Fundamentos de electricidad basica

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Presentacion acerca de los fundamentos de la electricidad con conceptos basicos.

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    1 Introducción y principios básicos
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Fundamentos de electricidad basica

  1. 1. POR:MIGUEL A. LOPEZ R/EDUARDO ACOSTA
  2. 2. INTRODUCCIÓN Constitución de la MateriaLa materia es cualquier cosa que tenga peso yocupe un lugar en el espacio y también puede serconsiderada como una forma de energía. Se puedeencontrar en tres formas: sólido, líquído y gaseoso.La materia se compone de elementos, los cualesson sustancias que no pueden ser modificadas, sinopor medios químicos solamente. Los elementos secombinan para producir compuestos.Una molécula es la parte más pequeña en que sepuede dividir un compuesto, sin partirlo en suselementos.
  3. 3. Un átomo es la partícula más pequeña en que se puede dividirun elemento, está formado por protones, neutrones yelectrones.El núcleo se compone de protones y neutrones.El neutrón es la partícula neutra dentro del núcleo y el protónes la carga positiva.El electrón es la pequeñisíma partícula con carga negativa,que prácticamente carece de peso y gira en órbita alrededordel núcleo.Los electrones libres son aquellos que han abandonado laórbita de un átomo y se mueven libremente por un material.El exceso ó falta de electrones determina que en un materialpueda haber una transferencia ó toma de electrones
  4. 4. A continuación detallamos lo anterior, para iniciar nuestra discusión de la teoría eléctrica:Primero debemos entender un poco acerca de la naturaleza básica de la electricidad. Los átomos sonlos bloques del edificio que crean toda la materia. Es la estructura de los átomos lo que permite que laelectricidad funcione. FIG. 01 Los átomos están compuestos de tres partículas básicas: protones, neutrones, y electrones. Las variaciones en las propiedades de la materia se deben a la diferencia en el número de protones, neutrones, y electrones en los átomos dentro de cada tipo de materia. Los electrones tienen una carga o polaridad negativa así que los identificaremos con un signo menos. Los protones tienen una carga o polaridad positiva así que los identificaremos con un signo más. Los neutrones no tienen carga eléctrica.Los protones y neutrones se unen para formar el núcleo del átomo. Los electrones orbitan alrededor delos protones y neutrones en capas. Es la atracción mutua entre los electrones cargados negativamentey los protones cargados positivamente lo que tiende a mantener a los electrones en órbita alrededor delnúcleo, incluso aunque ellos están moviéndose a un régimen de velocidad muy alta. Esta fuerza essimilar a la fuerza gravitatoria que mantiene a los planetas en órbita alrededor del sol. Cuando elnúmero de electrones corresponde con el número de protones, se dice que el átomo está en un estado“balanceado” y eléctricamente “neutro”. Por ejemplo, el átomo de helio de la figura # 01 tiene 2protones en su núcleo y 2 electrones en órbita.
  5. 5. Los electrones en las capas más externas son atraídos más débilmente por los protones en su núcleo.Esto se debe a la distancia relativa entre los electrones y el núcleo.Para poner esta distancia en una escala que podamos entender, si el núcleo del cobre fuese agrandadohasta que fuera del tamaño de un balón de baloncesto, los electrones en órbita estarían aproximadamente64 millas alejados del núcleo. FIG. # 02 Ya que el cobre es un metal, sus átomos están relativamente muy juntos. La proximidad entre átomos asiste en el intercambio de electrones de un átomo a otro. Esto puede verse en el ejemplo de la figura # 02 mostrado aquí: la fuerza de atracción de los protones en los átomos que están muy juntos puede más fácilmente jalar los electrones de los átomos vecinos. Los átomos que ceden fácilmente electrones son conocidos como conductores. Otro ejemplo más lo vemos en la fig # 04. Las substancias cuyos átomos no ceden fácilmente electrones se llaman aisladores. Estos tipos de materiales se usan para impedir el flujo de electricidad tal como con el recubrimiento en un cable eléctrico. Ejemplos de buenos aisladores incluyen: plástico, hule, vidrio. Los materiales cuyos átomos no son ni muy buenos o malos al ceder electrones se llaman semiconductores. Los semiconductores son importantes en la electrónica porque ellos se usan para hacer transistores y circuitos integrados. Un ejemplo de este tipo de material es el silicio.
  6. 6. Figura # 03 Figura # 04CARGAS OPUESTAS SE ATRAERÁN Y CARGAS IGUALES SE REPELENComo lo determinamos anteriormente concluimos que un exceso de electronescrea una carga negativa y la ausencia de electrones crea una carga positiva, deaquí que CARGAS OPUESTAS SE ATRAERÁN Y CARGAS IGUALES SE REPELEN.
  7. 7. LEY DE COULOMB GRAFICO 21 LEY DE COULOMB F F q2 qEsferascon cargaeléctrica
  8. 8. La Ley de Coulomb lleva su nombre en honor a Charles-Augustinde Coulomb, quien fue el primero en describir en 1785 lascaracterísticas de las fuerzas entre cargas eléctricas.La ley puede expresarse como:La magnitud de cada una de las fuerzas eléctricas con queinteractúan dos cargas puntuales en reposo es directamenteproporcional al producto de la magnitud de ambas cargas einversamente proporcional al cuadrado de la distancia que lassepara. Es decir, en un sentido práctico, que aquellas cargaseléctricas con diferente polaridad se atraen y con la mismapolaridad se repelen.Coulomb desarrolló la balanza de torsión con la que determinó las propiedadesde la fuerza electrostática.
  9. 9. Figs. # 05 La pérdida de un electrón por un átomo lo hace un ion positivo, por lo tanto atraerá un electrón de un átomo vecino, para volverse nuevamente balanceadoLa reacción química en la batería causa un número excesivo de electronesen la terminal negativa de la batería y una deficiencia de electrones en laterminal positiva. Esto permite que la batería almacene energía eléctricapara uso futuro. Fig # 05 . Los electrones son atraídos hacia la cargapositiva fuerte en la terminal positiva. Al mismo tiempo, los electrones sonrepelidos por la carga negativa fuerte en la terminal negativa.
  10. 10. Conforme el átomo más cercano a la terminal positiva pierde un electrón secarga positivamente ya que ahora tiene un protón más que electrones. Porlo tanto, este átomo atrae al electrón de su átomo vecino y jala al electrónexterior de ese átomo. Esto balancea al primer átomo pero causa que elsiguiente átomo atraiga un electrón de su vecino. Este movimiento deelectrones continúa con los electrones fluyendo desde la terminal negativa,a través de los átomos y a la terminal positiva. Este flujo de electrones esllamado flujo de corriente electrónica. Ver fig. # 06 Fig. # 06
  11. 11. EL CONCEPTO DE CORRIENTE ELÉCTRICA.La corriente eléctrica se define como el movimiento decargas eléctricas (Coulombs) a través de un mediocualquiera que lo permita (que sirva como conductor),específicamente el movimiento de electrones, que tienencarga negativa.Es el efecto que producen los electrones al trasladarse deun punto a otro. Fig # 07 Fig. # 07
  12. 12. Cuando los científicos descubrieron el electrón, apareció el científicoCOULOMB y él logró realizar una medida de los electrones que fuerasignificativa y se pudiera medir, a esta cantidad de electrones le llamópor su apellido COULOMB y equivale a 6.28 billones de billones deelectrones (6.28x1018 ).Después, otro científico de apellido AMPERE estableció que si esacantidad de electrones llamada COULOMB pasara por un conductor enun segundo se llamaría AMPERE, por lo tanto: 1Amper = 1 COULOMB / 1 SegundoLa corriente es la medida de electrones que pasan por un punto en elcircuito. Deben fluir muchos electrones para realizar cualquier trabajo.Nota: en un conductor la intensidad de corriente es la cantidad deelectrones que pasa por un segundo, (los electrones se vantransfiriendo de un átomo a otro). Fig # 07.
  13. 13. La electricidad es un fluido porque pasa a través de un conductor ycomo tal se comporta como los demás fluidos, para entender losconceptos de medición la compararemos con el fluido más conocidoque es el agua, en el agua el conductor pudiera ser la tubería, lacantidad de agua que pasa pudiera ser la CORRIENTE o Intensidad decorriente, una llave de paso o algo que impide el paso del agua,eléctricamente pudiera ser la RESISTENCIA, la presión de agua en latubería es equivalente al VOLTAJE y el consumo de agua, pudiera serequivalente a la POTENCIA.Término Abreviación Unidad Símbolo Hta. de MediciónCorriente I Ampere A AmperímetroVoltaje E Voltio V VoltímetroResistencia R Ohm Ω Ohmetro
  14. 14. El movimiento de electrones por un conductor eléctrico esllamado corriente eléctrica.La corriente se mide en amperes y el instrumento paramedirla es el amperímetro, el cual debe ser conectado enserie con la línea, de manera que toda la corriente pase por ély cuando son valores de corriente relativamente altos debeser empleado el amperímetro de gancho.
  15. 15. La electricidad se puede producir de varias maneras:Frotamiento, luz, calor, acción química, presión ymagnetismo. A continuación se ilustra:
  16. 16. Los materialespiezoeléctricos sonaquellos que liberanelectrones cuandose les aplica unafuerza. Su nombrese deriva deltérmino griegoPiezo, que significa“presión”.
  17. 17. A aquellos dispositivos formados por la unión de dos metales distintos en un extremo y separados en el otro y que presentan el efecto de termoelectricidad, se les denomina “termopar”El “efecto fotoeléctrico”consiste en la liberación deelectrones de un materialcuando la luz incide sobreéste. El potasio, el sodio, elcesio, el selenio, el sulfuro deplomo, el germanio, el silicioy el cadmio, presentan talcaracterística.
  18. 18. TIPOS DE CORRIENTE ELÉCTRICA. 1mA = 0.001A 1A = 1,000mA (miliampere) 1µA = 0.000001A 1A = 1;000,000µA (microampere) Fig. # 07 Fig. # 08 1µA = 0.001mA 1mA = 1,000µALos electrones pueden moverse de varias formas, que determinanel tipo de corriente eléctrica que crean, que se describen acontinuación.Corriente contínua ( CC ) : Los electrones se mueven en unmismo sentido y a una velocidad constante. Fig # 08Corriente alterna ( AC ) : Los electrones se mueven primero enun sentido y luego en el sentido contrario. Velocidad y sentidoscambiantes. Fig # 07
  19. 19. EL CONCEPTO DE VOLTAJELos términos tensión, diferencia de potencial, fuerzaelectromotriz (FEM) y voltaje se refieren a la presión eléctricadel circuito.La unidad para el voltaje es el volt y el instrumento para medirlo esel voltímetro. Simbolo E ó V.El voltímetro es siempre conectado en paralelo a la carga y es undispositivo de alta resistencia (impedancia). Ver fig # 5 pag # 14.Como hemos dicho, para que se establezca una corriente eléctrica debeexistir algo que impulse a los electrones para que se muevan. Por ejemplo,colocando iones negativos de un lado de un conductor e iones negativos delotro, se establecerá una corriente eléctrica que será más grande cuantomayor sea la "diferencia de cargas entre los iones".
  20. 20. Se dice que para que exista un flujo de electrones debemosaplicar "energia al conductor". Cuando la energía proviene deuna fuerza del tipo eléctrico, se denomina "fuerzaelectromotriz" porque permite el desplazamiento de electronesal desprenderse de los átomos.Consideremos a una tensión o diferencia de potencial como un "desnivel" que debeexistir entre 2 puntos de un conductor para que se produzca un movimiento deelectrones y entonces, una corriente eléctrica. Fig # 02 1 volt = 1,000 milivolt 1V = 1,000mV 1 volt = 1;000,000 microvolt 1V =1;000,000µV 1 volt = 0.001 kilovolt 1V = 0.001kV 1 Kilovolt = 1,000 volts
  21. 21. VOLTAJE DIRECTO: éste tipo se encuentra mas comúnmente en pilas,baterías o acumuladores, la particularidad que tiene es una polaridad definida:línea positiva y línea negativa. Se puede encontrar diferentes medidas devoltajes desde milivolts hasta miles de volts en voltaje directo.VOLTAJE ALTERNO: es el tipo de voltaje que está cambiando su polaridadconstantemente (60 ciclos en un segundo) (60 hz. ). En la alimentación alternaMonofásica los voltajes más comunes son de 127 V. y 220 V. aunque puedehaber más medidas de voltajes. 1 hertz = cant. ciclos en un seg
  22. 22. VOLTAJE ALTERNO.Es una fuente de voltaje que aplica unafuerza sobre los electrones para que semuevan a distinta velocidad y endistinta dirección a lo largo del cableeléctrico que los transporta y a lo largo dela fuente que los impulsa.Durante un tiempo los electrones semueven en una dirección y luego endirección contraria.
  23. 23. GRÁFICA 3. VOLTAJE ALTERNO GRAFICA 1 Voltaje Continuo Voltaje TiempoUna fuente de este tipo es el toma eléctrico de su casa, de su oficina, cuyo voltaje proviene de una fuente eléctrica como un generador de energía Diesel o hidráulico o térmico de las grandes centrales de generación en Colombia.
  24. 24. Corriente Electrica - + Fuente de - Fuente de VoltajeBombillo Voltaje Bombillo - - + Corriente En medio Electrica En el otro medio Periodo (T) PeriodoCuando el voltaje es positivo, los electronesvan en una dirección y cuando es negativo loselectrones se mueven en dirección contraria.Es decir, en el voltaje alterno la fuerzaaplicada a los electrones cambia de dirección.
  25. 25. El CONCEPTO DE PERIODO Y FRECUENCIA. Este concepto se aplica sólo aseñales periódicas, es decir, aquellas que siempre repiten los mismosvalores en un período de tiempo. En la gráfica siguiente, se pueden apreciar dos señales periódicas .
  26. 26. GRAFICA 25V(t) t(seg) Periodo en Seg=T F= 1 T 1 = 1Hz segV(t) t(seg) T F= 1 T T
  27. 27. La Ley de Faraday:Nos dice que: “Si un conductor eléctrico está influido por uncampo magnético que varía en magnitud con el tiempo en cadapunto del conductor, en éste se inducirá un voltaje entre –hacia-sus extremos”.Esto es, cuando se presenta un movimiento relativo entre unconductor eléctrico y un campo magnético tendremos una diferenciade potencial ó voltaje. La electricidad producida es en realidad unvoltaje ó tensión denominada “tensión inducida ó fem inducida.”
  28. 28. La tensión inducida hará que se produzca un flujo de corrientesi los extremos del conductor están conectados formando uncircuito cerrado. La FEM depende de varios factores:-Velocidad de movimiento transversal entre conductor y campomagnético.-Intensidad del campo magnético.-Número de vueltas del conductor eléctrico.-Inversión del sentido de movimiento del conductor, ya que sealtera la polaridad e invierte el flujo de corriente.-La polaridad de la FEM inducida tendrá un sentido tal que elflujo de corriente formará un campo magnético que reaccionacon el de un imán y se opone al movimiento de una bobina.
  29. 29. CONCEPTO DE LA RESISTENCIA.La resistencia es básicamente la oposición al paso deelectrones en un conductor eléctrico, así como lafricción se opone al movimiento mecánico.La unidad en que se mide es el ohm y su simbolo: R.El instrumento para medirla es el ohmetro.Los factores que afectan la resistencia de unconductor son:-Tipo de material.-Sección transversal.-Longitud.-Temperatura.Cuando se requiera realizar alguna medición con elohmetro se deberá revisar:
  30. 30. -Aislar el circuito ó elemento a medir.-Desconectar la fuente de alimentación.-Medir sólo la resistencia del componente.-Verificar la calibración del ohmetro.Los prefijos más usados son:Kilo = 1000 = 1x103 y Mega = 1,000,000 = 1x106Los materiales que tienen poca resistencia al flujo de corrientese denominan conductores, como el cobre y aluminio.Los materiales que oponen gran resistencia al flujo de corrientese denominan aisladores, como el vidrio, caucho y el aire.
  31. 31. El resistor es un elemento que tiene una resistencia quepuede variar entre unos pocos ohmios y millones de ohms.Si se abre su resistencia se vuelve infinita y si se pone encorto su resistencia se hace cero.Existen resistencias fijas y también resistencias variables, aestas últimas también se les llama potenciómetros ó “pot”.
  32. 32. TIPOS DE RESISTENCIASFijos.1. Aglomeradas. 2. De película de carbón. -Se enrolla una tira de carbón sobre un soporte cilíndrico
  33. 33. 3. De película metálica. El proceso de fabricación es el mismo que el anterior pero la tira es una película metálica. Los metales más utilizados son Cromo, Molibdeno, Wólfram y Titanio. Son resistencias muy estables y fiables. CÓDIGO DE COLORES P/ RESISTENCIAS: Negro 0 Dorado 5% / 0.1 Café 1 Plateado 10% / 0.01 Rojo 2 S/C 20% Naranja 3 Amarillo 4 Verde 5 Azul 6 Violeta 7 Gris 84. Bobinadas. Blanco 9Tienen enrolladas sobre un cilindro cerámico, un hilo o cinta de unadeterminada resistividad. Se utilizan las aleaciones de Ni-Cr-Al y para unamayor precisión las de Ni-Cr.
  34. 34. Disipan grandes potencias. Los modelos más importantes son : Cementados, vitrificados y esmaltados.VariablesComponentes pasivos de tres terminales, que permiten manipular la señal quehay en un circuito (volumen de un equipo de música). Normalmente el terminalcentral corresponde al cursor o parte móvil del componente y entre losextremos se encuentra la resistencia.
  35. 35. CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS GENERALESA- Resistencia nominal.Es el valor teórico esperado al acabar el proceso de fabricación.B-Tolerancia.Diferencia entre las desviaciones superior e inferior . Se da en tanto porciento. Nos da una idea de la precisión del componente. Cuando el valorde la tolerancia es grande podemos decir que la resistencia es pocoprecisa, sin embargo cuando dicho valor es bajo la resistencia es másprecisa.C- Potencia nominal.Potencia que el elemento puede disipar de manera continua sin sufrirdeterioro. Los valores normalizados más utilizados son : 1/8, ¼, ½, 1, 2.....
  36. 36. Veremos ahora cómo leer los valores de acuerdo con los códigos de colores en lasresistencias electrónicas. Las resistencias vienen marcadas con cuatro líneas dediferentes colores como se muestra en la siguiente figura: La primera línea nos indica el primer número del valor de la resistencia. La segunda línea nos indica el segundo número del valor de la resistencia. La tercera línea nos indica la cantidad de ceros que se le agregaran a los dos primeros números. La cuarta línea nos indica la tolerancia real del valor de la resistencia y los colores pueden ser únicamente oro o plata y corresponden al 5 % y 10 % respectivamente ó sin color 20%. VALORES: Negro----------- 0 Café -------------1 Rojo -------------2 Naranja ---------3 Amarillo --------4 Verde ------------5 Azul -------------6 Violeta ----------7 Gris --------------8 Blanco -----------9
  37. 37. Ejemplo del dibujo:1ª línea color azul = 6, 2ª línea color rojo = 23ª línea color amarillo = 4, 4ª línea color oro = 5%Valor de la resistencia =6, 2, 0000 = 620, 000 ohms = 620 kValor de los prefijos más utilizados:Kilo = k= 1,000 Mili = m = 0.0001Mega =M = 100,000 Micro = =0.000,000,1Giga = G = 1,000,000,000
  38. 38. CONCEPTO DEL CAPACITORLa tentativa de almacenar electricidad en algún tipo de dispositivo es muy antigua. Setiene constancia de que en 1745, simultáneamente, en la Catedral de Camin(Alemania) y en la Universidad de Leyden (Holanda), dos investigadores desarrollarondispositivos cuya finalidad era almacenar electricidad o, como se decía entonces,"condensar" electricidad. La botella de Leyden, como se ve en la figura 1, fue el primer"condensador“ y dio origen, por su principio de funcionamiento, a los modernoscapacitores (o "condensadores" como todavía los denominan algunos) utilizados enaparatos electrónicos. La estructura de los componentes modernos es muy diferentede la que tenían los primeros, de 250 años atrás, pero el principio de funcionamientoes el mismo.
  39. 39. Un capacitor básico de placas paralelas se ve en la figura 18. Consiste de dos placasde material conductor separadas por material aislante denominado dieléctrico. Elsímbolo usado para representar este tipo de capacitor recuerda mucho su disposiciónreal y se muestra en la misma figura. Hay capacitores con disposiciones diferentes,pero como la estructura básica se mantiene (un aislante entre dos conductores) elsímbolo se mantiene por lo general con pocas modificaciones.La unidad de capacidad es el Farad
  40. 40. Tres son los submúltiplos del Farad que más se usan:- Microfarad (µF) que es la millonésima parte de 1 Farad o 0,000001 Farad querepresentado en forma exponencial es 10-6 Farad.- Nanofarad (nF) que es la billonésima parte del 1 Farad o 0,000000001 Farad y 10-9Farad en forma exponencial.- El picofarad (pF) que es la trillonésima parte de 1 Farad o 0,000000000001 Farad o10-12 Farad.- 1 nanofarad equivale a 1.000 picofarad (1nf = 1.000pF)1 microfarad equivale a 1.000 nanofarad (1µF = 1.000nF)-1 microfarad equivale a 1.000.000 picofarad (1µF = 1.000.000pF)-Cuando conectamos la estructura indicada a una fuente, como se ve en la figura 5, lascargas fluyen hacia las placas de manera que una se vuelva positiva y otra negativa.
  41. 41. Aun después de desconectar la batería, como se mantienen las cargas, por efecto dela atracción mutua, en las armaduras el capacitor, se dice que éste está "cargado".Para “descargar” un capacitor basta interconectar las armaduras mediante unalambre. Las cargas negativas (electrones) de la armadura negativa pueden fluir a lapositiva neutralizando así sus cargas. La energía que puede almacenar un capacitorno es grande y entonces su utilidad como fuente de energía es muy restringida, peroeste componente tiene otras propiedades que son de gran utilidad en electrónica.Decimos que dos o más capacitores están asociados en paralelo cuando susarmaduras están conectadas de la manera siguiente: las armaduras positivas estánconectadas entre sí para formar la armadura positiva equivalente al capacitor; lasarmaduras negativas están conectadas entre sí y forman la armadura negativaequivalente al capacitor, según muestra la figura 9. Vea el lector que en esascondiciones los capacitores quedan sometidos todos a la misma tensión (V) cuando secargan. Las cargas dependen de las capacidades. La capacidad equivalente enestaasociación está dada por la suma de las capacidades asociadas.C = C1 + C2 + C3 + ... + Cn (7)
  42. 42. En la asociación en serie de capacitores, éstos se conectan como se muestra en lafigura 10. La armadura positiva del primero pasa a ser la armadura positiva delequivalente; la negativa del primero se une a la positiva del segundo; la negativa delsegundo da la positiva del tercero y así sucesivamente hasta que la negativa delúltimo queda como la armadura negativa del capacitor equivalente.1/C = 1/C1 + 1/C2 + 1/C3 + ... + 1/Cn
  43. 43. LEY DE OHMEl enunciado de La Ley de Ohm dice que:“La corriente eléctrica es directamente proporcionalal voltaje e inversamente proporcional a laresistencia”. Ésta Ley nos permite observar unarelación matemática entre el voltaje (V), corriente (Aó I)y resistencia (R). V=A x R V A= V / R A R R=V / A
  44. 44. Mediante la Ley de Ohm podemos encontrar un valor desconocido en uncircuito eléctrico si se conocen las otras dos variables:En la sig figura, una corriente de 1 amperio pasa por una resistencia de 10ohms. Para encontrar el voltaje aplicado (Va) use la sig fórmula: V=I x R .Va= I x R Va= 1A x 10 ohms Va = 10 Vcc + R 10 OHMS - A Va = ? I=1A
  45. 45. En la sig figura, Va = 20 Vcc con una resistencia de 10 ohms. Para encontrar lacorriente (I) ¿cuál es la fórmula a implementar?: .I= A + R 10 OHMS - A Va =20 vcc I=? A
  46. 46. En la sig figura, Va = 5 Vcc con una corriente de 5 amperes. Para encontrar laresistencia (R) ¿cuál es la fórmula a implementar?R= ohms + R ? OHMS - A Va =5 vcc I=5 A
  47. 47. CONCEPTO ARMÓNICOCualquier señal periódica, seno o no, puedeser representada como una sumatoria deseñales senos puras de diferente frecuencia(Hz) y magnitud. A cada una de estas señalesseno, se les llama ARMÓNICOS. Esta forma derepresentar una señal periódica utiliza laserie de Fourier. Si tomamos una señal senopura, que es periódica, y la representamos enserie de Fourier, el resultado es la mismaseñal seno pura, es decir, no tiene contenidosde armónicos.
  48. 48. RESUMIENDO:CUALQUIER SEÑAL PERIÓDICAQUE NO SEA SENO PURA TIENE ARMÓNICOS
  49. 49. SEÑAL SIN ARMÓNICOS GRAFICA 7V(+) Tiempo SEÑAL SIN SAMBIOS Cuando la señal senoidal es pura se dice que NO tiene armónicos.
  50. 50. SEÑAL CON ARMÓNICOS GRAFICA 7 V(+) SEÑAL CON SAMBIOSCuando la señal senoidal está distorsionada, se dice que tiene armónicos.
  51. 51. EL CONCEPTO DE POTENCIA.La potencia es la cantidad de energía que se entrega en la unidad de tiempo . Susunidades son de Energía ( Joules ) sobre tiempo (seg)= Joules / seg.=watts 1J 1vatio 1W . s
  52. 52. POTENCIA EN CORRIENTE CONTINUAPotencia : Velocidad a la cual se entrega ó consume laenergía en un circuito eléctrico ó aparato eléctrico.La unidad de potencia eléctrica es el vatio (WATT).La potencia eléctrica consumida es igual al voltaje multiplicadopor la corriente. Simbolo W ó P W=V x A W V= W / A V A A= W / V 746 W es igual a 1 hp (potencia mecánica)
  53. 53. En el sig circuito, ¿cuál es la POTENCIA consumida y de que valor es laresistencia del circuito?.P= W R= ohms + R ? OHMS - A Va =20 vcc I=2 A
  54. 54. CIRCUITO SERIE Y PARALELOLos circuitos serie tienen un solo camino para el flujo de corriente y puedetener más de un resistor. Sus características son:-La corriente es la misma en cualquier parte del circuito.-La resistencia total es igual a la suma de las resistencias individuales.-La suma de las caidas de voltaje es igual al voltaje total. R + R1= 10 OHMS R R2= 20 - OHMS R R R3 = 50 ohms
  55. 55. Los circuitos PARALELO tienen más de un camino para el flujo de corriente.Sus características son:-La resistencia total será menor que la resistencia más pequeña del circuito y sepuede calcular de la sig forma:RRT= _________1_________ 1/R1 +1/R2+1/R3+1/Rn...-El voltaje en cada resistencia es igual al voltaje total.-La corriente total es igual a la suma de las corrientes de cada una de las ramas.-La potencia total es igual a la suma de las corrientes de cada una de las ramas. + R2= 50 R3= 100 R R1= OHMS OHMS 20 - OHMS
  56. 56. Los circuitos SERIE - PARALELO son una combinación de las característicasde los dos anteriores: R4= 20 OHMS + R2= 50 R3= 100 R R1= OHMS OHMS 20 - OHMS
  57. 57. EL CONCEPTO DE FACTOR DE POTENCIA.Cuando un generador eléctrico estáalimentando una carga eléctrica como porejemplo una resistencia eléctrica (cargaresistiva) y con un instrumento adecuadocomo el osciloscopio, miramos el valor delvoltaje (Voltios, V) y de la corriente eléctrica(Amperios , A) instante a instante y hacemosuna gráfica en función del tiempo, obtenemoslas siguientes curvas.
  58. 58. GRAFICA 8 V,I Voltaje (rojo)CARGA Corriente (azul oscuro)RESISTIVA t2 t4 t1 t3 Tiempo Nota: El valor maximo de corriente y de voltaje se dan en el mismo instante (t1,t2,t3,t4)
  59. 59. Se observa que los valores máximos delas dos señales (V, I) ocurren en elmismo instante. Cuando esto ocurre, sedice que las señales están en fase. Esdecir, no tienen desfase, o que el desfase escero segundos.Si a este mismo generador se le conecta unmotor eléctrico de inducción ( cargainductiva) los que normalmente se usan yrealizamos el mismo procedimiento que encaso anterior, obtendremos unas señalescomo se muestran en la Gráfica 9.
  60. 60. GRAFICA 9 V(t) Voltaje (rojo) I(t) Corriente (azul oscuro)CARGAINDUCTIVA t2 t4 t1 t3 Tiempo(seg) AT: Valor maximo de corriente y de voltaje, se dan en instantes distintos LOS VALORES MÁXIMOS DE CORRIENTE Y VOLTAJE SE DAN EN INSTANTES DISTINTOS
  61. 61. Se observa que los valores máximos de la señal de voltaje y de corriente se dan en instantes distintos. En este caso se dice que las señales están desfasadas y este desfase se puede expresar en unidades de tiempo como el segundo (s) o el milisegundo (ms). Este desfaset aparece en la gráfica 9. Y se puede observar que el valor máximo de corriente se da un t después que el valor máximo de voltaje se da. Por esto, se dice que la corriente está atrasada respecto al voltaje. Esta es una carga inductiva
  62. 62. Si se conectan inductores en serie la inductancia aumenta y si se conectan en paralelo disminuye. Ejemplos de aplicaciones de un inductor:Relevadores, motores de inducción, solenoides.Ahora, si a ese mismo generador le conectamos una carga que es una mezcla de las dos anteriores más un banco de capacitores (condensadores eléctricos) y graficamos el comportamiento de las señales de voltaje y corriente podríamos obtener la gráfica 10.
  63. 63. GRAFICA 10 V(t) Voltaje (rojo) I(t)CARGACAPACITIVA Corriente (azul oscuro) Tiempo(seg) AT: Valor maximo de corriente y de voltaje, se dan en instantes distintos
  64. 64. También hay un desfase entre lasseñales de voltaje y corriente con lacaracterística que primero se da el valormáximo de corriente y luego se da elvalor máximo de voltaje. Se dice quela corriente está adelantada alvoltaje. Esta es una carga capacitiva.Este desfase que se puede medir en ms,y también se acostumbra medirlo engrados eléctricos. Si conectamoscapacitores en paralelo aumenta lacapacitancia y si se conectan en seriedisminuye.
  65. 65. Se debe procurar que el factor de potencia que vea la RedPública sea lo más cercano a uno (1) posible. En Méxicose exige que el factor de potencia de cualquier instalaciónsea 0.8 ó superior. Esto es debido a que si una cargaconsume una determinada potencia (digamos 100 KW) aun factor de potencia muy bajo (digamos fp= 0.7), va atomar mucha más corriente eléctrica (Amperios)que si lo hace con un factor de potencia más alto(digamos fp = 0.95).En sintesís podemos decir:Un inductor es una bobina que se opone a los cambios en la corriente. Suunidad es henrio ó henry (h), su reactancia está dada así XL =2 π f l.Un capacitor es un elemento capaz de almacenar energía eléctrica y bloquearla c.d. Su unidad es el faradio ó farad (f), su reactancia está dada XC =1/2 π f c
  66. 66. CÁLCULO DE POTENCIA ELÉCTRICA. Circuitos monofásicos. GRAFICA 11 I= corriente eléctrica en Amperio = 10AGenerador Monofasico COS / = 0.8 G 120Vac= V Z CARGA ELECTRICA Contra Fase de un Generador Trifacsico P= V.I COS / CIRCUITO MONOFÁSICO
  67. 67. La fórmula para calcular esto es : P = V x I x fp, donde V es el voltaje envoltios, I la corriente en Amperios y fp es el factor de potencia. El resultado se obtiene en vatios (W). 1W = 1V x 1A.En el circuito de la gráfica 11, el generadorle está entregando a la carga una potencia P de: P = 120 V x 10 A x 0.8 = 960 vatios = 960W.
  68. 68. CIRCUITOS TRIFÁSICOS. Por definición, se dice que se tiene un sistema trifásico de potencia si se tienen tres líneasvivas (líneas que no están aterrizadas) entre las cuales se presenta un desfase de 120 grados eléctricos y el valor del votaje medido entre cualquier par de líneas es igual. Se diceentonces que se tiene un sistema trifásico a 220 V ó a 440 V . Ver gráfica 12 .
  69. 69. GRAFICA 12Voltajes 120 120 120 A= Fase A (amarillo oscuro) B= Fase B (azul) C= Fase C (rojo) A B C A 120°= 5.55ms Tiempo(t) AT: Valor maximo de corriente y de voltaje, se dan en instantes distintos
  70. 70. En la gráfica 13 , se ve el esquema de un circuito trifásico típico formado por ungenerador trifásico y una carga trifásica que puede ser un motor eléctrico de una bomba de agua, por ejemplo. GRAFICA 13 Carga Trifacica 100A Z (AMARILLO OSCURO) FASE A (R) 220Vac 100A (AZUL) FASE B (S) Z Fp= 0.75 220Vac (NEUTRO) TIERRA (VERDE) 220Vac Z 100A (ROJO) Fase C (T) Generador Trfasico
  71. 71. El valor de la potencia suministrada por el generador a la carga ( o consumida por la carga ) es : P 3 V .I . cos ó P=1.73xVxIxFP donde V es el voltajeentre líneas e I es la corriente en amperiospor cada línea. Esta fórmula aplica cuando la carga trifásica es equilibrada, es decir ,cuando la corriente (Amperios) por cada línea es igual, al igual que el factor de potencia.La representación de los voltajes de línea y de los voltajes de fase, se puede apreciar en la gráfica 14.
  72. 72. GRAFICA 14 (L1)A (AMARILLO OSCURO) FASE A (R) CARGA V-linea TRIFÁSICA (L2)B (AZUL) V-fase Carga Trifacica V-fase V-linea V-linea N V-linea V-fase (ROJO) (L3)c V fase= Entre AyNP = 1.732 x 220 V x 100 A x 0.75 = 28578 W = 28.6 KW. = 28.6 Entre PyN Entre CyN V linea= Entre AyB Entre ByC kilovatios. Entre AyC
  73. 73. EL TRIÁNGULO DE POTENCIAS.Cuando se manejan circuitos eléctricos, se habla de tres potencias COS fp
  74. 74. Potencia activa ( P ) : Es la potencia que puede sertransformada en otro tipo de energía (luz , sonido,calor, movimiento, etc ). Se representa con P.Se mide en vatios ó watts ( W ). P=1.73xVxIxPFPotencia aparente (S): La que resulta de multiplicarS = V x I en circuitos monofásicos,y S 3 V . I encircuitos trifásicos.Se mide en VA (voltamperios).Potencia Reactiva (Q) : Son las pérdidas que sepresentan en los circuitos eléctricos.Se mide en KVAR S. kva´s reactivos kva2 kw2 kva kw / fp
  75. 75. La potencia es la capacidad que tienen los aparatos eléctricos de suministrar oconsumir energía eléctrica lo que faltaba por definir es que existen tres tipos depotencia eléctrica las cuales son: POTENCIA REAL, POTENCIA REACTIVA YPOTENCIA APARENTE.a) POTENCIA REAL (P). La potencia real es la que más conocemos, su medidason los KILOWATTS ( KW ) y es la que consumen los aparatos que son puramenteresistivos, tales como planchas, hornos eléctricos, calefactores; resistencias, etc.b) POTENCIA REACTIVA (Q). La potencia reactiva es la que se consume en lageneración de campos magnéticos mediante bobinas de alambre magneto, y laque se consume en el efecto capacitivo en los conductores (cuando se quedancargados) y/o de propios capacitores, su medida son en KVARS ( kilo volts-ampersreactivos)c) POTENCIA APARENTE (S).Esta potencia es la suma vectorial de la potencia reactiva con la potencia real queconsumen los aparatos eléctricos, su medida son los KVA (kilo volts- amper).
  76. 76. Para entender mejor esto veremos el siguiente ejemplo práctico. :Supongamos que tenemos un bote en un río que se jala mediante doscuerdas A y B, como se observa cada cuerda está en sentidos diferentesuna por cada extremo del río, el bote se moverá en sentido de la flecha Rque es la resultante de las dos fuerzas o de las dos cuerdas, que es lasuma vectorial y no se moverá en el sentido de las cuerdas que lo jalan.
  77. 77. En la electricidad, las potencias REAL (P) y REACTIVA (Q) van en sentido diferente.La fuerza A sería la POTENCIA REACTIVA y la fuerza B sería la POTENCIA REAL, laresultante sería LA POTENCIA APARENTE (S). La suma de estos vectores se puedecalcular con el teorema de pitágoras del triángulo rectángulo. Y el seno del ángulo (a)que existe entre estas dos potencias (real y reactiva) se denomina FACTOR DEPOTENCIA (F.P.) Entre mayor sea el ángulo va tendiendo a ser pura potencia real que viene siendo la potencia efectiva. Ejemplos: En este ejemplo la potencia real es mayor que la reactiva y el ángulo. También mayor sería aproximadamente de 85º y el factor de S P potencia sería: el seno de 85º = 0.99
  78. 78. En este ejemplo la potencia reactiva es mayory el ángulo es menor aproximadamente de15 por lo tanto el factor de S potencia será =seno de 15º = 0.25Como nos damos cuenta, entre más seacerca el factor de potencia a la unidad,tenemos que casi no existe potencia reactiva.Una manera de corregir el factor de potenciacuando se tiene muy bajo es conectando unbanco de capacitores. Los capacitores sontambién de potencia reactiva pero contraria alas inductancias o bobinas, de esta manerase reduce el ángulo creado por la potenciainductiva.En esta figura se ve cómo se reduce lapotencia aparente cuando se corrige el factorde potencia mediante un banco decapacitores.
  79. 79. Simplificando, algunas personas comparan las potencias con un vaso lleno decerveza, todo el volumen que se ocupa en el vaso sería la potencia aparente,la espuma sería la potencia reactiva y lo que es el líquido sería la potenciareal, que cuando pedimos un vaso de cerveza lleno lo que en realidadtomamos no es el vaso lleno porque hay un volumen que ocupa la espuma .
  80. 80. El TRANSFORMADOR ELÉCTRICO. El transformador eléctrico es un equipo que está diseñado para ser un elemento de paso de la energía, que viaja desde su entrada (primario)hacia su salida (secundario) sin consumir energía (transformador ideal), cambiando el nivel de voltaje en este proceso. Los transformadores reales sí consumen un poco de energía, pero esdespreciable. El transformador que vamos a tratar en esta charla es el transformador ideal: La potencia que recibe en su devanado primario es igual a la potencia que entrega en su devanado secundario (gráfica 15).
  81. 81. TRANSFORMADOR ELÉCTRICO
  82. 82. GRAFICA 15Voltaje Primario= Vp Voltaje Secundario= VsPotencia TRANSFORMADOR ELECTRICOEntrada= PE Potencia de Salida = Ps PE = PS
  83. 83. En la gráfica 16 aparece el dibujo de un transformador monofásico indicando sus partes. GRAFICA 16 núcleos laminado especial flujo magnetico Ip Vp= Is Bobinado primario Np= espiras primarias Vs= Bobinado primario Ns= espiras secundarias Flujo magnetico Ip= amperios primarios Is= amperios secundarios Vp= voltaje primario Vs= voltaje secundario
  84. 84. GRAFICO 18 Trafo. monofásico Ip Np Ns IsTRANSFORMADOR MONOFASICO X1 H1 Vp1 Vs H2 X2 Trafo. Trofásico X1 H1 U TRANSFORMADOR TRIFÁSICO H2 X2 X1 H1 V H2 X2 X1 H1 W H2 X2
  85. 85. a) PRINCIPIOS DE OPERACIÓN.Otra propiedad que tiene la electricidad es: cuando en un conductor se hacer circularun voltaje se crea también un flujo magnético que gira a través del conductor.Estas líneas son muy débiles, pero cuando el conductor se enrolla en un metalcomo el hierro todas las líneas de flujo magnético se concentran en el hierro y semultiplica su fuerza y su valor.Cuando este metal ferromagneto se cierra, comienzan a circular por él las líneas decampomagnético.
  86. 86. Cuando en el otro extremo enrollamos otro conductor, las líneas de campo magnético que circulan por el hierro inducirán en éste un voltaje determinado dependiendo del número de vueltas que se enrede, si se enreda el mismo número de vueltas que el que se está alimentando eléctricamente, el voltaje de salida es igual, si se enreda el doble devueltas el voltaje de salida será el doble del voltaje de alimentación y si se enreda lamitad de vueltas el voltaje será la mitad del voltaje de alimentación.Al devanado de alimentación le llamamos primario y al devanado de salida le llamamossecundario. La potencia de los transformadores se mide en KVA (kilo volt-amper)
  87. 87. CONCEPTO DEL DIODO SEMICONDUCTORUn semiconductor es un material (generalmente silicio o germanio) cuyascaracterísticas de condución eléctrica han sido modificadas. Para esto, comosabemos, ha sido combinado, sin formar un compuesto químico, con otros elementos.A este proceso de combinación se le llama dopado. Por medio de éste, se consiguenbásicamente dos tipos de materiales: tipo N, en los que se registra un exceso relativode electrones dentro del material, y tipo P,en los que se presenta un déficitdeelectrones (figura 1). Los dispositivos electrónicos se forman con diferentescombinaciones de materiales tipo P y N, y las características eléctricasde cada unode ellos están determinadas por la intensidad del dopado de las secciones de lossemiconductores.
  88. 88. Los diodos realizan una gran variedad de funciones; entre ellas, la rectificación deseñales de corriente alterna en fuentes de poder y en radios de AM, reguladores devoltaje, formadores de onda, duplicadores de voltaje, selectores de frecuencia,detectores de FM, disparadores, indicadores luminosos, detectores de haz,generadores láser, etc. Las aplicaciones de los diodos son muchas y muy variadas; deahí la importancia de conocerlos más a fondo. Los diodos semiconductores sondispositivos conformados por dos secciones de material semiconductor, una tipo P y laotra tipo N.
  89. 89. CONCEPTO DEL RECTIFICADOR TIPO PUENTEEl voltaje alterno se puede convertir en directo mediante un rectificador tipo puente;que es un juego de diodos acomodados de tal manera que se obtiene de la salidacorriente directa (un polo positivo y un polo negativo).El diodo funciona como una válvula check, sólo permite el paso en un solo sentido,como ya sabemos es cuando se polariza el anodo positivo y el catodo negativo, por lotanto cuando se polariza inversamente no permite circulación de corriente por eldiodo. (+)ANODO (-)CATODO

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