28. aleaciones, aunque existen otros materiales no metálicos que también poseen la
propiedad de conducir la electricidad, como el grafito o las disoluciones y soluciones
salinas (por ejemplo, el agua de mar) o cualquier material enestado de plasma.
Para el transporte de energía eléctrica, así como para cualquier instalación de uso
doméstico o industrial, el mejor conductor es laplata, pero debido a su elevado precio,
los materiales empleados habitualmente son el cobre (en forma de cables de uno o
varios hilos), o el aluminio; metal que si bien tiene una conductividad eléctrica del
orden del 60% de la del cobre, es sin embargo un material tres veces más ligero, por lo
que su empleo está más indicado en líneas aéreas de transmisión de energía eléctrica
en las redes de alta tensión.1 A diferencia de lo que mucha gente cree, el oro es
levemente peor conductor que el cobre, sin embargo, se utiliza en bornes de baterías y
conectores eléctricos debido a su durabilidad y “resistencia” a la corrosión.
USOS
Aplicaciones de los conductores:
Conducir la electricidad de un punto a otro (pasar electrones a través del
conductor; los electrones fluyen debido a la diferencia de potencial).
Establecer una diferencia de potencial entre un punto A y B.
Crear campos electromagnéticos (como en las bobinas y electroimanes).
Modificar el voltaje (con el uso de transformadores).
Crear resistencias (con el uso de conductores no muy conductivos).
De alta conductividad:
Plata: este es el material con menor resistencia al paso de la electricidad pero al ser
muy costoso, su uso es limitado. La plata se halla en la naturaleza en forma de
cloruros, sulfuros o plata nativa. Este material se caracteriza por ser muy dúctil,
maleable y no muy duro y fácil de soldar. Es utilizado en fusibles para cortocircuitos
eléctricos porque es muy preciso en la fusión, es inoxidable y posee una conductividad
sumamente alta. También se lo usa en contactos de relevadores o interruptores para
bajas intensidades por su elevada conductividad térmica y eléctrica.
De alta resistividad:
Aleaciones de cobre y níquel: estas presentan una resistencia al paso de corriente
29. eléctrica relativamente baja y una fuerza electromotriz elevada en relación al cobre. El
níquel representa el 40% y el cobre el 60% restante y es una aleación que no resulta
útil para instrumentos de medida de precisión, a pesar de que su coeficiente de
temperatura es bajo. Sin embargo, este se puede incrementar añadiéndole zinc.
Aleación de cromo y níquel: estas se caracterizan por presentar coeficientes bajos de
temperatura, un coeficiente de resistividad mayor y una fuerza electromotriz pequeñas con
respecto al cobre.
MOTORES MONOFASICO
Principio de funcionamiento
Los motores de corriente alterna y los de corriente continua se basan en el mismo
principio de funcionamiento, el cual establece que si un conductor por el que circula
una corriente eléctrica se encuentra dentro de la acción de un campo magnético, éste
tiende a desplazarse perpendicularmente a las líneas de acción del campo magnético.
El conductor tiende a funcionar como un electroimán debido a la corriente
eléctrica que circula por el mismo adquiriendo de esta manera propiedades
magnéticas, que provocan, debido a la interacción con los polos ubicados en el estátor,
el movimiento circular que se observa en el rotor del motor. Aprovechando el estator y
rotor ambos de acero laminado al silicio se produce un campo magnético uniforme en
el motor.
Partiendo del hecho de que cuando pasa corriente por un conductor produce
un campo magnético, además si lo ponemos dentro de la acción de un campo
magnético potente, el producto de la interacción de ambos campos magnéticos hace
que el conductor tienda a desplazarse produciendo así la energía mecánica.
Dicha energía es comunicada al exterior mediante un dispositivo llamado flecha.
30. Ventajas
En diversas circunstancias presenta muchas ventajas respecto a los motores de
combustión:
A igual potencia, su tamaño y peso son más reducidos.
Se pueden construir de cualquier tamaño.
Tiene un par de giro elevado y, según el tipo de motor, prácticamente
constante.
Su rendimiento es muy elevado (típicamente en torno al 75%, aumentando el
mismo a medida que se incrementa la potencia de la máquina).
Este tipo de motores no emite contaminantes, aunque en la generación de
energía eléctrica de la mayoría de las redes de
Qué es una bobina? La bobina es un elemento muy interesante. A diferencia del
condensador, la bobina por su forma (espiras de alambre arrollados) almacena energía
en forma de campo magnético. Todo cable por el que circula una corriente tiene a su
alrededor un campo magnético generado por la mencionada corriente, siendo el
sentido de flujo del campo magnético el que establece la ley de la mano derecha. Al
estar la bobina hecha de espiras de cable, el campo magnético circula por el centro de
la bobina y cierra su camino por su parte exterior.
Una característica interesante de las bobinas es que se oponen a los cambios bruscos
de la corriente que circula por ellas. Esto significa que a la hora de modificar la
corriente que circula por ellas (ejemplo: ser conectada y desconectada a una fuente de
poder), esta tratará de mantener su condición anterior.
Las bobinas se miden en Henrios (H.), pudiendo encontrarse bobinas que se miden en
MiliHenrios (mH). El valor que tiene una bobina depende de:
El número de espiras que tenga la bobina (a más vueltas mayor inductancia, o sea
mayor valor en Henrios).
El diámetro de las espiras (a mayor diámetro, mayor inductancia, o sea mayor valor en
Henrios).
La longitud del cable de que está hecha la bobina.
El tipo de material de que esta hecho el núcleo si es que lo tiene.
¿Qué aplicaciones tiene una bobina?
Una de la aplicaciones más comunes de las bobinas y que forma parte de nuestra vida
diaria es la bobina que se encuentra en nuestros autos y forma parte del sistema de
ignición.
31. En los sistemas de iluminación con tubos fluorescentes existe un elemento adicional
que acompaña al tubo y que comúnmente se llama balastro
En las fuentes de alimentación también se usan bobinas para filtrar componentes de
corriente alterna y solo obtener corriente continua en la salida
La operación de las bobinas se basa en un principio de la teoría electromagnética,
según el cual, cuando circula una corriente a través de un alambre, este produce a su
alrededor un campo magnético.
Las líneas de fuerza que representan el campo magnético son perpendiculares a la
dirección del flujo de la corriente. Si doblamos en algún punto el alambre para formar
un bucle o espira, el campo magnético en esa parte del alambre se concentra dentro
de la espira puesto que todas las líneas de fuerza apuntan en la misma dirección y
convergen hacia el centro.
Por lo tanto, si continuamos agregando espiras, formando una bobina propiamente
dicha, los campos magnéticos creados por cada una se reforzaran mutuamente,
configurando así un campo de mayor intensidad en el interior del sistema, El conjunto
se comporta entonces como un electroimán.
Condensadores eléctricos.
Un condensador eléctrico es un dispositivo de dos terminales que consiste en dos
cuerpos conductores separados por un material no conductor. Tal material no
conductor se conoce como aislante o dieléctrico. A causa del dieléctrico, las cargas no
pueden moverse de un cuerpo conductor al otro dentro del dispositivo. Por tanto,
éstas pueden transportarse entre los cuerpos conductores vía sistema de circuitos
externos conectados a las terminales del capacitor. Un tipo muy sencillo llamado
capacitor de placas paralelas se muestra en la siguiente figura. Los cuerpos
conductores son cuerpos planos y rectangulares que están separados por un material
dieléctrico.
Se define la capacidad de un condensador como la cantidad de electricidad, expresada
en culombios, que es necesario transportar de una lamina a otra para crear una
diferencia de potencial de un voltio entre ambas láminas. La cantidad de electricidad
transportada se denomina carga. Aunque pareciera natural expresar la cantidad en
culombios por voltio, se expresa en realidad en faradios o microfaradios, siendo un
faradio la capacidad de un condensador en el cual una carga de un culombio produce
una diferencia de potencial de un voltio entre las dos láminas.
Un microfaradio = a una millonésima de faradio.
Un picofaradio = 10-12 faradios.
Si después de cargar el condensador, se desconecta el generador, abriendo los
32. interruptores, la carga volverá gradualmente a la lámina inferior a través del
aislamiento, puesto que no existe ningún aislamiento perfecto; pero si el tiempo es
seco, transcurrirán varios días antes que la carga desaparezca completamente. El
condensador puede descargarse en pocas millonésimas de segundo conectando los
extremos de un trozo corto de hilo a ambas láminas.
La capacidad es inversamente proporcional a la distancia que los separa. La explicación
a esto está en el hecho en el que los protones en exceso que hay sobre la barra inferior
ejercen una fuerza de atracción sobre los electrones que abandonan esta lámina
oponiéndose así a los flujos de los mismos, mientras que los electrones en exceso en la
lamina superior repelen a los de la inferior favoreciendo así el flujo. Puesto que los
electrones en exceso en la lamina superior están a alguna distancia del lugar donde se
producen las separaciones, mientras que los protones en exceso están justamente en
dicho sitio, las fuerzas repulsivas que favorecen el flujo de electrones son menores que
las fuerzas atractivas que se oponen a él, y el generador tiene que realizar un trabajo
parar separar los electrones de la lamina inferior.
La capacidad de un condensador varia también considerablemente con la naturaleza
de la sustancia aislante comprendida entre las laminas, denominada generalmente
dieléctrico, y la razón de la capacidad de un condensador dado con un dieléctrico
determinado entre sus láminas, a la capacidad del mismo condensador cuando entre
las láminas hay aire o existe el vacío, se denomina constante dieléctrica.
SUSTANCIA Constante Dieléctrica
Aceite 2,2 - 4,7
Agua 81
Aire 1
Ebonita 2,0 - 3,5
Goma Laca 2,9 - 3,7
Mica 2,5 - 6,6
Papel Parafinado 2,0 - 2,6
Vidrio 5,4 - 9,9
La razón de por qué la capacidad cambia por el dieléctrico es que los propios
dieléctricos contienen un gran número de protones y electrones que, aunque no
puedan fluir, son capaces sin embargo, de moverse apreciablemente. Esto és, están
sujetos de modo elástico y no rígido. La deformación de la estructura del dieléctrico,
producida al cargar el condensador, tiene un efecto fundamental sobre las fuerzas de
atracción y repulsión que ayudan o se oponen al paso de la carga, y por tanto, un
efecto fundamental sobre la capacidad.
Para describir la relación carga - voltaje del dispositivo, transfiramos carga de una placa
33. a la otra. Supongamos, por ejemplo, que por medio de un circuito externo, tomamos
una carga pequeña que según la primera figura denominados q,de la placa inferior a la
placa superior. Esto, por supuesto, deposita una carga +q en la placa superior y deja
una carga -q en la inferior. Ya que mover estas cargas requiere la separación de cargas
de diferente signo (recuérdense que cargas opuestas se atraen), se desarrolla una
pequeña cantidad de trabajo, y la placa superior se eleva a un potencial que
designaremos v con respecto a la placa inferior.
Cada elemento de carga q que transfiramos incrementa la diferencia de potencial
entre las placas en una cantidad v . Por tanto, la diferencia de potencial entre las
placas es proporcional a la carga transferida. Esto sugiere que un cambio en el voltaje
entre terminales en una cantidad v origina un cambio correspondiente en la carga de
la placa superior en una cantidad q. Así, la carga es proporcional a la diferencia de
potencial. Esto significa que si un voltaje entre terminalesv corresponde a una
carga q en el capacitor ha sido cargado al voltaje v el cual es proporcional a la carga.
Por lo tanto:
C viene siendo la constante de proporcionalidad, conocida como la capacitancia del
dispositivo en faradios. Los condensadores que satisfacen dicha anterior formula se
denominan con
Tipos de Condensadores.
Los tipos comunes de Condensadores incluyen a los de cerámica (titanato de bario),
Mylar, Teflón y poliestireno. Estos tipos están disponibles en escalas de valores de la
capacitancia típicos desde 100 pF hasta 1 F con tolerancias de 3, 10% y 20%. Los
productos resistencia - capacitancia de estos tipos están en la escala de 103 -F
(cerámica) a 2 x 4 106 -F (Teflón)
Otro tipo de capacitor, que ofrece valores mayores de C, es el capacitor electrolítico.
Este capacitor está fabricado con placas polarizadas de óxido de aluminio u óxido de
tantalio y tiene valores de 1 a 100.000 F. Los productos resistencia - capacitancia, sin
embargo, están en la escala de 10 a 103 -F, lo cual indica que los electrolíticos son
más disparadoresque los tipos no electrolíticos.
Además, puesto que los condensadores electrolíticos están polarizados, deben
conectarse al circuito con la polaridad de voltaje apropiada. Si se usa la polaridad
incorrecta, se reducirá el óxido y puede ocurrir una conducción abundante entre las
placas.
Los condensadores electrolíticos son los que tienen mayor capacidad nominal, por su
mayor relación capacidad/volumen. Ello los hace atractivos a simple vista para las
aplicaciones de filtrado tipo de paso bajo. No obstante, su ESR es elevada, del orden de
0,1 W e incluso 1 W en los de aluminio, valor que aumenta con la frecuencia y al
disminuir la temperatura. Su corriente de fugas aumenta si permanecen largo tiempo
34. sin tensión aplicada. Debido a su gran tamaño, la inductancia de los condensadores de
aluminio es elevada, lo que limita su utilización a frecuencias inferiores a 25 KHz. Se
emplean principalmente en filtrado, desacoplamiento y acoplamiento a baja
frecuencia. Ante la posible presencia de altas frecuencias, deben desacoplarse con un
condensador de tipo distinto dispuesto en paralelo, que tenga pequeño valor y baja
inductancia.
Condensadores en Serie.
La capacitancia equivalente de las conexiones en serie y paralelo son una analogía
directa de la conductancia equivalente. Consideremos primero la conexión en serie de
N capacitores como se muestra a continuación
Si aplicamos LVK, encontramos que:
Por lo tanto:
Y si tenemos en serie C1 + C2, CS se saca como si estuvieran en paralelo. Por lo tanto,
la capacitancia equivalente es el producto sobre la suma de dos capacitancias
individuales.
La Botella de Leyden
Es uno de los condensadores más simples, descubierto alrededor de 1745, de forma
independiente, por el físico holandés Pieter van Musschenbroek de la Universidad de
Leyden y el físico alemán Ewald Georg von Kleist. La botella de Leyden original era una
botella de cristal llena de agua y cerrada, con un alambre o una aguja que traspasaba
el tapón y estaba en contacto con el agua. La botella se cargaba sujetándola con una
mano y poniendo la parte saliente del alambre en contacto con un dispositivo
eléctrico. Cuando se interrumpía el contacto entre el alambre y la fuente eléctrica y se
tocaba el alambre con la mano, se producía una descarga que se presentaba como una
sacudida violenta. La botella de Leyden actual está recubierta por una capa de estaño
tanto por la parte interior como por la exterior. El contacto eléctrico se realiza con una
barra de latón que atraviesa el tapón de la botella y que está en contacto con la capa
interior de metal mediante una cadena. Se produce una descarga completa cuando se
conectan las dos capas por medio de un conductor. La botella de Leyden se utiliza
todavía para demostraciones y experimentos en los laboratorios.
• Inductancia: La inductancia de un circuito es la relación entre la fuerza
electromotriz inducida en él por una corriente variable, y la velocidad de variación
de dicha corriente. Los componentes diseñados de modo que presenten adrede
un valor de inductancia elevado se denominan bobinas eléctricas, inductancias o
inductores. Consisten básicamente en un conductor arrollado de forma que se
incremente el concatenamiento del flujo magnético creado por la corriente
35. variable que circule por las espiras. La inductancia de una bobina depende de sus
dimensiones, del número de vueltas del hilo (espiras) y de la permeabilidad del
núcleo, m . De todos los componentes pasivos, es el que más cambia con la
frecuencia.
Los inductores se clasifican según el tipo de núcleo sobre el que están devanados. Los
dos tipos más generales son los de núcleo de aire y los de núcleo magnético (hierro o
ferrita). En cualquier caso, un inductor real presenta, además de la inductancia, una
resistencia en serie y una capacidad distribuida en el bobinado. Esta capacidad se
representa por un condensador en paralelo en un modelo de parámetros
concentrados.
Bobinas Eléctricas.
Justo como las cargas estáticas ejercen fuerzas las unas sobre las otras, se encuentra
que las cargas en movimiento o corrientes también influyen una a otra. La fuerza que
se experimenta entre dos alambres conductores de corriente vecinos la determinó
experimentalmente Ampere en los árboles del siglo diecinueve. Estas fuerzas pueden
caracterizarse por la existencia de un campo magnético. Este a su vez puede explicarse
en términos de flujo magnético que forma trayectorias cerradas alrededor de
corrientes eléctricas. El origen del flujo, por supuesto es la corriente eléctrica.
Un inductor o bobina eléctrica es un dispositivo de dos terminales que consiste en un
alambre conductor embobinado. Una corriente que fluya a través del dispositivo
produce un flujo magnético Ø el cual forma trayectorias cerradas encerrando las
bobinas construidas en el inductor:
Supónganse que la bobina contiene N vueltas y que el flujo Ø pasa a través de cada
vuelta. En este caso, el flujo total concatenado por las N vueltas de la bobina es:
Este flujo total se conoce por lo común como flujo concatenado. La unidad de flujo
magnético es weber (Wb) así llamado por el físico alemán Wilhelm Weber (1804-1891).
En un inductor lineal, el acoplamiento por flujo es directamente proporcional a la
corriente que fluye a través del dispositivo. Por tanto podemos afirmar que:
Donde L, la constante de proporcionalidad, es la inductancia en webers por amperes.
La unidad de 1 Wb/A se conoce como henry (H). Denominada así por el físico
norteamericano Joseph Henry (1797 - 1878).
En la anterior formula vemos que un incremento en i produce un incremento
correspondiente . Este incremento en produce un voltaje en la N-ésima vuelta de la
bobina. El hecho de que los voltajes ocurren al cambiar el flujo magnético fue
descubierto en primer lugar por Henry.
Sin embargo, Henry repitió el error de Cavendish con el resistor, al omitir la
publicación de sus descubrimientos. Como resultado de lo anterior, se otorga a
Faraday el crédito por el descubrimiento de la Ley de inducción electromagnética. Esta
Ley establece que el voltaje es igual a la razón del cambio del tiempo del flujo
36. magnético total. En forma matemática, la ley es:
Y si la unimos con la penúltima formula, tenemos que:
Es evidente que si i se incrementa, se establece un voltaje entre los terminales del
inductor. Este voltaje se opone a un incremento de i pero si este no fuera el caso, esto
es, si la polaridad se invirtiera, el voltaje inducido podría “ayudar” a la corriente. Esto
no puede ser verdadero físicamente porque la corriente se incrementaría
indefinidamente.
El símbolo de circuitos y la convención corriente - voltaje del inductor se muestran el la
figura al principio de las “Bobinas Eléctricas”. Justo como en los casos del resistor y el
capacitor, si la dirección de corriente o asignación de voltajes, pero no ambas, se
invierten; entonces debe emplearse un signo negativo en el miembro derecho.
Almacenamiento de energía en inductores
Una corriente i al fluir a través de un inductor, origina que se produzca un flujo
concatenado total que pasa a través de las vueltas de la bobina, constituyendo así el
dispositivo. Justo como se realiza el trabajo de mover cargas entre las placas de un
capacitor, es necesario un trabajo semejante para establecer el flujo ø en el inductor.
Se dice que el trabajo o energía que se requiere en este caso se almacena en el campo
magnético.
El inductor ideal, como el capacitor ideal no disipa potencia alguna. Por tanto la
energía almacenada en el inductor se puede recuperar. Supóngase que el inductor, por
medio de un circuito externo, se conecta en paralelo con un resistor. En este caso la
corriente a través de la combinación inductor-resistor hasta que la energía
previamente almacenada en el inductor es absorbida por el resistor y la corriente es
cero.
Bobinas en Serie y en Paralelo.
La conexión en serie de N bobinas, como veremos en la siguiente figura, aplicando la
LVK, vemos que:
Por lo cual podemos escribir que:
En el Circuito, podemos sacar el voltaje así:
Por tanto, la inductancia equivalente de N inductores en serie es simplemente la suma
de las inductancias individuales. Además es evidente que una corriente inicial es igual a
la que fluye por la conexión en serie. Por lo tanto, la Ley de Ohm rige este circuito.
En el circuito paralelo tenemos:
Donde i (t0) es la corriente en LP en t = t0 . Si este circuito es una red equivalente de la
conexión en paralelo, entonces las ecuaciones anteriores requieren que la inductancia
37. en paralelo equivalente este dada por:
Capacitores e inductores prácticos.
Los capacitores disponibles en el mercado se fabrican en una alta variedad de tipos,
valores y escalas de voltaje. El tipo del capacitor se clasifica en general según la clase
del dieléctrico utilizada, y su capacitancia se determina según el tipo de dieléctrico y la
geometría física del dispositivo. La escala de voltaje o voltaje de trabajo es el voltaje
máximo que puede aplicarse con seguridad al capacitor. Los voltajes que exceden este
valor pueden dañar en forma permanente al dispositivo o hacer que falle el dieléctrico.
Los capacitores sencillos a menudo se fabrican empleando dos hojas de lámina de
metal las cuales están separadas por un material dieléctrico. Las laminas y el
dieléctrico son comprimidos en conjunto en forma laminar y a continuación se enrollan
o pliegan en un paquete compacto. Los conductores eléctricos unidos a cada hoja de
placa de metal constituyen las terminales del capacitor.
Los capacitores prácticos, a diferencia de los ideales, disipan en general una pequeña
cantidad de potencia. Esto se debe principalmente a las corrientes de dispersión que
ocurre dentro del material dieléctrico del dispositivo. Los dieléctricos prácticos tienen
una conductancia diferente de cero, lo cual permite que una corriente óhmica fluya
entre las capas del condensador. Esta corriente se incluye fá
Tipos de Condensadores.
Conclusión
Los condensadores no son más que dispositivos que permiten la carga y descarga de
energía y por lo tanto el almacenamiento de las mismas en el tiempo que sea
necesario. Por tanto, son dispositivos que evitan el disparo repentino del flujo de
energía almacenando una cantidad de la misma dentro de ellos.
La capacidad de los condensadores dependen no solo de los materiales “dieléctricos”
que usan los diferentes fabricantes, sino también de la distancia que tienen las placas
de separación. El flujo de protones y electrones dentro del capacitor dependen de la
distancia que los separa, pues dicha distancia facilita o impide el mas rápido traspaso
de contaminante a las placas.
Los inductores o bobinas eléctricas constan de una serie de alambres enredados de
manera uniforme alrededor de un núcleo que en la mayoría de veces es de hierro para
que el flujo de energía eléctrica que pase por el alambre, de ciertas vueltas que
originen un campo magnético dentro y alrededor del núcleo.
38. Si hablamos en incorporar condensadores en circuitos básicos, obtenemos que los
condensadores conectados en serie se comportan como resistores en paralelo; y
cuando se conectan en paralelo se comportan como resistores en serie. Por lo tanto, la
capacidad de los capacitores es inversamente proporcional a la tensión aplicada.
La inductancia de un circuito es, como su resistencia eléctrica, una constante del
mismo. Se dice que un circuito tiene una inductancia de un henrio cuando una
variación de 1ª por segundo en una corriente que circula por el circuito induce en el
mismo un fem de 1V
Tal como R es la resistencia expresada en ohmios en los circuitos de Corriente
Continúa, Z es la impedancia en los circuitos de Corriente Alterna, y también se mide
en ohmios.
+
q
v
-
Dieléctrico