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FACULTAD DE INGENIERÍA, USAC
Escuela de Ingeniería Mecánica Eléctrica
Manual del Laboratorio de
Ingeniería Eléctrica 1
CONT ENI DO
Energía Eléctrica
Propiedades Eléctricas _______________
Dispositivos de Medición ____________
Código de Colores para resistencias
Medición Eléctrica
Energía Eléctrica
Se denomina energía eléctrica a la forma de energía que resulta de la
existencia de una diferencia de potencial entre dos puntos, lo que permite
establecer una corriente eléctrica entre ambos —cuando se los pone en
contacto por medio de un conductor eléctrico— y obtener trabajo. La energía
eléctrica puede transformarse en muchas otras formas de energía, tales como
la energía luminosa o luz, la energía mecánica y la energía térmica.
La energía eléctrica se manifiesta como corriente eléctrica, es decir, como el
movimiento de cargas eléctricas negativas, o electrones, a través de un cable
conductor metálico como consecuencia de la diferencia de potencial que un
generador esté aplicando en sus extremos.
Cada vez que se acciona un interruptor, se cierra un circuito eléctrico y se
genera el movimiento de electrones a través del cable conductor. Las cargas
que se desplazan forman parte de los átomos de la sustancia del cable, que
suele ser metálica, ya que los metales —al disponer de mayor cantidad de
electrones libres que otras sustancias— son los mejores conductores de la
electricidad. La mayor parte de la energía eléctrica que se consume en la vida
diaria proviene de la red eléctrica a través de las tomas llamadas enchufes, a
través de los que llega la energía suministrada por las compañías eléctricas a
los distintos aparatos eléctricos —lavadora, radio, televisor, etcétera— que se
desea utilizar, mediante las correspondientes transformaciones; por ejemplo,
cuando la energía eléctrica llega a una tostadora, se convierte en energía
mecánica, calórica y en algunos casos luminosa, gracias al motor eléctrico y a
las distintas piezas mecánicas del aparato. Lo mismo se puede observar
cuando funciona un secador de pelo o una estufa.
Formas de la energía eléctrica
Corriente continúa
La corriente continua (c.c.) es el flujo continuo de electricidad a través de un
conductor entre dos puntos de distinto potencial. A diferencia de la corriente
alterna (c.a.), en este caso, las cargas eléctricas circulan siempre en la misma
dirección del punto de mayor potencial al de menor potencial. Aunque
comúnmente se identifica la
corriente continúa con la
corriente
constante
(por
ejemplo la suministrada por una
batería), es continua toda
corriente
que mantenga
siempre la misma polaridad.
Tras el descubrimiento de
Fig. 1.1: Forma de onda DC
Thomas Alba Edison de la
generación de electricidad en
las postrimerías del siglo XIX, la corriente continua comenzó a
emplearse para la transmisión de la energía eléctrica. Ya en el siglo XX
este uso decayó en favor de la corriente alterna por sus menores
pérdidas en la transmisión a largas distancias, si bien se conserva en la
conexión de redes eléctricas de diferente frecuencia y en la transmisión
a través de cables submarinos.
La corriente continua es empleada en infinidad de aplicaciones y aparatos de
pequeño voltaje alimentados con baterías (algunas veces recargables) que
suministran directamente corriente continua, o bien con corriente alterna
como es el caso, por ejemplo, de los televisores, siendo entonces necesario
previamente realizar la conversión de la corriente alterna de alimentación en
corriente continua.
También se está extendiendo el uso de generadores de corriente continua
mediante células solares, dado el nulo impacto medioambiental del uso de la
energía solar frente a las soluciones convencionales (combustible fósil y
energía nuclear).
Corriente alterna
Se denomina corriente alterna (abreviada CA en castellano y AC en inglés) a
la corriente eléctrica en la que la magnitud y dirección varían cíclicamente.
La forma de onda de la corriente
alterna más comúnmente utilizada es la
de una onda senoidal (Figura 1.1)
puesto que se consigue una transmisión
más eficiente de la energía (disminuyen
las perdidas en las líneas de
transmisión). Sin embargo, en ciertas
aplicaciones se utilizan otras formas de
onda periódicas, tales como la
triangular o la cuadrada.
Fig. 1.2: Onda senoidal de corriente
alterna
Utilizada genéricamente, la CA se
refiere a la forma en la cual la electricidad llega a los hogares y a las
empresas. Sin embargo, las señales de audio y de radio transmitidas por los
cables eléctricos, son también ejemplos de corriente alterna. En estos usos, el
fin más importante suele ser la transmisión y recuperación de la información
codificada (o modulada) sobre la señal de la CA.
Conversión de corriente alterna en continua
Este proceso, denominado rectificación, se realiza mediante dispositivos
llamados rectificadores, basados en el empleo de tubos de vacío y
actualmente, de forma casi general, mediante diodos semiconductores o
tiristores.
Corriente alterna vs. Continua
La razón del amplio uso de la corriente alterna viene determinada por su
facilidad de transformación, cualidad de la que carece la corriente continua.
La energía eléctrica viene dada por el producto de la tensión, la intensidad y
el tiempo (P = VI). Dado que la sección de los conductores de las líneas de
transporte de energía eléctrica dependen de la intensidad, podemos, mediante
un transformador, elevar el voltaje hasta altos valores (alta tensión). Con esto
la misma energía puede ser distribuida a largas distancias con bajas
intensidades de corriente y, por tanto, con bajas pérdidas por causa del efecto
Joule. Una vez en el punto de utilización o en sus cercanías, el voltaje puede
ser de nuevo reducido para su uso industrial o doméstico de forma cómoda y
segura, por medio del empleo de transformadores.
Diferencia de potencial (voltaje) y corriente eléctrica
La diferencia de potencial entre dos puntos (1 y 2) de un campo eléctrico es
igual al trabajo que realiza dicho campo sobre la unidad de carga positiva
para transportarla desde el punto 1 al punto 2. En el Sistema Internacional de
Unidades la diferencia de potencial se mide en voltios (V), y la corriente
eléctrica que esta diferencia de potencial genera se mide en Amperios (A).
Si dos puntos que tienen una diferencia de potencial se unen mediante
un conductor, se producirá un flujo de corriente eléctrica. Parte de la
carga que crea el punto de mayor potencial se trasladará a través del
conductor al punto de menor
potencial y, en ausencia de una
fuente externa (generador), esta
corriente cesará cuando ambos
puntos igualen su potencial
eléctrico (Ley de Henry). Este
traslado de cargas es lo que se
conoce como corriente eléctrica.
Fig. 1.4: Polaridad de una
diferencia de potencial.
La diferencia de potencial entre dos puntos de un circuito, se le suele denominar
también como caída de tensión o caída de voltaje. Cuando por dichos puntos
puede circular una corriente eléctrica, la polaridad de la caída de tensión
viene determinada por la dirección convencional de la misma, esto es, del
punto de mayor potencial al de menor. Por lo tanto, si por la resistencia R de
la Figura 1.4 circula una corriente de intensidad I, desde el punto A hacia el
B, se producirá una caída de tensión en la misma con la polaridad indicada y
se dice que el punto A es más positivo que el B.
Potencia
En Física, potencia es la cantidad de trabajo efectuado por unidad de tiempo.
Esto es equivalente a la velocidad de cambio de energía en un sistema o al
tiempo empleado en realizar un trabajo, según queda definido por:
Donde:
•
•
•
P es la potencia
E es la energía o trabajo
t es el tiempo.
La unidad de potencia en el Sistema internacional (SI) es el vatio, el cual es
equivalente a un julio por segundo. Fuera del SI también se utilizan el
Caballo de Vapor (CV) y el Horse Power (HP), equivalente a 746 W.
La potencia eléctrica es la velocidad a la que se consume la energía eléctrica
Potencia en corriente continua
Cuando se trata de corriente continua (DC) la potencia eléctrica desarrollada
en un cierto instante por un dispositivo de dos terminales
es el producto de la diferencia de potencial entre dichos terminales y la
intensidad de corriente que pasa a través del dispositivo. Esto es,
P=I■V
donde I es el valor instantáneo de la corriente y V es el valor instantáneo
del voltaje. Si I se expresa en amperios y V en voltios, P estará
expresada en vatios.
Igual definición se aplica cuando se consideran valores promedio para I,
V y P.
Cuando el dispositivo es una resistencia de valor R, la potencia también
puede calcularse como:
Dispositivos Eléctricos
Resistor
La resistencia, como ya se dijo, es la oposición al flujo de corriente. Para
aumentar la resistencia en un circuito, se usan componentes eléctricos
llamados resistores (resistencias). Un resistor es un objeto cuya resistencia al
paso de la corriente tiene un valor específico conocido.
La resistencia se mide en ohms (Ω) y en las ecuaciones se representa con el
símbolo R. Un Ohm se define como la cantidad de resistencia que limita la
corriente en un conductor a un ampere cuando el voltaje aplicado al
conductor es de un voltio. El símbolo esquemático es el siguiente:
Los resistores son componentes familiares en muchos aparatos eléctricos y
electrónicos. Algunos de los usos frecuentes de los resistores son establecer
el valor adecuado de voltaje en un circuito, limitar la corriente y proporcionar
una carga. Existen dos tipos de resistencias, fijas y variables.
Resistencias Fijas: Presentan un solo valor y no se puede modificar; se
clasifican en:
•
Resistencias de Carbón: Se fabrican de grafito (carbón casi puro), el
grafito se mezcla con talco y con material adhesivo, y se comprime
con una prensa para darle forma y consistencia, luego se recubre con
un material aislante, que puede ser fibra de vidrio o baquelita con el
fin de obtener un buen acabado y proveerla de aislamiento térmico y
eléctrico. Otro método consiste en recubrir un tubo o cilindro de
porcelana y recubriéndola con una película de carbón, quedando
parecida a una bobina. Estas resistencias tienen la ventaja de ser
baratas y confiables y tienen valores de su resistencia en el intervalo
de 0.1Ω a 22 MΩ.
•
Resistencias de alambre: Se construyen de alambre de microcromo u
otro material con características eléctricas similares. El alambre se
enrolla en un núcleo aislante, tal como la cerámica, y luego se recubre
con una capa de esmalte de vidrio, con el fin de proteger el alambre y
la resistencia contra golpes y corrosión. Están hechas para soportar
altas temperaturas sin que se altere su valor, son de muy alta precisión
y de baja resistencia.
Se pueden depositar películas muy delgadas de metal y carbón sobre
materiales aislantes para proporcionar trayectorias con muy alta resistencia.
Las resistencias de película de metal y las resistencias de película de carbón
que se fabrican con esos procesos tienen valores muy altos. La exactitud y
estabilidad de esas resistencias se puede comparar con las resistencias de
alambre enrollado. Además, esas resistencias poseen características de bajo
ruido y alta inductancia. Tienen valores de resistencia entre 1Ω y 100KΩ.
Las resistencias a utilizar en el laboratorio serán de carbón, por ser las más
comunes y baratas. El fabricante nos da un valor de la resistencia, pero esta
por ser tan pequeña, es difícil colocar su valor en forma numérica, por lo que
se recurre a un sistema o código de colores para indicar el valor de la misma.
Resistencias Variables: Su valor en ohms es variable dentro de un rango, ya
sea de forma manual o mediante algún estímulo externo, tal como la luz, el
calor, el sonido, el voltaje, etc.
Resistencias variables mecánicas: Tienen por lo general tres terminales; dos
fijas y una móvil. Si se hace contacto con solo dos de las terminales de la
resistencia, la resistencia variable se emplea como reóstato. Si se emplean los
tres contactos en un circuito, a la resistencia se le llama potenciómetro. Los
potenciómetros se usan con frecuencia como divisores de voltaje en los
circuitos.
Las resistencias variables pueden variar su valor dentro de unos límites. Para
ello se les ha añadido un tercer terminal unido a un contacto móvil que puede
desplazarse sobre el elemento de la resistencia. Este tercer terminar puede
tener una desplazamiento angular (giratorio) o longitudinal (deslizante).
Según su función en el circuito estas resistencias se denominan:
• Potenciómetros: se aplican en circuitos donde la variación de resistencia
la efectúa el usuario desde el exterior (controles de audio, video, etc.).
Símbolo esquemático:
• Reóstatos: son resistencias variables en las que uno de sus terminales
extremos está eléctricamente anulado. Un potenciómetro, al dejar uno
de sus terminales extremos al aire, su comportamiento será el de un
reóstato, aunque estos están diseñados para soportar grandes
corrientes.
Resistencias variables no mecánicas: Son aquellas cuyo valor varía en
función de estímulos externos. Entre ellas tenemos:
Fotorresistencia: Una fotorresistencia es un componente
electrónico cuya resistencia disminuye con el aumento de
intensidad de luz incidente. Puede también ser llamado
fotoresistor, fotoconductor, célula fotoeléctrica o resistor
dependiente de la luz, cuyas siglas (LDR) se originan de su
nombre en inglés light-dependent resistor. Un fotoresistor está
hecho de un semiconductor de
alta resistencia. Si la luz que
incide en el dispositivo es de
alta frecuencia, los fotones son
absorbidos por la elasticidad
del semiconductor dando a los
electrones la suficiente energía
para saltar la banda de
conducción. El electrón libre
que resulta (y su hueco, vacío o
portador de carga positiva
asociado) conduce electricidad, de tal modo que disminuye la
resistencia.
Termistor: Un termistor (o termoresistencia) es una resistencia
eléctrica que varía su valor en función de la temperatura. Existen dos
clases de termistores: NTC y PTC. Un Termistor NTC (Negative
Temperature Coefficient) es una resistencia variable cuyo valor va
decreciendo a medida que aumenta la temperatura. Son resistencias de
coeficiente de temperatura negativo, constituidas por un cuerpo
semiconductor cuyo coeficiente de temperatura es elevado, es decir,
su conductividad crece muy rápidamente con la temperatura. Se
emplean en su fabricación óxidos semiconductores de níquel, zinc,
cobalto, etc. Un termistor PTC (Positive Temperature Coefficient) es
una resistencia variable cuyo valor se ve aumentado a medida que
aumenta la temperatura. Los termistores PTC se utilizan en una gran
variedad de aplicaciones: limitación de corriente, sensor de
temperatura, desmagnetización y para la protección contra el
recalentamiento de equipos tales como motores eléctricos. También se
utilizan en indicadores de nivel, para provocar retardos en circuitos,
como termostatos, y como resistores de compensación. El termistor
PTC pierde sus propiedades y puede comportarse eventualmente de
una forma similar al termistor
NTC si la temperatura llega a ser demasiado alta. Las aplicaciones de
un termistor PTC están, por lo tanto, restringidas a un determinado
margen de temperaturas.
Código de colores para
medidas de resistencias
Sobre los cuerpos de las resistencias suelen encontrarse bandas o anillos de
colores, con lo cual se da un método alternativo para calcular el valor nominal de
cada resistencia
COLOR
Negro
Café
Rojo
Naranja
Amarillo
Verde
Azul
Violeta
Gris
Blanco
Dorado
Plateado
Sin color
PRIMERA
FRANJA
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
SEGUNDA
FRANJA
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
TERCERA
FRANJA
TOLERANCIA
X10E0
X10E1
X10E2
X10E3
X10E4
X10E5
X10E6
X10E7
X10E8
X10E9
--± 0.1%
± 0.2 %
---------------
± 5%
± 10%
± 20%
Ejemplo:
¿Que valor tiene la siguiente resistencia?
Respuesta: 26 * 10E3 = 26000 ±5% Ω ó 26 kΩ ±5%
Dispositivos de Medición
Medir: Es comparar una magnitud con otra, establecida como patrón. Con el
avance de la ciencia se hizo necesario establecer patrones nacionales y más
tarde internacionales, que facilitarán el intercambio de productos. Para medir
un parámetro dado utilizamos un instrumento adecuado, que a través de
distintas etapas de comparación, se relaciona con un patrón nacional o
internacional determinado. Es decir, para tener la certeza de que una
medición es correcta dentro de una incertidumbre aceptable. Se debe calibrar
el instrumento por medio de otro de mayor exactitud, estableciendo una
cadena de precisión cada vez mayor, hasta llegar al patrón primario.
Medición: La medición de una cantidad consiste ya sea en su comparación
con una cantidad unitaria del mismo tipo o en su determinación como una
función de cantidades de tipos diferentes, cuyas unidades se relacionan
mediante leyes físicas conocidas.
Exactitud: El grado de exactitud de un instrumento, es la desviación de la
lectura del mismo valor real, expresada generalmente en forma porcentual.
Precisión: Es la habilidad de reproducir una cierta lectura en mediciones
repetidas, expresada también como porcentajes. Un instrumento exacto debe
ser obligadamente también preciso, pero un instrumento preciso pudiera
resultar poco exacto, si se encontrara afectado por ejemplo, por un defecto
mecánico, eléctrico o por falta de ajuste. La exactitud de los instrumentos
eléctrico comerciales es del 3% al 5%, referida al valor final de la escala:
También cabe mencionar que existen instrumentos de laboratorio con gran
exactitud (hasta del 0.1%) y equipos electrónicos digitales capaces de medir
hasta con quince cifras significativas exactas.
Multímetros o testers
Los multímetros son instrumentos de medición de cantidades eléctricas que están
acondicionados para efectuar mediciones de voltaje, corriente y resistencia. Al
medirse por separado cada una de ellas, el aparato recibe nombres diferentes.
• Voltímetro: Para medir el voltaje
• Amperímetro: Para medir la intensidad de la corriente
• Óhmetro: Para medir la resistencia
Hay de dos tipos de multímetro: Analógicos y Digitales. El multímetro es una
combinación de todos los dispositivos listados arriba dispositivos, posee un dial
para cambiar de modalidad. Los multímetros modernos son capaces de probar
dispositivos semiconductores tales como diodos y transistores PNP y NPN,
algunos incluso pueden medir frecuencia y capacitancia.
Uso del multímetro
Medir voltaje
Se selecciona, en el multímetro que
estemos utilizando, la unidad (voltios) en
DC (c.d.) o en AC (tener cuidado en no
confundirlas). Se revisa que los cables
rojo
y
negro
estén
conectados
correctamente. El cable negro siempre
debe ir donde dice “COM” (común) o
donde esta el símbolo de tierra. El cable
rojo
en
el
agujero
donde
mayúscula (V), la cual indica voltaje.
este
una
v
Medición de Voltaje
Se selecciona la escala adecuada, si tiene selector de escala, (si no tenemos idea
de que magnitud de voltaje vamos a medir, escoger la escala más grande). Si
no tiene selector de escala seguramente el multímetro escoge la escala para
medir automáticamente.
Se conecta el multímetro a los extremos del componente (se pone en paralelo,
Fig. 1.9) y se obtiene la lectura en la pantalla. Si la lectura es negativa significa
que el voltaje en el componente medido tiene la polaridad al revés de la que
supusimos (Normalmente en los multímetros el cable rojo debe tener la tensión
mas alta que el cable negro), pero esto no es importante, lo importante es el
valor absoluto de la medición.
Medir corriente
Se selecciona, en el multímetro que estemos utilizando, la unidad (amperios) en
DC o en AC (tener cuidado de no confundirlas, muchos multímetros no miden
corriente en AC). Se revisa que los cables rojo y negro estén conectados
correctamente. Si vamos a medir corrientes pequeñas (mA) el cable rojo se
conecta igual que para medir voltaje, si las corrientes son grandes, o de valor
desconocido, se selecciona la escala grande (generalmente 10 A) y el cable
rojo se traslada al tercer agujero, el que dice 10 A.
Para medir una corriente con el multímetro, éste tiene que ubicarse en el paso
de la corriente que se desea medir. Para esto se abre el circuito en el lugar
donde pasa la corriente a medir y conectamos el multímetro (lo ponemos en
"serie", Fig. 1.10). Si la lectura es negativa significa que la corriente en el
componente, circula en sentido opuesto al que se había
supuesto, (Normalmente se supone que por el cable rojo
entra la corriente al multímetro y por el cable negro
sale).
En algunas ocasiones no es posible abrir el circuito
para colocar el amperímetro. En estos casos, si se
desea averiguar la corriente que pasa por un
elemento, se utiliza la Ley de Ohm. Se mide la
tensión que hay entre los terminales del elemento por Medición de Corriente
el cual pasa la corriente que se desea averiguar y
después, con la ayuda de la Ley de Ohm (V = I x R), se obtiene la corriente (I =
V / R). Para obtener una buena medición, se debe tener los valores exactos
tanto de la tensión como de la resistencia.
Medir una resistencia
Se selecciona, en el multímetro que estemos utilizando, la unidad
(ohmios). Revisar que los cables rojo y negro estén conectados correctamente.
Se selecciona la escala adecuada, si tiene
selector de escala (si no tenemos idea de que
magnitud de la resistencia que vamos a medir,
escoger la escala más grande). Si no tiene selector de
escala seguramente el multímetro escoge la escala
automáticamente.
Para medir una resistencia con el multímetro,
éste tiene que ubicarse con las puntas en los extremos
del elemento a medir (en paralelo) y se
obtiene la lectura en la pantalla. El elemento a medir (una resistencia en este
caso) no debe estar alimentado por ninguna fuente de poder (V). El
ohmímetro hace circular una corriente I por la resistencia para poder obtener el
valor de la ésta.
Practica 1
Objetivos:
•
Aprender a utilizar el multímetro para medir voltaje alterno y resistencias.
•
Aprender a usar el código de colores para las resistencias.
•
Determinar a que se deben los errores en las mediciones hechas durante la
práctica (si los hay).
Equipo y componentes:
•
Multímetro.
•
5 resistencias de carbón.
Procedimiento.
1. Ponga su multímetro en la escala de voltaje AC y mida el voltaje del tomacorriente
más cercano, anote su lectura.
V: ___________ .
2. Mida el voltaje en DC para la pila de 1.5V V. teorico
____
V. practico____
Mida el voltaje en DC para la pila de 9V
V teorico
____
V practico ____
Tome el código de colores (escriba los colores que ve en la resistencia) y el valor real
(medido con su multímetro) de cada una de las 5 resistencias, en la columna de
tolerancia ponga la tolerancia que le indique el código de colores.
No.
1
2
3
4
5
Código
Valor
(real)
Tolerancia
(%)
Rango