Apuntes de clase
Muchos materiales cuando se los frota con otros, no solamente atraen pequeños cuerpos, sino que ejercen fuerzas de atracción y repulsión uno sobre otro.
Los cuerpos cargados con electricidad distintas, se atraen mutuamente; mientras que los cargados con el mismo tipo de electricidad se repelen; los cuerpos cargados con electricidad positiva y negativa se atraen.
Todas las cosas están hechas de dos tipos distintos de electricidad -positiva y negativa- y un tipo puede ser separado de otro.
Los protones son las cargas fundamentales positivas; los electrones son las cargas fundamentales negativas.
Los electrones se mantienen en sus órbitas venciendo la fuerza centrífuga, por medio de la fuerza de atracción entre los protones del nucleo y los electrones.
Toda materia está compuesta de uno o más de los 102 elementos conocidos, los cuales están formados por átomos.
La materia o sustancia con un exceso de electrones se hallan cargadas negativamente, los cuerpos con deficiencia de electrones están cargados positivamente.
Los átomos están formados por partículas cargadas positivamente llamadas protones, partículas con carga negativa llamadas electrones y partículas sin carga llamadas neutrones.
Los cuerpos metálicos se pueden cargar por contacto o por inducción.
Los objetos con cargas desiguales, se pueden descargar (hacerlos electricamente neutros) a través del aire (descarga), por contacto directo o por medio de un alambre.
Todo electrón y protón tiene un campo eléctrico propio, que ocupa el espacio que lo rodea. La energía de la carga fundamental está en su campo.
La energía potencial es la energía de posición; la energía cinética es la energía de movimiento.
Los conductores son materiales a través de los cuales circula la corriente eléctrica en condiciones normales; los aisladores impiden la circulación del flujo eléctrico.
Una fuerza electromotriz cambia el movimiento desordenado de los electrones dentro del conductor en un movimiento controlado (corriente eléctrica).
La unidad de la FEM es el Volt.
La diferencia de potencial que existe entre dos puntos o lugares en un sistema eléctrico se identifica en terminos de tensión.
Potencial y tensión son términos intercambiables.
La unidad de cantidad de corriente eléctrica es el Coulomb; un Coulomb por segundo se define como 1 Amper
La corriente eléctrica tiene tres efectos: térmico, magnético y químico.
La resistencia es la oposición al pasaje de la corriente eléctrica.
Un circuito eléctrico consiste en una fuente de tensión, una carga y un conductor.
La resistencia de cualquier material depende de su longitud, sección y temperatura.
Una pila primaria no es recargable y tiene vida limitada; la pila secundaria es recargable y tiene larga vida.
Las pilas se especifican en Amper-horas a una determinada relación de corriente.
La pila primaria más común es la de zinc-carbón.
La pila secundaria más ampliamente usada es el acumulador plomo-ácido.
El acumulador plomo-ácido se puede recargar invirtiendo la dirección de la corriente de descarga.
Las baterías deben ser probadas bajo carga
La capacidad de corriente para baterías de acumuladores está basada en un período de descarga de 20 horas. Una batería plomo-ácido de 100 amper-horas puede dar 5 Amper durante 20 horas.
Para medir la densidad del electrolíto en la batería plomo-ácido se usa un densímetro. Da una buena indicación de la condición de carga.
Cuando las pilas se conectan en serie, el terminal positivo de una se conecta al negativo de la otra.
La conexión en serie de las pilas aumenta la tensión.
La conexión en paralelo aumenta la capacidad de corriente de la batería.
La conexión serie-paralelo de las pilas da simultáneamente mayor tensión y mayor capacidad de corriente.
El material activo de las baterías plomo-ácido es el plomo y el peróxido de plomo que está comprimido entre las grillas de las placas del acumulador.
El ohm es la unidad de la resistencia eléctrica; el resistor es el componente que presenta esta resistencia.
La utilidad de una resistencia está determinada por sus relaciones eléctricas.
Los termistores y varistores son resistencias que tienen características y aplicaciones especiales.
La ley de Ohm define las relaciones entre tensión, corriente y resistencia.
Cuando la resistencia permanece constante, la corriente varía directamente con la tensión.
Cuando la tensión se mantiene constante, la corriente varía inversamente con la resistencia.
La ley de Ohm para la tensión es E=I*R; para la corriente I=E/R y para la resistencia R=E/I
La unidad usada para expresar la potencia es el Watt
Un medidor de Watt/hora es el que mide la cantidad de potencia consumida.
Los voltímetros miden tensión, los amperímetros miden corriente, los ohmetros miden resistencia y los wattímetros miden potencia.
Hay tres tipos básicos de circuitos eléctricos: serie, paralelo y serie-paralelo.
En el circuito serie hay un solo camino para la corriente.
La corriente en un circuito serie es la misma en todo su recorrido.
La regla básica para calcular la resistencia total de un circuito serie es Rt=R1+R2+R3+…+Rn
La regla básica para calcular la resistencia total de un circuito paralelo es Gt=G1+G2+G3+…+Gn
La conductancia de un circuito es la inversa de la resistencia 1/R y se define como la facilidad que en un conductor circula la corriente
La tensión en un circuito paralelo es la misma en cualquier rama; la corriente se divide de acuerdo con la resistencia en cada rama.
Cuando se mide caida de tensión, se conecta un voltímetro sobre la resistencia por la que circula la corriente.
Un potenciómetro es un dispositivo para obtener un tensión variable de una fuente de tensión constante.
La cantidad de potencia consumida en el proceso de forzar los electrones a través de una resistencia es igual a I2*R
La ley de Kirchoff para la corriente, establece que la suma de todas las corrientes que entran en un punto es igual a todas las que salen.
Los trozos de hierro llamados magnetita poseen la propiedad de atraer partículas de hierro. Estos imanes naturales fueron denominados piedra imán.
Cualquier imán que retiene su magnetismo un largo período de tiempo se llama permanente. Si lo pierde rapidamente, temporario.
El espacio que rodea a un imán es el campo magnético. Las líneas de fuerza magnéticas se concentran alrededor de los polos del imán.
El hierro se magnetiza por inducción cuando se los acerca o están en contacto con un imán.
Todo imán tiene un polo norte y un polo sur.
Los imanes artificiales se hacen frotando una pieza de hierro con otro imán, o por medios eléctricos.
El magnetismo residual es la cantidad de magnetismo retenido en un material después que se ha quitado la fuerza magnetizante.
Los polos semejantes se repelen; los polos distintos se atraen.
Un campo magnético alrededor de un conductor que lleva corriente aumenta cuando lo hace la corriente y disminuye cuando baja ésta.
Las líneas de fuerza magnética tienen forma de círculos concéntricos alrededor de un conductor.
Una bobina por la que circula una corriente tiene dos polaridades: una para la tensión y otra para el magnetismo.
La regla de la mano izquierda para las bobinas determina las relaciones, entre la dirección de la corriente y el sentido del flujo magnético.
Amper-vueltas es el producto de la corriente en Amper y el número de espiras de la bobina. La fuerza magnetomotriz se expresa en Amper-vueltas.
Un electroimán está formado por un alambre bobinado alrededor de un núcleo de hierro.
El Maxwell es la unidad de flujo magnético. Una línea de fuerza es igual a 1 Maxwell
Cuando se invierte la corriente que pasa por la bobina de un electroimán, se invierte también la polaridad del electroimán
Cortando un conductor con un campo magnético, se induce un tensión en el conductor.
El instrumento básico para corriente continua es el de imán permanente y bobina movil (llamado D'Arsonval)
Este instrumento se usa para medir tensión, corriente y resistencia.
Los voltímetros siempre se conectan en paralelo sobre el circuito a medir; los amperímetros siempre se conectan en serie con el circuito.
Los intrumentos de CC (DC), incluyen amperímetros, miliamperímetros y microamperímetros.
Se debe observar la polaridad correcta cuando se mide corriente para evitar dañar al instrumento.
Siempre se comienza por el rango más alto de corriente cuando se tiene dudas de su valor.
El medidor de corriente se puede usar como voltímetro para medir tensines, usando resistencias multiplicadoras en serie con la bobina movil del instrumento.
Los amperímetros pueden medir mayor corriente que la permitida por su alcance, colocando un shunt.
Cuando se usa un voltímetro se trabaja en el rango más alto posible.
Cuando se usa el Ohmetro siempre se trata de hacer la lectura en la zona inferior de la escala. En esa región el error de apreciación es menor.
Las escalas de los voltímetros y amperímetros de DC son lineales; las de los óhmetros son alineales.
El ajuste de cero en el óhmetro paralelo trabaja en forma inversa al óhmetro serie.
El óhmetro serie se usa generalmente para medir resistencias altas.
El óhmetro paralelo se usa para medir resistencias bajas.
El wattímetro electrodinámico mide potencias directamente en watt.
El puente de Wheatstone se usa para hacer mediciones precisas de resistencia.
Cualquier línea trazada por el centro de un círculo, que lo divide en dos mitades, es un diámetro.
La línea continuamente curva que limita al círculo, es una circunferencia.
Los tres lados de un triángulo rectángulo son: la base (lado horizontal), la altura (lado vertical) y la hipotenusa (opuesto al ángulo recto)
En el triángulo rectángulo, el cuadrado de la hipotenusa, es igual a la suma de los cuadrados de los otros dos lados (catetos). c2=a2+b2
Para describir cualquier situación que comprende magnitud y dirección, se utilizan relaciones vectoriales.
El método básico para inducir una FEM en un conductor, es moverlo, cortando las líneas de fuerza de un campo magnético estacionario.
La tensión máxima que se induce en un conductor, es cuando éste corta las líneas de fuerza en ángulo recto, es decir, a 90°.
El generador básico de CA, es una armadura con eje que posee dos bobinas laterales que giran entre los polos de un imán a velocidad uniforme.
Ciclo es una serie completa de cambios en la corriente o tensión en CA.
Frecuencia es el número de ciclos por segundo.
La forma de onda senoidal es una imagen de las variaciones instantáneas en el valor de una corriente o tensiones alternados.
El valor instantáneo es el que existe en cualquier instante de tiempo. El valor de pico (máximo) es el más alto que se alcanza durante un ciclo.
El valor medio de una onda senoidal (no para otro tipo de ondas) es 0,636 de su valor máximo.
El valor eficaz (RMS) de una senoidal (no para oro tipo de ondas) es igual a 0,707 de su valor máximo.
Cuanto más alta es la frecuencia, más rápida es la relación de cambio.
La fase se refiere a las relaciones de tiempo entre dos cantidades alternadas: tensiones, corrientes o tensión y corriente.
Fuera de fase es un término que indica someramente las variaciones que no se producen al mismo tiempo, en dos formas de ondas.
Cualquier cambio de coriente en un circuito que contiene inductancia, produce una fuerza contraelectromotriz que se opone al cambio. Esta FEM autoinducida tiende a mantener la corriente constante.
La ley de Lenz establece básicamente: "una corriente variable induce una FEM cuya polaridad es tal que se opone al cambio de la corriente"
Cuanto mayor es la inductancia de una bobina, mayor es la FEM inducida y mayor es la oposición al aumento y disminución de la corriente.
La inducción mutua se presenta cuando un campo magnético variable producido por una bobina, corta el bobinado de otra e induce una FEM.
Reactancia inductiva (XL) es la oposición presentada por una inductancia a una corriente alternada: XL=WL donde W=2*pi*f
En un circuito serie R-L, las caidas de tensión sobre R y L están 90° fuera de fase.
En un circuito que contiene inductancia y resistencia, la impedancia (Z) es la oposición total al flujo de la CA, y es una combinación de XL y R. Está expresada en Ohm Z=SQR [(XL)2+R2]
La ley de Ohm para circuitos de CA, es E=I*Z; I=E/Z; Z=E/I
La suma vectorial de todas las caidas de tensión en un circuito serie R-L, es igual la tensión aplicada.
El bobinado primario de un transformador absorbe la energía eléctrica de una fuente de tensión; el secundario suministra la tensión inducida a una carga.
La relación de vueltas entre el primario y el secundario de un transformador, determina si la tensión inducida en el secundario es mayor o menor que la del primario.
La relación de corriente primario-secundario es opuesta a la relación de tensión.
En la transferencia de potencia desde una fuente de energía eléctrica a una carga. La impedancia de la carga debe ser igual o debe ser adaptada a la impedancia interna de la fuente, para que haya una máxima transferencia de potencia.
Potencia es la rapidez con que se hace un trabajo
El Watt es la unidad de potencia eléctrica
Potencia aparente es el producto de Volt por Amper en el circuito de corriente alterna.
Potencia real es la potencia que se ha consumido realmente en el circuito.
La potencia real es igual a la potencia aparente si la tensión y la intensidad estpan fuera en fase 90°
La potencia real es igual a la potencia aparente multiplicada por una cifra denominada coseno del ángulo de fase
El coseno del ángulo de fase se denomina factor de potencia y a menudo se expresa como cifra decimal o porcentaje.
La Impedancia es la posición al flujo de corriente en un circuito de CA.
La corriente en circuitos de CA en serie la intensidad es la misma en todas las partes del circuito en serie.
En un circuito de CA en serie la tensión sobre la resistencia está en fase con la corriente. La tensión sobre la inductancia adelanta a la corriente en 90 grados y la tensión sobre el capacitor atrasa a la corriente en 90 grados.
La resonancia en un circuito serie la reactancia inductiva es igual a la capacitiva; la tensión sobre el inductor es igual a la tensión sobre el capacitor; la corriente es máxima y la impedancia Z=R*Cos phi=1
En circuitos de CA en paralelo la corriente se divide entre las ramas en paralelo. La Corriente que circula por la resistencia está en fase con la tensión del circuito, la corriente que circula por el inductor atrasa a la tensión en 90 grados y la corriente por el capacitor adelante a la tensión en 90 grados.
En circuitos de CA en paralelo la tensión en cada rama del circuito en paralelo es igual y está en fase con la tensión de cada una de las otras ramas y con la del circuito total.
La impedancia de un circuito de CA en paralelo es igual a la tensión total del circuito dividida por la intensidad de la corriente total del mismo. El factor de potencia es igual a la intensidad de la corriente por la resistencia dividida por la intensidad de la corriente total del circuito.
Corriente alterna es el flujo de corriente que invierte su sentido a intervalos regulares y que constantemente cambia de magnitud.
Onda sinusoide es una curva continua de todos los valores instantáneos de la intensidad o la tensión de una corriente alterna.
Inductancia es la propiedad de un circuito, que se opone atoda modificación en el flujo de corriente.
La reactancia inductiva es la acción de la inductancia al oponerse al flujo de corriente alterna y hacer que la intensidad sufra un retardo con respecto a la tensión.
Capacidad es la condición del circuito que se opone a toda modificación en la tensión del circuito.
Reactancia capacitiva es la acción de la capacidad al oponerse al flujo de corriente alterna y hacer que la corriente adelante a la tensión.
En los circuitos de CA la potencia real es igual a E*I*Cos phi, donde el factor de potencia (cos phi) es igual a la relación entre la resistencia y la impedancia (R/Z)
En un circuito en serie de CA la intensidad es la misma en todas las partes del circuito, mientras que la tensión se divide a lo largo del circuito y difiere en fase.
Un circuito resonante serie es cuando la reactancia inductiva y capacitiva son iguales, teniendo una impedancia mínima y una intensidad de corriente máxima.
En un circuito de CA en paralelo la tensión es la misma en cada rama en paralelo, mientras que la corriente se distribuye en las distintas ramas, difiriendo las intensidades parciales en fase y amplitud.
Está en resonancia un circuito paralelo cuando la reactancia inductiva y la capacitiva son iguales, teniendo impedancia máxima y un míimo de intensidad de corriente. En resonancia la intensidad circulante es mayor que la intensidad de línea.
En un circuito de CA serie-paralelo la corriente se distribuye entre las ramas en paralelo mientras que la tensión se divide entre las partes del circuito colocadas en serie. Las relaciones de fase entre tensión y corriente en cada parte del circuito dependen de si esa parte está compuesta por resitencia, inductancia o capacitancia.
La acción transformadora es un método para trasladar energía eléctrica de una bobina a otra por medio de un campo magnético alternativo. Las bobinas no están conectadas entre sí (aislación galvánica), sino que sólo están acopladas magnéticamente. El campo magnético alternado generado en una de las bobinas atraviesa las espiras de otra y produce tensión en ella.
El bobinado que produce el campo magnético alternado se denomina primario. El bobinado en el cual el campo magnético alternativo induce tensión se llama secundario. La tensión inducida en el secundario depende de la relación entre las espiras del secundario y el primario.
Si en el secundario hay más espiras que en el primario, el transformador es elevador y la tensión en el secundario será más alta que la tensión en el primario.
Si en el secundario hay menos espiras que en el primario, el transformador es reductor y la tensión en el secundario será más baja que en el primario. La relación entre la tensión del secundario y la del primario es igual a la relación entre el número de espiras de ambos bobinados.
La potencia suministrada por un transformador es igual a la potencia que recibe, suponiendo que el rendimiento sea igual a 1. Expresando esto con una fórmula, tenemos que Ep*Ip=Es*Is
Con Ep*Ip=Es*Is puede verse que si el tranformador eleva tensión, reduce la intensidad de la corriente. En otras palabras, el trnsformador modifica la intensidad de la corriente en sentido contrario al cambio de tensión.
Los transformadores para frecuencias bajas tienen bobinas arrolladas en núcleos de hierro que ofrecen un camino de baja resistencia a las líneas de fuerza magnética. Esto permite un acoplamiento máximo entre el campo magnético primario y el secundario, con el resultado de que la energía se transmite al secundario con pocas pérdidas. Los transformadores sufren pérdidas de tres tipos:
La pérdida I2*R debida al flujo de corriente en la resistencia de los alambres de la bobina,
Pérdidas de corrientes parásitas provocadas por inducción en el material del núcleo,
Pérdidas por histéresis debido a la inversión de la polaridad del núcleo cada vez que se invierte el campo magnético.
Además de los transformadores con bobinados primario y secundario, hay transformadores de un bobinado solo que se denominan autotransformadores. La energía eléctrica se transmite de una parte de la bobina a otra parte de ella misma por inducción magnética. La tensión y las intensidades varían de la misma manera que en los transformadores.
Un capacitor está formado por dos conductores separados por un material aislante (dieléctrico)
Capacidad es una propiedad de un circuito, por medio de la cual se puede acumular energía en forma de un campo eléctrico entre dos conductores (placas) separadas por un dieléctrico.
La capacidad en un circuito se opone a cualquier cambio de tensión
La acción de almacenar electricidad en un capacitor se llama carga
La acción de recuperar la energía almacenada en un capacitor cargado se conoce como descarga del capacitor.
En un circuito capacitivo la corriente adelanta a la tensión aplicada en 90°
La relación de la carga (Q) a la tensión (E) es la medida de la acción capacitiva y se llama capacidad. C=Q/E
El farad es la unidad de capacidad. Un capacitor tiene una capacidad de 1 farad si una diferencia de potencial de 1 Volt almacena una carga de 1 coulomb
Un microfarad es la millonésima parte del farad; un micromicrofarad (picofarad) es la millonésima parte de un microfarad.
La capacidad de un capacitor varía directamente con la superficie de las placas e inversamente con la distancia entre las placas.
La constante dieléctrica (K) es la habilidad de un material o del medio para permitir el establecimiento de lineas de fuerzas eléctrica entre las placas de cargas opuestas.
Los capacitores fijos se distinguen de acuerdo con el material que utilizan como dieléctrico, como papel, aceite, mica, cerámica y electrolítos.
Los capacitores electrolíticos tienen polaridad y se usan principalmente en filtros de alta potencia y baja frecuencia.
Los capacitores conectados en paralelo, suman sus capacidades como las resistencias en serie, los capacitores conectados en serie se suman como las resistencias en paralelo.
La oposición que presenta un capacitor a la CA se llama reactancia capacitiva (XC); la fórmula para la reactancia capacitiva es XC=1/(2*pi*f*C)
Si la frecuencia y/o capacidad aumenta, XC disminuye, y viceversa. La impedancia de un circuito serie R-C se calcula por Z=R*XC/SQR(R2+XC2)
La constante de tiempo de un circuito R-L, es un medio de comparar con que rapidez aumenta la corriente hasta un determinado valor, relativo a otro circuito R-L. Se expresa en segundos y se calcula por la ecuación t=L/R
La constante de tiempo en un circuito R-C se calcula con la ecuación t=R*C
En un circuito R-C. La tensión aumenta hasta el 63,2% del máximo y disminuye el 63,2% en la primera unidad de tiempo
Si XL es mayor que XC, el circuito actúa inductivamente y la corriente atrasa a la tensión aplicada en el ángulo de fase theta. Tangente theta=XL-(XC/R)
Si XC es mayor que XL, el circuito actúa capacitivamente y la corriente adelanta a la tensión aplicada en el ángulo de fase theta. Tangente de theta=XC-(XL/R)
Si XL=XC, el circuito es resistivo y la corriente está en fase con la tensión aplicada.
La frecuencia de resonancia del circuito es la frecuencia a la cual el sistema responde mejor.
La frecuencia a la cual resuenan L-C-R está determinada por la fórmula f=1/[2*pi*SQR(L*C)]
En resonancia las reactancias se anulan, la corriente en un circuito serie es máxima, la impedancia es mínima y el ángulo de fase es 0°
En resonancia las tensiones sobre las reactancias son máximas
En un circuito serie, las caidas de tensión sobre los elementos reactivos están 180° fuera de fase y se calculan directamente: E=SQR[ER2+(EL-EC)2]
Q es el factor de mérito de un circuito L-C-R y varía inversamente con la resistencia
El Q de un circuito serie resonante es la relación entre la reactancia inductiva y la resistencia efectiva, y su valor es XL/R
Al considerar el Q de una bobina es importante tener en cuenta el efecto skin
En un circuito resonante paralelo, la corriente de línea es mínima, la impedancia máxima, y el ángulo de fase es 0°
En el circuito paralelo L-C, en frecuencias por encima de resonancia, XL es mayor que XC; IC es mayor que IL y el circuito actúa capacitivamente. A frecuencias por debajo de resonancia, XC es mayor que XL; IL es mayor que IC y el circuito se comporta inductivamente.
El Q de un circuito resonante paralelo es la relación entre la corriente en IL ó en IC y la corriente total.
Un circuito paralelo es resonante si XL=XC e IL=IC
El circuito resonante paralelo se puede usar como un sistema pasabanda o de rechazo de frecuencia.
En un circuito paralelo L-C las corrientes de las ramas están 180° fuera de fase y se pueden sustrer directamente; IT=IL-IC
La corriente en cada rama de un circuito paralelo L-C es mayor que la corriente total.
El circuito tanque se puede utilizar para simular las propiedades de un capacitor o de una inductancia
En el circuito paralelo L-C, cuanto más tienden a igualarse XL y XC, mayor es la impedancia total ZT y menor la corriente total IT
En el circuito resonante paralelo, la corriente circulante es la misma en L y C.
La corriente circulante en el circuito paralelo L-C es un intercambio de energía entre L y C
Cuanto mayor es el Q de un circuito resonante paralelo, más estrecho es el pasabanda
Los filtros pasabandas se utilizan para permitir el pasaje de una estrecha banda de frecuencias, al mismo tiempo que rechaza las frecuencias no deseadas; los filtros de rechazo de banda se usan para bloquear el pasaje de una estrecha banda de frecuencias.
Los instrumentos de CA usan el mismo sistema de bobina movil que los de CC, excepto que se agrega un rectificador para transformar la CA en CC.
El rectificador más utilizado en instrumentos de CA era el óxido de cobre que permite rectificación hasta 20 KHz.