UD1. CONCEPTOS BÁSICOS DE ELECTRICIDAD Centro CFP/ES CONCEPTO DE ENERGÍA La capacidad de desarrollar trabajo EA= EU + EP N (Rendimiento) = EU / EA 1
ORIGEN DE LA ELECTRICIDAD Los electrones giran alrededor del núcleo a gran velocidad, dispuestos en las capas en un número determinado, según la fórmula 2n2, donde n es el número de orden que ocupa la capa ORIGEN DE LA ELECTRICIDAD Bajo ciertas circunstancias, un átomo, para su última capa, puede captar un electrón de otro átomo, teniendo un número de cargas negativas mayor que positivas, denominándose ion negativo o anión, y al átomo que ha perdido un electrón, y queda ahora con mayor número de cargas positivas, se le llama ion positivo o catión. 2
ENLACE METÁLICO BUEN CONDUCTOR DE LA ELECTRICIDAD Es producido por la proximidad de sus últimas capas, donde están situados los electrones libres. Los átomos ceden total o parcialmente sus electrones libres, convirtiéndose en iones positivos. Estos iones se sitúan en los puntos notables de una red cúbica cristalina. El conjunto de los electrones cedidos por los átomos forman una especie de nube electrónica que envuelve a los iones, estos electrones comunes a todos los átomos, gozan de una gran libertad de movimiento, lo que explica que los metales sean buenos conductores del calor y de la electricidad. ENLACE IÓNICO MAL CONDUCTOR DE LA ELECTRICIDAD Es generado por átomos de distinta naturaleza a base de que uno de ellos pierda electrones, ion positivo, y otro los capte, ion negativo. Entre ambos iones existe una atracción electrostática o fuerza que los mantiene unidos, debido a que sus cargas son de distinto signo. Son materiales malos conductores de la electricidad. 3
ENLACE IÓNICO SEMICONDUCTOR Esta configuración es especialmente interesante porque por un lado tenemos una estructura atómica con su última capa de electrones completa y fuertemente unida a su núcleo lo que permite que el material pueda ser considerado como aislante. Esta característica hace que este tipo de material se denomine semiconductor, en temas posteriores profundizaremos sobre ello por tratarse de uno de los elementos que revolucionó los conceptos de la electrónica. CORRIENTE ELÉCTRICA Recibe el nombre de corriente eléctrica el desplazamiento de electrones sobre un cuerpo conductor. Todos los cuerpos tienden a quedar en estado eléctricamente neutro; así, si se ponen en contacto dos cuerpos, uno cargado con exceso de electrones y otro con defecto, se establecerá entre ellos un intercambio de electrones hasta que se igualen eléctricamente El sentido convencional de la corriente eléctrica es el contrario al del movimiento de los electrones, esto es, de positivo a negativo. 4
CIRCUITO ELÉCTRICO SIMIL CIRCUITO HIDRÁULICO Bomba hidráulica = Generador Turbina = Motor Grifo = Interruptor Tubería = Conductor eléctrico Diferencia de niveles = Diferencia de potencial MAGNITUDES ELÉCTRICAS FUERZA ELECTROMOTRIZ (F.E.M.) Es la causa que origina el movimiento de los electrones en todo circuito eléctrico. Su unidad es el voltio (). DIFERENCIA DE POTENCIAL (D.D.P.) También se conoce como tensión eléctrica y voltaje. Es el desnivel eléctrico existente entre dos puntos de un circuito. Su unidad es el voltio (). Se mide con un voltímetro. Se representa con la letra U. CANTIDAD DE ELECTRICIDAD (Q) Es el número total de electrones que recorre un conductor. Como la carga del electrón es de un valor muy pequeño, la unidad práctica que se emplea es el Culombio (C). 1 Culombio = 6,3 1018 electrones. 5
MAGNITUDES ELÉCTRICAS 1.1.1. INTENSIDAD Es la cantidad de electricidad que atraviesa un conductor en la unidad de tiempo (1 s). La unidad es el amperio (A). Se mide con un amperímetro. I = Q t 1A = 1C 1s I = Intensidad Q = Cantidad de electricidad t = Tiempo A = Amperio C = Culombio s = Segundo 1.1.1. DENSIDAD DE CORRIENTE ELÉCTRICA ( ) Es el número de amperios que circula por cada mm 2 de conductor, esto es, intensidad por unidad de sección. La unidad es el A/mm 2. I S = Densidad de corriente A/mm 2 ) I = Intensidad (A) S = Sección (mm 2 ) MAGNITUDES ELÉCTRICAS 1.1.1. RESISTENCIA (R) Es la dificultad que presenta un material al paso de la corriente eléctrica. Se representa con la letra R y su unidad es el ohmio ( ). Dicha dificultad responde a la atracción de los núcleos sobre los electrones en su propio desplazamiento. Cuadro 1.1: Resistividad de algunos materiales Material en mm 2 /m Plata 0,015 Cobre 0,017 Aluminio 0,027 Estaño 0,13 Mercurio 0,94 Por tanto, la resistencia (R) de un conductor depende directamente de su resistividad y longitud y es inversamente proporcional a su sección. Se mide con un óhmetro. La resistencia de un conductor valdrá, por tanto: R = S R =Resistencia ( ) = Resistividad ( mm 2 /m) = Longitud (m) S = Sección (mm 2 ) 6
LEY DE OHM En un circuito eléctrico, la intensidad de corriente que lo recorre, es directamente proporcional a la tensión aplicada e inversamente proporcional a la resistencia que presenta éste I A R Figura 1.1. Medida de la tensión y la intensidad en un circuito eléctrico I R 1 1 A I = Intensidad = Tensión R = Resistencia A = Amperio = oltio = Ohmio POTENCIA ELÉCTRICA Es la cantidad de trabajo desarrollada en la unidad de tiempo. En un circuito eléctrico es igual al producto de la tensión por la intensidad. Su unidad es el vatio (W). Se mide con un vatímetro. Son múltiplos del vatio (W), el kilovatio (1 Kw. = 1.000 W) y el megavatio (1 MW = 1.000.000 W). P = I (en W) 1 W = 1 1 A P = Potencia = Tensión I = Intensidad W = atio = oltio A = Amperio Junto con la fórmula de la ley de Ohm, se pueden obtener las siguientes fórmulas de la potencia: P I 2 P R R R 2 (en W) P I R I I R I 2 P = R I 2 (en W) 7
ENERGÍA ELÉCTRICA Así como la potencia se mide en vatios, la energía consumida o producida se mide en vatioshora (Wh), o bien en KWh, que es la unidad más usada. La equivalencia entre el vatio hora y Julio es: 1Wh= 1W*1h = (1J / 1s) *1h= (1J / 1s) * (3600s / 1h)*1h = 3600 J Por último, es importante no confundir energía y potencia eléctrica. Si la unidad de potencia es el vatio, la unidad de energía (trabajo) debe ser vatio * hora y no vatio / hora. Los aparatos para medir la potencia eléctrica son los vatimetros. Asímismo, ésta puede medir indirectamente, al realizar el producto de la tensión por la intensidad que marcan dichos aparatos respectivamente. En principio un vatimetro está compuesto por un voltímetro y un amperímetro. Por eso tiene cuatro bornes: - Dos para medidas de tensión (conexión paralelo) - Dos para medidas de intensidad (conexión serie) En cambio la energía eléctrica se mide con un aparato contador, que indica la energía en KW/h consumida en cierto tiempo. De este modo, las compañias eléctricas sólo tienen que multiplicar la cifra indicada en el contador por el precio de KW/h para cobrar el consumo del abonado. EFECTO JOULE Se entiende con este nombre el calentamiento experimentado por un conductor al ser atravesado por la corriente eléctrica. Dicho calentamiento se debe al roce de los electrones con los átomos a su paso por el conductor. Las unidades caloríficas usadas son: la caloría (cal) y la kilocaloría (Kcal.). Caloría: es la cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura de un gramo de agua un grado centígrado. Kilocaloría: es la cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura de un kilogramo de agua un grado centígrado. 1 Kcal. = 1000 cal Existe una equivalencia entre la unidad de energía eléctrica (Julio) y la unidad calorífica (caloría): 1 Julio es igual a 0,24 calorías. La energía calorífica y la energía eléctrica vienen relacionadas por la fórmula siguiente, conocida como Ley de Joule: Q = 0,24 E (en calorías) Q = Cantidad de calor (cal) E = Energía eléctrica (W s) 0,24 = Coeficiente de equivalencia 8
INFLUENCIA TEMPERATURA EN RESISTENCIA DE UN CONDUCTOR R f = R i (1 + t) R f = Resistencia final R i = Resistencia inicial = Coeficiente de temperatura t = Incremento de temperatura Cuadro 1.2. Coeficiente de temperatura de algunos materiales. Material ( C -1 ) Plata 0,0036 Cobre electrolítico 0,0043 Aluminio 0,004 Estaño 0,0045 Tungsteno 0,0042 Manganina 0,00001 CONCEPTOS BÁSICOS DE ELECTRICIDAD 9