Se describe los fundamentos de la electricidad

1. NATURALEZA DE LA
ELECTRICIDAD
Jorge Luis Jaramillo
Fundamentos de la Electricidad
PIET EET UTPL marzo 2012

2. Créditos
Esta presentación fue preparada estrictamente como material de apoyo a la jornada presencial
del curso de Fundamentos de la Electricidad, del programa de Ingeniería en Electrónica y
Telecomunicaciones que se imparte en el Universidad Técnica Particular de Loja.
La secuencia de contenidos corresponde al plan docente de la asignatura, y, para la elaboración
se han utilizado aportes propios del docente, y, una serie de materiales y recursos disponibles
gratuitamente en la web.

3. Contenido
•Historia de la electricidad
•Nociones de electrotecnia
•Energía y potencia
•A manera de resumen: magnitudes fundamentales
• Diagramas y planos eléctricos
•Discusión y análisis

4. Contenido
•Historia de la electricidad

5. Historia de la electricidad
Conductores Cargas
Electricidad
¿Baterías? y positivas y Capacitores Pila eléctrica
estática
dieléctricos negativas
Batería de Charles Francois Pieter van Alessandro
Tales de Mileto William Gilbert
Bagdad du Fay Musschenbroek Volta
639 – 547 aC 1544 - 1603
226 dC 1698 – 1739 1692 – 1761 1745 - 1827

6. Historia de la electricidad
Corriente Inducción
Ley de atracción de cargas Pararrayos Ley de Ohm
eléctrica electromagnética
André-Marie Georg Simon Ohm
Charles de Coulomb Benjamin Franklin Michael Faraday
Ampère 1789 - 1854
1736 - 1806 1706 - 1790 1791 - 1867
1775 - 1836

7. Historia de la electricidad
Primer cable Dínamo de Teoría del campo
Telégrafo Teléfono
trasatlántico Gramme electromagnético
William Zénobe Alexander James Clerk
Samuel Morse
Thomson Gramme Graham Bell Maxwell
1791 - 1872
1824 - 1826 - 1901 1847 - 1922 1831 - 1879

8. Historia de la electricidad
El Determinación La industria de
Máquinas de CA descubrimiento de la carga del la generación de
del electrón electrón ee
George
Joseph John Robert Andrews Thomas Alva Westinghouse
Nikola Tesla
Thomson Millikan Edison
1856 - 1943 1846 - 1914
1856 - 1940 1868 - 1953 1847 - 1931

9. Contenidos
•Nociones de electrotecnia

10. Nociones de electrotecnia
Estructura del átomo

11. Nociones de electrotecnia
Estructura del átomo

12. Nociones de electrotecnia
La fuerza de atracción entre el núcleo del átomo y los
electrones, decrece a medida de que aumenta la
distancia desde el núcleo.
Los electrones de las últimas capas se pueden perder
fácilmente, con lo que el átomo se transforma en un
ión positivo o cation.
También puede ocurrir que las últimas capas de un
átomo adquieran un mayor número de electrones, con
lo que el átomo se transforma en un ión negativo o
anion.
Los electrones de la orbita más externa se denominan
electrones de valencia. A ellos se debe la capacidad del
átomo de recombinarse y formar moléculas. En estas
moléculas se comparten uno o mas electrones de la
ultima capa de cada átomo. Los electrones
compartidos constituyen el enlace covalente.
Comportamiento de los electrones externos del átomo

13. Nociones de electrotecnia
Energía Mientras más distante se encuentre el electrón del núcleo, mayor
es el estado de energía, y cualquier electrón que haya dejado a su
átomo, tiene un estado de energía mayor que cualquier electrón
Banda de conducción
en la estructura atómica.
Banda prohibida
Banda de valencia
Energía Electrones Energía Energía
libres para
Banda de conducción establecer la Banda de conducción Banda de conducción
Las bandas
conducción
se traslapan
Eg Banda de valencia
Banda prohibida
Eg > 5 eV
Banda de valencia Conductor
Banda prohibida Electrones
de valencia
1 eV = 1,6 x 10-19 J
unidos a la
Banda de valencia estructura Eg = 1,1 eV (Si)
atómica
Dieléctrico Eg = 0,67 eV (Ge)
Eg = 1,41 eV (GaAs) Niveles energéticos del átomo

14. Nociones de electrotecnia
La conducción de la electricidad depende del número
de electrones libres por unidad de volumen en cada
cuerpo
En los átomos de los conductores no todos los
electrones forman parte del enlace. Algunos
electrones están débilmente ligados al átomo por lo
que pueden pasar fácilmente de un átomo a otro, a + + + +
través de los espacios libres de la red. A estos
electrones se les da el nombre de electrones libres, y,
son la causa de que los metales sean buenos + + + +
conductores de calor y de electricidad.
+ + + +
Los dieléctricos, al contrario que los conductores, no
disponen de electrones libres, debido a que necesitan
de todos los electrones de valencia.
Los semiconductores se convierten, en determinadas
condiciones, en conductores.
Electrones libres y conductividad

15. Nociones de electrotecnia
Se denomina corriente eléctrica al movimiento
dirigido de electrones libres a través del circuito
cerrado de un conductor, alimentado por una fuente
de fem.
La intensidad de la corriente eléctrica, por su parte,
Átomos depende del número de electrones que atraviesa la
sección transversal del conductor, en un tiempo
Electrones determinado.
Ya que todos los electrones tienen la misma carga, la
fuerza de repulsión entre ellos es igual. Por lo tanto,
existe la misma separación entre ellos durante su
movimiento.
Corriente eléctrica
Corriente eléctrica

16. Nociones de electrotecnia
Sin conocer que la causa de la corriente eléctrica eran los electrones libres, Faraday eligió como sentido de
la corriente, el que va desde la polaridad positiva (más) hacia la polaridad negativa (menos) del
generador. Esta dirección se conoce como dirección técnica de la corriente eléctrica y es contraria a la
dirección natural de la corriente eléctrica.
+
Fuente de G carga
alimentación
-
Movimiento de los electrones
Sentido de la corriente
Dirección técnica de la corriente eléctrica

17. Nociones de electrotecnia
Alrededor de una carga, ubicada en una región del
espacio, se crea una zona de influencia llamada
campo eléctrico.
El campo eléctrico se pone de manifiesto con la
presencia de una segunda carga, al aparecer fuerzas
de atracción o repulsión entre las cargas.
La presencia de las dos cargas afecta la región del
espacio. Para describir el campo eléctrico existente se
calcula la energía potencial de cada carga, con
respecto a la carga de unidad positiva. Este concepto
se conoce como potencial eléctrico, y, se simboliza
por la letra V.
Potencial eléctrico y diferencia de potencial

18. Nociones de electrotecnia
Sea el campo eléctrico de la carga +q, situada en el
punto 0 en la figura mostrada. Para calcular la
diferencia de potencial eléctrico (o tensión) entre los
puntos A y B, se sitúa una carga de prueba +q0 (+q0 <
V +q ) en A, y, la movemos uniformemente hasta B,
midiendo el trabajo realizado (TAB). Entonces, la
diferencia de potencial eléctrico se define como:
VA
VB
A B
0 El trabajo TAB puede ser positivo, negativo, o, nulo. En
+q +q0 r cada caso, el potencial eléctrico de B es mayor, menor,
o, igual que el potencial de A.
Potencial eléctrico y diferencia de potencial

19. Nociones de electrotecnia
Si el punto A es un punto alejado (situado en el infinito), entonces el potencial de A tiende a
cero, lo que permite definir el potencial en un punto como:
O, lo que es lo mismo:
La unidad del potencial eléctrico es el voltio, V, en honor de Volta, y, se expresa como
Joule/Coulomb.
Potencial eléctrico y diferencia de potencial

20. Nociones de electrotecnia
I
Si la tensión (voltaje) a la salida del generador es o no constante,
tanto en valor como en sentido, en un circuito cerrado podrá
aparecer una de tres tipos de corriente: I
• Continua
• Alterna
• Mixta
I t
La corriente continua, es una corriente eléctrica que circula siempre Im
en el mismo sentido y con la misma intensidad. áx
t
La corriente alterna, es aquella que cambia periódicamente de
sentido e intensidad. - f
1
T
Imáx
La corriente mixta es el resultado de la superposición de corriente I
continua y corriente alterna.
t
.
Clases de corriente eléctrica

21. Nociones de electrotecnia
El funcionamiento de un circuito eléctrico, puede aproximarse al
funcionamiento de un sistema hidráulico, mucho más intuitivo.
La explicación para esta analogía radica en la naturaleza “fluido” del agua y de
la corriente eléctrica.
.
Analogía hidráulica del funcionamiento de un circuito

22. Nociones de electrotecnia
Los elementos pasivos de un circuito (resistencias, inductancias y capacitancias), absorben o almacenan la
energía procedente de la fuente, y, están definidos por la forma en que el voltaje y la corriente se
relacionan con el elemento.
.
Elementos pasivos de un circuito

23. Nociones de electrotecnia
Se conoce como resistencia eléctrica R, a la dificultad que presentan los distintos
materiales, al paso de la corriente eléctrica, en función de su estructura y de su
constitución. En el SI, la unidad para la resistencia es el ohmio ( ).
La resistencia eléctrica también se presenta como la magnitud inversa a la
conductancia:
Se conoce como resistividad ρ, al factor que hace que cada material presente una
resistencia distinta, para iguales dimensiones físicas (longitud y sección). La
resistividad es constante para cada material.
Resistencia eléctrica

24. Nociones de electrotecnia
La resistencia y la resistividad están
ligadas por la expresión:
Se conoce como conductividad σ , al
factor relacionado con la facilidad con la
que los electrones libres se mueven a
través del material.
La resistencia y la conductividad, están
ligadas por la expresión:
Resistencia eléctrica

25. Nociones de electrotecnia
La resistencia eléctrica “reside” en el resistor. R1 R2 R3
A B
Los resistores se unen en los circuitos en dos
configuraciones: en serie, y, en paralelo.
Req R1 R2 R3
En una configuración en serie, los resistores
pueden ser “reemplazados” por un único
equivalente, cuya resistencia equivale a la Req
A B
suma de la resistencia de cada uno de los
resistores.
R1
En una configuración en paralelo, los
resistores pueden ser “reemplazados” por un
único equivalente, cuya conductancia A R2 B
equivale a la suma de la conductancia de
cada uno de los resistores.
R3
1 1 1 1
Req R1 R2 R3
Resistencia eléctrica

26. Nociones de electrotecnia
armaduras Se conoce como condensador a un componente
diseñado para almacenar electricidad sobre una
superficie pequeña.
dieléctrico
Se define como capacidad eléctrica de un
condensador al cociente entre la carga de una de
las armaduras y la tensión o diferencia de
Q potencial que existe entre las mismas. En el SI, la
C
V capacidad eléctrica se mide en faradios (F).
Para el caso de un condensador plano, se
cumple que:
Unidades: A
C ε
1 [ F] (microfaradio)= 10-6 F d
En dónde,
1 [nF] (nanofaradio) = 10-9 F C, es la capacidad, F
1 [pF] (picofaradio) = 10-12 F ε, es la permitividad del dieléctrico
A, es la superficie enfrentada de las armaduras,
m2
d, es el espesor del dieléctrico, m
Capacidad eléctrica

27. Nociones de electrotecnia
Los condensadores se unen en los circuitos C1 C2 C3
A B
en dos configuraciones: en serie, y, en
paralelo.
1 1 1 1
En una configuración en serie, los Ceq C1 C2 C3
condensadores pueden ser “reemplazados”
por un único equivalente. La inversa a la
capacidad de este condensador equivale a la
suma de las inversas de las capacidades de Ceq
A B
cada uno de los condensadores.
En una configuración en paralelo, los C1
condensadores pueden ser “reemplazados”
por un único equivalente, cuya capacidad C2
equivale a la suma de la capacidad de cada A B
uno de los condensadores. C3
Ceq C1 C2 C3
Capacidad eléctrica

28. Nociones de electrotecnia
Un inductor o bobina es un componente pasivo
de un circuito eléctrico que, debido al fenómeno
de la autoinducción, almacena energía en forma
de campo magnético.
En una bobina, se define como inductancia L, a
la relación entre el flujo magnético Ф y la
intensidad de corriente eléctrica I. En el SI, la
inductancia se mide en henrios (H):
1 H = 1[Wb/A]
Inductancia

29. Nociones de electrotecnia
Las bobinas se unen en los circuitos en dos A L1 L2 L3 B
configuraciones: en serie, y, en paralelo.
En una configuración en serie, las bobinas Leq L1 L2 L3
pueden ser “reemplazadas” por una única
equivalente, cuya inductancia equivale a la
suma de las inductancias de cada una de las
bobinas. A Leq B
En una configuración en paralelo, las bobinas
pueden ser “reemplazadas” por una única L1
equivalente. La inversa de la inductancia de
esta bobina equivale a la suma de las inversas L2
A B
de las inductancias de cada una de las
bobinas.
L3
1 1 1 1
Leq L1 L2 L3
Inductancia

30. Nociones de electrotecnia
Los elementos activos de los circuitos, son fuentes
+ de voltaje o corriente, capaces de suministrar
V energía a la red eléctrica.
-
Las fuentes de tensión ideales, son aquellas que
proporcionan entre sus terminales una tensión
+ definida por una determinada ley,
V independientemente del circuito al que están
conectadas.
Las fuentes de corriente ideales, son aquellas que
proporcionan entre sus terminales una corriente
I definida por una determinada ley,
independientemente del circuito al que están
conectadas.
Elementos activos de los circuitos

31. Nociones de electrotecnia
Las fuentes de tensión se configuran en serie, caso en el cual
son “reemplazadas” por una fuente equivalente cuya
tensión es igual a la suma de las tensiones de cada una de las
fuentes.
Las fuentes de corriente se configuran en paralelo, caso en el
cual son “reemplazadas” por una fuente equivalente cuya
corriente es igual a la suma de las corrientes de cada una de
las fuentes.
Si una fuente de tensión y una de corriente, se configuran en
paralelo, pueden ser reemplazadas por una fuente de
tensión.
Si una fuente de tensión y una de corriente, se configuran en
serie, pueden ser reemplazadas por una fuente de corriente.
Elementos activos de los circuitos

32. Nociones de electrotecnia
Si el valor de la tensión o de la intensidad de corriente de
una fuente de tensión o de corriente, depende de la
intensidad o de la corriente en algún punto específico del
circuito, entonces nos referimos a fuentes dependientes.
La simbología utilizada para representar fuentes
dependientes, coincide con la simbología empleada para
fuentes no dependientes, acompañada de la expresión
matemática que define la dependencia de la tensión o de la
corriente.
Elementos activos de los circuitos

33. Nociones de electrotecnia
En la práctica, tanto las fuentes de tensión como de corriente distan mucho del
concepto ideal, y, varían su resistencia interna en función del desgaste
Elementos activos de los circuitos

34. Nociones de electrotecnia
Las ondas eléctricas pueden ser
aperiódicas y periódicas.
Entre las ondas aperiódicas,
registramos la función rampa, la
función escalón, la función impulso
unitario, entre otras.
.
Ondas eléctricas

35. Nociones de electrotecnia
Las ondas periódicas se caracterizan por
parámetros como el valor instantáneo, el
valor de pico o de cresta, valor de pico a
pico, valor medio, valor eficaz, factor de
cresta (FC), factor de rizado (r), factor de
forma (F)
.
Ondas eléctricas

36. Nociones de electrotenia
Caracterizar la siguiente función periódica:
Imagen tomada del sitio web de la
Biblioteca de la Universidad de la Rioja Ondas eléctricas

37. Nociones de electrotecnia
Principales magnitudes

38. Contenidos
•Energía y potencia

39. Energía y potencia
El término energía (del griego ἐνέργεια - energeia/ actividad, operación; ἐνεργóς
- energos/ fuerza de acción o fuerza trabajando), tiene diversas acepciones y
definiciones, relacionadas con la idea de una capacidad para obrar, transformar o
poner en movimiento.
En física, energía se define como la capacidad para realizar un trabajo.
El término potencia (del latín potentĭa /poder, fuerza) tiene diversas acepciones.
En física, en términos generales, como potencia se designa a la cantidad de
trabajo realizado por cada unidad de tiempo.
Definiciones previas

40. Energía y potencia
En los circuitos eléctricos, las fuentes de tensión y
corriente, “aportan o ceden” energía, mientras que los
elementos pasivos la “receptan o absorven”.
La energía “cedida” por una fuente (generador), es
E V q
función de la tensión de salida, y, de la carga eléctrica E V·I·t
entregada.
E
La potencia “aportada” por un generador, es función P
de la energía entregada y del tiempo transcurrido. t
P V I
Energía y potencia de una fuente

41. Energía y potencia
Toda energía eléctrica absorbida por un conductor homogéneo
(elemento resistivo), en el que no existen fems (fuerzas
electromotrices), y, que está recorrido por una corriente
eléctrica, se transforma íntegramente en calor.
E V I t
En la forma más operativa, la energía transformada en calor en E R I2 t
un elemento resistivo es proporcional al producto del cuadrado
del voltaje aplicado al elemento y al tiempo transcurrido, e, V2
E t
inversamente proporcional a la resistencia del elemento. R
En la forma más operativa, la potencia disipada en forma de
calor en un elemento resistivo, es proporcional al cuadrado del P V I
voltaje aplicado al elemento, e, inversamente proporcional a la P R I2
resistencia del elemento. V2
P
R
Energía y potencia en los elementos de un circuito

42. Energía y potencia
Si la corriente eléctrica que circula por una bobina crece (su 1
derivada es positiva), y, el voltaje en la bobina es positivo, E L.I 2
2
entonces este dispositivo actúa como receptor y “consume”
energía.
P V I
Cuando la corriente eléctrica disminuye (su derivada es dI
negativa), y, el voltaje en la bobina es negativo, entonces este P L I.
dt
dispositivo actúa como fuente y “cede” energía.
Energía y potencia en los elementos de un circuito

43. Energía y potencia
Si el voltaje en los terminales de un condensador crece (su 1
derivada es positiva), mientras que la corriente eléctrica que E C.V 2
2
fluye es positiva, entonces este dispositivo actúa como receptor
y “consume” energía.
dV
Cuando el voltaje disminuye (su derivada es negativa), y, la P C V.
corriente es negativa, entonces este dispositivo actúa como dt
fuente y “cede” energía.
Energía y potencia en los elementos de un circuito

44. Contenido
•A manera de resumen: magnitudes fundamentales

45. Magnitudes fundamentales
La electricidad (del griego elektron o ámbar) es un fenómeno físico cuyo
origen son las cargas eléctricas y cuya energía se manifiesta en fenómenos
mecánicos, térmicos, luminosos, químicos, etc.
También se denomina electricidad a la rama de la física que estudia las
leyes que rigen el fenómeno, y, a la rama de la tecnología que la usa en
aplicaciones prácticas.
Elementos de electricidad

46. Magnitudes fundamentales
La electricidad es originada por las cargas eléctricas, en reposo o en
movimiento, y las interacciones entre ellas.
Cuando varias cargas eléctricas están en reposo relativo se ejercen entre ellas
fuerzas electroestáticas. Cuando las cargas eléctricas están en movimiento
relativo se ejercen también fuerzas magnéticas.
Se conocen dos tipos de cargas eléctricas: positivas y negativas. Los átomos que
conforman la materia contienen partículas subatómicas positivas (protones),
negativas (electrones) y neutras (neutrones). También hay partículas
elementales cargadas que, en condiciones normales, no son estables, por lo que
se manifiestan sólo en determinados procesos como los rayos cósmicos y las
desintegraciones radioactivas.
Elementos de electricidad

47. Magnitudes fundamentales
La electricidad y el magnetismo son dos aspectos diferentes de un
mismo fenómeno físico, denominado electromagnetismo, descrito
matemáticamente por las ecuaciones de Maxwell.
El movimiento de una carga eléctrica produce un campo magnético, la
variación de un campo magnético produce un campo eléctrico y el
movimiento acelerado de cargas eléctricas genera ondas
electromagnéticas.
Elementos de electricidad

48. Magnitudes fundamentales
•Energía. Se define a la energía como la cantidad de trabajo que un
sistema físico es capaz de producir. (J, KWh, tep).
•Potencia. La potencia se define como la transferencia de energía por
unidad de tiempo. (W, HP).
Magnitudes fundamentales de la electricidad

49. Magnitudes fundamentales
•Tensión o voltaje. Indica la diferencia de energía entre dos puntos de
un circuito. (V).
•Intensidad. La intensidad de corriente eléctrica es la cantidad de
electrones que pasan por un punto determinado del circuito en la
unidad de tiempo. (A).
•Resistencia. La resistencia eléctrica es la oposición que presenta un
elemento del circuito al paso de la corriente. (Ω).
Magnitudes fundamentales de la electricidad

50. Magnitudes fundamentales
• Carga eléctrica. Se define como la cantidad de carga que pasa por la
sección de un conductor, en 1 segundo, cuando la corriente eléctrica es
de 1 A. (C).
•Conductividad. La conductividad eléctrica es la propiedad de los
materiales que cuantifica la facilidad con que las cargas pueden
moverse cuando un material es sometido a un campo eléctrico.
(Siemens/m)
•Resistividad. La resistividad es una magnitud inversa a la
conductividad, aludiendo al grado de dificultad que encuentran los
electrones en sus desplazamientos. (Ω/m).
Magnitudes fundamentales de la electricidad

51. Magnitudes fundamentales
•Frecuencia. Frecuencia es una medida que se utiliza generalmente para
indicar el número de repeticiones de cualquier fenómeno o suceso
periódico en la unidad de tiempo. (Hz)
•Corriente eléctrica. Se denomina así al flujo ordenado de electrones
dentro de un conductor que conforma un circuito cerrado, en presencia
de un campo eléctrico.
Magnitudes fundamentales de la electricidad

52. Magnitudes fundamentales
•Corriente alterna. Se denomina
corriente alterna (CA/AC) a la
corriente eléctrica en la que la
magnitud y dirección varían
cíclicamente. La forma de onda de la
corriente alterna más comúnmente
utilizada es la de una onda sinoidal.
•Los sistemas de CA son
monofásicos, trifásicos o polifásicos
Magnitudes fundamentales de la electricidad

53. Magnitudes fundamentales
•Corriente directa o continua. La
corriente continua (CC/DC) es el
flujo continuo de electrones a través
de un conductor entre dos puntos de
distinto potencial. A diferencia de la
CA, en la CC las cargas eléctricas
circulan siempre en la misma
dirección.
Magnitudes fundamentales de la electricidad

54. Magnitudes fundamentales
•Cargas resistivas
Tipos de carga

55. Magnitudes fundamentales
•Cargas inductivas
Tipos de carga

56. Magnitudes fundamentales
•Cargas capacitivas
Tipos de carga

57. Contenidos
•Esquemas y planos eléctricos

58. Esquemas y planos eléctricos
Diagrama esquemático

59. Esquemas y planos eléctricos
Diagrama esquemático

60. Esquemas y planos eléctricos
Diagrama unifilar

61. Esquemas y planos eléctricos
Diagrama de cableado

62. Esquemas y planos eléctricos
Planos eléctricos

63. DISCUSIÓN Y ANÁLISIS