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CONCEPTOS DE ELECTROTECNIA PARA APLICACIONES INDUSTRIALES

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Electrotecnia para aplicaciones industriales. Conceptos.

Problemas resueltos de electricidad :

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Temas relacionados :

Transporte de cargas eléctricas en conductores , conceptos básicos

Veamos a continuación una serie de conceptos elementales necesarios para el conocimiento del transporte de cargas eléctricas en conductores y sus aplicaciones en la electrotecnia de uso industrial , destinado a estudiantes y operarios de la industria . Considerando los conceptos básicos sobre la composición íntima de la materia , se admite la existencia de corpúsculos constituyendo el átomo; las dos clases de corpúsculos representan las cargas positivas y negativas de electricidad. Donde los corpúsculos positivos están ubicados en la región central del átomo, adosados al núcleo o neutrón; por cuyo motivo es muy difícil sacarlos de su lugar . Se ha llegado a liberar protones mediante complicados experimentos físicos, de modo. que en la técnica carece de importancia el estudio del movimiento de los mismos.

Los corpúsculos negativos o electrones, en cambio, son de más fácil liberación, debido a su ubicación periférica en el átomo , por lo menos algunos de ellos (los móviles).

En  esta forma podemos describir que los procesos de electrización de un cuerpo, diciendo que consiste en la adición o sustracción de electrones móviles a los átomos del mismo. Si se resta un cierto número de electrones, queda en los átomos excesos 'de cargas' positivas y el cuerpo estará electrizado positivamente. Viceversa , si  se le agregan electrones, quedará con carga eléctrica negativa .  

Vamos a tratar a continuación del movimiento de la carga de un conductor cuando se mantiene un campo eléctrico dentro del mismo . Este movimiento constituye una corriente

Un conductor es un cuerpo en cuyo interior hay cargas libres que se mueven por la fuerza ejercida sobre ellas por un campo eléctrico .Las cargas libres en un conductor metálico son electrones negativos . Las cargas libres en un electrolito son los iones , positivos o negativos  . Un gas en condiciones adecuadas , como el de un anuncio luminoso de neón o el de una lámpara fluorescente , es también un conductor y sus cargas libres son iones positivos y negativos y electrones negativos .

Hemos visto que cuando un conductor aislado se coloca en un campo eléctrico, las cargas dentro del conductor se reagrupan de modo que el interior del conductor sea una región libre de campo, en toda la cual el potencial es constante. El movimiento de las cargas en el proceso de reagrupación constituye una corriente; pero es de corta duración y se denomina corriente transitoria. Si deseamos que circule una corriente permanente en un conductor, hemos de mantener continuamente un campo, o un gradiente de potencial dentro de él. Si el campo tiene siempre el mismo sentido, aunque pueda variar de intensidad, la corriente se denomina continua. Si el campo se invierte periódicamente, el flujo de carga se invierte también, y la corriente es alterna.

Todo el proceso de cargar un cuerpo de electricidad consiste pues, en el, movimiento de inmigración o emigración de electrones o cargas eléctricas elementales negativas. La razón de que se haya designado "negativa" la carga eléctrica del electrón y positiva la del ''protón'', es puramente convencional y da origen a una  confusión si no se recurre a nuevas convenciones.

En efecto, las cargas eléctricas gozan de cierta movilidad en la masa de los cuerpos que las contienen , movilidad que les permite trasladarse a todas partes de estos. También sabemos que el desplazamiento de cargas eléctricas en los cuerpos está regido por la naturaleza de los mismos, ofreciendo algunos mayor facilidad que otros a ese movimiento. Se dividen así los cuerpos en conductores y aisladores de la electricidad.  

Hay cierto número de dispositivos eléctricos que tienen la propiedad de mantener constantemente sus bornes a potenciales diferentes. Los más conocidos son la pila seca, la batería de acumuladores y la dínamo. Si los extremos de un hilo metálico se conectan a los bornes de cualquiera de estos dispositivos, se mantiene un gradiente de potencial, o sea un campo eléctrico, dentro del hilo y habrá un movimiento continuo de carga a través de él. Para concretar, si los extremos de un hilo de cobre, de 1 m de longitud, se conectan a los bornes de una batería de 6 V, se establece y mantiene un gradiente de potencial o campo eléctrico de intensidad 6 V/m ó 6 new/coul.

Para la técnica interesa especialmente el movimiento de cargas eléctricas en los cuerpos conductores. Estas cargas son negativas, puesto que se trata de electrones liberados, de modo que si suponemos dos puntos de un cuerpo conductor, uno de los cuales está a un cierto potencial positivo y el otro a potencial negativo, los electrones deben dirigirse, por efecto de las fuerzas actuantes, del negativo al positivo. Esto es evidente, puesto que las cargas negativas serán rechazadas del punto de potencial negativo y atraídas por el punto de potencial positivo.

Sin embargo, ya sea porque el estudio de la naturaleza íntima de la materia es más reciente que la mayor parte de la experimentación con electricidad, ya sea porque no se quiere modificar un criterio generalizado hasta tanto no se pueda afirmar rotundamente cuál es la verdadera naturaleza de la electricidad y su relación con la materia, se utiliza una convención que difiere fundamentalmente de las consideraciones precedentes:

Se admite que la circulación de cargas eléctricas se lleva a cabo desde los puntos de potencial positivo a los puntos de potencial negativo. Extendiendo este criterio, diremos que el transporte de cargas se realiza siempre desde el potencial mayor hacia el menor.

Sentado esto, es cuestión de indicar en los circuitos un sentido  de circulación de las cargas eléctricas, admitirlo como exacto sin considerar la naturaleza de tales cargas y se comprobará que las leyes generales se cumplen, aunque tal sentido fuera contrario.

 

 

Intensidad de la corriente eléctrica.

Tomemos un cuerpo conductor en el cual se realiza un transporte de cargas eléctricas, debido  a que los dos extremos del mismo están unidos a dos puntos de un campo eléctrico que están a distinto potencial  Para tener una visión más clara del asunto, imaginemos que el conductor tiene la forma de un alambre metálico, lo que no quita la generalidad de la definición que sigue. El transporte de cargas de un extremo del conductor hacia el otro se realiza con  cierta velocidad, de modo que si consideramos una sección cualquiera ubicada en un punto entre los dos extremos, por ella pasará un cierto número de electrones por segundo, o, lo que es lo mismo, una cierta cantidad de electricidad por  segundo.

El transporte de cargas en sí , a través del conductor se denomina: "corriente eléctrica”, siendo aplicable tal designación a todos los casos en que una cierta cantidad de electricidad circula por un cuerpo.

La cantidad do electricidad que pasa por el conductor en un segundo se denomina. " intensidad de corriente eléctrica “ , y está expresada por el cociente entre la cantidad total de cargas que han pasado por el conductor en un cierto tiempo y este tiempo:

Tomando la cantidad de electricidad expresada en  la unidad práctica (Coulomb) y el tiempo en segundos, la intensidad de corriente resulta dada en Amperios (A), que es la unidad práctica electrostática, en honor del físico francés André Marie Ampére (1775-1836) , quien introdujo muchos de los conceptos de electricidad y magnetismo . Por definición , cuando a través de una sección de un conductor pasa una cantidad de electricidad de un Culombio durante un segundo, la intensidad de corriente vale un Amperio.

Como se ve, el concepto de corriente eléctrica tiene cierta analogía con el de corriente líquida en una cañería, y el de intensidad de corriente representa el caudal líquido que pasa por el caño en la unidad de tiempo, en dicha analogía. La unidad símil  en el caso comparado, sería el litro para la cantidad de líquido y el litro por segundo para la “intensidad de corriente líquida” ,  correspondiendo al Coulomb y al Amper, respectivamente.

La velocidad con que se realiza el transporte de cargas de un extremo al otro del conductor es enorme, próxima a los 300.000 kilómetros por segundo, que es la velocidad de la luz.  

Bajo la influencia del campo eléctrico  , los electrones libres de un hilo metálico experimentan una fuerza de sentido  opuesto al del campo, y son acelerados en el  en el sentido de esta fuerza . ( Los otros electrones y  los núcleos positivos son también accionados por el campo, pero no son acelerados, por impedirlo las fuerzas de ligadura que mantienen estos electrones unidos al núcleo y los núcleos unidos entre sí formando un sólido) . Los choques con las partículas que quedan fijas en el metal, frenan pronto a los electrones libres o los detienen, después de lo cual vuelven a ser acelerados, y así sucesivamente. Su movimiento es, por tanto, una sucesión de aceleraciones y frenados, pero adquieren cierta velocidad media en sentido  opuesto al

campo, y supondremos que se mueven uniformemente con esta velocidad media. Los electrones libres participan también de la energía térmica del conductor, pero su movimiento de agitación térmica es un movimiento al azar y para nuestro propósito presente puede  no ser tenido en cuenta.

La figura siguiente representa una porción de un hilo metálico en el cual   hay un campo hacia la izquierda y, en consecuencia, un movimiento libres hacia la derecha .

Figura 1: Movimiento de electrones libres en un hilo metálico .

Ley de Ohm .

Hemos visto que la circulación de cargas eléctricas por los conductores se denomina: corriente eléctrica. Ahora bien en el estudio de las propiedades de la materia , en lo referente a la conducción de la electricidad, se ve que los cuerpos se comportan como buenos o malos conductores, sin llegar a ser absolutamente conductores ni aisladores. Todos ellos presentan una cierta resistencia al pasaje de la corriente eléctrica, que será pequeña en los primeros y mayor en los segundos.

La dificultad que oponen los cuerpos al pasaje de la corriente se denomina: "resistencia eléctrica' , y veremos que ella depende de la naturaleza del cuerpo y de sus dimensiones, pudiéndosela medir por una cierta cantidad.

Es evidente que la intensidad de corriente eléctrica a través de un conductor dependerá de su resistencia, siendo tanto mayor cuanto menor sea ésta

Por otra parte, la circulación de corriente por un conductor se debe a que entre los extremos del mismo hay una cierta diferencia de potencial, puesto que si dichos extremos están unidos a dos puntos del campo eléctrico que están al mismo potencial, no circulará corriente por el conductor. Resulta también evidente que la intensidad de corriente en el conductor será tanto mayor cuanto mayor sea la diferencia de potencial entre sus extremos.

De manera pues, que si un conductor une dos puntos de distinto potencial (ver fig. 25), la intensidad de corriente que recorrerá el mismo será directamente proporcional a la diferencia de potencial entre ambos extremos e inversamente proporcional a la resistencia del conductor. Tal es el enunciado de la Ley de Ohm, y se expresa algebraicamente así:

suponiendo que V1 es mayor que V2, en cuyo caso la corriente se dirigirá de izquierda. a derecha, en la figura citada. 

Es común designar a la diferencia de potencial con la letra E y llamarla simplemente: "tensión" entre los extremos del conductor,  con lo que la expresión anterior queda reducida a :

en la que las cantidades que intervienen se toman expresadas por las unidades prácticas respectivas, que son: la tensión o diferencia de potencial E, en Voltios ; la intensidad de corriente I en Amperios y la resistencia eléctrica R , en Ohm o Ohmios . Se abrevian V , A y  Ω , respectivamente.

De lo que antecede resulta que un conductor presentará a la corriente eléctrica una resistencia de un Ohmio , cuando por el mismo circula la intensidad de un Amperio , si entre sus extremos hay una diferencia de potencial o tensión de un Voltio .

Por simple trasposición  de términos, puede deducirse de la expresión de Ohm , otras dos formas:

que permiten calcular la tensión o la resistencia cuando se conocen las otras dos cantidades .

El circuito elemental de la figura siguiente puede servir para analizar cómo la corriente que pasa por el conductor X depende de la diferencia de potencial aplicada.

Figura 2: Medición de corriente y de diferencia de potencial.

Colocamos distinto número de pilas de igual valor en serie cada vez; con el amperímetro medimos la corriente eléctrica que pasa y con el voltímetro obtenemos las diferentes medidas de voltaje o diferencia de potencial. Si el conductor anterior es un cable de hierro, los resultados pueden ser los siguientes:

En la figura siguiente se representan estos resultados gráficamente.

Figura 3. Relación de la corriente eléctrica con la diferencia de potencial.

La característica que más salta a la vista en este gráfico es que, salvo el último punto, los demás forman una línea recta casi perfecta que pasa por (O, O), el origen de coordenadas del gráfico.

Se demuestra que con otros conductores diferentes se da un comportamiento similar, incluso en la deformación de la línea recta cuando la corriente se hace elevada. En otras páginas, veremos que los conductores se calientan al aumentar la corriente que pasa por ellos, lo que altera sus propiedades  eléctricas. Se deduce, por tanto, que hay una relación simple entre la corriente y la diferencia de potencial, siempre que el conductor no se caliente. Este fenómeno se describe en la ley de Ohm:

La corriente que pasa por un conductor que se mantiene a temperatura constante es directamente proporcional a la diferencia de potencial que hay entre sus extremos.

Por directamente proporcional se entiende que cuando la diferencia de potencial aumenta al doble, también aumenta al doble la intensidad, y cuando la diferencia de potencial aumenta al triple, también aumenta al triple la intensidad. Esto implica una relación constante entre la corriente y la tensión, lo que da lugar a una línea recta que pasa por el origen, como la de la curva anterior en la figura

Gráficas de corriente y tensión

Estrictamente hablando, sólo son los materiales conductores los que se comportan de acuerdo con la gráfica de la figura 3, que sigue la ley de Ohm. Normalmente son conductores metálicos, entre otros, el hierro, el cobre o aleaciones de metales como el bronce.

En la figura 4 se representan algunas gráficas típicas correspondientes a varios objetos o componentes.

Figura 4-- Gráficas de conducción para varios elementos.

Limitaciones de la ley de Ohm

Hay muchos materiales que no siguen la ley de Ohm. De hecho, sólo funciona, probablemente, para los metales, y sólo bajo ciertas condiciones (temperatura constante, por ejemplo). Sin embargo, es una ley muy útil que puede describir muchas situaciones reales de manera aproximada. Hay una amplia variedad de materiales y de componentes que siguen la ley de Ohm, por lo menos en parte.

Muchas leyes de la física encuentran limitaciones al aplicarlas en la práctica, no sólo la ley de Ohm. Hay veces que la ciencia da un avance cuando se descubre que una ley que se creía cierta no se puede aplicar en ciertas situaciones o bajo condiciones diferentes de las establecidas. Por ejemplo, los materiales elásticos siguen la ley de Hooke hasta que son estirados demasiado, y un filamento de una bombilla sigue la ley de Ohm hasta que empieza a calentarse.

Tales limitaciones no invalidan las leyes, sino que reflejan simplemente las circunstancias bajo las cuales fueron descubiertas estas leyes o formuladas, y definen las condiciones bajo las cuales son válidas y dan resultados prácticos.

     

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