ELECTRIDAD BASICA

CURSO DE FISICA EN LA PREVENCION DE RIESGOSELECTROTECNIA

PROFESOR: MARIO PAZOS R. AGOSTO 2011

ELECTRIDAD BASICA La palabra electrn deriva del griego y se traduce por ambar. Fue Gilbert el que estudi por primera vez los fenmenos elctricos y descubri que no slo el ambar se electrifica por frotamiento, sino que tambin otros materiales como el vidrio, la resina y la madera, comprobando que stos una vez electrificados atraan pequeos trocitos de papel y otros.El electroscopio es un instrumento basado en este principio, de uso en el laboratorio para esta verificacin.Se observ as que se producan dos clases de electricidad, manifestndose que los cuerpos se cargaban positivamente o negativamente por efecto del frotamiento. Primera Ley de la ElectricidadCARGAS ELECTRICAS DEL MISMO SIGNO SE RECHAZAN Y DE DISTINTO SIGNO SE ATRAEN.

Todos los cuerpos se cargan negativa o positivamente, sin embargo, en un material conductor las cargas se mueven sin encontrar resistencia . En caso contrario las cargas encuentran una alta resistencia a la circulacin llegando a un valor infinito, constituyendo lo que se conoce como un material aislante.CAMPO ELECTRICOUn cuerpo electrizado crea un campo elctrico a su alrededor el cual se muestra en un plano con las respectivas lneas de fuerza que tienen como sentido desde las cargas positivas hacia las negativas, stas no se cortan y se miden por su densidad lo que les da su intensidad de campo.La electricidad se distribuye en la superficie de los cuerpos y no en su interior y la distribucin de cargas no es parejo, puesto que hay mayor densidad de lineas de fuerza en las partes cncavas.Si el cuerpo cargado tiene puntas, en sas la densidad es aun mayor y pueden saltar al aire y el pararrayos es una aplicacin del poder de las puntas y de los fenmenos de induccin.CAMPO ELECTRICOAs como un imn crea un campo magntico a su alrededor, un cuerpo electrizado crea un campo elctrico, existiendo similitudes entre ellos como es el espectro de lneas de fuerza creados que van desde el polo N hacia el S, solamente por convencin, sin que dichas lneas se corten en su recorrido. Un dato importante es su densidad de campo, por cuanto, un campo es tanto ms intenso, mientras mayor sea la cantidad de lneas de fuerza que pasan por un rea determinada. Esto conlleva a determinar que la electricidad se distribuye por el exterior de los materiales conductores. La lneas de fuerza por ser cargas de igual signo se repelen quedando separadas lo ms posible una de otrasINDUCCION ELECTROSTATICASi introducimos un cuerpo dentro de un campo elctrico que forma un conductor y sin que haya contacto directo entre ellos, ste se cargar con la misma densidad de carga, pero de signo contrario a las del conductor o inductor.Cuando el cuerpo introducido al campo elctrico hace contacto directo con el inductor, ste se carga con electricidad del mismo signo y se repelern entre ellos.CAMPO ELECTRICOLa importancia de este alcance acerca de campos elctricos, tiene importancia en lo referente al estudio de los efectos de capacidad (condensadores) y de la induccin (bobinas), todo lo cual se tratar posteriormente en este curso.CORRIENTE ELECTRICAUna corriente elctrica es un flujo de electrones a travs de un conductor y hace posible la transformacin de la energa elctrica en otras formas de energa.

Los efectos de la corriente elctrica se manifiesta como:efectos qumicos (galvanoplasta, purificacin de metales). Efecto trmico y efecto luminoso.Efecto magntico.INTENSIDAD DE CORRIENTESe llama intensidad de corriente elctrica al cociente entre la cantidad de electricidad que pasa por una seccin del conductor y el tiempo que se emplea en pasar. I = q/tLa unidad de Intensidad se medira en electrones/segundo, pero el electrn es una cantidad de electricidad muy pequea, por lo que se define el COULOMB C igual a 6,24 x 1018 electrones. Adoptando el Coulomb y el segundo como unidad de tiempo, se obtiene como unidad de corriente el AMPER (A) Amper (A) = Coulomb (C)/ Segundo La Intensidad (A) se mide con un Ampermetro, basados en el efecto trmico y en el efecto electromagntico.DIFERENCIA DE POTENCIAL Y FUERZA ELECTROMOTRIZ Se denomina Diferencia de Potencial, o tensin elctrica entre los bornes de un generador, al cociente entre la potencia con que funciona cualquier aparato conectado entre dichos bornes, y la intensidad de la corriente que circula por el aparato, siendo la unidad de medida el VOLT.

VOLTAJE = POTENCIA ELECTRICA / INTENSIDAD V= W/I

Entre los bornes de un generador hay una diferencia de potencial de un Volt (v), si por un aparato conectado entre ellos circula un amper (A) y trabaja con una potencia de un Watt (W).TENSION ELECTRICALa tensin elctrica entre dos puntos de un conductor se define como el trabajo necesario para trasladar la unidad de carga entre uno y otro punto. A esta tensin se denomina tambin diferencia de potencial entre dichos puntos. Si doscuerpos no tiene la misma carga elctrica hay una diferencia de potencial entre ellos y se representa por V y se denomina volt.CAIDA DE TENSION EN UN CONDUCTOR ELECTRICOEs la disminucin de tensin como consecuencia de la resistencia que el conductor presenta al paso de una corriente elctrica. V = R x I

Por lo anterior, la caida de tensin en una Resistencia es igual a la tensin on diferencia de potencial entre sus extremos.PROBLEMAPor un conductor de cobre, de 2 mm de seccin, de resistividad 0,0018 .mm/m y longitud de 300 m, circulan 10 A.

Calcular:A- Resistencia R del conductorB- La caida de tensin en el conductor.RESOLUCIONR = . l/s = 0,018 . 300/ 3.1416/1 = 1,72

V = R . I = 1,72 . 10 = 17,2 VENERGIA ELECTRICASi un aparato de potencia P funciona durante un tiempo t, la energa consumida ser: E = P x t KWH

Si se trata de un aparato elctrico conectado a una diferencia de potencial V, y por l circula una corriente de I, la energa desarrollada por el aparato ser: W = V x I x t.

Si la diferencia de potencial se mide en volts, la corriente en amperes y el tiempo en segundos, la energa se obtiene en Joules.EJEMPLOSLa potencia desarrollada por un motor es de 3HP, calcular:1- Qu energa consume en 5 horas.2- Qu intensidad A es la que circula por l.3- El voltaje es de 220 Volts.

Tiempo desarrollo del problema 1 minuto.Desarrollo del problema1- E = P x t = 3 HP x 5 Hrs.

3 x 0,746 x 5 KWH = 11,2 KWH

2- I = P/V = 3 x 0,746 W / 220 V

I = 10,2 A.

EJEMPLO

Una estufa de 600 watts funcion durante 6 horas:

1- Qu energa ha consumido en ese tiempo.2- Qu cantidad de calor produjo.3- Cul es la intensidad de corriente si estaba conectada a 220 V.DesarrolloW = P x t = 0,6 KW x 6 Hr. = 3,6 KWH.

Q = 3,6 x 3.600.000 Joules = = 3,6 x 3.600.000 x 0,24 Cal = = 3.110.400 Caloras.

I = P / V = 600 W / 220 V = 2,7 A.LEY DE OHMLa Resistencia de la corriente que circula por un conductor es directamente proporcional a la diferencia de potencial entre sus extremos e inversamente proporcional a la corriente que circula. Se mide en Ohm y se representa como () R = V / I () y se define como

1 Ohm = 1 Volt / 1 Amper = 1

Un aparato tiene una resistencia de un ohm cuando una diferencia de potencial de 1 volt hace pasar por l una corriente de 1 amper.

Ej.- La potencia de una plancha elctrica es de 250 Watts con 220 Volts. Cul es la resistencia elctrica.

Ej.- Cul es la intensidad I por una resistencia de 400 y el voltaje es 220 Volts. Qu energa consume en 30 minutos. EJEMPLOLa potencia de una plancha elctrica que trabaja a 220 V es de 250 W. Cul es su resistencia elctrica?

R = V / I W = V x I de donde I = W/VReemplazando , R = V / W/V = V / W = 220 /250 W = R = 194

El significado fsico de la Ley de Ohm deducimos que:La intensidad de una corriente es directamente proporcional a la diferencia de potencial entre sus extremos, e inversamente proporcional a la resistencia elctrica del conductor.EJEMPLO Un calentador de agua de 73,3 ohm se a 220 V. Calcular la intensidad que demanda el calentador.

I = V / R = 220 V / 73,3 = 3 A

Calcular la corriente que circula por una resistencia de 400 ohm cuando se la conecta a un voltaje de 20 Volts.Qu energa consume en 30 minutos? RESOLUCION I = V / R = 20 V / 400 = 0,05 A

W = V x I x t = 20 V x 1/20 A x 1800 seg =

W = 1800 JoulesResolucion de Problemas1- R = V/I P = V x I I = P / VPor lo tanto: R = V / P/V = V / P = = 220 V / 250 W = 194

2- I = V / R = 20V / 400 = 1 / 20 A = 0,05 A

W = V x I x t = 20 V x 1/20 A x 1800 seg. = = 1.800 Joules.TENSION Y ENERGIALa frmula (W x V x I x t) debe considerar que (q =I x t ) que ha pasado por el aparato en el tiempo t de funcionamiento y, por lo tanto, W = V x q, de lo cual se obtiene que V = W / q , lo que entrega otro punto de vista del significado de la diferencia de potencial V entre bornes del generador: representa la energa elctrica W necesaria para que la carga de 1 Coulomb recorra todo el circuito, desde un borne hasta el otro, por lo tanto : 1V = 1 J / 1 C , entonces:Entre dos bornes existe la diferencia de potencial de 1 Volt, cuando se gasta una energa de un Joule en hacer pasar la carga de un Coulomb desde un borne al otro.La caida de tensin en un conductor es igual al producto de la intensidad de la corriente que lo atraviesa por la resistencia del mismo. V = R x I CALCULO DE LA RESISTENCIA DE UN CONDUCTORLa Resistencia de un conductor a la temperatura constante depende de 3 factores: longitud, seccin y material constructivo. R = x l/sLa resistencia a 20 C depende del tipo de material empleado y depende de su resistencia especfica o resistividad (), dado por tablas. Por ejemplo, para el cobre es 0,017 y para el aluminio es 0,026 .En consecuencia, la resistividad expresa la resistencia de un conductor de un metro de largo y de un mm de seccin. = R x s/l EJEMPLO Calcular la resistencia de un conductor de hierro de 157 Km y 2 mm de dimetro.

s = x r = 3,14 x 1 mm s = 3,14 mm R = 010 mm/m x 157.000 m/ 3,14 mm R = 5.000 ohm.LEY DE JOULELa unidad de calor es la calora que es la cantidad de calor necesaria para que la temperatura de un gramo de agua suba en un grado Celciu (C).Calor Especfico de una sustancia representa la cantidad de calor necesaria para que la temperatura de un gramo de esa sustancia suba en 1C.Si una masa m de una sustancia de calor especfico aumenta su temperatura en ms de un grado celciu, la cantidad de calor Q de caloras que ha recibido es: Q = c x m x tLEY DE JOULEEl calor es una forma de energa, Joule relacion la equivalencia entre calor y trabajo, probando que cuando el trabajo se convierte totalmente en calor por cada joule de trabajo le corresponden 0,24 caloras. Supongamos un calentador elctrico en que todo el trabajo realizado por la corriente elctrica es transformado en calor. Si el aparato funciona con voltaje V y con intensidad I durante un tiempo t, el trabajo realizado es : W = V x I x t y como X cada Joule equivale a 0,24 cal, la cantidad de calor obtenido ser: Q = 0,24 x V x I tV, debe medirse en volts, la corriente en amperes y el tiempo t en segundos para que el resultado est expresado en caloras.Adems como V = R X I ( Ley de Ohm) , resulta Q = 0,24 R x I x t que es lo que manifiesta la Ley de Joule.LEY DE JOULEEl calor que desarrolla una corriente elctrica al pasar por un conductor, es directamente proporcional a la Resistencia (R), al cuadrado de la Intensidad de corriente (I) y al tiempo (t) que dura el paso de corriente.

Q = 0,24 x R x I x t

EJEMPLO: Por un calefont elctrico pasa una I de 15 A. Est conectado al voltaje de 220 V y el valor del KWH es 5 USA $.Qu cantidad de calor se produce en 30 minutos y cunto cost el bao dado ? RESOLUCION PROBLEMAQ = 0,24 x V x I x t Q = 0,24 Cal/Joule x 220V x 15 A x 1800 seg.Q = 1.425.600 cal.

W = V x I x t = 220V x 15 x 0,5 Hr. = 3300 W x 0,5 Hr W = 1,65 KWH.

GASTO : 1,65 KWH x 5 US$/KWH = US$ 8,25APLICACIONES DE LA LEY DE JOULESoldadura elctrica, arco elctricoPlancha elctricaCalentadores de agua y calefontsLuz elctricaProteccin contra sobreintensidadFusiblesTermostatosSISTEMAS DE CORRIENTE ALTERNASe exponen algunas razones que aconsejan producir energa en forma de corriente alterna:Los alternadores de las centrales elctricas la producen en tensiones relativamente altas, generalmente en 15 KV y, por medio de transformadores se elevan hasta voltajes extra altos de 800 KV, lo que facilita su transmisin en largas distancias los hasta puntos de consumo.Se puede transmitir la energa a extra altos voltajes en forma econmica, ya que el peso del conductor vara en forma inversa del cuadrado de tensin, cuando la potencia, la distancia y las prdidas admitidas no varan. Por ahora, an no se ha podido realizar un transporte en continua con iguales resultados. De igual modo, el tamao, capacidad de generacin y el rendimiento de los alternadores es muy superior a los generadores de continua.En corriente alterna se utilizan industrialmente los sistemas trifsicos y, a nivel de usuarios domiciliarios los sistemas monofsicos de corriente alterna.VARIACION DE LA RESISTENCIA CON LA TEMPERATURAR SE INCREMENTA AL AUMENTA LA TEMPERATURA. ASI, DE ESTE MODO LOS ELECTRONES LIBRES, AL CIRCULAR SE DESPLAZAN DESORDENADAMENTE PROVOCANDO ROCES CON LOS ATOMOS CERCANOS Y TIENEN MAYOR DIFICULTAD DE DESPLAZAMIENTO. DICHA R AUMENTA DE ACUERDO AL SIGUIENTE TEOREMA:

R = R ( 1 + ( t - t )) de donde:

R = Resistencia a la temperatura tR = Resistencia a la temperatura t = Coefic. Variacin de R con t

PROBLEMACul es la R a 70 de un conductor de Cu, que a 20 tiene una R de 60 Ohm, sabiendo que el coeficiente de variacin de R con t para Cu es 0,004 1/C.

R 70 = R = R ( 1 + ( 70 20) =

= 60 ( 1 + 0,04 (70-20)) = 72 PROBLEMALa R del devanado de Cu de un motor es 0,05 Ohm a temperatura de 20C. Despus de estar en marcha el motor, el devanado se caliente y su R aumenta a 0,059 Ohm. Sabiendo que el coef. De variacin de R con t para el Cu es 0,004 1/C, calcular:A- En cuntos grados se eleva la temperatura del motor.B- La temperatura a la que est funcionando

R = R ( 1 + ( t - t ) de donde:Resolucin del Problema R / R - 1 0,059/ 0,05 -1 t- t = -------------- = -------------------- = 45C 0,004 0,04

t = 45 + t = 45 + 20 = 65CFIN DE PRIMERA PARTE ELECTRICIDAD BASICA ICORRIENTE ALTERNAEs una corriente elctrica que se repte cambiando de sentido peridicamente. La corriente alterna ms utilizada es la que realiza un ciclo de valores senoidales.

Un alternador monofsico es un generador de corriente alterna que mantiene entre sus bornes una tensin elctrica que cambia peridicamente de polaridad.Corriente alternaPERIODO : Es el tiempo T, que tarda la corriente en repetir sus valores. En el tiempo de un perodo, la corriente realiza una oscilacin completa o ciclo.

FRECUENCIA : Es el nmero de ciclos f, realizados en un segundo. Conceptualmente f es el valor inverso de T.

El perodo por segundo recibe el nombre de unidad de un Hertz (Hz). f = 1 / TCorriente alterna1. Problemas de aplicacin: 1- Calcular la frecuencia de una corriente elctrica alterna que produce una oscilacin completa en 1/60 Seg.

La frecuencia f = 1 / T = 1 / 1/60 = 60 Hz.

2- Una corriente alterna tiene una frecuencia de 50 Hz. Calcular el tiempo en que tarda en realizar un ciclo.

T = 1/f = 1 / 50 Seg.CORRIENTE ALTERNAALTERNANCIA: Cuando la C.A circula en un sentido realiza una alternancia. En cada perodo hay dos alternancias, una que consideramos positiva y la otra negativa.

EFECTOS PRODUCIDOS POR LA C.A.1- Efectos Calricos: La C.A. calienta los conductores por efecto Joule igual que la corriente continua (CC).2- Efectos Magnticos: La C.A. crea un campo magntico alternativo a su alrededor del conductor por el que circula.Corriente alternaVALOR INSTANTANEO DE UNA CORRIENTE O DE UNA TENSION DE C.A.Es el valor de i o de v que toma en un instante.

VALOR MAXIMO DE UNA CORRIENTE O DE UNA TENSION ALTERNA.Es el mayor valor de Imax o de V max en una alternancia. Se llama tambin Amplitud.

VALOR MEDIO DE UNA CORRIENTE ALTERNA SENOIDALEs el valor medio (Imed) de una intensidad de corriente alterna que transporta la misma carga en el mismo tiempo que una corriente continua de igual intensidad.El valor medio de la intensidad de c.a. senoidal en funcin del valor mximo es: Im = 2. Imax / = 0,636 Imax.

Se define matemticamente como la media aritmtica de los valores instantneos de intensidad en una alternancia.CORRIENTE ALTERNAVALOR MEDIO DE UNA TENSION ALTERNA SENOIDALEs la media aritmtica de los valores instantneos de tensin en una alternancia. Su valor medio en funcin del valor mximo es de forma anloga para la intensidad:

Vmed = 2 Vmax / = 0.636 V max.

VALOR EFICAZ DE UNA CORRIENTE ALTERNA SENOIDALEs el valor de una intensidad de corriente alterna que produce en un circuito la misma cantidad de calor por efecto Joule que una corriente continua de igual intensidad.

I = Imax / 2 = 0,707 I max. Se define matemticamente como la raiz cuadrada de la media aritmtica de los cuadrados de valores instantneos de intensidad de corriente durante un perodo.

CORRIENTE ALTERNAVALOR EFICAZ DE UNA TENSION ALTERNA SENOIDAL

Es la raiz cuadrada de la media aritmtica de los cuadrados de valores instantneos de tensin elctrica senoidal. El valor eficaz de una tensin elctrica alterna senoidal en funcin del valor mximo es, de forma anloga que para intensidad.

V = V max / V2 = 0,707 V max.

Ejemplo: calcular el valor eficaz de una tensin c.a que tiene de valor mximo 311 V. El valor eficaz V = 0,707 Vmax = 0,707 . 311 = 220 VREPRESENTACION GRAFICA DE UNA MAGNITUD ALTERNA SENOIDAL.