NOCIONES BASICAS ENERGIA ELECTRICA

Un tutorial de nociones básicas sobre electricidad que encontré en internet, es una joya:

Tensión, Corriente, Resistencia y Potencia eléctrica, Ley de Ohm y de Kirchoff.

Tensión Eléctrica

La tensión, voltaje o diferencia de potencial, es la magnitud física que impulsa a los electrones a lo largo de un conductor en un circuito eléctrico cerrado provocando el flujo de una corriente eléctrica. La diferencia de potencial también se define como el trabajo por una unidad de carga ejercido por el campo eléctrico sobre una partícula cargada, para moverla de un lugar a otro.

 La tensión eléctrica la experimentan los cuerpos cargados eléctricamente. En dos cuerpos que están en desequilibrio eléctrico, hay presente una tensión, es decir, existe fuerza que trata de establecer un equilibrio eléctrico al igualar cargas.

Por ejemplo: Una lámina de acero flexible en posición de reposo. En éste caso no está sometida a esfuerzo o TENSIÓN (mecanica). Si la fexionamos estara sometida a un esfuerzo o TENSIÓN.
Entonces, la lamina experimenta una tension cuando se le ejerce una fuerza que cambia su estado.


Unidad de medida:


 La tensión entre dos puntos de un campo eléctrico, o diferencia de potencial, se mide en voltios. Mientras más grande sea dicho número, más fuerte será la tensión, es decir, más intensa será la fuerza a la que estarán sometidas las cargas eléctricas. La tensión puede tener signo positivo o negativo, dependiendo del signo de las cargas eléctricas implicadas y de la forma en que tomemos la medición.


Escala de medición


 La escala de medición se ubica entre los siguientes parámetros: 1 milivolt (Mvolt.) = 0.001 Volt.; 1 kilovoltio (Kvolt.) = 1000 Volt.

 En electricidad, se trabaja también con valores topes cercanos a 200 Kvolt., tendido de redes eléctricas de larga distancia.

Por ejemplo:

Alta: 200 a 400 Kvolt.

Media: 15 a 130 Kvolt.

Baja: 100 a 400 Volt.

Corriente Eléctrica

 Es el flujo de cargas eléctricas, el movimiento de electrones, a través de un material conductor. También se la llama intensidad de corriente eléctrica. Se emplea el término de intensidad como unidad de medición para cuantificar qué tan grande o pequeña es una corriente eléctrica.

 Por ejemplo: Una cantidad X de vehiculos circulando de la ciudad A hacia la ciudad B.
La ciudad A es el polo Positivo, y la B el Negativo.
La corriente es la circulacion de X vehiculos desde el polo negativo (ciudad A) hacia el polo positivo (ciudad B).
1 Ampere equivale aproximadamente. a 6.25 vehiculos x 10¹⁸.


Unidad de medida:

 Amperio ó Ampere (A) y, al igual que la tensión, cuanto más grande es el número de amperes, mayor es el flujo de corriente eléctrica. La relación entre corriente e intensidad es tan fuerte que se usa el nombre de corriente para referirse a la intensidad y viceversa. Una intensidad de 1A equivale, aproximadamente, a unos 6,25 * 10¹⁸ electrones por segundo circulando por la sección de un conductor. En Electrónica, se opta por usar el sentido de circulación no convencional y el teorema nos indica el siguiente enunciado:

 La corriente eléctrica es la circulación de electrones a través de un circuito eléctrico cerrado, cuyo movimiento es del polo negativo al polo positivo de la fuente de suministro de energía.

Resistencia Eléctrica

Se trata de una oposición o dificultad que representan los materiales a que circule la corriente eléctrica a través de ellos. Básicamente, podemos atribuirla a que las partículas portadoras de carga eléctrica no se muevan libremente por el material conductor, sino que son, en muchos casos, rebotadas o desviadas de su trayectoria original (rectilínea) y provocan su calentamiento.

 Esta definición es válida para la corriente continua. En el caso de la alterna, cuando se trata de elementos resistivos puros, la oposición presentada a la circulación de corriente recibe el nombre de impedancia.

 Según sea la magnitud de la oposición que presenta el material, éste se puede clasificar como: conductor, aislante o semiconductor. Existen materiales que, en determinadas condiciones de temperatura, presentan un fenómeno denominado superconductividad: significa que el valor de la resistencia es prácticamente nulo.

 Por ejemplo:  Un tanque de agua, funciona como fuente de energia, el agua que contiene es la corriente, la tuberia es el conductor, el diametro del caño es la tensión, el cambio de medida de la tuberia para la reduccion del caudal del agua, es la RESISTENCIA.


Unidad de medida:

 La unidad de medida que se emplea es el ohmio y se expresa con el símbolo omega (Ω). El rango de medida va desde la Unidad (Ohm) a Mega (MOhm)

Potencia Eléctrica

Para explicar este concepto, recordemos el significado de energía: es la capacidad que tiene un mecanismo o aparato eléctrico para realizar un trabajo. Con el lema <La energía no se crea ni se destruye, solo se transforma>, se manifiesta en la obtención de luz, movimiento, calor, frio, etc. La energía utilizada para realizar ese trabajo útil se mide en Joule (J).

 La potencia eléctrica es la velocidad en la que se consume dicha energía. También se denomina consumo eléctrico. Por ejemplo: si representamos la energía como un líquido, la potencia sería la cantidad de litros que se vierte de un recipiente en determinado tiempo. Siguiendo esta linealidad, podemos decir que la potencia se mide en energía con respecto a tiempo, es decir, Joule/seg, y se denomina Watt (W). Este término es de gran utilidad y está representado en la mayoría de los artefactos eléctricos. Así, cuando hablamos de la potencia de una lámpara, no solo nos referimos a la cantidad de luz que emite, sino también a la cantidad de energía que consume.

Tabla de Valores

  El rango que se usa en voltaje va desde Mili a Mega (V), En corriente de Micro a la Unidad (A), En resistencia de la unidad a Mega (Ω)

Parámetros e instrumentos de medición

Voltímetro
Es el instrumento que mide el valor de la tensión eléctrica, su unidad básica de medición es el voltio (V), con una escala que va desde el kilovoltio (kV) hasta el milivolt (mV).




 Uso del voltímetro:
·      Se conecta en paralelo con el circuito, tomando en cuenta la polaridad (negativa o positiva) si es tensión continua.

·      Debemos saber de antemano un valor aproximado de tensión a medir, a fin de proporcionar la escala apropiada.

·      Cada instrumento tiene marcada la posición en que se debe utilizar: horizontal, vertical, o inclinada y debemos respetarla.

·      Inicialmente, todo instrumento debe ajustarse en 0(cero) para que esté calibrado.



Amperímetro
Es el instrumento que mide la intensidad de la corriente eléctrica. Su unidad de medida es el amperio y sus submúltiplos: el miliamperio y el microamperio.




Uso del amperímetro:
·        Se conecta en serie con el circuito.

·        Debemos tener un aproximado de corriente a medir, ya que si es mayor que la escala del amperímetro se puede dañar.

·        Debemos tener en cuenta que tenemos que respetar la posición del aparato para obtener mayor precisión en la lectura.

·        El instrumento debe ser inicialmente ajustado a cero.

·        Nunca tenemos que conectarlo con un circuito que esté energizado.



Ohmiómetro
Es el instrumento que se emplea para medir resistencia eléctrica. En la práctica, no se mide la resistencia de un circuito, simplemente se lo utiliza para medir el componente electrónico Resistencia.



Vatímetro
Se lo usa en el caso de la potencia eléctrica pero, al igual que el ohmiómetro, no se emplea en la práctica. Para conocer el valor de consumo o potencia eléctrica de un artefacto o circuito eléctrico se utilizan formulas de cálculo en donde intervienen los conceptos de tensión y corriente.




Multímetro
Con un multímetro o tester, analógico o digital, se pueden realizar mediciones de voltaje, corriente, resistencia, temperatura y capacitancia, además de pruebas de continuidad. Solo debemos tener la precaución de colocar el selector en la posición correcta. El tester digital es la herramienta por exelencia de todo electrisista.

Ley de Ohm.

Postulada por el físico y matemático alemán Georg Simon Ohm, esta es una de las Leyes fundamentales de la Electrónica que estudiaremos.

 La Ley de Ohm está vinculada a los valores presentes en cualquier circuito eléctrico. Como resultado de su investigación, en la que experimentaba con materiales conductores, Ohm llegó a determinar que la relación entre voltaje y corriente era constante, por lo que la nombró resistencia.
 

Postulado de la Ley de Ohm.

Se establece que la intensidad de la corriente eléctrica que circula por un circuito cerrado es directamente proporcional a la diferencia de potencial aplicada (tensión), e inversamente proporcional a la resistencia total del circuito.

Matemáticamente, se expresa mediante la siguiente ecuación:

I = V/R

Para entender los términos directa, inversa y proporcional, se establece:
 

Resistencia fija

 La corriente sigue al voltaje, es decir, si aumenta o disminuye la corriente, la tensión se comporta de igual manera. Por ejemplo, nos ayudamos con la ecuación V = I x R y asignamos los siguientes valores:


R = 2 Ω

I = 10 A

La formula nos da este resultado:


V = 20 V


Si variáramos la corriente a I = 15 A, el resultado sería: V = 30 V. De esta manera, observamos cómo, al incrementar la corriente, la tensión, también aumenta.



 

Tensión fija

 Un incremento en la resistencia causa una disminución de la corriente que circula. Por ejemplo: usamos la formula I = V/R y le asignamos los valores:

V = 12 V

R = 2 Ω
El resultado nos da:

I = 6 A
Si variamos R = 4 Ω, el resultado es I = 3 A. Aquí vemos que, al incrementar la resistencia, la corriente disminuye.

 

Corriente fija

 El voltaje sigue a la resistencia. Una variación en la resistencia, ya sea mayor o menor, causa el mismo efecto en la tensión. Por ejemplo: empleamos la última alternativa de la formula I = V/R y le asignamos los valores.

I = 10 A

V = 20 V
El resultado es:

R = 2 Ω


Si variáramos V = 10 V, el resultado sería: R = 1 Ω. En este caso, podemos ver que el valor de la tensión bajó y ocurrió lo mismo con la resistencia.

 

Triangulo de la Ley de Ohm.

Para recordar las expresiones de la Ley, podemos utilizar el siguiente grafico que simplifica las definiciones anteriores. Allí, vemos que en la parte superior del triangulo tenemos la variable tensión y, por debajo, las otras dos variables, corriente y resistencia, una al lado de la otra. Por simple deducción visual, obtenemos las tres ecuaciones matemáticas ya explicadas.




I x R = V

V / R = I

V / I = R

Para analizar cómo se aplica la Ley de Ohm, podemos ver el circuito eléctrico.
 

Circuito cerrado

Circuito Abierto

 

 
Allí, tenemos una fuente de energía que suministra una tensión eléctrica. Conectada a la fuente tenemos un resistor, también llamado carga, y una corriente eléctrica que está circulando por el circuito. El concepto de circuito cerrado significa que existe plena continuidad en la conexión. Un circuito abierto posee una llave en corte.

Signos
I = corriente

R = resistencia

V = tensión

Leyes de Kirchoff

Las dos primeras leyes establecidas por Gustav R. Kirchoff permiten obtener los valores de intensidad de corriente y tensión en cada punto de un circuito electrónico.

Ley de Nodos o de Corrientes:
La suma de las corrientes que entran a un nudo o punto de unión de un circuito es igual a la suma de las corrientes que salen de ese nudo.

Si le asignamos el signo más (+) a las corrientes que entran en la unión y el signo menos (-) a las que salen de ella, entonces la Ley establece que la suma algebraica de las corrientes en un punto de unión es 0. Matemáticamente seria:

 Suponiendo un circuito de 4 resistores que se conectan en un extremo en común – Nodo, hacemos circular dos corrientes eléctricas: I1 e I2. Llegan al nodo, continúan circulando y se convierten en I3 e I4. La ecuación Queda:

I1 + I2 = I3 + I4

Aplicamos conmutación y queda:

I1 + I2 – I3 – I4 = 0


Ley de las Mallas o de las Tensiones:

Para todo conjunto de componentes que forman un circuito cerrado se verifica que la suma total de las caídas de tensión en las resistencias que constituyen la malla sea igual a la tensión de la fuente de energía que suministra el circuito.

 Ejemplo: con un circuito eléctrico básico que tiene una batería y 4 resistores conectados en serie. En cada una se produce una caída de tensión propia a esa resistencia. La formula queda de la siguiente manera:

+Bat = V1 + V2 + V 3 + V4


Circuito serie

Es una configuración de conexión en la que los bornes o terminales de un componente se conectan secuencialmente. El terminal de salida de un componente se conecta al terminal de entrada del siguiente. Sus principales características son:

· La corriente en un circuito serie es absolutamente la misma en todos sus puntos.

· La tensión en un circuito serie se comporta como la Ley de Mallas.

· La resistencia total del circuito es la sumatoria de cada resistencia que lo compone.

Para demostrarlo, hacemos uso de las Leyes de Ohm y Kirchoff.

Según la Ley de Ohm: V = I x R

V: Tensión que se suministra.

I: Corriente que circula.

R: Resistencia total del circuito.

Suponemos que la tensión tiene valor V = 12V y cada resistor:

R1 = 1Ω

R2 = 2Ω

R3 = 3Ω

La resistencia total seria la sumatoria de todos los resistores:

R = R1 + R2 + R3 = 6Ω

R = 6Ω

El valor de la corriente, por cálculo de la ecuación, seria:

I = V / R = 12V / 6Ω = 2A

I = 2 A



Obtenido el valor de la corriente, se puede comprobar que la segunda Ley de Kirchoff, denominada Ley de Mallas.

Calculamos la caída de tensión en cada resistor:

VR1 = I x R1 = 2A x 1Ω = 2V

VR2 = I x R2 = 2A x 2Ω = 4V

VR3 = I x R3 = 2A x 3Ω = 6V

Si sumamos cada una de las caídas de tensión, como vemos en la siguiente formula, obtenemos la tensión que se suministra de 12 Volt.:

V = VR1 + VR2 + VR3

V = 2V + 4V + 6V = 12V

V = 12V

Circuito Paralelo

Es un tipo de conexión formada por varios componentes cuyos bornes o extremos están conectados en paralelo con respecto a la tensión de alimentación. Las características que podemos destacar son:


· La corriente que entrega la fuente de alimentación, al llegar a un empalme, se divide y sigue ambos caminos. Esta división de corriente se vuelve a unir al encontrar el siguiente empalme, de esta manera resulta nuevamente en la corriente inicial y cierra el circuito.

· La tensión en cada componente es igual a la tensión de la fuente de alimentación.

· La resistencia total se calcula mediante una ecuación matemática. Como regla general, la resistencia total que ofrecen distintas cargas resistivas en un circuito paralelo es siempre menor que la resistencia de menor valor.



Fórmula matemática para obtener la resistencia total:

Según el enunciado, la resistencia total se calcula con la siguiente fórmula:

R = [(R1)⁻¹ + (R2)⁻¹ + (R3)⁻¹]⁻¹

También se puede emplear esta otra:

R = 1 / (1 / R1 + 1 /R2 + 1 /R3)

Para demostrarlo, hacemos uso de las Leyes de Ohm y Kirchoff:


Asignamos valores fijos a los resistores y a la fuente de alimentación:

V = 12V

R1 = 5Ω

R2 = 10Ω

R3 = 20Ω

Calculo de resistencia total:

R = [(5Ω)⁻¹ + (10Ω)⁻¹ + (20Ω)⁻¹]⁻¹

R = (0,2Ω + 0,1Ω + 0,05Ω)⁻¹

R = (0,35Ω)⁻¹

R = 2,86Ω

Obtenido el valor de la resistencia total, calculamos la corriente:

V / R = I

 12V / 2,86Ω = 4,2A

I = 4,2A

Con la corriente resultante que obtuvimos en el cálculo anterior, comprobamos la primera Ley de Kirchoff, denominada Ley de Nodos.

Calculamos el valor de cada corriente en cada resistor:

I1 = V / R1 = 12V / 5Ω = 2,4A

I2 = V / R2 = 12V / 10Ω = 1,2A

I3 = V / R3 = 12V / 20Ω = 0,6A

Si sumamos todas las corrientes, obtenemos el mismo valor de la corriente total:

I = I1 + I2 + I3

I = 2,4A + 1,2A + 0,6A

I = 4,2A