CIRCUITOS Y REDES Semana 1 Fundamentos de la corriente eléctrica Semana 1 Fundamentos de la corriente eléctrica APRENDIZAJE ESPERADO El estudiante será capaz de: • Distinguir fundamentos de la carga y corriente eléctrica, considerando la primera y segunda ley de Kirchhoff con el fin de identificar las normas que rigen la conservación de la carga y de la energía. Reservados todos los derechos para IACC S.A. No se permite copiar, reproducir, reeditar, descargar, publicar, emitir, difundir, de forma total o parcial la presente obra, ni su incorporación a un sistema informático, ni su transmisión en cualquier forma o por cualquier medio (electrónico, mecánico, grabación u otros) sin autorización previa y por escrito de IACC S.A. La infracción de dichos derechos puede constituir un delito contra la propiedad intelectual, Ley 17.336. IACC 2022 2 Semana 1 Fundamentos de la corriente eléctrica ÍNDICE APRENDIZAJE ESPERADO ..................................................................................................................................................... 2 INTRODUCCIÓN ................................................................................................................................................................... 4 RESUMEN ............................................................................................................................................................................ 5 PALABRAS CLAVE ................................................................................................................................................................. 5 PREGUNTAS GATILLANTES ................................................................................................................................................... 5 1. FUNDAMENTOS DE LA CORRIENTE ELÉCTRICA ......................................................................................................................... 6 1.1 CARGA Y CORRIENTE ELÉCTRICA ......................................................................................................................................... 6 1.2 PRIMERA LEY DE KIRCHHOFF............................................................................................................................................. 10 1.2.1 CAMPO ELÉCTRICO ..................................................................................................................................................... 11 1.2.2 CONDUCTORES ISÓTROPOS ........................................................................................................................................ 12 1.2.3 CONDUCTIVIDAD......................................................................................................................................................... 12 1.2.4 RESISTENCIA ELÉCTRICA .............................................................................................................................................. 14 1.2.5 POTENCIA ELÉCTRICA .................................................................................................................................................. 18 1.3 SEGUNDA LEY DE KIRCHHOFF ........................................................................................................................................... 21 1.3.1 AUTOINDUCCIÓN ........................................................................................................................................................ 22 1.3.2 CONDENSADORES ....................................................................................................................................................... 24 COMENTARIO FINAL .......................................................................................................................................................... 26 REFERENCIAS ..................................................................................................................................................................... 27 IACC 2022 3 Semana 1 Fundamentos de la corriente eléctrica INTRODUCCIÓN Entendiendo que la electricidad ha jugado un papel crucial en el desarrollo de toda actividad humana, conocer sus principios es de suma importancia para controlar su comportamiento, aprovechando al máximo sus propiedades, echando mano de las bases y fundamentos, por lo cual, ahora se aprenderá, a realizar análisis específicos de circuitos eléctricos. Se abordarán entonces los conceptos y definiciones de; corriente, voltaje, resistencia, conductividad y conductores isótropos. Además, se estudiarán la ley de Ohm y las Leyes de Kircchoff, las cuales se desarrollarán para centrar la comprensión de la energía eléctrica, su comportamiento y sus diferentes aplicaciones, basándose en los conceptos previamente mencionados. Al adentrarse mucho más en el entendimiento de la electricidad, se observará como otros fenómenos son generados a partir de esta, tal es el caso del campo magnético, por ello también se estudiarán los procesos de inducción y autoinducción. IACC 2022 4 Semana 1 Fundamentos de la corriente eléctrica RESUMEN En esta unidad se espera que el estudiante logre diferenciar los conceptos de carga eléctrica y de corriente eléctrica, entendiendo completamente su relación y estructura en cualquier circuito o sistema eléctrico. Sumado a estos, se procura que pueda reconocer los procesos involucrados en la autoinducción, a través, de la forma de funcionamiento de bobinas, y el trabajo de los condensadores, que decantan, en el principio de los campos magnéticos. Por último, será capaz de identificar todos los elementos que intervienen en el fenómeno eléctrico, tales como carga eléctrica, campo eléctrico, conductores isótropos, conductividad, resistencia eléctrica y potencia eléctrica. PALABRAS CLAVE • Corriente eléctrica. • Potencia. • Campo eléctrico. • Resistencia. • Conductividad. • Voltaje. PREGUNTAS GATILLANTES • ¿Cuál diría usted, es la principal relación entre corriente eléctrica y potencia? • ¿Cómo describiría el proceso de medición de la resistencia eléctrica y de la corriente en un circuito eléctrico? • ¿Cuál sería para usted la diferencia más resaltante entre la primera y la segunda ley de Kirchhoff? IACC 2022 5 Semana 1 Fundamentos de la corriente eléctrica 1. FUNDAMENTOS DE LA CORRIENTE ELÉCTRICA Conocer los principios básicos de los circuitos y las redes eléctricas es una tarea esencial que requiere todo técnico en el área de automatización y control, electricidad o electrónica. Cualquier problema o situación real que involucre energía eléctrica se basa en los mismos principios físicos y eléctricos, independientemente del contexto en el que se desarrolle. Durante esta unidad se explicarán los conceptos asociados a campos eléctricos y cargas eléctricas, con el objetivo de comprender de dónde se origina el fenómeno de la corriente e intensidad de corriente eléctrica. Además, se definirá la resistencia eléctrica como un componente fundamental de un circuito y se enunciarán dos leyes imprescindibles a la hora de diseñar o analizar cualquier tipo de circuito o red eléctrica: la primera y la segunda ley de Kirchhoff. Todos estos conceptos son el fundamento del entendimiento de la energía eléctrica y sus diferentes aplicaciones, tomando todos estos conceptos antes mencionados. 1.1 CARGA Y CORRIENTE ELÉCTRICA Una carga eléctrica se puede definir como toda partícula que tiene electricidad de acuerdo con Redondo, F. y Redondo, R. (2016, p. 9), siendo así una propiedad física intrínseca de los cuerpos donde se pueden evidenciar dos fuerzas: una de atracción y otra de repulsión entre ellas a través de campos electromagnéticos. Cualquier pedazo o parte de la materia tiene la capacidad de adquirir carga eléctrica. Se pueden mencionar dos tipos de cargas eléctricas: • Los protones: partículas con carga positiva. • Los electrones: partículas con carga negativa. También existen partículas que no poseen carga eléctrica, a estas partículas se les conoce como neutrones, las que resultan al contrarrestar las cargas positivas y negativas. Todas estas cargas se encuentran dentro de un átomo, y todo cuerpo está compuesto de átomos, cada uno de los cuales tiene igual número de protones y electrones1. 1 A excepción de los denominados isótopos, asociados a un mismo elemento. IACC 2022 6 Semana 1 Fundamentos de la corriente eléctrica Figura 1. Tipos de carga eléctrica: Estructura del átomo Importante: Es importante resaltar que las cargas eléctricas no se crean cuando dos cuerpos entran en contacto, las cargas eléctricas se trasladan o se mueven de un cuerpo a otro. De allí se puede resaltar que: • Las cargas del mismo signo se repelen o se rechazan. • Las cargas de signos diferentes se atraen. Figura 2. Atracción y repulsión de las cargas IACC 2022 7 Semana 1 Fundamentos de la corriente eléctrica Ejemplo: Un experimento suele ser, cuando se usa un peine, este al ser frotado con el cabello, se carga, luego, al ser acercado a trozos de papel, estos se adhieren al peine, debido a que los electrones con carga negativa que se encuentra en la estructura del papel saltan al peine y así el peine pasa a tener una carga eléctrica negativa (en este caso electricidad estática). Como se muestra en la Figura 3. Como el peine tiene más electrones que protones tendrá entonces más carga negativa y los trozos de papel se cargarán positivamente al transferir sus electrones. Figura 3. Experimento de comprobación de energía estática IACC 2022 8 Semana 1 Fundamentos de la corriente eléctrica Como la carga eléctrica es una magnitud física, la unidad de medidas es el coulomb (C), planteado por Charles Coulomb, y está definido que: Ecuación: 1 coulomb equivale a 6,25 x 1018 electrones, por tanto, la carga de un electrón es igual a 1,6 x 10 -19 C. El movimiento de las cargas eléctricas en una superficie se define de acuerdo con Redondo, F. y Redondo, R. (2016, p. 9) como corriente eléctrica. La imagen 4 muestra cómo se pueden mover las cargas eléctricas en una superficie. Figura 4. Movimiento de cargas eléctricas Es importante resaltar que al querer conocer el movimiento de la carga eléctrica por unidad de tiempo (coulomb/segundos) se define la “intensidad de corriente eléctrica” que se mide en amperios (A). La medición de la corriente eléctrica se realiza por medio de un equipo denominado amperímetro y se conecta en serie con el circuito donde se desea medir el valor. Para realizar esta medición el circuito debe estar alimentado o energizado. En la figura 5 se presenta la forma de hacer la conexión: IACC 2022 9 Semana 1 Fundamentos de la corriente eléctrica Figura 5: Conexión de un amperímetro Si la intensidad de corriente medida es muy baja, la escala de medición puede llevarse a miliamperios (1 amperio = 1.000 miliamperios o mA). La corriente eléctrica puede producir efectos más allá de un efecto asociado a la electricidad, estos pueden ser de diferente naturaleza: • Efectos térmicos: variación de la temperatura de un conductor. En un efecto negativo se puede observar que un cable, por ejemplo, con un paso de corriente mayor a su capacidad puede generar un calentamiento tal que deforme al conductor o incluso lo aísle. • Efectos químicos: al pasar corriente por una sustancia en particular se puede presentar un cambio en la estructura química de la sustancia. • Efectos magnéticos: por la estrecha relación entre los campos eléctricos y magnéticos pueden generarse inducciones que, por ejemplo, generen perturbaciones o ruidos en los sistemas eléctricos. • Efectos fisiológicos: al atravesar por un determinado período de tiempo una corriente eléctrica por el cuerpo humano se pueden generar diferentes reacciones que van desde un cosquilleo hasta la muerte. 1.2 PRIMERA LEY DE KIRCHHOFF Las leyes de Kirchhoff son dos enunciados muy importantes en electricidad y electrónica y se basan en el principio de conservación de energía. Esta primera ley citada de Redondo, F. y Redondo, R. (2016, p. 16) enuncia: “Al conectar diferentes elementos conductores de corriente eléctrica se forma un nudo o nodo”. La suma algebraica de todas las intensidades de corriente que llegan y salen al nodo es igual a 0. Así: La corriente entrante a un nodo es igual a la corriente que sale del nodo. IACC 2022 10 Semana 1 Fundamentos de la corriente eléctrica Figura 6. Intensidades de corrientes en un nodo Para entender este principio, debe observarse la figura 6, se distingue que existen 5 intensidades de corriente que entran al nodo o punto de conexión. Estas corrientes se denotan como: I1, I2, I3, I4 e I5. También observe que I3, I4 e I5 salen del nodo (son negativas), mientras que I1 e I2 entran al nodo (son positivas). Ahora la ley de Kirchhoff señala que la suma de las corrientes es igual a cero. Por lo tanto: Ecuación: I1 + I2 - I3 - I4 - I5= 0 Es decir: I1 + I2 = I3 + I4 + I5 1.2.1 CAMPO ELÉCTRICO Las fuerzas entre las cargas se denominan fuerzas electroestáticas, sobre cada carga actúan estas fuerzas proporcionales. De acuerdo con Redondo, F. y Redondo, R. (2016, p. 17) un campo eléctrico se define como el efecto de una fuerza que actúa sobre una carga cuando se sitúa en un punto en específico. Observe la figura 7. IACC 2022 11 Semana 1 Fundamentos de la corriente eléctrica Figura 7. Campo eléctrico generado por la atracción entre dos cargas opuestas 1.2.2 CONDUCTORES ISÓTROPOS Estos conductores son aquellos que tienen una relación entre su densidad de corriente y su campo eléctrico en un punto dado, donde se genera una constante proporcional o función llamada conductividad. Es decir, que un conductor isótropo es aquel que tiene la propiedad de conducir corriente eléctrica. Estos conductores de acuerdo con Redondo, F. y Redondo, R. (2016, p. 34) tienen una velocidad de arrastre de sus cargas libres en el mismo sentido que el campo eléctrico. Un ejemplo de este tipo de conductores son los metales. De acuerdo con Rodríguez, J. y Vigués, J. (s.f., p. 95) se puede decir que, en los conductores isótropos, la conductividad no es nula y cuentan con un número de cargas eléctricas libres, es decir, que no están ligadas, por tanto, estas cargas son electrones que pueden circular por cualquier parte del material y su movimiento constituye una corriente. 1.2.3 CONDUCTIVIDAD La conductividad se puede definir como una propiedad que permite que un cuerpo pueda transmitir o conducir corriente eléctrica o calor. Así, específicamente la conductividad eléctrica representa la capacidad de los cuerpos para lograr el paso de la corriente a través de los mismos, es importante resaltar que esta es una propiedad natural y se relaciona con la facilidad en la que los electrones (cargas negativas) puedan atravesar al conductor. La propiedad opuesta a la conductividad es la resistividad y representa la oposición al paso de la corriente eléctrica. La tabla 1 muestra algunos materiales y sus valores de referencia de conductividad y resistividad eléctrica. IACC 2022 12 Semana 1 Fundamentos de la corriente eléctrica Elemento o materiales Conductividad Resistividad Plata 0,6305 0,0164 Cobre 0,5958 0,0172 Oro 0,4464 0,0230 Aluminio 0,3767 0,0278 Latón 0,1789 0,0590 Cobalto 0,1693 0,0602 Níquel 0,1462 0,0870 Hierro 0,1030 0,0970 Acero 0,1000 0,1000 Platino 0,0943 0,1050 Estaño 0,0839 0,1200 Plomo 0,0484 0,2815 Magnesio 0,0054 2700 Cuarzo 0,0016 4500 Grafito 0,0012 8000 Madera seca 0,0010 10000 Carbón 0,00025 40000 Tabla 1. Tabla de conductividad y resistividad Fuente: Electricidad, electrónica y telecomunicaciones (s/f) IACC 2022 13 Semana 1 Fundamentos de la corriente eléctrica 1.2.4 RESISTENCIA ELÉCTRICA La resistencia eléctrica es una propiedad de los cuerpos asociada a la oposición al paso de la corriente por parte de un cuerpo, limitando su paso de corriente o circulación de carga eléctrica o de electrones. Se puede hacer una analogía diciendo que una resistencia representa un obstáculo que evita el paso de la corriente. En la electricidad y electrónica una resistencia eléctrica se mide en ohm (Ω) y se identifica con la siguiente simbología: Figura 8. Resistencia eléctrica Ahora bien, luego de conocer lo que representa la intensidad de corriente (I) y la resistencia eléctrica (R), es importante señalar que ambos son elementos indispensables en un circuito eléctrico. Para esto hay que definir que un circuito eléctrico es toda trayectoria cerrada por donde circula la corriente eléctrica. Reflexión: Un ejemplo de un circuito eléctrico se puede evidenciar si se conecta a una pila o batería dos conductos de cobre que llegan a una ampolleta. Este foco o ampolleta se comporta como una resistencia y entre la pila y la ampolleta circulará una corriente eléctrica tal como se muestra en la figura 8. Note que es el mismo constituye un circuito, ya que el trayecto es cerrado entre la pila y el foco. Otro elemento que se puede agregar al circuito es un interruptor que evitará que la corriente circule dejando el circuito abierto. IACC 2022 14 Semana 1 Fundamentos de la corriente eléctrica Figura 9. Circuito eléctrico con batería, ampolleta e interruptor Los electrones o cargas negativas tratarán de circular por un circuito eléctrico de forma organizada, buscando siempre trayectos con menor resistencia a su paso. Cuando las resistencias son muy altas los electrones comienzan a liberar energía en forma de calor (elevando la temperatura del conductor), mientras que a menor resistencia hay mayor conducción de corriente. Es importante saber cómo medir el valor de una resistencia eléctrica, en este caso, lo primero que se debe realizar es definir a qué resistencia o elemento es al que se medirá este valor. Existen un conjunto de consideraciones al respecto: • Se debe retirar el elemento del circuito eléctrico, es decir, no debe existir alimentación o voltaje activo en la resistencia. En caso de que se requiera medir el valor de la resistencia dentro del circuito se debe asegurar que no exista energía. • El equipo más utilizado para hacer esta medición es el multímetro, este equipo es capaz no solo de medir la resistencia sino, otros parámetros eléctricos como la corriente y el voltaje. Conecta los terminales (positivo y negativo) de este multímetro al elemento a medir. Es importante destacar que la resistencia no tiene polaridad, por lo tanto, es indiferente cómo conectarla (a diferencia de una batería por ejemplo). En la mayoría de los equipos los terminales son uno negro y uno rojo. • Es usual que los multímetros tengan la etiqueta “COM” de común, y otra etiqueta con el símbolo del ohm (Ω). El terminal negro conéctalo a COM y el terminal rojo conéctalo a Ohm, verifica que se está midiendo el parámetro de la resistencia. Observe la Figura 10 a. • Luego se debe encender el multímetro y seleccionar un rango de prueba apropiado, una resistencia puede medir desde 1 ohm hasta 1 millón de ohmios, debes seleccionar el rango que consideres se ajusta al elemento que medirás. Mientras mejor se ajuste el rango más precisa será la medición. Hay multímetros digitales que hacen este ajuste automáticamente. Si no se tiene idea de qué rango elegir se deben ir realizando pruebas (ensayo y error) hasta determinar qué valor se ajusta al elemento medido. Un rango demasiado alto y se deba reajustar. Por el contrario, si aparece un error en pantalla como OL (overloaded) eso indica que el rango es demasiado bajo y se debe ajustar a un rango mayor. Observe la Figura 10 b. IACC 2022 15 Semana 1 Fundamentos de la corriente eléctrica (a) (b) Figura 10. (a) Conexión de terminales. (b) Selector de rango Fuente: Wikihow (s/f) • Con los terminales conectados al multímetro toca cada uno de los extremos de la resistencia y aparecerá en pantalla el valor en Ω o en KΩ (1.000 ohmios). Como se muestra en la Figura 11. Figura 11. Medición de resistencias Si no se cuenta con el equipo necesario, es posible obtener el valor de las resistencias eléctricas por medio de un código de colores. Seguidamente se presenta la figura 12 con esta estandarización de colores para las resistencias eléctricas: IACC 2022 16 Semana 1 Fundamentos de la corriente eléctrica Figura 12. Valores de resistencia por código de colores Fuente: Areatecnología (s/f) Ejercicio 1 Observe la resistencia de la imagen Figura 13: Tipos de carga eléctrica: Estructura del átomo Fuente: Don Como (2018) Si se describen los colores se tiene: • Primer color: Azul, en la tabla es igual a 6. • Segundo color: Rojo, en la tabla es igual a 2. • Tercer color: Verde, en la tabla es igual a 100000 (factor multiplicador). • Cuarto color: Dorado, en la tabla es igual a 5% (tolerancia). IACC 2022 17 Semana 1 Fundamentos de la corriente eléctrica Al analizar estos valores de las dos primeras franjas se tiene el número 62, se multiplica por el factor o tercer color: 62 x 100000 = 6200000 (añadir los 5 ceros) y se tendrá como resultado que la resistencia tiene un valor de 6200000 OHMS, 6200 KΩ o 6.2MΩ, la cuarta franja o tolerancia indica que puede existir un margen de error de 5% por encima o por debajo del valor de la resistencia. Este cálculo se puede verificar conectando el multímetro a esta resistencia. Existe un tipo de resistencia eléctrica importante de destacar y es la resistencia variable o potenciómetro. En estas resistencias, el usuario puede ajustar o calibrar el valor resistivo de misma desde los 0 Ω hasta un valor máximo prefijado por el fabricante. La forma física se muestra en la Figura 14. Figura 14. Potenciómetro 1.2.5 POTENCIA ELÉCTRICA Para definir el concepto de potencia eléctrica es necesario conocer a qué se refiere el término “magnitud de trabajo”. De acuerdo con Hübscher H. y Klaue J. (1991, p. 78) se realiza un trabajo cuando una fuerza actúa a lo largo de un trayecto. Un ejemplo para comprender este concepto se presenta cuando una persona requiere subir por unas escaleras de un tercer piso 50 kilos de cemento hasta un tercer piso de un edificio, en este caso se está realizando un trabajo y al considerar la altura del edificio, el peso que ejercen los sacos de cemento y el tiempo que requiere para realizar la tarea, se puede determinar la fuerza y con esta fuerza se puede calcular la magnitud de trabajo. IACC 2022 18 Semana 1 Fundamentos de la corriente eléctrica Figura 15. Magnitud de trabajo. Sugiero editar sin los valores, solo colocar h y Kg Fuente: Hübscher y, Klaue (1991) Ahora bien, del ejemplo anterior se puede comprender el concepto de potencia, si la persona subió los sacos de cemento en menor tiempo habrá desarrollado más potencia que si lo hacía más lentamente, sin embargo, el trabajo desarrollado ha sido el mismo. La potencia es la relación inversa entre el trabajo y el tiempo y su unidad de medida es el watt (W). En el caso específico de la potencia eléctrica, se representa como el producto de la intensidad de corriente por el voltaje o tensión. Ecuación: 𝑃= 𝑇𝑟𝑎𝑏𝑎𝑗𝑜 (𝑊) 𝑇𝑖𝑒𝑚𝑝𝑜 𝑃 = 𝑉. 𝐼 IACC 2022 19 Semana 1 Fundamentos de la corriente eléctrica A continuación, se muestra en la tabla 2, que contiene algunos valores referenciales de elementos eléctricos y su potencia eléctrica: Aparatos eléctricos Potencia (W) Plancha 1200 Televisor 90-150 Lámpara incandescente 40, 60, 75 o 100 Nevera 400 Horno microondas 1440 Lavadora 395 Licuadora 600 Computadora 150 Aspiradora 600 Tabla 2. Aparatos eléctricos y su potencia eléctrica Fuente: Elaboración propia Tomando como referencia la ley de Ohm, es posible determinar la potencia eléctrica con las siguientes ecuaciones: Ecuación: 𝑉2 𝑅 2 𝑃 = 𝐼 .𝑅 𝑃= IACC 2022 20 Semana 1 Fundamentos de la corriente eléctrica Ejercicio 2 En una planta industrial se requiere calcular la potencia eléctrica de un calefactor que mantiene un proceso a una temperatura requerida, si el calefactor es alimentado a un voltaje de 220 voltios y que tiene una resistencia de 50 ohmios, ¿cuál será la potencia del aparato? Paso 1 se identifican las variables: I = V/R (Ley de ohm) Paso 2 se plantea la ecuación de potencia y se reemplazan las variables Sustituyendo los valores V = 220 voltios y R = 50 ohms. Por lo tanto, I = 4,4 A. P = V.I Con esto P = 968 W o 0,968 Kw 1.3 SEGUNDA LEY DE KIRCHHOFF Así como la primera ley de Kirchhoff define que la suma de las corrientes que entran o salen de un nodo es igual a 0, la segunda ley de Kirchhoff enuncia que la suma de voltajes o tensiones eléctricas de todos los tramos que componen un circuito suman 0. Tal como lo definen Redondo F. y Redondo, R. (Ob. Cit., p. 34), la suma de tensiones eléctricas de cada camino es cero. En la siguiente Figura se muestra un circuito eléctrico con algunas resistencias que tienen un voltaje determinado cada una, la suma de todos estos voltajes es igual a cero. Figura 16. Voltajes en un lazo cerrado Fuente: Elaboración propia IACC 2022 21 Semana 1 Fundamentos de la corriente eléctrica La segunda ley se aplica sobre trayectos cerrados o mallas tal como lo señala la figura 16. Lo cual implica que para este caso que V1 + V2 - V3 - V4 = 0. Considere que es importante conocer la polaridad de cada elemento, es decir, si la corriente entra por el terminal positivo o negativo (en las resistencias eléctricas no hay polaridad, por lo que no es un problema, pero en las fuentes de tensión sí debe considerarse). Al comparar las dos leyes de Kirchhoff, el análisis de nodos (primera ley) o el análisis de mallas (segunda ley) es posible encontrar las corrientes y voltajes de cualquier punto en un circuito eléctrico. Por lo que son dos leyes fundamentales de la física que fundamentan al principio de conservación de la energía y al principio de conservación de la carga eléctrica. Ambas leyes son complementarias y pueden utilizarse sobre el mismo circuito eléctrico. 1.3.1 AUTOINDUCCIÓN Antes de definir el fenómeno de la autoinducción es necesario conocer lo que es una bobina (o inductor) como elemento pasivo. Estos elementos cuentan con dos terminales (de manera similar a las resistencias), pero son capaces de producir un campo magnético a su alrededor cuando circula por ella una corriente eléctrica. Las bobinas se componen de un alambre o hilo conductor, generalmente de cobre enrollado en un núcleo o centro y esta estructura aumenta la capacidad de generar magnetismo o un campo magnético. Se muestra en la figura 17. Según Redondo F. y Redondo, R. (Ob. Cit., p. 34), la intensidad de corriente crea un campo magnético cuyo flujo es el mismo en cualquier sección del material, y a este fenómeno donde a través de un alambre o espira circula mayor intensidad de corriente mayor será el flujo de la intensidad, siendo este coeficiente la autoinducción, que se denota con la letra L y se mide en henrios (H). Figura 17. Bobina o inductor IACC 2022 22 Semana 1 Fundamentos de la corriente eléctrica Simplificando la definición, el fenómeno de la autoinducción no es más que un proceso de formación de corrientes inducidas en un circuito que resultan de la variación del flujo de corriente inicial, siendo el elemento que la genera un conductor enrollado alrededor de un núcleo, cuando el elemento inductor y el elemento inducido son iguales aparece la autoinducción. Algunas aplicaciones de las bobinas son: • En la elaboración de transformadores para la red eléctrica, un transformador se basa en el principio de inducción de las bobinas. • A nivel de iluminación, en sistemas que utilizan ampolletas fluorescentes, el elemento adicional o balastro que acompaña al tubo trabaja con el principio de inducción eléctrica. • Al diseñar fuentes de alimentación de cualquier sistema eléctrico, las bobinas permiten filtrar componentes de corriente alterna y solo obtener corriente continua en la salida. • En los automóviles, para trabajar en conjunto con el sistema de potencia y combustión del motor. El proceso de inducción de una bobina genera consigo un campo magnético, cuando algún material atrae partículas tales como las limaduras de hierro, a este fenómeno se le denomina “magnetismo”, y al cuerpo o elemento que lo produce se le denomina “magneto” o imán. Los materiales que son atraídos por los imanes (como por ejemplo algunos metales) se les denominan materiales magnéticos, tal como el hierro, el níquel y el cobalto. Esta atracción puede ser por contacto a distancia o a través de un material no magnético como el papel. Este imán se rodea del campo magnético, que está representado con líneas de fuerza (o líneas de campo magnético) imaginarias saliendo de dos polos opuestos (polo N, norte y polo S, sur), tal como se muestra en la figura 18. Figura 18. Campos magnéticos en imanes y electroimán IACC 2022 23 Semana 1 Fundamentos de la corriente eléctrica Entonces, se puede afirmar que siempre que un flujo de corriente pase a través de un material conductor, se producirá un campo magnético y la dirección del campo dependerán del sentido que tenga la corriente. La fuerza del campo magnético a través de una bobina o inductor va a depender de diferentes factores, entre estos se pueden mencionar: • El material del que está hecho el núcleo de la bobina. • El número de vueltas del conductor a través del núcleo. • La cantidad de corriente o flujo de corriente que circulará por la bobina. • La relación que exista entre la longitud y el ancho de la bobina. 1.3.2 CONDENSADORES Se puede definir un condensador de acuerdo con Redondo F. y Redondo, R. (Ob. Cit., p. 45) como cualquier objeto de dos terminales formado por dos conductores que se separan a través de un material dieléctrico, cuando una placa del condensador se carga con una cantidad de electricidad positiva (q) la otra se cargará con electricidad negativa (-p), y se establece una diferencia de potencia mayor a cero. Se mide en coulomb/voltio resultando el faradio (F) que representa la relación entre la carga y el voltaje del elemento eléctrico. Se muestran en la figura 19. Figura 19. Condensadores a.) Condensador cilíndrico. b.) Condensador electrolítico. Estos condensadores, denominados también capacitores, se utilizan en un circuito eléctrico con el objetivo de almacenar energía y poder liberarla de forma rápida, su funcionamiento es similar a un campo eléctrico. El condensador almacena energía entre sus dos terminales y se alimenta de una fuente de tensión por algún intervalo de tiempo, y se descarga como un impulso eléctrico. Algunas aplicaciones de los condensadores son: IACC 2022 24 Semana 1 Fundamentos de la corriente eléctrica • En circuitos electrónicos y eléctricos pueden manipular voltajes y corrientes para que varíen en el tiempo. • En los equipos de audio, los capacitores cumplen un rol de filtros, son capaces de bloquear corriente continua de la entrada de amplificadores y evitan ruidos no deseados. • En los sistemas digitales como por ejemplo en computadores, la transmisión de datos digitales se realiza por medio de pulsos eléctricos a altas velocidades, los capacitores son capaces de minimizar las interferencias que se puedan producir durante el proceso. Tabla resumen de los elementos y variables eléctricas: Elemento Unidad de medida Equipo de medición Corriente Amperio: A, mA Amperímetro Voltaje Voltios: V, mV, KV Voltímetro Resistencia Ohm: Ω, KΩ Ohmímetro Resistencia variable Ohm: Ω, KΩ Ohmímetro Bobina Henrios: H, mH Medidor de inductancia Condensador Faradio: F, mF Capacímetro Simbología Tabla 3. Elementos y variables eléctricas Fuente: Molina, (2018) IACC 2022 25 Semana 1 Fundamentos de la corriente eléctrica COMENTARIO FINAL Reconocer el comportamiento de cada elemento que compone un circuito eléctrico es sumamente importante. Dado que permite tener el conocimiento suficiente, respetando las leyes de Kirchhoff, tanto la de voltaje como la de corriente, de esta forma realizar lo necesario para intervenir un circuito, red o sistema eléctrico. También, saber cuál es su forma de funcionamiento y entender como es la relación entre elementos, como se afectan entre sí. Tal es el caso de la relación entre la potencia y la corriente eléctrica, ambas son consecuencia directa del voltaje, y su relación con la resistencia. Por lo tanto, se puede identificar cada uno de esos elementos tales como resistencias, bobinas, condensadores, corriente y voltaje eléctrico, lo que conlleva a tener presente que se está frente a fenómenos sumamente interesantes como los campos eléctricos y magnéticos, además de conocer lo que representa la conductividad y la potencia eléctrica. Todos estos elementos son medibles y calculables de manera sencilla, aplicando las reglas y leyes. Se hace imprescindible distinguir un circuito eléctrico, al momento de operar, diseñar y mantener cualquier sistema de control o cualquier proceso de automatización, independientemente de las variables que se pretendan controlar o manipular, ya que la electricidad es un elemento importante y que esta presenta prácticamente en todo proceso industrial y cualquier ámbito de la vida. IACC 2022 26 Semana 1 Fundamentos de la corriente eléctrica REFERENCIAS Hübscher, H.6 Klaue, J. (1991) Electrotecnia. Curso elemental. España: Editorial Reverté. Redondo, F. & Redondo, R. (2016). Redes eléctricas de Kirchhoff. Teoría de Circuitos: Con más de 400 problemas resueltos. Salamanca, España: STS Ediciones. Redondo, F. y Redondo, R. (2016). Redes Eléctricas de Kirchhoff. Teoría de Circuitos: Con más de 400 problemas resueltos. Salamanca, España: STS Ediciones. Rodríguez, J. & Vigués, J. (s.f.). Fundamentos de Física Ondulatorio. Universidad de Oviedo España Servicio de Publicaciones. PARA REFERENCIAR ESTE DOCUMENTO, CONSIDERE: IACC (2022). Fundamentos de la corriente eléctrica. Circuitos y Redes. Semana 1. IACC 2022 27
