Electricidad y Magnetismo
La electricidad y el magnetismo están estrechamente relacionados y son temas de gran importancia en la física. Usamos electricidad para suministrar energía a las computadoras y para hacer que los motores funcionen. El magnetismo hace que un compás o brújula apunte hacia el norte, y hace que nuestras notas queden pegadas al refrigerador. Sin radiación electromagnética viviríamos en la obscuridad ¡pues la luz es una de sus muchas manifestaciones!.
La electricidad puede existir como carga estacionaria, conocida como electricidad estática; también puede estar en movimiento y fluyendo, conocida como corriente eléctrica. Las partículas subatómicas tales como los protones y electrones, poseen cargas eléctricas minúsculas. En tiempos relativamente recientes, la humanidad ha aprendido a almacenar el poder de la electricidad. Este poder, y los muchos tipos de circuitos y dispositivos eléctricos que el hombre ha inventado, han transformado el mundo de manera radical. La electricidad también juega un papel importante en el mundo natural, cuando se generan poderosos rayos que producen señales que se desplazan a través de nuestros nervios.
El magnetismo es primo hermano de la electricidad. Algunos materiales, tales como el hierro, son atraídos por imanes, mientras que otros, como el cobre, ignoran su influencia. Describimos el movimiento de objetos influenciados por imánes en términos de campos magnéticos. Sabemos que los imanes tienen polo norte y polo sur, y que polos iguales se rechazan entre sí, mientras que polos opuestos se atraen. La electricidad y el magnetismo son dos caras de una simple fuerza fundamental. Al acelerar un imán se producirá una corriente eléctrica, si varías el flujo de electricidad, se origina un campo magnético. Estos principios los usamos en la construcción de motores y generadores.
Alterar los campos magnéticos produce radiación electromagnética . Esta energía de movimiento muy rápido ocurre en una forma continua conocidas como espectro electromagnético, que abarca de ondas de radio y microondas a luz ultravioleta, luz visible luz infrarroja, y los potentes rayos X y rayos gamma . Cuando el espectro es separadp en sus constituyentes por un espectroscopio, el espectro electromagnético revela mucho sobre objetos distantes tales como las estrellas. Hacemos uso de nuestro conocimiento sobre este tipo de radiación en la construcción de telescopios para ver los cielos, radios para comunicaión, y máquinas de rayos X para diagnósticos medicos.
La sociedad humana moderna hace uso de la electricidad y el magnetismo de muchas maneras. Los generadores en las plantas de energía convierten el vapor en flujo eléctrico, el cual vuelve a convertirse en energía mecánica cuando la corriente llega hasta un motor. Un láser lee la información de un disco compacto, y convierte los patrones microscópicos en sonidos audibles cuando las señales eléctricas llegan hasta las bocinas. Los semiconductores de las computadoras canalizan el flujo de información contenida en pequeñas señales eléctricas, ¡envíando información sobre electricidad y magnetismo (y muchos otros temas) a través de Internet hasta su computador!.
lunes, 3 de mayo de 2010
domingo, 2 de mayo de 2010
ELECTRICIDAD BASICA
ELECTRICIDAD BASICA
Resumen
Teoría atómica
Cargas positivas y negativas
Medición de la carga eléctrica
Ley de Coulomb
Conductores y aislantes
Corriente eléctrica
Tipos de corriente
Fuerza electromotriz
Resistencia
Resistividad de un material
Ley de Ohm
Potencia electrica
Ley de Watt
El efecto Joule
Aplicaciones del efecto Joule
Resumen
El presente documento abarca los fundamentos de la electricidaddesde un punto de vista sencillo, dirigido especialmente a personas que recién se inician en la materia. Los temas que se tratan son teoría atómica, cargas positivas y negativas, ley de Coulomb, conductores y aislantes, corriente eléctrica, fuerza electromotriz, resistencia, ley de Ohm, potencia eléctrica, ley de Watt y el efecto Joule, entre otros.
Teoría atómica
Todos los cuerpos del Universo están formados por materia, ya sean estos sólidos, líquidos o gaseosos. Por ejemplo, una barra de acero, un trozo de madera, un litro de agua, el aire que respiramos, etc.
El átomoes la porción más pequeña en que se puede dividir la materia conservando sus propiedades como elemento químico (*). A su vez, los átomos están compuestos por ciertas partículas subatómicas (electrones, protones, neutrones, etc.).
La parte central del átomo se denomina "núcleo atómico" y las partículas que se encuentran en esta zona se llaman "nucleones". Los nucleones fundamentales son el portón (carga positiva) y el neutrón (carga neutra).
La región que rodea al núcleo atómico se denomina "nube electrónica" o "envoltura electrónica" y contiene de manera exclusiva a los electrones (carga negativa).
Figura Nº 1. Estructura atómica
El átomo más simple que existe es el átomo de hidrógeno (H), el cual está compuesto por un protón y un electrón. Existen otros elementos cuyos átomos contienen más partículas. Por ejemplo, el átomo de oxígeno (O) tiene ocho protones, ocho neutrones y ocho electrones.
(a)
(b)
Figura Nº 2. Átomo de hidrógeno (a) y átomo de oxígeno (b)
Cuando los átomos se combinan, se forman nuevas sustancias (compuestos químicos), por ejemplo, cuando dos átomos de hidrógeno (H) se combinan con un átomo de oxígeno (O), se forma agua (H2O).
Figura Nº 3. Molécula de agua
Cargas positivas y negativas
Los átomos usualmente presentan igual cantidad de protones y electrones, en este caso decimos que se trata de un átomoeléctricamente neutro. Sin embargo, bajo ciertas circunstancias un átomo puede ganar o peder uno o más electrones. Cuando un átomo gana uno o más electrones (exceso de electrones) queda cargado negativamente y cuando un átomo pierde uno o más electrones (exceso de protones) queda con carga eléctrica positiva.
Por tanto llegamos a la conclusión de que existen dos tipos de cargas eléctricas: positivas y negativas. Las cargas eléctricas del mismo signo se repelen y las cargas eléctricas de signo contrario se atraen.
(a)
(b)
Fig. Nº 4. Cargas de igual signo se repelen (b) y cargas de signo diferente se atraen (b)
Medición de la carga eléctrica
Ya sabemos que cuando un cuerpo está electrizado posee un exceso de protones (carga positiva), o bien, un exceso de electrones (carga negativa). Por ese motivo, el valor de la carga de un cuerpo, representada por , se puede medir por el número de electrones que el cuerpo pierde o gana. Pero esta forma de expresar el valor de la carga no resulta práctica, pues se sabe que en un proceso común de electrización el cuerpo pierde o gana un número muy elevado de electrones. De este modo, los valores de estarían expresados por números sumamente grandes.
En la práctica se procura utilizar una unidad de carga más adecuada. En el SistemaInternacional de Unidades (SIU), la unidad de carga eléctrica es el coulomb (símbolo C).
Cuando decimos que un cuerpo posee una carga de 1 C, ello significa que perdió o gano 6.25 × 1018 electrones.
Generalmente se suele trabajar con cargas eléctricas mucho menores que 1 C. En este caso, es costumbre expresar los valores de las cargas de los cuerpos electrizados mediante submúltiplos, en milicoulombs (mC) o bien en microcoulombs (μC).
1 mC = 10–3 C
1 μC = 10–6 C
La unidad de carga más pequeña conocida en la naturaleza es la carga del electrón (que es igual en magnitud a la del protón), su valor es: .
Ley de Coulomb
Consideremos dos cuerpos electrizados con cargas y (en coulombs), separados una distancia (en metros) y situadas en el vacío, tal como se muestra en la figura Nº 5. Supóngase que las dimensiones de dichos cuerpos son despreciables (cargas puntuales). La ley de Coulomb establece que estas cargas se atraen o repelen mediante una fuerza eléctrica (en newtons), la cual es inversamente proporcional al cuadrado de la separación y directamente proporcional al producto de las cargas y .
Matemáticamente la ley de Coulomb está dada por:
Donde es la constante electrostática del vacío, en el SIU su valor es 9.0 × 109 N m2 C–2.
Si las cargas son colocadas en el interior de un medio material cualquiera (por ejemplo agua, aire, aceite, etc.), se observa que el valor de la fuerza de interacción entre ellas sufre una reducción, mayor o menor, dependiendo del medio. Este factor de reducción se denomina "constante dieléctrica del medio", y se representa por la letra . Luego la fuerza de interacción entre las cargas es:
Medio material
Constante dieléctrica ()
Vacío
1.0000
Aire
1.0005
Gasolina
2.3
Ámbar
2.7
Vidrio
4.5
Aceite
4.6
Mica
5.4
Glicerina
43.0
Agua
81.0
Observar que la fuerza entre dos cargas prácticamente no se altera cuando pasan del vacío al aire.
Figura Nº 5. Fuerza de atracción entre dos cargas puntuales de signos opuestos
Conductores y aislantes
Como ya dijimos en la sección anterior, los átomos se combinan para formar compuestos; así cuando varios átomos se reúnen para formar ciertos sólidos, como los metales por ejemplo, los electrones de las órbitas más alejadas del núcleo no permanecen unidos a sus respectivos átomos, y adquieren libertad de movimiento en el interior del sólido. Estas partículas se denominan electrones libres. Por tanto, en materiales que poseen electrones libres es posible que la carga eléctrica sea transportada por medio de ellos, y por lo tanto, decimos que estas sustancias son "conductores eléctricos".
Por otro lado, existen situaciones de conducción no metálica (por ejemplo en algunos baños químicos) en las que las cargas son conducidas a través de una solución (electrolito).
Al contrario de los conductores eléctricos, existen materiales en los cuales los electrones están firmemente unidos a sus respectivos átomos; es decir, estas sustancias no poseen electrones libres. Por tanto, no será posible el desplazamiento de carga eléctrica libre a través de estos cuerpos, los que se denominan "aislantes eléctricos" o "dieléctricos". La porcelana, el caucho (hule), la mica, el plástico, la madera, el vidrio, etc., son ejemplos típicos de sustancias aislantes.
Corriente eléctrica
La corriente eléctrica consiste en el flujo de cargas eléctricas a través de un conductor. En el caso de los conductores metálicos (por ejemplo un alambre de cobre), la corriente eléctrica está constituida por un flujo de electrones. En los conductores líquidos (por ejemplo una solución de cloruro de sodio o sal común en agua) la corriente eléctrica está constituida por el movimiento de iones positivos (cationes) e iones negativos (aniones). En el caso de los gases (por ejemplo en las lámparas de vapor de mercurio) la corriente está constituida por el movimiento de cationes, de aniones, y también de electrones libres.
(a)
(b)
Figura Nº 6. En un alambre la corriente eléctrica es un flujo de electrones (a), y en un electrolito la corriente eléctrica corresponde a un flujo de cationes y aniones (b)
La intensidad de la corriente eléctrica (representada por la letra ) en el SIU se denomina ampere (símbolo A) y se define como:
Es decir, si en un conductor circula una corriente de 1 A, ello significa que por dicho conductor está circulando una carga de 1 C en cada segundo.
Generalmente se utilizan submúltiplos del ampere, tales como el miliampere (mA) y el microampere (μA), cuyas equivalencias son:
1 mA = 10–3 A
1 μA = 10–6 A
Tipos de corriente
Hay dos tipos de corriente eléctrica: corriente directa o continua (CD ó CC) y corriente alterna (CA).
La corriente directa es aquella que fluye en una sola dirección (unidireccional o de sentido constante). Este tipo de corriente es proporcionada, por ejemplo, por las pilas(que se emplean en las linternas, radios, etc.) o bien por las baterías o acumuladores del automóvil.
La corriente alterna es aquella que cambia periódicamente de dirección, desplazándose unas veces en una dirección y otras en dirección contraria. Este tipo de corriente es que la suministran las empresas de electricidaden casi todas las ciudades del mundo y es utilizada en nuestros hogares (electrodomésticos, equipos de sonido, televisión, computadoras, etc.) y en la industria.
Una corriente alterna puede transformarse en corriente continua por medio de dispositivos especiales, denominados "rectificadores", obteniéndose una corriente rectificada.
Figura Nº 7. Corriente alterna, corriente directa y corriente rectificada.
Fuerza electromotriz
La fuerza que impulsa a la corriente a lo largo de un conductor es denominada fuerza electromotriz (FEM), su unidad en el SIU es el volt (V) y normalmente se usa el término "voltaje" en lugar de FEM. Se suele representar por las letras o . Sin embargo, es sumamente útil tener en mente la expresión "fuerza electromotriz", ya que ésta fortalece la idea de una fuerza que empuja o jala las cargas alrededor del circuito para hacer que fluya corriente.
Esta fuerza eléctrica o voltaje, siempre aparece entre dos puntos, y se dice que es la "diferencia de potencial" entre dichos puntos (figura Nº 8).
Figura Nº 8. Voltaje o diferencia de potencial entre las terminales de la batería
El voltaje suele expresarse mediante múltiplos, tales como el kilovolt (kV) y el megavolt (MV), y también mediante submúltiplos como el milivolt (mV) y el microvolt (μV), cuyas equivalencias son:
1 kV = 103 V
1 MV = 106 V
1 mV = 10–3 V
1 μV = 10–6 V
En Perú el voltaje doméstico por lo común es de aproximadamente 220 V, su frecuencia (*) es de 60 hertz (símbolo Hz).
Resistencia
La resistencia () representa la oposición al flujo de cargas eléctricas a través de un conductor. Tanto mayor sea el valor de mayor será la oposición que ofrece el conductor al paso de la corriente a través de él.
En el SIU, la unidad de medida para la resistencia se denomina ohm y se representa por la letra griega .
En la industria se utilizan los siguientes submúltiplos: el miliohm (), el microhm (), y los múltiplos: kilohm () y el magaohm (), cuyas equivalencias son:
1 = 103
1 = 106
1 = 10–3
1 = 10–6
El elemento de un circuito eléctrico diseñado específicamente para proporcionar resistencia se denomina "resistor" (*).
Resistividad de un material
La experiencia nos muestra que si consideramos un conductor como el mostrado en la figura Nº 9, el valor de su resistencia dependerá de su longitud y del área de su sección transversal.
Figura Nº 9. La resistencia de un conductor depende de y de
Al realizar mediciones cuidadosas se observa que la resistencia de un material es directamente proporcional a su longitud e inversamente proporcional al área de su sección transversal, es decir:
Donde se denomina "resistividad eléctrica" del material. Su unidad en el SIU es m.
La resistividad es una propiedad característica del material que constituye el conductor, es decir, cada sustancia posee un valor diferente de resistividad.
La tabla siguiente presenta valores de resistividad eléctrica de algunas sustancias, a una temperatura de 20 º C (*).
Material
Resistividad ( m)
Plata
1.59 × 10–8
Cobre
1.70 × 10–8
Oro
2.44 × 10–8
Aluminio
2.82 × 10–8
Tungsteno
5.60 × 10–8
Hierro
10 × 10–8
Platino
11 × 10–8
Plomo
22 × 10–8
Mercurio
94 × 10–8
Níquel – cromo
1.50 × 10–6
Carbón
3.50 × 10–5
Germanio
0.46
Silicio
640
Vidrio
1010 – 1014
Caucho duro
≈1013
Azufre
1015
Cuarzo fundido
75 × 1016
Si se tienen varios alambres de la misma longitud y del mismo grosor, pero hechos de diferente material, el de menor resistividad será el de menor resistencia. Es decir, que cuanto menor sea la resistividad de un material, tanto menor será la oposición que este material ofrezca al paso de la corriente a través de él.
Ley de Ohm
La relación entre el voltaje aplicado (), la corriente () y la resistencia () en un circuito eléctrico está dada por la ley de Ohm, la que establece que para un valor fijo (constante) de resistencia, la corriente es directamente proporcional al voltaje, es decir:
Por tanto, si el voltaje se duplica, también se duplica la corriente, si se triplica el voltaje se triplica la corriente, si el voltaje se reduce a la mitad la corriente también se reducirá a la mitad, etc. Esta relación se puede expresar gráficamente como sigue:
Figura Nº 10. La ley de Ohm en su forma gráfica
Potencia eléctrica
La potencia eléctrica, representada por la letra , es la tasa (velocidad) de producción o consumo de energía, como la potencia de un generador o la potencia disipada en una lámpara. La energía en el SIU se expresa en joules (J) y la potencia se mide en watts (W) o con frecuencia en kilowatts (kW), donde:
1 W = 1 J / s
1 kW = 1000 W
El consumo de energía eléctrica por lo general se suele medir en kilowatts–hora (kWh), el cual se define como el consumo de un artefacto de 1000 W de potencia durante una hora.
Sin embargo, es práctica común en la industria utilizar otras unidades para expresar la potencia eléctrica, como son los caballos fuerza (hp) y la Unidad Térmica Británica (BTU). Las equivalencias de estas unidades con el watt son:
1 hp = 746 W
1 W = 3.41 BTU/h
Ley de Watt
La ley de Watt, establece que la potencia en un aparato eléctrico se puede determinar mediante la siguiente fórmula:
Es decir, si se conoce el voltaje aplicado y la intensidad de corriente que circula por el circuito, se puede calcular la potencia desarrollada en el equipo.
El efecto Joule
La resistencia es la componente que transforma la energía eléctrica en energía calorífica, por ejemplo en un horno eléctrico, una tostadora, un hervidor de agua, una plancha, etc. El efecto Joule puede predecir la cantidad de calor que es capaz de entregar (disipar) una resistencia.
El efecto Joule establece que la cantidad de energía calorífica () producida por una corriente eléctrica depende directamente del cuadrado de la intensidad de corriente (), del tiempo () que esta circula por el conductor y de la resistencia () que opone el mismo al paso de la corriente. Matemáticamente esto es:
Recordar que la energía en el SIU se expresa en Joules (símbolo J).
La fórmula para determinar la potencia de una carga resistiva (a menudo denominada ley de Joule), está dada por:
La cual se obtiene de relacionar la ley de Watt con la ley de Ohm, y nos permite determinar la potencia disipada por un equipo eléctrico.
Aplicaciones del efecto Joule
Todos los dispositivos eléctricos que se utilizan para calentamiento se basan en el efecto Joule, es decir, estos aparato consisten esencialmente en una resistencia que se calienta al ser recorrida por la corriente.
Las lámparas de incandescencia (o de filamento incandescentes), como la lámpara de tungsteno, conocida comúnmente como bombilla de luz, también constituyen una aplicación del efecto Joule. Sus filamentos de tungsteno, que es un metal cuyo punto de fusiónes muy elevado, al ser recorridos por una corriente eléctrica, se calientan y pueden alcanzar altas temperaturas (casi 2 500 ºC), volviéndose incandescentes y emitiendo una gran cantidad de luz.
Otra aplicación del efecto Joule se encuentra en la construcciónde fusibles, elementos que se emplean para limitar la corriente que pasa por un circuito eléctrico; por ejemplo, en un automóvil, una casa, un aparato electrodoméstico, etc. Estos dispositivos están constituidos por una tirilla metálica, generalmente de plomo, el cual tiene un punto de fusión bajo; de esta manera, cuando la corriente que pasa por el fusible sobrepasa cierto valor (el amperaje propio de cada fusible), el calor generado por el efecto Joule produce la fusión del elemento, interrumpiendo así el paso de corriente excesiva. Por ejemplo, en una casa a medida que se van conectando a la red eléctrica varios aparatos, la corriente que "entra" a la casa a través del fusible, se va volviendo cada vez mayor. Si no existiera el fusible y el número de aparatos conectados fuera muy grande, la corriente que circularía en la instalación podría llegar a ser muy intensa. Esto produciría un calentamiento indeseable, e incluso peligroso, de los conductores. El fusible impide que esto suceda, porque al fundirse, interrumpe el paso de la corriente cuando alcanza un valor mayor que el límite superior de seguridad.
En la actualidad, además de los fusibles se emplean en las casas los llamados interruptores termomagnéticos (automáticos). En estos últimos elementos, el calentamiento de un dispositivo bimetálico produce su dilatación, haciendo que el circuito se abra.
El fusible y el interruptor automático también protegen a un circuito eléctrico cuando ocurre un "cortocircuito". Este fenómeno se produce cuando por un motivo cualquiera, la resistencia conectada de un circuito se vuelve muy pequeña, haciendo que la corriente alcance un valor muy intenso, lo cual hace que el fusible o interruptor abra el circuito, impidiendo que se produzcan efectos perjudiciales.
Como se puede observar el efecto Joule tiene muchas aplicaciones beneficiosas, en los que se requiere el calor que desprende un conductor por el paso de la corriente a través de él. Sin embargo, en muchas otras aplicaciones es un efecto indeseado y la razón por la que los aparatos eléctricos y electrónicos requieran de un ventilador que disipe el calor generado y evite el calentamiento excesivo de los diferentes dispositivos.
Resumen
Teoría atómica
Cargas positivas y negativas
Medición de la carga eléctrica
Ley de Coulomb
Conductores y aislantes
Corriente eléctrica
Tipos de corriente
Fuerza electromotriz
Resistencia
Resistividad de un material
Ley de Ohm
Potencia electrica
Ley de Watt
El efecto Joule
Aplicaciones del efecto Joule
Resumen
El presente documento abarca los fundamentos de la electricidaddesde un punto de vista sencillo, dirigido especialmente a personas que recién se inician en la materia. Los temas que se tratan son teoría atómica, cargas positivas y negativas, ley de Coulomb, conductores y aislantes, corriente eléctrica, fuerza electromotriz, resistencia, ley de Ohm, potencia eléctrica, ley de Watt y el efecto Joule, entre otros.
Teoría atómica
Todos los cuerpos del Universo están formados por materia, ya sean estos sólidos, líquidos o gaseosos. Por ejemplo, una barra de acero, un trozo de madera, un litro de agua, el aire que respiramos, etc.
El átomoes la porción más pequeña en que se puede dividir la materia conservando sus propiedades como elemento químico (*). A su vez, los átomos están compuestos por ciertas partículas subatómicas (electrones, protones, neutrones, etc.).
La parte central del átomo se denomina "núcleo atómico" y las partículas que se encuentran en esta zona se llaman "nucleones". Los nucleones fundamentales son el portón (carga positiva) y el neutrón (carga neutra).
La región que rodea al núcleo atómico se denomina "nube electrónica" o "envoltura electrónica" y contiene de manera exclusiva a los electrones (carga negativa).
Figura Nº 1. Estructura atómica
El átomo más simple que existe es el átomo de hidrógeno (H), el cual está compuesto por un protón y un electrón. Existen otros elementos cuyos átomos contienen más partículas. Por ejemplo, el átomo de oxígeno (O) tiene ocho protones, ocho neutrones y ocho electrones.
(a)
(b)
Figura Nº 2. Átomo de hidrógeno (a) y átomo de oxígeno (b)
Cuando los átomos se combinan, se forman nuevas sustancias (compuestos químicos), por ejemplo, cuando dos átomos de hidrógeno (H) se combinan con un átomo de oxígeno (O), se forma agua (H2O).
Figura Nº 3. Molécula de agua
Cargas positivas y negativas
Los átomos usualmente presentan igual cantidad de protones y electrones, en este caso decimos que se trata de un átomoeléctricamente neutro. Sin embargo, bajo ciertas circunstancias un átomo puede ganar o peder uno o más electrones. Cuando un átomo gana uno o más electrones (exceso de electrones) queda cargado negativamente y cuando un átomo pierde uno o más electrones (exceso de protones) queda con carga eléctrica positiva.
Por tanto llegamos a la conclusión de que existen dos tipos de cargas eléctricas: positivas y negativas. Las cargas eléctricas del mismo signo se repelen y las cargas eléctricas de signo contrario se atraen.
(a)
(b)
Fig. Nº 4. Cargas de igual signo se repelen (b) y cargas de signo diferente se atraen (b)
Medición de la carga eléctrica
Ya sabemos que cuando un cuerpo está electrizado posee un exceso de protones (carga positiva), o bien, un exceso de electrones (carga negativa). Por ese motivo, el valor de la carga de un cuerpo, representada por , se puede medir por el número de electrones que el cuerpo pierde o gana. Pero esta forma de expresar el valor de la carga no resulta práctica, pues se sabe que en un proceso común de electrización el cuerpo pierde o gana un número muy elevado de electrones. De este modo, los valores de estarían expresados por números sumamente grandes.
En la práctica se procura utilizar una unidad de carga más adecuada. En el SistemaInternacional de Unidades (SIU), la unidad de carga eléctrica es el coulomb (símbolo C).
Cuando decimos que un cuerpo posee una carga de 1 C, ello significa que perdió o gano 6.25 × 1018 electrones.
Generalmente se suele trabajar con cargas eléctricas mucho menores que 1 C. En este caso, es costumbre expresar los valores de las cargas de los cuerpos electrizados mediante submúltiplos, en milicoulombs (mC) o bien en microcoulombs (μC).
1 mC = 10–3 C
1 μC = 10–6 C
La unidad de carga más pequeña conocida en la naturaleza es la carga del electrón (que es igual en magnitud a la del protón), su valor es: .
Ley de Coulomb
Consideremos dos cuerpos electrizados con cargas y (en coulombs), separados una distancia (en metros) y situadas en el vacío, tal como se muestra en la figura Nº 5. Supóngase que las dimensiones de dichos cuerpos son despreciables (cargas puntuales). La ley de Coulomb establece que estas cargas se atraen o repelen mediante una fuerza eléctrica (en newtons), la cual es inversamente proporcional al cuadrado de la separación y directamente proporcional al producto de las cargas y .
Matemáticamente la ley de Coulomb está dada por:
Donde es la constante electrostática del vacío, en el SIU su valor es 9.0 × 109 N m2 C–2.
Si las cargas son colocadas en el interior de un medio material cualquiera (por ejemplo agua, aire, aceite, etc.), se observa que el valor de la fuerza de interacción entre ellas sufre una reducción, mayor o menor, dependiendo del medio. Este factor de reducción se denomina "constante dieléctrica del medio", y se representa por la letra . Luego la fuerza de interacción entre las cargas es:
Medio material
Constante dieléctrica ()
Vacío
1.0000
Aire
1.0005
Gasolina
2.3
Ámbar
2.7
Vidrio
4.5
Aceite
4.6
Mica
5.4
Glicerina
43.0
Agua
81.0
Observar que la fuerza entre dos cargas prácticamente no se altera cuando pasan del vacío al aire.
Figura Nº 5. Fuerza de atracción entre dos cargas puntuales de signos opuestos
Conductores y aislantes
Como ya dijimos en la sección anterior, los átomos se combinan para formar compuestos; así cuando varios átomos se reúnen para formar ciertos sólidos, como los metales por ejemplo, los electrones de las órbitas más alejadas del núcleo no permanecen unidos a sus respectivos átomos, y adquieren libertad de movimiento en el interior del sólido. Estas partículas se denominan electrones libres. Por tanto, en materiales que poseen electrones libres es posible que la carga eléctrica sea transportada por medio de ellos, y por lo tanto, decimos que estas sustancias son "conductores eléctricos".
Por otro lado, existen situaciones de conducción no metálica (por ejemplo en algunos baños químicos) en las que las cargas son conducidas a través de una solución (electrolito).
Al contrario de los conductores eléctricos, existen materiales en los cuales los electrones están firmemente unidos a sus respectivos átomos; es decir, estas sustancias no poseen electrones libres. Por tanto, no será posible el desplazamiento de carga eléctrica libre a través de estos cuerpos, los que se denominan "aislantes eléctricos" o "dieléctricos". La porcelana, el caucho (hule), la mica, el plástico, la madera, el vidrio, etc., son ejemplos típicos de sustancias aislantes.
Corriente eléctrica
La corriente eléctrica consiste en el flujo de cargas eléctricas a través de un conductor. En el caso de los conductores metálicos (por ejemplo un alambre de cobre), la corriente eléctrica está constituida por un flujo de electrones. En los conductores líquidos (por ejemplo una solución de cloruro de sodio o sal común en agua) la corriente eléctrica está constituida por el movimiento de iones positivos (cationes) e iones negativos (aniones). En el caso de los gases (por ejemplo en las lámparas de vapor de mercurio) la corriente está constituida por el movimiento de cationes, de aniones, y también de electrones libres.
(a)
(b)
Figura Nº 6. En un alambre la corriente eléctrica es un flujo de electrones (a), y en un electrolito la corriente eléctrica corresponde a un flujo de cationes y aniones (b)
La intensidad de la corriente eléctrica (representada por la letra ) en el SIU se denomina ampere (símbolo A) y se define como:
Es decir, si en un conductor circula una corriente de 1 A, ello significa que por dicho conductor está circulando una carga de 1 C en cada segundo.
Generalmente se utilizan submúltiplos del ampere, tales como el miliampere (mA) y el microampere (μA), cuyas equivalencias son:
1 mA = 10–3 A
1 μA = 10–6 A
Tipos de corriente
Hay dos tipos de corriente eléctrica: corriente directa o continua (CD ó CC) y corriente alterna (CA).
La corriente directa es aquella que fluye en una sola dirección (unidireccional o de sentido constante). Este tipo de corriente es proporcionada, por ejemplo, por las pilas(que se emplean en las linternas, radios, etc.) o bien por las baterías o acumuladores del automóvil.
La corriente alterna es aquella que cambia periódicamente de dirección, desplazándose unas veces en una dirección y otras en dirección contraria. Este tipo de corriente es que la suministran las empresas de electricidaden casi todas las ciudades del mundo y es utilizada en nuestros hogares (electrodomésticos, equipos de sonido, televisión, computadoras, etc.) y en la industria.
Una corriente alterna puede transformarse en corriente continua por medio de dispositivos especiales, denominados "rectificadores", obteniéndose una corriente rectificada.
Figura Nº 7. Corriente alterna, corriente directa y corriente rectificada.
Fuerza electromotriz
La fuerza que impulsa a la corriente a lo largo de un conductor es denominada fuerza electromotriz (FEM), su unidad en el SIU es el volt (V) y normalmente se usa el término "voltaje" en lugar de FEM. Se suele representar por las letras o . Sin embargo, es sumamente útil tener en mente la expresión "fuerza electromotriz", ya que ésta fortalece la idea de una fuerza que empuja o jala las cargas alrededor del circuito para hacer que fluya corriente.
Esta fuerza eléctrica o voltaje, siempre aparece entre dos puntos, y se dice que es la "diferencia de potencial" entre dichos puntos (figura Nº 8).
Figura Nº 8. Voltaje o diferencia de potencial entre las terminales de la batería
El voltaje suele expresarse mediante múltiplos, tales como el kilovolt (kV) y el megavolt (MV), y también mediante submúltiplos como el milivolt (mV) y el microvolt (μV), cuyas equivalencias son:
1 kV = 103 V
1 MV = 106 V
1 mV = 10–3 V
1 μV = 10–6 V
En Perú el voltaje doméstico por lo común es de aproximadamente 220 V, su frecuencia (*) es de 60 hertz (símbolo Hz).
Resistencia
La resistencia () representa la oposición al flujo de cargas eléctricas a través de un conductor. Tanto mayor sea el valor de mayor será la oposición que ofrece el conductor al paso de la corriente a través de él.
En el SIU, la unidad de medida para la resistencia se denomina ohm y se representa por la letra griega .
En la industria se utilizan los siguientes submúltiplos: el miliohm (), el microhm (), y los múltiplos: kilohm () y el magaohm (), cuyas equivalencias son:
1 = 103
1 = 106
1 = 10–3
1 = 10–6
El elemento de un circuito eléctrico diseñado específicamente para proporcionar resistencia se denomina "resistor" (*).
Resistividad de un material
La experiencia nos muestra que si consideramos un conductor como el mostrado en la figura Nº 9, el valor de su resistencia dependerá de su longitud y del área de su sección transversal.
Figura Nº 9. La resistencia de un conductor depende de y de
Al realizar mediciones cuidadosas se observa que la resistencia de un material es directamente proporcional a su longitud e inversamente proporcional al área de su sección transversal, es decir:
Donde se denomina "resistividad eléctrica" del material. Su unidad en el SIU es m.
La resistividad es una propiedad característica del material que constituye el conductor, es decir, cada sustancia posee un valor diferente de resistividad.
La tabla siguiente presenta valores de resistividad eléctrica de algunas sustancias, a una temperatura de 20 º C (*).
Material
Resistividad ( m)
Plata
1.59 × 10–8
Cobre
1.70 × 10–8
Oro
2.44 × 10–8
Aluminio
2.82 × 10–8
Tungsteno
5.60 × 10–8
Hierro
10 × 10–8
Platino
11 × 10–8
Plomo
22 × 10–8
Mercurio
94 × 10–8
Níquel – cromo
1.50 × 10–6
Carbón
3.50 × 10–5
Germanio
0.46
Silicio
640
Vidrio
1010 – 1014
Caucho duro
≈1013
Azufre
1015
Cuarzo fundido
75 × 1016
Si se tienen varios alambres de la misma longitud y del mismo grosor, pero hechos de diferente material, el de menor resistividad será el de menor resistencia. Es decir, que cuanto menor sea la resistividad de un material, tanto menor será la oposición que este material ofrezca al paso de la corriente a través de él.
Ley de Ohm
La relación entre el voltaje aplicado (), la corriente () y la resistencia () en un circuito eléctrico está dada por la ley de Ohm, la que establece que para un valor fijo (constante) de resistencia, la corriente es directamente proporcional al voltaje, es decir:
Por tanto, si el voltaje se duplica, también se duplica la corriente, si se triplica el voltaje se triplica la corriente, si el voltaje se reduce a la mitad la corriente también se reducirá a la mitad, etc. Esta relación se puede expresar gráficamente como sigue:
Figura Nº 10. La ley de Ohm en su forma gráfica
Potencia eléctrica
La potencia eléctrica, representada por la letra , es la tasa (velocidad) de producción o consumo de energía, como la potencia de un generador o la potencia disipada en una lámpara. La energía en el SIU se expresa en joules (J) y la potencia se mide en watts (W) o con frecuencia en kilowatts (kW), donde:
1 W = 1 J / s
1 kW = 1000 W
El consumo de energía eléctrica por lo general se suele medir en kilowatts–hora (kWh), el cual se define como el consumo de un artefacto de 1000 W de potencia durante una hora.
Sin embargo, es práctica común en la industria utilizar otras unidades para expresar la potencia eléctrica, como son los caballos fuerza (hp) y la Unidad Térmica Británica (BTU). Las equivalencias de estas unidades con el watt son:
1 hp = 746 W
1 W = 3.41 BTU/h
Ley de Watt
La ley de Watt, establece que la potencia en un aparato eléctrico se puede determinar mediante la siguiente fórmula:
Es decir, si se conoce el voltaje aplicado y la intensidad de corriente que circula por el circuito, se puede calcular la potencia desarrollada en el equipo.
El efecto Joule
La resistencia es la componente que transforma la energía eléctrica en energía calorífica, por ejemplo en un horno eléctrico, una tostadora, un hervidor de agua, una plancha, etc. El efecto Joule puede predecir la cantidad de calor que es capaz de entregar (disipar) una resistencia.
El efecto Joule establece que la cantidad de energía calorífica () producida por una corriente eléctrica depende directamente del cuadrado de la intensidad de corriente (), del tiempo () que esta circula por el conductor y de la resistencia () que opone el mismo al paso de la corriente. Matemáticamente esto es:
Recordar que la energía en el SIU se expresa en Joules (símbolo J).
La fórmula para determinar la potencia de una carga resistiva (a menudo denominada ley de Joule), está dada por:
La cual se obtiene de relacionar la ley de Watt con la ley de Ohm, y nos permite determinar la potencia disipada por un equipo eléctrico.
Aplicaciones del efecto Joule
Todos los dispositivos eléctricos que se utilizan para calentamiento se basan en el efecto Joule, es decir, estos aparato consisten esencialmente en una resistencia que se calienta al ser recorrida por la corriente.
Las lámparas de incandescencia (o de filamento incandescentes), como la lámpara de tungsteno, conocida comúnmente como bombilla de luz, también constituyen una aplicación del efecto Joule. Sus filamentos de tungsteno, que es un metal cuyo punto de fusiónes muy elevado, al ser recorridos por una corriente eléctrica, se calientan y pueden alcanzar altas temperaturas (casi 2 500 ºC), volviéndose incandescentes y emitiendo una gran cantidad de luz.
Otra aplicación del efecto Joule se encuentra en la construcciónde fusibles, elementos que se emplean para limitar la corriente que pasa por un circuito eléctrico; por ejemplo, en un automóvil, una casa, un aparato electrodoméstico, etc. Estos dispositivos están constituidos por una tirilla metálica, generalmente de plomo, el cual tiene un punto de fusión bajo; de esta manera, cuando la corriente que pasa por el fusible sobrepasa cierto valor (el amperaje propio de cada fusible), el calor generado por el efecto Joule produce la fusión del elemento, interrumpiendo así el paso de corriente excesiva. Por ejemplo, en una casa a medida que se van conectando a la red eléctrica varios aparatos, la corriente que "entra" a la casa a través del fusible, se va volviendo cada vez mayor. Si no existiera el fusible y el número de aparatos conectados fuera muy grande, la corriente que circularía en la instalación podría llegar a ser muy intensa. Esto produciría un calentamiento indeseable, e incluso peligroso, de los conductores. El fusible impide que esto suceda, porque al fundirse, interrumpe el paso de la corriente cuando alcanza un valor mayor que el límite superior de seguridad.
En la actualidad, además de los fusibles se emplean en las casas los llamados interruptores termomagnéticos (automáticos). En estos últimos elementos, el calentamiento de un dispositivo bimetálico produce su dilatación, haciendo que el circuito se abra.
El fusible y el interruptor automático también protegen a un circuito eléctrico cuando ocurre un "cortocircuito". Este fenómeno se produce cuando por un motivo cualquiera, la resistencia conectada de un circuito se vuelve muy pequeña, haciendo que la corriente alcance un valor muy intenso, lo cual hace que el fusible o interruptor abra el circuito, impidiendo que se produzcan efectos perjudiciales.
Como se puede observar el efecto Joule tiene muchas aplicaciones beneficiosas, en los que se requiere el calor que desprende un conductor por el paso de la corriente a través de él. Sin embargo, en muchas otras aplicaciones es un efecto indeseado y la razón por la que los aparatos eléctricos y electrónicos requieran de un ventilador que disipe el calor generado y evite el calentamiento excesivo de los diferentes dispositivos.
martes, 20 de abril de 2010
la ley de ohm
Ley de Ohm, relación entre voltaje, corriente y resistencia
Ley de Ohm
Este artículo forma parte del siguiente tutorial >>>
Explicación de la ley de Ohm
La Ley de Ohm se puede entender con facilidad si se analiza un circuito donde están en serie, una fuente de voltaje (una batería de 12 voltios) y un resistor de 6 ohms (ohmios). Ver gráfico abajo.
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Se puede establecer una relación entre el voltaje de la batería, el valor del resistor y la corriente que entrega la batería y que circula a través del resistor.
Esta relación es: I = V / R y se conoce como la Ley de Ohm
Entonces la corriente que circula por el circuito (por el resistor) es: I = 12 Voltios / 6 ohms = 2 Amperios.
De la misma fórmula se puede despejar el voltaje en función de la corriente y la resistencia, entonces la Ley de Ohm queda: V = I x R.
Entonces, si se conoce la corriente y el valor del resistor se puede obtener el voltaje entre los terminales del resistor, así: V = 2 Amperios x 6 ohms = 12 Voltios
Al igual que en el caso anterior, si se despeja la resistencia en función del voltaje y la corriente, se obtiene la Ley de Ohm de la forma: R = V / I.
Entonces si se conoce el voltaje en el resistor y la corriente que pasa por el se obtiene: R = 12 Voltios / 2 Amperios = 6 ohms
Es interesante ver que la relación entre la corriente y el voltaje en un resistor es siempre lineal y la pendiente de esta línea está directamente relacionada con el valor del resistor. Así, a mayor resistencia mayor pendiente. Ver gráfico abajo.
Para recordar las tres expresiones de la Ley de Ohm se utiliza el siguiente triángulo que tiene mucha similitud con las fórmulas analizadas anteriormente.http://senaintro.blackboard.com/webapps/portal/frameset.jsp?tab_id=_2_1&url=%2fwebapps%2fblackboard%2fexecute%2flauncher%3ftype%3dCourse%26id%3d_142153_1%26url%3d
Ley de Ohm
Este artículo forma parte del siguiente tutorial >>>
Explicación de la ley de Ohm
La Ley de Ohm se puede entender con facilidad si se analiza un circuito donde están en serie, una fuente de voltaje (una batería de 12 voltios) y un resistor de 6 ohms (ohmios). Ver gráfico abajo.
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Se puede establecer una relación entre el voltaje de la batería, el valor del resistor y la corriente que entrega la batería y que circula a través del resistor.
Esta relación es: I = V / R y se conoce como la Ley de Ohm
Entonces la corriente que circula por el circuito (por el resistor) es: I = 12 Voltios / 6 ohms = 2 Amperios.
De la misma fórmula se puede despejar el voltaje en función de la corriente y la resistencia, entonces la Ley de Ohm queda: V = I x R.
Entonces, si se conoce la corriente y el valor del resistor se puede obtener el voltaje entre los terminales del resistor, así: V = 2 Amperios x 6 ohms = 12 Voltios
Al igual que en el caso anterior, si se despeja la resistencia en función del voltaje y la corriente, se obtiene la Ley de Ohm de la forma: R = V / I.
Entonces si se conoce el voltaje en el resistor y la corriente que pasa por el se obtiene: R = 12 Voltios / 2 Amperios = 6 ohms
Es interesante ver que la relación entre la corriente y el voltaje en un resistor es siempre lineal y la pendiente de esta línea está directamente relacionada con el valor del resistor. Así, a mayor resistencia mayor pendiente. Ver gráfico abajo.
Para recordar las tres expresiones de la Ley de Ohm se utiliza el siguiente triángulo que tiene mucha similitud con las fórmulas analizadas anteriormente.http://senaintro.blackboard.com/webapps/portal/frameset.jsp?tab_id=_2_1&url=%2fwebapps%2fblackboard%2fexecute%2flauncher%3ftype%3dCourse%26id%3d_142153_1%26url%3d
La Ley de Ohm establece que "La intensidad de la corriente eléctrica que circula por un conductor es directamente proporcional a la diferencia de potencial aplicada e inversamente proporcional a la resistencia del mismo", se puede expresar matemáticamente en laecuación de arriba:
LA LEY DE OHM
Para poder comprender la ley de ohm es esencial que tengamos en claro la definición de corriente eléctrica la cual podemos señalar como el paso de electrones que se transmiten a través de un conductor en un tiempo determinado.
Ahora, para saber o determinar el paso de corriente a través de un conductor en función a la oposición o resistencia que los materiales imponen sobre los electrones ocupamos esta ley llamada ley de ohm , la cual dice que La corriente eléctrica es directamente proporcional al voltaje e inversamente proporcional a la resistencia eléctrica.
la ley de Ohm que fue llamada asi en honor a su descubridor, el físico alemán George Ohm se expresarsa mediante la fórmula I = V/R, siendo I la intensidad de corriente en amperios, V la fuerza electromotriz en voltios y R la resistencia en ohmios. La ley de Ohm se aplica a todos los circuitos eléctricos, tanto a los de corriente continua (CC) como a los de corriente alterna (CA),
Ahora Tambien es importante saber lo que es un circuito en serie.
un circuito serie es en el que la corriente eléctrica solo tiene un solo camino para llegar al punto de partida, sin importar los elementos intermedios. la corriente eléctrica es la misma en todos los puntos del circuito.
A Continuación se puede ver un bosquejo de un Circuito en serie:
CIRCUITO EN SERIE :
e Ii es la corriente en la resistencia Ri , V el voltaje de la fuente. Aquí observamos que en general:
I = I = I =... I
V= V + V + V + ....+V
R= R + R + R+....+R
Donde :
I= La corriente de la fuente
V= voltaje de la fuente
R= es la resistencia total
R= es la resistencia i
V= de la resistencia R
Cuando se tienen N resistencias conectadas en serie la resistencia total del circuito es igual a la suma de todas las resistencias. Esto es:
RT= R1 + R2 + R3 +...+ RN
Ejemplo de cómo calcular la Resistencia
Se tiene una fuente de voltaje de 24 voltios corriente directa (24 V DC) conectada a los terminales de una resistencia. Mediante un amperímetro conectado en serie en el circuito se mide la corriente y se obtiene una lectura de 2 Amperios. ¿Cuál es la resistencia que existe en el circuito?
Aplicando la ley de Ohm tenemos que: T / I = R
entonces reemplazamos:
24 / 2 = 12 R (ohmios)
Ejemplo de Resistencias en Serie
Tenemos una batería de 24V DC a cuyos terminales se conectan en Serie: una resistencia R1 de 100 R, una resistencia R2 de 100 R, y una tercera resistencia R3 de 40 R. ¿Cuál es la resistencia Total o equivalente que se le presenta a la batería?
Tenemos que RT= R1 + R2 + R3, por lo que reemplazando los valores tenemos:
RT= 100+100+40 = 240 R
Esto quiere decir que la resistencia Total o equivalente que la batería "ve" en sus terminales es de 240 R.
GEORG SIMON OHM (1787-1854)
La más básica y más utilizada de todas la leyes de la electricidad, la ley de Ohm, se publicó en 1827 por el físico alemán Georg Simon Ohm en su gran trabajo, La Cadena Galvánica, tratada matemáticamente. Sin la ley de Ohm no podríamos analizar la más sencilla cadena galvánica, pero cuando se publico el trabajo de Ohm fue calificado por críticos como una maraña de evidentes fantasías, cuyo único fin consistía en detractar la dignidad de la naturaleza. Ohm nació en Erlangen, Bavaria, siendo el mayor de siete niños en una familia de clase media baja. Pronto tuvo que retirarse de la Universidad de Erlangen pero regresó en 1811 para obtener su doctorado y conseguir la primera de varias modestas y mal pagadas colocaciones de maestro. Para mejorar su suerte, se aventuro en sus investigaciones eléctricas en cada oportunidad que le permitían sus pesadas tareas de la enseñanza, y sus esfuerzos culminaron con su famosa ley. A pesar de las criticas fuera de lugar sobre su trabajo, durante su vida Ohm recibió la fama que le era debida. La Real Sociedad de Londres lo premio con la medalla Copely en 1841 y la Universidad de Munich le otorgo la cátedra de Profesor de Física en 1849. Se le honro también después de su muerte cuando se escogió el ohm como la unidad de resistencia eléctrica.
motores electricos
Motores trifásicos
Un motor eléctrico cambia la energía eléctrica en energía mecánica
Partes principales del motor
Carcasa
Estator
Tapas
Rotor
Flecha
Rotor bobinado:
El rotor bobinado es aquel donde la bobina van alojadas en la ranura del motor y lleva un colector formado por delga donde descansan el principio y el fin de la bobina. El rotor en barra y cortocircuito no tiene conexión directa con la línea de alimentación si no que la corriente que circula por el se debe a la inducción del estator.
El esquema que hay entre el motor y el estator se llama entrehierro.
Rotor jaula de ardilla
El rotor es la parte móvil del motor y va montado en la flecha.
El rotor consiste en barra alojada en la ranura formando un devanado esta barra está conectada en cortocircuito por medio de anillos en ambos extremos. Dándole forma a la estructura de una jaula de ardilla.
Un motor eléctrico cambia la energía eléctrica en energía mecánica
Partes principales del motor
Carcasa
Estator
Tapas
Rotor
Flecha
Rotor bobinado:
El rotor bobinado es aquel donde la bobina van alojadas en la ranura del motor y lleva un colector formado por delga donde descansan el principio y el fin de la bobina. El rotor en barra y cortocircuito no tiene conexión directa con la línea de alimentación si no que la corriente que circula por el se debe a la inducción del estator.
El esquema que hay entre el motor y el estator se llama entrehierro.
Rotor jaula de ardilla
El rotor es la parte móvil del motor y va montado en la flecha.
El rotor consiste en barra alojada en la ranura formando un devanado esta barra está conectada en cortocircuito por medio de anillos en ambos extremos. Dándole forma a la estructura de una jaula de ardilla.
Los motores eléctricos son máquinas eléctricas rotatorias que transforman la energía eléctrica en energía mecánica. Debido a sus múltiples ventajas, entre las que cabe citar su economía, limpieza, comodidad y seguridad de funcionamiento, el motor eléctrico ha reemplazado en gran parte a otras fuentes de energía, tanto en la industria como en el transporte, las minas, el comercio, o el hogar.
Los motores eléctricos satisfacen una amplia gama de necesidades de servicio, desde arrancar, acelerar, mover, o frenar, hasta sostener y detener una carga. Estos motores se fabrican en potencias que varían desde una pequeña fracción de caballo hasta varios miles, y con una amplia variedad de velocidades, que pueden ser fijas, ajustables o variables.
Un motor eléctrico contiene un número mucho más pequeño de piezas mecánicas que un motor de combustión interna o uno de una máquina de vapor, por lo que es menos propenso a los fallos. Los motores eléctricos son los más ágiles de todos en lo que respecta a variación de potencia y pueden pasar instantáneamente desde la posición de reposo a la de funcionamiento al máximo. Su tamaño es más reducido y pueden desarrollarse sistemas para manejar las ruedas desde un único motor, como en los automóviles.
El inconveniente es que las baterías son los únicos sistemas de almacenamiento de electricidad, y ocupan mucho espacio. Además, cuando se gastan, necesitan varias horas para recargarse antes de poder funcionar otra vez, mientras que en el caso de un motor de combustión interna basta sólo con llenar el depósito de combustible. Este problema se soluciona, en el ferrocarril, tendiendo un cable por encima de la vía, que va conectado a las plantas de generación de energía eléctrica. La locomotora obtiene la corriente del cable por medio de una pieza metálica llamada patín. Así, los sistemas de almacenamiento de electricidad no son necesarios.
- Cuando no es posible o no resulta rentable tender la línea eléctrica, para encontrar una solución al problema del almacenamiento de la energía se utilizan sistemas combinados, que consisten en el uso de un motor de combustión interna o uno de máquina de vapor conectado a un generador eléctrico. Este generador proporciona energía a los motores eléctricos situados en las ruedas. Estos sistemas, dada su facilidad de control, son ampliamente utilizados no sólo en locomotoras, sino también en barcos.
El uso de los motores eléctricos se ha generalizado a todos los campos de la actividad humana desde que sustituyeran en la mayoría de sus aplicaciones a las máquinas de vapor. Existen motores eléctricos de las más variadas dimensiones, desde los pequeños motores fraccionarios empleados en pequeños instrumentos hasta potentes sistemas que generan miles de caballos de fuerza, como los de las grandes locomotoras eléctricas
En cuanto a los tipos de motores eléctricos genéricamente se distinguen motores monofásicos, que Contienen un juego simple de bobinas en el estator, y pol¡fásicos, que mantienen dos, tres o más conjuntos de bobinas dispuestas en círculo.
Según la naturaleza de la corriente eléctrica transformada, los motores eléctricos se clasifican en motores de corriente continua, también denominada directa, motores de corriente alterna, que, a su vez, se agrupan, según su sistema de funcionamiento, en motores de inducción, motores sincrónicos y motores de colector. Tanto unos como otros disponen de todos los elementos comunes a las máquinas rotativas electromagnéticas
Motores de corriente continua
La conversión de energía en un motor eléctrico se debe a la interacción entre una corriente eléctrica y un campo magnético. Un campo magnético, que se forma entre los dos polos Opuestos de un imán, es una región donde se ejerce una fuerza sobre determinados metales o sobre otros campos magnético5 Un motor eléctrico aprovecha este tipo de fuerza para hacer girar un eje, transformándose así la energía eléctrica en movimiento mecánico.
Los dos componentes básicos de todo motor eléctrico son el rotor y el estator. El rotor es una pieza giratoria, un electroimán móvil, con varios salientes laterales, que llevan cada uno a su alrededor un bobinado por el que pasa la corriente eléctrica. El estator, situado alrededor del rotor, es un electroimán fijo, cubierto con un aislante. Al igual que el rotor, dispone de una serie de salientes con bobinados eléctricos por los que circula la corriente.
Cuando se introduce una espira de hilo de cobre en un campo magnético y se conecta a una batería, la corriente pasa en un sentido por uno de sus lados y en sentido contrario por el lado opuesto. Así, sobre los dos lados de la espira se ejerce una fuerza, en uno de ellos hacia arriba y en el otro hacia abajo. Sí la espira de hilo va montada sobre el eje metálico, empieza a dar vueltas hasta alcanzar la posición vertical. Entonces, en esta posición, cada uno de los hilos se encuentra situado en el medio entre los dos polos, y la espira queda retenida.
Para que la espira siga girando después de alcanzar la posición vertical, es necesario invertir el sentido de circulación de ¡a corriente. Para conseguirlo, se emplea un conmutador o colector, que en el motor eléctrico más simple, el motor de corriente continua, está formado por dos chapas de metal con forma de media luna, que se sitúan sin tocarse, como las dos mitades de un anillo, y que se denominan delgas. Los dos extremos de la espira se conectan a ¡as dos medias lunas. Dos conexiones fijas, unidas al bastidor del motor y llamadas escobillas, hacen contacto con cada una de las delgas del colector, de forma que, al girar la armadura, las escobillas contactan primero con una delga y después con la otra.
Cuando la corriente eléctrica pasa por el circuito, la armadura empieza a girar y ¡a rotación dura hasta que la espira alcanza la posición vertical. Al girar las delgas del colector con la espira, cada media vuelta se invierte el sentido de circulación de la corriente eléctrica. Esto quiere decir que la parte de la espira que hasta ese momento recibía la fuerza hacia arriba, ahora la recibe hacia abajo, y la otra parte al contrario. De esta manera la espira realiza otra media vuelta y el proceso se repite mientras gira la armadura.
El esquema descrito corresponde a un motor de corriente continua, el más simple dentro de los motores eléctricos, pero que reúne ¡os principios fundamentales de este tipo de motores.
Motores de corriente alterna
Los motores de corriente alterna tienen una estructura similar, con pequeñas variaciones en la fabricación de ¡os bobinados y del conmutador del rotor. Según su sistema de funcionamiento, se clasifican en motores de inducción, motores sincrónicos y motores de colector.
Motores de inducción
El motor de inducción no necesita escobillas ni colector. Su armadura es de placas de metal magnetizable. El sentido alterno de circulación, de la corriente en las espiras del estator genera un campo magnético giratorio que arrastra las placas de metal magnetizable, y las hace girar. El motor de inducción es el motor de corriente alterna más utilizado, debido a su fortaleza y sencillez de construcción, buen rendimiento y bajo coste así como a la ausencia de colector y al hecho de que sus características de funcionamiento se adaptan bien a una marcha a velocidad constante.
Motores sincrónicos
Los motores sincrónicos funcionan a una velocidad sincrónica fija proporcional a la frecuencia de la corriente alterna aplicada. Su construcción es semejante a la de los alternadores Cuando un motor sincrónico funciona a potencia Constante y sobreexcitado, la corriente absorbida por éste presenta, respecto a la tensión aplicada un ángulo de desfase en avance que aumenta con la corriente de excitación Esta propiedad es fa qUe ha mantenido la utilización del motor sincrónico en el campo industrial, pese a ser el motor de inducción más simple, más económico y de cómodo arranque, ya que con un motor sincrónic0 se puede compensar un bajo factor de potencia en la instalación al suministrar aquél la corriente reactiva, de igual manera que un Condensador conectado a la red.
Motores de colector
El problema de la regulación de la velocidad en los motores de corriente alterna y la mejora del factor de potencia han sido resueltos de manera adecuada con los motores de corriente alterna de colector. Según el número de fases de las comentes alternas para los que están concebidos los motores de colector se clasifican en monofásicos y Polifásicos, siendo los primeros los más Utilizados Los motores monofásicos de colector más Utilizados son los motores serie y los motores de repulsión
Ejemplo de como construir un motor eléctrico básico
Los motores eléctricos satisfacen una amplia gama de necesidades de servicio, desde arrancar, acelerar, mover, o frenar, hasta sostener y detener una carga. Estos motores se fabrican en potencias que varían desde una pequeña fracción de caballo hasta varios miles, y con una amplia variedad de velocidades, que pueden ser fijas, ajustables o variables.
Un motor eléctrico contiene un número mucho más pequeño de piezas mecánicas que un motor de combustión interna o uno de una máquina de vapor, por lo que es menos propenso a los fallos. Los motores eléctricos son los más ágiles de todos en lo que respecta a variación de potencia y pueden pasar instantáneamente desde la posición de reposo a la de funcionamiento al máximo. Su tamaño es más reducido y pueden desarrollarse sistemas para manejar las ruedas desde un único motor, como en los automóviles.
El inconveniente es que las baterías son los únicos sistemas de almacenamiento de electricidad, y ocupan mucho espacio. Además, cuando se gastan, necesitan varias horas para recargarse antes de poder funcionar otra vez, mientras que en el caso de un motor de combustión interna basta sólo con llenar el depósito de combustible. Este problema se soluciona, en el ferrocarril, tendiendo un cable por encima de la vía, que va conectado a las plantas de generación de energía eléctrica. La locomotora obtiene la corriente del cable por medio de una pieza metálica llamada patín. Así, los sistemas de almacenamiento de electricidad no son necesarios.
- Cuando no es posible o no resulta rentable tender la línea eléctrica, para encontrar una solución al problema del almacenamiento de la energía se utilizan sistemas combinados, que consisten en el uso de un motor de combustión interna o uno de máquina de vapor conectado a un generador eléctrico. Este generador proporciona energía a los motores eléctricos situados en las ruedas. Estos sistemas, dada su facilidad de control, son ampliamente utilizados no sólo en locomotoras, sino también en barcos.
El uso de los motores eléctricos se ha generalizado a todos los campos de la actividad humana desde que sustituyeran en la mayoría de sus aplicaciones a las máquinas de vapor. Existen motores eléctricos de las más variadas dimensiones, desde los pequeños motores fraccionarios empleados en pequeños instrumentos hasta potentes sistemas que generan miles de caballos de fuerza, como los de las grandes locomotoras eléctricas
En cuanto a los tipos de motores eléctricos genéricamente se distinguen motores monofásicos, que Contienen un juego simple de bobinas en el estator, y pol¡fásicos, que mantienen dos, tres o más conjuntos de bobinas dispuestas en círculo.
Según la naturaleza de la corriente eléctrica transformada, los motores eléctricos se clasifican en motores de corriente continua, también denominada directa, motores de corriente alterna, que, a su vez, se agrupan, según su sistema de funcionamiento, en motores de inducción, motores sincrónicos y motores de colector. Tanto unos como otros disponen de todos los elementos comunes a las máquinas rotativas electromagnéticas
Motores de corriente continua
La conversión de energía en un motor eléctrico se debe a la interacción entre una corriente eléctrica y un campo magnético. Un campo magnético, que se forma entre los dos polos Opuestos de un imán, es una región donde se ejerce una fuerza sobre determinados metales o sobre otros campos magnético5 Un motor eléctrico aprovecha este tipo de fuerza para hacer girar un eje, transformándose así la energía eléctrica en movimiento mecánico.
Los dos componentes básicos de todo motor eléctrico son el rotor y el estator. El rotor es una pieza giratoria, un electroimán móvil, con varios salientes laterales, que llevan cada uno a su alrededor un bobinado por el que pasa la corriente eléctrica. El estator, situado alrededor del rotor, es un electroimán fijo, cubierto con un aislante. Al igual que el rotor, dispone de una serie de salientes con bobinados eléctricos por los que circula la corriente.
Cuando se introduce una espira de hilo de cobre en un campo magnético y se conecta a una batería, la corriente pasa en un sentido por uno de sus lados y en sentido contrario por el lado opuesto. Así, sobre los dos lados de la espira se ejerce una fuerza, en uno de ellos hacia arriba y en el otro hacia abajo. Sí la espira de hilo va montada sobre el eje metálico, empieza a dar vueltas hasta alcanzar la posición vertical. Entonces, en esta posición, cada uno de los hilos se encuentra situado en el medio entre los dos polos, y la espira queda retenida.
Para que la espira siga girando después de alcanzar la posición vertical, es necesario invertir el sentido de circulación de ¡a corriente. Para conseguirlo, se emplea un conmutador o colector, que en el motor eléctrico más simple, el motor de corriente continua, está formado por dos chapas de metal con forma de media luna, que se sitúan sin tocarse, como las dos mitades de un anillo, y que se denominan delgas. Los dos extremos de la espira se conectan a ¡as dos medias lunas. Dos conexiones fijas, unidas al bastidor del motor y llamadas escobillas, hacen contacto con cada una de las delgas del colector, de forma que, al girar la armadura, las escobillas contactan primero con una delga y después con la otra.
Cuando la corriente eléctrica pasa por el circuito, la armadura empieza a girar y ¡a rotación dura hasta que la espira alcanza la posición vertical. Al girar las delgas del colector con la espira, cada media vuelta se invierte el sentido de circulación de la corriente eléctrica. Esto quiere decir que la parte de la espira que hasta ese momento recibía la fuerza hacia arriba, ahora la recibe hacia abajo, y la otra parte al contrario. De esta manera la espira realiza otra media vuelta y el proceso se repite mientras gira la armadura.
El esquema descrito corresponde a un motor de corriente continua, el más simple dentro de los motores eléctricos, pero que reúne ¡os principios fundamentales de este tipo de motores.
Motores de corriente alterna
Los motores de corriente alterna tienen una estructura similar, con pequeñas variaciones en la fabricación de ¡os bobinados y del conmutador del rotor. Según su sistema de funcionamiento, se clasifican en motores de inducción, motores sincrónicos y motores de colector.
Motores de inducción
El motor de inducción no necesita escobillas ni colector. Su armadura es de placas de metal magnetizable. El sentido alterno de circulación, de la corriente en las espiras del estator genera un campo magnético giratorio que arrastra las placas de metal magnetizable, y las hace girar. El motor de inducción es el motor de corriente alterna más utilizado, debido a su fortaleza y sencillez de construcción, buen rendimiento y bajo coste así como a la ausencia de colector y al hecho de que sus características de funcionamiento se adaptan bien a una marcha a velocidad constante.
Motores sincrónicos
Los motores sincrónicos funcionan a una velocidad sincrónica fija proporcional a la frecuencia de la corriente alterna aplicada. Su construcción es semejante a la de los alternadores Cuando un motor sincrónico funciona a potencia Constante y sobreexcitado, la corriente absorbida por éste presenta, respecto a la tensión aplicada un ángulo de desfase en avance que aumenta con la corriente de excitación Esta propiedad es fa qUe ha mantenido la utilización del motor sincrónico en el campo industrial, pese a ser el motor de inducción más simple, más económico y de cómodo arranque, ya que con un motor sincrónic0 se puede compensar un bajo factor de potencia en la instalación al suministrar aquél la corriente reactiva, de igual manera que un Condensador conectado a la red.
Motores de colector
El problema de la regulación de la velocidad en los motores de corriente alterna y la mejora del factor de potencia han sido resueltos de manera adecuada con los motores de corriente alterna de colector. Según el número de fases de las comentes alternas para los que están concebidos los motores de colector se clasifican en monofásicos y Polifásicos, siendo los primeros los más Utilizados Los motores monofásicos de colector más Utilizados son los motores serie y los motores de repulsión
Ejemplo de como construir un motor eléctrico básico
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