Conceptos básicos de electricidad PDF

Conceptos básicos de electricidad  Tabla de Contenido Tabla de Contenido Tabla de Contenido...........................................................................................................................................

Conceptos básicos de electricidad  Tabla de Contenido Tabla de Contenido Tabla de Contenido.......................................................................................................................................... 2 Definiciones básicas.......................................................................................................................................... 3 Ley de Coulomb............................................................................................................................................. 3 Intensidad (I).................................................................................................................................................... 5 Tensión (V o E) o Diferencia de Potencial (d.d.p.).................................................................................. 5 Fuerza Electromotriz (f.e.m.)......................................................................................................................... 5 Potencia (P)..................................................................................................................................................... 5 Resistencia (R)................................................................................................................................................. 6 Asociación de Resistencias.......................................................................................................................... 6 Serie............................................................................................................................................................... 6 Paralelo......................................................................................................................................................... 7 Electromagnetismo........................................................................................................................................ 7 Corriente Continua y Corriente Alterna........................................................................................................ 9 Corriente Continua (CC o DC).................................................................................................................... 9 Ley De Ohm................................................................................................................................................. 9 Ley de Joule.............................................................................................................................................. 10 Corriente Alterna (CA)................................................................................................................................ 10 Frecuencia (f)............................................................................................................................................ 10 Periodo (T).................................................................................................................................................. 11 Fase (P)....................................................................................................................................................... 11 Valor Instantáneo..................................................................................................................................... 12 Valor Eficaz................................................................................................................................................ 12 Valor de Pico............................................................................................................................................. 12 Voltímetro y Amperímetro.......................................................................................................................... 12 Condensadores y Bobinas............................................................................................................................. 14 Condensadores (C)..................................................................................................................................... 14 El condensador en corriente continua................................................................................................ 15 El condensador en corriente alterna................................................................................................... 16 Bobinas (L)...................................................................................................................................................... 17 Transformadores....................................................................................................................................... 17 Filtros.................................................................................................................................................................... 19 Paso-Bajo....................................................................................................................................................... 19 Paso-Alto........................................................................................................................................................ 20 Paso-Banda................................................................................................................................................... 21 Elimina-Banda............................................................................................................................................... 21 Paso-Todo...................................................................................................................................................... 22 2  Definiciones básicas Definiciones básicas Para entender el funcionamiento de un circuito de corriente continua es necesario conocer con anterioridad unas nociones básicas: Ley de Coulomb Se denomina carga eléctrica a la cantidad de electricidad en un cuerpo, es decir, el exceso o defecto de electrones. El coulombio es una carga que equivale a 6,3 · 1018 electrones. La ley de Coulomb: “La fuerza con que se atraen o repelen dos cargas eléctricas es directamente proporcional al producto de sus cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa.” Su ecuación matemática es: Corriente eléctrica Todo átomo tiende a quedar en un estado eléctricamente neutro. Para ello cederá o absorberá electrones, según le sobren o le falten, de los átomos situados a su alrededor. Si se unen por medio de un conductor dos cuerpos, uno cargado negativamente y el otro cargado positivamente, se establecerá un paso de electrones desde el que tiene exceso hacia el que la faltan, estableciéndose así la corriente eléctrica. Dicha corriente no cesará hasta que se igualen las cargas de ambos cuerpos o se interrumpa el circuito que los une. 3  Definiciones básicas Circulación de electrones A todo este conjunto de requisitos y funcionamiento se le llama circuito eléctricoeléctrico, si los conductores están unidos al generador y al receptor se le llama circuito cerrado cerrado. Cuando no está conectado al generador o al receptor, y por eso no pueden pasar por el circuito y no se establece corriente, se denomina circuito abierto. Para mantener una corriente eléctrica en el interior del conductor es preciso que exista una diferencia de potenciall constante entre sus extremos. Esta operación la realiza un generador: Generador de corriente continua El generador mantiene constante la diferencia de potencial entre dos puntos del circuito, que es la responsable ble de la corriente eléctrica. Las distintas clases de corriente eléctrica (según su sentido, cantidad...) son: Corriente continua:: Cuando circula en un sentido y con valor constante (abreviada como DC). Otro tipo de corriente continua, puede ser la Corriente pulsatoria, y es cuando circulan en un mismo sentido pero la cantidad cantidad de electrones es variable. Corriente alterna:: Cuando circula en ambos sentidos y con valor variable (abreviada como AC). 4  Definiciones básicas Intensidad (I) Es la cantidad de electricidad que recorre un circuito eléctrico en la unidad de tiempo (segundo). Su unidad es el Amperio (A) y se define como la cantidad de electricidad que, al atravesar una disolución de nitrato de plata, deposita en el cátodo (polo positivo de la pila) 1.118 mg de plata pura en un segundo. Tiene los siguientes submúltiplos: (mA) miliamperios = 10-3 A. (µA) microamperios = 10-6 A. (pA) picoamperios = 10-12 A. Tensión (V o E) o Diferencia de Potencial (d.d.p.) Es la diferencia de cargas entre dos cuerpos cargados eléctricamente. Ésta diferencia de potencial es necesaria para que exista un trasvase de electrones desde un cuerpo hasta otro y su unidad de medida es el voltio (v). Tiene los siguientes múltiplos y submúltiplos más significativos: (Gv) gigavoltios = 109 v. (Mv) megavoltios = 106 v. (Kv) kilovoltios = 103 v. (mv) milivoltios = 10-3 v. (µv) microvoltios = 10-6 v. Para corriente alterna se expresa con minúsculas (v o e). Fuerza Electromotriz (f.e.m.) La fuerza electromotriz es la magnitud que define el comportamiento del generador en un circuito eléctrico. En los circuitos eléctricos se define la fuerza electromotriz de un generador y se representa mediante la letra e, como la energía que cede el generador al circuito por cada unidad de carga que lo atraviesa y que se invierte en incrementar su energía potencial eléctrica. También se define como la energía necesaria para cargar eléctricamente un cuerpo. Cada carga al pasar por el generador recibe una dosis de energía que podrá gastar después en su recorrido a lo largo del circuito. Potencia (P) Es el trabajo eléctrico desarrollado en la unidad de tiempo, y en el caso particular de la electricidad, es el producto de la tensión aplicada a un circuito por la intensidad de la corriente que lo recorre. Se mide en vatios (w) y tiene los siguientes múltiplos y submúltiplos: (Gw) gigavatios = 109 w. (Mw) megavatios = 106 w. (Kw) kilovatios = 103 w. (mw) milivatios = 10-3 w. (µw) microvatios = 10-6 w. (pw) picovatios = 10-12 w. 5  Definiciones básicas Resistencia (R) Es la oposición al paso de la corriente continua que ofrecen los materiales y su unidad de medida es el. Tiene los siguientes múltiplos: 3 6 9 Para corriente alterna se emplea la letra minúscula (r) para designar la resistencia resistencia. Esta resistencia variará dependiendo del material y desde este punto de vista los materiales se dividen en tres grupos: 1. Aislantes:: son aquellos materiales que ofrecen una elevada resistencia al paso de la corriente. Se emplean como recubrimientos de los conductores para evitar descargas eléctricas o cortocircuitos. Son materiales tales como el plástico, la madera, algunos tipos de resinas, etc. 2. Conductores: Son los materiales que ofrecen ofrecen poca resistencia al paso de la corriente. Suelen ser materiales metálicos, aunque su composición varía dependiendo del uso que se le vaya a dar. Dentro de este grupo están los Superconductores,, que tienen la propiedad de conducir la electricidad sin oponer ninguna resistencia y, por tanto, sin disipar energía por efecto Joule. 3. Semiconductores: Ofrecen una resistencia intermedia al paso de la corriente. Suelen ser el silicio (Si), el germanio (Ge), etc. Asociación de Resistencias El símbolo de la resistencia: Serie Se dice que un conjunto de resistencias está en serie cuando la salida de una resistencia está conectada a la entrada de la siguiente, siguiente, y así sucesivamente hasta tener dos únicos terminales que se conectarán a la tensión de alimentación. alimentación. De tal manera que la corriente que circula por la primera será la misma que la que circula por la última. La tensión aplicada al circuito se repartirá proporcionalmente entre todas las resistencias, según su valor (a mayor resist resistencia mayor caída de tensión). El valor total del circuito se calcula realizando una suma suma aritmética de todas ellas. RT = R1 + R2 + R3 +…+ Rn 6  Definiciones básicas Circuito serie Paralelo Se dice que un conjunto de resistencias están acopladas en paralelo cuando todas las salidas están conectadas a un punto común, y todas las entradas a otro. A estos puntos se le aplica la tensión de alimentación, teniendo todas las resistencias la misma tensión. La corriente total consumida por el circuito será la suma de las corrientes que circulan por cada resistencia (a mayor resistencia menor corriente, según la Ley de Ohm). El valor total del circuito se calcula realizando una suma de los inversos de cada una de las resistencias que estén en paralelo. 1/Rt = 1/R1 + 1/R2 + 1/R3 +… + 1/Rn Circuito paralelo Electromagnetismo En apartados anteriores se han visto las formas de generar electricidad a partir de las propiedades magnéticas de algunos materiales. Ahora se estudiaran dichas propiedades y sus características. Los cuerpos que poseen las propiedades magnéticas de forma permanente se llaman imanes y se pueden clasificar en dos grupos: 1. Naturales: La naturaleza los crea de forma natural. 2. Artificiales: Son los que están creados por el hombre y son los que se usan en la práctica, pueden ser permanentes o temporales según la duración de sus efectos magnéticos. 7  Definiciones básicas Los imanes poseen dos polos, norte y sur, que se atraen cuando son de distinto signo y se repelen cuando son del mismo. Se les llama así, según se orienten con el norte y el sur terrestre respectivamente (principio de funcionamiento de la brújula). El campo magnético de un imán es el espacio donde se manifiestan sus acciones magnéticas sobre otros cuerpos. A la fuerza con la que atrae los cuerpos férricos se le denomina intensidad del campo magnético. Del mismo modo que se puede generar energía eléctrica a partir de un campo magnético, se puede generar un campo magnético a partir de una corriente eléctrica, al hacer pasar esta última por un conductor se creará un campo magnético. Cuando se hace oscilar un conductor en un campo magnético, el flujo de corriente en el conductor cambia de sentido tantas veces como lo hace el movimiento físico del conductor (caso de la corriente alterna). Esta corriente tiene una serie de características ventajosas en comparación con la corriente continua, y suele utilizarse como fuente de energía eléctrica tanto en aplicaciones industriales como en el hogar. La característica práctica más importante de la corriente alterna es que su voltaje puede cambiarse mediante un sencillo dispositivo electromagnético denominado transformador. 8  Corriente Continua y Corriente Alterna Corriente Continua ontinua y Corriente Alterna Corriente Continua (CC o DC) Es cuando la corriente circula siempre en el mismo sentido y tiene un flujo constante en el tiempo. Esta clase de corriente la generan las pilas, dinamos y baterías. El circuito eléctrico simple. Corriente continua Ley De Ohm Ya se dijo que la diferencia de potencial (d.d.p.) entre dos cuerpos era la causante de la corriente eléctrica. Por consiguiente, a mayor tensión, mayor corriente. También se ha visto que la resistencia es la dificultad al paso de esa corriente. Por lo tanto si se mantiene constante la d.d.p, la corriente dependerá de la dificultad al paso de ésta ésta que oponga la resistencia. De todo ello podemos emos extraer la siguiente ley: En un circuito eléctrico, la intensidad de la corriente que lo recorre es directamente proporcional a la tensión aplicada, e inversamente proporcional a la resistencia resistencia que opone el circuito. V = Tensión. R = Resistencia. I = Corriente (intensidad). I=V/R = 12v Ley de Ohm 9  Corriente Continua y Corriente Alterna Ley de Joule Esta ley describe como el movimiento de electrones por un conductor genera un rozamiento de éstos con los núcleos de los átomos por los que pasa, y como ese rozamiento libera energía en forma de calor. El efecto calorífico, también llamado efecto Joule, puede ser explicado a partir del mecanismo de conducción de los electrones en un metal. La energía disipada en los choques internos aumenta la agitación térmica del material, lo que da lugar a un aumento de la temperatura y a la consiguiente producción del calor. La ley de Joule establece que la cantidad de calor producida es directamente proporcional a la resistencia R del conductor, al cuadrado de la intensidad de corriente I que lo atraviesa y al tiempo t. R = resistencia (ohmios) I = la intensidad de corriente (amperios) t = el tiempo (segundos) Q = I² · R · t Corriente Alterna (CA o AC) Se produce cuando la corriente circula en ambos sentidos y varía la cantidad de electrones que circulan a cada instante. Éste tipo de corriente la producen los alternadores y osciladores. Corriente alterna Se caracteriza por los siguientes parámetros: Frecuencia (f) Es el número de veces que se repite la señal en un segundo. Se mide en Hertzios (Hz) o ciclos por segundo (c/s), y tiene los siguientes múltiplos y submúltiplos: (GHz) gigahercios = 109 Hz. (MHz) megahercios = 106 Hz. (KHz) kilohercios = 103 Hz. 10  Corriente Continua y Corriente Alterna Periodo (T) Es el tiempo que tarda una señal en repetirse. Se mide en segundos (s) y es la inversa de la frecuencia. T = 1/f Relación entre frecuencia y periodo Fase (P) Es el ángulo que ha recorrido la señal en un espacio de tiempo determinado. Cuando decimos que una señal está desfasada, nos referimos a que con respecto de otra, o de ella misma en otras circunstancias, tiene un ángulo de adelanto o de atraso. Se mide en grados (º). Desfase entre señales 11  Corriente Continua y Corriente Alterna Valor Instantáneo Como se ha dicho, una característica de la corriente alterna es que a cada momento toma un valor, así pues el valor instantáneo es el valor que toma la señal en un instante preciso. Valor Eficaz Cuando una corriente alterna circula por un circuito resistivo disipa una cantidad de calor determinada. Pues el valor eficaz es el equivalente en corriente continua que disipa el mismo calor. Valor de Pico También llamado de cresta o máximo, máximo es el valorr instantáneo mayor. Hay otro parámetro llamado de pico a pico o de cresta a cresta, que va desde el máximo positivo positivo hasta el máximo negativo. Existe una relación directa entre valor de pico y valor eficaz: Vef = Vpico / 1.414 Estos valores son aplicables es a tensión, corriente y potencia. Cuando se habla de tensión, corriente o potencia sin subíndice, se refiere a valores eficaces. Voltímetro y Amperímetro Son dos aparatos de medidas eléctricas que puede considerarse como galvanómetros modificados. Voltímetro ímetro (V): mide las diferencias de potencial entre dos puntos cualesquiera cualesquiera. En básicamente un galvanómetro lvanómetro con una importante resistencia en serie para no alterar el voltaje que se quiere medir. Amperímetro (I): mide intensidades. intensidades Es básicamente un galvanómetro pero esta vez con una pequeña resistencia en paralelo para desviar la prácticamente toda la corriente y así poder medirla. Los amperímetros se conectan en serie con el circuito, es decir, se intercalan entre los puntos en donde se desea medir la intensidad. Colocación en serie del Amperímetro Los voltímetros se conectan en paralelo entre los puntos cuya diferencia de potencial se desea medir. 12  Corriente Continua y Corriente Alterna Colocaci Colocación en paralelo del Voltímetro A menudo, estos dos dispositivos y el óhmetro están incluidos en un dispositivo llamado multímetro o polímetro, que se conecta según el uso de cada uno de ellos. Actualmente se pueden encontrar multímetros tanto digitales como analógicos, analógicos, pero estos últimos cada vez están más en desuso. 13  Condensadores y Bobinas Condensadores y Bobinas Condensadores (C) Se llama condensador al conjunto formado por dos placas metálicas paralelas, separadas entre sí por el aire o un aislante llamado dieléctrico, que se utiliza utiliza para almacenar electricidad. Se define capacidad de un condensador como la cantidad eléctrica, expresada en culombios, que es necesario transportar de una lámina a otra para crear una diferencia de potencial de un voltio entre ambas láminas. La cantidad de electricidad transportada se denomina carga. Aunque unque parecería natural expresar la capacidad en culombios por voltio, se expresa en realidad en faradios o micr microfaradios. Un faradio es la capacidad de un condensador en el cual una carga de un culombio produce una diferencia de potencial de un voltio entre e las láminas. El condensador El símbolo del condensador es: Y su unidad de carga es el Faradio (F). (F) Teniendo como submúltiplos: (mF) milifaradio = 10 faradios. -3 (µF) microfaradio = 10-6 faradios. (nF) nanofaradio = 10-9 faradios, se puede expresar como K. (pF) picofaradio = 10-12 faradios. (fF) femtofaradio = 10-15 faradios. 14  Condensadores y Bobinas La tensión aplicada al condensador, puede ser continua o alterna,, dependiendo del tipo de condensador, pero lo que no varía es su función principal. El condensador en corriente continua Los átomos de las armaduras del condensador tienen igual número de electrones que de protones. Al conectar una pila a un condensador, los electrones de una de las armaduras son atraídos por el cátodo (+) de la pila y los electrones del ánodo (-) ( ) de la pila serán atraídos con la misma intensidad hacia la otra armadura del condensador. Carga de un condensador en c.c. De este modo el condensador quedará cargado del todo cuando la tensión en extremos de las armaduras maduras sea la misma que la de la pila que se le conectó. La siguiente figura representa el caso general de carga y descarga de un condensador C por un generador de carga continua E0 constante. 15  Condensadores y Bobinas Curva de carga y descarga de un condensador El condensador en corriente alterna La corriente alterna se caracteriza por cambiar el sentido continuamente, un condensador conectado a un generador de c.a., se cargará en un semiciclo y se descargará en el siguiente. Carga de un condensador en c.a. Si en un circuito de corriente alterna se coloca un condensador la intensidad de corriente es proporcional al tamaño del condensador y a la velocidad de variación del voltaje en el condensador. Por tanto, por un condensador cuya capacidad es de 2 faradios pasará el doble de intensidad que por uno de 1 faradio. Cuando se conecta un condensador a un generador de f.e.m. alterna, la tensión en los terminales del condensador varía continuamente, y la carga varía según la ecuación: q=C·e q = carga (culombios = amperios · segundo). e = tensión aplicada (voltios). C = una constante llamada capacidad del condensador (faradios). El condensador se carga alternativamente en sentidos opuestos. Así, pues, entre los instantes de un semiciclo una placa es positiva, mientras que entre los instantes del semiciclo contrario es negativa. La resistencia al paso de la corriente alterna se llama impedancia (Z), según podemos ver en la siguiente fórmula, ésta es función de la frecuencia y de su capacidad: Zc = 1 / 2. f.c La impedancia en circuitos CA (Z) es la equivalente a la resistencia (R) en los circuitos CC, y al igual que R, también se expresa en ohmios. Z (ohmios) = V/I 16  Condensadores y Bobinas Bobinas (L) Se llama bobina o solenoide al conjunto de espiras arrolladas sobre un soporte cilíndrico y realizado con un hilo conductor. Las bobinas se oponen a las variaciones de corriente. Su unidad es el Henrio (H) y el submúltiplo más empleado es el milihenrio (mH). Si por la bobina circula una corriente, cada espira crea un campo magnético, que al sumarse el de todas ellas, crea un campo magnético global de la bobina. Al variar el flujo de la corriente que circula por la bobina, varía la intensidad del campo magnético. La bobina Transformadores Como ya se ha comentado, el proceso de la generación de una corriente eléctrica por medio de un campo magnético tiene efectos recíprocos. Pues bien, es en este efecto en el cual nos basamos para crear el transformador. El transformador se compone de dos bobinas, una llamada primario y otra llamada secundario. Por el primario circula una corriente eléctrica, creándose un campo magnético, que a su vez se inducirá en el secundario, creando una corriente eléctrica. La intensidad de dicha corriente está en correspondencia directa con la relación de espiras entre el primario y el secundario. N es el número de espiras de cada bobinado. 17  Condensadores y Bobinas Una de las aplicaciones de los transformadores es bajar la tensión de la red eléctrica de 220v a 12v, 24v,... según se necesite, en n las fuentes de alimentación. N1 / N2 = V1 / V2 El transformador 18  Filtros Filtros La función principal de los filtros es atenuar unas frecuencias, que son indeseadas y dejar pasar otras que nos interesan. Esto lo realiza ofreciendo una resistencia muy elevada para unas y muy baja para otras. Los circuitos R, L, C, son en si mismos filtros, porque como se ha visto, ofrecen una impedancia distinta dependiendo de la frecuencia frecue que pretenda atravesarlo. Existen varios tipos de filtros y según la frecuencia frecuenci de paso se dividen en cinco cinco: Paso-Bajo Paso-Alto Paso-Banda Elimina-Banda Paso-Todo Paso-Bajo Se caracterizan por tener una frecuencia, llamada frecuencia de corte (fc fc), en la que todas las frecuencias por debajo de la frecuencia de corte pasan, pasan mientras ntras que todas las frecuencias por encima de la frecuencia de corte no pasan. Las frecuencias comprendidas entre 0 Hz y la frecuencia de corte se llaman banda pasante. La zona entre tre la banda pasante y la eliminada se llama región de transición. Tienen atenu atenuación cero en la banda pasante, infinita en la banda eliminada y una transición vertical. Un ejemplo de filtro paso-bajo bajo son los cargadores de los teléfonos móviles, que poseen un filtro que convierte la frecuencia de la red eléctrica (corriente alterna de 50 Hz) ya rectificada, en corriente continua (0 Hz). Este tipo de filtros se verá con mayor detenimiento detenim en el capítulo de electrónica. Respuesta ideal de un filtro paso-bajo En la realidad los filtros tienden a tener la transición más abrupta posible, dada la imposibilidad de conseguir eguir una transición vertical. 19  Filtros Respuesta real de un filtro paso-bajo Paso-Alto Este filtro permite el paso a todas las frecuencias por encima de la frecuencia de corte y elimina todas las que se encuentran comprendidas entre cero y la frecuencia de corte. Un filtro ideal tiene atenuación cero en la banda pasante, infinita en la eliminada y una transición vertical. Son muy empleados cuando hay que ue unir etapas de amplificación, para eliminar la corriente continua, que no lleva información útil y además nos sacaría los amplificadores amplificadores de su punto de trabajo. Respuesta ideal de un filtro paso-alto Como en el caso anterior la transición se hace lo más abrupta posible. Respuesta real de un filtro paso-alto 20  Filtros Paso-Banda Se caracteriza por tener dos frecuencias de corte, una superior (fcs) y otra inferior (fci). El filtro paso-banda banda ideal elimina las frecuencias que están comprendidas entre cero y la frecuencia de corte inferior y también las que se encuentran por encima de la frecuencia de corte superior. Las frecuencias que están entre las frecuencias de corte corte son las que no sufren atenuación y se las conoce como ancho de banda (BW). (BW). Por tanto se define ancho de banda como la diferencia entre la frecuencia más alta y la frecuencia más baja. Un ejemplo de este caso es canal telefónico que tienen un ancho de banda entre 300 y 3.400 Hz Respuesta ideal de un filtro paso-banda La transición se hace lo más vertical posible. Respues real de un filtro paso-banda Respuesta Elimina-Banda También es una mezcla de los dos primeros filtros, pero a diferencia del anterior, las frecuencias eliminadas son las comprendidas entre las dos frecuencias de corte, siendo las que están fuera de ese intervalo las que pasan. Para un filtro ideal de este tipo la atenuación en la banda eliminada es infinita, en las bandas pasantes pasantes cero y las transiciones verticales. Se emplean para eliminar perturbaciones conocidas dentro de unu canal de transmisión: 21  Filtros Respuesta ideal ide de un filtro elimina-banda En la realidad los filtros tienden a tener la transición más abrupta posible, dada la imposibilidad de conseguir seguir una transición vertical. Respuesta real de un filtro elimina-banda elimi Paso-Todo Tiene banda pasante pero no tiene banda eliminada. Es decir, deja pasar todas las frecuencias entre cero e infinito. La respuesta en fase de un filtro tro se define como el gráfico del desfase frente a la frecuencia. Cuando una señal compuesta atraviesa a un filtro de este tipo: Respuesta ideal de un filtro paso-todo paso 22  Filtros En la siguiente gráfica se puede observar que el retardo depende de la frecuencia que atraviesa el filtro. Este tipo de filtros se emplean en comunicaciones para compensar los retardos introducidos por otros tipos de filtros o circuitos, por lo tanto la curva de respuesta del filtro será al contrario que la que ue introducen dichos circuitos. Respuesta real de un filtro paso-todo 23