ELECTROTECNIA Conceptos Básicos Juan Guillermo Valenzuela Hernández (jgvalenzuela@utp.edu.co) Universidad Tecnológica de Pereira Segundo Semestre de 2014 Juan Valenzuela 1
Electrotecnia La electrotecnia es la disciplina que estudia las aplicaciones técnicas de la electricidad. Ésta abarca el estudio de los fenómenos eléctricos desde el punto de vista de la utilidad práctica de la electricidad incluido en tres grandes campos del conocimiento: Las leyes, los teoremas, principios y técnicas de análisis que permiten el cálculo y predicción del comportamiento de los sistemas eléctricos. Elementos con los que se construyen los circuitos, equipos y máquinas eléctricas. Uso eficiente y racional de los recursos energéticos. 2
Electricidad La electricidad es el fenómeno físico que proviene de la existencia e interacción de cargas eléctricas y cuya energía puede manifestarse de distintas formas entre las cuales cabe destacar: Fenómenos Naturales Fenómenos Mecánicos Fenómenos Térmicos Fenómenos Lumínicos 3
Electricidad en Fenómenos Naturales Fenómenos Naturales Descargas Atmosféricas Sistema Nervioso 4
Electricidad en Fenómenos Mecánicos Fenómenos Mecánicos Motor eléctrico Tren de levitación magnética 5
Electricidad en Fenómenos Térmicos Fenómenos Térmicos Aire acondicionado Calentador de agua Soldador eléctrico 6
Electricidad en Fenómenos Luminosos Fenómenos Luminosos Bombilla Incandescente Bombilla Compacta Bombilla Halógena 7
Electricidad La electricidad es el fenómeno físico que proviene de la existencia e interacción de cargas eléctricas y cuya energía puede manifestarse de distintas formas entre las cuales cabe destacar: Fenómenos Naturales Fenómenos Mecánicos Fenómenos Térmicos Fenómenos Luminosos 8
Carga Eléctrica La carga eléctrica es una propiedad de la materia (más específicamente de algunas partículas subatómicas) que se manifiesta mediante fuerzas de atracción o repulsión. Electrones Neutrones Protones *Modelo atómico de Bohr. 9
Carga Eléctrica Los electrones se mantienen en sus orbitas debido a la fuerza de atracción que existe entre estos y el núcleo. Esta fuerza es conocida como fuerza electromagnética. Como característica especial, se puede destacar que en términos atómicos, es una fuerza de gran magnitud y puede ser de atracción o repulsión. Fuerzas Repulsivas Fuerza Atractivas 10
Corriente Eléctrica La corriente eléctrica es el flujo de carga eléctrica por unidad de tiempo que recorre un material. Esta se debe a un intercambio de electrones en el interior del material producto de una diferencia de potencial en dos puntos del material. La unidad de medida es el Ampere [A]. i t = dq(t) dt 11
Tensión eléctrica o Diferencia de Potencial La diferencia de potencial presente en un elemento es la energía (o trabajo) necesaria para mover una carga eléctrica unitaria desde un punto a otro en el espacio. Su unidad de medida es el Volt [V]. Voltaje a Vab b *La figura presentada corresponde simplemente a una analogía y no a el comportamiento real del fenómeno. 12
Potencia y Energía La potencia eléctrica es la cantidad de energía entregada o absorbida por un elemento en un instante de tiempo determinado. La unidad de medida de la Potencia es el Watt [w]. P(t) = v(t). i(t) w = [J] [s] La energía eléctrica es la capacidad de realizar un trabajo a partir de la existencia de una diferencia de potencial entre dos puntos que permite establecer una corriente eléctrica entre ambos. La unidad de medida de la Energía es el Joule [J]. E = P. t J = w. [t] *La energía es la que finalmente es cobrada por las empresas prestadoras de servicio a los usuarios. 13
Formas Comunes de Corriente Eléctrica Corriente Continua (DC) Flujo de electrones a través de un elemento conductor entre dos puntos que presentan diferente potencial eléctrico que se mantiene constante para todo instante de tiempo. Este flujo de electrones se presenta en un único sentido. i (t) I t (s) 14
Formas Comunes de Corriente Eléctrica Corriente Alterna (AC) Flujo de electrones a través de un elemento conductor entre dos puntos que presentan diferente potencial eléctrico que varia en el tiempo. Este flujo de electrones se presenta en ambos sentidos. I (t) Imax -- t (s) 15
Circuito Eléctrico Un circuito eléctrico es una interconexión de dos o más elementos de circuito que forman por lo menos una trayectoria cerrada. Estos son utilizados comúnmente para modelar fenómenos físicos relacionados con la electricidad. Básicamente son conformados por tres tipos de elementos. Alambre Fuente Carga Conductores Batería Resistor Alambre 16
Circuito Eléctrico Para el análisis de circuitos eléctricos, se deben tener en cuenta dos conceptos fundamentales iniciales: Nodo: Punto común (unión) de dos o más elementos de circuito. Malla: Trayectoria cerrada conformada por elementos de circuito. a a b 3 a Nodo 1 Im1 2 Im2 4 Im Malla d d c 17
Circuito Eléctrico Para el análisis de circuitos eléctricos, se deben tener en cuenta dos conceptos fundamentales iniciales: Nodo: Punto común (unión) de dos o más elementos de circuito. Malla: Trayectoria cerrada conformada por elementos de circuito. a a b 3 a Nodo 1 Im1 2 Im2 4 Im Malla d d c *Note que el nodo c es el mismo nodo d. 18
Elementos de Circuito Un circuito eléctrico está conformado por elementos que pueden ser clasificados en dos categorías principales según su característica de entrega o absorción de energía: Elementos activos: son aquellos capaces de suministrar energía a un elemento externo o un circuito. Entre estos podemos encontrar las fuentes de voltaje y corriente, de magnitudes que pueden ser dependientes o independientes de características del circuito. Elementos pasivos: son aquellos elementos de circuito que tiene la capacidad de absorber o almacenar energía tomada de la red para realizar un trabajo útil o convertirla en otra forma de energía. Entre estos podemos encontrar las resistencias, capacitancias e inductancias. 19
Elementos de Circuito Elementos activos Fuente Independiente de Voltaje: Elemento de circuito capaz de mantener en sus terminales una tensión determinada, independiente del valor de la corriente que requiera y/o fluya por los elementos del circuito alimentado. Fuente Independiente de Corriente: Elemento de circuito capaz de suministrar una corriente determinada, independiente del valor de la tensión presente en sus terminales. 20
Elementos de Circuito Elementos activos Fuente Dependiente de Voltaje: Elemento de circuito capaz de mantener una tensión en sus terminales que depende del valor de la corriente o tensión presente en algún elemento de circuito. a.v x b.i y Fuente Dependiente de Corriente: Elemento de circuito capaz de suministrar una corriente que depende del valor de la corriente o tensión presente en algún elemento de circuito. c.v x d.i y *Donde a y d son adimensionales, b [V/A] y c [A/V]. 21
Elementos de Circuito Elementos Activos Ejemplos de circuitos con fuentes dependiente e independientes: Ix 3Vx + Vx - I=7A Iz 3Iz V=3v + Vy - 22
Elementos de Circuito Elementos Pasivos Resistencia: Se designa con la letra R. Es un elemento utilizado para representar el fenómeno de la oposición el flujo de carga eléctrica y su asociada disipación de energía en forma de calor en algún lugar del sistema. La unidad de medida es el Ohm [Ω]. IR + VR - La resistencia eléctrica presenta un comportamiento modelado por la ley de Ohm en elementos lineales, pero su comportamiento no puede ser generalizado por la existencia de elementos no lineales. 23
Elementos de Circuito Elementos Pasivos Inductancia: Se designa con la letra L. Es un elemento utilizado para representar el almacenamiento de energía en el campo magnético en algún lugar del sistema. La unidad de medida es el Henrio [H]. IL + VL - El inductor representa la inducción electromagnética modelada mediante la ley de inducción de Faraday. Esta última plantea que una corriente variable en un conductor, produce un campo magnético variable, que a su vez produce un campo eléctrico variable y por tanto resulta una diferencia de potencial variable en el tiempo. 24
Elementos de Circuito Elementos Pasivos Capacitancia: Se designa con la letra C. Es un elemento utilizado para representar el almacenamiento de energía en el campo eléctrico, en algún lugar del sistema. La unidad de medida es el Faradio [F]. IL + VL - Un capacitor almacena cargas eléctricas entre un par de placas separadas por un material dieléctrico creando una diferencia de potencial entre ellas. Esa diferencia de potencial tiene una relación directa con la energía almacenada en campo eléctrico. 25
Gracias 26