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MODULO 1 ELECTROTECNIA U 1 Nociones de Eléctricidad y Magnetismo

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NOCIONES DE ELECTRICIDAD Y MAGNETISMOQué es la electricidad 1Resulta paradójico el desconocimiento que el usuario tiene de la electricidad en comparación con el frecuente uso que de ella hace en la vida cotidiana; basta citar la televisión, la radio, el cine, la luz, el ascensor, la lavadora, la nevera, etc., relacionados todas ellas con la electricidad.Los primeros atisbos de su conocimiento asoman ya en la antigua Grecia, cuando se comprobó que, al frotar determinadas sustancias, se producían en ellas características de atracción que antes no poseían. Es el mismo experimento que ahora se puede hacer frotando, por ejemplo, un bolígrafo con un paño; acercándolo luego a pedacitos de papel, los atrae hacia sí, como es característica de cuerpos electrizados. No todos los materiales pueden adquirir tal propiedad o en igual medida. Se atraen, por ejemplo, una barra de ebonita y otra de vidrio. Se repelen, sin embargo, dos barras de vidrio o dos de ebonita. 2 La experiencia ha demostrado la existencia de dos clases distintas de electrización: a una se le llama positiva (+); a la otra, negativa ( ).Si antes de empezar las experiencias, se aproximan las barras de ebonita y vidrio y de vidrio y vidrio, se comprobará que no existe electrización ninguna, pues no hay ni atracción ni repulsión. Así pues, se llega a la conclusión de que la electrización se produce por el frotamiento y de que existe algún agente común que no se comporta de igual forma en ambos materiales.Efectivamente, una partícula llamada electrón abandona en unos casos la barra, por acción del frotamiento, y otras veces abandona el paño para pasar a la barra.3 Por todo ello se puede afirmar que no se ven los electrones pero sí se notan sus efectos: la electricidad.Por consiguiente, para conocer cuál es el proceso eléctrico en una materia, es necesario conocer las propiedades del electrón; para ello, hará falta estudiar someramente la teoría atómica,Teoría atómicaCualquier clase de material está compuesto de moléculas, que son las partes más pequeñas de materia que mantienen las propiedades físicas. Son tan pequeñas que resultan imposibles de ver ordinariamente. Con ayuda del microscopio, sin embargo, se pueden estudiar bien; se advierte, incluso, que, a su vez, la molécula está compuesta de átomos; y aun éstos, de partes más diminutas llamadas protones, neutrones y electrones. 4En la figura se ve la disposición de tales partículas: los electrones se encuentran en la corteza; los protones y los neutrones, en el núcleo. Además, mientras los electrones orbitan alrededor del núcleo, éste permanece inmóvil respecto del resto del materialSe ha comprobado que los electrones disponen de carga eléctrica de signo contrario a la de los protones, y se admite que la carga del protón es positiva y la del electrón negativa, siendo igual el valor de sus cargas.Los electrones pueden perder con cierta facilidad su posición respecto del átomo; no así los protones y neutrones, que permanecen en el núcleo. Por ello, se dice que la electricidad se debe al desplazamiento de los electrones.Electrización de los átomosSi en un átomo de litio (Li), se suman las cargas, se advierte que la total es nula: 53(+) + 3( ) = 0ya que unas contrarrestan a las otras. Supóngase que, al frotar fuertemente este material, se consigue arrancarle un electrón de su última órbita en este momento, el balance de cargas ya no será nulo, pues el núcleo mantiene sus 3 protones y la corteza tan sólo 2 electrones y, por tanto:3(+) + 2( ) = 1(+)Se dirá que dicho átomo ha quedado cargado positivamente, o que se ha convertido en un catión (ion positivo).De igual forma se podrá pensar en añadir un electrón, con lo que el balance de cargas saldría negativo:3(+) + 4( ) = 1( )En este caso, al átomo se le llama anión (ion negativo).Se apreciará que, quitando o añadiendo electrones, electrizamos el átomo .y, en consecuencia, la materia, como se había afirmado en el apartado anterior.El electrónEsta partícula, idéntica para todas las sustancias (o sea, que el electrón es igual en un átomo de cobre que en uno de vidrio o de madera, etc.), es la más importante del átomo, ya que es la que dispone de carga y movilidad para poderse desplazar en los materiales.Estos dos conceptos de carga y movilidad son esenciales en el estudio de la electricidad, ya que, sin ellos, no podría existir la corriente eléctrica.R. A. Millikan descubrió la relación existente entre la carga y la masa de los electrones, siendo los valores de estos, respectivamente, 1,602 X 10-19 culombios y 9,106 X 10-31 kg.6Carga eléctrica (ley de Coulomb)Repetidas veces se ha mencionado, en los apartados anteriores, la expresión carga, que se podría calificar con el adjetivo eléctrica; en este apartado, se dará una idea de la misma.DefiniciónSe denomina carga eléctrica la cantidad de electricidad en un cuerpo, es decir, el exceso o defecto de electrones.Medida de la cargaPara poder determinar cuál de dos cuerpos está más cargado, es necesario definir la unidad de carga; el electrón podría parecer la mejor unidad, pero la carga que tiene es muy pequeña; en consecuencia, se tomó el culombio como unidad de carga eléctrica (Sistema Giorgi o M. K. S.) El culombio es una carga equivalente a 6,3 X 1018 Electrones.7El nombre de culombio se debe al descubridor de la ley fundamental de electrostática, Charles de Coulomb (1736 1806).Ley de coulombUna forma sencilla de medida de la carga eléctrica es la aplicación inmediata de la ley de Coulomb.Supóngase dos cuerpos cargados; si se conoce la carga de uno, la del otro se puede saber midiendo la fuerza con que se atraen o repelen estos cuerpos; hay, para esto, instrumentos adecuados (dinamómetros, etc.).La ley de Coulomb dice: La fuerza con que se atraen o repelen dos cargas eléctricas es directamente proporcional al producto de sus cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa.8Matemáticamente responde a la siguiente ecuacióndonde: F = la fuerza de atracción o repulsión,k =1/4 • • es la constante de proporcionalidad; depende del medio en el que se haga la medida (aire, vacío, etc.),Q = la carga de uno de los cuerpos,Q´ = la carga del otro cuerpo,r = la distancia entre ambos cuerpos.Cómo se puede producir electricidadDe todo lo expuesto en los apartados anteriores, se puede deducir que, en cualquier clase de material, existe electricidad.Ahora bien, la materia es eléctricamente neutra y, en consecuencia, es necesario que se aplique una energía externa para poder conseguir liberar algunos electrones (carga eléctrica), o sea, para obtener electricidad.Según sea la clase de energía aplicada al cuerpo, así será la forma de obtención de la electricidad; normalmente, se podrá disponer de electricidad por los siguientes procedimientos: 9De todas ellas, dos son las más usadas: por acción química y por acción magnética.La producción de electricidad por acción de la luz, la presión y el calor se suele utilizar para aplicaciones especiales; la producción por frotamiento no se usa en la práctica, y su estudio se debe al hecho histórico de que fue el primer sistema que se conoció y es la más sencilla de obtener sin medios costosos (basta un bolígrafo, unos trocitos de papel y un jersey).Producción de electricidad por frotamientoEsta forma de producción de electricidad es la más antigua que se conoce; recuérdese que los griegos ya conocían esta forma de producir electricidad.La electricidad del material por frotamiento se efectúa al abandonar los electrones las últimas órbitas de los átomos del material (vidrio) y, en consecuencia, los átomos quedan cargados positivamente y el paño negativamente, pues el vidrio le cede los electrones.Como ya se sabe, según el material, así será la electrización; o sea, cederá o ganará electrones.La carga conseguida por este método permanece en el material y se denomina carga estática.10Esta clase de electrización la conocen todos, ya que es cosa frecuente ver y oír el chisporroteo debido a la electricidad estática.Producción de electricidad por presión11Algunos materiales tienen propiedades piezoeléctricas características; por ejemplo, al someter un cristal de cuarzo a una presión, aparecen en la superficie del cristal cargas eléctricas.Esta propiedad de algunos materiales es muy empleada actualmente (encendedores de gas, cápsulas microfónicas, cápsulas para tocadiscos, etc.). El proceso de producir electricidad por medio de propiedades piezoeléctricas es reversible, es decir, si se aplica electricidad a un cristal, éste vibra o ejerce presiones contra sus soportes Producción de electricidad por acción química12Las pilas y acumuladores son dos dispositivos que aprovechan la propiedad de algunas reacciones químicas, capaces de separar las sustancias con distintas cargas eléctricas. Observando con atención la figura, se verá que las cargas de un signo se dirigen a uno de los terminales (electrodo), siendo de signo contrario las que van al otro electrodo; por tanto, si se conecta un hilo entre ambos terminales, habrá una compensación de cargas, esto es, el electrodo cargado negativamente cederá los electrones, a través del hilo, al electrodo positivo, donde contrarrestarán las cargas positivas.Producción de electricidad por acción magnética13Este procedimiento de producción es el más empleado, y con él se consigue la mayor parte de la cantidad de energía eléctrica usada.Su fundamento estriba en el hecho de que, al mover un conductor en presencia de un imán (campo magnético), en el conductor se induce una corriente.En esta forma de producción de electricidad se basa el funcionamiento de los alternadores, motores y dinamos.Producción de electricidad por acción de la luz14Este sistema de producción de electricidad se basa en la propiedad de algunas sustancias de crear carga eléctrica en sus caras cuando sobre ellas incide luz. Esta propiedad se conoce como fotoeléctrica.La producción de electricidad se suele realizar en pequeñas superficies, que se llaman fotocélulas, la unión de mucha de ellas forman un panel solar. Al incidir la luz sobre el selenio (por ser un material fotosensible), sé provoca el desprendimiento de electrones de las últimas capas que se acumulan en el material traslúcido, creándose en el hierro cargas positivas por inducción Producción de electricidad por acción del calor15Otra propiedad importante de algunos cuerpos es la termoelectrónica, debido a la cual, al calentar un material, éste desprende electrones.Esta propiedad es muy utilizada en las lámparas de descarga (para iluminación) y lámparas o tubos electrónicos.Otra propiedad parecida es la termoeléctrica, por la cual, al unir dos metales distintos y calentar la zona de unión, aparecen unos electrones, que pasan de un metal al otro.Este sistema de producción de electricidad es muy poco usado; su única aplicación importante se da en los termopares (arrollamientos de dos materiales empleados para medir temperaturas).Movimiento de electrones (corriente eléctrica)16Todo átomo tiende a quedar eléctricamente en estado neutro. Para ello, cederá o absorberá electrones, según le sobren o le falten, de los átomos situados en su proximidad. Si se unen por medio de un conductor dos cuerpos, uno de ellos con exceso de cargas negativas (electrones) y otro con falta, se establecerá a través del conductor un flujo de electrones que irá del que los tiene en exceso al que los tiene en defecto, estableciéndose así una corriente eléctrica.Esta corriente cesa cuando no hay posibilidades de conducción, bien por fallo del conductor, bien por equilibrio de las cargas de los dos cuerpos. Una explicación de la utilización del vocablo corriente puede hallarse en la similitud entre el movimiento de los fluidos (corriente de agua) y este concepto de corriente eléctrica.Corriente eléctrica: su sentido, clases y efectos17El sentido de desplazamiento de los electrones es del cuerpo cargado negativamente al cargado positivamente. Los electrones se desplazan del cuerpo negativo al cuerpo positivo.Con anterioridad a esta teoría, se tenía como sentido de la corriente eléctrica la que va del cuerpo positivo al cuerpo negativo. Este sentido, denominado convencional, es el que ha prevalecido hasta ahora, por lo que se encuentra en infinidad de textos estudios, esquemas, etc., Y por esto, todavía se sigue adoptando, como sentido de la corriente, el de + a -. No obstante, al tratar del sentido de la circulación de electrones, se aplica la teoría de - a +.El circuito eléctrico18 Para crear y mantener la corriente eléctrica, deben darse dos condiciones indispensables: Que haya una fuente de electrones o un dispositivo para su generación (generador), pila, batería fotocélula, termopar, etc.-Que exista un camino exterior al generador sin interrupción, por el cual puedan circular los electrones; a este camino se le conoce como conductor. Además de estas dos condiciones indispensables, en la mayoría de los casos, existe un elemento llamado receptor, que es el que recibe los electrones y aprovecha su energía para conseguir luz, calor, movimiento, etc.A todo este conjunto se le denomina circuito eléctrico. Si los conductores permanecen unidos al generador y al receptor, se dice que es un circuito cerrado. Los electrones circulan por el circuito desde el polo negativo del generador (batería) a su polo positivo e, internamente en el generador, desde el positivo al negativo.19 Por el contrario, cuando un conductor no está conectado al generador o al receptor, los electrones no pueden pasar por el circuito y, en consecuencia, no se establece la corriente eléctrica. En este caso, se dice que se un circuito abierto.Clases de corriente eléctrica20Se sabe que la corriente eléctrica es el movimiento de electrones; ahora bien, atendiendo al movimiento de los electrones (su sentido) y a su cantidad, se puede hacer una clasificación de la corriente eléctrica. Corriente continua (abreviadamente c. c.), cuando circula siempre en el mismo sentido y con valor constante (la misma cantidad de electrones en cada instante).Esta clase de corriente viene producida por dinamos, pilas y acumuladores.21 Corriente alterna (abreviadamente c. a.), cuando circula en ambos sentidos, esto es, cuando los electrones se desplazan tanto en un sentido como en el contrario. Según el instante considerado, el sentido será uno u otro, siendo también variable la cantidad de electrones que pasan por un punto. Esta clase de corriente la producen los alternadores y osciladores. 22 Corriente pulsatoria. Se llama así cuando circula siempre en el mismo sentido, aunque la cantidad de electrones sea variable. En la mayoría de las aplicaciones cotidianas, se utilizará corriente alterna, quedando las dos corrientes restantes para casos específicos, no menos importantes.Efectos de la corriente eléctrica23Los efectos de la corriente eléctrica se pueden clasificar en: luminosos, caloríficos, magnéticos, dinámicos y químicos.Estos fenómenos suelen aparecer relacionados entre sí. Por ejemplo: una lámpara desprende calor, y una estufa, en determinadas condiciones, desprende luz. También los fenómenos magnéticos y dinámicos están relacionados: se puede conseguir un imán enrollando un conductor, recorrido por corriente, a un núcleo de hierro y aprovecharlo para inducir en otro bobinado una fuerza electromotriz y producir un giro de éste.También se puede utilizar la corriente eléctrica para producir efectos químicos como, por ejemplo, recubrimientos metálicos, dorados, cromados, carga de baterías, etc.Qué es el magnetismo24Anteriormente hemos indicado someramente cómo se puede obtener electricidad a partir de la energía magnética.Por ser el método más importante de producción, en este apartado se estudiarán las características del magnetismo.Los cuerpos que poseen propiedades magnéticas permanentes se llaman imanes y se pueden clasificar en dos grupos: Naturales (fig. A). Artificiales (fig. B).Los imanes artificiales son los que se usan en la práctica; pueden ser temporales o permanentes, según que sus efectos desaparezcan o se mantengan en el tiempo.Campo magnético25Se denomina campo magnético de un imán el espacio en que se manifiestan sus acciones magnéticas sobre otros cuerpos.Para observar el campo magnético creado por un imán, bastará espolvorear unas limaduras de hierro sobre una superficie plana (cristal, cartón, etc.) y colocar, debajo de ésta, un imán permanente, y se apreciará cómo dichas limaduras se orientan según unas líneas magnéticas.Las líneas magnéticas también se conocen con el nombre de líneas de fuerza, puesto que éstas serían las trayectorias de las limaduras al colocarlas en el campo que se desea estudiar Las líneas de fuerza son siempre cerradas y no son concurrentes en ninguna ocasión.Las líneas de fuerza parten siempre del polo norte y retornan al imán por el polo sur, cerrándose por el interior del imán.Polos e interacción entre imanesSi se observan las imágenes de la figura, se podrá apreciar que existen unos puntos donde se concentra más la cantidad de limaduras de hierro; a dichas zonas se les conoce con el nombre de polos magnéticos y se les determina con una indicación gráfica según se orienten al situarlos en el campo terrestre; el polo que señala hacia el norte recibe el nombre de polo norte del imán; en consecuencia, el otro polo recibe el nombre de polo sur del imán, puesto que indica la dirección sur.26Si se quieren aproximar dos imanes, se observará que, según sean los polos que se acerquen, será necesaria una fuerza o no hará falta el menor esfuerzo para tal aproximación. Cuando se aproximan dos polos iguales, aparece una repulsión y, en consecuencia, es necesario realizar un esfuerzo para aproximarlos.Cuando los polos aproximados son distintos, aparece una atracción entre ellos y, en este caso, sin esfuerzo alguno se consigue que los extremos se junten. Intensidad del campo magnético27 Es evidente que las líneas de fuerza de un imán están más o menos concentradas en función de la imantación de éste. En consecuencia, según haya mucha o poca concentración de líneas de fuerza, así será mayor o menor la atracción del imán sobre materiales férricos; por eso, unos imanes crean mayor intensidad de campo que otros.La intensidad de campo depende del espacio que circunda al imán, o sea, de las características magnéticas de éste, y se representa con la letra H.28Al número total de líneas de fuerza existente en un circuito magnético se le denomina Flujo y se representa por la letra griega (fí), siendo su unidad el maxvelio.Campos magnéticos asociados a la corriente eléctrica29El electromagnetismo es importante para el estudio de la electricidad porque muchos dispositivos, como interruptores automáticos y relés, utilizan electroimanes.Cuando se estudia el electromagnetismo se estudian dos áreas que están directamente relacionadas: El efecto de la corriente eléctrica sobre el magnetismo. Un ejemplo clásico de esto es el timbre de la puerta, o el interruptor automático que todos tenemos en casa. El efecto del magnetismo sobre la corriente eléctrica. Un caso claro es el de los generadores de electricidad, en los que un campo magnético produce una corriente eléctrica sobre unos conductores que giran dentro del campo magnético.El magnetismo y la electricidad están tan directamente relacionados que no se puede estudiar uno de ellos sin involucrar al otro. Es importante recordar una relación general que hay entre el magnetismo y la electricidad:30 una corriente eléctrica siempre producirá un campo magnético.Por el simple hecho de encender una linterna estás creando un campo magnético en torno a la bombilla, a los conductores y, en general, en torno a la linterna.Acción de un campo magnético sobre un conductor rectilineo por el que circula corriente31Como acabamos de decir, siempre que una corriente eléctrica atraviesa un conductor se genera un campo magnético. Si, por ejemplo, tenemos una brújula cerca del conductor por el que circula la corriente, la aguja se pondrá en ángulo recto con respecto al conductor.Podemos comprobar que efectivamente existe un campo magnético en torno a un conductor por el que circula una corriente si hacemos pasar dicho hilo a través de una cartulina o una hoja de papel, y espolvoreamos limaduras de hierro en dicha cartulina.Al aplicar tensión a ese hilo, y por tanto, al comenzar a circular la corriente eléctrica por el hilo, las limaduras de hierro se alinearán formando círculos, que es la forma que toman las líneas de fuerza en este caso.Si en lugar de limaduras de hierro lo que hacemos es colocar una brújula en la cartulina, la aguja de la brújula se irá orientando de la forma que dijimos anteriormente, pero si invertimos la polaridad de la pila, la aguja se orientará igualmente en forma perpendicular al hilo conductor, con la salvedad de que la aguja que indica el norte apuntará en sentido contrario.Sin embargo, las limaduras de hierro seguirán formando círculos. Esto quiere decir que las líneas de fuerza pueden girar en el sentido de las agujas del reloj o en el sentido contrario dependiendo del sentido de la corriente eléctrica.La regla de Maxwell32Para conocer en qué sentido girarán las líneas de fuerza sólo tienes que aprenderte la regla del sacacorchos o regla de Maxwell, que dice:Si hacemos coincidir el eje de un sacacorchos con la línea del conductor y haciéndolo avanzar en el mismo sentido de la corriente el sentido de giro del sacacorchos coincide con el sentido de las líneas de fuerza.Observando la (Fig a) se entiende fácilmente que dos conductores paralelos se atraen entre sí, si la corriente que circula por cada uno de ellos lo hace en el mismo sentido. Si por cada uno de ellos circulase una corriente en sentido contrario uno con respecto al otro (Fig. b), ambos conductores se repelerían (se separarían). Esto no es más que un efecto del campo magnético que crea una corriente eléctrica por un conductor.Intensidad de campo originado por una bobinaUna bobina crea un campo magnético.33La bobina (Fig A) se compone de un hilo conductor aislado, por donde circula la corriente, enrollado a un núcleo cilíndrico.Si analizamos un corte transversal de una bobina (Fig. B), observaremos que en una parte del corte se genera un campo magnético que va en un sentido, mientras que en el otro se genera un campo magnético que va en el sentido contrario. Pero si observamos detenidamente, veremos que en realidad lo que se forma es un campo magnético igual al que podría generar un imán natural o permanente de las mismas dimensiones y forma.En una bobina en realidad sólo hay un conductor, pero como da vueltas en torno al núcleo el efecto obtenido es el mismo que en los conductores paralelos por los que circula una corriente en el mismo sentido.Esto quiere decir que se sumarán los campos magnéticos de todas las espira, creando un campo magnético muy superior al que tendría ese mismo conductor puesto en línea recta en lugar de estar formando espiras.La fuerza o intensidad del campo magnético (H) generado por una bobina depende de una serie de factores34Del número de vueltas (N) que se haya dado al conducto en torno al núcleo: cuantas más vueltas se hayan dado más fuerte será el campo magnético.De la longitud (1) de la bobina; influye inversamente en el valor de la intensidad de campo.De la intensidad (I) de la corriente a través del conductor: a mayor intensidad, mayor fuerza del campo magnético. I intensidad de la corriente.N número de vueltas.1,25 es una constante.H se mide en OerstedL longitud en cm.



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