos puntos determinados. Cuando se unen dos puntos que presentan diferencia de potencial eléctrico con un material conductor, se producirá un flujo de electrones, lo que se conoce como corriente eléctrica, que llevará parte de la carga desde el punto de mayor al de menor potencial. Dicha diferencia de potencial eléctrico es el voltaje, y dicha corriente cesará en cuanto ambos puntos tengan el mismo potencial, a menos que se mantenga cierta 13

diferencia de potencial mediante un generador o una fuente externa de algún tipo. De ese modo, cuando se habla del voltaje de un solo punto, se lo refiere en comparación con cualquier otro cuerpo con el que entre en contacto y cuyo potencial se asume igual a cero.[5]

2.2 Voltaje eléctrico en la Ley de Ohm Según la ley de ohm postulada por el físico y matemático alemán Georg Simon Ohm, el voltaje eléctrico es igual al producto de la resistencia eléctrica medida en ohmios por la intensidad de corriente medida en amperios o amperes. Quedando establecida la siguiente multiplicación: V =R∗I

El voltaje eléctrico se representa por la letra V y se mide en voltios, la letra mayúscula R, representa la resistencia eléctrica ósea los ohmios, y la letra mayúscula I es la representación de la intensidad de corriente ósea los amperios. El voltio es la unidad SI de diferencia de potencial y se define como la diferencia de potencial que existe entre dos puntos cuando es necesario realizar un trabajo de 1 joule para mover una carga de 1 culombio de un punto a otro . La mayoría de los países de América Latina el voltaje estándar es de 220 voltios. Para comprender mejor lo establecido analizaremos la (Figura 2.2.1).

Figura 2.2.1 Conductor Eléctrico

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La imagen representa un conductor eléctrico común, los puntos amarillos representan los electrones y las rallas onduladas azules la fuerza que aplica el voltaje para mover a los electrones de un punto A al punto B.[4]

2.3 Tipos de voltaje Existen los siguientes tipos de voltaje: Voltaje inducido. Se llama así a la fuerza electromotriz o voltaje inducido necesario para generar energía eléctrica dentro de un circuito, para así generar una diferencia de potencial, en un circuito abierto dicha fuerza puede mantener la tensión eléctrica entre dos puntos, en un circuito cerrado, generará un flujo de corriente. (Figura 2.3.1)

Figura 2.3.1 Voltaje Inducido

Voltaje alterno. Se representa por las letras VA, con valores positivos y negativos en un eje cartesiano, dado que se considera una onda sinusoidal. Es el voltaje más usual 15

en las tomas de corriente porque es el más fácil de generar y transportar. Como su nombre lo indica, es un voltaje con valores alternos, no constante en el tiempo y su frecuencia dependerá del país o de la región específica. (Figura 2.3.2)

Figura 2.3.2 Voltaje Alterno

Voltaje de corriente directa. Es usual en motores y baterías, y se obtiene de la transformación de la corriente alterna en corriente más o menos continua, con pequeñas crestas, mediante fusibles y transformadores. (Figura 2.3.3)

Figura 2.3.3 Voltaje de corriente directa.

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Voltaje continuo. También llamado voltaje de corriente continua (VCC), se trata de la corriente más pura que hay, presente en chips, microprocesadores y otros artefactos que requieren de voltajes continuos y constantes. Suele obtenerse luego de tratamiento con condensadores electrolíticos. (Figura 2.3.4)

Figura 2.3.4 Voltaje continuo.

2.4 ¿Cómo se mide el voltaje? Para medir el voltaje se usa un voltímetro, que se instala de manera paralela a la fuente de energía para medir y cuantificar el potencial eléctrico. Otros aparatos empleados son el tester (o multímetro) y el potenciómetro. (Figura 2.4.1)

7

Figura 2.4.1 Multímetro

Del modo que sea, el voltaje se calcula tomando en cuenta la energía total necesaria para movilizar una pequeña carga eléctrica desde el inicio al final del circuito, dividida entre la magnitud de dicha carga.[5]

3.1 Corriente Eléctrica La corriente eléctrica es el flujo neto de carga eléctrica que circula de forma ordenada por un medio material conductor. Dicho medio material puede ser sólido, líquido o gaseoso y las cargas son transportadas por el movimiento de electrones o iones. (Figura 3.1.1)

Figura 3.1.1Corriente Eléctrica



En los sólidos se mueven los electrones.



En los líquidos los iones.



Y en los gases, los iones o electrones.

La corriente eléctrica es el flujo de electrones entre dos puntos de un conductor que se encuentran a distinto potencial eléctrico. Si deseamos mantener una corriente eléctrica constante es necesario hacer uso de un dispositivo que permita una diferencia de potencial o tensión constante denominado generador de corriente. (Figura 3.1.2)

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Figura 3.1.2 Diferencia de Potencial

3.2 Tipos de corriente eléctrica Dependiendo de la temporalidad del sentido de la corriente eléctrica podemos distinguir dos tipos: 

Corriente continua (C.C.). El flujo de electrones se produce siempre en el mismo sentido. (Figura 3.2.1)

Figura 3.2.1 Corriente continua (C.C.).



Corriente alterna (C.A.). El sentido de circulación de los electrones cambia de forma periódica. (Figura 3.2.2)

Figura 3.2.2 Corriente alterna (C.A.).

A lo largo de este tema nos centraremos únicamente en la corriente continua.

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3.3 Efectos de la Corriente Eléctrica De forma general, la corriente eléctrica produce tres tipos de efectos: Efectos caloríficos. Cuando circula una corriente eléctrica por un conductor, este aumenta su temperatura. Este efecto es utilizado en estufas, hornillos, etc. Efectos químicos. Si la corriente eléctrica circula por un conductor iónico, dicha corriente es capaz de producir un cambio químico en él. Este efecto es utilizado en la electrólisis. Efectos magnéticos. El paso de la corriente eléctrica a través de un conductor crea un campo magnético similar al que produce un imán. Este efecto es el fundamento de motores eléctricos, dispositivos de televisión, radio, amperímetros, voltímetros, etc. [6]

4.1Resistencia Eléctrica Resistencia eléctrica es toda oposición que encuentra la corriente a su paso por un circuito eléctrico cerrado, atenuando o frenando el libre flujo de circulación de las cargas eléctricas o electrones. Cualquier dispositivo o consumidor conectado a un circuito eléctrico representa en sí una carga, resistencia u obstáculo para la circulación de la corriente eléctrica. (Figura 4.1.1)

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Figura 4.1.1 Resistencia Electrónica

A.- Electrones fluyendo por un buen conductor eléctrico, que ofrece baja resistencia. B.- Electrones fluyendo por un mal conductor. eléctrico, que ofrece alta resistencia a su paso. En ese caso los electrones chocan unos contra otros al no poder circular libremente y, como consecuencia, generan calor.[7] Su función es, por tanto, la de ayudar a limitar y controlar el voltaje y la corriente eléctrica, y su unidad de medida son los Ohm. Además, según su nivel de resistencia, por el momento podemos detectar dos tipos de resistencias eléctricas: aislantes cuando presentan una gran resistencia eléctrica, como encontramos en el plástico y la cerámica o conductores que, a causa de su baja resistencia, permiten el flujo de electrones, como ocurre con los metales.(Figura 4.1.2)

Figura 4.1.2 Resistencia Eléctrica

4.2¿Qué tipos de resistencias eléctricas existen? Las resistencias eléctricas pueden dividirse en tres grupos:

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1.Lineales fijas Su valor, predeterminado por el fabricante, nunca cambia. Se trata de la categoría más común, y entre los materiales más recurrentes encontramos el carbón. 2. Variables El valor puede cambiar, aunque siempre se mantiene dentro de un margen que previamente ha sido establecido por el fabricante. A su vez, pueden dividirse en: 

Potenciómetros: se aplican en circuitos donde se opera de manera natural, como es el caso de los controles de audio, de video o de sonido entre otros.



Trimmers o resistencias ajustables: resistencia de precisión y se emplea en circuitos que deben ser ajustados por algún experto, ya que van soldados y suelen ajustarse la primera vez que se emplean.



Reóstato: es utilizado en grandes cantidades de corriente debido a su excelente disipación de potencia. Principalmente podemos encontrarlos en los arranques de motores.

3. No lineales o variables Su valor cambia de forma, pero esta variación no es lineal, sino que depende de otras magnitudes físicas (temperatura, voltaje, luz, campos magnéticos…). De nuevo, en este apartado nos encontramos con otra posibilidad de categorización: 
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