electrónica y electricidad

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ELECTRICIDAD Y

ELECTRNICA

INDUSTRIAL

Hctor Chvez Gallegos

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Acerca del autor

Hctor Chvez Gallegos, estudi la licenciatura en la Escuela Superior

de Ingeniera Mecnica y Elctrica (ESIME) del Instituto Politcnico Na-

cional.

Obtuvo la Maestra en Planificacin de Empresas y Desarrollo

Regional en el Instituto Tecnolgico de Oaxaca. Adems se especializ

en pruebas y mantenimiento a equipo elctrico.

Dentro de la experiencia docente ha impartido diferentes asig-

naturas en el rea de ingeniera a nivel licenciatura en el Instituto Tec-

nolgico de Oaxaca e Instituto Tecnolgico de Villahermosa, como son:

Sistemas Elctricos de Potencia, Diseo de Lneas de Transmisin, Di-

seo de Subestaciones Elctricos de Potencia, Coordinacin de Pro-

tecciones en Redes de Distribucin, Diseo y Construccin de Redes,

Uso eficiente de la Energa, Control de Produccin, Electricidad y Elec-

trnica Industrial, Control Estadstico de Calidad, Estudio del Trabajo I,

Estudio del Trabajo II, Ingeniera de Calidad, Ingeniera de Materiales

entre otras.

En el campo laboral se desempe en el Laboratorio de fsica

de la UNAM. Fue Supervisor Tcnico en la compaa Construcciones

en Instalaciones Elctricas S.A (CIESA) en la ciudad de Mxico. En la

Comisin Federal de Electricidad Divisin Sureste, desempe en va-

rios cargos como Jefe del departamento de Distribucin de Zona, Jefe

del rea de Lneas de Subtransmisin, Subestaciones Elctricas. En

Oficinas Divisionales fue jefe de Estudios y Sistemas de Distribucin en

el Departamento de Planeacin de Divisional.

Es miembro del Colegio de Ingenieros Mecnicos Electricistas.

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Contenido

UNIDAD 1

1.1 Introduccin a la electricidad 6 1.2 Conceptos de magnitudes elctricas 20 1.3 Circuito Elctrico 26 1.4 Medicin de magnitudes elctricas 27 1.5 Conceptos bsicos de las leyes de Ohm, Kirchhoff, Lenz,

Faraday y Watts 28

1.6 Aplicaciones de los conceptos bsicos de electricidad 40

UNIDAD 2

2.1 Tipos y caractersticas de generadores 55 2.2 Motores de corriente directa y alterna 86 2.3 Transformadores monofsico y trifsico 102 2.4 Reglamento de obras e instalaciones elctricas R.O.I.E.) 134 2.5 Elementos elctricos de control industrial (Relevadores) 157 2.6 Aplicaciones 159 UNIDAD 3

3.1 Introduccin a la electrnica industrial 164

3.2 Elementos bsicos de electrnica analgicos (Diodo, diodo

emisor de luz, transistor, SCR, TRIAC).

165

3

3.3 Elementos bsicos de electrnica digital(compuertas lgicas,

tablas de verdad, temporizadores, contadores, sumadores)

187

3.4 Aplicacin de los conceptos bsicos de la electrnica. 193

UNIDAD 4

4.1 Sensores y transductores elctricos. 198

4.2 Dispositivo de control elctrico y electrnico. 202

4.3 Funcionamiento bsico del PLC. 210

Glosario 220

Referencias 226

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Prlogo

Este libro es el resultado de ms de veinte aos de enseanza, capacitacin y asesora

sobre la energa elctrica. Se ha escrito mucho sobre electricidad y electrnica, pero es

difcil encontrar un texto que contenga toda la informacin del curso, es por ello que esta

obra es una herramienta perfecta para que los estudiantes en la materia de Electricidad

y Electrnica Industrial puedan reforzar conocimientos fundamentales bsicos relacio-

nados con la ley de Ohm, leyes de Kirchhoff, ley de Lenz, ley de Faraday, entre otras.

Se aborda tambin de manera sencilla y breve los diferentes tipos de generacin

de energa elctrica; se describen las caractersticas y operacin de los transformadores

de distribucin monofsicos y trifsicos, sus conexiones, etc. Se incluye una parte im-

portante de las maquinas rotativas que son los motores elctricos de corriente directa y

de corriente alterna. En las dos ltimas unidades se habla sobre los elementos bsicos

electrnica analgicos, como son los diodos, transistores y aplicaciones en general.

Por todo lo anterior, el contenido del presente se pone a disposicin de los estu-

diantes, profesores y personas interesadas, para que consulten y apliquen la informa-

cin aqu compilada sobre la materia de Electricidad y Electrnica Industrial, en sus

respectivas reas. Cabe mencionar que para este autor es muy importante enriquecerse

de cualquier sugerencia u observacin que permita la mejora del presente libro.

Por ltimo quiero expresar mi agradecimiento a la Academia de Ingeniera Indus-

trial por la autorizacin y revisin del texto; a la Maestra Juanita Morejn, Presidenta de

Academia; al Ingeniero Francisco Feito Prez, por su paciencia en la revisin del trabajo

en la primera edicin; a todos los profesores de Ingeniera Industrial y a los estudiantes

del rea, por su aportacin y comentarios sobre el tema.

Hctor Chvez G. Agosto de 2012.

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Unidad 1

Electricidad bsica

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1.1 Introduccin a la electricidad

En el estudio de la electricidad y de la electrnica se considera principalmente la pro-

duccin, transmisin o transporte, distribucin y utilizacin de la energa elctrica y elec-

trnica, as como el uso de la misma en las telecomunicaciones.

El aprendizaje de la electricidad y, ms concretamente de la electrotecnia, debe consti-

tuir para el estudiante el descubrimiento de una ciencia y tcnicas esenciales en su

nuevo estudio profesional y de trabajo.

Para que este aprendizaje sea a la vez atractivo y riguroso, y se relacione fcilmente

con lo que cada da vemos u observamos, se ha optado por un orden que parte de lo

prctico y de lo prximo, para ir despus hacia fundamentos ms tericos o complejos.

Por ello, se inicia el estudio con la electrodinmica, pasando despus a la electrosttica.

El propsito de esta obra de electricidad y de electrnica industrial es poner al alcance

de los alumnos que cursan la asignatura de electricidad y electrnica en el rea de In-

geniera Industrial de los Instituto Tecnolgicos y de Universidades. El desarrollo tec-

nolgico de la electricidad, mayormente la electrnica y sus aplicaciones nos han lle-

vado a ser una sociedad basada en el consumo intensivo de la energa.

Leyes de la corriente continua y corriente alterna

La electrodinmica

El estudio de la electricidad en movimiento se lleva a cabo en aquella parte de la elec-

trologa1 a la cual se designa como electrodinmica. En otras palabras la electrodin-

mica consiste en el movimiento de un flujo de cargas elctricas que pasan de una mo-

lcula a otra, utilizando como medio de desplazamiento un material conductor.

1www.acomas.com(Diccionario espaol).

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Para poner en movimiento las cargas elctricas o de electrones, podemos utilizar cual-

quier fuente de fuerza electromotriz (fem), ya sea de naturaleza qumica (como una ba-

tera) o magntica (como la producida por un generador de corriente elctrica), aunque

existen otras formas de poner en movimiento las cargas elctricas.

Electrologa es un mtodo de depilacin permanente. Este proceso, a menudo llamado

electrlisis, incluye el envo de una corriente elctrica muy pequea a la base del folculo

piloso. Una aguja muy fina se inserta en el folculo para entregar la corriente. Esta co-

rriente destruye el folculo para que no pueda crecer un nuevo cabello.

Hay tres mtodos utilizados en Electrologa. El mtodo utiliza la corriente elctrica gal-

vnica solamente, y se denomina electrlisis de verdad. Alternativamente, el mtodo de

termlisis utiliza el calor en lugar de corriente elctrica para destruir los folculos pilosos.

Algunos profesionales prefieren el mtodo combinado, que utiliza tanto electricidad

como calor para detener el crecimiento del cabello.2

Breve historia de la electricidad

La palabra electricidad viene del griego elektron (electrn), que significa mbar amari-

llo. Este elemento tiene la propiedad de atraer a los cuerpos ms livianos despus de

haber sido frotada contra ciertos materiales ms ligeros. Los griegos ya conocan algu-

nos usos elementales de la electricidad esttica en el ao 600 A.C.

Se le atribuye a Tales de Mileto uno de los siete sabios de Grecia en observar los fen-

menos elctricos cuando al frotar una barra de mbar con un pao, not que se atraan

pequeos objetos. Los antiguos tambin descubrieron que una piedra negra pesada

atraa con frecuencia al hierro. Esto ocurra con cierta frecuencia en Asia Menor llamada

magnesia, a estas piedras se les llama magnetos, imanes o piedra imn magnetita.3

2 www.pagerankstudio.com 3 Harper Enrquez (2009). Manual del instalador electricista, p. 15, editorial Limusa, Mxico.

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A finales del siglo XVI, alrededor del ao 1600, Guillermo Gilbert, mdico ingls observ

que el vidrio, el azufre, algunas resinas y otras substancias tenan la misma propiedad

elctrica del mbar y fue cuando clasific los materiales en elctricos y no elctricos.

En el siglo XVII Otto de Guerike, fsico e ingeniero alemn invent la primera mquina

electrosttica que consista en un globo de azufre o de mbar cubriendo con una mano

mientras lo haca girar rpidamente con la otra. Con esta mquina Guerike percibi el

ruido y el fulgor de la chispa lo cual le llev a especular sobre la naturaleza elctrica de

los relmpagos. Descubri tambin el fenmeno de la repulsin elctrica cuando dos

cargas elctricas de la misma naturaleza se rechazan.

En el siglo XVIII por el ao de 1773, un francs Carlos Francisco de Cisternay Dufay y

el ingls Esteban Gray establecieron algunas ideas sobre la naturaleza de la electricidad

mediante la observacin del fenmeno de atraccin y repulsin que experimentaban los

cuerpos electrizados. Dufay observ que un trozo de vidrio elctricamente cargado

atraa objetos tambin cargados y se repela con otros objetos cargados, lo que l llam

a este efecto electricidad vtrea y electricidad resinosa, concluyendo que existan dos

tipos de electricidad. Gray quien se mantena en contacto con Dufay, haba logrado di-

vidir como resultado de sus estudios a los cuerpos buenos y malos conductores de la

electricidad. Actualmente esta clasificacin se conoce como materiales conductores y

no conductores. Con el descubrimiento de Gray se pudieron establecer las bases cien-

tficas para el diseo del electrmetro o electroscopio.

En la segunda mitad del siglo XVIII, Benjamn Franklin realiz estudios sobre fenmenos

elctricos, en 1747 escribe su obra cientfica experimentos y observaciones sobre elec-

tricidad, en ella demostr que las nubes estn cargadas de electricidad y los rayos son

descargas elctricas. Invent el pararrayos y encontr que las cargas elctricas son

positivas y negativas.

El Dr. Luis Galvani, mdico, fisilogo y fsico italiano dio a conocer sus experiencias ,

sus estudios le permitieron descifrar la naturaleza elctrica del impulso nervioso. Expe-

rimentando con animales, se convenci de que lo que se vea eran los resultados de lo

que llam "electricidad animal". El experimento del Dr. Galvani consisti en observar las

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convulsiones que sufra una rana muerta en el proceso de disecacin al aplicarle una

pequea corriente a la mdula espinal, colocada a cierta distancia de una mquina elec-

trosttica, la cual al ser tocada con un bistur en sus sistema nervioso manifestaba con-

tracciones en los msculos de sus miembros inferiores; cada que esto se repeta la

mquina sacaba chispa. En realidad lo que Galvani hizo fue demostrar que al aplicar la

corriente en uno de los msculos de la rana la corriente se transmita a travs de stos

utilizndolos como conductores.

Alejandro Volta no convencido de los resultados del Dr. Galvani sigui investigando y

tomando los trabajos o experimentos de Galvani, desarroll el estudio de las cargas

elctricas en movimiento, en esta etapa marca el nacimiento de la electrodinmica.

Volta desarroll la primera pila voltaica.

En la poca de Franklin los cientficos consideraban que la electricidad era un fluido y

que poda tener cargas positivas y negativas; pero en la actualidad la ciencia considera

que la electricidad se produce por partculas muy pequeas llamadas electrones y pro-

tones.4

Resumen de la historia de la electricidad.5 Tales de Mileto

Naci en la ciudad de Mileto, en el 624 a.C., y muri en el

546a.C. Fue el primero en descubrir la electricidad al frotar el

mbar y adquiere el poder de atraccin sobre algunos obje-

tos.

4Mileaf (2005). Electricidad, p.1-3, editorial Limusa, Mxico. 5 Esta cronologa fue tomada de varias fuentes en internet y libros de electricidad y electrnica.

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Guillermo Gilbert

Mdico y fsico naci en Inglaterra en 1540, muri en 1603.Fue uno

de los primeros en realizar experimentos con la electrosttica

y el magnetismo, clasific los materiales en conductores y

aislantes e ide el primer electroscopio. Descubri la imanta-

cin por influencia, y observ que la imantacin del hierro se

pierde cuando se calienta al rojo. Estudi la inclinacin de

una aguja magntica concluyendo que la Tierra se comporta

como un gran imn.

Otto de Guerike

Fsico alemn, naci en 1602 y muri en 1686). Invent la

primera mquina electrosttica. Investig sobre la naturaleza

de los relmpagos y fue uno de los primeros en afirmar que

puede predecirse el retorno de los cometas.

Esteban Gray Naci en 1666 y muri en 1736. Observ los tipos de mate-

riales, los que conducen energa y los que no (bueno o malo),

estableciendo las bases cientficas para el diseo del electr-

metro o electroscopio.

Charles Francois de

Cisternay Dufay

Fsico francs, naci en Pars en 1698 y muri en 1739.

Descubri la existencia de dos clases de electricidad, positiva

y negativa, puso de manifiesto la repulsin entre cuerpos

cargados de electricidad del mismo signo.

Benjamn Franklin

Naci el 17 de enero de 1706 en Boston, Massachusetts y

muri en 1790.Fue un prolfico cientfico e inventor. Adems

del pararrayos, invent tambin el llamado horno de Franklin

o chimenea de Pensilvania. Estudi tambin las corrientes

ocenicas calientes de la Costa Este de Norteamrica.

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Joseph Priestley

Naci en Hackney, Inglaterra, en 1733 y muere en 1804. En-

tre sus experimentos, destac el que le llev a aislar, por pri-

mera vez, el oxgeno (1774), demostr que la carga elctrica

se distribuye uniformemente en la superficie de una esfera

hueca, y que en el interior de la misma, no hay un campo

elctrico, ni una fuerza elctrica.

Charles Augustin de

Coulomb

Fsico e ingeniero francs, naci en Angulema, Francia, 14

de junio de 1736 y muri en Pars Francia el 23 de agosto de

1806. Mediante una balanza de torsin, Coulomb encontr

que la fuerza de atraccin o repulsin entre dos cargas pun-

tuales es inversamente proporcional al cuadrado de la distan-

cia que las separa. Entre sus teoras y estudios est la teora

de la torsin recta y un anlisis de falla del terreno dentro de

la mecnica de suelos.

Luigi Galvani

Mdico, fisilogo y fsico naci en Bolonia, Italia en 1737 y

muere en 1798.Construy la primera mquina electrosttica.

Dio a conocer su electricidad animal.

Alessandro Volta

Conocido como Alejandro Volta, fsico italiano naci 1745 y

muri en 1827. Famoso principalmente por haber desarro-

llado la pila elctrica en 1800, capaz de producir corriente

elctrica.

Andr Marie Ampere Nio prodigio, naci en Lyon, Francia, en 1775 y muere en

Marsella, Francia, en 1836. Establece los principios de la

electrodinmica, cuando llega a la conclusin de que la

Fuerza Electromotriz es producto de dos efectos: La tensin

elctrica y la corriente elctrica

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Hans Chistian Oesterd Fsico y qumico dans, naci en Rudkobing, Dinamarca en

1777 y muri en Copenhague, 1851.Encontr la relacin que

existe entre la electricidad y el magnetismo. Observ que un

campo elctrico influa sobre un imn. Y as se demostr que

un conductor elctrico por el que circula una corriente elc-

trica crea a su alrededor un campo magntico.

Georg Simn Ohm

Fsico y matemtico alemn, naci el 16 de marzo de 1789 y

muri en 1854.Estudi la relacin que existe entre la intensi-

dad de una corriente elctrica, su fuerza electromotriz y la re-

sistencia, conocido como la ley de Ohm.

Samuel Finley Morse Nace en Boston, Massachusetts, Estados Unidos, en 1791

y fallece en Nueva York, en 1872. Invent el telgrafo y la

Morsa de banco con el mtodo de transmisin ideado por l.

Michael Faraday

Nace en Newington, Gran Bretaa en 1791 y muere en 1867.

Faraday descubri que cuando un conductor que forma un

circuito cerrado se mueve por algn medio mecnico en un

campo magntico, un voltaje se produce de alguna manera y

este produce una circulacin de corriente.

Charles Wheatstone El puente de Wheatstone instrumento elctrico inventado por

Samuel Hunter Christie en 1832, mejorado y popularizado por

Carlos Wheatstone en 1843.Invent el estereoscopio, un te-

lgrafo grfico y un pndulo electromagntico.

Heinrich Friederich

Lenz

Fsico ruso naci en Dorpat en 1804 y muri en Roma en

1865.Basndose de la ley de Faraday, Lenz estableci la re-

lacin que resulta en la transformacin electromecnica. La

ley de Lenz, nos dice que en todos los casos de induccin

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electromagntica, un voltaje inducido puede causar que cir-

cule una corriente en un circuito cerrado, de manera tal que

la direccin del campo magntico producido por la corriente,

se opondr al cambio producido por la corriente.

James Prescott Joule Fsico ingls, naci en Salford, Mnchester en 1818 muri

en 1889. Descubri el efecto Joule o generacin de calor al

paso de una corriente elctrica, enunci la Ley de Joule. Fue

el fundador experimental de la teora mecnica del calor y

determin los equivalentes mecnico y elctrico de la calo-

ra.

Len Foucault

Historiador y filsofo francs naci en1926 y muri

en1984.Demostr experimentalmente la rotacin terrestre

mediante un enorme pndulo (pndulo de Foucault) que se

balanceaba en el observatorio de Pars. Otras contribuciones,

midi la velocidad de la luz, hizo las primeras fotografas del

Sol e invent el giroscopio. Demostr la rotacin de la tierra,

mediante su famoso pndulo y midi la velocidad de la luz,

mediante espejos giratorios.

Gustav Robert

Kirchhoff

Naci en Knigsberg, Prusia (actualmente Kalingrado Rusia)

en 1824y fallece en Berln en1887. Formul las leyes que

lleva su nombre sobre los voltajes y corrientes (ley de los no-

dos y ley de las mallas) y las tres leyes de la espectroscopia

(emisin de luz por objetos incandescentes).

James Clerk Maxwell

Naci en Edimburgo, Escocia en 1831 y muere en Cam-

bridge, Inglaterra, en1879. Desarroll la teora electromagn-

tica clsica. Demostr que era posible realizar fotografas en

color utilizando una combinacin de filtros rojo, verde y azul.

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Descubri las ecuaciones llamadas ecuaciones de Maxwell,

y que se definen como las relaciones fundamentales entre las

perturbaciones elctricas y magnticas.

George Westinghouse Naci en Nueva York en 1846 y fallece en 1914.Fue el prin-

cipal responsable para la introduccin de la corriente alterna

para el suministro de energa elctrica en Estados Unidos.

Fund en Pittsburgh la "Westinghouse Electric & Manufactu-

ring Company.

Alexander Graham

Bell

Naci en Edimburgo, Escocia, en el ao 1847.Inventor del te-

lfono. En 1872 fund una Escuela de Formacin de Profe-

sores para Sordos. Contribuy al desarrollo de las telecomu-

nicaciones y la tecnologa de la aviacin. Muri en 1922, dej

dieciocho patentes a su nombre.

Thomas Alva Edison Naci en Miln, Ohio, EE.UU. en 1847 y muri en West

Orange, Nueva Jersey, EE.UU. en 1931. Fue empresario y

un prolfico inventor. Invent el fongrafo y la lmpara incan-

descente, aunque este ltimo dicen que nicamente fue per-

feccionado por l.

John Hopkinson Ingeniero Mecnico, naci en Manchester, Inglaterra en1849

y falleci en Suiza en1898. La contribucin ms importante

de Hopkinson fue su sistema de distribucin de tres hilos, pa-

tentado en 1882. En 1883 Hopkinson demostr matemtica-

mente que es posible conectar dos dnamos de corriente al-

terna en paralelo.

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Nicola Testa Ingeniero mecnico e ingeniero elctrico, inventor. Naci en

Smiljan (Croacia) en 1856 y muri en nueva York en 1943.In-

ventor de la radio. Desarrollo trabajos en electromagnetismo

e ingeniera electromecnica. Contribuy en gran medida al

desarrollo de la robtica, el control remoto, el radar, las cien-

cias de la computacin, la balstica, la fsica nuclear y la fsica

terica.

Heinrich Rudolf Hertz

(1857-1894)

Fsico alemn, naci en Hamburgo en 1857 y muri en 1894

a la edad de 37 aos. Basndose en las ecuaciones de Max-

well, intuy la existencia de las ondas electromagnticas,

aunque nunca pudo comprobar nada. Por medio de un osci-

lador elemental demostr en la prctica las predicciones de

Maxwell, donde se deca que las ondas electromagnticas no

solo se propagan a travs del espacio sino que poseen pro-

piedades de reflexin refraccin, polarizacin e interferencia

y que se propagan a la velocidad de la luz.

Guglielmo Marconi

(1874-1937)

Ingeniero elctrico naci en Bolonia en 1874 y muri en

Roma en 1937, desarroll un sistema de telegrafa o radio-

telegrafa sin hilos y obtuvo el premio nobel de fsica en

1909.

Edwin Howard Arms-

trong (1890-1954)

Ingeniero elctrico, naci en Nueva York en 1890 y muri en

1954, Armstrong invent la radio en frecuencia modulada

(FM). Tambin invent el circuito regenerativo.

Joseph Henry(1797-

1878)

Fsico estadounidense naci en Albany (Nueva York), cono-

cido por su trabajo acerca del electromagnetismo, en electro-

imanes y relevadores. Fue fundador del Renselaer Polytech-

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nical Institute. Descubri la induccin electromagntica des-

pus de Faraday. Descubri el telgrafo en 1831. A la unidad

de inductancia se le llam Henrio en su honor.

Composicin de la materia

La materia segn el diccionario es cualquier substancia extensa e impenetrable, sus-

ceptible a toda clase de formas y por supuesto ocupa un lugar en el espacio; por ejemplo

la tierra, el sol, el mar, etc. La palabra materia deriva del latn mater, madre. Se encuen-

tran en tres estados: slido, lquido y gaseoso. Cualquiera que sea su estado fsico est

formado por partculas denominadas molculas. Las molculas estn constituidas por

combinaciones de tipos diferentes de partculas mucho muy pequeas llamadas to-

mos. Un tomo es la menor cantidad de un elemento qumico que tiene existencia pro-

pia, y que no es posible dividir mediante procesos qumicos.

Los tomos estn formados por un ncleo que contiene dos tipos de partculas: proto-

nes, los que tiene carga elctrica positiva y los neutrones sin carga elctrica. Ambas

partculas tienen una masa similar. Alrededor del ncleo se encuentran los electrones

que tienen carga elctrica negativa y una masa mucho ms pequea que la de los

protones y neutrones.

Para comprender de una manera ms clara lo que es el tomo, se puede hacer una

semejanza con el sistema planetario en el que el ncleo est en el centro y los electro-

nes giran a su alrededor. En este caso los planetas giran en trayectorias establecidas

alrededor del sol, estas trayectorias reciben el nombre de rbitas. En los tomos se

cuenta con un ncleo alrededor del cual se desplazan en rbitas definidas, pequeas

partculas que son los protones, electrones y los neutrones.

La acumulacin de electrones en un cuerpo caracteriza la carga elctrica del mismo y

son numerosos a pesar de que los electrones libres constituyen una pequea parte del

nmero de electrones presentes en la materia.

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El ncleo de cada tomo est formado a su vez por protones y neutrones. Lo podemos

imaginar como un racimo de partculas, pues neutrones y protones se encuentran en

contacto unos con otros.

Los electrones tienen carga elctrica negativa (-e), los protones la misma carga, pero

positiva (+e), y los neutrones no tienen carga. Los ncleos son por consiguiente positi-

vos. La fuerza fundamental que mantiene a los electrones unidos a su respectivo ncleo

es la elctrica; sabemos que cargas opuestas se atraen y cargas del mismo signo se

repelen.

Figura 1.1 Imagen del tomo.

Fuente: Floyd Thomas (2005). Dispositivos electrnicos. Editorial Limusa, Mxico, 28.

Los tomos se componen de neutrones, que son elctricamente neutros, protones que

estn cargados positivamente y electrones que tienen carga negativa. Los protones y

neutrones constituyen casi toda la masa de un tomo, stos residen en el ncleo at-

mico, cuyo tamao es infinitesimalmente pequeo (tabla 1.1).

18

Los tomos normalmente son elctricamente neutros, pues el nmero de electrones

orbitales es igual al nmero de protones en el ncleo. A este nmero se le denomina

nmero atmico, se representa con la letra Z (del alemn: Zahl, que quiere decir n-

mero) y distingue a los elementos qumicos. Ahora bien, los electrones orbitales se en-

cuentran colocados en capas. La capa ms cercana al ncleo es la capa K; le siguen la

capa L, la M, la N y as sucesivamente.

Una clasificacin de los elementos la constituye la tabla peridica, en que a cada ele-

mento se le asocia su correspondiente Z (vase la figura 1.2). En la tabla 1.1 se dan

ejemplos de algunos elementos ligeros, incluyendo el nmero de electrones que co-

rresponde a cada capa; la capa K se llena con 2 electrones, la L con 8, etc.

Tabla 1.2 Configuracin electrnica de los elementos

Fuente: http://bibliotecadigital. Ibd., p.2

19

Se conocen ms de 100 elementos. Ntese que nombrar el elemento equivale a esta-

blecer su nmero atmico.6 Si por algn proceso fsico un electrn se separa de su

tomo correspondiente, se dice que sucede una ionizacin. El tomo resultante, ahora

con una carga neta positiva, se llama ion positivo, o tomo ionizado. La ionizacin

puede tener lugar en cualquiera de las capas atmicas, denominndose ionizacin K,

L y M. Cuando sucede una ionizacin de capa interna, como la K, queda un espacio

vacante en la capa. El tomo tiene la tendencia entonces a llenar este lugar con un

electrn de una capa externa. Al suceder esto, hay una emisin de radiacin electro-

magntica (luz visible, rayos ultravioleta, o rayos X), como lo muestra la figura 1.2.

Figura 1.2 Posible ionizacin en la capa K, un electrn de la capa L.

Fuente: bibliotecadigital. bid, p.3.

Los electrones en las orbitas ms alejadas del ncleo estn dbilmente ligados al ncleo como

es el caso de M que los ms cercanos al ncleo, debido a la fuerza de atraccin entre el n-

cleo cargado positivamente y los electrones cargados negativamente disminuye al aumentar la

6http://bibliotecadigital.ilce.edu.mx/sites/ciencia/volumen2/ciencia3/094/htm/sec_4.htm

20

distancia. Cuando un tomo absorbe energa de una fuente calorfica o de la luz los niveles

energticos de los electrones se elevan, es lo que se llama ionizacin.

1.2 Conceptos de magnitudes elctricas

Carga elctrica

La carga elctrica es una propiedad fsica intrnseca de algunas partculas, que las ca-

racteriza y por la cual sufren la interaccin electromagntica, lo constituye el electrn y

protn. Al ser de una unidad tan pequea, se establece como unidad de carga elctrica

el coulomb ( q ), que equivale a la carga de 6.23 x 1023 electrones; pero es 1840 veces

ms ligero que el protn. Los electrones son ms fciles de mover. Se ha dicho que los

electrones giran en rbitas alrededor del ncleo de un tomo y tienen cargas elctricas

negativas.

Figura 1.3 Niveles energticos y distancia al ncleo.

Fuente: Floyd Thomas (2005). Ibd., 30.

21

Ley de las cargas elctricas

El estudio de las cargas elctricas en reposo recibe el nombre de electrosttica, la elec-

tricidad es una forma de energa llamada energa esttica, es una energa almacenada

que puede ser aprovechada en cualquier momento para hacer un trabajo.

Las cargas elctricas dan lugar a lo que se conoce como campo elctrico, lo cual se

puede manifestar experimentalmente. Debido a la forma en que interactan estos cam-

pos, las partculas cargadas pueden atraerse o repelerse entre s. La ley de las cargas

elctricas establece que las partculas que tienen cargas del mismo signo se repelen y

las que tienen cargas diferentes, se atraen.

Ley de Coulomb

En 1736 nace un hombre de ciencia llamado Charles Augustin (Carlos Agustin) de

Coulomb quien experiment con cargas electrostticas formul la ley de atraccin elec-

trosttica, que se conoce Ley de Coulomb: La fuerza que se ejerce entre dos cuerpos

cargados de electricidad separados por aire, es directamente proporcional al producto

de las dos cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia existente

entre ellos

Si se consideran dos cargas q1 y q2, concentradas en dos puntos separados por aire y

a la distancia d, la ley de Coulomb se expresa por

F = k (q1 q2/d2) unidades de fuerza

22

donde: F = magnitud de la fuerza (electrosttica) entre las cargas elctricas q1 y q2 en N k = constante de proporcionalidad (en vaco es 9x109)

q1, q2 = cargas elctricas de las dos partculas en Coulomb (q )

d = distancia de separacin entre los cuerpos o partculas en metros ( m )

Energa del electrn

Se ha dicho que todos los electrones tienen carga negativa, pero no todos los electrones

tienen el mismo nivel de energa. Los electrones orbitan al ncleo a ciertas distancias

de l. Los electrones cercanos al ncleo poseen menos energa que los que orbitan ms

distantes. Cuanto ms lejanas estn las rbitas electrnicas del ncleo, mayor ser su

energa.7Cada distancia discreta (rbita) al ncleo corresponde a un cierto nivel ener-

gtico. En un tomo las rbitas se agrupan en bandas magnticas conocidas como ca-

pas. Un tomo dado posee un nmero fijo de capas, cada capa tiene un nmero mximo

fijo de electrones en niveles energticos permisibles (rbitas). Las diferencias en niveles

energticas dentro de una capa son mucho menores que las diferencias en energa

entre las capas.

Conductores y aislantes

Para que pueda existir una corriente elctrica a travs de un conductor se debe a la

posibilidad de que los electrones perifricos de sus tomos pueden dejar el tomo de-

bido a alguna influencia externa. Y la facilidad para que esto ocurra depende de lo ale-

jado del ncleo que estn los electrones perifricos, ya que la fuerza de atraccin que

ejerce el ncleo sobre ellos disminuye con la distancia. Los materiales son los mejores

conductores de electricidad cuando menos electrones perifricos tengan sus tomos y

ms alejados se encuentran del ncleo en general los que tienen muchos electrones

libres. Los tomos de los conductores tienen slo 1 o 2 electrones de valencia.

7Floyd Thomas (2005). Dispositivos electrnicos, editorial Limusa Mxico, p.29.

23

Los conductores pueden dividirse en tres clases: metlicos, electrolticos y gaseosos.

Los mejores conductores son los metlicos entre los que se encuentran el oro, la plata,

el cobre y aleaciones. Entre los conductores electrolticos estn las soluciones de ci-

dos, bases y sales. Los electrolticos tienen una conductividad variable, pero slo en el

sentido electroltico.

Los materiales aislantes de la electricidad, aquellos que debido a su estructura atmica

no dan lugar a una circulacin ordenada de electrones y prcticamente no permiten el

paso de la corriente de all el trmino aislante.8Como ejemplo se puede mencionar el

vidrio, la cermica y los plsticos. Se puede decir que un conductor elctrico es un ma-

terial que ofrece pequea o nula resistencia al paso de los electrones y un aislante elc-

trico es el que presenta resistencia a la corriente elctrica.

Ley de ohm

La importancia que tiene la electricidad en nuestra vida individual y colectiva se ha

hecho tan evidente que no es preciso ponderarla. Desde hace mucho tiempo ciudades

y pueblos enteros por pequeos que sean necesitan energa elctrica para su alum-

brado, sus transportes, su abastecimiento de agua, sus ascensores, sus comunicacio-

nes, para la industria, incluyendo automviles no pueden funcionar sin energa elc-

trica para el encendido.

La energa elctrica se puede transportar econmicamente a grandes distancias para

utilizarla donde sea ms conveniente, como en los centros de poblacin, en los trenes

elctricos, en las fbricas y en los centros industriales. El uso que se le da a la energa

es muy variado, se puede usar en maniobras de ascensores, accionamiento de m-

quinas elctricas, hornos elctricos y la iluminacin. Los numerosos usos y aplicacio-

nes de la electricidad pueden conseguirse solo si se posee un conocimiento completo

de las leyes de la corriente elctrica, sus relaciones con el magnetismo, as como la

manera de producirla y de obtener efectos electromecnicos y electroqumicos.

8 Hermosa A. (2009). Principios de electricidad y electrnica I, editorial Alfaomega, Mxico, p. 15.

24

A principios del siglo XIX, el fsico alemn Georg Simn Ohm realiz muchos experi-

mentos sobre la electricidad, hizo varios descubrimientos importantes acerca de la

resistencia elctrica. En su honor, la unidad de resistencia se le ha llamado ohm. Se

dice que un conductor tiene una resistencia de un ohm cuando una fuerza electromo-

triz (fem) de 1 volt produce el flujo de una corriente de 1 ampere a travs de ese con-

ductor.

La ley de Ohm constituye el fundamento del clculo de los circuitos elctricos y elec-

trnicos. Por medio de esta ley se pueden calcular la resistencia, la corriente y la ten-

sin o voltaje.

Resistencia elctrica

La corriente elctrica que circula por un conductor no depende solamente de la fuerza

electromotriz aplicada en sus terminales, sino tambin de las propiedades del mismo.

Por ejemplo si un conductor de cobre se conecta a las terminales de una pila se pro-

duce una corriente a lo largo del conductor. Si hay un contacto deficiente en una de

las terminales de la pila la corriente ser menos intensa, aun cuando la fuerza electro-

motriz (fem) o tensin permanece constante. Tambin en el punto del contacto defi-

ciente habr disipacin de calor. Del mismo modo si se intercala una lmpara incan-

descente en el circuito formado por el conductor de cobre, el filamento de la lmpara

se calentar y podr ponerse incandescente; la corriente en el circuito disminuir. En

ambos casos, el calor se manifiesta especialmente en los puntos en que estn inter-

calados los elementos que son peores conductores. Tambin en ambos casos dismi-

nuye la corriente por el hecho de haber intercalado un medio menos conductor, siem-

pre que la fem permanezca constante.

Esta propiedad del circuito elctrico que tiende a oponerse a la corriente y que al

mismo tiempo es causa de transformacin de la energa elctrica en calor recibe el

nombre de resistencia.

25

La corriente elctrica

El movimiento de electrones libres o en movimiento es lo que se llama corriente elc-

trica, la que produce luz y calor, adems de que proporciona la energa elctrica para

hacer funcionar los motores, calefactores, calefactores, radios, televisores, etc.; de la

misma manera que ocurre con la fuerza magntica, no nos resulta visible, pero su

existencia queda claramente manifiesta por los efectos que produce.

La corriente o intensidad elctrica es el movimiento o flujo de carga por unidad de

tiempo que recorre un material y se puede definir de la siguiente manera: es la circu-

lacin ordenada de electrones libres a travs de un conductor. Para que este movi-

miento se lleve a cabo es necesario disponer de una fuerza electromotriz o tensin

que impulse a los electrones para hacerlos fluir:

1) Establecer previamente el recorrido que seguirn estos electrones en el cir-

cuito elctrico.

2) Definir los usos a los cuales se destinar el flujo elctrico y colocar los ele-

mentos necesarios en el recorrido que realizar este flujo para aprovecharlo.

El instrumento usado para medir la intensidad de la corriente elctrica es el galvan-

metro, calibrado en amperes, se llama amprmetro, colocado en serie con el conductor

cuya intensidad se desea medir.

Las unidades de medida de la corriente elctrica se le designa ampere y se abrevia

con la letra I. Cuando esta unidad es muy grande se utiliza el miliamprmetro que es

una milsima de ampere o el microampere que es una millonsima de ampere.

La resistencia de un conductor determina cuanta corriente fluir a travs del conductor

cuando se conecta a una fuente de tensin. Hay que tomar en cuenta en relacin con

el flujo de corriente. Uno de ellos es la resistencia del conductor permita el flujo de

cierta cantidad de corriente, no pueda fluir ms corriente de la que la fuente pueda

emitir o transportar. Las fuentes tienen un lmite de seguridad de corriente mxima que

pueden alimentar o transportar antes de que se queme el conductor.

26

El segundo factor que debe considerase es la cantidad de corriente que el conductor

pueda transmitir sin peligro; tomar en cuenta que la corriente elctrica calienta el con-

ductor y la cubierta aislante puede daarse y hasta quemarse totalmente.

Fuerza electromotriz o tensin(fem)

Para conseguir que la corriente circule entre dos puntos es necesario que exista una

diferencia de potencial, se puede llamar fuerza electromotriz o tensin (fem). La fuerza

electromotriz es la energa que proviene de cualquier fuente, medio que suministre

corriente elctrica. Para ello se requiere que exista una diferencia de potencial entre

dos puntos o polos, uno positivo y otro negativo. La unidad de esta fuerza es el volt.

Tambin puede designarse fuerza electromotriz como una presin o una tensin elc-

trica. Se utiliza el trmino baja tensin las mediciones que se hacen a todos los equipos

conectados en baja tensin. Existen tensiones o voltajes de media y alta tensin que

se ver ms adelante.

1.3 Circuito elctrico

Un circuito elctrico es un conjunto de elementos que unidos de forma adecuada per-

miten el paso de electrones.

Los generadores son dispositivos o elementos capaces de mantener una diferencia

de potencial entre los extremos de un conductor, dentro de estos se encuentran las

plantas de generacin, acumuladores (corriente continua), subestaciones elctricas,

lneas de transmisin y distribucin, protecciones elctricas, interruptores, transforma-

dores de potencia y de distribucin, entre otros.

Se ha mencionado que en el estudio de la electricidad se considera principalmente la

produccin, la transmisin y la distribucin de la energa elctrica. Algunos suelen

tratar la electricidad en reposo, llamada tambin electricidad esttica, es la electricidad

en movimiento o sea la corriente elctrica, la que ms importancia tiene en electro-

27

tecnia. Si se desea conocer la potencia consumida en una parte de un circuito elc-

trico, slo es necesario intercalar un amprmetro para medir la corriente en esa parte

del circuito, y aplicar un vltmetro para medir las tensin a los extremos de esa parte

del circuito; el producto de la lectura del amprmetro por la lectura en el vltmetro da

directamente la potencia en watt.

Debido a la semejanza de las corrientes de agua con las corrientes elctricas, muchas

veces nos valemos de ellas para comprender lo relativo a la circulacin de la corriente

Figura 1.5 Circuito elctrico

Fuente: elaboracin del autor.

en los conductores elctricos.9Cuando se considera el flujo de electricidad deben te-

nerse siempre en cuenta tres factores:

1. Corriente de flujo de electricidad a lo largo de un conductor.

2. Tensin, lo que causa la circulacin de la corriente.

3. Resistencia, lo que se opone a la circulacin de la corriente.

1.4 Medicin de magnitudes elctricas

La importancia de los instrumentos elctricos de medicin es muy satisfactoria, ya que

mediante el uso de ellos se miden e indican magnitudes elctricas, como corriente,

carga, potencial y energa, o las caractersticas elctricas de los circuitos, como la re-

sistencia, la capacidad, la capacitancia y la inductancia. Adems permiten localizar las

9Timbie H.W. (1958). Curso bsico de electricidad. Editor Jos Montes Buenos Aires, p.2

28

causas de una operacin defectuosa en aparatos elctricos en los cuales, no es posi-

ble apreciar su funcionamiento en una forma visual, como en el caso de un aparato

mecnico.

Figura 1.6 Circuito elctrico (existe resistencia, corriente y tensin)

Fuente: apuntes del autor.

La informacin que suministran los instrumentos de medicin elctrica se da normal-

mente en una unidad elctrica estndar: ohm, volt, ampere, coulomb, henry, farad, watt,

joule, etc.

Si se desea determinar la tensin necesaria para hacer circular una corriente a travs

de un conductor, se utiliza la ley de Ohm de la siguiente forma.

Tensin en volt( V ) = corriente en ampere( A ) x por resistencia en ohm( ohm)

1.5 Conceptos bsicos de las leyes de Ohm, Kirchhoff, Lenz, Faraday y Watt

Ley de Ohm. Corriente

La corriente en un circuito es igual al cociente entre la tensin y la resistencia.

Corriente en ampere( A ) = Tensin en volt( V ) / resistencia en ohm( R )

Ley de Ohm. Tensin

Si se desea determinar la tensin necesaria para hacer circular una corriente a travs

de un conductor, se utiliza la ley de Ohm de la siguiente forma.

Tensin en volt( V ) = corriente en ampere(A ) x por resistencia en ohm( R )

29

Ley de Ohm. Resistencia

A veces se desea limitar la corriente en un aparato a cierto valor, si se conoce la co-

rriente y se conoce la tensin, se utiliza la ley de Ohm para calcular la resistencia.

Resistencia en ohm(R) = Tensin en volt( V ) / corriente en ampere( A )

La ley de Ohm se usa en las tres formas no es propiamente una ecuacin matemtica,

es una proporcin y podemos memorizarlos fcilmente, utilizando una forma diagra-

mtica donde se oculta el smbolo que se desea encontrar.

Figura 1.7 Ley de Ohm

E= tensin en volt

I = corriente en ampere

R = resistencia en ohm


Leyes de Kirchhoff

Las leyes Kirchhoff fueron enunciadas por primera vez en 1845 por el fsico alemn

Gustav Robert Kirchhoff, se basan en la conservacin de la energa y la carga en los

circuitos elctricos y son utilizados ampliamente en ingeniera elctrica.

Cuando se conectan entre s dos o ms elementos simples de circuito, se origina un

conjunto que recibe el nombre de red. Si esa red contiene por lo menos un camino

cerrado, entonces recibe el nombre de circuito. Si por otro lado, una red contiene una o

ms fuentes de tensin o de corriente, recibe el nombre de red activa.

Para realizar el anlisis de un circuito, la determinacin de las relaciones entre tensiones

y corrientes en cada uno de los elementos que lo constituyen, se considera que los

conductores que conectan entre s a los elementos tienen resistencia nula y que los

elementos son concentrados. Las leyes mencionadas reciben el nombre de ley de los

nodos y ley de las mallas.

E

I R

30

La ley de los nodos de Kirchhoff

Establece que: la suma algebraica de las corrientes que entran a un nodo cualquiera

de un circuito, es igual a cero en cualquier instante, matemticamente de la siguiente

manera:

I entran = I salen

En el nodo de la figura 1.9 se ve que entran las corrientes i1, i2, i3 e i4

En esta ecuacin implica que necesariamente algunas de las corrientes tienen signo

negativo o, en otras palabras, un sentido de circulacin contrario al que se muestra en

la figura 1-9, pues el nodo no puede estar almacenando carga, ni sta puede estarse

destruyendo. Por convencin, se asignar un signo positivo a las corrientes que entran

al nodo y negativo a las que salen.

Figura 1-8 Ley de Kirchhoff de nodos.


La ley de las tensiones de Kirchhoff

Esta ley establece que: la suma algebraica de las tensiones en el circuito, cualquiera

que sea la naturaleza de los componentes, para un instante cualquiera, calculadas al

recorrer un camino cerrado cualquiera, es igual a cero.

4

in

= i1 + i

2 + i

3 + i

4 = 0

n = 1

31

Figura 1-9 Ley de Kirchhoff de tensiones.

Fuente: Serway (1997). Electricidad y magnetismo, editorial Mac Graw Hill. Mxico, p.41

Considerando el circuito de la figura 1-10 constituido por cuatro resistencias y una

fuente. En este circuito se pueden establecer tres caminos cerrados diferentes. El pri-

mero formado por la fuente y las resistencia R1, R2 y R3; el segundo formado por la

fuente y por las resistencias R1, R2 y R5 y el tercero, formado por R3 y R5.

Para cada camino cerrado o malla, se puede considerar una corriente ficticia, llamada

corriente de malla, que se supondr circulando a travs de todos los elementos que

constituyen cada malla.

Las corrientes que circulan realmente a travs del circuito son las corrientes de rama,

cuya relacin con las corrientes de malla es simple. Si la rama es externa Ambas co-

rrientes son iguales como en el caso de las resistencias R1 y R5 del circuito de la citada

figura 1-10. Si la rama pertenece a dos mallas adyacentes, la corriente de rama es igual

a la suma algebraica de las corrientes de las dos mallas, como es el caso de la resis-

tencia R3 de ese mismo circuito.

32

Figura 1-10 Ejemplo Ley de Kirchhoff de tensiones.

Fuente: Gonzlez Aguilar F. (1987) Introduccin al anlisis de circuitos, editorial Limusa, Mxico,p.66.

Ley de Lenz

De acuerdo con los trabajos de Faraday, Heinrich Friederich Lenz, estableci en el

ao de 1833 una relacin que resulta bsica en la transformacin de la energa elec-

tromecnica. Lenz plantea que las tensiones inducidas sern de un sentido tal que se

oponga a la variacin del flujo magntico que las produjo.

El flujo de un campo magntico uniforme a travs de un circuito plano viene dado por:

donde:

= Flujo magntico. La unidad en el SI(sistema internacional) es el weber

(Wb).

33

B = Induccin magntica. La unidad en el SI(sistema internacional)es el tesla

(T).

S = Superficie del conductor.

= ngulo que forman el conductor y la direccin del campo.

Figura 1.11 Un imn que se mueve hacia el lazo conductor estacionario induciendo corriente en a y b.

Fuente: Serway A. Raymond (2001).Ibd., p.269.

En la figura 1.11, cuando el imn se mueve hacia el lazo conductor estacionario, se in-

duce una corriente en la direccin que se seala(a). La corriente inducida produce su

propio flujo hacia la izquierda para contrarrestar el flujo externo creciente hacia la de-

recha.

La ley de Lenz, se puede enunciar: Un cambio en la corriente produce una fuerza elec-

tromotriz (Fem), cuya direccin es tal que se opone al cambio de la corriente.10

Ley de Faraday

El fsico y qumico britnico Michael Faraday en sus estudios de electromagnetismo y

electroqumica, descubri el efecto de la induccin electromagntica. Ha servido de

base para la construccin de generadores y motores elctricos. En 1831 Faraday expe-

riment que cuando un conductor que forma un circuito cerrado se mueve por algn

10Mileaf Harry (2005). Electricidad serie 1-7 editorial Limusa. Mxico, p. 3-49.

34

medio mecnico, en un campo magntico, un voltaje se produce de alguna manera y

este produce una circulacin de corriente.

En base a este descubrimiento sobre la induccin electromagntica se le dio el nom-

bre ley de Induccin de Faraday, y puede escribirse con la frmula:

Figura 1.12 Campo magntico en un circuito cerrado.

Fuente:Serway A. Raymond (2001) op. Cit., p.262.

Esta ecuacin seala que que el voltaje inducido es directamente proporcional a la ve-

locidad con la que cambia el flujo magntico que atraviesa una superficie con el circuito

como borde. Cuando se energiza un conductor, la corriente crea un campo magntico,

esto es una consecuencia del principio de la conservacin de la energa.

De acuerdo con las investigaciones de Faraday, se supo tambin el hecho de que el

magnetismo se puede generar por una corriente elctrica que pasa a travs de una

bobina y que los polos iguales de un imn se repelen, en tanto los contrarios se atraen.

Estos fenmenos, asociados a ciertas reglas y leyes elctricas, constituyen la base para

el estudio de los generadores y motores elctricos. La ley de Faraday se puede enunciar

como el voltaje inducido en una espira o bobina de un conductor, es proporcional al

ndice de cambio de las lneas de fuerza que pasan a travs de una bobina.11

11Fuente: Harper E.(2001, op. Cit. , p.19

35

Potencia y energa elctrica

La potencia elctrica se puede definir como la capacidad de realizar un trabajo que tiene

la electricidad. La energa puede ser aplicada o gastada en una forma lenta o bien puede

suceder que dicha energa se manifieste en su totalidad de una manera violentsima, en

cuyos dos casos se producen dos magnitudes de potencia, si las cantidades de energa

puestas en juego son iguales.

Para establecer las caractersticas de un aparato elctrico, se acostumbra a dar, no

solamente el valor de la tensin sino tambin el valor de la energa que consume o

produce. Este valor de energa consumida por unidad de tiempo se llama potencia y se

mide en watt o kilowatt. Cuando se hable de una lmpara de 100 watt con una tensin

de 120 volt. En los aparatos electrodomsticos la mayor o menor energa que consu-

men, se expresa por el trmino de potencia, ya se dijo que la unidad es el watt.

Tambin se pueden obtener otro tipo de energa, por ejemplo la energa mecnica

para mover las turbinas de una planta hidroelctrica, adems el agua que se encuen-

tra almacenada en las presas posee capacidad de realizar un trabajo. En las plantas

de combustin interna, tambin se realiza trabajo mecnico, y por medio de la com-

bustin se convierte en energa.

Figura 1.13 Relaciones de Faraday.

Fuente: Harper E.(2001)op. cit, p.19

36

Diferentes expresiones de la potencia As como la ley de Ohm, puede expresarse en tres formas: 1) I = E/R, 2) E = IR,

3) R = E/I, Tambin puede expresarse con la ecuacin de potencia P = IR, puede te-

ner tres formas como se indica a continuacin:

- Como E = IR, puede sustituirse en la ecuacin de P = IE, obtenindose

P = I ( IR ) = I2 R

- En forma similar, debida a que I = E/R, puede sustituirse en la misma ecuacin y

se tiene:

P = (E/R) E = E2 / R

- Estas tres ecuaciones son las diferentes expresiones de la potencia:

P = E/R = I2 R = E2 / R

Conociendo estas frmulas, se ahorra trabajo matemtico, aplicando directamente la

frmula adecuada a cada problema. Si se conoce la tensin y la corriente se aplica la

frmula P = E/R; cuando se conoce la corriente y la resistencia se aplica I2 R; y cuando

se conoce la tensin y la resistencia se aplica E2 / R.

Determinacin de la potencia elctrica en un circuito elctrico

Si se desea conocer la potencia consumida en un circuito o una parte de un circuito

elctrico, lo que se hace es intercalar un amprmetro para medir la corriente en ese

circuito o en esa parte del circuito y aplicar un vltmetro para medir la tensin a los ex-

tremos de esa parte medida; el producto de la lectura del amprmetro por la lectura en

el vltmetro da directamente la potencia en watt. Esto en forma de ecuacin se esta-

blece:

Watts (consumida en el circuito) = volt (aplicados al circuito) x los ampere (la

corriente en el circuito).

Las mismas precauciones que se toman para aplicar la ley de Ohm deben tenerse al

aplicar la frmula de la potencia, es decir, que la tensin y la corriente deben medirse

en esa parte o en todo ese circuito.

37

Kilowatt y caballo de vapor

Debido a que el watt es una unidad demasiado pequea para expresar conveniente-

mente la potencia til de las mquinas modernas, se utiliza generalmente una unidad

mil veces mayor igual a 1000 watt llamada kilowatt.

Trabajo

Si se desea obtener el trabajo desarrollado por una mquina es necesario conocer el

tiempo que ha funcionado y la potencia que ha estado desarrollando. Si la potencia se

mide en caballos-vapor y el tiempo en horas, el trabajo se medir en caballos-hora y es

el producto de los caballos-vapor por las horas.

Ahora si la potencia se mide en kilowatt y el tiempo en horas, el trabajo se medir en

kilowatt-horas y es el producto de los kilowatt por las horas.

Cuando una persona utiliza energa para funcionar su fbrica, debe pagar no solamente

por la potencia utilizada, sino tambin de acuerdo con el nmero de horas que utilice

esa potencia.

Energa elctrica y energa trmica

La corriente elctrica que circula por una resistencia produce una prdida de energa en

forma de calor. En los aparatos elctricos proyectados como calentadores esta energa

elctrica transformada es til y deseable. En otros aparatos las corrientes elctricas se

utilizan para producir movimiento, como en los motores elctricos; para producir luz

como en una lmpara. Todos estos aparatos tienen resistencia elctrica, as tambin

en los conductores conectados a ellos, por lo que la corriente desarrollar calor en ellos

adems del movimiento mecnico o de iluminacin. Como resultado se tiene que nin-

guno de estos aparatos transforma totalmente la energa que recibe de la lnea; parte

de la misma se pierde en calor. Este calor se produce al vencer la resistencia elctrica,

as como se produce calor en una mquina al vencer la friccin mecnica.

38

Unidades de calor

La energa elctrica puede transformarse en energa mecnica o trmica, las unidades

de energa elctrica pueden ser reducidas a unidades de calor o a unidades mecnicas.

La unidad corriente de energa trmica es la calora. Una calora es la unidad de calor

necesaria para elevar la temperatura de un gramo de agua en un grado centgrado

(1C).

El calor que se genera debido a la corriente que circula por un conductor, se puede

medir por el aumento de temperatura de una determinada cantidad de agua; de esta

forma se puede determinar que un watt-segundo de energa elctrica es equivalente a

0.24 caloras. Quiere decir que una corriente de un ampere en una resistencia de un

ohm producir un calentamiento suficiente como para elevar la temperatura de un gramo

de agua en 0.24C. En forma de expresin la ecuacin queda de la siguiente forma:

Q = 0.24 I2 R t.

Q = calor en caloras.

I = corriente en ampere.

R = resistencia en ohm.

t = tiempo en segundos.

Si I2 R = watt

Entonces Q = I2 R t = watt-segundo o joule.

Al factor 0.24, se le conoce como equivalente trmico de la electricidad.

Unidades de potencia y de trabajo

Se ha escrito las unidades de trabajo y de potencia de uso ms comn en mediciones

elctricas, mediciones de calor y mediciones mecnicas. Es necesario establecer las

relaciones entre las unidades a fin de recordar los conocimientos adquiridos.

Primeramente se debe entender con claridad y precisin cules son las unidades de

potencia y cules son las unidades de trabajo o energa. Las unidades de potencia son

las mostradas en la figura 1.14.

39

Figura 1.14 Crculo de memoria para usar las leyes de Ohm y Watt.

Fuente: Harper Enrique (2009). Manual del instalador electricista, editorial Limusa. Mxico, p. 45.

Tabla 1.3 Equivalencias

Unidades de potencia

a Elctricas Watt

kilowatt = 1000 watt (kW)

b Mecnicas kilogrmetro/segundo

Caballo de vapor = 75 kgm/segundo (CV)

c Trmicas Calora/segundo

BTU/segundo = 252 caloras/segundo

Unidades de trabajo o energa

a Elctricas Watt/segundo

kilowatt-hora

b Mecnicas kilogrmetro

Caballo-hora

c trmicas Calora

Unidad trmica inglesa

Algunas equivalencias ms tiles

a kilowatt 1.36 caballos-vapor

b Watt-segundo 0.24 caloras

c BTU 252 caloras

Fuente: apuntes del autor

40

1.6 Aplicaciones de los conceptos bsicos de electricidad

Electrosttica

La materia que nos rodea est formada por tomos. Los tomos a su vez estn forma-

dos por partculas distribuidas en el ncleo y la corteza. En el ncleo nos encontramos

con los neutrones (partculas sin carga y con masa) y protones (partculas con carga

positiva y masa).En la corteza girando alrededor del ncleo se encuentran a los elec-

trones (partculas con masa despreciable y carga negativa).Cuando el nmero de pro-

tones y electrones es el mismo tenemos tomos neutros, mientras que si el nmero de

ambos no coincide tenemos iones, tomos cargados. Estos iones pueden ser:

Iones positivos. El nmero de protones es mayor que el nmero de electrones.

Iones negativos. El nmero de electrones es mayor que el nmero de protones.

Con anterioridad se ha mencionado que la corriente elctrica es el movimiento de elec-

trones libres y segn el tipo de desplazamiento diferenciamos entre corriente continua

(cc) y la corriente alterna (ca).En la corriente continua los electrones se desplazan siem-

pre en el mismo sentido y en la corriente alterna los electrones cambian de sentido en

su movimiento 50 veces por segundo en el caso europeo y 60 veces por segundo en

Amrica (Mxico). El movimiento descrito por los electrones en este caso es sinusoidal.

Figura 1.15 Representacin fasorial de una onda senoidal.

Fuente: Montero R (2009) Imagen circunferencia trigonomtrica y onda senoidal.

41

Magnitudes bsicas

Por magnitud fsica entendemos cualquier propiedad de los cuerpos que se puede me-

dir o cuantificar. En los circuitos elctricos tenemos:

Voltaje o tensin elctrica. Energa por unidad de carga que hace que stas circulen

por el circuito. Se mide en volt (V).

Intensidad. Nmero de electrones que atraviesan la seccin de un conductor en la uni-

dad de tiempo. Se mide en ampere (A).

donde: q es la carga y t el tiempo.

El ampere es una unidad muy grande equivalente al paso de 6.24 x1018 electrones por

segundo.

Resistencia: Mide la oposicin que ofrece un material al paso de corriente elctrica.

Se mide en Ohm.

La resistencia que ofrece un material al paso de corriente elctrica viene determinada

por su longitud, su seccin y sus caractersticas segn la ecuacin:

donde: R = resistencia en ohm( ).

L = longitud en metro (m).

= resistividad del cobre en ohm x metro ( x m).

S= rea de la seccin transversal del conductor en m2.

A menudo es ms conveniente pensar en trminos de paso de la corriente elctrica en

vez de la resistencia, y por ello la cantidad conductividad elctrica se define como

el recproco de la resistividad elctrica.

Las unidades para la conductividad elctrica son (ohm x metro)-1 = x m-1 .La unidad

del Sistema Internacional (SI) para el recproco del ohm el siemens.

Atendiendo a esta resistencia los materiales se clasifican en dos grandes grupos:

42

Conductores. Permiten el paso de corriente elctrica, metales y agua.

Aislantes. No permiten el paso de corriente elctrica, madera, plstico, entre otros.

Ley de Ohm

Ohm realiz numerosos experimentos analizando los valores de estas tres magnitudes

observando que si aumentaba la resistencia manteniendo fija la intensidad, aumentaba

el voltaje. Si aumentaba la intensidad manteniendo fija la resistencia, aumentaba el vol-

taje. Es decir la resistencia y la intensidad son directamente proporcionales al voltaje.

Estos experimentos llevaron a Ohm a enunciar su ley para el clculo de las magnitudes

bsicas de un circuito elctrico de la siguiente forma:

V = I R

donde V = voltaje o tensin elctrica

I = corriente elctrica.

R = resistencia elctrica.

Instrumentos de medida

Para medir las diferentes magnitudes elctricas, existen instrumentos especficos

siendo los ms utilizados el vltmetro, el amprmetro.

Vltmetro. Mide el voltaje o tensin elctrica. El aparato se conecta en paralelo con el

componente o generador cuya tensin se quiere medir. La resistencia interna del apa-

rato es muy alta de modo que a travs de l casi no circula corriente. Suele tener varias

escalas, volt o milivolt siendo preciso elegir la escala adecuada a la tensin que se va a

medir. Si trabajamos con tensiones muy elevadas debemos tener cuidado para no da-

arlo. El aislamiento del aparato no es adecuado para voltajes elevados.

Amprmetro. Mide la intensidad de la corriente. Se conecta en serie con el circuito. La

resistencia interna del aparato es muy pequea por lo que apenas afecta a la corriente

del circuito. Tambin aqu debemos seleccionar la escala adecuada a la intensidad que

vamos a trabajar. Si conectamos el aparato en paralelo podemos daarlo.

43

Circuito serie. Es una configuracin de conexin en la que los bornes o terminales de

los dispositivos generadores, resistencias, condensadores, interruptores, entre otros)

se conectan secuencialmente. La terminal de salida de un dispositivo se conecta a la

terminal de entrada del dispositivo siguiente.

Las cuatro resistencias conectadas en serie de la figura 1.16 tienen la misma corriente

I. el voltaje en todo el circuito es la suma de los voltajes individuales. Una resistencia

nica equivalente Req remplaza a las cuatro resistencias:

V = V1 + V2 + V3 + V4

IReq = I (R1 + R2 + R3 +R4)

Req = R1 + R2 + R3 + R4

Figura 1.16 Resistencias conectadas en serie

Fuente: elaboracin del autor en base a los apuntes de clase.

Circuito paralelo. Es una conexin donde todos los componentes tienen la misma

tensin o voltaje. En los circuitos en paralelo existen uno o ms puntos donde la co-

rriente se divide y sigue trayectorias diferentes. La corriente que circula por cada uno

de los componentes depende del valor de la resistencia del conductor. La resistencia

equivalente de un circuito en paralelo es siempre menor que la resistencia ms baja

que haya en el circuito.

44

Figura 1.17 Resistencias conectadas en paralelo.


En una conexin de cuatro resistencias en paralelo figura 1.17, la corriente total es la

suma de las cuatro corrientes individuales.

I = I1 + I2 + I3 + I4

V / Req = V ( 1/R1 + 1/R2 + 1/R3 + 1/R4 )

1/ Req = 1/R1 + 1/R2 + 1/R3 + 1/R4

Figura 1.18 Comparacin de circuitos en serie y en paralelo


45

Tabla 1.4 Caractersticas de circuito serie-paralelo.

Fuente: Mileaf Harry (2005) Electricidad serie 1-7, editorial Limusa. Mxico, p. 2-97.

En la figura 1.18, se observa los circuitos serie en paralelo son una combinacin de

circuito en serie y circuitos en paralelo. En la tabla 1.3 se describen las caractersticas

y el comportamiento que adquieren: la corriente, la tensin o voltaje y la resistencia.

Factor de potencia

En la mayora de los equipos elctricos que requieren magnetizacin para su funciona-

miento y que los de cargas inductivas como son los transformadores, motores, balas-

tros, necesitan de la energa reactiva para su funcionamiento adecuado. Ahorra ener-

ga corrigiendo tu factor. Estos equipos mencionados consumen energa activa, es de-

cir es la energa que realiza el trabajo y se mide en kilowatt.

Qu es el factor de potencia?

Es un indicador sobre el correcto aprovechamiento de la energa, de forma general es

la cantidad de energa que se ha convertido en trabajo. El factor de potencia puede to-

mar valores entre 0 y 1.

Dicho de otra forma:

Factor de potencia = Es la potencia activa entre la potencia total

46

Figura 1.19 Triangulo de potencias.

Fuente: elaboracin del autor

Es bien importante sealar que adems de los incentivos o bonificaciones que tienen

contemplado la compaa suministradora por tener un factor de potencia alto, provoca

reduccin en la capacidad disponible de los transformadores, cables y un alto costo de

energa por las prdidas que ocasiona el sistema.

La solucin para reducir prdidas elctricas en los cables, transformadores y mejorar

el factor de potencia es la instalacin de capacitores de potencia en alta o baja tensin

asegurando un alto ahorro en el costo de la energa.

Liberacin de carga del sistema

La nica potencia que crea trabajo es la activa, por lo cual, si el sistema se dedica a

transportar potencia reactiva su capacidad se ve disminuida notablemente.

En la figura 1.20 se observa que el tener factor de potencia unitario representa la me-

jor opcin, adems que la compaa suministradora le ofrece una bonificacin por te-

ner un factor de potencia mayor al 0.9 o 90 por ciento.

47

Figura 1.20 Liberacin de carga en el sistema.

Fuente: apuntes del autor de General Electric en capacitores RTC.

Como se observa en los diagramas cuando se tiene un factor de potencia unitario, re-

presenta la mejor opcin. Estos son diagramas esquemticos de los calibres del con-

ducto requerido para transportar la misma cantidad de kilowatt (potencia activa) con

diferentes valores de potencia. Reduccin del calibre del conductor para transportar

los mismos 1000 kW (potencia activa) con valores de factor de potencia de 0.7 a 1.0.

Tabla 1.5 Potencia necesaria del capacitor para corregir el factor de potencia.

Fuente: tomado del catlogo General Electric capacitores RTC.

48

Resumen, prcticas y preguntas del captulo 1

Combinacin en serie

La corriente que circula por un circuito serie es la misma en todo el circuito.

La tensin a travs de una combinacin serie es igual a la suma algebraica de las

tensiones de cada una de las partes.

La resistencia en una combinacin serie es la suma de las resistencias de cada una

de las partes.

Combinacin en paralelo

La tensin aplicada a una combinacin en paralelo es la misma que la tensin en cada

una de sus ramas.

La corriente a travs de una combinacin en paralelo es la suma de las corrientes de

todas las ramas.

La resistencia en una combinacin en paralelo es menor que la resistencia de la rama

menor resistencia. Se encuentra aplicando la ley de Ohm.

La ley de Ohm se puede aplicar a cualquier circuito de la siguiente manera:

a) Los amperes a travs de cualquier parte de un circuito son igual a los volts apli-

cados a la misma parte del circuito, dividido por los ohm de esa parte del circuito.

b) Las combinaciones de los circuitos en serie y en paralelo, pueden separarse en

partes ms pequeas y aplicar la ley de Ohm a cada una de las partes, a fin de

encontrar la distribucin de tensiones, corrientes y resistencias.

49

PRCTICAS DE MEDICIONES ELECTRICAS (CD Y CA)

Nm. Nombre Equipo utilizado OBSERVACIONES

01

Ley de Ohm

Leyes de Kirch-hoff

-Un vltmetro -Un amprmetro -Un multicontactos con pro-teccin de fusibles -Cinco clavijas polarizadas -Diez metros de conductor unipolar color blanco -Diez metros de conductor unipolar color negro -Diez metros de conductor unipolar color verde. -Cinco desarmadores pla-nos -Una cinta aislante. -Cinco pinza de electricista. -Cinco lmparas de 40 watt.

La ley de Ohm es la primera que gobierna los circuitos elc-tricos, justamente determina la relacin que existe entre la tensin o voltaje, la corriente y la resistencia. I = E/R

La ley de Kirchhoff es un conjunto de consideraciones de la ley de Ohm, la cual tiene dos enunciados:

1) Ley de tensiones de Kirchhoff: La suma algebraica de los voltajes alrededor de cualquier lazo (camino cerrado) en un circuito, es igual a cero en todo instante"

2) Ley de corrientes de Kirchhoff: La suma algebraica de las corrientes que entran en un nodo cualquiera de un cir-cuito, es cero en cualquier instante

02

Circuitos serie cir-cuito pa-ralelo circuito serie-pa-ralelo


Existen dos formas de conectar dos o ms elementos elctri-cos. Decir los elementos que intervienen y en qu forma a cada uno de ellos (la corriente, la tensin y la resistencia).

1) Circuito serie. Conectar tres lmparas o resistencias en serie.

2) Circuito paralelo. Conectar tres lmparas o resisten-cias en paralelo.

03

Medicin de vol-taje a travs de un vltme-tro


Cuando se quiere medir la tensin que origina una corriente elctrica, se hace uso de un vltmetro en derivacin con la lnea.

1) Medir la tensin en un circuito serie. 2) Medir la tensin en un circuito en paralelo.

50

04

Medicin de co-rriente a travs de un ampr-metro


Si se desea medir la corriente elctrica que circula en un cir-cuito elctrico, se hace con un medidor de corriente en el cir-cuito de tal forma que la corriente que se desea medir pase por el instrumento, que se llama amprmetro.

1) Medir corriente en un circuito serie. 2) Medir la corriente en un circuito en paralelo.

05

Medicin de resis-tencia con

hmetro

-Un vltmetro -Un amprmetro -Un multicontactos con pro-teccin de fusibles -Cinco clavijas polarizadas -Diez metros de conductor unipolar color blanco Diez metros de conductor unipolar color negro Diez metros de conductor unipolar color verde. -Cinco desarmadores pla-nos -Una cinta aislante. -Cinco pinza de electricista. -Cinco lmparas de 40 watt.

A veces se desea limitar la corriente en un aparato a un cierto valor. Si la tensin es conocida y es necesario determinar la resistencia que har la corriente sea de valor deseado, se puede utilizar la ley de ohm. Directamente se puede medir la resistencia con un hmetro o con un vltmetro y un ampr-metro.

1) Medir la resistencia en un circuito serie. 2) Medir la resistencia en un circuito en paralelo.

Ejemplo de circuito serie- paralelo

En los circuitos serie paralelo son una combinacin de circuitos en serie y circuitos en

paralelo. La solucin de encontrar la resistencia equivalente y la corriente. Es muy sen-

cillo, basta con aplicar las frmulas de la ley de Ohm para resolverla, en algunos casos

20V

5 2

2

1

1 3 4 2

1 1

1

2

1

51

pueden haber situaciones complicadas. Cuando se presente esta situacin se puede

aplicar las leyes de Kirchhoff. Ver ejemplo de la figura 1.10a.

EEI-U1 PROBLEMA resistencia serie paralelo

En la siguiente figura se presenta un circuito serie paralelo y se desea encontrar la re-

sistencia equivalente total y la corriente en cada una de las resistencias.

EEI-U1 PROBLEMA Grupo de lmparas

En la figura siguiente se trata de un circuito de iluminacin colocados en dos grupos de

lmparas.

Cada rama consta de tres lmparas y cada lmpara lleva 2 ampere y en el interruptor

general tiene un voltaje de 115 volt. La resistencia de los conductores AB, BC, DF y FG

tiene una resistencia de 0.5 ohm cada uno. Determinar:

1) La prdida de tensin en la lnea.

2) La tensin de los bornes de cada grupo de lmparas.

52

Leer cuidadosamente las preguntas horizontales y verticales llenando correctamente los espacios (crucigrama)que aparece a continuacion:

1 9 11 33 31 27

19a 24 21 20a 12

20 19b 32 14

18 15

19c 30 29

16

22 23

10

26

17 25

3

28

2

4

5

6

7

8

13

Horizontales

Verticales

1.Es la fuerza que mueve la electricidad.

20. En el circuito .la corriente es la misma

(es un empujn).

en todo el circuito. 2. Unidad en que se mide el voltaje o

tensin

20a. La que determina cuanta corriente

3. La primera ley de ohm-cd.

puede tomar un conductor es la.

4. Si se quiere aumentar la resistencia en un conductor 21. La CFE instala medidores en los lo que debe hacerse es aumentar mas

domicilios para medir los..

que puedo hacer es aumentar ms

22. La tension o voltaje aplicado en un

5.La suma algebraica de las tensiones

circuito en serie es la . de todos sus

en un circuito es igual a cero, ley de....

elementos.

6. En un circuito los elementos estn

23. Es la causa de la circulacin de la

de lado a lado, estn en

corrientre. 7. Es el elemento que se opone al paso de la corriente. 24. Aparato que mide los watts.

8. Aparato que sirve para medir voltaje y corriente.

25. Nombre del autor de la 3a. ley de ohm.

9. La resistencia en paralelo es..

26. La corriente se mide en

que la resistencia de la rama menor

27. Es la causa por la cual puede fluir una

10. El valor del voltaje entre fase y neutro es..

corriente electrica es la fuerza

11. Frmula de prdida de potencia o energa(E. Joule) 28. En qu unidades se mide la resisten- 12. Frmula de la potencia

elctrica

cia de un conductor? 13. El cociente entre la potencia activa y la potencia 29. La corriente que llega es la misma

aparente en un circuito se llama?

que sale, primera ley de: 14. La tensin en un circuito se mide en.

30. La energa que se disipa se pierde,

15. Diga la formula de la ley de Kirchhoff sobre voltajes

se llama efecto 16. La potencia se mide en ..

31. La corriente directa siempre fluye en el mismo

17. En un circuito en paralelo el voltaje es el. 32. Indica la cantidad de electricidad que

a cada uno de sus nodos.

pasa en un segundo 18. En un circuito serie se tiene la misma 33. La coriente total en un circuito en paralelo es

53

UNIDAD2 Generadores

Motores

Transformadores

Aplicaciones de los

conceptos bsicos de

electricidad

54

El estudio de los sistemas elctricos de potencia est relacionado con la generacin,

distribucin y utilizacin de la potencia elctrica. Debido al funcionamiento de estos sis-

temas elctricos de corriente alterna tienen un comportamiento dinmico y por lo tanto

los criterios aplicables para operarlos son muy estrictos, para evitar problemas de esta-

bilidad dinmica que puedan llevar al sistema en situacin de colapso.

Para el buen funcionamiento de los sistemas se necesita de recursos humanos alta-

mente capacitados en el modelo matemtico y simulacin en computadora, tener cono-

cimiento de la operacin de equipos elctricos y electrnicos en las redes elctricas.12

En la figura 2.1 se aprecia un sistema elctrico de potencia iniciando con la generacin

de energa elctrica pudiendo ser hidrulica, trmica, solar, geotrmica o elica.

Figura 2.1 Sistema elctrico de potencia.


12 http://www.gdl.cinvestav.mx/potencia/

55

2.1 Tipos y caractersticas de generadores

Dentro de las principales aplicaciones del electromagnetismo y de la induccin electro-

magntica, se encuentran las mquinas elctricas, es decir aquellas mquinas que

transforman la energa mecnica en energa elctrica o la energa elctrica en mec-

nica. A este grupo de mquinas se les llama giratorias, porque una de sus partes que la

componen gira sobre s misma, entre ellas se encuentra los generadores y los motores

elctricos. Existe otro importante grupo que basndose en el fenmeno de la induccin

electromagntica, no tienen partes en movimiento y stas se les llama mquinas estti-

cas; en este grupo de mquinas lo que puede variar es la tensin o voltaje que puede

subir o bajar, manteniendo la potencia casi constante. A estas mquinas se les conoce

como transformadores, ver figura 2.2.

Figura 2.2 Tipos de mquinas elctricas.


Existen diferentes formas por medio de las cuales se puede generar energa elctrica.

En Mxico se cuenta con plantas generadoras para abastecer actualmente la demanda

nacional que es aproximadamente de 49,931.34 MW.13 Los porcentajes de la capaci-

dad efectiva instalada nacional: hidroelctrica 22%, termoelctrica 45%, geotrmica 2%,

carboelectrica 5%, eoloelctrica 2%, nucleoelctrica 3%, generacin privada 21%.

13 Comisin Federal de Electricidad, septiembre de 2008.

56

De acuerdo con la proyeccin del Sistema Elctrico Nacional para el 2017, la capacidad

requerida ser de 68437 MW.

Figura 2.3 Fuente de energa disponibles.


Generacin elctrica

La industrializacin es un factor de la economa de todos los pases que ejerce una

influencia de primera importancia en su desarrollo. Para que un pas alcance pleno de-

senvolvimiento es indispensable conjugar la participacin de todos los sectores de su

economa, con vistas a lograr un progreso conjunto y armnico.14

En los censos nacionales de 1930 destacan fundamentalmente las industrias extracti-

vas, la de transformacin y las de servicios. Las primeras obtienen las materias primas

de origen animal, vegetal y mineral, que ms tarde se emplearan en las industrias de

transformacin y el otro grupo de industrias, dentro del cual queda incluida la industria

elctrica, produciendo bienes econmicos intangibles que satisfacen las necesidades

humanas.

14 Resndiz-Nez (coordinador) (1994).El sector elctrico en Mxico, citado por Rodrguez R. E. en Evolucin de la industria en Mxico, editorial FCE, Mxico, p. 15.

57

Durante la Primera y Segunda Guerra Mundial fueron escenarios del crecimiento de la

explotacin del petrleo, el carbn y los avances tecnolgicos impulsaron a las indus-

trias principalmente a la de los automviles privados y ms recientemente una nueva

fase del crecimiento econmico se ha dado con el uso del gas natural.

Segn las proyecciones, el petrleo seguir siendo la principal fuente de energa mun-

dial, sobre todo en la industria del transporte. El crecimiento de la generacin elctrica

va en aumento utilizando el petrleo, el carbn, el gas natural.

Figura 2.4 Conformacin de plantas de generacin.


La palabra "generar" es un verbo transitivo. Significa poner en existencia, producir, o

evolucionar. De esta palabra, se deriva el nombre "generador", que hace referencia a

una produccin. Se trata de un aparato para producir gases, vapor, etc. Se trata de una

mquina para convertir la energa mecnica en elctrica. Este principio se le llama ac-

cin del generador y se le conoce tambin como de induccin.

El voltaje se puede inducir en un conductor que se encuentra dentro de un campo mag-

ntico, esto sucede cuando el flujo magntico se corta por el conductor. En algunos

casos, se mueve el alambre; en otros, se mueve el campo y an en otros, ambos se

mueven pero a distintas velocidades.

58

Figura 2.5 Clasificacin del generador elctrico.


En un sistema elctrico desde la generacin hasta el consumo de energa elctrica, se

requiere mantener el suministro en forma continua, adems con la calidad que requiere

el usuario y con un mnimo de interrupciones en el servicio de acuerdo con la ley de

energa elctrica en Mxico.

Un sistema de generacin de energa se encuentra formado por varios elementos que

se interconectan entre s. Existen muchos elementos que componen el sistema, entre

ellos podemos citar: agua, carbn, petrleo, gas, material nuclear, vientos, etc. Entre las

fuentes primarias de energa se encuentran los combustibles fsiles, ente estas se en-

cuentra el carbn, petrleo, gas natural, etc.

a) Combustibles vegetales como la madera, basura, desperdicios de granja, lodos,

etc.

b) Energa natural como la hidrulica, solar, viento.

c) Qumica, las celdas combustibles, bateras.

d) Energa nuclear como la fisin, fusin, etc.

La generacin de energa elctrica consiste en transformar alguna clase de energa

mecnica, qumica, trmica o luminosa, entre otras, en energa elctrica. Es la fuente

impulsora de los electrones para proporcionar la tensin elctrica y que sta da lugar a

59

la circulacin de la intensidad a travs del circuito. Para la generacin industrial se re-

curre a instalaciones denominadas plantas o centrales elctricas.

Desde en las pocas histricas como en la civilizacin actual la humanidad ha estado

vinculado con la energa, y existen pocas razones para dudar que en el futuro no de-

penda todava ms de esa energa. La misma existencia exige que aun un animal la

produzca y la consuma. Hasta que el hombre encontr manera de utilizar la energa de

manantiales fuera y ms all de sus propios esfuerzos fsicos, su estancia en la Tierra

fue muy parecida a la de los animales.

La energa es la entidad esencial para la vida y el progreso, la energa como se dijo

anteriormente fue probablemente la materia prima de la creacin. Tal como se presenta

en la actualidad y toma varias formas, pero todas tienen una cosa en comn: la capaci-

dad de producir efectos dinmicos vitales.

La energa se encuentr

electrónica y electricidad

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