magnitudes elÉctricas tensión eléctrica web/pagina de practicos... · 2020. 6. 28. ·...

Escuela Técnica RAGGIO

TALLER DE ELECTRICIDAD

ACCIONAMIENTOS ELECTRICOS

Prof. Ramiro L. Naab - 4 -

Cuando los átomos de uno y otro cuerpo son diferentes en su estado eléctrico se dice que existe una diferencia de potencial. En base a esto la diferencia de potencial existe entre dos puntos diferentes.

MAGNITUDES ELÉCTRICAS

Tensión eléctrica La diferencia de potencial se denomina habitualmente TENSIÓN ELÉCTRICA y se define como la fuerza capaz de originar el movimiento de los electrones libres de un material conductor en una determinada dirección. En base a esta definición se puede establecer que una “fuente de tensión” es un dispositivo que presenta entre sus terminales una diferencia de potencial o tensión eléctrica. Esta fuente de tensión normalmente es una pila, una batería o un generador. Los puntos de conexión de la fuente de tensión reciben el nombre de terminales o bornes. Para el análisis de circuitos, estos dispositivos se representan mediante símbolos:

Dependiendo de los puntos de análisis, la tensión eléctrica recibe distintas denominaciones:

• Fuerza electromotriz e: cuando es medida entre los terminales de una fuente de tensión. • Caída de tensión U: cuando es medida entre los terminales de una carga. • Diferencia de potencial: cuando es medida entre dos puntos cualesquiera.

Unidad de medida. La unidad de medida de la tensión eléctrica es el Volt (V).





Es habitual que se manejen tensiones mayores o menores al Volt. Para ello resulta necesario el uso de múltiplos y submúltiplos:

Prefijo Símbolo Factor multiplicador Ejemplo

MULTIPLO MEGA M x 1000000 1 MV = 1000000 V KILO K x 1000 1 KV = 1000 V

SUBMULTIPLO mili m x 0.001 1 mV = 0.001 V micro μ x 0.000001 1 μV = 0.000001 V

Formas de obtener tensión eléctrica. La tensión eléctrica aplicada sobre cualquier circuito eléctrico cotidianamente se produce mediante efectos electromagnéticos que ocurren en máquinas eléctricas llamadas generadores eléctricos. Estas máquinas eléctricas están acopladas mecánicamente a una máquina primaria que le imprime un movimiento giratorio a través de un eje. Por ejemplo, a bordo los generadores eléctricos se acoplan al eje de un motor térmico:

La tensión eléctrica se obtiene cuando los conductores (bobinas) alojados en el interior del generador se mueven en el interior de un campo magnético que reside, también, en el interior de la máquina eléctrica. Existen otras formas de obtener tensión eléctrica, pero la cantidad obtenida por estos medios es muy pequeña para ser aprovechada para el consumo a gran escala. Por ejemplo:

• Por reacción química: esto ocurre en las pilas y baterías cuando dos elementos diferentes como el cobre y el zinc se introducen en una solución ácida originando pequeñas cantidades de tensión eléctrica.

• Por acción del calor: conocido como efecto termoeléctrico, sucede cuando la unión de dos

metales o aleaciones metálicas diferentes, por ejemplo níquel y alumel, sometidos a una variación de temperatura originan valores de tensión eléctrica proporcionales a la variación térmica. Este efecto se utiliza en las termocuplas.

• Por acción de la luz: al incidir los rayos de la luz solar sobre un material de características

especiales como el selenio o el silicio se produce en los extremos de este una tensión eléctrica que puede ser utilizada para alimentar pequeños consumos. Este es el caso de las celdas fotovoltaicas o fotoeléctricas.





Intensidad de corriente eléctrica Para aplicar una tensión eléctrica sobre un elemento es necesario el uso de alambres o cables conductores. Cuando esto ocurre las cargas eléctricas presentes en el conductor tienden a desplazarse desde un terminal hasta el otro pasando por el elemento receptor. Este desplazamiento de cargas eléctricas recibe el nombre de corriente eléctrica. Intensidad de corriente eléctrica. A la cantidad de electrones libres que pasan o “circulan” por la sección de un elemento conductor en un determinado tiempo se la denomina INTENSIDAD DE CORRIENTE ELÉCTRICA. Esta magnitud eléctrica se simboliza con la letra I. Sentido de circulación de la intensidad de corriente eléctrica. Al inicio del estudio de los primeros fenómenos eléctricos se estableció que la intensidad de corriente eléctrica, es decir el movimiento de electrones, circulaba desde el polo positivo de la fuente de tensión hacia el polo negativo de esta. Con el desarrollo de la teoría electrónica, se estableció que los electrones libres se mueven desde el polo negativo al polo positivo de la fuente. En el primer caso, hablaremos del sentido convencional de circulación de la intensidad de corriente; y al segundo caso lo llamaremos sentido de circulación electrónico.

Unidad de medida. La unidad de medida de la intensidad de corriente eléctrica es el Ampere (A). Es habitual que se manejen intensidades de corriente eléctrica menores al Ampere. Para ello resulta necesario el uso de submúltiplos:

Prefijo Símbolo Factor multiplicador Ejemplo

mili m x 0.001 1 mA = 0.001 A

micro μ x 0.000001 1 μA = 0.000001 A





Resistencia eléctrica Al aplicar una tensión eléctrica a un circuito, si este se encuentra cerrado, se producirá la circulación de una intensidad de corriente eléctrica a través de los conductores. Todo material, conductor o aislante, ofrece una cierta oposición a esta circulación de corriente. Este fenómeno, en electricidad, se conoce como RESISTENCIA ELÉCTRICA y se simboliza con la letra R.

En los circuitos eléctricos, la resistencia eléctrica se representa con el símbolo:

Unidad de medida. La unidad de medida de la resistencia eléctrica es el Ohm (Ω). Es habitual que se manejen resistencias mayores al Ohm. Para ello resulta necesario el uso de múltiplos:

Prefijo Símbolo Factor multiplicador Ejemplo MEGA M x 1000000 1 MΩ = 1000000 Ω KILO K x 1000 1 kΩ = 1000 Ω

En los distintos materiales, la resistencia eléctrica que estos presenten a la circulación de corriente eléctrica dependerá de varios factores tales como la sección y longitud de los conductores, el tipo de material conductor y la temperatura de trabajo.





Resistencia variable. Las resistencias variables son un resistor bobinado sobre un núcleo cerámico toroidal. Estas presentan la particularidad de tener un contacto móvil que se desliza sobre el bobinado; de esta manera se pueden obtener diferentes valores de resistencia en función de la posición que adopte el contacto móvil. Se utilizan generalmente para el control de máquinas eléctricas.

Asociación de resistencias:

• En serie: La asociación de resistencias en serie es una a continuación de la otra, y la resistencia total va a ser igual a la suma algebraica de cada una de las resistencia conectadas.

RT=R1+R2+R3+....+Rn

Para el caso de tres resistencias:

Siempre en serie la resistencia total va a ser mayor que la mayor que se encuentre conectada, es decir, RT = 6 Ω > R3= 3 Ω.

• En paralelo: En este caso las resistencias se conectan de modo que de un lado queden sus extremos unidos, y los extremos del otro lado de las resistencias se une a parte.





Rt=1

1R1+

1R2+

1R3+⋯+

1Rn

Para el caso de tres resistencias:

Caso particular de dos resistencias en paralelo:

RT=R1.R2R1+R2





Siempre en paralelo la resistencia total va a ser menor que la menor que se encuentre conectada, es decir, RT = 120 Ω < R1= 200 Ω.

• En forma Mixta: Es la combinación de los dos casos anteriores. Para calcular la resistencia en estos casos, primero se debe calcular la resistencia equivalente de las ramas en paralelo, y luego ir resolviendo en función como vayan quedando conectadas las resistencia equivalentes hasta que el circuito quede reducido a una sola resistencia. Ejemplo 1:

• Primero se resuelve el paralelo de R3 y R4:

R34 = R3//R4

• luego el serie de R1 y R2:

R12= R1+R2

• y al final se resuelve se obtiene la RT:

RT= R12+R34 Ejemplo 2:

• Primero se resuelve el paralelo de R3 y R4:

R34 = R3//R4





• luego el serie de R1 y R2:

R12= R1+R2

• y al final se resuelve se obtiene la RT:

RT= R12 // R34

Nociones de corriente continua CC (DC) y corriente alterna CA (AC)

La generación de tensión mediante distintos dispositivos origina comportamientos diferentes de las cargas eléctricas. Corriente continua: CC (DC) Al utilizar pilas, baterías o fuentes electrónicas de tensión, los electrones libres presentes en cualquier circuito eléctrico tienden a desplazarse en un único sentido manteniendo este comportamiento mientras esté conectada la fuente de tensión.

Esta característica del comportamiento de las cargas eléctricas se conoce como corriente continua, la que suele representarse gráficamente en función del tiempo mediante una línea recta.

Corriente alterna: CA (AC) Un alto porcentaje de las aplicaciones prácticas de electricidad más habituales en los inmuebles, industrias, comercios y embarcaciones utilizan la denominada corriente alterna. Esta se obtiene en generadores eléctricos denominados comúnmente alternadores.





Al aplicar una tensión eléctrica de corriente alterna sobre un circuito, las cargas eléctricas se mueven en una dirección durante un tiempo y luego cambian de sentido de circulación, siendo éste, contrario al primero. Dicho comportamiento se conoce como cambio de polaridad. En términos generales, el cambio de polaridad se repite cíclicamente. Para que de manera cíclica y constante se produzca el cambio de sentido de circulación de las cargas eléctricas, es preciso que el valor de tensión de corriente alterna disminuya hasta cero también de manera cíclica.

Por ello la tensión eléctrica de corriente alterna obtenida en un alternador es variable en función del tiempo y se representa gráficamente mediante una onda.

Tanto la intensidad de corriente como la tensión de corriente alterna, presenta valores característicos tales como la frecuencia y los valores eficaz, máximo y medio.

INSTRUMENTOS BASICOS PARA MEDICIONES DE MAGNITUDES ELECTRICAS

Además de los conocimientos teóricos y prácticos, se necesita de un cierto número de instrumentos que le permita medir o verificar magnitudes eléctricas en los circuitos. El buen funcionamiento de un organismo, una máquina, etc., depende en gran medida del funcionamiento combinado de los distintos elementos que lo constituyen; si uno de éstos no realiza correctamente su función, desencadena el mal funcionamiento de todo el sistema. En principio, las anomalías se intuyen, pero para poder demostrarlas es necesaria la comprobación de algunas magnitudes características para compararlas con las que se dan en el sistema cuando el funcionamiento es el adecuado. En las instalaciones eléctricas, las primeras magnitudes que se verifican son la intensidad de corriente y la tensión eléctrica. Estas magnitudes permiten indicar “a priori” el buen funcionamiento de la instalación o posibles problemas.





En lo que se refiere a la seguridad de las personas que utilizan la instalación eléctrica resulta útil conocer otros parámetros importantes como la resistencia de tierra y la resistencia de aislación. Los instrumentos más utilizados en el trabajo sobre instalaciones eléctricas, tanto navales como terrestres, son el voltímetro, el amperímetro, el óhmetro, el multímetro o “tester” (que integra a los tres instrumentos anteriores en uno solo), el megóhmetro y la pinza amperométrica entre otros. Por la diversidad de instrumentos eléctricos de medición que existen, estos se pueden clasificar de diferentes maneras, entre ellas instrumentos para corriente continua e instrumentos para corriente alterna.

Amperímetro El amperímetro utilizado en circuitos de corriente continua es un instrumento de imán permanente y bobina móvil, diseñado para medir la intensidad de corriente eléctrica que circula a través de un circuito eléctrico. Es por ello que el amperímetro, durante la medición, debe entrar a formar parte del circuito para que la intensidad de corriente de este también circule a través del instrumento. Medición de la intensidad de corriente eléctrica. Como el amperímetro se debe intercalar en el circuito, previa conexión de este, se debe desalimentar el circuito. Luego se debe desconectar uno de los conductores que forman parte del circuito (esto se denomina en la jerga eléctrica “abrir el circuito”) para conectar allí el amperímetro. Los bornes del instrumento se conectarán, uno a este conductor y el otro al punto del circuito que se ha desconectado. Luego se alimentará el circuito y se procederá a efectuar la medición correspondiente.

Al analizar el circuito, adoptando el sentido convencional de circulación de la intensidad de corriente, se observa que esta sale del terminal positivo de la batería, ingresa al amperímetro, sale de él, ingresa a la lámpara recorriendo el filamento y luego regresa a la fuente a través del terminal negativo. En síntesis, la intensidad de corriente tiene una sola trayectoria de circulación. Esto es posible porque todos los elementos del circuito se han conectado uno a continuación del otro. Este tipo de conexión se denomina conexión serie.





Precauciones y medidas de seguridad a tener con un amperímetro. 1. Conectar siempre el amperímetro en serie. Si por error se conectan los dos terminales del

amperímetro directamente (sin abrir el circuito) a los bornes de una batería, fuente o a los de un componente alimentado, se produce un cortocircuito que puede ocasionar la destrucción del instrumento.

2. En los circuitos alimentados con fuentes de corriente continua se debe respetar la polaridad de los elementos conectados. En el caso del amperímetro, como es un instrumento de imán permanente y bobina móvil, la dirección de deflexión de la aguja depende del sentido de circulación de corriente a través de la bobina del instrumento. Si la polaridad del instrumento no se respeta, la aguja se movería en sentido contrario provocando la rotura del mecanismo de medición.

3. Antes de conectar, tener en cuenta el alcance del instrumento para evitar que la aguja y su

mecanismo se dañen al golpear en el extremo de la escala.

4. Evitar golpear el instrumento y utilizarlo en la posición adecuada.

Alcance de un amperímetro. La intensidad de corriente que podrá medir el amperímetro estará limitada por el valor máximo admisible de corriente de la bobina del cuadro móvil. Este valor suele ser muy reducido del orden del mili Ampere. Para ampliar el alcance de un amperímetro y poder medir intensidades de corriente más elevadas, internamente este instrumento tiene conectado entre sus terminales una resistencia de valor óhmico muy preciso, cuyo objetivo es canalizar el exceso de corriente que la bobina del amperímetro no admite. Esta resistencia recibe el nombre de resistencia “shunt” (traducido del idioma inglés, derivación). Las resistencias shunt permiten que un mismo instrumento tenga una amplia gama de alcances de intensidad de corriente (por ej.0 -1 mA; 0 -1A; 0 -10 A)





Voltímetro El voltímetro utilizado en circuitos de corriente continua es también un instrumento de imán permanente y bobina móvil diseñado para medir la tensión eléctrica aplicada sobre un componente o entre dos puntos cualquiera del circuito eléctrico. Es por ello que el voltímetro, durante la medición, se conecta directamente sobre el elemento a medir. Medición de la tensión eléctrica. Para medir la tensión eléctrica se conecta directamente cada terminal del voltímetro con cada terminal del elemento a medir respetando la polaridad del instrumento para evitar el movimiento en sentido contrario de la aguja y la posterior avería de este.

La forma de conectar el voltímetro se conoce como conexión paralelo. Como ocurre con el amperímetro, el voltímetro tiene una resistencia shunt interna (para diferenciarlas de las utilizadas en el amperímetro estas reciben el nombre de resistencias shunt adicionales) y otras externas que permiten obtener diferentes alcances. Por ejemplo: 0 – 5V; 0 – 15V; 0 – 30V; 0 – 150V; 0 – 300V. Por ello es recomendable conocer, previo a efectuar una medición, el valor aproximado de tensión eléctrica presente en el circuito, para seleccionar un alcance apropiado.





Óhmetro Medición de resistencias:

Para saber el valor de una resistencia, a través del código de colores puede determinarse previamente la lectura que se debe obtener al medir el componente con un multímetro. Luego se coloca el interruptor selector del instrumento en la posición adecuada y colocando una punta de prueba en cada terminal del resistor sin tocar ambas puntas con las manos, se mide el componente.

Si el valor medido del resistor no coincidiera con el que indica el código de colores significa que el componente está en mal estado. Para medir resistencias se utiliza la escala superior, de modo que una vez realizada la lectura del componente, se debe multiplicar el valor que marca la aguja por el alcance que establece la llave selectora. Por ejemplo, si la aguja se detiene en el número 15 y se seleccionó el alcance Rx10, estamos en presencia de un resistor de 150Ω. Si se cambia de alcance es necesario repetir la operación de calibración o ajuste de cero. Esto se debe realizar cada vez que se cambie de alcance. En todos los casos se debe tener presente evitar tocar con los dedos las dos puntas de prueba durante la medición ya que en caso contrario la lectura se vería afectada por la resistencia eléctrica que ofrece el cuerpo humano.





Cuando el resistor es variable, la forma de medir su valor es similar a lo recientemente explicado, es decir, se elige la escala adecuada en el multímetro de acuerdo con la resistencia del potenciómetro, se hace el ajuste a cero y se miden los extremos del elemento o terminales fijos; sin tocar ambos terminales con las manos. Es aconsejable tener un juego de cables para el multímetro con terminales tipo cocodrilo en las puntas para la mejor sujeción de los terminales a medir. Cuando el resistor es variable, la forma de medir su valor es similar a lo recientemente explicado, es decir, se elige la escala adecuada en el multímetro de acuerdo con la resistencia del potenciómetro, se hace el ajuste a cero y se miden los extremos del elemento o terminales fijos; sin tocar ambos terminales con las manos. Es aconsejable tener un juego de cables para el multímetro con terminales tipo cocodrilo en las puntas para la mejor sujeción de los terminales a medir

Luego se debe medir el estado del arrollamiento que forma la resistencia variable (en resistencias variables de carbón utilizadas en electrónica se le llama pista) para saber si el mismo no se encuentra deteriorado o sucio. Para ello se coloca un terminal del multímetro en un extremo y el otro terminal en el cursor, se gira el eje de la resistencia variable lentamente y se observa que la resistencia aumente o disminuya sin que se produzcan saltos.

Medición de continuidad.

Se denomina continuidad a la unión directa entre dos puntos, por ejemplo los extremos de un cable conductor. Por ello la medida de resistencia corresponde a un valor muy bajo próximo a cero. La medición o prueba de continuidad permite verificar el estado de diferentes componentes tales como fusibles, cables, lámparas, etc.





Para efectuar una prueba de continuidad, en primer lugar se debe corroborar que el elemento a medir esté completamente sin tensión eléctrica. Luego se debe seleccionar el menor alcance del óhmetro, es decir x1, y a continuación realizar el ajuste de cero. Luego medir en forma directa. Si el elemento a probar está en buen estado (tiene continuidad) la aguja del instrumento se desplazará por toda la escala hasta detenerse en la posición 0Ω. En caso contrario la aguja no se moverá indicando que el elemento está dañado o abierto (no tiene continuidad). En caso de probar el estado de bobinas y filamentos de lámparas, como estos están formados con algún material conductor (cobre, tungsteno) presentan un valor óhmico y al realizar la prueba de continuidad el instrumento indicará un valor distinto de cero.

Ley de Ohm

La Ley de Ohm vincula las tres magnitudes eléctricas: I,E y R (Intensidad de corriente eléctrica, tensión eléctrica y resistencia). Definición: "La intensidad de corriente eléctrica que circula por un circuito es directamente proporcional a la tensión o fuerza electromotriz (fem), e inversamente proporcional a resistencia del mismo".

𝐈 =𝐄𝐑

𝐈 =VoltOhm

= 𝐀 (𝐀𝐦𝐩𝐞𝐫𝐞)

Por Ley de Ohm:

E = I . R = Ampere . Ohm = V (Volt)

𝐑 = EI = Volt

Ampere= Ω (Ohm)

Para poder utilizar ésta fórmula las magnitudes deben estar expresadas en sus unidades correspondientes.

Ley de Watt

Determinación de la potencia eléctrica

Para poder determinar la potencia eléctrica se hace el producto de la tensión eléctrica por la intensidad de corriente eléctrica. Para el caso de una carga es: la tensión que tiene aplicada entre sus extremos, por la intensidad de corriente atraviesa a dicha carga. A este producto se lo conoce como la Ley de Watt. La unidad de medida de la potencia eléctrica es el WATT (W).

P = E . I

[P] = Volt . Ampere =[W] Watt





Por Ley de Watt: 𝐈 = P

E = Watt

Volt= 𝐀(𝐀𝐦𝐩𝐞𝐫𝐞)

𝐄 = P

I = Watt

Ampere= 𝑽(𝐕𝐨𝐥𝐭)

Para poder utilizar ésta fórmula las magnitudes deben estar expresadas en sus unidades correspondientes.

Combinación entre la Ley de Ohm y Ley de Watt Consiste en despejar de la Ley de Ohm la tensión ó la intensidad de corriente, y reemplazar en la Ley de Watt para obtener la potencia eléctrica. Por Ley de Ohm I=E/R, luego se reemplaza en la Ley de Watt donde dice I por (E/R), quedando:

P= 𝐄 . 𝐄𝐑 P= 𝐄

𝟐

𝐑

Por Ley de Ohm E=I .R, luego se reemplaza en la Ley de Watt donde dice E por (I.R), quedando:

P= (I . R) . I P= I2. R A esta expresión se la denomina Ley de Joule.

Cuadro de resumen de magnitudes eléctricas

Magnitud eléctrica Letra de

identificación Naturaleza Unidad de medida Instrumento de

medición

Tensión eléctrica

E V CC DC V

V (Volt)

Voltímetro. Se lo conecta en

paralelo. V CA AC V

Intensidad de corriente eléctrica

I

A CC DC A

A (Ampere)

Amperímetro. Se lo conecta en serie

con la carga. NUNCA se debe conectar

el amperímetro en paralelo.

A CA AC A

Resistencia

R

Ω (Ohm)

Óhmetro. Se lo conecta en paralelo

sobre la resistencia y además no tiene que

estar energizada.

Potencia

P

W (Watt) Se mide la tensión, se mide la intensidad de corriente, y se hace el producto entre ambas.





Circuito serie Un circuito EN SERIE se forma cuando se conectan dos o más cargas a una misma fuente de tensión eléctrica, de modo que solo exista una única trayectoria para la circulación de la intensidad de corriente eléctrica. Para ello es necesario que las cargas estén conectadas una a continuación de la otra, formando una cadena y todo el conjunto de cargas se conecte a la fuente de tensión eléctrica.

Particularmente las pilas o baterías también pueden asociarse en serie teniendo en cuenta que deben conectarse siempre el terminal negativo de una batería o pila con el terminal positivo de la siguiente y así sucesivamente.

Circuito paralelo

Un circuito EN PARALELO se forma cuando se conectan dos o más cargas a una misma fuente de tensión, de modo que existe más de una trayectoria para la circulación de corriente eléctrica.

Las pilas o baterías también pueden conectarse en paralelo, teniendo la precaución que todas ellas deben proveer el mismo valor de tensión eléctrica. Además se deben conectar todos los terminales positivos entre sí y todos los terminales negativos, también entre sí.





CORRIENTE ALTERNA

Para la medición de tensión e intensidad de corriente eléctrica realizada sobre circuitos eléctricos se planteó que tanto la tensión eléctrica como la intensidad de corriente se mantenían constantes a lo largo del tiempo. Por ello, la tensión eléctrica se “obtenía” de pilas o baterías o fuentes de tensión electrónicas. Este tipo de tensión y de intensidad de corriente se denominó tensión de corriente continua e intensidad de corriente continua. La generación industrial y de potencia de la energía eléctrica es producto de procesos electromecánicos, básicamente dados por la rotación de conductores eléctricos ubicados en el interior de un campo magnético. La disposición constructiva de las máquinas generadoras de electricidad da origen a tensiones y corrientes eléctricas que son variables en el tiempo. Este tipo de tensión y de intensidad de corriente se denominan tensión de CORRIENTE ALTERNA e intensidad de CORRIENTE ALTERNA.

La variación respecto al tiempo se refiere al valor de la magnitud (o forma de onda) con respecto a un punto común, si esta es representada en un sistema de ejes cartesianos. La referencia común para esta descripción, es una “línea de referencia de cero Volt” (Obviamente, esta línea representa un valor igual a 0 V). El valor de la tensión se inicia con 0V y se va incrementando hasta alcanzar un valor máximo durante el primer cuarto de tiempo en que tarda en desarrollarse. Esta sucesión de valores de tensión eléctrica se considera “positiva” aún cuando en el segundo cuarto de tiempo de desarrollo comience a disminuir hasta el punto en que regresa a 0V. Posteriormente en el tercer y cuarto tiempo de desarrollo, la tensión alcanza valores máximos que se consideran “negativos”, debido a que se encuentran debajo de la línea de 0V.

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