alternador y arranque001

5/12/2018 Alternador y Arranque001

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~.-~-.--___........--- -----CircuitosElectrotecn icos BasicosSistemas de carga y arranque


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CircuitosElectrotecn icos BasicosSistemas d e carga y arranque

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Jose Manuel Alonso


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2000 Int ernational Thomson Edi to res Spain Paran in fo , S.A.Magal lanes, 25; 28015 Madrid ESPANA'Ielefono- 91 4463350 Fax: 914456218([email protected])e JOSE MANUEL ALONSO PEREZParaninfoThomson Learning,"

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Pr61ogo , .Circuitos electricos.1.1. Equipo electrico del autornovil .1.2. Estructura atomica de la materia .1.3. Cuerpos conductores y aislantes , . - ..1.4. Corriente electrica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . '"1.5. Circuito electrico .1.6. Magnitudes fundamentales .' : ..1.7. Ley de Ohm ,1.8. Trabajo y potencia electricos .1.9. Conexionados electricos ................................

~,2.Efectos de la corriente electrica _.2.1. Caida de tension .2 .2 . Calor d es prendido po r e l p as o de un a c or ri en te el ec tr ica (Efec to2.3. Procedimientos de produccion de electricidad ................. ,2.4. Campo electrico. Acumulacion de cargas '.'2.5. Electromagnetismo , :.2.6. Induccion electromagnetica ...................................

~3.Componentes electricos y electronicos '" " . ': 333.1. Fusibles y limitadores de intensidad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . " _ .3.2. Resistencias y reostatos .3.3. Resistencias dependientes 0 especiales .3.4. Condensadores .3.5. Reles .3.6. Diodos semiconductores .3.7. Los transistores .3.8. EI tiristor .3.9. Circuitos integrados .3.10. Aparatos electricos de medida .. '.' .

35363839404143454646
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i n di ct ' d e m u tc ri as~-~---.------~-4. Disposicion de la instalacion electrica. Cableados 51

4.1. Cableados electricos . .4 .2 . Cen tral de conex iones y caja de fusibles . .4.3. Conductores electricos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .404 . Terminales y conectores .4.5. Interpretacion de esquemas electricos ; .

5355575859

5. Acumuladores para automoviles : 695.1. Bateria de acumuladores .5.2. La electrolisis .5.3. Estructura de un acumulador de plomo .504 . Carga y descarga de una bateria .5.5. Caracterfsticas electricas de las baterfas .5.6. Mantenimiento de acumuladores .5.7. Evolucion de las batenas de arranque .

717172757 77880

" 6. Carga y verificacion de acumuladores 836.1. Transformadores 856.2. Cargadores de b aterias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 866.3. Cargas de baterias con el cargador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88604 . Descarga espontanea y sobrecarga de un acumulador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 906.5. Medida de la densidad del electrolito . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 916.6. Medida de la tension de la bateria 926.7. Verificaci6n y control de las baterias 936.8. Avenas en los acumuladores 94

7. Circuito de arranque. Motor de arranque , " ., . .. . . . . 977.1. Circuito de arranque :.......................... 997.2. Principio de funcionamiento del motor de arran que . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 997.3. Componentes del motor de arranque 1037.4. Conexionado y funcionamiento del motor de arranque . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1097.5. Motor de arranque con accionamiento por rele III7.6. Caracterfsticas de los motores de arranque . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113'f)

k8. Verif icacion y control del s is tema de arran que . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1178.1. Instalaci6n de los motores de arranque . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1198.2. Verificaci6n del circuito de arranque 1208.3. Verificaci6n y control de l os componentes del motor de arranque 122804 . Prueba de funcionamiento del motor de arranque . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127

9. Circuitode carga. Alternador 1339.1. Circuito de carga . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1359.2. Altemador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1359.3. Principio del funcionamiento de altemador 136

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904 . Estructura y componentes del altemador 1379.5. Funcionamiento del altemador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1449.6. Curvas caractensticas del altemador 147

" 10. Circuito de carga. Regulador ; . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15110.1. Necesidad de la regulacion 15310.2. Reguladores de contacto 15310.3. Ayuda electronica para los reguladores de contactos 156lOA. Reguladores electronicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158

11. Verificacion y control del sistema de carga 16311.1. Instalaci6n y mantenimiento del altemador 16511.2. Verificaci6n del circuito de carga . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16611.3. Verificaci6n y control d el altemador 1671104 . Prueba del altemador en banco 17211.5. Verificaci6n y control del regulador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173

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P r 6 1 o g o .- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - ~ ~ ~

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1.1. Equipo electrico del automovll,1.2. Estructura atomica de la mater ia .1.3. Cuerpos conductores y aislantes.1.4. Corriente electrica.1.5. Circuito electrico,1.6. Magnitudes fundamentales.1.7. Ley de Ohm.1.8. Trabajo y potencia electricos,1.9. Conexionados electricos,

O r g a n i z a c i o nB a s t i d o r y


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..:.Estudiar la estructura y lascaracteristicas de loscir-cuitos electricos de corriente continua.( . Conocer las magnitudes jundamentales y leyes querigen elfuncionamiento de los circuitos electricos.. .: .Analirar los tipos de conexionado electrico en loscircuitos y sus consecuencias.

Elautomovildispone de una serie de componenteselectricosagrupadosen circuitos e interconexionadospor medio de . una instalacion electrica. Los circuitoselectricos transforman la energia electrica en otras cla-.ses de .energia ',(mecanica calorifica, quimica, etc.j,segun las necesidades requeridas.Elfuncionamiento de los eireuitos electricos esta ~ ~~~regidoporuna seriede leyes fundamentales que espre-ciso conocer para asimilar despues con Jaeilidad el fun- ~cionamientode losdiversos componentes electricos uti-lizados .en . 1 0 . 1 ' automoviles y las transformaciones deenergid .queenellos seprodueen. En este capitulo se.estudian losconceptos basicos de electricidad y lasleyes fundameniales.

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[i.l. Equipo electrico del automovilLos au to rnovile s ac tuale s es tan pr ovi st os de un g ran numero de apar aio s cuyo funcionami en to s e p ro -

duce gr ac ia s a la t ransf ormac ion de la ener gfa el ec tr ic a en o tra c la se de energ ia (rnecanic a, c alo ri fic a. qui-m ica. et c.) , emp leandose componente s de l os mas vari ados ti pos , que realiz an l as func iones mas d iver sa s .en benefic io de una mayor segu ridad en l os vehfcul os y mej or con fo rt de l os pa sa je ro s.EI conj unt o de t odos l os mecan ismos que func ionan u ti liz ando la energ ia e le ct ri ca f orman- e l l Iamadoequipo electrico del automovil, que para su e studi o s e d iv ide en pa rte s denominadas circuitos. Una divi-

sion de las muchas que podrian hacerse establece los s iguientes circuitos : arranque, carga, cncendido,alumhrado, maniobras y accesorios. De e ll os , l os t re s pr ime ros es tan in timamente li gados a l funci ona -miento del motor.Cada uno de lo s c ircuit os ennumer ados ti ene una mis ion conc re ta que reali za r y par a e llo d ispone de un

determinado nurnero de apa ra to s, si tuados en l os mas d iversos lugar es del vehicul o y a lo s que e s p recis ohacer l Iega r l a ene rg ia e le ct ric a. par a 10cual se in te rconect an por medio de una i ns ta la ci on el ec tr ic a, en l aque l os o rganos de mando van s it uados en su mayor pa rt e en el habit acul o y al a lc ance de l conduc to r par asu gobierno.EI c ir cu ito de arranque comprende todos los mecanismos que haran ponerse en marcha el motor del

coche. EI de carga t iene l a mis ion de p roporc ionar l a ene rg ia e le ct ric a sufi ci en te para aba ste ce r a t odos lo sdernas circuitos . EI de encendido sirve para que se real i ce la explosion de la mezcla de aire y gasolina enel motor y pueda funcionar por si solo. EI de alumbrado se u tili za par a i luminar l a cal zada po r l a que c ir -cu Ia e l vehicul o de noche y se fi al iz ar lo en e ll a. EI de maniobras gobiema los s is temas de sef ia lizacion queut il iz a e l vehicul o en l a ma rcha. EI de accesorios compr ende l os di st in to s apara to s que hacen mas como-da la conduccion del vehiculo.La figura 1 .1 muestra l a imp lant ac ion en e l ~ehfculo de lo s d is ti nt os componente s del equipo el ec tr ico

del autornovi l, interconexionados ent re s i por rnedio de la ins ta lacion elect rica que. f ij ada a la car roceria,seextiende por todo el vehiculo. Quedan asi formados diferentes circuitos elect ricos, cuyo funcionarnien-tose r ige por leyes elect ricas fundamentales que vamos a estudiar a continuacion.

Figura 1.1. Ubicacion de componentes de! equipo electrico de un automovil.

[1.2. Estructura atomica de la materiaLa e le ct ri ci dad e st a f nt imamen te ligada a la es tr uc tu ra a to rni ca de la ma te ri a. dado que e lla cont iene l as

cargas elect ricas propiamente dichas, por medio de las cuales es posible obtener los diferentes fenomenoselectricos.

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1 c I n d w ) J , 1La materia se define como toda sustancia dotada de masa que ocupa un espacio. Esta constituida porminusculas particulas unidas entre si. cada unade las cuales esta formada por varias moleculas y,estas, asu vez, por varios atomos.Los atornos de cualquier sustancia son las particulas mas pequefias en las que puede descomponerse. Silos atomos que forman la molecula son iguales , tenemos un elemento; mientras que si son diferentes, 10obtenido es un compuesto. Cada elemento se caracteriza por sus atornos, que son dis tintos a los de otroselementos en cuanto a su estructura se refiere. Existen 103 elementos simples definidos en la actualidad,aunque hay algunos mas en proceso de clasificacion, de 10 cual deducimos que hay otros tantos atornos

diferentes.Cada uno de los atornos de cualquier elemento esta compuesto por una parte central l lamada micleo,

formado por protones y neutrones (fig. 1.2), y otra externa llamada corteza, ocupada por una serie demimisculas particulas llamadas electrones, que estan en continuo movimiento alrededor del micleo,siguiendo orbitas circulares y elfpticas. Esta capa externa confiere al atorno sus propiedades qufrnicas yelectricas, La estructura del atomo recuerda, pues, un sis tema solar, donde el nucleo es el sol y los elec-trones los planetas.

6rbitas nucleo

Figura 1.2. Estructura del dtoma.

elect rones

protones

neutrones

Los electrones estan provistos de una carga electrica negativa, mientras que la de los protones es positi-va. Los neutrones no poseen carga electrica alguna y actuan en el nucleo como aglomerante de los proto-nes que, dada su carga electrica, tienden a repelerse entre ellos. Entre los protones y los electrones existenfuerzas de atracci6n que ligan el conjunto del atomo (micleo y corteza),En lafigura 1.3 se ha representado un atorno de cobre, cuyo micleocontiene 29 protones y 35 neutrones . Alrededor del micleo hay 29electrones en diferentes orbitas , Como cada proton tiene una cargapositiva, cada electr6n una negativa y estas son iguales en magnitud,el atorno resulta neutro de cara al exterior. Como la materia esta for-mada por atomos, resulta asimismo neutra.Los electrones estan emplazados en dis tintos niveles de energiasiguiendo un orden, 10 que carac te ri za a l a torno de un e lementodeterminado, pudiendolo diferenciar de los de otros elementos. Asfesta constituido el sistema peri6dico de los elementos.EI primer nivel de energfa est a ocupado por dos e lect rones quesiguen orbitas circulares. Estos electrones estan muy ligados al micleo,debido a que las fuerzas electricas de atracci6n entre protones y elec-trones songrandes, pueseste nivel de energfa es muy cercano almicleo.

AlOMO DECOBRE

Figura 1.3. Configuraci6n de loselectrones e n e l a tomo d e co br e.

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t inuno:

EIsegundo nivel de energfa contiene 8 electrones mas. que siguen orbitas circulares y elfpticas (aunquenose haya representado asi en la figural . Las fuerzas de atracci6n entre elnucleo y los electrones de estenivelson menores , debido a la mayor dis tancia entre ellos . La energia de los electrones de este nivel es,pues,mayor que la del anterior.Eltercer nivel de energfacontiene 18electrones siguiendo 6rbitas circulares y elipticas, y el ultimo nivelestaocupado, en este caso, por un solo electr6n ligado muy debilmente al micleo, 10 que confiere al atomodecobre sus especiales caractensticas de conduccion electrica.Los electrones en un atomo se distribuyen de manera que su energia sea minima, es decir, situandose enlosniveles mas bajos pero respetando siempre una determinada cantidad maxima de ellos en cada nive!.Cuandouna capa 0 nivel esta completa, los electrones estan muy ligados al nucleo y es muy dificil des-

prenderlosde sus 6rbitas . Por el contrario, cuando la ult ima capa no esta completa, como en el caso delcobre,sus electrones, Ilamados electrones de valencia, tienen una gran movilidad y pueden ser sacados desusorbitas sin gran dificultad. Por ello se les llama tambien electrones libres y,en los cuerpos 0 elemen-tosformados por estos atornos, los electrones libres (de la ultima capa) estan moviendose continuamente,pasandode un atomo a otro contiguo (fig. 1.4). La 6rbita quedeja libre un electr6n es inmediatemente ocu-padapor otro, pues el atorno queda desequilibrado altener un electr6n menos y tiende al equil ibrio paravolvera ser neutro, atrayendo otro electr6n libre del atomo mas cercano para conseguirlo.Siun atomo pierde un electr6n sin posibilidad de recuperarlo (puede lograrse por medios qufrnicos, porejemplo), queda convertido en un i6n positivo, en este caso, y su estado ya no es neutro, a 1 existir un dese-quilibriode cargas. Si 10 gana ocurre 10 contrario.

CONSl lTUCIDN DEL ATOMO DEALUMINIONucleo 13 Cargas positivasPrimer piso 2 ElectronesSegundo piso 8 ElectronesTercer piso 3 Electrones

Figura 1.4. Mov im ie nt o f ib re d e l os electrones de Laul tima c apa.

Atendiendo a la estructura de sus atornos, los elementos 0 loscuerpos pueden ser conductores 0 aislan-tes, Todos los fen6menos que estan relacionados con laconducci6n electrica t ienen lugar en la periferiaexteriorde la envoltura y entre los atomos,Loscuerpos formados por atomos, cuya ultima capa esta ocupada por uno 0doselectrones (no esta com-pleta), son los Ilamados conductores. El cuerpo resulta tanto mas conductor cuantos mas electrones librestengaen total, y esten menos ligados estos al micleo (6rbitas alejadas). De ella resulta que son conductorestOdoslos metales, en los cuales, el electr6n solitario del estrato exterior 0 los dos electrones en otros casosestanIigados de forma muy debil a 1 micleo, rnoviendose libremente a traves de la textura metalica, Los cuer-

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1 CirC ili lOS C!


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1 C i r el l i/ o s d c s/ r iC l i s. Ma g l l i/ u dc s /i l ll d o ll l m ll l /c . 1

Figura 1.8. Circuito electrico elemental.

Exi st en pue s, en todo ci rcu it o e le ct ri co, u n generador, un receptor, un interruptor, un camino de idea yot ro d e vuel ta. A l ce rr ar el i nt er ru ptor , l a co rr ien te el ec tr ica r eco rr e todo el c ir cui to ha st a q ue l a di fer en ci ade potencial entre los bomes del gener ador sea cero. En el momento en que se abr a el i nterruptor , el cir -c ui to qu ed a c or tad o, pu es los e le ct ron es no pu ed en s al tar p or el a ir e, qu e e s a isl an te.En los c ir cui to s el ec tr ic os su el e di sponer , ad emas, un fusible, que es un hila de pl omo de un grosor cali -

b ra do d e t al man era que , a lp as ar u na c an tidad e xc esiva de e lec tron es se ca li ent a y qu ema, qu ed ando int e-r rumpido e l ci rcu it o. S e co lo ca e l fusibl e ge ne ra lmen te en e l camino d e ida.En l os aut omovil es, el cir cuito electr ico no es exactamente el explicado; aquf el cami no de vuelta es la

parte metal ica del coche , l lamada masa. Con e st a di spo si cion que da e l ci rcu it o c omo mue st ra l a f ig ura 1.9,co n l a ve nt aj a d e ahor ra r el c ab le q ue const it uye e l camino de vue lt a.

Figura 1.9. Ctrcuito electrico e n e l automovil.

Cuando en un c ir cui to el ect ri co s e re al iz a un c on tac to inde bido de un condu ctor de ida c on o tro d e vue l-ta, se di ce que se ha producido un cortocircuito, s ien do sus efec tos muy per jud ic ial es , c omo ya se ve ra. Enla f ig ura 1.10 se rep re se nt a graf icamente un c or toc ir cui to . Lo s el ect ro ne s en es te c aso son d es vi ad os en e lp un to A, d es de un bo rn e d el g en erador al o tro (ci rcu it o mas co rto) s in pa sa r po r l a l ampara.

R

I , ~ n i = JFigura 1.10. Cortocircuito.

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Laexi st enc ia d e c or ri ent e e le ct ri ca en un ci rc ui to s e c ono cc par los efectos qu e produc e. L a e ne rg fa el ec-t ri ca es t ra ns pa rt ada pa r med ia de los hi los conduc to res a t rav cs d e todo e l ci rcu it o p ara s er t ran sform adae n e l r ecep to r en o tr a c la se de en ergfa, como puede se r ca lor if ica , l um ino sa , mec an ic a d e mov im ie nto, qu i-mica, etc.

L as l eye s que r ig en el func io namien to de los c ir cu it os e le ct ri co s e st an l ig ad as po r u na s er ie de magni tu -des fundamentales , de las que des taca remos las s iguien tes:

a ) I nt en si da d d e cor r ient eEn un ci rcu it o e le ct ri co pued e ha be r mucha 0po ca co rr ien te el ect ri ca, s eg un qu e p ase n por el muchos 0

po co s el ect ro ne s por s egundo . S e l lama intensidad a l a cant idad de cor riente el ectri ca que circul a por unconductor en la unidad de tiempo. Su uni dad de medida es el amperio. La int en sidad d e l a co rr ien te el ec-t ri ca c or res pond e en e l ci rcu it o h id rau li co de l a f ig ura 1.7, a l a ca nt ida d de agua qu e pa sa d e un de po si to aot ro e n un t iempo un id ad , es de ci r, e l ca ud al . Como sub rrui lt ip lo s d el amper io s e u t il iz an el miliamperio (1rn A = 0 ,001 A) Y el microamperio (J J 1 A = 10-6 A).E l ap arato ca pa z d e medi r l a int ensida d de una c or ri ent e e le ct ri ca se l lama amperimetro y se conecta en

e lc ircui to en serie ( fig. 1.1) , es decir, de manera que l a corr iente el ect rica pase en su totalidad por el, EIgalvanometro es un amperfmetro may sensible.Tomando como referenc ia u n punto cu alqui er a de un c ir cu it o e lec tr ico , l a c an tidad d e el ect ri cida d Q( carga e le ct ri ca ) q ue pa sa por e st e punto es : Q = I x t, si endo f la int en sidad d e c or ri ent e y tel t iempo en

segundos. Al producto I x t se Ie l lama cantidad de electri ci dad y se mide en culombios. Cuando se esta-bl ece una c or ri ent e d e un amper io, l a ca nt id ad de el ect ri cida d que pa sa por e l ci rcu it o e n ca da se gundo esde un c ulombio, d e 10que pu ed e d edu ci rs e q ue :

Qf=--

Figura 1.11. Conexionado del ampenmetro.

El amper io -ho ra es un rmi lt iplo de l c ulombio y rep re se nt a l a ca nt ida d de e lec tr icida d que pa sa po r un con-duc to r recorrido por la corrien te de un amperio duran te una hora. Un amperio -hora equ ivale a 3 .600 culombios .

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1 Circuitos clcst r im s . ! v / o g ll i lUd e s tundomentulcsb ) T ens io nHemos vi sto qu e p ara h ac er c ir cul ar a los e le ct ro ne s a t ra ve s d e un c ir cu it o, es n cc es ar ia un a fuerza e le c-

trica (fuerza electromotriz] que los empuje. A e st a fue rz a se l a l lama tension 0 d if er en ci a d e poten ci al y,t arnbi en , en el l engua je d e t al le r voltaje.Tomando como referencia el si st ema hidrauli co de la f igur a 1.12, la dif erencia de nivel (h) ent re los

depositos A y B o rigina d if er en tes p re sion es de l ag ua e nc er ra da en e llos, d e manera que a l ab ri r l a l Iav e d ep as o, l a mayo r pres io n e xi st en te en e l d eposi to A ob liga a p as ar e l a gu a h ac ia el d epos it o B, hasta que seigua le n l as p re sion es (cua ndo no exi st a d if er enc ia d e n iv el ).Si se quiere obtener una cir culaci on const ante del agua, es necesario mantener la diferencia de ni vel

entre los depositos, 10 c ua l pu ed e cons egui rs e bombeando el a gu a qu e l Ieg a a l de po si to B, para hacerlar egres ar p or ot ro c amino (de vuel ta) al de po si to A . La bomba en es te ca so real iza un t ra ba jo manten ie ndola d iferencia de n ivel .De manera semejan te , en un ci rcu it o el ec tr ico es ne ce sa rio man te ne r l a d if er en ci a d e po te nc ia l ap li ca da

al ci rcu it o (po r med io de l ge ne ra do r) p ara c on se gu ir q ue siga ci rc ul an do la co rr ie nt e e le ct ri ca, p ue s en elmomenta en qu e no ex is ta di fer en ci a d e po te nc ia l, c es a l a c or ri en te. E I t rab ajo ne ce sa rio p ara manten er l ad.d.p. 10 r ea li za el g ene ra do r, qu e produce un a fue rza el ec tromot ri z g rac ia s a l a c ua l a pa re ce l a d .d .p . en tr esus bomes y, debi do a el lo, los electr ones del cir cuito son empuj ados por el borne de mayor potencial yat rai dos por el otro, produci endose el movimient o de los mismos a t raves del cir cuit o, desde el punt o demayor po te nc ia l a l de menor .

PRESIONDEA uevecerrada

B

PRESIONDEB

Figura 1.12. Analogia hidraulica de la tension electrica.

Los generadores son , por tan to , capaces de producir ene rg iaelectrica. Entre los diferentes tipos destacaremos:Pilas: Trans fo rman la ene rgfa qufrn ica en e lectrica ,Acumuladores: Rec iben energ ia e lectrica que trans fo rman

en quf rn ic a, man ten ie ndola a cumu lad a, p ara mas t arde de sh a-cer la trans fo rmac ion y devolve r o tra vez ene rg ia e lectrica .Generadores: Transforman la energia r necani ca de rota-

cion en energia electrica.La un id ad de med id a d el po te nc ia l e le ct ri co 0 t en sion e s e lvoltio. Como multi pl es y submulti pl es se usan: el megavoltio(lMV = 1.000.000 V), el kilovoltio (lKV = 1.000 V), el mili-voltio (ImV =0,001 V) Y el microvoltio (1 J1V= 0,000001 V).EI apar ato capaz de medir l a t ensi on se l lama voltimetro y

se mont a en derivacion c on el c ir cu it o cuya d.d.p. a pl ic ad a sequiere conocer (fig. 1.13). Dicho d e ot ra forma, los bo rn es d elv ol tf rne tro d eb en uni rs e a los do s puntos en tr e los qu e ex is tela d.d.p.

nFigura 1.13. Conexionado deL voltimetro.

ITPParaninfo

I I. ICinnito; c l c ct r ic : : Maun i tudc : [uiulunicntalcs 1---_---------------------------------c) ResistenciaSe llama resistencia e lec tr ica a l a o po si cion qu e p re se nt a un c ue rp o al p as o de l a co rr ien te el ec tr ica , es

d ec ir , l a d if icu lt ad qu e en cu ent ran los e le ct ron es p ara de sp la za rse en el se no d el condu ctor . Su un id ad d ernedida es e l Ohmio (Q). Como multiples se emplea n el kiloohmio (KQ) y el megaohmio (MQ), y comosubmultiplo el microohmio ( I .1Q) . La res ist en ci a el ec tr ica pu ed e s er med ida po r med io d e un ohmimetro u6hmetro.La resi st enc ia d e un c ondu ctor e s t an to mayo r c ua nto mas longi tu d t eng a y meno r s ea s u se cc io n. Tam-

bien e s ev id en te que c ua nto mayor s ea e l rui rne ro d e e lec tron es l ib re s d e una su st an ci a menor e s su resi s-t enc ia e le ct ri ca, p ue sto que los el ect ro ne s pue de n de sp la za rs e c on mayo r faci li dad por el la; l ue go la r esi s-tencia depende tarnbi en del tipo de mater ial de que est a f abri cado el conductor. Di cho de ot ra forma, l ar esi st enc ia el ect ri ca de un c ondu ctor es d ir ec tamente proporcion al a su longi tu d e inve rs amente propor -c io nal a su s ec cion , d epe nd ie ndo tamb ie n de un factor (a) llamado resistividad del conductor, que expre-sa , d e a lguna mane ra , el m imero d e el ec trone s l ibr es q ue posee , es de ci r, su es tructura a to rn ic a, 0 10 que esigua l, l a c la se d e s ust anc ia d e que e st a he cho e st e c ondu ctor .La expresion matematica es la s iguien te :

axIR=---sdonde R es la res is tenc ia en ohmios; I, la longitud en metros; s, l a se cc io n en mil imet ro s cu ad ra do s; y a,la resistencia especffica 0 coe ficien te de res is tividad del materia l conductor .L a resi st ivida d d el co bre emplea do e n inst al acion es el ec tr ica s e n el a utomovi l es d e 0 ,0 17 Q mmvm,

mien tr as qu e l a d el alumin io es 0,029.La re si st ivida d d e l a s s us ta nc ia s v ar ia con l a t empe ra tu ra . L as l amparas d e a lumbrado , c ua ndo a lca nz an

su tempera tu ra de funcionamiento (aproximadamente 2 .500 "C), t ienen una res is tenc ia espec if ica unas d iezveces mayor que en f rio y esto es debido a que el calor hace que las moleculas de l os cuerpos se encuen-tren en constan te movimiento, s iendo su vibracion tanto mas rapida cuanto mayor es la temperatura, 10 cuald if icu lt a el d es pl az amien to de los e le ct ro ne s e n el i nt er io r d el cu erpo c onduc to r cu ando su t empe ratura s eel ev a. Lo c on tr ar io o cu rr e c ua ndo e l cu erpo se e nf ri a, h as ta t al punto, q ue a t empe raturas d el c ero ab so lu -to ( -273 "C) , l a r esi st ivida d d el c ob re y ot ros metal es e s nu la , de bido a qu e s us molec ul es no t ie ne n ningunmovimiento a esta temperatura, 10 cu al f ac il it a e l de sp la zamiento de los el ect ro ne s de un as orbi ta s a o tr ascercanas.

EI f isi co a leman Ohm comprobo e xp er imentalmente que cu ando s e a pl ica a un ci rcu it o el ec tr ico d et er -minado una d iferencia de potencial dob le 0 t riple, se obtiene una intensidad de corrien te dob le 0 triple tam-bien.

E 2E 3E_- =--=--= ... R1 21 31EI co ci en te de d iv id ir l a t ens io n a pl ica da al ci rc ui to, p or l a in ten sida d d e c or ri en te o bt en id a, e s un a cons-

tante R y expresa una carac te rist ica del c ircu ito, que es precisamente su res is tenc ia .. Estas experiencias se plasmaron en la Ley de Ohm que di ce: La intensidad de corriente electrica obte-nidaen un circuito es directamente proporcional a la tension aplicada e inversamente proporcional a laresistencia electrica del mismo.

E1=--RC ITP-Paraninfo


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1 eirell i lOS clcstrici: M!lgll i l l ldc.l./i l l1i1I1I11C11ll1lcssiendo 1 l a i nt ens ida d de cor ri ent e en amper ios; E la tension aplicada en voltios; y R l a r csi st en ci a enohmios.De esta expresion deducimos:

E=lxR y ER=--1Como apl icac ion inmediat a d e e st a l ey, p ued e cal cul ar se l a

res is tenc ia e lectrica de un c ircu ito, conoc iendo la tension apli-cada y la intensidad de corrien te obten ida. Por e je rnplo, puedec al cul ar se l a r es ist enc ia d el f il amento de una l ampara, p ara 10c ual d isp onemo s un c ir cu it o el ect ri co c omo muest ra l a f igura1 .14 , en el q ue s e c one ct an un vol time tro y un amper imet ro del a forma seiialada. Si estos aparatos indican 12 Y y 2 A r es-pec tivamente, la res is tenc ia es:

A

E 12VR= --= ---=621 2A

Figura 1.14. Conexionado del vohimetroy amperimetro para medir la tension

y la intensidad en e1c ircuito . .

En F isi ca s e d ef in e el c onc epto d e t rab ajo 0 e nergi a d ici endo qu e es e l produ cto d e l a magni tud fue rzaap li ca da sobre un c uerpo por el es pac io que Ie h ace reco rr er . En e lec tr ic ida d h emos vi sto qu e al a pl ic ar u nad.d.p. a un ci rcui to, es te es r ec or ri do por una c ant ida d de el ect ri cidad , po r 10 cua l pue de d eci rse qu e en elca so de ap li ca r una d.d.p. a u n c ir cu it o, se de sar rol la un t rab ajo el ect ri co 0 energia.Cuando en tr e dos puntos de un ci rcu it o el ect ri co s omet id os a un a d if er enc ia de po ten ci al d e un vol ti o,se de spl aza un a can tida d de el ect ri cidad d e un culombio ( IC ), el t rab ajo el ect ri co que s e h a des ar ro ll ado es

de un julio.Asi pues, e l t raba jo e lectrico puede defin irse como la ene rg ia e lectrica consumida T = Q x V, siendo T

el trabajo electrico, Q l a c ant idad de e lect ri cidad y V la tension aplicada.Ejemplo: lCmint a en ergi a el ect ri ca gas ta un a l arnpa ra por l a q ue pas a una c or ri ent e d e 3 A cuando se l e

aplican 100 Y, s i e sta funcionando 20 minutos?Como la corri ent e es de 3 A, por l a lampara pasan 3 c ulombi os en cada segundo; por tanto, en 20 rni nu-

tos pas an: 3 x 20 x 60 = 3.600 culombios.EI trabajo electrico desarrollado 0 bien l a ene rgi a e lec tr ic a c on sumid a es:

T =Q x V =3.600 Cx 100 V=360.000 juliosEI trabajo electrico desarr oll ado en la unidad de tiempo se llama potencia electrica. Como el traba jo

electrico desarr ollado por una corri ent e se mide en jul ios, la potencia el ect rica viene expresada enjul ios/ seg undo, qu e t am b ien s e l lama va tio (W) . Un vat io es l a p ot enc ia de un a maquina que ab sorbe 0 pro-p orcion a una e nergfa de un jul io e n un segundo.Como rmi lt ip lo de l va ti o se emplea el k il ovat io (kW) qu e equ iva le a 1.000 W . Un CY es igual a 736 W .Ejemplo: Supongamos un motor al que se apli ca una d.d.p. de 60 Y, que establece una corr iente elec-

t ri ca d e 4 A . E I motor est a fun cionando du ran te 10 minu tos . i ,Cu al es su potenc ia?La can tida d de el ect ri cidad que h a p as ado po r el motor es:

Q=4x10x60=2.400CEl traba jo e lectrico desarro llado es:

T =Q x V =2.400 x 60 =144.000 julios

ITP-Paran;nfo

La potencia e lectrica es:144.00010x60

La potenc ia el ect ri ca apl ica da al mo tor e s, como ya s e h a v isto,w= Til =

w=_2__= QxV

~I

= 240 W

Q xV. Como Qlt r ep res ent a l a int ens ida d, pu es un ampe rio e s igu al a un c ulornb io p ar ti do por un se gundo, su s-tItuyendo tenemos:

QW=--xV=!xV'I 'Ene l ej emplo propu es to pu ed e cal cul ar se l a po ten ci a d el motor di rect amente. En efecto,

W = !x V = 4 x 60 = 240 WW=! x U

Los ~omponen tes de un c ir c~ ito el ect ri co pue den c on exiona rse de di st int as formas , ob ten ien dos e asfrendlml~n tos d iferen tes, Se d is tinguen fundamentalmente dos t ipos de conex i ones: serie y paralelo, cuyaspecuhandades pasamos a describir,

S e d~ce qu e var ios c omponen tes d e un ci rcui to e lec tr ic o es tan c one ct ados e n s er ie cu ando la tot al idad del a c orne nt e est abl ecida en e l ci rcui to p asa por ca da uno d e el los nec esa ri amente. Lo s e lemen tos de l c ir -CUl tOse di spon en unos a cont inua cion de ot ros , t al como mues tr a l a f igu ra 1.15, e n l a q ue los r ecep toresson , en este caso tre s, lamparas,En las ag rup ac ion es de v ar ios r ece ptores c one ct ados en s er ie, l a int ensidad de l a cor ri en te es l a m isma

en c ualqui er p~n to d~ l c ir cu it o, p ues l~s el ect rone s s olo t ien en un c amino (como puede v er se en l a f igu ra)y, po r el lo, e st an obhgado s a pa sar en igua l c ant ida d po r todos los r ec eptores.~a resi st enci a tot al de un c ir cui to en e l qu e los c omponen tes

es tan conec tad os en ser ie es igual a l a suma de l as r esi st en ci aspa rci al es d e di cho s componentes. Igua lmente, l a t en sion tot alaphcada a un c ircu ito por varios generadores conec tados en seriee s ig ual a l a suma de l as t en siones pa rci al es de los ge nerado resconectados.Ejemplo : En la figura 1 .16 sehan representado tre s res is tenc ias

y t re s generadores conec tados en serie . La denominac ion de res is -tencia no implica necesariamente la idea de un accesorio l lamadoreSls tenc ia , ins ta lado con e l f in de oponerse a l paso de la corrien -tee lectrica , s ino que des igna todo apara to recep to r montado en e lcirculto, como pueden ser lamparas, motores electricos 0cualquiero~o componente consumidor de ene rgfa . En este e jemplo , la ten-SIOntotal aplicada al circuito es:

Eo= E J + E2 + E3 = 6 + 8 + 4 = 18 V

a )Ag rup a ci on e s s er ie

Cl/Tp-Paraninfo

Figura 1.15. Conexionado en serie.

I I


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1 Circuitos "";SIr/CO,I, k/!lgllirudn [undcunctuulcDe igual forma, la resistencia total es:

R( ) =R/ + R2 + R3 =2+ 1 +6=9QLa intensidad de la corriente en el circuito es:

Eo 18l( ) =--= -- =2 ARo 9r-I ' +,t-, --NVWV''-----.'"-+R,=211R,=ll1R,=611

E,=6VE,=8VE,=4V

Figura 1.16. Circuito e n s er ie d e Ires resistencias y tres generadores.

Notese que los generadores sehan conectado de manera que sus fuerzas electromotrices sean del mismosentido, para 10cual debemos cuidar de unirlos electricamente con lapolaridad adecuada, de tal forma quesus bomes vayan conectados: positivo del primero con negativo del segundo, positivo de este con negati-vo del siguiente, y as! sucesivamente. En el caso de las resistencias no es necesario guardar ningun crite-rio de polaridad.

b) Agrupac ione s parale loSe dice que varios componentes de un circuito electrico estan conectados en paralelo cuando la corrientesebifurca allIegar a ellos , pasando una parte de la misma porcada componente. En la figura 1.17 se ha representado un cir-cuito con tres lamparas conectadas en paralelo, donde puedeverse que lacorriente sebifurca en cada una de elias . Lafigu-ra 1.18muestra otro circuito constituido, en este caso, por tresresistencias conectadas en paralelo. L1amando Eo a la tension

aplicada tenernos, segiin la ley de Ohm:Eo Eo Eo1/=--; 12=--; 13=--R/ ~ ~

Observando lafigura vemos que lacorriente 10que parte del .:generador y lIega hasta el punto A, sesubdivide en 1/, 12e 13,resultando as!que:

Figura 1.17. Conexionado en parulelo.

ITPParaninfo

lll"lIII/(I,\

Enel punto B se vuelven ajuntar 1/ , 12e I; y elresultado es I ( } ' que lIega hasta el generador.Laresistencia total del circuito es equivalente a la suma de las tres dadas, es decir. aquella que puedesustituir a las tres de tal forma que, con la misma tension Eo aplicada se obtenga una intensidad 10 igual aladelcircuito formado en la figura, es decir: 10 = EjR (JAs]pues, laresistencia equivalente a otras varias conectadas en paralelo estal que su inversa es iguala lasuma de las inversas de las resistencias que forman la agrupacion.

--=--+--+--R o R / R2 R J

A

+

1;, = lOVR,=40R,=lOI1R,=SO

Figura 1.18. Circuito de Ires resistencias conectadas en paralelo al generador.

Ejemplo: En la figura 1.18 las intensidades de las corrientes 1/, 12e 13 son:Eo 10 Eo 10 Eo /0II=-= --= 2,5A; 12= -= --= IA; 13= -= --=2AR/ 4 R2 /0 R3 5

portanto,Ia=I + 12+ 13=,5+1+2=,5A

Laresistencia total del circuito podemos calcularla aplicando la ley de Ohm y tenemos:Eo /0Ro =-= --= 1,82 Q10 5,5

Tambien podemos calcular la resistencia total del circuito asi:I I I I I II--= --+ --+ --=--+ --+ --=--Ra R / R 2 s, 4 /0 5 20

II 20-=- Ro = -= 1,82QR() 20 IILa intensidad de corriente 10 es, por tanto,

Eo ]010=--=--= 5,5A;Ra 1,82que Sonlos mismos resultados obtenidos con el anterior procedimiento.

e ITP-Paraninfo

I I I


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1 Circuitos clcstricos. Magl/ il l/dc. I . / I I I / i/ I I I I /CI lW/CSEn los circuitos paralelos se cumpJc:a) La resistencia total es tanto menor cuanto mayor sea el numero de resistencias conectadas en parale-

10 pues, en efecto, como lfRo= lfRI + I/R2 + I/R, + . ..llRn, cuantos mas sumandos haya, mayor esla fraccion llRo' 10 que impliea que Roes menor.b) La resisteneia total R a esmenor que la mas pequefia de las resisteneias pareiales.c) La intensidad de corriente 10 en el eircuito es mayor euantos mas elementos haya conectados, pues

10 = II + 12 + I, + .InEn el easo de los generadorcs, para eonseguir una agrupacion en paralelo de varios de ellos, deben unir-se todos los bomes posit ivos entre sfy hacer 10mismo eon los negativos, tal como se ha representado en

lafigura 1.19. En estas agrupaciones, todos los generadores deben tener la misma f.e.m., pues en easo eon-trario, los de menor tension harlan el papel de receptores. La tension resultante y,por tanto, la aplicada alcireuito es la de eualquiera de los generadores, es deeir:Eo = E J = E2 = E3

Figura 1.19. Conexionada paralelo de tres generadores y dos resistencias.

c) Agrupac ione s s eri e-para leloSoncombinaciones de las anteriores, formadas al conectar varios elementos en serie y otros en paralelo.En la figura 1.20puede verse un circuito mixto, es decir, serie-paralelo, donde R J = R2 = 2QYR3 = 3 Q;Eo = 20 V .

R,

E,R,E

+Figura 1.20. Conexionado serie-parateto.

'TP-Paramnfo

I If'lIUUI/(I.\ C/({lrt((}.\, ,HoglllfdeS}IIf1t/all/CII/UfLS 1Laresisteneia total de este cireuito es la suma de las resis teneias comprendidas entre los tramas AB yCD,puesto que ambos tramos estan en serie. La del tramo ABes RJ = 2 Q y ladel t ramo CD es:

I I I 5 6-= -+-; --_-- ReD = -5-= 1,2QRe D 2 3 ReD 6portanto,

Ro = RA B + Re D = 2 + 1,2= 3,2QLaintensidad de corriente total en el circuito es:

Eo 201 0 = -- = -- = 6,25ARo 3,2Estacorriente parte del generador y pasa toda ella a traves de la resistencia R J' lIegando hasta C, dondesesubdivide en I, e 1 2, cumpliendose que: 1 0 = I J + 1 2, La tension aplicada a la resistencia R , es:

EJ = R, xIo = 2 x6,25 = 12,5 VLa tension aplicada al grupo formado por las resistencias R2 y R3 es el producto del valor de estas resis-tenciaspor la eorriente que pasa por este grupo que, como sabemos, es 10, pues hasta C llega la corrientetotal 1 0 y por D sale tambien el total; por tanto,

E2 = Re D x 10 = 1,2 x 6,25= 7,5 VVemosque se cumple, por tanto, que

Eo = E J + E2 = 12,5+ 7,5= 20 V'Las intensidades I J e 1 2 son respectivamente

E2 7,5 'I = --= --= 3 75A-R2 2 ' ,

E2 7,51 2 = --= --= 25 AR3 3 'dondesecumple tambien que:

1 0:= I J + 12 = 3,75+ 2,5= 6,25A


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1 C i r c ui to s c l c st r ic o s . Magllilllde.l/lilldulI1(,llw/n

b t t o e v a l u a c i o n


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-> Estudiat Los efectos que produce el paso de lacorriente elect rica por los dijerentes c ircuitos y apa-

de la cai da de tens ion y el calorelectrica.

de produccion de electricidad.magne ticos producidos por la

e le ct rica por. un conduc to r ade aparatos receptores produce

como son la obtencion deoerierarrnn de calor. emision de lur, etc.

las trans f ormaciones de lade energia deben ser

una caida de tension . .e l calorde una cor ri en te e le ct ri ca , a lo s

1IUH!TletICClS u . u , , , , , , < , u , son a lgunas de l as conse -l os e le ct rone s par l os ci rcui to s

ITP-Paraninfo

I " " 1l)('('/()\ d e In C (I /T /{ 'I / C c /CCf " C L 2D . l . Caida de tensionEneJ circuito representado en Jafigura 2.L aJcerrar eJinterruptor B se establece una corriente IO ' SiJaf.e.m.deJ generador esde 12V.eJvalor de Jaintensidad de corriente es:/ E 12V10=--= --=2AR 6[2Esta corriente pasa en su totalidad por Jalampara y por Jaresistencia (estan conectadas en serie) y esacusadapor eJamperirnetro. La tension aplicada a la lampara y medida par el voltimetro V3es:

E=RxI=4x2=8V10que indica que a ella no seaplica toda latension del generador, s ino una parte. Elresto seha perdido enlaresistencia, es decir, el paso de la corriente por la resistencia ha provocado en ella una caida de tension,queesigual al producto R x I. .Efectivamente, la tension aplicada a la resistencia y marcada por el voltimetro V2 es:

E=RxI=2x2=4Vquesumados a los 8 Vaplicados a lalampara, dan los 12 V producidos por el generador.Lacaida de tension es, por tanto, directamente proporcional a la intensidad de corriente que recorre laresistencia y al valor ohrnico de esta,

Figura 2.1. Caida de tension.

Elgenerador (G) de la figura presenta tarnbien cierta resistencia al paso de lacorriente electrica, 10cuals ignifica que cuando se cierra el interruptor (B), el paso de corriente por todo el circuito y, por tanto , atravesdel propio generador provoca en este una caida de tension, 10cual supone que al circuito no estenaplicados los 12 V,sino 12 V - R, x 10, siendo R, la resistencia interna del generador.En lapractica, la tension marcada por el voltimetro VJ no es la misma estando el interruptor (B) abiertoocerrado. Si la lectura se efecnia a interruptor abierto, estamos midiendo laf.e.m. del generador. Si se rea-lizaa circuito cerrado, medimos la tension aplicada al circuito. El generador provoca, por tanto, una caidadetension debida a su resistencia interna..Supongamos que la resis tencia interna es de I Q; en este caso, al cerrar el interruptor, la corriente queclfculapor elcircuito no es de 2 A como habiamos calculado, sino de:

E 12I=--=--=I.7AR + R, 6 + I

ITP-Paraninfo 212 L,{c(,{(!S de lu corncnt clcctnia 1 II)L/CI/(},\ d e I ii ((III i(1I1e c/n /I /1{ ...


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Esta cor ri en te, a su pa so po r el gener ado r. p roduce una caida de tensi 6n de:E=Rx1= 1 xl,7= 1,7V

10 que signi fica que el vol timetro V, marca 12-1,7 = 10,3 V cuando se cierra el interrupter, 10 que implicaque la comente en el crrcuito es:

E 10,31=-= --= 1,7AR 6como habiamos calculado con anter ioridad.Basandonos en todo 10 anterior, podemos definir la caida de tensi6n entre dos puntos de un circuito

como la d.d.p. que debe existir entre dichos puntos para hacer circular la corriente por la porcion de cir-CUI o considerado, Tambien podemos decir que la suma de las caidas de tension a 10 l argo de un circuitoes igual a la f .e .m. del generador .En l os conduc.t or es de lo s ci rcuito s el ec tr icos tamb ien se pr oducen cafdas de t ensi on, pues to que pr e-

sentan cierta reslstencl.a al paso de la corriente electrica. Como la caida de tension es proporcional a lares~stencla y a la intensidad de corriente que circule , en los circuitos deberan uti li zarse conductores de pocar es is tenci a par~ ~vIt ar en 10pos ib le la s ca fdas de t ension que, en es te caso, s on pe rj udi ci al es, por 10que l osconduc to re s ut il iz ados de?er an , se r 10mas cor to~ pos ib le y de ma te ri al es apr opi ados ( como e l cobr e) pa raque su res is tividad sea baja; aSI rmsrno, la seCCIOndebe ser suf ic iente.Se considera que la maxima caida de tension admisible en los conductores debe ser inferior al 2 5% de

l a tensi on ap lic ada a l ci rcuito y , para l ogr arlo , como l a l ongit ud del c abl e no podemos aco rt arla a volunt ad( depende del lugar donde deba empl azars e e l re cepto r) , hay que u tili za r c ab le de s eccion su fi cient e. Paracalcularla veamos el ejemplo siguiente :Ejemplo: Calcular la seccion necesaria del cable para instalar una lampara por la que han de pasar 2 A

a l aphcarl e una t ension de 12V , s iendo 4 m la long it ud t ot al del conduct or emp leado.Caida de tension maxima admisible: 2,5% de 12 V = 0,3 V.La re sis tenc ia del conducto r debe s er: R=ElI=0,3/2 =0,15.Si uti li zamos cable de cobre de res is tividad 0,0175 m/ rnm- , l a s ecc ion del m ismo debe se r:

pxl lxl 0,0175x4R=----~ s=--- = ------s R 0,15 0,46 mm?EI d iame tro e s:

D= ~=J4XO'46V--;;- 3,14 0.76 mm . En el aut oI?ov il se u til iz an cab le s de d ife rente s s ecc iones , s egun lo s ci rcuit os , en re la ci on con la in ten-sidad de comente que ha de circular por ellos.

[i2.-c-; ' l~;d~~pr~~didopor el paso de u~acorriente electrica (eJecto louie), La experi encia demuestra que el paso de una cor ri en te e le ctr ic a a tr ave s de un conduct or l ibera cal or . Esf ac il s uponer l os, el ec tr one s chocando unos con o tr os en su movimi en to, deb ido a la d if icult ad que pr esen-t a l a re sis tenci a ohmica a su pa so . Cada co li si on supone un desp rendimi en to de calo r y , como son muchas

. , l as coli si ones, e l re sul tado de e lia s e s l a obt encion de una de terminada cant idad de ca lo r.\r~" r: ."\i'(\ ~22 ITP-Paraninfo

\\

Ten iendo en cuen ta la ley de Ohm y aplic andola a l a expr es i6n de l tr abajo e le ctri co, t encmos:T=QxU=lxtxU=lxtxRx1=RxJ2Xt

La expresion T = RPt define la ley de Joule que dice: La canti dad de cal or de spr end ido en un conduc -tOrpOI'unidad de t iempo csproporcional a su res is tencia y al cuadrado de l a in ten sidad de cor ri ent e que10 recorre.La energia calorifica__~~~p_~~p()~lll1a r~~iHencia_~s,por tanto:

E c = RJ2rjuliosEsta energ ia vi ene exp res ada en ju li os cua~do la s o tr as uni dades son: ohmios , amperi os y segundos re s-

pectivamente, siendo E, la energia calorifica.Teni endo en cuenta que un j ul io equ ivaI e a 0 ,24 calo rf as ,puedeponers e tamb ien- - _ . - . _ - - . ' - - . - 1 . : 1 , ;I?4~~~_~~~2i~_\.- T, ~ " e ': ( ' . . , : " ; . 'Siempre que no se busca e l desp rend irn ien to de ca lo r en un r ecepto r, e l e fe cto Joule e s perj ud ici al . Las

pe rdi da s de energ ia e le ct ri ca por e fe ct o Jou le d isminuyen el rend imiento de l os r ecepto re s y ocas ionan uncalentamiento de los misrnos , a l igual que ocurre en cualquier conductor . Si este calentamiento fuese exce-sivo, podria lIegar a quemarse.Lanece sidad en que nos encont ramos de t ene r en l os conduc to re s un cal en tami en to limit ado impone no

sobrepasar en ellos una cierta densidad de corriente, l larnandose asi a l cociente de la intensidad de corrien-tepor la seccion del hila conductor .

densidad de corrientc = lisEn los conduc to res no debe sobr epasa rse una densidad de cor ri ent e de 5 Azrnm-.El calo r desp rendido por e fe cto Jou le ti ene rmrl tip les apl ic aci ones, de la s que pas amos a enumer ar a lgu-

nas:a) Calentadores el ect ricos: Estan f ormados po r re sis tenci as gene ra lmen te de f er roniquel 0 nicrom,arrollando el hila en forma de helice y esta a su vez alrededor de un cilindro de material aislante y

r ef ra cta ri o a l c al or. Como l a r esi st encia del hi lo e s mas gr ande, s e consi gue que e l p roduc to R f2 seaalto y, con ello, obtenemos una cantidad de calor impor tante.

b) Soldadores electricos: Estan basados en el mismo principio anterior, pero ahora la resistencia sea rr ol la ( debidamen te a is lada ) al rededor de una barr a decobre , a l aque s e tr ansmit e el c al or de l a r esi s-t encia y con la cua l s e p rocede a la operacion de so l dar con es ta ii o.

e) Encendedor de cigarrillos: Basadoen el mismo principio, e l paso de la cor riente pone incandescenteuna res is tencia que se aprovecha para encender los cigar ri llos .

d) Lamparas de incandescencia: EIpa so de l a corr iente e le ctr ic a po r un h il a de tungst eno el eva l a tem-pe rat ur a de e st e ha sta unos 2 .800 DC,que corr esponden a l ro jo b lanco y e l f il amento despide luz .

e) Fusibles: Cuando la i nt ensidad de cor ri en te que pasa por un h il o conducto r es g rande , la temper atu -ra obtenida tambien 10 es y, si el hila es de plomo 0 a le aci on de e st e, puede sobr epa sar se su tempe-ratura de fusion, en cuyo caso se dice que el hila se ha fundido. Esta propiedad se utiliza para inte-rrumpir la corriente de manera automatica en los circuitos, para 10 cual se colocan en ellos losfu si ble s, que se f abr ic an con h il os de p lomo 0 s imilar y cor tan el c ircuito elect rico cuando la cor rien-te sobrepasa un determinado valor .

E l e fe cto Joul e es perj ud ic ial en ot ro s casos. Cuando dos pun tos que se encuen tran a potenc ia le s d ife -rente s s e unen por un conduct or cuya r es is tenci a e s de spr ec iable , la co rriente que s e o rig ina es muy in ten-sa y e l despr end im ient o de cal or que s e p roduce e s muy grande, pon iendo incandes cente el h ila conduc to r,con peligro de inflamar los materiales combustibles que tenga a su lado. De esta manera es como se pro-ducen los incendios debidos a cortocircuitos.Cuando exis te un ma l con tac to entre dos pun tos que deban e sta r conec tados en un c ircui to e le ctri co , la

resistencia entre estos puntos, lIamada resistencia de contacto, se haee grande, con 10que el calentamien-

e ITP.Paraninfo 23I1E je ct os d e c o r r ie n t c c l ec t ri c a


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I " r.,..,~:'24

to debido al efecto Joule aumenta y deteriora poco a poco el receptor. Tal es el caso de los interruptoresque no hacen buen contacto electrico en sus bornes.EI cortocircuito en un generador provoca una descarga muy intensa y,por tanto, un enorrne desprendi.miento de calor, que deteriora dicho generador.Para evitar estos inconvenientes, todos los circuitos deben estar protegidos por fusibles para que, en casode cortocircuitos 0 resistnecias de contacto, sea 61quien se queme y salte interrumpiendo el circuito. Poresta causa se fabrican los fusibles de aleacion de plorno yestafio, materiales estos que tienen un punto defusion muy bajo.

Existen diversos procedimientos para producir energia electrica que, posteriorrnente, puede ser aprove-chada y transforrnada en otra clase de energia al establecer un circuito electrico. De entre todos estos pro-cedimientos destacaremos por su importancia los siguientes:

Pr oducc ion de e le ct ri ci dad po r f ro tam ie n toEste es el proceso mas antiguo de los conocidos y se logra al frotar una barra de vidrio contra un pafiode lana (figura 2.2). Con esta accion, los electrones de las iiltimas capas del vidrio abandonan el materialpara pasar al pafio de lana, con 10cual, este queda cargado de electrones adquiriendo una polaridad nega-tiva, mientras que el vidrio se polariza positivamente al ceder algunos de sus electrones. La carga electri-ca conseguida por este metodo perrnanece en el material y se denomina carga estatica. Esta clase de elec-

trizacion es conocida popularmente, ya que es frecuente ver y oir el chisporroteo debido a la electricidadestatica, causante de las descargas que seexperimentan altocar las partes metalicas de un vehiculo en algu-nas ocasiones, en las cuales, estas partes se encuentran cargadas de electricidad estatica y el cuerpo huma-no hace de conductor de las mismas, que pasan a tierra a traves de el,

Producci6n de electricidad por frotamiento

los electrones pasan delpane a la barra

Figura 2.2. Produccion de electricidad por frotamiento.

Pr oducc ion de e le ct ri ci dad po r pr es io n ( p ro ce dim ie nt o piezoelectrico)Algunos materiales tienen propiedades piezoelectricas caracteristicas, como el cristal de cuarzo, y cuan-do son sometidos a una presion aplicada entre dos de sus caras opuestas, aparecen entre estas superficiescargas electricas (figura 2.3). Esta propiedad es utilizada en aplicaciones automovilfsticas como los senso-res de picado.

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Producci6n de electricidad por presi6n Reversibilidad del efecto de lapresion

Figura 2.3. Produccion de e le ct ri ci dad por presion.

Pr oducc ion de e le ct ri ci dad po r a cc io n qu im i caLas pilas y los acumuladores son dispositivos que aprovechanlaspropiedades de ciertas reacciones quimicas, en lasque se obtie-Delaseparacion de las distintas sustancias, cada una de las cualesposeedistinta carga electrica. En la figura 2.4 se muestra como enel bafio electrolitico se efecnia laseparacion de cargas 0 iones dedistinto signo, que se dirigen a los electrodos que les correspon-den,construidos de distintas sustancias. Esta acumulacion de car-

gas en uno Uotro electrodos constituye la carga propia de la pila,yaque alponer en contacto estos electrodos, se produce paso decorrienteelectrica de un polo hacia el otro.

Pr oducc ion de e le ct ri ci dad po r a cc io n magnet ic a Figura 2.4. Produccion. de electricidad poracci6n quimica.Esteprocedimientoes el mas empleado y con el seconsigue la mayor parte de la energia electrica utili-zadaen la actua lidad. Sefundamenta en e l hecho deque a lmover un conductor en e l seno deun campornagnetico,en dicho conductor se induce una corriente electrica (figura 2.5).

Figura 2.5. Produccion de electricidad por acciljn magneiica.

~~cion d e e le ct ri ci da d p or l a accion d e l a lu z (p roced imien to fo toe lec tr i co )Existeuna serie de cuerpos, como el selenio, que son fotosensibles, es decir, capaces de desprender elec-trODesde su ultima capa cuando incide la luz sobre ellos. Este tipo de produccion de electricidad se suele

ClITP-Paraninfo 21


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2 Erce/os d e I ii e ( )r ri c l1 / c c " iC / r ic oreaJizar en pequeiias superficies Ilamadas fotocelulas, las cua-les estrinconstituidas de un material trasliicido y otro fotosen-sible (figura 2.6), de manera que alincidir la luz sobre elmate-r ia l fotosensible (genera lmente selenio), se provoca e ldesprendimiento de electrones de su ultima orbita, que se acu-mulan en el material traslucido (oro 0 platino). apareciendo enel hierro colocado de la otra cara del selenio cargas posit ivaspor induccion. . Haz de Iuz

+

P rD duc do n d e e le ct ri dd ad pD r a cd on d el c al orOtra propiedad importante de algunos cuerpos es la termoe-lectronica, debido a la cual, al calentar un material este des- Figura 2.6. P ro du cc i6 n d e e le ct ri ci da d p or l aprende electrones (figura '2.7).Esta propiedad es muy utiliza- a cc i6 n d e l a l ur :

da en himparas de incandescencia, Por otra parte, al unir dos .metales distintos y calentar la zona de union, aparecen electrones que pasan de un metal a otro (propiedadtermoelectrica). Este sistema de produccion de electricidad tiene aplicacion en los termopares, que se uti-lizan para medir temperaturas.

Accion calcriflca

Figura 2.7. Produccion de electricidad por Laac ci 6n del c al or .

Yase ha vis to que cuando se frota una barra de vidrio contra un patio de lana, seproduce el fenomenode la electrizacion por elcual, un determinado mimero de cargas electricas de signo negativo pasa delpan?de lana a la barra de vidrio, quedando ambos cuerpos polarizados, es decir, el pafio de lana queda electri-zado positivamente y la barra de vidrio negativamente. En estas condiciones, sipermanecen proximos entresfestos dos materiales, en el espacio entre ambos se forma un campo electrico en el que se manifiestanfuerzas de atraccion y repulsion sobre cualquier carga electrica colocada en esta zona. EIpotencial electri-co de estos cuerpos ha quedado modificado en valor despues de laelectrizacion que han sufrido y,al mismotiempo, se ha producido una acumulacion de cargas electricas.La polarizacion electrica de los cuerpos puede lograrse tambien por otros medios. Supongamos dos pla-cas rnetalicas separadas entre sfuna distancia pequeiia y conectadas a un generador, como muestra la figu-ra 2.8. Cuando se cierre el interruptor, el borne positivo del generador, falto de electrones, atrae a las car-gas negativas de la placa conectada a el que, por esta causa, queda polarizada positivamente, mientras queen la otra placa ocurre locontrario, es decir, el borne negativo del generador empuja a los electrones haciala placa para polarizarla negativamente. Con esta accion se ha logrado un movimiento de electrones, que

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-----__---._-- ---enapariencia han pasado de una de las placas a la otra. quedando cstablecida una diferencia de potenciale\ectrico entre ambas placas. Este movimiento de electrones dura solamente un instante, que es el tiemponecesario para polarizar ambas placas.

Interrupter

0000000000 Place posi tveDe ectnco

0000000000 Placa negativa

Figura 2.8. Condensador elemental.

EIdispositivo electrico formado de esta manera recibe el nombre de condensador, por cuanto es capazde"condensar" laelectricidad. Por otra parte, sientre ambas placas secoloca un material dielectrico, comomuestra la misma figura, los atomos de este material sufren la influencia del campo electrico creado por elgeneradorentre las dos placas y,asi, aunque 'los electrones de estos atomos no pueden moverse por estarfuertemente ligados a sus nucleos respectivos, los cercanos a la placa negativa son empujados por el gene-rador,mientras que los cercanos a la placa positiva son atraidos, intentando salir del material, desplazan-dosetodos ligeramente de su posicion.EIresultado de todo ello es que eldielectrico queda convert ido en un campo de fuerzas de origen elec-trico,aunque es cierto que no es necesario el dielectrico para la existencia del campo, pues el aire (mate-rial aislante) puede hacer de dielectrico.Durante el t iempo que dura la corriente de carga, los electrones van tomando posiciones y en el con-densador ha entrado una cierta cantidad de electricidad, que queda condensada en el campo electrico, Laenergfapuesta enjuego por la corriente electrica queda almacenada en el campo electrico del condensadorenforma de electricidad estatica. Se dice que el condensador esta cargado cuando la d.d.p. entre sus arma-durases igual a la tension aplicada. En tal instante cesa la corriente de carga y,aunque el condensador sigaconectado al generador, ya no hay movimiento de electrones ni, por tanto, corriente electrica. Aunque seabrael interruptor, el condensador sigue cargado y existe una d.d.p. entre sus placas, pudiendo rnanteneralmacenada la energfa durante algun tiempo.Una vez cargado el condensador, s i 10desconectamos del generador y unimos sus placas mediante unhiloconductor, se produce la descarga del mismo. Loselectrones pasan de la armadura negativa a la posi-

uva debido a las fuerzas existentes en el campo electrico que tienden a situar los electrones en los lugaresdeorigen en sus atornos, debido a 10cual seproduce lacorriente de descarga (de sentido contrario a ladeCargal.Finalizada la misma, la d.d.p. entre las armaduras es cera y el condensador queda descargado.Laduracion de las corrientes de carga y descarga son funcion de lacantidad de electricidad que puedealmacenar un condensador y esta aumenta cuando 10hace la tension aplicada, pues secumple siempre queC = QN, siendo C la capacidad del condensador expresada en faradios, Q la cantidad de electricidad enculombios y VIa diferencia de potencial entre las placas expresada en voltios. Puede entonces decirse queunfaradic es la capacidad de un condensador que almacena un culombio de electricidad cuando se Ie apli-cala tension de un voltio. Como esta unidad resulta excesivamente grande, en aplicaciones automovilfsti-Casse utiliza el microfaradio (11)para dar la capacidad de los condensadores.

272 Eiccu delu c o rr ic nu t I < 'c lr ic o


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Laenergfa almacenada enel campo electrico del condensador y que es devuelta por elen ladescarga esW = 11 2 eV2 julios, donde W es laenergfa expresada enjulios cuando la capacidad seda en faradios y latensi6n en voltios.

L . ? ~ s . : _E1.iif[()11lagnetismoAlgunos cuerpos que se encuentran en la naturaleza, como la magnetita, tienen la curiosa propiedad de, atraer al hierro y sus derivados. A estos cuerpos se les lJama imanes. Art ificialmente pueden fabricarseimanes partiendo del acero. al cual se Ieda un tratarniento especial mediante el que adquiere las mismaspropiedades que la rnagnetita, quedando asi convertido en uniman.Las propiedades magneticas de los imanes estan localizadas preferentemente en los extremos, en lasregiones denominadas polos del iman, exist iendo un polo norte y un polo sur cualquiera que sea la formadel iman.Se denomina campo magne ti co a la region del espacio a lrededor de un iman donde se manif ie sta l aaccion magnetica de este, Dentro de esta region, cualquier partfcula de hierro es atraida por eliman y fuerade ella no sufre atraccion alguna. EI campo magnetico de un iman se representa por l ineas de fuerza quevan del polo norte al sur del mismo por el exterior del irnan (figura 2,9), cerrando el circuito magneticopor el interior desde el polo sur al norte. Cuando se acercan entre si los polos contrarios de dos imanes,como se muestra en la figura, seproduce una atraccion entre ellos. Si seacercan los polos del mismo signo,se produce una repulsion. Las fuerzas de atraccion y repulsion de los imanes dependen de la masa magne-tica de los mismos y de la dis tancia a la que secoloquen uno del otro. Esta fuerza magnetica no esta rela-cionada cone l tamaf io del iman. .

c __ -Figura 2.9. Campo magnetico .v [uerms de atracci(lnde los imanes.

Respecto a las propiedades magneticas de los cuerpos, se llaman permeables aquellos que sedejan atra-vesar por el flujo magnetico (Iineas de fuerza) presentando una escasa resistencia a este paso, que se deno-mina reluctancia. Los cuerpos permeables, como el acero y sus derivados, se imantan cuando son introdu-c idos en un campo magne ti co y, cuando salen de e l, conse rvan un c ie rto magne ti smo remanente quedepende del material de que esten hechos. Otros cuerpos como la madera, el vidrio, el plast ico, etc. sonindiferentes al magnetismo y, aunque se introduzcan en un campo rnagnetico, no producen alteracion delmismo.Los imanes artificiales pueden ser temporales 0 permanentes. Estos ultimos conservan el magnetismodurante largo tiempo y son aleaciones de acero con niquel y cobalto, mientras que los primeros son deacero dulce y solo conservan el magnetismo durante breves instantes.

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Mediante la aplicaci6n de una corriente electrica se obtienen tambien efectos magneticos. La experien-cia de Oersted pone de manifiesto que la corriente electrica crea en el espacio que la envuelve uncampoaanetico, Consiste esta experiencia en colocar una aguja imantada paralela a un conductor recorrido por~ c"orrienteelectrica (figura 2,10), En estas condiciones, la aguja se desvia hasta colocarse perpendicularalconductor cuando se establece la corriente, debido a que alrededor del mismo ,se ha fonnado un campomagnetico, tanto mayor, cuanto mas 10 sea la corriente. Cuando se mterrumpe esta, la aguja vuelve a suposici6n de reposo.

Figura 2.10. Formacion del campo magnetica por el paso de corrietue etecmca.

EIsentido de movimiento de las lineas de fuerza depende delde la corriente en elhila y puede determi-narsepor la regIa de la mano derecha, que consiste en abrazar el hilo con esta ma~o tal como m~esrra eldetallede la figura, de forma que eldedo pulgar indique elsentido de paso dela comente. Los demas dedosdan el sentido de las Iineas de fuerza.Doblando el hila anterior en forma circular para obtener una espira, se consigue concentrar el t lujomagnetico en su interior (figura 2.11) y, si se forman varias espiras (bobina), el campo magnetico quedareforzado al sumarse los de cada espira, de 10 que resulta un campo magnetico similar en su estructura ~deun iman de barra, con la peculiaridad de que cuando se corta la corriente, desaparece el campo magne-t ico.La polaridad del campo magnetico creado en una bobina (solenoide) se detennina con laregia de lamanaderecha, como muestra el detal le de lafigura. Abrazando labobina de manera que lacornente quelarecorre parezca sal ir de la punta de los dedos, el pulgar extendido indica el polo norte fonnado en el

extrema de la bobina.

+ N

~I

+ S

Figura 2.11. Campo magnetico creado en ulla bobina.

Cuando en el interior de una bobina se introduce un trozo de hierro dulce, el campo magnetico quedareforzado, por cuanto se produce una induccion magnetica en el hierro, que se transforma en otro imino

ITPParaninfo 2 9II 2 f}I'c/(iS d e / " c or ri el l/ e e /i ;c /r iC ({ t tL{cCIOS de /u (UIT/CIITe c{cOrica 2


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1 - - -IIIIII

cuyo campo magncti co complement a al de la bobi na. Elconjunto as! formado se llama clectroiman y su fuerzamagncti ca result a mayor que l a del sol enoide. La figura2.12 muestra la estructura y el campo rnagnetico de unsolenoide y un electroiman. , ~ - ) ) } ) } ~ , :

----_ - - -[~._~_y.~ ._.~ .T.~~2.6..] ndly;ci6nelectromagnetica '-----Inversamente a 10 q ue ocurr e cuando se hace pasar una

c or ri en te e le ct ri ca por un condu ctor , qu e c omo se h a e xp li -cado se forma un campo magnetico, cuando se mueve unconductor en el sene de un campo magneti co, apar ece ene l una corrien te e lectrica . A e st e p ro ce so se Ie d enomin ainduccion e lectro rnagne tica . Tambien puede obtenerse unaco rr ie nt e e le ct ri ca inducida u ti li za ndo dos bobina s, comose vera posteriormente.Supongamos un iman de barra colocado frente a una Figura 2.12. Solenoide .v electroiman.

espira ( figura 2. 13) a cuyos ext remos se conecta un gal -vanomet ro, Cuando se acerca el iman a la espi ra, a medi da que di smi -nuye l a di st anci a entre ambos, se comprueba que el galvanorner roac usa un p as o d e c or ri en te a s u t ra ve s. E st a c or ri en te s e l lama indu ci -da y ti ene un determi nado senti do segun el polo del iman que se pr e-senta a l a espir a. Cuando se aleja el iman, la cor riente i nduci da en l a I ses pi ra es d e se nt id o c ont ra ri o y s i e n lug ar d e move r el i rn an, a cerca n- L.. .Idolo 0 alejandolo de la espir a, es est a l a que se mueve, se obt ienen l osmismos efectos.Moviendo un conductor rectilineo (figura 2.14) en el seno de un

campo magne ti co , de manera que co rt e p erpendicul armen te su s lmea sde fuer za, observamos desvi aciones de l a aguja del gal vanometro enuno y o tro s en tido , 1 0qu e p ru eba l a ap ar ic io n d e una c or ri en te e le ct ri -ca en el conduct or , cuyo sent ido depende del movimient o de este. Sise dej a f ijo el conductor dentr o del campo magnet ico 0 se desplazap aral elo a l as l ine as d e fuerza , l a a guja d el g alvanomet ro p erman ec einmov il , 1 0 cu al ind ic a que no s e produce co rr ie nt e e le ct ri ca alguna.

Figura 2.13. lnduccion de corriente enunaespira.

Figura 2.14. Corriente tnduclda enun conductor quese desplura en urI campo magnetico.

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As! pu es , e n todo conductor qu e se mueve d en tro d e un c ampo rna gn ct ic o se indu ce una fue rz a el ec tro-motriz que es t anto mayor cuant o mas 10 s ea la veloci dad con que se mueve el conduct or y el fl uj o magne-t ieo cortado por este.Los e fe ctos d e inducc io n e le ct ro rn agn ct ic a s e p ro du cen

lambien en l os sol enoides. Si colocamos una bobina comomues tr a l a f ig ura 2. J 5 cone ct ada a un ge ne ra dor , al ce rr ar eli nt er ru ptor pa sa co rr ie nt e e le ct ri ca por es ta b ob ina y , c omoconsecuencia de ello, se crea un campo magnetico tantomayor cuanto mas 10sea la corrien te . S i en las proximidadesde est e campo magnet ico colocamos una segunda bobi naconectada a un galvanometr o, est a se encuent ra somet ida al as hn eas de fuerza qu e p ro duc e l a an te rior y, en t al es c ond i-cion es, c uando s e co rt e l a c or ri en te e n l a p r imera d e l as b ob i-n as , d es ap arece ra el c ampo magnet ic o y l a s egund a bobinad ej ar a d e e st ar some tida a s u ac cion 0 influencia.Asi , p ues , el h ec ho d e ab ri r y c er ra r el i nt er ru ptor d e l a pr i-

rne ra bob ina supone c rear variaciones del campo magne ticoque produce la misma y que afecta a la segunda bobina, acausa de 10 c ual se i nduce una cor riente en el la que es acu-sada por el galvanornetro.Cuando s e h a ce p as ar u na co rr ie nt e e le ct ri ca po r u na bobi -

na, ya se ha dicho que se forma ul! campo magnet ico cuyas! ine as de fue rz a c or ta n l as e sp ir as d e l a prop ia bobina ( fi gu-r a 2 .1 6) . S i s e c or ta a ho ra l a co rr ie nt e, d esa pa re ce e l c ampornagne ti co y, como ha ha bido una v ar ia cion d e hu jo , s e indu-ce en l a bobina una f. e.m. que se llama de autoinduccion,que va dir igida en el m ismo sent ido que la cor riente que l aor igina cuando l a vari ac ion de fl uj o es de maximo a cer o yen s ent id o c ont ra ri o cu ando es a v ar ia cion e s d e c ero a max i-mo. Por t anto, cuando se cier ra el interr uptor, aparece en l abobi na una f.e.m. que se opone a la t ensi on del gener ador ycuando se abr e el i nt er rupt or , la f .e.m. de autoinducci on sesuma a la tension del generador.E l f eno rne no d e l a au to in du ccion s upone que l a c or ri en te e le ct ri ca no s e es ta bl ezc a d e mane ra inmed ia -

t a e n l as bobinas , pu es en el momento e n que s e c ier ra el c ir cu it o e le ct ri co ap arece l a f .e.m. de au to in du c-cion que se opone a l a t en sion d el ge nerador . S egu id amen te , c omo las v ar ia cion es de f lu jo e n l a bob in a va nsi endo cada vez menores, l a f. e.m. de autoinducci on disminuye hasta anularse. Cuando se abre el int e-r ru ptor , l a co rr ie nt e e n l a b ob in a no ce sa d e forma ins ta nt an ea, s in o qu e al ha ber va ri ac io n de f lu jo se g en e-r a f .e.m, de aut oi nduccion que se suma a la t ension del gener ador y l a cor ri ente sigue establ ecida, con 10cu al , c uando c omien zan a se pa ra rs e los c ontac to s d el i nt er ru ptor y su s ep arac io n e s min ima, los e le ct ro ne ssa lt an e n e st e es pac io d et er io ra ndo los c on ta ctos. Es te efec to du ra 10que l a au to in duc cion , e s d eci r, m ie n-tras hay var iaci on de f lujo y supone una especie de i nercia en l as bobi nas que impide que la corr ient e seestablezca 0 anu le en e lias de modo ins tantaneo ,

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Iigura 2.15. Induccion electromagneticaenlas bobinas.

Figura 2.16.Autoinduccion en lasbobinas.

Ii i 1 . Eiccto; dr II I corricntc INC/rim1 1 _ ~ ~ ~ _ ~ _ _ ~ ~ _


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, ! , 1 ) II i " . U' . i -.)1. 1 ,[ J _ U f O e V t L U t U t D r JcDefine el COIlCeplOe caida de tension en un circuito.1(- Cita algunas aplicaeiones del ejecta Joule."r ,;Que es una resistencia de eontacto?c- Cita losprocedimientos de produccion de electricidad.e- Describe elproeeso de produccion de electricidad por accion quimica.,C"" ;,Como puede conseguirse electricidad por accion magnetica?: Explica la constitucion y elfuncionamiento de un condensador elemental.'c:- Define el concepto de campo magnetico.11( :- , ;Que es un cuerpo permeable?Ie- Explica la diferencia entre solenoide y electroiman.'or- Describe el[enomeno de la induccion electromagnetica.Ie- Explica el[enomeno de la autoinduccion.

,c- Efectuar la medida de las caidas de tension en cada uno de los componentes de un circuito elec-trico y en el generador:'C- Medir la tension generada en un sensor de picado al golpearle ligeramente.,e- Construir unapila electroquimica introduciendo dos trozos de metales diferentes en una cubetacon electrolito de baterias y medir la diferencia de potencial existente.c-- Comprobar la tension que se origina al desplazar un hilo conductor por delante de un iman.: Construir un condensador elemental utilizando dos laminas depapel deplata separadas por unaislante de carton. Medir la tension electrica despues de la carga y la descarga.IC" Construir un electroimdn arrol lando hilo conductor protegido con barniz ais lante sobre unnucleo de hierro y comprobar los efectos magneticos." Comprobar la t ension que se induce en una bobina al acercar y alejar sucesivamente a ella unimdn.

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C o m p o n e n t e s e i e q t J ; i c , l ! $ ;,~. ", ..... ," . I ." _~ ,.Jt

y e i e c t r 6 n i c Q ~. ' ~ : ' );:r

3.1. Fusibles y Iimitadores de intensidad.3.2. Resistencias y reostatos.3.3. Resistencias dependientes 0especiales.3.4. Condensadores.3.5. Reh!s.3.6. Diodos semiconductores.3.7. Los transistores.3.8. EI tiristor.3.9. Circuitos integrados.3.10. Aparatos electricos de medida.

(111 l / 1 (1 u: I rl


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-:. Estudiar las caracteristicas _\'peculiaridades de loscomponentes electricos v electronicos empleados ellel equipo electrico del automovil.-:'.Conocer los diferentes tipos de[usibles, resistencias.re6statos, diodosy transistores, asi como lafuncion'que desempeiian ell las diversas aplicaciones.+ Analizarel conexionado en el circuito de los diversos.. .: componenteselectricos y electronicos, asi como el.funcionamientodelos mismos.

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> ? 2 . _ _ . . . . ; i ~ ~ ~. . . . . . . _'~':'.";-'jinl~r;istemd.selectricos de los automoviles actuales

sei incluyenengran numero diversos t ipos de compo-" , .nentes.electricos yelectronicos como los reles, transis--tores, .diodoscfusibles, resistencias, etc., que desem-"pefianlasrr/iisvariadas funciones. Las caracteristicas y elfuncionamiento .de estos componentes dependen de Laaplicaci6nalos diversos circuitos , pero ell cualquier ~

caso. iresul ta necesario conocerlas para entender des- ~~~pues confacilidad el funcionamiento de losdistintos ele-mentosycircuitos electricos,

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[3.1. Fusibles y limitadores de intensidadEnla protecci6n de los circuitos electricos se ernplean. como ya se sabe, los fusibles que. conectados en,erie con elaparato receptor (en elcamino de ida y despues del interrupter), interrumpen elpaso decorrien-tecuando se produce un cortocircuito 0 un calentamiento excesivo del conductor debido a una alta resis-tenciaen el circuito.EIfusible esta constituido por un hila de plata. que permite el paso normal de la corricnte sin calentar-

10. En cuanto la intensidad aumenta anormalmente, el hilo se funde interrumpiendo el circuito. Como estematerialresulta caro en exceso para su uso en el automovil, los fusibles aquf empleados suelen ser de ale-aci6n de plomo y estafio,Losfusibles se agrupan en la Hamadacaja de fusibles y pueden ser del tipo "abierto" 0 "cerrado". El pri-merode elios esta constituido por un cilindro de porcelana con una ranura en el sentido longitudinal en laque sealoja elhi lo, En el segundo caso elhi lo va encerrado en un tubo de vidrio. El cal ibre de un fusible(que esta grabado en ell expresa en amperios la corriente que admite sin que sefunda, Las cajas de fusibleseprotegen con una tapa para que, enel momento de fundirse alguno deellos, la ehispa que seorigina noprovoque explosiones de los posibles vapores de gasolina cercanos.Lafigura 3.1 muestra la estructura de distintos tipos de fusibles utiJizados, asf como un c6digo de colo-res que hace referencia a la intensidad maxima de paso que permiten. Asi , por ejemplo, el color verdecorresponde a un fusible que permite una corriente de hasta lOA.

ROJO AMAR I. V ERDE A ZUL MARRON B LANCO

Figura 3.1. Dtferentes tipos de fusibles.

En algunos cireuitos electricos se disponen limitadores de intensidad, que estan formados por un rele 0uninterruptor especial, a traves de cuyos contactos se establece el circuito, El contacto m6vil del inte-rruptor esta formado por una lamina bimetal que, en cuanto se calienta (por el paso excesivo de corrienteatravesde los contactos), se produce la dilataci6n del bimetal y, en consecuencia, la separaci6n de los con-tactoseon la'eonsiguiente interrupci6n del circuito. Otras veces, y con el mismo fin. se disponen en el cir-cuito termistancias de proteccion, componentes estes euya resistencia 6hmica varia en funci6n de la tem-peratura, aumentando al calentarse y haciendo disminuir la corriente en el circuito. La figura 3.2 muestraenesquema la estructura de estos dos tipos de limitadores, el primero de los cuales dispone un pulsadorpararearmar los contactos cuando se han separado por la acci6n del bimetal.

PulsadorMuell~~1

30 A .

~ ContactosEspeciflcacion Bimetal Figura 3.2. Limitadoresde intensidad.

~, ITPParaninfo 3 5.i.. I I / ( ,S ,t '.,dl os 3 1


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[ 3.2. Resistencias y reostatosAunque todo conductor 0 receptor presenta una resistencia alpaso de la corriente electrica, seda el nOill-brepropiamente dicho de resistencia, a una pequeiia pieza con forma de cilindro, fabricada de carbon mez-clado con algun aglomerante que, por las caracteristicas propias del tipo de material, presenta una ciertadificultad al paso de la corriente electrica, Basicamente existen dos tipos de resistencias: las aglomeradasy las de pehcula de carbon, representados en la figura 3.3. Las primeras se fabrican moldeando una mez-cia de grafi to y resina en las proporciones adecuadas para conseguir los valores oportunos. En las delsegundo tipo sedeposita unafina pelicula de carbon sobre una barra de ceramica y en ella sepractican unossurcos en espiral que alargan su longitud y reducen su seccion, mediante los cuales se consigue una mayorprecision del valor ohmico obtenido en la fabricacion. El grosor de la resis tencia esta en funcion de lapotencia electrica que deba disipar una vez conectada al circuito.

Capa de pintura

Terminal Terminal

Figura 3.3. Estructura de las resistencias de carbon.

Cualquiera que sea sutipo, en el extremo del cil indro formado con esta mezcla se colocan unos casqui-lIos metalicos donde se sueldan los hilos que constituyen los terminales de dicha resistencia. El conjuntoserecubre con una resina 0 se plastifica y sobre la superficie externa se graba el valor ohmico directamenteo mediante un codigo de colores. Las resistencias secaracterizan por su valor ohmico y su potencia.En la tabla que se da a continuacion pueden verse las correspondencias de colores. Sobre cada resisten-cia hay una serie de bandas de diferentes colores (fig. 3.4), mas proximos a uno de los extremos. EIcolorde la primera banda indica la primera cifra s ignificativa segun la tabla de colores , por lacual , a cada unode ellos corresponde una cifra. EI color de la segunda banda da la siguiente cifra significativa y el de la ter-cera el mimero de ceros que hemos de afiadir a las dos primeras cifras para obtener el valor ohrnico de laresistencia. La ultima banda sueIe ser de color oro 0plata, indicando respectivamente que el valor ohmicoesta afectado por unastolerancias de 5% y 10%respectivamente. En la parte inferior de lafigura puedeverse la equivalencia entre la potencia electrica y el diarnetro de las resistencias.Ejemplo: Sea una resis tencia cuyos colores de bandas son: rojo (2), azul (6), amari llo (4) y plata. Su

valor ohmico es 260.000 10%.Algunas resistencias estan fabricadas con hilo (de diferentes tipos de material, como las aleaciones deniquel, cromo y alurninio), arrollado sobre un cilindro de material refractario. Se lIaman resistencias bobi-nadas y son utilizadas en circuitos donde la potencia a disipar es grande. Entre elias destacaremos las lla-madas reostatos, que son resistencias variables y se utilizan en los circuitos electricos para poder variar lacorriente que circula por ellos. .En lafigura 3.5 seha representado un circuito electrico enel que hay un reostato conectado en serie conuna lampara. La aguja del cursor A hace variar laresistencia interpuesta y,asi , cuando ocupa la posicionmarcada de trazos, la resistencia conectada es de 2, por 10 cual, la intensidad de corriente en el circuito es:

1 = EIR = 1012+2 = 2 ,5 A .

----"-----------------_._-,, .... -- -

negrome-ron' l." cifra significa 2.acifra significa nurnero de ceres tolerancia

rojonaranjaamarilloverdeazulvioletagrisblancooroplatanada

nada12

1 %'" 2 %

1/2 watio

, watio

2 waties

4 45 56 67 78 89

0.1 5 % 10 % 20 %~r/ ->~ ( I I I 1 ) 1 = = =

~ ~10mmI I_j_ 4mmm r n,rrrnn~ 5,8mm------~-t-

36 mm T ![0;[lt:1-+ 8mm

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Figura 3.4. Determinacion delvalor6hmico Ypalencia de lasaristas.

~ 10V

20 60

Figura 3.5. Conexionado del reostato.

37lilll/)


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E Si~I cursor o~upa laposici6n de trazo lleno, intercala 6[2 y lacorriente obtenida en el circuito es: 1 '"/~I d 1 1 1 6+2 - 1,25 A. que como vemos es menor que la anterior, debido al aumento de la resistenciatota e circuno. manteniendo la rmsma d.d.p. aplicada.Los re6statos tienen multiples aplicaciones en los cir-

cuitos electricos, una de las cuales es eillamado variadorde velocidad, cuyo circuito electrico se representa en lafigura 3.6. EI motor electrico esta alimentado a traves deun re6st~to que dispone de una posici6n de parada en laque actua como un interrupter, y varias posiciones demarcha, a cada una de las cuales corresponde una veloci-dadde rotaci6n del motor diferente, pues a medida que semte~~alamayor resistencia, va aplicandose al motor unatension menor que reduce su velocidad de giro.Exi~ten re6statos para intensidades de corriente muypequena~, que se lIaman potenciometros, y son utilizadosen circuitos ele,ctr6nicos de control a los que debe apJi-carse una tension que ha de poderse variar. La figura 3.7muestra el conexionado de un potenciometro, de cuyocursor se toma la tensi6n para el c ircuito de control ,

rmentras que uno de los extremos de la resistencia seconecta a positivo y el otro amasa. Esta ultima conexi6nmejora notablemente la sensibi lidad y estabil idad de lasefialde voitaje de sal ida por la aguja del cursorLos potenciometros y re6statos se designan por e lvalor.~axlmo de su resistencia 0 valor entre extrernos, yta~blen por su tamafio, ley de variaci6n (lineal, logarft-

mica, etc.) y potencia a dis ipar, Al igual que ocurre conlas resistencias fijas, los potenci6metros y re6statos pue-den fabncarse con pelfcula de carb6n 0 bobinadas. Encualquier caso, la superficie por la que ha de desplazarsee l cursor ha de quedar per fectamente l isa de modo quepresente una bajaresistencia de contacto con el cursor.

Figura 3.6. Variador de velocidad.

Figura 3.7. Conexionado del potenciometro.

d ~a resis tencia electrica que presenta un cuerpo al paso de lacorriente electrica depende en gran medidae a temperatura, aumentando ~n.terminos generales cuando 10 hace esta, debido a que con la elevaci6nde temperatura aumenta elmOVlmlento desordenado de los electrones, 10 que implica una mayor dificul-tad para ser onentados debidamente formando la corriente electrica,Las resistencias dependientes 0 especiales son aquellas que se fabrican con materiales especiales (semi-conductores) y que rnodifican su caracterfstica resistiva segun el agente externo del que dependan que engeneral, puede ser la temperatura, la iluminaci6n (Iuz) y la tension. '

Re si st en ci as d e pe ndi en t es d e l a t empe ra tu r aExiste una serie d~resistencias cuyo valor varia en funcion de la temperatura a la que estan sometidas ,que se conocen comunme~te con el nombre de terrrustancias 0 termistores. Las de tipo NTC (coeficientede temperatura negative) disminuyen la resistencia a medida que la temperatura aumenta, mientras quelas

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del tipo PTC (coeficicnte de temperatura positivo) hacen 10 contrario, es decir, aumenta su valor 6hmicoderesistencia a medida que 1 0 hace la temperatura a laque se sornete.Cualquiera que sea su tipo, estas resistencias electronicas disponen de una capsula conectada mediantehilos conductores al circuito electrico, y se utilizan fundamentalmente para medidas de temperatura de

agua y aire del motor. '. .,

Re si st en c ia s d e p end ie n te s d e l a i lum ina ci 6nEste tipo de resistencias (fotorresistencia) se conoce tambien con el nombre LDR (resistencia depen-diente de la luz) y su valor 6hmico varia al cambiar las condiciones luminosas del ambiente, disminuyen-dola resistencia olectrica a medida que aumenta la luzque incide sobre este componente. Se utiliza en cir-euitoselectricos comandados por laluz ambiental, como puede ser el de encendido de las luces de situaciondeun vehiculo cuando la luz ambiental es escasa, 0 el cambio de la luz decarretera a cruce cuando circu-

lade frente otro vehiculo.

Re si st en c ia s d e pe ndi en t es d e l a t en s i6nEstetipo de resistencias VDR, lIamadas tambien varistores, recibe sunombre de las iniciales de su deno-

minaci6n. En elias, el valor 6hmico de resistencia disminuye al aumentar la tension aplicada,

Como ya sedijo en elcapitulo anterior, elcondensador esun componente electrico cuya mision esla dealmacenar una cierta cantidad de energia electrica, quedepende esencialmente del tamafio de sus armadu-ras y del espesor y tipo del dielectrico.Los condensadores sc fabrican arrollando dos tiras de papel de aluminio (fig. 3.8) entre las que se inter-pone el dielectrico, const ituido por un papel especial tratado adecuadamente. La bobina asf formada seintroduce en un tubo de aluminio y se cierra con una tapa de baqueli ta. Tambien se emplean los conden-sadores de ceramica en los que el dielectrico se fabrica partiendo de oxides metal icos a los que se les daunaforma adecuada y,posteriormente, se metalizan las dos caras depositando plata sobre elias, quedandoasi formadas las armaduras que, finalmente, serecubren de un aislante y semarcan las caracterfsticas sobreel, bien directamente grabadas numericamente 0mediante un c6digo de colores como el uti lizado en las

resistencias.

----------__ . _ . _ - _ . _ .. ------------Figura 3.8. Estructura del condensador:

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En much os circuitos elect ricos se uti li zan unos inter ruptores elect rornagneticos denominados reles , loscu~les basan su, funcionarniento en los efectos elect rornagneticos producidos por el paso de una corrienteele~tnca a traves de una bobina, La figura 3.9 muestra dos formas de representaci6n esquematica de unr ele convenci ona l, cuya bobi na e s al imentada desde e l i nt er rupto r de mando a t

alternador y arranque001

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