Carga eléctrica: Se clasifica en carga positiva y negativa. Las cargas del mismo signo se repelen mientras que las de signo contrario se atraen.

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1 Identificación de los conceptos básicos de la electricidad. Carga eléctrica: La carga eléctrica es una propiedad física intrínseca de algunas partículas, que las caracteriza y por la cual sufren la interacción electromagnética. En el Sistema Internacional de Unidades se mide en culombios y en las fórmulas físicas suele representarse con la letras q o Q. Se clasifica en carga positiva y negativa. Las cargas del mismo signo se repelen mientras que las de signo contrario se atraen. La carga eléctrica aparece en la naturaleza cuantizada, es decir, siempre es múltiplo de una cantidad fundamental: el valor absoluto de la carga del electrón o del protón: q = culombios. Hay que señalar que se cree que la carga de los quarks, partículas que componen los núcleos atómicos, toma valores fraccionarios de esta cantidad fundamental. Sin embargo, nunca se han observado quarks libres. Para objetos no puntuales, la carga eléctrica es la suma de las cargas eléctricas de las partículas constituyentes. La carga eléctrica se conserva: en ningún proceso puede crearse o destruirse carga neta. Pueden aparecer cargas eléctricas donde antes no había, pero siempre lo harán de modo que la carga total del sistema permanezca constante. Además esta conservación es local, ocurre en cualquier región del espacio por pequeña que sea. La carga es un invariante relativista. La carga de un cuerpo es la misma independientemente de la velocidad con la que se mueva. Propiedades de la carga eléctrica La carga eléctrica no se crea ni se destruye, sólo se transforma (conservación de la energía). La carga eléctrica siempre está cuantizada. Se representa en cantidades enteras de la unidad fundamental de carga

2 Interacción entre cargas Cargas de signos iguales se repelen. Cargas de signos contrarios se atraen. Materiales conductores y aislantes Cuerpos conductores Los cuerpos conductores: Son aquellos materiales que ofrece poca resistencia al flujo de electrones o electricidad dejando pasar fácilmente la corriente eléctrica, de manera semejante como las tuberías conducen agua a través de un circuito hidráulico. Para que un cuerpo sea conductor necesita tener átomos con muchos electrones libres, que se puedan mover con facilidad de un átomo a otro. Los conductores utilizados en instalaciones eléctricas son generalmente alambres de cobre o de aluminio, desnudos o recubiertos con algún tipo de material aislante que son los que actúan como paredes de protección e impidiendo que los electrones puedan moverse fuera de los alambres al ser contactados por objetos conductores externos. La cantidad de corriente que puede circular por un alambre o conductor, depende del material utilizado en su fabricación, del tamaño de su diámetro o calibre y del tipo de aislante que lo protege. El calibre de los alambres conductores que se utilizan en instalaciones eléctricas viene especificado con un número estándar como por ejemplo: 18, 16,14, 12, 10, 8, 6, 3, 2, 1, 1/0, 2/0, 3/0, 4/0 estos números son asignados por la American Wire Gauge (AWG). A menor número AWG de un conductor, mayor es su grosor, y por lo tanto su capacidad para transportar corriente es mayor, y si su número AWG es mayor, menor será su grosor y su capacidad de conducción. ( El número de un cable calibre AWG # 8 transporta mayor electrones que uno de AWG # 10).

3 Cuerpos Aislantes Los cuerpos aislantes: Son los que no permiten el paso e intercambio de electrones periféricos siendo sus átomos normalmente estables, es decir, que no permiten el paso de la corriente eléctrica. Algunos materiales aislantes son: La madera. El vidrio. El plástico. La cerámica. Algunos materiales son usados en el recubrimiento de los alambres conductores, esto ase que la corriente circule por el interior del conductor y sus electrones no salgan al exterior del alambre, protegiéndonos así de descargas o choques eléctricos. En los alambres conductores para instalaciones eléctricas suelen usarse revestimientos de plástico como aislantes; para los hilos de cobre de algunas bobinas como las que se emplean para la construcción de algunos transformadores, suelen aislarse con una delgada capa de barniz. Para las líneas de alta tensión suelen usarse buenos materiales aislantes como el vidrio, porcelana u otro material cerámico, esto se debe a que las altas tensiones ocasionan los arcos eléctricos. La elección del material aislante suele venir determinada por la aplicación. El polietileno y poliestireno se emplean en instalaciones de alta frecuencia, y el mylar se emplea en condensadores eléctricos. También hay que seleccionar los aislantes según la temperatura máxima que deban resistir. El teflón se emplea para temperaturas altas, entre 175 y 230 ºC. Las condiciones mecánicas o químicas adversas pueden exigir otros materiales. El nylon tiene una excelente resistencia a la abrasión, y el neopreno, la goma de silicona, los poliésteres de epoxy y los poliuretanos pueden proteger contra los productos químicos y la humedad.

4 El tipo de aislamiento que es utilizado para forrar un alambre conductor, es especificado mediante códigos literales que hacen referencia a su composición y propiedades, este tipo de códigos vienen representados mediante letras, algunos de esos tipos de aislantes serian:tw, THW, THWN, RHH, RUW, etc, dependiendo también si son termoplásticos (T), de hule (R), de nylon (N), resistentes al calor (H, HH), resistentes al agua (W). Ley de Coulomb La ley de Coulomb puede expresarse como: La magnitud de cada una de las fuerzas eléctricas con que interactúan dos cargas puntuales en reposo es directamente proporcional al producto de la magnitud de ambas cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa. F=K(Q1) (Q2) R Donde: F: fuerza en newton (N). Q1 y Q2: cargas en culombios (C). r: distancia que separa las cargas en metros (m). K: constante de Coulomb. Depende del medio (en el vacío, K = N m2/c2). Resistencia: Se denomina resistencia eléctrica, simbolizada habitualmente como R, a la dificultad u oposición que presenta un cuerpo al paso de una corriente eléctrica para circular a través de él. En el Sistema Internacional de Unidades, su valor se expresa en ohmios, que se designa con la letra griega omega mayúscula, Ω. Para su medida existen diversos métodos, entre los que se encuentra el uso de un ohmímetro. Esta definición es válida para la corriente continua y para la corriente alterna cuando se trate de elementos resistivos puros, esto es, sin componente inductiva ni capacitiva. De existir estos componentes reactivos, la oposición presentada a la circulación de corriente recibe el nombre de impedancia. Según sea la magnitud de esta oposición, las sustancias se clasifican en conductoras, aislantes y semiconductoras. Existen además ciertos materiales en los que, en determinadas condiciones de temperatura, aparece un fenómeno denominado superconductividad, en el que el valor de la resistencia es prácticamente nulo.

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7 Corriente La corriente o intensidad eléctrica es el flujo de carga por unidad de tiempo que recorre un material. Se debe a un movimiento de los electrones en el interior del material. En el Sistema Internacional de Unidades se expresa en C s-1 (culombios sobre segundo), unidad que se denomina amperio. Una corriente eléctrica, puesto que se trata de un movimiento de cargas, produce un campo magnético, lo que se aprovecha en el electroimán. El instrumento usado para medir la intensidad de la corriente eléctrica es el galvanómetro que, calibrado en amperios, se llama amperímetro, colocado en serie con el conductor cuya intensidad se desea medir.

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10 REQUISITOS PARA QUE CIRCULE LA CORRIENTE ELÉCTRICA Para que una corriente eléctrica circule por un circuito es necesario que se disponga de tres factores fundamentales: 1. Una fuente de fuerza electromotriz (FEM) como, por ejemplo, una batería, un generador o cualquier otro dispositivo capaz de bombear o poner en movimiento las cargas eléctricas negativas cuando se cierre el circuito eléctrico. 2. Un camino que permita a los electrones fluir, ininterrumpidamente, desde el polo negativo de la fuente de suministro de energía eléctrica hasta el polo positivo de la propia fuente. En la práctica ese camino lo constituye el conductor o cable metálico, generalmente de cobre. 3. Una carga o consumidor conectado al circuito que ofrezca resistencia al paso de la corriente eléctrica. Se entiende como carga cualquier dispositivo que para funcionar consuma energía eléctrica como, por ejemplo, una bombilla o lámpara para alumbrado, el motor de cualquier equipo, una resistencia que produzca calor (calefacción, cocina, secador de pelo, etc.), un televisor o cualquier otro equipo electrodoméstico o industrial que funcione con corriente eléctrica. Cuando las cargas eléctricas circulan normalmente por un circuito, sin encontrar en su camino nada que interrumpa el libre flujo de los electrones, decimos que estamos ante un circuito eléctrico cerrado. Si, por el contrario, la circulación de la corriente de electrones se interrumpe por cualquier motivo y la carga conectada deja de recibir corriente, estaremos ante un circuito eléctrico abierto. Por norma general todos los circuitos eléctricos se pueden abrir o cerrar a voluntad utilizando un interruptor que se instala en el camino de la corriente eléctrica en el propio circuito con la finalidad de impedir su paso cuando se acciona manual, eléctrica o electrónicamente. Voltaje: Voltaje, tensión o diferencia de potencial El voltaje, tensión o diferencia de potencial es la presión que ejerce una fuente de suministro de energía eléctrica o fuerza electromotriz (FEM) sobre las cargas eléctricas o electrones en un circuito eléctrico cerrado, para que se establezca el flujo de una corriente eléctrica. A mayor diferencia de potencial o presión que ejerza una fuente de FEM sobre las cargas eléctricas o electrones contenidos en un conductor, mayor será el voltaje o tensión existente en el circuito al que corresponda ese conductor.

11 Las cargas eléctricas en un circuito cerrado fluyen del polo negativo al polo positivo de la propia fuente< de fuerza electromotriz. La diferencia de potencial entre dos puntos de una fuente de FEM se manifiesta como la acumulación de< cargas eléctricas negativas (iones negativos o aniones), con exceso de electrones en el polo negativo ( )< y la acumulación de cargas eléctricas positivas (iones positivos o cationes), con defecto de electrones< en el polo positivo (+) de la propia fuente de FEM. A la izquierda podemos apreciar la estructura completa de un átomo de cobre (Cu) en estado "neutro",< con un solo electrón girando en su última órbita y a la derecha un "ión" cobre, después que el átomo ha< perdido el único electrón que posee en su órbita más externa. Debido a que en esas condiciones la< carga positiva de los protones supera a las cargas negativas de los e lectrones que aún continúan< girando en el resto de las órbitas, el ión se denomina en este caso "catión", por tener carga positiva.< En otras palabras, el voltaje, tensión o diferencia de potencial es el impulso que necesita una carga eléctrica para que pueda fluir por el conductor de un circuito eléctrico cerrado. Este movimiento de las cargas eléctricas por el circuito se establece a partir del polo negativo de la fuente de FEM hasta el polo positivo de la propia fuente. Fuentes de fuerza electromotriz Como fuente de fuerza electromotriz se entiende cualquier dispositivo capaz de suministrar energía eléctrica dinámica, ya sea utilizando medios químicos, como las baterías, o electromecánicos, como ocurre con los generadores de corriente eléctrica. Batería como las comúnmente utilizadas en coches y vehículos motorizados. Generador sincrónico empleado. para producir< corriente alterna en centrales termoeléctricas< de pequeño tamaño.

12 Existen también otros tipos de dispositivos como, por ejemplo, las fotoceldas o celdas solares, que convierten la luz en electricidad; los termopares, cuyos alambres transforman la alta temperatura que reciben en el punto de unión de dos de sus extremos en voltajes muy bajos, y los dispositivos piezoeléctricos, que también producen voltajes muy bajos cuando se ejerce una presión sobre ellos. Mediante el uso de celdas solares se puede suministrar energía eléctrica a viviendas situadas en lugares muy apartados donde es imposible o poco rentable transmitirla por cables desde una central eléctrica. Los termopares se utilizan como sensores en instrumentos electrónicos de precisión, como los destinados a medir, por ejemplo, temperatura en hornos y calderas. Los dispositivos piezoeléctricos constituyen, por su parte, la pieza fundamental para convertir las vibraciones mecánicas que capta dicho dispositivo en pulsaciones eléctricas, como ocurre en algunos tipos de micrófonos y en las cápsulas de tocadiscos o giradiscos. Medición de la tensión o voltaje Para medir tensión o voltaje existente en una fuente de fuerza electromotriz (FEM) o e un circuito eléctrico, es necesario disponer de un instrumento de medición llamado voltímetro, que puede ser tanto del del tipo analógico como digital. El voltímetro se instala de forma paralela en relación con la fuente de suministro de energía eléctrica. Mediante un multímetro o tester que mida voltaje podemos realizar también esa medición. Los voltajes bajos o de baja tensión se miden en volt y se representa por la letra (V), mientras que los voltajes medios y altos (alta tensión) se miden en kilovolt, y se representan por las iniciales (kv). 1. Voltímetro analógico. 2. Voltímetro digital. 3. Miliamperímetro analógico. 4. Amperímetro digital. El voltímetro siempre se conecta en paralelo con la fuente de suministro de fuerza electromotriz, mientras que el amperímetro y el miliamperímetro se colocan en serie.

13 Diferencias entre la alta, baja y media tensión Alta tensión. Se emplea para transportar altas tensiones a grandes distancias, desde las centrales generadoras hasta las subestaciones de transformadores. Su transportación se efectúa utilizando gruesos cables que cuelgan de grandes aisladores sujetos a altas torres metálicas. Las altas tensiones son aquellas que superan los 25 kv (kilovolt). Media tensión. Son tensiones mayores de 1 kv y menores de 25 kv. Se emplea para transportar tensiones medias desde las subestaciones hasta las subestaciones o bancos de transformadores de baja tensión, a partir de los cuales se suministra la corriente eléctrica a las ciudades. Los cables de media tensión pueden ir colgados en torres metálicas, soportados en postes de madera o cemento, o encontrarse soterrados, como ocurre en la mayoría de las grandes ciudades. Baja tensión. Tensiones inferiores a 1 kv que se reducen todavía más para que se puedan emplear en la industria, el alumbrado público y el hogar. Las tensiones más utilizadas en la industria son 220, 380 y 440 volt de corriente alterna y en los hogares entre 110 y 120 volt para la mayoría de los países de América y 220 volt para Europa. Hay que destacar que las tensiones que se utilizan en la industria y la que llega a nuestras casas son alterna (C.A.), cuya frecuencia en América es de 60 ciclos o hertz (Hz), y en Europa de 50 ciclos o hertz. Otros datos Aunque desde hace años el Sistema Internacional de Medidas (SI) estableció oficialmente como volt el nombre para designar la unidad de medida del voltaje, tensión eléctrica o diferencia de potencial, en algunos países de habla hispana se le continúa llamando voltio. El volt recibe ese nombre en honor al físico italiano Alessandro Volta ( ), inventor de la pila eléctrica conocida como pila de Volta, elemento precursor de las actuales pilas y baterías eléctricas. LA INDUCCIÓN ELECTROMAGNÉTICA Cuando movemos un imán permanente por el interior de las espiras de una bobina solenoide (A), formada por espiras de alambre de cobre, se genera de inmediato una fuerza electromotriz (FEM), es decir, aparece una corriente eléctrica fluyendo por las espiras de la bobina, producida por la inducción magnética del imán en movimiento. Si al circuito de esa bobina (A) le conectamos una segunda bobina (B) a modo de carga eléctrica, la corriente al circular por esta otra bobina crea a su alrededor un campo electromagnético, capaz de inducir, a su vez, corriente eléctrica en una tercera bobina. Por ejemplo, si colocamos una tercera bobina solenoide (C) junto a la bobina (B), sin que exista entre ambas ningún tipo de conexión ni física, ni eléctrica y conectemos al circuito de esta última un galvanómetro (G), observaremos que cuando movemos el imán por el interior de (A), la aguja del galvanómetro se moverá indicando que por las espiras de (C), fluye

14 corriente eléctrica provocada, en este caso, por la inducción electromagnética que produce la bobina (B). Es decir, que el campo magnético del imán en movimiento produce inducción magnética en el enrollado de la bobina (B), mientras que el campo electromagnético que crea la corriente eléctrica que fluye por el enrollado de esa segunda bobina produce inducción electromagnética en una tercera bobina que se coloque a su lado. El campo magnético del imán en movimiento dentro de la bobina solenoide (A), provoca que, por. inducción magnética, se genere una corriente eléctrica o fuerza electromotriz (FEM) en esa bobina. Si. instalamos al circuito de (A) una segunda bobina (B), la corriente eléctrica que comenzará a circular por. sus espiras, creará un campo electromagnético a su alrededor, capaz de inducir, a su vez, pero ahora. por inducción electromagnética, una corriente eléctrica o fuerza electromotriz en otra bobina (C). La. existencia de la corriente eléctrica que circulará por esa tercera bobina se podrá comprobar con la ayuda. de un galvanómetro (G) conectado al circuito de esa última bobina. Conectemos ahora una pila al circuito de una bobina solenoide (S1) y un galvanómetro al circuito de una segunda bobina solenoide (S2). El circuito que forman la pila y la bobina solenoide S1 se encuentra cerrado por medio de un interruptor, por lo que la corriente que suministra la pila, al fluir por las espiras del alambre de cobre de la bobina, crea un campo magnético constante fijo a su alrededor, que no induce corriente alguna en la bobina S2, tal como se puede observar en la aguja del galvanómetro, que se mantiene en 0. Pero si ahora moviéramos la bobina S1 hacia arriba y hacia abajo, manteniendo fija en su sitio a la bobina S2, el campo electromagnético de la bobina S1, ahora en movimiento, inducirá una corriente eléctrica en la bobina S2, cuyo flujo o existencia registrará la aguja del galvanómetro. También, si en lugar de mover la bobina S1 abrimos y cerramos ininterrumpidamente el interruptor del circuito de la pila, la fuerza contraelectromotriz que se crea cada vez que se abre el circuito interrumpiendo la formación del campo electromagnético, inducirá también una corriente eléctrica en la bobina S2, que registrará el movimiento de la aguja del galvanómetro.

15 Sin embargo, como se comprenderá para provocar la inducción magnética o la electromagnética no resulta nada práctico mantener un imán en movimiento por dentro de una bobina de forma manual, ni mover una bobina de igual forma, ni tampoco abrir y cerrar manualmente un interruptor para hacer que se induzca corriente eléctrica en otra bobina. En la práctica, la solución tecnológica más utilizada es conectar una de las bobinas a una fuente de corriente alterna, para que el cambio constante de polaridad, propio de este tipo de corriente, provoque la formación de un campo electromagnético variable capaz de inducir por sí mismo corriente eléctrica, igualmente alterna, en otra bobina colocada a su lado. La corriente eléctrica alterna circulando por una bobina (S1) crea a su alrededor un campo. electromagnético variable, capaz de inducir por sí mismo corriente alterna en otra bobina (S2) colocada a. su lado. Normalmente la bobina S1 se denomina enrollado primario, mientras que la bobina S2 recibe el nombre de enrollado secundario y ambas constituyen la base del funcionamiento de los transformadores eléctricos. En ocasiones se pueden encontrar ambos enrollados colocados uno encima de otro formando una bobina de un solo cuerpo. Por otra parte, si en lugar tener la bobina el interior hueco (núcleo de aire) se enrolla sobre un núcleo de hierro, las líneas de fuerza electromagnéticas se intensifican, convirtiéndose en u electroimán, capaz de atraer cuerpos metálicos. El fenómeno de la inducción electromagnética fue descubierto en 1831 por el físico inglés Michael Faraday (Newington, Inglaterra, 1791 Londres, 1867). ELEMENTOS DE UN CIRCUITO ELÉCTRICO Introducción: Los elementos de un circuito eléctrico se pueden dividir principalmente en: Elementos pasivos - Son aquellos que absorben energía. Elementos activos - Son aquellos que suministran energía. Un ejemplo de elemento pasivo seria el resistor y las fuentes de corriente y voltaje serian elementos activos. Los capacitores e inductores suelen estar dentro de estas dos categorías ya que adsorben energía cuando se carga y asi mismo suministran energía cuando se descargan. El resistor, inductor, capacitor y fuentes son los elementos básicos y es posible ejemplificar el funcionamiento de cualquier dispositivo electrónico con diferentes combinaciones de estos elementos.

16 Resistores: Es un elemento pasivo. Se denomina resistor a la oposición que encuentra la corriente eléctrica para recorrerla. Su valor se mide en ohmios y se designa con la letra griega omega mayúscula (Ω). La materia presenta 4 estados en relación al flujo de electrones. Éstos son conductores, semiconductores, resistores y dieléctricos. Todos ellos se definen por el grado de oposición a la corriente eléctrica (Flujo de Electrones). Y disipa la energía en forma irreversible. La fórmula que la rige de acuerdo con la ley de Ohm es: Figura de resistores Capacitores o condensadores: Es un dispositivo formado por dos conductores o armaduras, generalmente en forma de placas o láminas separados por un material dieléctrico, que, sometidos a una diferencia de potencial adquieren una determinada carga eléctrica. A esta propiedad de almacenamiento de carga se le denomina capacidad o capacitancia. En el Sistema internacional de unidades se mide en Faradios (F), siendo 1 faradio la capacidad de un condensador en el que, sometidas sus armaduras a una diferencia de potencial de 1 voltio, éstas adquieren una carga eléctrica de 1 culombio.

17 La capacidad de 1 faradio es mucho más grande que la de la mayoría de los condensadores, -6 por lo que en la práctica se suele indicar la capacidad en microfaradios µf = 10, nanofaradios µf = 10 o picofaradios µf = 10. Capacitancia.- es una medida de la propiedad de un dispositivo de almacenar energía en forma de cargas separadas o de un campo eléctrico. Donde: ε = Constante dieléctrica. A = Área de las placas. d = distancia entre las placas. El voltaje a través de un capacitor no puede cambiar bruscamente respecto al tiempo. Figura inductores Inductor o bobina: Es un componente pasivo que, debido al fenómeno de la autoinducción, almacena energía en forma de campo magnético. Un inductor está constituido usualmente por una bobina de material conductor, típicamente cable de cobre. Existen inductores con núcleo de aire o con núcleo de un material ferroso, para incrementar su inductancia. Inductancia: Medida de la capacidad de un dispositivo para almacenar energía en forma de un campo magnético.

18 Otra definición: Se define como la propiedad de un dispositivo eléctrico que hace que el paso de una corriente variable con el tiempo produzca un voltaje a través del tiempo. En un inductor la corriente no puede cambiar instantáneamente respecto al tiempo. Figura inductores Fuente eléctrica: Es un circuito o dispositivo eléctrico activo que provee una diferencia de potencial o una corriente de manera confiable para que otros circuitos puedan funcionar. A continuación se indica una posible clasificación de las fuentes eléctricas:

19 Fuentes ideales: Las fuentes ideales son elementos utilizados en la teoría de circuitos para el análisis y la creación de modelos que permitan analizar el comportamiento de componentes electrónicos o circuitos reales. Pueden ser independientes, si sus magnitudes (tensión o corriente) son siempre constantes, o dependientes en el caso de que dependan de otra magnitud (tensión o corriente). Símbolos de las fuentes ideales de tensión, a), e intensidad, b). Fuente independiente: Es un generador de voltaje o corriente que no depende de otras variables del circuito. Fuente dependiente: Es un generador de voltaje o corriente cuyos valores dependen de otra variable del circuito. Fuentes reales: A diferencia de las fuentes ideales, la diferencia de potencial que producen o la corriente que proporcionan fuentes reales, depende de la carga a la que estén conectadas. Símbolos de las fuentes reales de tensión, a), e intensidad, b).

20 Fuente de tensión ideal: Aquella que genera una d. d. p. entre sus terminales constante e independiente de la carga que alimente. Si la resistencia de carga es infinita se dirá que la fuente está en circuito abierto, y si fuese cero se estaría en un caso absurdo, ya que según su definición una fuente de tensión ideal no puede estar en cortocircuito. Fuente de intensidad ideal: Aquella que proporciona una intensidad constante e independiente de la carga que alimente. Si la resistencia de carga es cero se dirá que la fuente está en cortocircuito, y si fuese infinita estaríamos en un caso absurdo, ya que según su definición una fuente de intensidad ideal no puede estar en circuito abierto. Interruptor o conmutador Es un elemento secundario que tiene dos estados. Abierto y cerrado. Idealmente, un interruptor es un corto circuito cuando está cerrado y un circuito abierto cuando está abierto. Se suelen utilizar para conectar diferentes ramas o elementos de un circuito eléctrico.

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