Naturaleza de la electricidad

NATURALEZA DE LA
ELECTRICIDAD
Jorge Luis Jaramillo
Fundamentos de la Electricidad
PIET EET UTPL abril 2015

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.

Contenido
•Naturaleza de la electricidad
•Máquinas eléctricas
•Generación, transmisión y distribución de energía eléctrica
•Discusión y análisis

Contenido
•Naturaleza de la electricidad

Naturaleza de la electricidad
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.
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. 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.
Electricidad

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

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

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

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

•Tensión o voltaje. Indica la diferencia de energía entre dos puntos de un circuito. (V).
•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.
•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).
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).
•Resistencia. La resistencia eléctrica es la oposición que presenta un elemento del circuito al paso
de la corriente. (Ω).
•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)
Magnitudes fundamentales de la electricidad

•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.

•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

La electricidad desde la perspectiva atómica

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.

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
en la estructura atómica.
Banda de conducción
Banda de valencia
Banda prohibida
Energía
Banda de valencia
Banda prohibida
Energía
Eg > 5 eV
Banda de valencia
Banda prohibida
Energía
Eg
Banda de valencia
Energía
Electrones
de valencia
unidos a la
estructura
atómica
Electrones
libres para
establecer la
conducción
Las bandas
se traslapan
1 eV = 1,6 x 10-19 J
Eg = 1,1 eV (Si)
Eg = 0,67 eV (Ge)
Eg = 1,41 eV (GaAs)
Dieléctrico
Conductor

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

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 <
+q ) en A, y, la movemos uniformemente hasta B,
midiendo el trabajo realizado (TAB). Entonces, la
diferencia de potencial eléctrico se define como:
El trabajo TAB puede ser positivo, negativo, o, nulo. En
cada caso, el potencial eléctrico de B es mayor, menor,
o, igual que el potencial de A.
V
VA
VB
+q +q0 r
A B
0


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.

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,
depende del número de electrones que atraviesa la
sección transversal del conductor, en un tiempo
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.
Átomos
Electrones
Corriente eléctrica

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.
G cargaFuente de
alimentación
+
-
Movimiento de los electrones
Sentido de la corriente

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 de un circuito

•Cargas resistivas

•Cargas inductivas

•Cargas capacitivas

Los elementos activos de los circuitos, son fuentes
de voltaje o corriente, capaces de suministrar
energía a la red eléctrica.
Las fuentes de tensión ideales, son aquellas que
proporcionan entre sus terminales una tensión
definida por una determinada ley,
independientemente del circuito al que están
conectadas.
Las fuentes de corriente ideales, son aquellas que
proporcionan entre sus terminales una corriente
definida por una determinada ley,
independientemente del circuito al que están
conectadas.
En los circuitos eléctricos, las fuentes de tensión y
corriente, “aportan o ceden” energía, mientras que
los elementos pasivos la “receptan o absorven”.
+
V
+
-
V
I

Contenido
•Máquinas eléctricas

Máquinas eléctricas
Principio de funcionamiento

• Máquinas eléctricas estáticas
• Máquinas eléctricas rotativas
• Máquinas eléctrica lineales

El primer sistema de distribución de
energía eléctrica fue diseñado por Edison
en 1880. Se diseñó en DC y de bajo voltaje,
lo que originó un alto porcentaje de
pérdidas de energía.
La siguiente generación de sistemas de
distribución (que aún utilizamos) fue
introducida por Tesla, y, se basa en el uso
de AC cuyo voltaje se “eleva” o “reduce” a
un nivel conveniente a través de
transformadores.
Un transformador es un dispositivo que
convierte un sistema de voltaje AC en otro
sistema AC de igual frecuencia.
El transformador tuvo su origen en los
trabajos de Faraday (1831), y, Yablochkov
(1876).
Máquinas eléctricas estáticas

La invención del transformador puede atribuirse a Faraday, quien en 1831 lo utilizó para la
demostración de la inducción electromagnética.
En 1876, el ingeniero ruso Yablochkov, inventó un sistema de iluminación basado en “anillos de
inducción”, registrados como transformador.
En 1882, en Londres, Gaulard y Gibbs, fueron los primeros en exhibir lo que llamaron “generador
secundario”, idea vendida a la empresa Westinghouse. En Turín, en 1884, ellos presentaron esta
idea, acoplada en un sistema de iluminación.
En 1885, William Stanley, ingeniero de la Westinghouse, construyó el primer transformador
comercial luego de la compra de la patentes de Gaulard y Gibbs. La armadura se construyó de
placas de acero intercaladas, en forma de E. Este diseño se empezó a comercializar en 1886.
En 1885, lo ingenieros húnagaros Zipernowsky, Bláthy, y, Déri, crearon el eficiente diseño de
armadura cerrada "ZBD“, basados en los diseños de Gaulard y Gibbs. Esta patente permitió el uso
de los verdaderos primeros transformadores.
En 1889. el ingeniero ruso Dolivo-Dobrovolsky, desarrolló el primer trasnformador trifásico.
En 1891, Nikola Tesla inventó el “anillo de Tesla”, transformador de resonancia para alto voltaje de
alta frecuencia.

.
Un transformador esta constituido por
varios “enrollados” de alambre alrededor
de una armadura magnética común.
Los enrollados no suelen estar conectados
eléctricamente entre sí, pero si tienen un
referencia magnética común.
Los transformadores tienen dos terminales. Uno de
ellos, denominado primario, se conecta a la fuente AC.
En el otro, llamado secundario, se conectan las cargas.
La relación entre el voltaje del primario y el secundario
se conoce como coeficiente de amplificación del
transformador (turn ratio)

Core form Shell form
Laminated steel
cores
Toroidal steel
cores

Sistema
Eléctrico
Maquina
Eléctrica
Sistema
Mecánico
Flujo de energía como MOTORMOTOR
Flujo de energía como GENERADORGENERADOR
Las máquinas eléctricas rotativas son convertidores electromecánicos capaces de
transformar energía desde un sistema eléctrico a un sistema mecánico o viceversa.
Máquinas eléctricas rotativas

http://e-www.motorola.com/collateral/MOTORTUT.html
Máquinas DC

www.windpower.org

Máquinas eléctricas lineales

Contenido
•Generación, transmisión y distribución de energía eléctrica

GTD de energía eléctrica
Steven W. Blume. ELECTRIC POWER SYSTEM BASICS: for the nonelectrical professional. IEEE Press Series on Power Engineering. IEEE, 2007

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