Sistemas eléctricos y de seguridad y confortabilidad
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1 Fundamentos de electricidad. Circuitos eléctricos Vamos a conocer... 1. Origen de la electricidad 2. El circuito eléctrico 3. Unidades eléctricas. Ley de Ohm 4. Potencia eléctrica y efecto Joule 5. Corriente continua y alterna 6. Circuitos en serie y en paralelo 7. Generación de corriente. Baterías 8. Mediciones eléctricas con el polímetro PRÁCTICA PROFESIONAL Comprobación del estado de una batería y su puesta en carga Y al finalizar esta unidad… ■ Tendrás acceso a las primeras experiencias con la electricidad. ■ Conocerás el funcionamiento de diferentes circuitos eléctricos. ■ Realizarás cálculos utilizando la ley de Ohm. ■ Diferenciarás entre corriente continua y alterna. ■ Conocerás el funcionamiento y la constitución de una batería. ■ Realizarás mediciones eléctricas utilizando el polímetro. Fundamentos de electricidad. Circuitos eléctricos 1. Origen de la electricidad Las primeras experiencias con la electricidad surgieron cuando el filósofo y científico Tales de Mileto (siglo VI a.C.) descubrió que, al frotar una barra de ámbar con un paño de lana, esta era capaz de atraer ciertos objetos de escaso peso. Es lo que hoy denominamos electricidad estática por frotamiento. + + Varilla de ámbar + - - + Saber más La palabra electricidad debe su origen al ámbar, que en griego significa electrón. + - - Paño de lana Figura 1.1. Ejemplo de electricidad estática. Conviene recordar que la materia está formada por la unión de átomos, y que estos son la parte más pequeña de dicha materia. El átomo tiene un núcleo compuesto por unas partículas con carga eléctrica positiva o protones y otras partículas sin carga que son los neutrones. Núcleo Protón Neutrón Electrón Figura 1.2. Constitución del átomo. Alrededor del núcleo aparece una nube de partículas minúsculas denominadas electrones que giran en diferentes órbitas casi elípticas alrededor de ese núcleo central. Si los protones poseen carga positiva, los electrones estarán cargados negativamente. En condiciones normales un átomo tiene la misma cantidad de protones y electrones, por lo que decimos que se encuentra en una situación eléctrica de equilibrio. Volviendo al ejemplo de la barra de ámbar y el paño, también se descubrió que, en ocasiones, en lugar de atraerse los objetos, se repelían. De esta forma se llegó a la conclusión de que cargas de diferente signo se atraen y del mismo signo se repelen. Saber más En el átomo aparecen tres tipos de partículas: protones, electrones y neutrones. Los electrones tienen la misma carga que los protones (los primeros negativa y los segundos positiva). Los neutrones no tienen carga. 7 Unidad 1 Saber más Charles Coulomb enunció una ley que establece que la fuerza existente entre dos cargas eléctricas es proporcional al producto de dichas cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa. Así pues, hay fuerzas exteriores que pueden sacar electrones de su órbita, con lo que el átomo queda cargado positivamente. El espacio que deja un electrón atrae otro electrón del átomo más cercano y así sucesivamente, estableciéndose de este modo una circulación de electrones. Este movimiento de electrones a través de un conductor o de un circuito se denomina corriente eléctrica y la fuerza que los pone en movimiento se llama fuerza electromotriz o tensión. Desplazamiento de electrones Conductor Desplazamiento de huecos Hueco dejado por el electrón arrancado Electrón arrancado de su órbita Figura 1.3. Desplazamiento de electrones a lo largo de un conductor. Ahora puede comprenderse que al frotar la barra de ámbar, se están extrayendo electrones de su superficie que pasan al paño de lana, con lo que ambos materiales quedan cargados eléctricamente. Así, se define la carga eléctrica (Q) como la cantidad de electricidad con la que una materia puede cargarse. Su unidad de medida en el Sistema Internacional es el culombio (C), que representa la cantidad de carga que circula por la sección transversal de un conductor eléctrico en un segundo cuando la corriente eléctrica es de un amperio. La carga eléctrica es una propiedad física de algunas partículas que se pone de manifiesto a través de fuerzas de atracción y repulsión entre ellas. El principio de conservación de la carga establece que no hay destrucción ni creación neta de carga eléctrica, y afirma que en todo proceso electromagnético la carga total de un sistema aislado se conserva. Por otro lado, puede definirse la electrización como el efecto de ganar o perder cargas eléctricas, normalmente electrones, producido por un cuerpo eléctricamente neutro. La electrización más común puede ser por contacto, por fricción o por inducción. Actividades 1. Buscar información en Internet para averiguar si, además del ámbar y de la lana, existen otros materiales capaces de atraerse o repelerse por electricidad estática. 2. ¿Por qué hay personas que al bajar de un vehículo sufren una pequeña descarga en forma de chispazo?, ¿qué influencia tiene la ropa que se lleva puesta en este caso? 8 Fundamentos de electricidad. Circuitos eléctricos 2. El circuito eléctrico La electricidad es una forma de energía que se puede transmitir de un punto a otro; sin embargo, no todos los cuerpos se comportan igual a la hora de efectuar esta transmisión. Así, la facilidad con que los electrones se mueven o circulan depende del material en el que se encuentren. De esta forma aparecen: ■ Cuerpos conductores. Son los que oponen poca resistencia al paso de la corriente. Los metales en general son buenos conductores (cobre, plata, aluminio, etc.). ■ Cuerpos aislantes. Son los que oponen una resistencia elevada al paso de la corriente, como la madera, el plástico o el caucho. ■ Cuerpos semiconductores. Son materiales con propiedades intermedias entre los dos anteriores y cuya conductibilidad depende de las condiciones del circuito. Los más conocidos son el silicio y el germanio, empleados para la fabricación de componentes electrónicos. Saber más La plata es el metal que mejor conduce la corriente, aunque es más utilizado el cobre por razones económicas. En el automóvil, el circuito eléctrico es el camino que recorre la corriente a través del cableado y del chasis desde que es producida por un generador hasta que es utilizada por un consumidor. Flujo de electrones en el alambre de cobre ------------------------- -+ – ---------------------- Lámpara Figura 1.4. Circuito eléctrico. En la imagen se observa un circuito eléctrico muy simple formado por una batería y una bombilla. Pero en el automóvil, además de por la batería, los circuitos están formados por los siguientes elementos: ■ Consumidores: lámparas, motores eléctricos, bobinados, resistencias, etc. ■ Fusibles de protección. ■ Cableado eléctrico. ■ Elementos de control: interruptores, conmutadores, pulsadores, relés, sensores de temperatura y presión y otros. En un vehículo, es posible encontrar diferentes circuitos eléctricos que se estudiarán dentro de este libro o en otros módulos del ciclo formativo de electromecánica. Pueden clasificarse de la siguiente forma: ■ Encendido. Se encargan de producir y distribuir la chispa en las bujías para iniciar la combustión en los motores de gasolina. ■ Carga. Su misión es generar corriente para recargar la batería del vehículo. ■ Arranque. Utilizados para la puesta en marcha del motor térmico. Saber más Después del oxígeno, el silicio es el segundo elemento más abundante en la corteza terrestre. Además de su aplicación en electrónica, también se utiliza en la industria cerámica y para la fabricación de vidrio. 9 Unidad 1 ■ Alumbrado y señalización. Se trata de diversos circuitos responsables de las luces de posición, de carretera, de cruce, intermitentes, de frenado o de marcha atrás entre otros. ■ Circuitos auxiliares. Comprenden los relativos a la luneta térmica, al limpiaparabrisas, al limpiafaros, al alumbrado interior, a los retrovisores eléctricos y térmicos, al sonido y equipos multimedia, etc. ■ Circuitos del cuadro de instrumentos. Manejan los indicadores de velocidad, cuentarrevoluciones, temperatura del motor, indicador de combustible e indicadores luminosos de averías. Saber más Hoy en día está demostrado que los electrones circulan desde el borne negativo de la batería hasta el positivo, aunque antiguamente se creía que lo hacían en sentido contrario. Esta teoría se conoce como sentido convencional de la corriente. Para comprender mejor el funcionamiento de un circuito eléctrico, puede compararse con un circuito hidráulico donde una fuente (generador o batería) es capaz de suministrar una presión de agua (tensión eléctrica) que hace circular un caudal (corriente o intensidad) a través de unas tuberías (cableado). En el ejemplo, el caudal de agua hace girar una sierra para producir un trabajo (consumidor). La amplitud y longitud de las tuberías determinará la facilidad o dificultad con la que circula el agua (resistencia). Fuente Generador de tensión (voltios) Caudal Corriente o intensidad (amperios) Canal (Cables) Diferencia de tensión Diferencia de potencial Resistencia (ohmios) Potencia (vatios) Figura 1.5. Circuito hidráulico. Actividades 3. Nombrar cinco materiales conductores y cinco aislantes diferentes a los citados anteriormente. 4. ¿Qué diferencia hay entre un interruptor, un conmutador y un pulsador? 5. ¿Qué tipos de fusibles se utilizan en el automóvil?, ¿qué relación guardan los colores con los fusibles? 10 Fundamentos de electricidad. Circuitos eléctricos 3. Unidades eléctricas. Ley de Ohm Ahora que ya se ha visto qué es un circuito eléctrico básico, es posible definir las tres magnitudes elementales de la electricidad y sus unidades de medida: ■ Tensión, voltaje o diferencia de potencial. Es la fuerza de atracción que existe entre dos puntos cuando entre ellos se da una diferencia en el número de electrones. Dicho de otro modo, es la fuerza que empuja a los electrones a través de un conductor. Su unidad de medida es el voltio (V). ■ Intensidad de corriente. Es la cantidad de carga eléctrica que circula por un conductor por unidad de tiempo. Su unidad de medida es el amperio (A). ■ Resistencia eléctrica. Es la dificultad que presenta un cuerpo a ser atravesado por la corriente eléctrica. Su unidad de medida es el ohmio (Ω). Dicha dificultad variará en función del material con el que esté construido ese cuerpo y su tamaño. Sabido esto, es posible definir el concepto de resistividad, que es la resistencia específica de un material para oponerse al paso de la corriente eléctrica y que se expresa en Ω · mm2/m. De este modo, el coeficiente de resistividad de un cable conductor será la resistencia en ohmios de un hilo de 1 mm2 de sección y 1 m de longitud. En el caso del cobre es de 0,017 Ω⋅mm2/m. Saber más La energía proveniente de cualquier medio que suministre corriente eléctrica se denomina Fuerza Electromotriz y su unidad de medida es el voltio. Por otra parte, entre estas tres magnitudes eléctricas: intensidad, voltaje y resistencia existe una relación matemática que permite calcularlas. El físico y matemático alemán Georg Simon Ohm formuló en 1827 una teoría que hoy conocemos como la ley de Ohm y que dice: la intensidad de corriente que circula por un circuito es directamente proporcional al voltaje aplicado e inversamente proporcional a la resistencia del mismo. Matemáticamente, es posible calcular cualquiera de las incógnitas utilizando el triángulo de la ley de Ohm. Tapando la incógnita que se quiere conocer, aparece el resultado de la ecuación como se muestra a continuación: U I U U R =I·R I U R I = U R I R R = U I Figura 1.6. Triángulo de la ley de Ohm. Expresando la teoría con las unidades, puede decirse que 1 amperio es la cantidad de corriente que circula por un conductor de 1 ohmio de resistencia cuando se aplica una tensión de 1 voltio (1 A = 1 V / 1 Ω). Actividades 6. Calcular la intensidad de corriente que circula por un circuito con una batería de 12 V y cuya resistencia es de 3 Ω. 7. ¿Qué resistencia tiene un circuito alimentado con una batería de 6 V si por él circula una corriente de 1,5 A? 8. Calcular la tensión con la que es alimentado un motor eléctrico cuya resistencia es de 6 Ω, si por el circuito circula una corriente de 4 A. 11 Unidad 1 4. Potencia eléctrica y efecto Joule La potencia eléctrica es la cantidad de energía producida o consumida por un elemento en un determinado tiempo. Su unidad de medida en el Sistema Internacional es el vatio (W), que en un circuito está relacionado con la tensión aplicada y con la intensidad de corriente que circula. De este modo, la expresión queda: P=V·I Figura 1.7. Ejemplo práctico de la ley de Joule: la placa vitrocerámica. Dicho de otra manera, 1 vatio es la energía o trabajo liberado por un amperio en un circuito eléctrico donde se aplica una tensión de 1 voltio, que puede expresarse como 1 W = 1 V · 1 A. Al igual que en la ley de Ohm, en estas ecuaciones matemáticas, conociendo dos de los valores puede deducirse el tercero. Cuando por un circuito circula una corriente eléctrica, esta puede realizar una transferencia de energía al efectuar un trabajo mecánico o termodinámico. Los aparatos reciben energía eléctrica para convertirla en luz, movimiento, calor, sonido o procesos químicos. A modo de ejemplo, una bombilla de 100 W emite mayor potencia lumínica que una de 40 W, pero también ocasiona mayor consumo eléctrico. Todo aparato o motor eléctrico debe incorporar una placa metálica o adhesiva en la que figure la tensión de alimentación y la potencia en vatios o kilovatios. En el caso de las bombillas, dicha información suele ir grabada en el cristal. Conviene recordar que la energía consumida en las casas es medida y facturada por parte de las empresas suministradoras de electricidad en kWh (kilovatio hora). Por otra parte, cuando la corriente eléctrica circula por un conductor, se genera, en mayor o menor medida, cierta cantidad de calor debido al rozamiento de los electrones con los átomos del material conductor. Esto fue descubierto por el físico inglés James Joule, quien en 1840 estableció la ley que lleva su nombre y que afirma que: el calor originado en un conductor por el paso de la corriente eléctrica es proporcional al producto de la resistencia del conductor por el cuadrado de la intensidad de corriente y por el tiempo. E = I2 · R · t Si la intensidad de corriente que circula o la resistencia del conductor son pequeñas, el calor generado y disipado será inapreciable. Por eso, en una instalación eléctrica se utilizará siempre un cableado eléctrico con la suficiente sección como para no ocasionar problemas de sobrecalentamiento. Este efecto se utiliza para la fabricación de algunos aparatos conocidos por todos, como secadores de pelo, estufas eléctricas o la luneta térmica del automóvil. Esta energía calorífica se medirá en calorías: 0,24 calorías = 1 Julio. Actividades 9. ¿Calcular la intensidad de corriente y la potencia de un circuito con una batería de 24 V y una resistencia total de 4 Ω? 10. Una batería de 12 V alimenta a un motor eléctrico de 72 W, ¿qué intensidad de corriente circula por dicho circuito y cuál será su resistencia? 12 Fundamentos de electricidad. Circuitos eléctricos 5. Corriente continua y alterna Como se dijo con anterioridad, la corriente es el paso de electrones a través de un conductor. Pero, según el origen o fuente que la produce, la corriente eléctrica puede manifestarse de dos formas distintas: corriente continua (CC) y corriente alterna (CA). ■ ■ V La corriente continua (CC) es utilizada en el automóvil y en aparatos electrónicos. Es aquella que no varía en el tiempo ni de valor ni de sentido, es decir, el movimiento de los electrones es continuo y siempre en el mismo sentido. Es la producida por placas solares, pilas y baterías y, además, puede almacenarse. Al realizar conexiones con corriente continua, hay que tener cuidado con no equivocar la polaridad (+ y -), pues los componentes electrónicos pueden dañarse seriamente si la conexión se realiza de forma incorrecta. La corriente alterna (CA) es de uso doméstico e industrial. Es aquella que cambia constantemente de valor y de sentido. Los electrones invierten su sentido de circulación con una frecuencia de 50 Hz, es decir, 50 veces por segundo (valor más común en Europa). Esta corriente, generada por alternadores, no puede almacenarse, en cambio, es más fácil y económica de producir que la corriente continua. + – t V + – + t – Figura 1.8. Variación de la tensión a lo largo del tiempo en los casos de CC y CA. Tensión Figura 1.9. Símil hidráulico de la corriente alterna. Algunos aparatos necesitan corriente continua para funcionar, especialmente los que incorporan componentes electrónicos, como los equipos de sonido e imagen, los cargadores de baterías o los ordenadores. Para ello, se utilizan fuentes de alimentación que rectifican y convierten la tensión a la adecuada. Este proceso de rectificación se realiza mediante diodos, los cuales solo dejan pasar la corriente en un sentido, convirtiendo de este modo la corriente alterna en continua. Actividades 11. Citar varios ejemplos domésticos de aparatos alimentados por corriente continua y alterna. 12. ¿Qué ocurre si se conecta un ventilador de corriente continua con la polaridad invertida? 13 Unidad 1 6. Circuitos en serie y en paralelo En un circuito eléctrico, los distintos consumidores (lámparas, resistencias, etc.) pueden conectarse básicamente de dos formas: en serie y en paralelo. Saber más Un cortocircuito aparece cuando se unen un positivo y un negativo sin ningún consumidor de por medio, es decir, con resistencia cero. Aplicando la ley de Ohm: V →∞ O Se observa que la intensidad aumenta tanto que provoca, por el efecto Joule, el sobrecalentamiento de los conductores, llegando a quemar la instalación si los fusibles de protección no lo impiden. I= 6.1. Circuito en serie En este caso, los consumidores se conectan uno a continuación del otro, de tal forma que la corriente solo tiene un camino para circular y debe atravesar todos ellos. Se utiliza este montaje cuando es necesario limitar o regular la corriente en un circuito. Un ejemplo práctico es el ventilador del aire en la calefacción del vehículo. En la posición 1 del conmutador (mínimo caudal), la corriente debe recorrer las cuatro resistencias en serie, de modo que la tensión irá disminuyendo paulatinamente en cada una de ellas hasta llegar al motor. Al llegar una tensión baja al motor, el ventilador girará con lentitud. Al cambiar a la posición 2, la corriente atraviesa menos resistencias en serie, con lo que llega más tensión al motor eléctrico y este gira un poco más rápido. En la última posición del conmutador (máximo caudal), el motor es alimentado sin que la corriente pase por ninguna resistencia con lo que la velocidad de soplado es máxima. 30 15 X 31 30 15 X 31 4 M 3 R4 R3 2 R2 1 R1 Figura 1.10. Esquema eléctrico de un ventilador con varias velocidades. En un circuito en serie, la intensidad que circula es la misma en cualquier punto, mientras que la tensión varía en cada elemento consumidor según el valor de su resistencia. 6.2. Asociación de resistencias en serie En un circuito, si se conectan varias resistencias en serie, el valor de la resistencia total equivale a la suma de todas ellas. RT = R1+ R2 + R3 + … + Rn R1 R2 R3 Rt 14 Rn Fundamentos de electricidad. Circuitos eléctricos 6.3. Circuito en paralelo Este conexionado es el más utilizado en la mayoría de circuitos del automóvil. En este caso, los consumidores reciben toda la tensión sin limitaciones. Las luces de posición o los faros son un ejemplo práctico donde cada lámpara recibe alimentación eléctrica independiente de la otra. Así, si una bombilla se funde, la otra seguirá luciendo, cosa que no ocurriría si estuviesen conectadas en serie. 30 15 X 31 30 15 X 31 Luces de posición Saber más En el automóvil, los circuitos de alumbrado y señalización se conectan en paralelo, mientras que en calefacción o climatización se utilizan resistencias en serie para producir varaciones en la caída de tensión. Faros Figura 1.11. Esquema eléctrico de alumbrado. En un circuito en paralelo, la intensidad de corriente varía en cada elemento consumidor según el valor de su resistencia, mientras que la tensión es igual en todo el circuito. 6.4. Asociación de resistencias en paralelo En un circuito, si se conectan varias resistencias en paralelo, el valor de la resistencia total equivale a la inversa de la suma de las inversas de cada una de ellas. R1 RT = R2 1 1 R1 + 1 R2 + 1 R3 +…+ 1 Rn Rn Rt Actividades 13. En el taller de electricidad, realizar el montaje de una batería, un interruptor y tres bombillas conectadas en serie. Con el circuito en funcionamiento, extraer al azar alguna bombilla y comprobar qué ocurre con las demás. Repetir la prueba conectando ahora las bombillas en paralelo. 14. Calcular el valor de la resistencia equivalente a cuatro resistencias conectadas en serie y cuyos valores son 4, 6, 3 y 5 Ω. 15. En un circuito hay resistencias de 2, 4 y 8 Ω conectadas en paralelo, ¿cuál será el valor de la resistencia equivalente a dicho paralelo? 15 Unidad 1 7. Generación de corriente. Baterías Respecto a la corriente eléctrica, existen distintos métodos para generarla: Saber más ■ En vehículos antiguos se utilizaban baterías de 6 V, las cuales tenían 3 vasos. Térmico. Al calentar la unión de dos metales con diferente potencial termoeléctrico, se genera corriente. ■ Piezoeléctrico. La deformación física de un cristal de cuarzo genera corriente en los extremos del mismo. ■ Fotoeléctrico. Cuando incide la luz solar sobre algunos compuestos de silicio, se desprenden electrones y se establece una corriente. ■ Magnético. La acción de un campo magnético sobre un conductor genera una corriente inducida. Este es el caso del alternador del vehículo. ■ Químico. Se basa en la reacción química de dos compuestos metálicos, desprendiéndose electrones y generándose corriente. Algunos de estos sistemas serán tratados más adelante, pero ahora habrá que centrarse en el origen químico de la corriente que es el que se da en la batería del automóvil. La batería almacena la energía necesaria para poner en marcha el motor térmico y alimentar todos los circuitos eléctricos del vehículo. Forma parte del circuito de carga, donde el alternador se encarga de recargarla constantemente para que no se agote. 7.1. Constitución Figura 1.12. Batería para automóvil. (Cortesía de Tudor). Exteriormente, está formada por una caja recipiente fabricada en polipropileno, un material plástico resistente al ácido y a temperaturas elevadas. Interiormente, unos tabiques dividen la caja en seis compartimentos denominados celdas o vasos. Borne positivo Tapa Tabique Borne negativo Conector Monobloque Placa negativa Piezas de unión Placa positiva Apoyo de elementos Figura 1.13. Constitución interna de una batería. 16 Separadores Espacio para sedimento Fundamentos de electricidad. Circuitos eléctricos Dentro de cada celda, se aloja un conjunto de placas positivas y negativas unidas por conectores. Tradicionalmente, las placas se han venido fabricando a partir de rejillas de plomo con una pequeña cantidad de antimonio que le confiere resistencia y rigidez. Actualmente, el plomo-antimonio se ha sustituido por plomo-calcio, lo que reduce el consumo de agua por evaporación y la autodescarga. Posteriormente las rejillas se recubren con peróxido de plomo (PbO2) para las placas positivas y con plomo esponjoso (Pb) para las negativas. Para evitar el contacto entre placas de diferente polaridad, se intercalan unos separadores fabricados en material aislante. Las placas positivas van conectadas entre sí, al igual que las negativas, formando todo ello un conjunto denominado elemento, cuya tensión nominal es de 2 V. Los seis elementos de las celdas se conectan en serie, dando lugar a la batería de 12 V. La caja recipiente queda cerrada por su cara superior mediante una tapa del mismo material por la que asoman los bornes positivo y negativo, conectados al primer y al último elemento. Además, lleva seis orificios con tapones para la reposición de agua y para la ventilación de los gases internos. Actualmente, las baterías se fabrican del tipo sin mantenimiento, por lo que no incorporan tapones. Para que se puedan producir los procesos químicos de carga y descarga, las placas van sumergidas en un líquido denominado electrólito, compuesto por una solución de ácido sulfúrico (H2SO4) y agua destilada (H2O), en proporciones aproximadas de 36 % y 64 % respectivamente. 7.2. Proceso de descarga A continuación, se verá qué ocurre en el interior de la batería cuando, estando cargada, se conecta un consumidor. El circuito queda cerrado y la corriente circula desde las placas positivas a las negativas, con lo que la batería comienza a descargarse. Al pasar la corriente a través del electrólito, descompone el ácido sulfúrico, con lo que el sulfato (SO4) se combina con las placas, transformándose estas en sulfato de plomo (PbSO4) y quedando como agua destilada (H2O) el electrólito. Su densidad desciende a 1,18 g/cm3 y la tensión en cada elemento es de 2 V. + – H O H Pb Pb SO4 SO4 H O H Figura 1.14. Interior de una batería descargada. 7.3. Proceso de carga Cuando la batería se conecta a un cargador o al alternador del vehículo, se establece el proceso contrario. La corriente circula de negativo a positivo, el sulfato de plomo de las placas (PbSO4) se transforma en peróxido de plomo (PbO2) y en plomo esponjoso (Pb), liberando ácido sulfúrico que pasa al electrólito con lo que este aumenta su densidad hasta 1,28 g/cm3. 17 Unidad 1 Dicho proceso de carga puede representarse del siguiente modo: + – O H H Pb SO4 SO4 O H H Pb Figura 1.15. Interior de una batería cargada. Saber más Las pilas desechables o pilas secas, de uso general, se fabrican a base de zinc (polo negativo) y carbono (polo positivo). El electrólito es una pasta a base de cloruro de zinc y cloruro de amonio. Figura 1.16. Placa de características de una batería. (Cortesía de Bosch). 7.4. Características eléctricas de las baterías Todas las baterías llevan una placa adhesiva con los datos que la definen. ■ Tensión nominal. Va relacionada con el número de vasos. La batería más habitual es la de 12 V (6 vasos) para turismos. En vehículos de transporte se utiliza una tensión nominal de 24 V. Aunque en el mercado existen baterías de 24 V, en ocasiones, para obtener esta tensión se conectan dos baterías de 12 V en serie. ■ Capacidad. Es la cantidad de corriente que puede suministrar estando completamente cargada hasta su descarga total. Se expresa en amperios/hora. Así, una batería de 90 A/h podría entregar 90 amperios durante una hora o 1 amperio durante 90 horas. La capacidad de una batería no es un valor fijo, sino que depende de la cantidad de placas que posea y del material con el que estén fabricadas. También se ve afectada por la temperatura ambiente, ya que el frío disminuye considerablemente la capacidad, sobre todo en la fase de arranque que es cuando mayor demanda hay. ■ Intensidad de arranque. Es la intensidad máxima que puede suministrar una batería en el momento de arranque sin que la tensión en bornes sea inferior a 10,5 V. 7.5. Acoplamiento de baterías Las baterías pueden conectarse entre ellas en serie o en paralelo, dando como resultado diferentes tensiones nominales y capacidades. ■ Para acoplar baterías en serie, se conecta el borne positivo de una con el negativo de la otra, y así sucesivamente. Es conveniente que todas las baterías de la serie sean de la misma capacidad, de lo contrario siempre se descargaría antes la de menor capacidad. En el conexionado en serie, la tensión resultante será la suma de las tensiones de las baterías, y la capacidad la de una de ellas. + – 12 V - 30 Ah + – 12 V - 30 Ah Figura 1.17. Acoplamiento de baterías en serie. 18 + – 24 V - 30 Ah Fundamentos de electricidad. Circuitos eléctricos ■ Para realizar el acoplamiento en paralelo, se conectan los bornes positivos entre sí, al igual que los negativos. Para este tipo de conexionado se utilizarán baterías con la misma tensión nominal. El resultado será una batería con la misma tensión que una de ellas y con una capacidad equivalente a la suma de todas. + – 12 V - 30 Ah + 12 V - 60 Ah + – 12 V - 30 Ah – Figura 1.18. Acoplamiento de baterías en paralelo. 7.6. Verificación de la batería Durante los procesos químicos de carga y descarga, se comprobó que la densidad del electrólito variaba en función del estado de carga de la batería, también lo hace la tensión en vacío. Esto será útil para realizar la comprobación del estado de la batería, aunque la mejor comprobación consiste en accionar el arranque y comprobar que el motor se pone en marcha con normalidad. Saber más Dado que el ácido no se evapora y el agua sí, nunca debe añadirse ácido a una batería, pues provocaríamos la destrucción de las placas. 7.6.1. Comprobación de la tensión con el voltímetro Es importante tener en cuenta que la tensión en vacío solamente indica el estado de carga de la batería. Conectando en paralelo un voltímetro a los bornes, deben aparecer los siguientes valores aproximados: CARGA TENSIÓN (V) 100% >12,60 75% 12,50 50% 12,30 25% 12,10 7.6.2. Comprobación con densímetro o pesaácidos Esta prueba consiste en medir la densidad del electrólito de forma independiente en cada uno de los elementos. Para ello, se introduce la boquilla o punta del densímetro en cada vaso y, aplicando presión sobre la pera de plástico, se aspira suficiente cantidad de líquido como para llenar el tubo interior. Dentro de este se halla un flotador graduado en el que el nivel del electrólito marcará el valor de la densidad. Antes de tomar la muestra de líquido del siguiente vaso, habrá que asegurarse de devolver completamente el electrólito al vaso anterior. La medición no debe realizarse inmediatamente después de haber añadido agua destilada a la batería. Hay que tener especial cuidado con esta operación, tomando las medidas de seguridad apropiadas, pues el ácido, a pesar de estar diluido en agua, es corrosivo. Al terminar la medición, debe enjuagarse con agua el densímetro. Figura 1.19. Densímetro o pesaácidos. 19 Unidad 1 Saber más Algunas baterías cerradas incorporan un visor unido a un densímetro interior para informar del estado de carga. El estado de la carga de la batería viene determinado por los siguientes valores: CARGA DENSIDAD A 25 ºC 100% 1,28 75% 1,24 50% 1,21 25% 1,18 Descargada 1,12 Hay que tener en cuenta que la temperatura ambiente afecta a la densidad del electrólito, por lo que una medición tomada en clima frío (aumenta la densidad) nos induciría al error de creer que la batería tiene una carga mayor de la real. En estos casos se aplican factores de corrección por temperatura, incluso existen en el mercado densímetros con termómetro incorporado y doble escala de medición. 7.6.3. Comprobación por descarga rápida Consiste en someter a la batería a una fuerte descarga durante unos segundos, simulando el arranque del motor, mientras se mide la caída de tensión entre los bornes. El aparato es un voltímetro dotado de una resistencia interna, denominada shunt, que consume corriente de la batería de una forma rápida y violenta. Durante la prueba, la tensión no debe descender por debajo de 9 V. Esta prueba es bastante eficaz, sobre todo teniendo en cuenta que hoy en día muchas baterías son selladas (sin mantenimiento) y no permiten medir la densidad del electrólito. Figura 1.20. Visor de control. Figura 1.21. Comprobador por descarga rápida. 7.7. Mantenimiento y carga de la batería La primera tarea de mantenimiento comienza con una inspección visual en la que se comprueba que la batería esté sujetada firmemente a la carrocería del vehículo, sin fisuras, sus terminales apretados y que no hay suciedad o sulfato alrededor de la caja y bornes. Saber más Al desmontar una batería del vehículo, se desconecta primeramente el terminal negativo, evitando posibles cortocircuitos con el chasis al manipular el positivo con herramienta metálica. El montaje se realizará en sentido inverso, es decir, conectando el terminal positivo en primer lugar. 20 La batería ha de mantenerse limpia, pues los vapores de electrólito que salen por los respiraderos de los tapones y se depositan sobre la tapa son conductores de la electricidad, lo cual puede producir pequeños consumos de corriente entre los bornes, acelerando la descarga en reposo. La siguiente tarea será revisar el nivel del electrólito, añadiendo agua destilada en caso necesario. Si la batería se ha de guardar fuera del vehículo, ha de hacerse en un lugar seco y aireado. Teniendo en cuenta que las baterías se autodescargan por sí solas, periódicamente habrá que revisar su tensión y la densidad del electrólito, dándole una carga si fuera necesario. Fundamentos de electricidad. Circuitos eléctricos Por lo que respecta a la carga, en el mercado existen diversos tipos de cargadores de baterías. Básicamente, se trata de un transformador de tensión que convierte los 220 V de corriente alterna en una o varias tensiones menores de corriente continua y que, además, está dotado de un reóstato para regular la intensidad de carga. Figura 1.22. Cargador de baterías de 12/24 V. Algunos cargadores están capacitados para aplicar cargas rápidas e incluso actuar como arrancadores, pero lo más recomendable es cargar las baterías de forma lenta y a intensidad constante. Para ello, se extraen los tapones de los vasos (baterías con mantenimiento) y se conecta el cargador a los bornes. Se selecciona la tensión nominal y se aplica una intensidad máxima de carga correspondiente a la décima parte de la capacidad de la batería. Es decir, si se trata de una batería de 12 V y 90 Ah, se aplicarán 9 A de carga. Debido a que durante este proceso se desprenden vapores de ácido sulfúrico al exterior, es conveniente realizar la carga en un lugar con buena ventilación. 7.8. Avances tecnológicos en baterías Desde hace tiempo, el objetivo de los fabricantes de baterías ha sido reducir el consumo de agua y la autodescarga. Así comenzaron a producirse primero baterías de bajo mantenimiento y, después, sin mantenimiento, es decir, con los tapones sellados ya que no hay que añadir agua. La evolución ha consistido en reducir la cantidad de antimonio en las rejillas por otros metales como calcio o aleaciones de plata. Figura 1.23. Comprobador de baterías y circuito de carga. Otra variante son las baterías alcalinas de cadmio-níquel o ferro-níquel, donde el ácido sulfúrico ha sido sustituido por hidróxido potásico. Además, desde hace tiempo se fabrican baterías cuyo electrólito es gel en lugar de líquido, lo cual permite que sean instaladas en motocicletas o en el interior del vehículo, por ejemplo, debajo del asiento del conductor. Actividades 16. ¿Cuál será la resultante de acoplar tres baterías en serie de 12 V y 90 Ah?, ¿y si se acoplan en paralelo 2 baterías de 6 V y 45 Ah? 17. Solamente con un voltímetro, ¿es posible saber si una batería está inservible? 18. Si al medir con el densímetro, se obtiene un valor de 1,20 en los seis vasos, ¿qué conclusión se extrae? 19. ¿Qué puede ocurrir cuando a una batería no se le repone el agua destilada durante mucho tiempo? 20. Con el voltímetro y el densímetro, realizar el diagnóstico de alguna batería del taller, añadir agua destilada en caso necesario y ponerla a cargar. 21. Con el comprobador de descargas y la ayuda del profesor, verificar el estado de una batería. Anotar la tensión. 21 Unidad 1 8. Mediciones eléctricas con el polímetro El polímetro, también conocido como multímetro o téster, es un aparato capaz de efectuar diferentes mediciones eléctricas, principalmente tensión, intensidad y resistencia. Existen polímetros analógicos y digitales, si bien los primeros están en desuso. En cuanto a los segundos, los hay sencillos y económicos, y modelos más específicos para electricidad, electrónica o automoción, estos últimos capaces de medir revoluciones de motor y grandes intensidades a través de pinzas inductivas. Una rueda selectora permite seleccionar la unidad a medir y la escala más adecuada. La medición obtenida puede leerse en una pantalla de cristal líquido. Además, incorporan elementos internos de protección, una batería y dos puntas de prueba, negra y roja. Figura 1.24. Conmutador de selección y escalas en un polímetro. 8.1. Medición de tensión Para medir la tensión, se selecciona en el polímetro tensión en corriente continua (DC V o V=) o alterna (AC V). En vehículos, normalmente será DC V. Se situará la punta negra en la clavija COM y la punta roja en V/Ω, tomando la medida en paralelo con el elemento a verificar. Es conveniente recordar que en un circuito en serie la intensidad de corriente que circula es la misma en cualquier punto, mientras que la tensión varía en cada consumidor dependiendo de su valor óhmico. Figura 1.25. Medición de tensión en alterna (izquierda) y en continua (derecha). 8.2. Medición de intensidad Saber más Si al tomar una medida, se desconoce el valor a obtener, se parte de la escala más alta y se va disminuyendo hasta leer la medida en la pantalla con la mayor exactitud posible. 22 Los polímetros más comunes suelen medir una intensidad máxima de 10 o 15 A (DC 10 A o A=), lo cual viene indicado junto al agujero de la clavija. Un fusible interior se encarga de proteger al aparato si se sobrepasa este valor. Para medir intensidades superiores, se utilizan pinzas amperimétricas inductivas, bien independientes o acopladas al propio polímetro. Algunos polímetros incorporan otra clavija para medir corrientes muy pequeñas en miliamperios (mA). Fundamentos de electricidad. Circuitos eléctricos Para realizar la medida, se selecciona intensidad (DC A) y se coloca la punta negra en COM y la roja en DC A. Para medir intensidades, se conectan las puntas en serie, es decir, se ha de interrumpir el circuito e intercalar el amperímetro dentro de él. El circuito quedaría del siguiente modo: R A Figura 1.26. Amperímetro intercalado en serie. 8.3. Medición de resistencias y continuidad Para la medición de resistencias, los polímetros utilizan su propia pila interna (habitualmente 9 V), por lo esta deberá estar en buen estado. Se selecciona ohmios (Ω) y se coloca la punta negra en COM y la roja en V/Ω. Es importante tener en cuenta que para medir la resistencia de un elemento, este deberá estar desconectado de cualquier fuente de corriente. En ocasiones, solo se pretende conocer si el elemento a comprobar tiene continuidad eléctrica, es decir, que no está interrumpido o cortado. Para ello, muchos polímetros incorporan dentro de la escala de ohmios un zumbador acústico que suena si hay continuidad en el elemento, por ejemplo, fusibles, bombillas o cables. En estos casos no será necesario conocer su valor óhmico. Saber más El aislamiento consiste en verificar que no existe continuidad entre una parte conductora y otra aislante que estén en contacto. Para ello se utilizará la escala más alta de resistencia del polímetro. Si el aislamiento es correcto, el valor indicado será infinito. Figura 1.27. Prueba de continuidad. 23 Unidad 1 8.4. Caídas de tensión Recuerda Las tensiones se miden en paralelo, las intensidades en serie y las resistencias sin que estén alimentadas. En caso contrario, las mediciones serán erróneas y se puede dañar el polímetro o el elemento a medir. Una caída de tensión es la disminución natural de voltaje que se produce cuando la corriente atraviesa un elemento que posee valor óhmico (un consumidor). Así, en un circuito con varias resistencias en serie, la caída de tensión en cada una de ellas será diferente según el valor de su resistencia. Para calcular cada caída de tensión, se aplica la ley de Ohm, que dice que la tensión es igual a la intensidad (la misma en todo el circuito) por el valor de la resistencia (V1 = I·R1, V2 = I·R2, etc.). Sin embargo, en ocasiones las caídas de tensión se producen debido a resistencias no deseadas en cables o conexiones, con lo que la tensión de llegada al consumidor es menor de la debida y, por tanto, el funcionamiento será anómalo. Para medir una caída de tensión, se coloca el voltímetro en la escala de 2 V, situando las puntas en paralelo antes y después de la probable conexión defectuosa. Se cerrará el circuito para que circule la corriente por ese punto. El valor obtenido deberá ser inferior a 0,25 V, de lo contrario habrá que reparar esa resistencia indebida en el cable o en la conexión. 8.5. Masas defectuosas Recuerda Existen en el mercado lubricantes dieléctricos de silicona que, aplicados a las conexiones, eléctricas evitan la corrosión. A veces, las caídas de tensión se producen por defectos en las conexiones de masa (habrá que recordar que el terminal negativo de una batería se conecta a la carrocería y al motor o caja de cambios). Esta caída hace que la tensión que llega al motor de arranque, sea menor, por lo que este girará más despacio. Esto se puede interpretar como una anomalía de la batería sin ser cierto. Para realizar esta prueba se impedirá que el motor arranque. ■ Caída de tensión en el cable batería-chasis. Colocar un voltímetro en la escala de 2 V entre el borne de batería y cualquier parte metálica del chasis. Al accionar el motor de arranque, la lectura del voltímetro no deberá superar los 0,25 V. ■ Caída de tensión en el cable chasis-motor. Colocar el voltímetro entre el chasis y cualquier punto metálico del motor térmico. Al accionar el arranque, la lectura no deberá sobrepasar los 0,25 V. Si alguno de estos valores fuera excesivo, se comprobará el cable, el terminal y las uniones mediante tornillos, sustituyendo los elementos necesarios. 8.6. Fugas de corriente Una fuga de corriente es una pérdida de la misma de forma incontrolada, por lo que la batería se va descargando hasta quedar inutilizada. Existen dos tipos de fugas: ■ Por la tapa de la batería. Entre los bornes y debido a suciedad o salida de electrólito, la corriente circula del borne positivo al negativo, produciéndose la descarga de la batería. Se evita manteniendo limpia la batería. ■ Por la instalación eléctrica. Ocurre cuando un elemento eléctrico consume indebidamente estando desconectado, con lo que se descarga la batería. Para detectar esta fuga, se desconectan todos los servicios del vehículo, se suelta el terminal negativo de batería y se intercala un amperímetro entre el borne y el terminal. Si el consumo es mayor de 0,05 A, habrá que buscar a qué circuito pertenece la fuga y repararla. Actividades 22. En el taller de electricidad, practicar con el polímetro realizando diferentes mediciones de tensión, resistencia y aislamiento. 23. Realizar un circuito simple con una batería y una bombilla. Intercalar el amperímetro para comprobar el consumo de corriente. 24. En un vehículo del taller, comprobar con el voltímetro si existen caídas de tensión por masas. 24 Unidad 1 EN RESUMEN FUNDAMENTOS DE LA ELECTRICIDAD Materiales Aislantes Conductores CIRCUITO ELÉCTRICO Ley de Ohm Corriente continua y alterna Batería Potencia eléctrica Serie y paralelo Uso del polímetro Efecto Joule Entra en internet Entrar en las siguientes direcciones de Internet y observar detenidamente los siguientes contenidos relacionados con la unidad. 1. Suministradores de material eléctrico y baterías para automóvil. • <http://www.robert-bosch-espana.es/es/es/startpage_11/country-landingpage.php> • <http://www.varta-automotive.es/es-es> • <http://www.tudor.es/> 2. Visualizar el siguiente vídeo de YouTube. Título del vídeo: Cómo funciona la batería del coche ( Discovery MAX). • <https://www.youtube.com/watch?v=lYV9pfK0SyE> 3. Información general sobre mecánica del automóvil. • <http://www.mecanicavirtual.com.ar/> Unidad 1 PRÁCTICA PROFESIONAL Herramientas ■ Polímetro ■ Densímetro ■ Comprobador y cargador de baterías Material ■ Una batería ■ Agua destilada Comprobación del estado de una batería y su puesta en carga OBJETIVO Verificar si una batería está en disposición de estar utilizada en un vehículo. PRECAUCIONES ■ Utilizar guantes y gafas de protección para el manejo de ácido sulfúrico. ■ No acercar llamas a la batería, pues existe peligro de explosión. DESARROLLO 1. En primer lugar, se tomará el voltímetro y se colocará en la posición DC V, adecuada para medir la tensión en la batería. Una vez seleccionada la variable a medir, se colocarán las puntas roja y negra en los bornes para medir la tensión. Se anotará el resultado. La lectura tomada indicará el estado de carga. Figura 1.28. Polímetro preparado para medir la tensión entre bornes. Figura 1.29. Medición de la tensión entre los bornes. 2. Abrir con cuidado los tapones de la batería, evitando salpicaduras de ácido sulfúrico. Una vez abiertos, reponer el nivel de electrólito con agua destilada y esperar unos minutos. Figura 1.30. Apertura de tapones. 26 Figura 1.31. Reposición del nivel de electrolito. 3. Con el densímetro tomar una muestra de electrólito de cada vaso. Anotar los resultados. Si el valor de un vaso es muy diferente al de los demás, es indicativo de que la batería está fuera de uso. Figura 1.32. Medición de la densidad del electrolito. 4. Conectar la batería al cargador, seleccionar la tensión nominal y una intensidad de carga de 1/10 de su capacidad. Figura 1.33. Recarga de una batería. 5. Tras finalizar la carga, cerrar los tapones, limpiar externamente la batería y verificar la tensión en bornes. Figura 1.34. Comprobación de la tensión de carga. 27 Unidad 1 ACTIVIDADES FINALES 1. ¿Qué intensidad de corriente circula por un circuito que cuenta con una batería de 24 V y una resistencia es de 6 Ω? 2. En un circuito eléctrico en funcionamiento, se toma, utilizando el amperímetro, una medida de intensidad de 3 A. Si está alimentado por una batería de 12 V, ¿cuál será su resistencia? 3. Calcular la intensidad de corriente y la potencia de un circuito que cuenta con una batería de 12 V y una resistencia total de 2 Ω. 4. Enunciar la ley de Ohm y escribir sus fórmulas matemáticas. 5. Con la ayuda del polímetro, medir el valor óhmico de la luneta térmica de un vehículo del taller. 6. El motor de un elevalunas tiene una potencia de 60 W. Sabiendo que el vehículo cuenta con una batería de 12 V, ¿cuál será la intensidad de corriente que circula por este circuito y el valor de su resistencia? 7. En el taller de electricidad, conectar varias resistencias en serie y en paralelo. Medir el valor resultante del montaje y realizar el cálculo numérico en el cuaderno. Comprobar si los resultados son los mismos. 8. Con el polímetro y el densímetro, tomar diversas mediciones sobre baterías del taller. Anotar los resultados en el cuaderno. 9. Realizar el acoplamiento de dos baterías iguales en serie y en paralelo. Medir la tensión resultante. 10. Buscar una batería descargada y conectarla al cargador seleccionando adecuadamente la intensidad de carga. 11. Verificar el estado de una batería con suficiente carga mediante el comprobador de descarga rápida. 12. Si se conectan dos baterías de 12 V y 60 Ah en paralelo, ¿cuál será el resultado? 13. Con el polímetro, realizar diferentes mediciones de tensión en continua y en alterna. Hacer lo mismo con la resistencia de elementos como bombillas, fusibles o cables. Anotar los resultados en el cuaderno. 14. En un vehículo del taller, comprobar si existen fugas de corriente indebidas. 15. Medir la resistencia interna de diversos consumidores como lámparas o motores eléctricos. 16. Experimentar con la electricidad estática. Frotar diversos materiales del taller y comprobar si atraen a otros materiales. 17. Buscar materiales conductores y aislantes, y comprobar con el polímetro su valor óhmico. 18. Comprobar la tensión de salida de un cargador, por ejemplo, de un teléfono móvil. 19. ¿Por qué no debe rellenarse el nivel de electrolito con agua corriente? 20. Investigar en internet la expresión batería sulfatada. 28 Unidad 1 EVALÚA TUS CONOCIMIENTOS RESUELVE EN TU CUADERNO O BLOC DE NOTAS 1. Las partículas del átomo con carga positiva se denominan… 6. ¿Cómo afecta al electrólito una temperatura exterior muy fría? a) positrones. a) Disminuye su densidad. b) neutrones. b) Mantiene su carga. c) protones. c) Aumenta su densidad. d) electrones. 2. Un interruptor es un… a) consumidor. d) No le afecta en nada. 7. Las placas de las baterías alcalinas están construidas con aleaciones de… b) elemento de seguridad. a) plomo-cadmio. c) relé. b) hidróxido de manganeso. d) elemento de control. c) plomo-aluminio. 3. La resistencia específica de un material se denomina… a) resistividad. b) resiliencia. c) reóstato. d) diferencia de potencial. 4. Varias resistencias en serie equivalen a… a) la suma de sus inversas. b) al producto de ellas. c) al valor de la mayor. d) a la suma de ellas. 5. Dos baterías de 12 V y 50 Ah en paralelo es lo mismo que una batería de… a) 24 V y 100 Ah. b) 12 V y 100 Ah. c) 24 V y 50 Ah. d) Ninguna de las anteriores. d) Cadmio-níquel. 8. Para medir la intensidad de corriente en un circuito, el amperímetro ha de conectarse… a) en serie. b) en paralelo. c) desconectando la tensión en el circuito. d) seleccionando la escala más baja. 9. La conexión interna de los seis elementos de la batería se efectúa: a) en cascada. b) en paralelo. c) en serie. d) de modo puente. 10. La generación de corriente mediante la deformación de un cristal de cuarzo se denomina: a) térmica. b) piezoeléctrica. c) magnética. d) fotoeléctrica. 29
