La electrotecnia se puede definir
como una ciencia que se encarga de estudiar la aplicación práctica de la
electricidad así como del electromagnetismo
Abarca un amplio número de campos
relacionados, entre los que se destacan los sistemas de iluminación, maquinas
eléctricas, controles eléctricos, etc.
Unidades del sistema internacional
El
estudio de la Electrotecnia nos obliga a conocer las unidades y magnitudes que
se manejan en electricidad y que se estarán mencionando a lo largo del libro.
Tabla 1. Unidades del sistema
internacional
MAGNITUD
|
SIMBOLO
|
UNIDAD
|
ABREVIATURA
|
Longitud
|
L, l
|
Metro
|
m
|
Masa
|
M, m
|
Kilogramo
|
Kg
|
Tiempo
|
t
|
Segundo
|
s
|
Intensidad de corriente
|
I, i
|
Amperio
|
A
|
Temperatura
|
T
|
Kelvin
|
K
|
Cantidad de sustancia
|
mol
|
mol
|
|
Intensidad luminosa
|
Candela
|
Cd
|
|
Carga eléctrica
|
Q, q
|
Coulombio
|
C
|
Potencial Eléctrico
|
V, v
|
Voltio
|
V
|
Resistencia
|
R
|
Ohmio
|
W
|
Conductancia
|
G
|
Siemens
|
S
|
Inductancia
|
L
|
Henrio
|
H
|
Capacitancia
|
C
|
Faradio
|
F
|
Frecuencia
|
f
|
Hertz
|
Hz
|
Energía
|
W
|
Julio
|
J
|
Potencia
|
P
|
Watt
|
W
|
Flujo Magnético
|
f
|
Weber
|
Wb
|
Densidad de flujo magnético
|
B
|
Tesla
|
T
|
En electrotecnia los múltiplos y submúltiplos más utilizados son: Giga, Mega, Kilo, mili, micro, nano y pico.
Ejemplos
Cantidad
|
Notación
científica
|
Múltiplo
/ submúltiplo
|
4000 V
|
4 x 103 V
|
4 KV
|
6875000 W
|
6,875 x 106 W
|
6,875 MW
|
La
electricidad es un tipo de energía que
es capaz de generar un trabajo eléctrico o mecánico. La corriente eléctrica
mide la cantidad de carga eléctrica que pasa a través de un conductor por una unidad
de tiempo y circula de manera de (+)a
(-)
La I la podemos / en 2: CA y CC,
- La
cc es del mismo sentido o ctte.
- C.A es cuando la I varía periódicamente en intensidad y sentido. La producen los alternadores variando su polaridad y sentido de la U.
Además
de la tensión, una corriente alterna hay que definirla diciendo además cuánto dura, es decir, cuanto tiempo
transcurre hasta que vuelve a repetirse una onda
completa. Para ello, vamos a definir dos nuevas magnitudes: ciclo y frecuencia.
Por otra
parte, como su tensión varía a lo largo del tiempo, también definiremos una
serie de valores de voltaje.
7.2.1.- CICLO. Se llama así a la parte de la
curva que se repite constantemente. Dicho de otra forma, una onda completa.
Un ciclo
está formado por dos semiciclos iguales, que para distinguirlos entre sí se
llaman positivo y negativo. Tanto el semiciclo positivo como el negativo
alcanzan el mismo valor máximo.
Un ciclo tiene 360°; medio ciclo
o un semiciclo, 180°; un cuarto de ciclo, 90°, etc.
7.2.2.- FRECUENCIA. La frecuencia de una corriente
alterna es el número de ciclos que hay en un segundo.
En Europa la frecuencia de la
c.a. que se distribuye suele ser en general de 50 ciclos
por segundo, o 50 hercios, que se simbolizan por 50 Hz.
7.2.3.- PERIODO Es el tiempo T que dura un ciclo.
Si, por ejemplo, la frecuencia es
de 50 Hz, un ciclo durará 1/50 segundos.
La frecuencia y el período están
relacionadas por las siguientes fórmulas: f=
VALOR MAXIMO DE UNA CORRIENTE ALTERNA
VALOR MAXIMO DE UNA CORRIENTE ALTERNA
Es
el mayor valor que se alcanza durante el ciclo de esa corriente.
2.5.-
VALOR EFICAZ DE UNA CORRIENTE ALTERNA Supongamos que una c.a. que circule por
una determinada resistencia, en la que desarrolla la misma potencia (cantidad
de calor desprendido por segundo) que una c.c. de 3 A. Este valor eficaz,
obtenido por comparación de una c.c. de efectos equivalentes, es el que se toma
siempre en la práctica para definir a una c.a. Valor
eficaz de una c.a. es el que equivale a uno de c.c. que desarrolla la misma
potencia. Para
calcular el valor eficaz conociendo el máximo se aplican las siguientes
fórmulas:
I =
NOTA. Cuando en c.a. nos referimos al valor eficaz, no hace falta decir que es
el eficaz porque se sobreentiende. Luego cuando en c.a. no se diga nada de una
magnitud, se dará por entendido que se trata del valor eficaz. Conociendo el valor eficaz, el
máximo se desprende de las siguientes fórmulas:
Imax = I x 1,41 Vmax = V x 1,41 El valor
medio de una c.a. es el 63,7 °o del valor máximo.
7.2.6.-
COMPARACION DE DOS C.A. de igual frecuencia: FASE. Al comparar dos corrientes
alternas de igual frecuencia no sólo hay que tener en cuenta su magnitud, que
se expresa generalmente en valor eficaz, sino también el adelanto o retraso de
fase entre ambas.
Las dos corrientes alternas
representadas en la figura se diferencian:
1.°) El voltaje eficaz de la
mayor es de 100 V y de la menor 10 V.
2.°) La tensión alterna de 10 V
está retrasada 90° con respecto a la de 100 V.
Para poder hablar de fase entre dos señales
alternas, éstas deben ser de igual frecuencia.
Tensión: La unidad es el volt y es la que
impulsa a circular la I, podemos decir que la tensión está siempre presente y
que la I esta interrumpida por un interruptor, el V es el impulsa a la I.
Tensión ideal: Es la fuente de tensión que
produce una U ctte con R=0
Tensión Real: es la fuente de tensión en la
realidad que todo circuito posee una (Ri)
Resistencia R es la oposición de la I de un
circuito eléctrico y que la temperatura
influye al paso de la I por lo tanto podemos decir que la I representa
la cantidad de electricidad que circula por un circuito en una unidad de
tiempo.
Los buenos conductores de
electricidad como la plata, cobre, tienen valores de R muy bajos, la
resistencia de un conductor depende de la variación de la temperatura, o sea,
que podemos decir que la intensidad de I que circula por un conductor está
limitado por el calentamiento que sufre este.
La
cantidad de electricidad e intensidad de I
Un mismo conductor se calienta unas veces más que otras de la cual deducimos que la I que circula por dicho conductor puede tener una magnitud distinta en cada caso llamada INTENSIDAD DE CORRIENTE y es tanto mayor cuanto mayor es el número de electrones que atraviesan por segundo una sección cualquiera.
Un mismo conductor se calienta unas veces más que otras de la cual deducimos que la I que circula por dicho conductor puede tener una magnitud distinta en cada caso llamada INTENSIDAD DE CORRIENTE y es tanto mayor cuanto mayor es el número de electrones que atraviesan por segundo una sección cualquiera.
I= Q/t
Siendo Q cantidad de electricidad
(Culombio), I intensidad de corriente, t el tiempo
Causa
del movimiento de los electrones
Como base para comprender el
movimiento recordemos que entre los elementos indispensables del circuito
figura el GENERADOR, este recibe la causa de la I hacía del movimiento entonces
podemos decir que es la fuerza que tiene para mover los electrones. Esta
magnitud la llamamos FUERZA ELECTRO MOTRIZ (fem).
Tabla 5.
Resistividad eléctrica de algunos materiales
Material
|
Resistividad (W . m)
|
Plata
|
1.59 X 10-8
|
Cobre
|
1.68 X 10-8
|
Oro
|
2.20 X10-8
|
Aluminio
|
2.65 X 10-8
|
Tungsteno
|
5.6 X 10-8
|
Hierro
|
9.71 X 10-8
|
Matemáticamente, la resistencia de cualquier material se puede calcular de acuerdo a la siguiente expresión:
R: Resistencia del
material [W]
l: longitud del conductor [m]
l: longitud del conductor [m]
A: Área de la sección
transversal del material [m2]
P: Resistividad del material
[W. m]
Potencia eléctrica
La potencia eléctrica es la velocidad a la cual la energía se utiliza, almacena o transporta. Su símbolo es la letra P y su unidad es el Vatio o Watt [W]
P = V ∙ I
Energía
eléctrica
La energía eléctrica o trabajo se produce cuando una fuente de
energía eléctrica hace mover una carga eléctrica, desde un punto a otro entre
los que hay una diferencia de potencial. Se representa por la letra E
y su unidad es el Julio [J]. Es decir:
E = q ∙
V
Ahora, como se sabe I = Q ⁄ t, entonces Q = I ∙ t, si se remplaza este resultado en la ecuación de la energía, se obtiene: Por lo tanto, E = P ∙ t
Es decir, que la energía también puede tener unidades de
[Sus] ó [kW∙s] ó [kW∙h], que son las unidades en las que se
mide la energía en la facturación que normalmente llega a la casa de cada
usuario o a la industria o comercio.
Ley de OHM
George Simón Ohm estableció una relación matemática entre
corriente, tensión y resistencia eléctrica. Esta relación matemática se conoce
como ley de Ohm La corriente eléctrica
es directamente proporcional a la tensión eléctrica pero inversamente
proporcional a la resistencia eléctrica.
La
primera es la ecuación de la ley de Ohm, las otras dos solo son los despejes de
la misma.
A partir de la Ley de Ohm, se desprenden otras ecuaciones para
calcular la potencia en un circuito eléctrico. Se sabe que la potencia está
dada por la siguiente ecuación: P = V ∙ I
Como, I = V ⁄ R, entonces
reemplazando en la ecuación anterior, se obtiene:
2.8. Problemas resueltos
a) Un conductor que
tiene una resistencia de 50W, desarrolla una
energía eléctrica de 400 julios en 4 segundos. Calcule la intensidad de
corriente que atraviesa el conductor, así como la carga eléctrica conducida por
el mismo.
Solución:
La energía está dada por la expresión: E = P. t
(1) Y una de las formas de la potencia es: P = I2. R
(2) Ahora, remplazando (2) en (1), se obtiene: E = (I2. R). t (3)
De (3), se despeja la intensidad de corriente, entonces:
(1) Y una de las formas de la potencia es: P = I2. R
(2) Ahora, remplazando (2) en (1), se obtiene: E = (I2. R). t (3)
De (3), se despeja la intensidad de corriente, entonces:
b) Una plancha a vapor
tiene una resistencia de 33W. Calcule la
intensidad que la atraviesa y la tensión de alimentación, si su potencia es de
1467 W.
Solución:
Ahora:
c) La resistividad de un
conductor de aluminio de 60 m de longitud, calcule su área de sección
transversal en mm2, si su resistencia es de 12W.
Solución:
d) Con la piel húmeda la
resistencia del cuerpo es de aproximadamente 2500W ¿Qué tensión será
suficiente para provocar que pase una corriente peligrosa a través del cuerpo
humano (30mA)?
Solución:
Aplicando la Ley de Ohm:
Aplicando la Ley de Ohm:
Entonces,
V = 75V
e)
Calcule la intensidad de corriente de un horno eléctrico que posee
una resistencia de 22W, que se alimenta a
una tensión de 125V.
Circuitos
eléctricos
Un
circuito eléctrico es un conjunto de elementos conductores (activos y/o
pasivos), que forman un camino cerrado (malla), por el que circula una
corriente eléctrica”
Circuito
en serie
Un circuito en serie es aquel en donde
las cargas se encuentran conectadas de manera tal que la corriente solo tiene
un camino a seguir, es decir que las cargas son atravesadas por el mismo flujo
de corriente eléctrica. En la figura se
puede apreciar este tipo de circuitos, su desventaja es que si alguna de las
cargas es desconectada o se abre por mal funcionamiento entonces el flujo de
corriente será interrumpido en todo el circuito.
Cuando
los elementos pasivos (resistencias) están conectados en serie, son atravesados
por la misma intensidad de corriente eléctrica (I) y la tensión eléctrica o voltaje en cada resistencia es
diferente (depende de su valor); entonces se analiza el esquema de la figura
VR1
+ VR2
+ VR3
Si se aplica la Ley de Ohm (V =
I.R), se obtiene:
Tomando como factor común I en la anterior ecuación, se tiene:
Entonces, se puede obtener una
ecuación para calcular la resistencia total o equivalente de un circuito en
serie, recordando que
RT = R1 + R2 + R3
Ej.
RT =
R1 + R2 + R3
R_T=6Ω+8Ω+10Ω
Se realiza este primer paso por que la ley de Ohm debe ser bien utilizada, y si se quiere saber la tensión que llega a cada bombillo se necesita saber la corriente
Muy bien, esta es la corriente del circuito la cual
por ley de Ohm al multiplicarla por la resistencia de cada carga nos dará como
resultado el valor de la tensión en cada una de ellas, esto en electricidad se
conoce como caída de tensión.
Para la carga 1 sería:
Para la carga 2 sería:
Para la carga 3 sería:
Circuito en paralelo
Un circuito en paralelo se
caracteriza porque cada carga parece estar conectada directamente a la fuente,
o sea que cada carga recibirá la misma tensión eléctrica de la fuente y la
corriente será independiente para cada una de estas cargas.
De igual
forma que en el circuito serie, ahora se comprobará que cada carga recibe una
corriente diferente y para eso se utilizará la ley de Ohm como ayuda práctica.
Trabajo Practico Nº1
1. Calcular la resistencia de un conductor de Cu
(cobre) que tiene una extensión de 1KMy la sección es de 10mm2
2. Supongamos el mismo conductor pero con un diámetro
de 4 mm2 ¿qué resistencia ofrece?
3. Calcular la intensidad sabiendo que la
cantidad de electricidad es de 6000 Coulomb y circula durante 50 segundos
4. Calcular la tensión de un circuito compuesto
por un conductor de Al (aluminio) de una Long de 1500 m y el D= 0.15cm2 por el
que circula una (I) de 0.5 A
5. 6 lámparas conectadas en serie a una línea de
220v consume cada una 0.8A, determinar la potencia W y la energía de consumida
en 6hs .Expresar la unidad en KW y KW/h
6. Calcular la (I) que consume una lámpara de
60w desde una línea de 220v. determinar la (R). Los mismos cálculos para otra
lámpara de 100w
7. Un horno eléctrico consume 10 KW en una línea
de 120v. Calcular la (I), la (R) durante un tiempo de 39 hs. Hallar la energía
que consume la unidad expresada en W/seg
8. ¿Cuál es la energía consumida por una estufa
de 500 w en tres horas de uso?
Recordatorio
de unidades:
La unidad de
δ= Ω*mm2/M
La unidad de R=Ω
La unidad de T=V
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