1 parámetros fundamentales de la electricidad y su medición

5/28/2018 1 Parmetros Fundamentales de la Electricidad y su Medicin

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TECSUP - PFR Electricidad

ndice

Unidad I: PARMETROS FUNDAMENTALES DE LA ELECTRICIDAD Y SUMEDICIN

1. La materia .................................................................................................... 11.1 El tomo ............................................................................................... 2

2. Carga elctrica .............................................................................................. 33. Generacin de tensin ................................................................................... 54. Resumen ...................................................................................................... 65. Prueba de autocomprobacin ......................................................................... 76. Respuestas a las preguntas de autocomprobacin ............................................ 7

Unidad II: CIRCUITOS ELCTRICOS

1. Tensin elctrica ........................................................................................... 91.1 Unidades ............................................................................................. 111.2 Instrumento para medir la tensin elctrica ........................................... 111.3 Medicin de la tensin .......................................................................... 121.4 Formas de obtener tensin ................................................................... 131.5 Tipos de tensin .................................................................................. 131.6 Concepto de potencial .......................................................................... 15

2. Resistencia Elctrica .................................................................................... 162.1 Unidades de la resistencia elctrica ....................................................... 162.2 Resistividad ......................................................................................... 172.3 Unidades de la resistividad .................................................................. 172.4 Conductividad ...................................................................................... 172.5 Unidades de la conductividad ................................................................ 172.6 Resistencia de conductores ................................................................... 182.7 Instrumento para medir la resistencia elctrica ....................................... 192.8 Medicin de resistencia ........................................................................ 202.9 Prueba de continuidad .......................................................................... 212.10 Conductancia ....................................................................................... 222.11 Unidad de la conductancia ................................................................... 232.12 Variacin de la resistencia con la temperatura ....................................... 23

2.13 Clasificacin de las resistencias ............................................................. 252.14 Cdigos de identificacin ...................................................................... 26

3. Corriente elctrica ....................................................................................... 283.1 Unidades de la corriente ....................................................................... 293.2 Circuito elctrico .................................................................................. 303.3 Instrumento para medir corriente elctrica ............................................. 303.4 Medicin de la corriente ....................................................................... 313.5 Sentido de la corriente ......................................................................... 323.6 Tipos de corriente ................................................................................ 343.7 Efectos de la corriente elctrica ............................................................. 34

4. Resumen .................................................................................................... 36

5. Prueba de autocomprobacin: ..................................................................... 376. Respuestas a las preguntas de autocomprobacin: ......................................... 37


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Electricidad TECSUP - PFR

Unidad III: LEYES FUNDAMENTALES DE ELECTRICIDAD

1. Ley de Ohm................................................................................................. 391.1 Grficos ............................................................................................... 411.2 Ejercicios ............................................................................................. 43

2. Segunda Ley de Kirchhoff ............................................................................. 462.1 Corriente en la conexin serie ............................................................... 462.2 Tensiones en la conexin en serie .......................................................... 472.3 Resistencia equivalente ......................................................................... 482.4 Ejercicios ............................................................................................. 492.5 Divisor de tensin ................................................................................. 51

3. Primera Ley de Kirchhoff .............................................................................. 523.1 Tensin en la conexin en paralelo ........................................................ 53

3.2 Corrientes en la conexin paralelo ......................................................... 533.3 Resistencia equivalente ......................................................................... 543.4 Ejercicios ............................................................................................. 563.5 Divisor de corriente .............................................................................. 60

4. Conexiones mixtas ....................................................................................... 605. Resumen ..................................................................................................... 636. Prueba de autocomprobacin ........................................................................ 637. Respuestas a la prueba de autocomprobacin ................................................ 63

Unidad IV: ENERGA, POTENCIA Y EFICIENCIA

1. La Energa ................................................................................................... 651.1 Unidades ............................................................................................. 651.2 Energa potencial.................................................................................. 671.3 Energa cintica .................................................................................... 671.4 Energa elctrica................................................................................... 681.5 Instrumento para medir la energa elctrica ............................................ 68

2. Potencia ...................................................................................................... 692.1 Frmulas ............................................................................................. 712.2 Unidades ............................................................................................. 712.3 Instrumento para medir potencia elctrica .............................................. 73

3. Diagramas de Carga ..................................................................................... 764. Eficiencia ..................................................................................................... 77

4.1 La eficiencia en funcin de la energa, el trabajo y la potencia .................. 784.2 Ordenes de Magnitud ........................................................................... 804.3 Produccin de la energa elctrica .......................................................... 80

5. Resumen ..................................................................................................... 816. Prueba de autocomprobacin ........................................................................ 827. Respuestas a la prueba de autocomprobacin ................................................ 82


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Unidad V: CAMPO ELCTRICO Y CAMPO MAGNTICO

1. Campo Elctrico .......................................................................................... 83

1.1 Flujo Elctrico ...................................................................................... 851.2 Ley de Gauss ....................................................................................... 851.3 Densidad de Carga ............................................................................... 871.4 Potencia Elctrica ................................................................................. 871.5 Potencial y Campo ............................................................................... 881.6 Capacidad y Carga ............................................................................... 881.7 Energa Almacenada en un capacitor ..................................................... 901.8 Capacitores en serie ............................................................................. 901.9 Capacitores en paralelo ........................................................................ 911.10 Dielctricos ......................................................................................... 93

2. Campo Magntico ........................................................................................ 94

2.1 Conceptos y Magnitudes Magnticas ...................................................... 942.2 Imanes ............................................................................................... 942.3 Polos de un Imn ................................................................................. 942.4 Brjula ................................................................................................ 952.5 Clases de Imanes ................................................................................ 952.6 Teora Molecular de los Imanes ............................................................ 962.7 Campo Magntico de un Imn .............................................................. 972.8 Campo Magntico y Carga Elctrica ....................................................... 982.9 Fuerza Magntica sobre una carga en movimiento .................................. 98

3. Resumen .................................................................................................... 994. Prueba de Autocomprobacin ..................................................................... 1005. Respuestas a la Prueba de Autocomprobacin ............................................. 100

Unidad VI: ELECTROMAGNETISMO

1. Electromagnetismo .................................................................................... 1011.1 Campo magntico de un conductor recto ............................................. 1021.2 Campo magntico en una espira ......................................................... 1041.3 Campo magntico de una bobina ........................................................ 1041.4 Magnitudes magnticas ...................................................................... 1061.5 Flujo magntico () ........................................................................... 1061.6 Induccin magntica o densidad de flujo magntico (B) ........................ 1061.7 Fuerza magnetomotriz (Fmm) ............................................................. 1071.8 Intensidad de campo nagntico (H) ..................................................... 1071.9 Reluctancia (R) .................................................................................. 1081.10 Curva de magnetizacin ..................................................................... 1091.11 Permeabilidad magntica .................................................................... 110

2. Aplicaciones .............................................................................................. 1112.1 Desimantacin ................................................................................... 1122.2 Principio del motor ............................................................................. 1122.3 Principio del generador ....................................................................... 1142.4 Principio del transformador ................................................................. 116

3. Resumen .................................................................................................. 1184. Prueba de autocomprobacin ..................................................................... 119

5. Respuestas a la prueba de autocomprobacin .............................................. 119


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Unidad VII: CORRIENTE ALTERNA

1. Generacin de tensin alterna ..................................................................... 121

2. Onda Alterna senoidal ................................................................................ 1222.1 Representacin grfica de una onda senoidal ....................................... 1242.2 Representacin vectorial ..................................................................... 1252.3 Grfica y diagrama vectorial ................................................................ 1252.4 Componentes de una seal alterna ...................................................... 1262.5 Fase .................................................................................................. 1312.6 Desfase ............................................................................................. 1322.7 ngulo de fase ................................................................................... 1332.8 Representacin vectorial y senoidal de dos ondas desfasadas ................ 134

3. Ley de Ohm en corriente alterna ................................................................. 1353.1 Resistencia en un circuito de corriente alterna ...................................... 135

3.2 Inductancia de la bobina en corriente Alterna (L) .................................. 1363.3 Reactancia Inductiva .......................................................................... 1373.4 Capacitancia en corriente alterna (L) ................................................. 1393.5 Reactancia capacitiva ....................................................................... 140

4. Circuito serie en corriente alterna ................................................................ 1415. Circuito paralelo en corriente alterna ........................................................... 143

5.1 Circuito RL paralelo ............................................................................ 1435.2 Circuito RC paralelo ............................................................................ 1445.3 Circuito RLC paralelo .......................................................................... 145

6. Resumen ................................................................................................... 1467. Prueba de autocomprobacin ...................................................................... 1478. Respuestas a la prueba de autocomprobacin .............................................. 147

Unidad VIII: POTENCIA EN CORRIENTE ALTERNA

1. Potencia en corriente alterna ...................................................................... 1492. Potencia activa, reactiva y aparente............................................................. 150

2.1 Potencia aparente .............................................................................. 1502.2 Potencia activa ................................................................................... 1512.3 Potencia reactiva ................................................................................ 151

3. Tringulo de potencias ............................................................................... 1534. Factor de potencia ..................................................................................... 1545. Parmetro F.D.P (Cos)............................................................................. 1566. Resumen ................................................................................................... 1587. Prueba de autocomprobacin ...................................................................... 1598. Respuestas a las preguntas de autocomprobacin ........................................ 159

Unidad IX: CIRCUITOS TRIFSICOS

1. Generacin de tensin trifsica ................................................................... 1612. Conexin en estrella ................................................................................... 1633. Conexin en tringulo ................................................................................ 1654. Potencia trifsica (con carga simtrica) ........................................................ 168

4.1 Comparacin de la potencia entre las conexin estrella y tringulo ......... 169

4.2 Motores de induccin .......................................................................... 1704.3 Partes de un motor AC ........................................................................ 171


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4.4 Clasificacin de los motores de induccin ............................................. 1724.5 Datos de placa de un motor AC ........................................................... 1724.6 Potencia de un motor trifsico ............................................................. 174

5. Resumen .................................................................................................. 1766. Prueba de autocomprobacin ..................................................................... 1767. Respuestas a la prueba de autocomprobacin .............................................. 177

Unidad X: PROTECCIN ELCTRICA

1. Introduccin ............................................................................................. 1792. Fusibles .................................................................................................... 1793. Interruptor termomagntico ....................................................................... 183

3.1 Funciones principales ...................................................................... 184

3.2 Recomendaciones de normas y reglamentos electrotcnicos ............... 1853.3 Ventajas de los interruptores termomagnticos ................................. 1863.4 Tipos de interruptores termomagnticos ........................................... 1863.5 Clasificacin segn la aplicacin. ...................................................... 1863.6 Clasificacin segn el tipo de los disparadores para la proteccin ........ 1873.7 Clasificacin segn el nmero de polos ............................................. 1873.8 Caractersticas de funcionamiento tiempo-corriente ........................... 188

4. Interruptor diferencial ................................................................................ 1894.1 Ubicacin de Interruptores en tableros para viviendas ........................ 191

5. Resumen .................................................................................................. 1946. Prueba de autocomprobacin ..................................................................... 195

7. Respuestas a las preguntas de autocomprobacin ........................................ 195


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UNIDAD I

PARMETROS FUNDAMENTALES DE LAELECTRICIDAD Y SU MEDICIN

1. LA MATERIA

Figura 1. La naturaleza

La materia es todo aquello que constituye el mundo fsico que nos rodea y queposee una serie de cualidades capaces de impresionar nuestros sentidos onuestros aparatos de medida.

Para comprender mejor a la materia, la podemos clasificar de manera sencilla, enelementos y compuestos.

Los elementos estn formados por uno o ms tomos iguales que mantienen suspropiedades qumicas.

Actualmente se conocen 92 elementos en la naturaleza y un poco ms de quinceelementos creados en laboratorios de investigacin. Ejemplos de elementos:oxgeno, cobre, hierro, sodio, mercurio, cloro, carbono, uranio, etc.

Los compuestos son combinaciones de dos o ms tomos diferentes; estacombinacin de dos o ms tomos produce una sustancia con propiedadesqumicas muy diferentes a cada uno de los tomos que la forman.

Actualmente existe una cantidad casi infinita de compuestos y cada da seinventan ms.

Ejemplos de compuestos: aire, agua, acero, bronce, cido sulfrico, azcar,plstico, etc.


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Figura 2. La materia

1.1 EL TOMO

Figura 3. El tomo

El tomo es la partcula ms pequea de un elemento que an mantiene laspropiedades qumicas de ste.

A la combinacin de dos o ms tomos iguales o diferentes se le denomina:molcula. Por ejemplo: el agua est formada por un tomo de oxgeno ydos de hidrgeno (H2O).

Los tomos son tan pequeos que no pueden observarse an con losinstrumentos pticos ms poderosos, por esta razn, durante la historia dela humanidad se han desarrollado muchos modelos tericos sobre suestructura; actualmente el modelo que aceptamos es el que aprendimos enlas aulas del colegio, el llamado modelo de Bohr:

Figura 4. Partes del tomoSegn Bohr, el tomo est formado por un ncleo y una corteza.

Ncleo: protones y neutrones

Corteza(rbitas): electrones

Materia

Elementos Compuestos

molculasde cobre

tomos dehidrgeno molculas de agua


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En el ncleo se encuentran los protones y neutrones. En la corteza seencuentran los electrones, recorriendo trayectorias circulares o elpticas(rbitas).

Los electrones se mueven alrededor del ncleo a gran velocidad, dando lasensacin de formar una corteza. Por eso, si se pudiera "ver" un tomo desdeafuera, parecera casi una esfera.

Figura 5. Forma del tomo

La diferencia entre uno y otro elemento radica, bsicamente, en la cantidad deprotones y electrones que tenga el tomo en el ncleo y en las rbitas,respectivamente.

Hidrgeno Carbono Cobre

1 protn 6 protones 29 protones

1 electrn 6 electrones 29 electrones

6 neutrones 34 neutrones

Figura 6. Composicin de algunos los tomos

2. CARGA ELCTRICA

Figura 7. Descargas elctricas

La carga elctrica es una propiedad de la materia con la que pueden explicarsetodos los fenmenos elctricos.

Observe la siguiente figura del tomo de hidrgeno (un protn en el ncleo yun electrn en su rbita externa):

Forma casi esfrica del tomo


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Fuerza centrfuga

Fuerza de atraccin

Figura 8. Fuerzas sobre un electrn

El electrn que gira alrededor del ncleo (protn) tiende a salir fuera de surbita (fuerza centrfuga), sin embargo, mantiene su trayectoria circular. Estosignifica que existe una fuerza de sentido contrario al de la fuerza centrfugaoriginado por la presencia del protn y electrn.

Aqu es cuando se considera que el protn transporta una carga elctricapositiva, el electrn transporta una carga elctrica negativa y el neutrn notransporta carga elctrica, es neutro.

Tomando en cuenta que el protn transporta una carga elctrica positiva y elelectrn una carga elctrica negativa, deducimos:

Figura 9. Fuerzas entre partculas atmicas

En general, cuerpos con cargas del mismo signo, se repelen y cuerpo concargas de signo contrario, se atraen.

Pero, Cmo se pueden cargar los cuerpos?

Si Ud. observa la figura de la pgina anterior, notar que el nmero deprotones de un tomo es igual al nmero de electrones, por lo tanto, la carganeta del tomo es: cero. Si tuviramos un cuerpo formado por muchos tomos,

+ + (Repulsin)

Protn Protn

- - (Repulsin)

Electrn Electrn

+ - (Atraccin)

Protn Electrn


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este sera, en principio, un cuerpo neutropor poseer tantas cargas positivas(protones) como negativas (electrones).

Entonces, para cargar elctricamente un cuerpo habra que agregar o retirarelectrones de las ltimas rbitas de sus tomos. Si agregamos electrones, eltomo se cargar negativamente. Si retiramos electrones, el tomo se cargarpositivamente, suponiendo que el tomo, inicialmente, es neutro.

Ahora, realice Ud. una experiencia en casa. Coloque sobre una mesa, un trozomuy pequeo de papel (3 mm x 2 mm aproximadamente), luego frote sobreuna franela un lapicero de plstico o bakelita y acrquelo al trozo de papel,Qu ocurri?

3. GENERACIN DE TENSINPara explicar la manera cmo se obtiene tensin elctrica, utilizaremos elesquema del generador de Van de Graaff:

Figura 10. Generador de Van de Graaff

En este esquema se aprecian dos rodillos, uno metlico y otro de plexigls,unidos por una cinta de goma, de tal manera unidos que si giramos la maniveladel rodillo metlico, la cinta de goma transmite el movimiento al rodillo de

plexigls. La cinta de goma frota contra el rodillo de plexigls "robndole"electrones que son "capturados" por el rodillo metlico y el conductor de la

Conductor metlico

Borne deconexin

Manivela

Borne deconexinConductor

metlico

Campanametlica

Rodillo de plexigls

Cinta de goma

Rodillo de metal


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parte inferior quedando cargados elctricamente negativos. Sobre el rodillo deplexigls y la cinta, se ubica una campana metlica que "cede" electrones alrodillo inferior, quedando esta campana y el conductor superior cargados

elctricamente positivos.

Una fuente de tensin tiene por misin, separar cargas elctricas en dosbornes. En general, a una fuente de tensin se le simboliza as:

Figura 11. Smbolos de fuentes de tensin, segn las normas

4. RESUMEN

1. Cargas de igual signo se repelen.2. Cargas de diferente signo se atraen.3. Los tomos son las partculas ms pequeas de un elemento que an

presentan las propiedades qumicas de ste.

4. Las molculas son combinaciones de tomos diferentes o iguales.5. El tomo se compone de un ncleo y una corteza.6. El ncleo se compone de protones y neutrones.7. Alrededor del ncleo se mueven los electrones describiendo trayectorias

(rbitas) circulares o elpticas.

8. El tomo parece desde fuera una esfera.9. Los electrones son partculas atmicas de la corteza con carga negativa.10. Los protones son partculas atmicas del ncleo con carga positiva.11. Los neutrones son partculas atmicas del ncleo elctricamente neutras.12. La tensin elctrica se origina por separacin de cargas.

Segn lanorma IEC

Segn lanorma NEMA


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5. PRUEBA DE AUTOCOMPROBACIN

1. Cul es la partcula atmica, ms pequea, capazde transportar cargas elctricas negativas?2. A que se denomina molcula?3. Qu tipo de cargas transporta el protn y el

electrn?

4. Cmo queda un cuerpo cargado elctricamente?5. Cmo separa las cargas elctricas el generador de Van de Graaff?

6. RESPUESTAS A LAS PREGUNTAS DE AUTOCOMPROBACIN

1. El electrn.2. A la combinacin de dos o ms tomos iguales o diferentes se le denomina:

molcula.

3. el protn transporta una carga elctrica positiva y el electrnuna carga elctrica negativa.

4. Para cargar elctricamente un cuerpo habra que agregar oretirar electrones de las ltimas rbitas de sus tomos.

5. Por frotacin y traslados de electrones.


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ANOTACIONES:

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1 parámetros fundamentales de la electricidad y su medición

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