1. ELECTRICIDAD BÁSICA MÓDULO A Prof. Paolo Castillo Rubio

2. MÓDULO A1: “LA RELACIÓN DE LA ENERGÍA CON OTRAS FORMAS DE ENERGÍA”

3. 1. El concepto de energía Energía es la capacidad para producir trabajo. Trabajo, se refiere al desplazamiento de un cuerpo en el espacio por la acción de una fuerza. La energía no puede ser creada, consumida, ni destruida ; sin embargo, puede ser convertida o transferida en diferentes formas. En cada conversión de energía, parte de la energía proveniente de la fuente es convertida en energía calorífica.

4. La capacidad de producir trabajo útil convirtiendo energía, disminuye cada vez que dejamos que la energía acabe en forma de calor que se disipa al ambiente. El trabajo útil se denomina “exergía” . Entalpía es un calor de formación de un compuesto. Entropía es la relación entre la cantidad de calor que un cuerpo gana o pierde y su temperatura absoluta. Cuando se produce una pérdida de calor la entropía aumenta.

5. Tipos de energía en la naturaleza La energía que utilizamos proviene principalmente del Sol , en forma de energía lumínica y calor . Existen fuentes de energía no renovables como: petróleo, carbón mineral, gas natural.

8. 2. La energía eléctrica La materia está compuesta por moléculas, éstas por átomos y éstos por partículas . En los átomos se pueden distinguir: protones y neutrones , dentro del núcleo; y electrones , en órbitas exteriores. La electricidad se produce cuando los electrones se separan y forman nuevas órbitas aparte. Cuando el flujo de electrones se traslada de un punto a otro, aparece la corriente eléctrica .

13. MÓDULO A2: “LAS CARGAS ELÉCTRICAS”

17. Los iones Un átomo es eléctricamente neutro . Debido a fuerzas externas, se puede perder o ganar (de otros átomos) electrones. En el caso de que se ganen, se queda con exceso de carga negativa; por el contrario, cuando se pierden, se queda con exceso de carga positiva. En ambos casos, dicho átomo con exceso de carga se comporta como si fuera él mismo una carga susceptible de moverse, siendo atraído o repelido, según sea el caso, por otras cargas. Debido a esta capacidad de moverse que tiene el átomo cargado, se le denomina ión .

18. Niveles de energía En un átomo, los electrones están girando alrededor del núcleo formando capas . En cada una de ellas, la energía que posee el electrón es distinta . En las capas muy próximas al núcleo, la fuerza de atracción entre éste y los electrones es muy fuerte, por lo que estarán fuertemente ligados. Ocurre lo contrario en las capas lejanas, en las que los electrones están débilmente ligados, por lo que es más fácil realizar intercambios electrónicos en estas capas. Podemos clasificar los electrones por el nivel energético (o banda energética) en el que se encuentran.

19. Banda de valencia Es un nivel de energía en el que se realizan las combinaciones químicas . Los electrones situados en ella, pueden transferirse de un átomo a otro, formando iones que se atraerán debido a su diferente carga, o serán compartidos por varios átomos, formando moléculas.

20. Ambos iones se atraerán y formarán la molécula de Cloruro de Sodio o Sal común (Na Cl).

21. Banda de conducción Es un nivel de energía, en el cual los electrones están aún más desligados del núcleo, de tal forma que, en cierto modo, todos los electrones (pertenecientes a esa banda) están compartidos por todos los átomos del sólido, y pueden desplazarse por éste formando una nube electrónica. Cuando un electrón situado en la banda de valencia se le entrega energía exterior, puede saltar a la banda de conducción, quedando en situación de poder desplazarse por el sólido.

22. La propiedad que poseen algunas sustancias de tener electrones libres (en la Banda de Conducción), capaces de desplazarse, se denomina conductividad . Estos materiales serán capaces, bajo la acción de fuerzas exteriores, de conducir la electricidad , ya que existe una carga eléctrica (los electrones) que pueden moverse en su interior. Basándose en el criterio de mayor o menor conductividad, se pueden clasificar los materiales en tres grupos: conductores , aislantes o dieléctricos y semiconductores .

25. 2. El comportamiento de las cargas eléctricas Existen dos tipos de cargas eléctricas. Se designan con los nombres de cargas eléctricas positivas (+) y cargas eléctricas negativas (-) . No todas las materias poseen la propiedad de cargarse de electricidad y, aunque lo hagan, pueden comportarse de manera distinta. La carga del mismo signo se repele , y de distinto signo se atrae . La mayoría de los objetos con que tenemos contacto son eléctricamente neutros (carga total cero). Esto se debe a que sus constituyentes básicos, los átomos, son neutros.

26. Algunos objetos pueden cargarse eléctricamente por frotación . En este caso, al frotar un objeto contra otro, uno de ellos cede algunos electrones al otro. El objeto que cede electrones queda con exceso de carga positiva, mientras que el otro que recibe electrones, adquiere una carga negativa. Esta carga que adquieren es conocida como electricidad estática . Cuando se tiene objetos cargados eléctricamente, éstos interactúan entre sí de modo que objetos con cargas eléctricas del mismo tipo se repelen, mientras que objetos con cargas de distinto tipo se atraen.

27. MÓDULO A3: “LAS FUENTES ELÉCTRICAS”

28. 1. Formas de suministrar corriente y voltaje 1.1. Electricidad estática por fricción. Sin lugar a dudas, el fenómeno eléctrico más espectacular de la naturaleza son los rayos: por la acción del viento y del sol, las nubes se van cargando lentamente de electricidad estática y, cuando la diferencia de voltaje con relación a la superficie terrestre, o a las nubes vecinas alcanza varios megavoltios, el aire se ioniza (se vuelve mejor conductor) y toda la energía almacenada en la nube se descarga instantáneamente (con corrientes del orden de los 10.000 A). El trueno se produce cuando el movimiento de las partículas ionizadas de aire sobrepasa la velocidad del sonido.

29. 1.2. Electricidad por acción química. Se llama pila a un generador de electricidad que convierte la energía química en energía eléctrica. Está constituida fundamentalmente por un trozo de zinc y otro de cobre sumergidos separadamente en una solución ácida (electrolito). El ácido del electrolito reacciona en forma diferente con los dos metales y rompe su equilibrio eléctrico.

30. 1.3. La electricidad y el magnetismo. El electromagnetismo , es la disciplina que permite entender los fundamentos de la generación de energía eléctrica. Ejemplos de fenómenos electromagnéticos: la luz del sol y magnetismo terrestre (naturales), aparatos eléctricos (artificiales). Hasta 1820 se pensaba que el magnetismo era independiente de la electricidad, en ese año Oersted se dio cuenta de que una corriente eléctrica desvía la aguja de una brújula. Con este descubrimiento se comprendió que ambos fenómenos son manifestaciones de un sólo tipo de evento y que, por lo tanto, pueden ser estudiados de manera conjunta.

31. 1.4. Fotoelectricidad. La energía solar puede transformarse por medio de celdas fotovoltaicas o solares, directamente en energía eléctrica. La mayoría de las celdas solares se componen de capas de silicio purificado, a las cuales se les agrega un elemento semiconductor para que emita electrones y produzca una pequeña corriente eléctrica cuando los rayos solares inciden en él. La cantidad de energía eléctrica que proporciona una celda es muy pequeña , por lo que se necesitan conectar entre sí muchas para proporcionar una potencia utilizable.

32. 1.5. La energía del viento. Un aerogenerador obtiene su potencia de entrada convirtiendo la fuerza del viento en un par (fuerza de giro), actuando sobre las palas del rotor. La cantidad de energía transferida al rotor por el viento depende de la densidad del aire, del área de barrido del rotor y de la velocidad del viento.

33. 2. Variables de las fuentes de energía eléctrica Voltaje o tensión , es la fuerza que impulsa a los electrones o a las partículas cargadas a desplazarse y formar corrientes eléctricas. Intensidad de corriente , es la cantidad de corriente eléctrica que circula entre dos puntos, que depende tanto de la diferencia del voltaje aplicado, como de la resistencia (I = V/R). Como se ha dicho, para que los electrones se muevan por el conductor, es decir, para que exista una corriente eléctrica, es necesario que algo impulse a los electrones.

34. La diferencia de potencial representa el “impulso” que llevan las cargas (electrones) por el conductor, y los aparatos que producen esa diferencia de potencial son los generadores . Para medir la diferencia de potencial que existe entre dos puntos, se usa un aparato llamado voltímetro (se conecta en paralelo ). Para medir la intensidad de corriente eléctrica en un conductor, se usa el amperímetro (se conecta en serie ).

35. 3. Los tipos de fuentes de generación de energía eléctrica Las fuentes de electricidad estática. En todas las sustancias hay electrones y protones, pero para que se pueda producir un trabajo eléctrico útil, es preciso separar ambas cargas para crear una diferencia de potencial que pueda dar lugar a un flujo de corriente. Electricidad estática por fricción. Es un fenómeno en que los electrones y los protones se separan por el trabajo de frotamiento y así se producen cargas opuestas.

36. Las fuentes de tensión continua. La tensión o voltaje continuo es la diferencia de potencial que aparece en fuentes de corriente contínua. Existen varios de tipos: pilas secas (zinc-carbono), pilas alcalinas (electrolito de hidróxido de potasio), baterías de auto (recargables, electrodos de plomo y electrolito de ácido sulfúrico), baterías de niquel y cadmio (recargables, electrodos de zinc y usan hidróxido de potasio). Además, en una batería se deben conocer las características nominales (valores de corriente y voltaje), la capacidad (expresadas en ampere-hora) y conservación (nivel del electrolito).

37. Las fuentes de tensión alterna. Se llama generador de electricidad a una máquina que produce energía eléctrica por transformación de otra energía usando el principio de inducción electromagnética. Comúnmente los generadores pequeños requieren de una bobina y un imán, y los grandes de un conjunto de bobinas y electroimanes, que están montados en el elemento llamado rotor , que es movido por una turbina y la corriente eléctrica se produce (induce) en el estator . Los distintos tipos de plantas generadoras de electricidad difieren en el tipo de energía para mover la turbina, seto es, energía hidráulica, térmica, eólica , mareomotriz, etc.

38. MÓDULO A4: “LOS MATERIALES ELÉCTRICOS”

39. 1. Comportamiento eléctrico de los materiales conductores Los conductores son todos aquellos materiales que poseen menos de cuatro electrones en la capa de valencia, el semiconductor es aquel que posee cuatro y el aislante es el que posee más de cuatro electrones en la capa de valencia. Todos los materiales conocidos , en mayor o menor grado, permiten el flujo de la corriente eléctrica a través de ellos , sin embargo, en todos los casos, también presentan una resistencia o impedancia al paso de dicha corriente. Mientras menos resistencia eléctrica presente el material, se considera un mejor conductor y mientras más resistencia presente será un mejor aislante.

40. Resistencia en los conductores Cuanto más largo es un conductor, mayor es su resistencia, puesto que se necesitará realizar más trabajo para llevar los electrones desde un extremo al otro. Por el contrario, mientras la sección es mayor, menor es su resistencia, puesto que habrá más electrones libres en la mayor superficie transversal. Donde: R es la resistencia ( W ) L es la longitud (m) A es la sección o área (m 2 ) r es la resistividad ( W m)

42. 2. Los materiales aislantes eléctricos El aislante perfecto para las aplicaciones eléctricas sería un material absolutamente no conductor, pero ese material no existe . Los materiales empleados como aislantes siempre conducen algo de electricidad , pero presentan una resistencia muchísimo superior que la de los buenos conductores eléctricos. En los circuitos eléctricos normales suelen usarse plásticos como revestimiento aislante para los cables. Los cables muy finos , como los empleados en bobinas, pueden aislarse con una delgada capa de barniz.

43. El aislamiento interno de los equipos eléctricos puede efectuarse con mica o mediante fibras de vidrio con un aglutinador plástico. En los equipos electrónicos y transformadores se emplea en ocasiones un papel especial para aplicaciones eléctricas. Las líneas de alta tensión se aíslan con vidrio, porcelana u otro material cerámico. El polietileno y poliestireno se emplean en instalaciones de alta frecuencia , y el mylar se emplea en condensadores eléctricos.

44. También hay que seleccionar los aislantes según la temperatura máxima que deban resistir. El teflón se emplea para temperaturas altas , entre 175 y 230°C. El nylon tiene una excelente resistencia a la abrasión , y el neopreno, la goma de silicona, los poliésteres de epoxy y los poliuretanos pueden proteger contra los productos químicos y la humedad . Buenos ejemplos de aislantes (que se oponen casi totalmente al paso de la corriente) son: la madera, el plástico, el papel, la porcelana, los barnices aislantes, etc.

45. Aislación Es la función de un material no conductor o aislante que cumple en un circuito eléctrico, al mantener aisladas las partes que conducen la energía eléctrica . Dos partes energizadas de distintos circuitos no se pueden encontrar. Para que la corriente siga su curso y llegue a los elementos y dispositivos de consumo del circuito, debe viajar por un conductor aislado por completo del ambiente y otras partes del circuito desde la fuente de voltaje que lo alimenta.

46. Medición de la aislación Al comprobar la aislación de un dispositivo, se está midiendo las características del material aislante que contiene y que está manteniendo un flujo de corriente por el elemento conductor, sin que esta corriente cambie su dirección fluyendo a otras partes conductoras del equipo o fluya descargándose a tierra. La aislación se mide con un instrumento denominado Megger y se mide en unidades de resistencia eléctrica.

47. 3. Los materiales semiconductores y su comportamiento Los materiales semiconductores son poco conocidos, pero gracias a estos elementos funcionan todos los equipos electrónicos como la computadora. Algunos no metales, como el silicio, conducen electricidad en ciertas condiciones, pero en general no son buenos conductores. Por eso se les llama semiconductores . En estado puro conducen muy poco la energía eléctrica; por eso se necesita agregarles impurezas para hacerlos conductores, comportándose como semiconductores, que son la materia básica de los transistores .

48. El silicio, al igual que otros materiales semiconductores, varía su resistencia al aplicarle pequeñas señales eléctricas , lo cual ha permitido crear toda la industria electrónica moderna. La electrónica es una rama de la física, que estudia el uso de la electricidad para producir señales que transportan información y controlan dispositivos , como las computadoras. Estas máquinas contienen circuitos por los cuales fluye la corriente. Las partes de control de un circuito son los componentes: diodos y transistores . Los componentes pueden amplificar corrientes, interrumpirlas o reiniciarlas y cambiar su dirección.

49. MÓDULO A5: “INSTRUMENTOS ELÉCTRICOS”

50. El tester Con este aparato se puede detectar mal funcionamientos en aparatos eléctricos. El tester o multitester , es un aparato que sirve de gran ayuda para valorar los parámetros fundamentales como: tensión, resistencia e intensidad ; tanto en instalaciones como para resolver problemas de funcionamiento de equipos eléctricos. El tester puede medir la tensión alterna de un enchufe de una casa, la tensión continua de una pila o la resistencia eléctrica de un elemento.

51. Además, de estos parámetros básicos, el multitester puede medir continuidad y, en algunos casos, capacitancia e inductancia.