Electricidad 1 Dispositivos, Circuitos y Materiales 9 Ed. - Thomas Kubala.pdf

ELECTRICIDAD 1 DISPOSITIVOS, CIRCUITOS Y MA MATERIALES TERIALES NOVENA EDICIÓN

THOMAS KUBALA

ELEC ELECTRICID TRICIDAD AD 1

Autor THOMAS KUBALA

Revisor Técnico ING. SATURNINO FERNÁNDEZ UTN - Facultad Regional Buenos Aires

ELECTRICIDAD 1 DISPOSITIVOS, CIRCUITOS Y MATERIALES

THOMAS KUBALA

NOVENA EDICIÓN

ELECTRICIDAD 1. DISPOSITIVOS, CIRCUITOS Y MATERIALES Novena Edición Thomas Kubala

Revisor Técnico Ing. Saturnino Fernández

Directora General Susana de Luque Coordinadora de Marketing y Producción Luciana Rabuffetti Traducción Studio Dav Diseño Sebastián Escandell Verónica De Luca Traducido del libro ELECTRICITY 1. DEVICES, CIRCUITS, AND MATERIALS Ninth Edition Publicado en inglés por Delmar Cengage Learning © 2009

Copyright D.R. 2009 Cengage Learning Argentina, una división de Cengage Learning Inc. Cengage Learning™ es una marca registrada usada bajo permiso. Todos los derechos reservados.

Rojas 2128. (C1416CPX) Ciudad Autónoma de Buenos Aires, Argentina. Tel: 54 (11) 4582-0601 Para mayor información, contáctenos en www.cengage.com o vía e-mail a: [email protected] Impreso en Artes Grácas Buschi S.A. Tirada de 2000 ejemplares Impreso en Argentina. 1 2 3 4 5 - 11 10 09 08 07

Kubala, Thomas Electricidad 1: dispositivos, circuitos y materiales / Thomas Kubala; adaptado por Saturnino Fernández 9a ed. - Buenos Aires, Cengage Learning Argentina, 20 11. 188 p.; 18.7 x 23.5 cm. E-Book. ISBN ELECTRÓNICO 978-987-1486- 62-5 1. Electricidad. 2. Circuitos. I. Título. CDD 621.319 21 Fecha de Catalogación: 31/05/2011

División Latinoamérica

Cono Sur Rojas 2128 (C1416CPX) Ciudad Autónoma de Buenos Aires, Argentina www.cengage.com.ar México Corporativo Santa Fe 505, piso 12 Col. Cruz Manca, Santa Fe 05349, Cuajimalpa, México DF www.cengage.com.mx Pacto Andino Carrera 90 #17b-39, Bodega 27 Bogotá, Colombia www.cengage.com.co El Caribe Metro Ofce Park 3 - Barrio Capellania Suite 201, St. 1, Lot. 3 - Code 00968-1705 Guaynabo, Puerto Rico www.cengage.com

Queda prohibida la reproducción o transmisión total o parcial del texto de la presente obra bajo cualesquiera de las formas, electrónica o mecánica, incluyendo fotocopiado, almacenamiento en algún sistema de recuperación, digitalización, sin el permiso previo y escrito del editor. Su infracción está penada por las leyes 11.723 y 25.446.

CONTENIDO -

Prefacio

1

INTRODUCCIÓN

1

2

TEORÍA DEL ELECTRÓN Y LEY DE OHM

7

3

CIRCUITOS EN SERIE

15

4

CIRCUITOS PAR ARALELOS ALELOS

23

5

CIRCUITOS MIXTOS

33

6

ENERGÍA ELÉCTRICA ELÉCTRIC A Y POTENCIA

41

7

BATERÍAS BA TERÍAS

49

8

CONDUCTORES CONDUCTORES ELÉCTRICOS ELÉCTRICOS Y TAMAÑOS DE CABLES

59

9

CAÍDA DE TENSIÓN EN LOS CONDUCTORES CONDUCTORES

67

10

RESUMEN DE REVISIÓN DE LAS UNIDADES UNIDADES 1-9

75

vii

11

IMANES Y CAMPOS MAGNÉTICOS

83

12

ELECTROMAGNETISMO ELECTROMAGNETISMO

89

13

GENERACIÓN DE FUERZA ELECTROMOTRIZ ELECTROMOTRIZ

97

14

PRINCIPIOS DE MOTORES DE CORRIENTE CONTINUA

107

15 RESUMEN DE REVISI REVISIÓN ÓN DE LAS LA S UNIDADES UNIDADES 11-1 1-14

113

16

CIRCUITOS DETIMBRE DETIMBRE TÍPICOS

119

INTERRUPTORES PAR EL CONTROL DE LOS CIRCUITOS DE ILUMINACIÓN

127

MATERIALES PAR ARA A CABLEADO CABLE ADO

137

SISTEMAS DE COMANDO A DISTANCIA DISTANCIA PAR ARA A CIRCUITOS DE ILUMINACIÓN

157

RESUMEN DE REVISIÓN REVISIÓN DE LAS LAS UNIDADES 16-19 6-19

165

Anexo

171

Glosario

173

Índice Índice

175

17 18 19 20

PREFACIO Esta edición de ELECTRICIDAD 1 se ha actualizado para ref lejar los materiales materiales y las técnicas actuales en aplicaciones eléctricas, manteniendo al mismo tiempo las características que lo convirtieron

en un texto tan popular a lo largo de las ediciones anteriores. Los resúmenes se encuentran al final de cada unidad un idad y se han incluido i ncluido varios problemas nuevos en las secciones Revisión de Logros. ELECTR ICIDAD 1 ayuda al estud iante a lograr una comprensión básica acerca de la teoría eléctrica y su aplicación en dispositivos, circuitos y materiales. El conocimiento conocim iento adquirido a través tr avés del estudio de este libro permite perm ite al estudiante avanzar en otros estudios. estud ios. El desarrollo y el el estudio del tema de la electricidad son procesos continuos. La industria eléctrica incorpora incor pora constantemente dispositivos y materiales nuevos y mejorados, que a su vez y con frecuencia conducen a cambios en las técnicas de instalación. Los códigos eléctricos sufren revisiones periódicas para mejorar la seguridad y la calidad de las instalaciones eléctricas. El libro es de fácil lectu ra y se presentan present an los temas en una u na secuencia lógica. Los problemas proporcionados en el libro requieren el empleo de álgebra simple simple para su resolución. Se le advierte al est udiante que el movimiento de electrones (de negativo a positivo) se utiliza en este libro para definir la dirección dire cción

de la corriente. Cada unidad comienza con objetivos que advierten a los estudiantes sobre el conocimiento que se espera que aprendan como resultado del est udio de la unidad. Una Revisión Revisión de Logros al final f inal de cada unidad unida d evalúa la comprensión de dell estudiante para determi dete rminar nar si se han cumplido los objetivos. objetivos. A continuación conti nuación de los gr upos seleccionados selecciona dos de unidades unid ades (Unidade ( Unidadess 1-9, 1-9, Unidades Unidade s 1111-14 14 y Unidades 16-19), 16-19),

se incluye una unidad de revisión que contiene preguntas y problemas adicionales para evaluar la com prensión del del estudiante de una bloque bloque de información. informa ción. Esta combinación de revisiones revisiones es fundamental fund amental para el proceso de aprendizaje requerido por el el libro. libro. Todos los estudiantes de electricidad encontrarán este libro muy útil, en especial aquellos que participan par ticipan en programas progr amas de formación profesional, en escuelas comercia les y técnicas y en diversos programas programa s ocupacionales. ocupacionales. Se recomienda tener disponible como referencia la edición más reciente del Código Eléctrico Nacional® (publicado por la Asociación Nacional para la Prevención de Incendios) cuando los estudiantes utilizan ELECTRICIDAD 1. Asimismo deben consultarse las normas locales y estatales aplicables cuando se realizan instalaciones verdaderas, específicamente específ icamente las NORMAS IRAM .

Las característ cara cterísticas icas de la novena novena edición comprenden: • • • • • •

Soluciones ejemplo ejemplo en diversas unidades. un idades. Problemas desafiantes desafia ntes en las revisiones de logros. logros. Gran Gra n cantidad de problemas nuevos para la práctica del estudiante. Validez Validez acorde a la edición más reciente r eciente del Código Eléctrico Nacional ®. Contenido actualizado actualiz ado en base a las sugerencias propuestas por los profesores. Resúmenes en todas las unidades.

vii

REVISOR TÉCNICO Ing. Fernández, Saturnino. Electrotécnico en E.N.E.T N°1 “Ing. Otto Krause”; Ingeniero en Electrónica en la Universidad Tecnológica Nacional, Facultad Regional Buenos Aires. Docente en las áreas de Eléctrica y Electrónica en ámbitos técnico-secundarios y universitarios desde el año 1980, Electrónica Industrial, I nstalaciones Eléctricas, Teoría de Circuitos, Electrónica Aplicada, Técnicas Digitales, entre otras. Profesional independiente orientado al área de sistemas informáticos: diseño e implementación de redes estructurales, provisión y puesta en marcha de puntos de venta fiscales, instalación de sistemas operativos y aplicaciones cliente-servidor, proyectos “llave en mano”, cursos de perfeccionamiento y capacitación.

viii

ECUACIONES EN BASE A LA LEY DE OHM

E

E = I

I

=

R R =

P

I

P

=

I

=

E E =

IR E R E I

IE P E P I

ix

U•N•I•D•A•D

1

INTRODUCCIÓN OBJETIVOS Al concluir el estudio de esta unidad, el estudiante podrá: • Enumerar las áreas de trabajo con las que trabajó el estudiante de electricidad. • Debatir la ética y las calificaciones necesarias para la formación profesional en electricidad. • Describir el programa educativo y debatir sus valores.

Al comenzar un nuevo programa de estudio, la persona debe conocer perfectamente la naturaleza del programa, sus valores y requisitos. Esto resulta especialmente impor tante cuando el programa implica

la capacitación para una profesión continua y duradera.

DESCRIPCIÓN DE LA FORMACIÓN PROFESIONAL La formación profesional en electricidad constituye uno de los oficios básicos en la industria de la construcción. Se trata de un oficio en el que se reconocen y premian las aptitudes y destrezas de un individuo. La formación requerida incluye las siguientes áreas: instalación eléctrica en nuevas construcciones, renovación de la instalación eléctrica en construcciones viejas, manteni miento y reparación eléctrica, localización y solución de problemas en equipos e instalaciones eléctricas. Muchas de estas áreas son comunes a los campos de potencia y electrónica. El trabajo implicado en todos estos campos está estrechamente relacionado a los conceptos técnicos

y teóricos de la electricidad que sólo una persona capacitada puede realizar. Esto es totalmente cierto en el campo de la electrónica. Debido a que se utilizan cada vez más equipos electrónicos, se espera que el electricista sea capaz de instalar y mantener estos equipos. Por lo tanto, el electricista aprendiz debe adquirir la información técnica relacionada.

CONDICIONES LABORALES DE LA PROFESIÓN El entorno y las condiciones laborales del electricista profesional son favorables. Se puede trabajar

tanto en exteriores como en interiores. Las horas de trabajo y las condiciones le permiten al trabajador eléctrico encontra r placer mientras realiza un trabajo de primera clase. En muchos trabajos, los oficiales

tienen la oportunidad de tratar con los clientes; por lo tanto, la conducta personal del trabajador experi-

1

2

Unidad 1 Introducción ►

mentado afecta el progreso f uturo de la profesión y la industr ia. La formación profesional en electricidad requiere un alto grado de responsabilidad de par te del técnico capacitado ya que esta persona estar á a cargo

de interconectar y construir complejos sistemas eléctricos, los cuales están controlados por códigos de construcción locales y estatales, el Código Eléctrico Nacional ® y las NORMAS IRAM . Como resultado, el trabajo requiere de técnicos calificados.

OPORTUNIDADES EN LA PROFESIÓN El interés general del público en la construcción de edif icios en la actualidad requiere de una mayor

cantidad de electricistas altamente calificados. Mientras que los hogares modernos, las oficinas y las fábricas requieren un mayor nivel de competencia en los trabajos eléctricos. El aumento constante de los nuevos tipos de construcciones, los nuevos equipos eléctricos y sus nuevos usos ofrecen crecientes oportunidades laborales para los electricistas calificados. El uso cada vez más amplio de los equipos electrónicos en el campo de la energía ha demostrado la necesidad de capacitación avanzada por parte de los electricistas. Los avances tecnológicos han generado nuevas mejoras, ideas y procesos. El aprendiz debe estar familiarizado de estos descubrimientos para avanzar en la profesión. El creciente uso de esta información por parte de los electricistas convierte a la profesión en un oficio más interesante y atractivo. El aprendiz

puede convertirse en un oficial de primera clase a través de la comprensión de nuevas fases del campo eléctrico. Un oficial de primera clase puede avanzar hasta alcanzar el puesto de capataz o contratista. La profesión requiere de individuos con un conocimiento total de las fases técnicas y prácticas del oficio, incluidos aquellos que pueden supervisar a los trabajadores durante el trabajo. Algunos de los campos que ofrecen oportunidades son la construcción eléctrica, construcción de líneas, instalación de cables, sistemas de señalización, sistemas de iluminación y energía, mantenimiento

y reparación de motores eléctricos, servicio de reparación de equipos y aparatos en electrónica industrial. Debido a las crecientes demandas de nuestra sociedad, las nuevas oportunidades se desarrollan con rapidez.

ÉTICA PROFESIONAL A los electricistas se los evalúa por la calidad de su trabajo y su actitud para con sus compañeros, empleadores y el público. Un buen electricista se enorgullece por realizar un trabajo de calidad y ofrece un día de trabajo honesto a cambio del pago honesto por dicho día. En cada una de las actividades se espera un trabajo preciso y completo, incluido el manejo seguro de los materiales (Figura 1-1). La mayor parte del trabajo se realiza en forma individual y sin supervisión.

REQUISITOS DE EMPLEO Educativos El estudiante debe ser graduado de la escuela superior o equivalente, y tener ganas de aprender las habilidades y la información necesar ias para tener éxito en la profesión. Se espera que el estudiante posea un conocimiento básico de matemática ya que esto ayuda a comprender fórmulas eléctricas importantes y necesarias.


3

Físicos La persona debe ser lo suficientemente fuerte para llevar a cabo determinadas tareas ya que este oficio requiere una considerable cantidad de movimientos, escalar y trabajar bajo condiciones que demandan fuerza muscular. El estudiante debe tener un buen estado general de salud. Figura 1-1 – Manejo seguro.

Generales Al estudiante debe gustarle trabajar con equipos eléctricos y debe interesarse por la teoría general de la electricidad. Debe gusta rle trabajar con otros en forma cooperativa. Los electr icistas por lo general

trabajan de a dos y también con personas de otros sindicatos. La profesión requiere una afición tanto por el trabajo en exteriores como en interiores y una buena disposición a compartir el trabajo manual.

EL VALOR DE LOS PROGRAMAS DE APRENDIZAJE • El aprendizaje es una experiencia educativa. • Un programa de aprendizaje proporciona una capacitación organizada. • Un aprendizaje controlado reúne los factores fundamentales necesar ios para convertirse en un

técnico calificado. • El aprendizaje es un medio práctico y eficaz para capacitar a un técnico calificado. • Un programa de aprendizaje es beneficioso tanto para el aprendiz, el empleador, el sindicato y la sociedad ya que todos obtienen trabajos de mejor calidad. • Los electricistas exitosos logran resultados de acuerdo con sus conocimientos y habilidades. Contar con los requisitos más altos es una ventaja.

4


Figura 1-2 – Casco y antiparras protectoras.

RESPONSABILIDADES Los programas educativos asociados con las experiencias laborales le brindan al estudiante la oportunidad de adquirir el conocimiento y las habilidades necesarias para convertirse e n un técnico calificado. Es responsabilidad del aprendiz aprovechar al máximo estas oportunidades. Se espera que los estudiantes se interesen por su tr abajo, que deseen aprender para poder adaptar se

a las necesidades de la organización del empleador, que planifiquen y organicen su trabajo de manera eficiente, que sean emprendedores y sepan cómo conservar los materiales. Se espera además que los estudiantes sean puntuales, que mantengan una buena salud, que desarrollen iniciativas y capacidad de liderazgo, que cooperen de diferentes maneras, sean prolijos en su apariencia y empleen procedimientos de trabajo seguros en todas las ocasiones con el equipo apropiado (Figura 1-2). Se espera que los estudiantes estén actualizados acerca de nuevos hechos, ideas y procedimientos.

Debido a que también se espera la continuación del aprendizaje mientras se avanza, el aprendiz debe prepararse para asistir a la escuela para adquirir la capacitación técnica y específica necesaria.

EL PROGRAMA DE CAPACITACIÓN RELACIONADA Por lo general, un programa de aprendizaje requiere la asistencia del estudiante a clases de temas relacionados por una cantidad mínima de horas. La duración del período de aprendizaje en la profesión de electricista por lo general comprende cinco años. En determinadas localidades, el tiempo dedicado a la capacitación relacionada no se clasifica como tiempo de trabajo y por lo tanto no es pago, mientras que otras localidades, la asistencia a la escuela se considera tiempo de tr abajo por lo que el estudiante recibe un pago según la tarifa salarial imperante. El programa de capacitación consiste en cursos en base a las divisiones del trabajo dentro del oficio, por ejemplo cableado residencial, cableado comercial, cableado de una planta industrial, mantenimiento y reparación. Cada curso incluye información, tal como ciencia del oficio, matemática del oficio y teoría

y práctica del oficio.


5

Si los estudiantes ingresan a un programa de capacitación relacionada al mismo tiempo en que se dicta el curso, recibirá la capacitación en la forma habitual por medio de la asistencia a clases. Si el curso de capacitación relacionada no se dicta en el momento en que los estudiantes ingresan al programa, la información se adquirirá a través del estudio personal, bajo la supervisión y la asistencia de un instructor.

Se espera que los estudiantes proporcionen sus propios materiales, tales como libros de texto, apuntes y cuadernillos de ejercicios, según la recomendación del instructor.

RESUMEN Los electricistas y los trabajadores eléctricos de toda clase se solicitan con mucha frecuencia hoy en día. El pago se relaciona directamente con el conocimiento y las habilidades de los trabajadores y su capacidad de mantenerse actualizados acerca de los cambios en la industria. Es f undamental la compren-

sión sólida de los conceptos eléctricos. Los programas de aprendizaje se encuentran en la mayoría de las comunidades en todo el país, además de las oportunidades de capacitación relacionada en las escuelas locales y en los colegios técnicos municipales.

REVISIÓN DE LOGROS 1. Mencione tres campos que ofrecen oportunidades en la profesión. __________________________________________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________________________________________

2. Describa brevemente los requisitos educativos y físicos para el empleo. __________________________________________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________________________________________

3.

A los electricistas se los evalúa por la ____ __ __ __ __ __ __ __ __ de su trabajo y por su __ ___ __ ___ __ __ ___ __ _ para con sus compañeros de trabajo, empleadores y el público.

4. Seleccione la mejor respuesta. El aprendizaje es una experiencia __ __ __ __ ____ __ __. a. desorganizada b. educativa

c. sin control d. codificada


2

TEORÍA DEL ELECTRÓN Y LEY DE OHM OBJETIVOS Al concluir el estudio de esta unidad, el estudiante podrá: • • • •

Enumerar las propiedades fundamentales de la materia. Describir la estructura de un átomo. Explicar los conceptos eléctricos básicos de corriente, tensión, resistencia y polaridad eléctrica. Definir la ley de Ohm.

MATERIA Todo aquello que ocupa un espacio y tiene peso se denomina materia. Todos los líquidos, gases y sólidos son ejemplos de materia en diferentes formas. La materia está constituida por unidades más pequeñas llamadas átomos.

ÁTOMOS Un átomo se parece al sistema solar con el sol como centro alrededor del cual gira una serie de planetas, tal como se muestra en la Figura 2-1. En el átomo, existe una masa relativamente más grande en el centro que se llama núcleo. Los electrones giran con patrones orbitales alrededor del núcleo. Figura 2-1 – Estructura atómica del helio.

ELECTRON ÓRBITAS DE ORBITS ELECTRONES

ELECTRONES ELECTRONS

PROTONS PROTONES

Y AND

NUCLEUS NÚCLEO

NEUTRONES NEUTRONS

7

8

Unidad 2 Teoría del Electrón y Ley de Ohm ►

CARGA ELÉCTRICA Se dice que un material tiene carga eléctrica cuando atrae o repele otro material con dicha carga. Un material puede tener una carga eléctrica positiva o negativa. Dos objetos con carga positiva se repelen.

Dos objetos con carga negativa también se repelen. Dos objetos con cargas opuestas se atraen entre sí.

PROTONES Y NEUTRONES Parte del núcleo de un átomo está compuesto por protones. Cada protón posee una carga eléctrica positiva y atrae electrones; los neutrones forman la parte restante del núcleo. Los neutrones son eléctricamente neutros. No pueden atraer ni repeler otras cargas.

ELECTRONES Uno o más electrones giran constantemente alrededor del núcleo de un átomo (así como los planetas giran alrededor del sol). Los electrones poseen una carga eléctrica negativa y son mucho más livianos en

peso que los protones. Todos los electrones son similares independientemente de los átomos de los que forman parte. Un átomo contiene la misma cantidad de electrones y protones. Por ejemplo, el átomo de aluminio posee trece electrones y trece protones.

CORRIENTE Los electrones en movimiento generan una corriente eléctrica. Los cables de cobre se utilizan con frecuencia para transportar la corriente eléctrica (los electrones en movimiento). Para cada átomo de cobre en el cable, los electrones giran alrededor del núcleo. Cuando se aplica presión eléctrica (tensión) de una batería o generador, es posible hacer salir a los electrones de sus trayectos circulare s y hacerlos pasar de un átomo a otro a lo largo de la longitud del cable (conductor). Cuanto mayor sea la cantidad de electrones que pasen por un punto determinado de un circuito, mayor será la intensidad de la corriente. La intensidad de una corr iente eléctrica se mide en amperes (A). El instrumento que se utiliza para medir la corriente se denomina amperímetro tal como se muestra en

la Figura 2-2. El amperímetro debe conectarse en serie con otros dispositivos del circuito. La letra “I” se utiliza para representar la cantidad de corriente de un circuito.

Tipos de corriente Los siguientes tres tipos de corriente se muestran en la Figura 2-3: •

Corriente continua (CC) es el movimiento de los electrones en una única dirección en un con-

ductor. •

•

es la corriente en una única dirección y cuya intensidad varía a intervalos regulares de tiempo. Corriente alterna (CA) es una corriente que cambia en cuanto a dirección e intensidad a intervalos regulares de tiempo. Corriente continua pulsatoria


9

Figura 2-2 – Amperímetro en línea.

Figura 2-3 – Tipos de corrientes eléctricas.

E T T N N E E I 0 R R R R U O C C

0 TIME TIEMPO

DIRECT CURRENT CORRIENTE CONTINUA

0 TIME TIEMPO

CORRIENTE CONTINUA PULSATING PULSATORIA DIRECT CURRENT

TIME TIEMPO

CORRIENTE ALTERNATING ALTERNA CURRENT

TENSIÓN Un circuito cerrado y una fuente de diferencia de potencial eléctrica son necesarios para producir una corriente eléctrica. La diferencia de potencial eléctrica, conocida como tensión, se obtiene de muchas

fuentes. Los generadores se utilizan ampliamente para instalaciones de CA y CC de alta potencia. Las baterías de almacenamiento son de uso extendido para alimentación de CC en automóviles y aviones. Las células fotoeléctricas convierten la energía de la luz en energía eléctrica. Estas células se utilizan como fuentes de tensión en dispositivos operados por luz. Un termopar, formado por la unión de dos metales diferentes, genera baja tensión al calentarse. De todas las fuentes de tensión mencionadas, el generador es la que se utiliza con mayor frecuencia debido a su adaptabilidad para aparatos comerciales y residenciales. La letra “E” se utiliza para representar la tensión. El volt (V) es la unidad utilizada para expresar la cantidad de diferencia de potencial eléctrica. El instrumento que se utiliza para medir la tensión se llama voltímetro. El voltímetro debe conectarse en paralelo con la carga a medir.

10


POLARIDAD ELÉCTRICA Todas las fuentes de CC poseen dos terminales a los que se conectan los dispositivos eléctricos. Estos terminales poseen polaridad eléctrica. Un terminal es el positivo y el otro, negativo. Los electrones

fluyen a través del dispositivo desde el terminal negativo de la fuente al terminal positivo de la fuente. La fuente mantiene un suministro de electrones en su terminal negativo.

RESISTENCIA La propiedad de un material que lo hace oponerse al movimiento de los electrones se denomina resistencia. Todos los materiales poseen algún tipo de resistencia. Los materiales que ofrecen muy poca resistencia al movimiento de electrones se llaman conductores. Los que ofrecen mucha resistencia se llaman no conductores o aislantes. La resistencia se mide en ohms. El símbolo que representa al ohm es la letra g riega omega, Ω. En las fórmulas, se utiliza este símbolo para representar los ohms y la letra “R” para representar la resistencia. El instrumento que se utiliza para medir la resistencia se llama óhmetro. La potencia eléctrica debe desconectarse del circuito cuando se utiliza el óhmetro. El medidor que se muestra en la Figura 2-4 se utiliza comúnmente para medir la resistencia, la tensión y la corriente.

Figura 2-4 – Medidor de volts-ohms-miliamperes (Multímetro). (Cortesía de Triplett Corp)


11

LEY DE OHM Es sumamente importante comprender los métodos utilizados para determinar la cantidad de corriente en un circuito. Se utiliza una fórmula simple, la ley de Ohm, para mostrar la relación de corriente, tensión y resistencia. La ley de Ohm afirma que en cualquier circuito eléctrico la corriente es directamente proporcional a la tensión aplicada al circuito y es inversamente proporcional a la resistencia en el circuito.

Tenga en cuenta que tanto la resistencia como la tensión afectan la corriente. Según la ley de Ohm, cuando la resistencia de un circuito es constante, se puede cambiar la corriente

modificando la tensión: la corriente aumentará cua ndo aumente la tensión, y la corriente disminuir á cuando disminuya la tensión. En forma similar, cuando la tensión es constante, la corr iente aumentará cuando disminuya la resistencia y la corriente disminuirá cuando aumente la resistencia. La relación exacta de tensión, corriente y resistencia se expresa mediante la ecuación de la ley de Ohm: I= E R

En donde

I

= intensidad de la corriente en amperes

E

= diferencia de potencial en volts

R

= resistencia en ohms

A continuación se presentan otras dos formas de la ley de Ohm: E = IR y R =

E I

Ejemplo: Si aparece una tensión de 24 volts a través de una resistencia de 4 ohms, obtenga la corriente a través de la resistencia. I=

E 24 volts = 6 amperes = 4Ω R

Ejemplo: Obtenga la tensión que aparece a través de una resistencia de 8 ohms si la corriente a través de la misma es de 10 amperes. E = IR = (10 amperes) (8 Ω) = 80 volts

RESUMEN La ley de Ohm es la fórmula básica para comprender los fundamentos eléctricos. Las relaciones entre corriente, tensión y resistencia proporcionan la base para comprender varios tipos de circuitos y sistemas eléctricos. La corriente es el movimiento de electrones.

12


La tensión es la diferencia de potencial eléctr ica que provoca el movimiento de los electrones. La resistencia es una propiedad de todos los mater iales que tiende a impedir el movimiento de los electrones.

Cuanto menor es la resistencia, mayor es la corriente.

REVISIÓN DE LOGROS 1. Mencione las partículas que giran en patrones orbitales alrededor del núcleo de un átomo. __________________________________________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________________________________________

2. ¿Los protones atraen o repelen a los electrones? ______________________________________________________________ 3. Una corriente que cambia de dirección e intensidad a intervalos de tiempo regulares se denomina: __________________________________________________________________________________________________________________________________

4. Explique el significado de tensión, corriente y resistencia.

_______________________________________________

__________________________________________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________________________________________

5. Enuncie la ley de Ohm y escriba tres formas de la ley de Ohm que utilizan fórmulas. __________________________________________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________________________________________

6. ¿Qué instrumentos se utilizan para medir la tensión, la corriente y la resistencia? __________________________________________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________________________________________

7. ¿Qué unidades de medida se utilizan para la tensión, la corriente y la resistencia? __________________________________________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________________________________________


13

8. Una lámpara eléctrica posee una resistencia de 12 ohms y circula por ella una corriente de 0,5 amperes. ¿Qué tensión debe aplicarse para obtener dicha corriente? __________________________________________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________________________________________

9.

¿Qué corriente es tomada por un calentador con una resistencia de 24 ohms cuando se conecta

a una fuente de 120 volts? __________________________________________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________________________________________

10. Determine la resistencia de una lámpara que genera 3 amperes cua ndo se conecta a una fuente

de 120 volts. __________________________________________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________________________________________

11. Si la lámpara del problema 10 se conecta a una fuente de 240 volts, ¿cuál es el nuevo valor de la corriente? (Suponga que no hay cambios en la resistencia a medida que cambia la temperatur a

de la lámpara.) __________________________________________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________________________________________

12. Un resistor de 8 ohms se conecta a un circuito de 120 volts. ¿Qué corriente generará? __________________________________________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________________________________________

13. Si se aplican 60 volts a un resistor de 8 ohms, ¿cuál es el valor de la corriente en el resistor? __________________________________________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________________________________________

14. Se conecta una tostadora a una fuente de 120 volts y genera 8 amperes. Encuentre la resistencia. __________________________________________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________________________________________

15. Un calentador de 5 ohms genera 9 amperes de una fuente de alimentación. ¿Cuál es la tensión de la fuente de alimentación? __________________________________________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________________________________________

14


16. Si el calentador de 5 ohms del problema 15 se reemplaza por uno de 15 ohms, ¿qué corriente generará el calentador de 15 ohms conectado a la misma fuente de alimentación? __________________________________________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________________________________________

17. ¿Qué tensión debe aplicarse a una lámpara incandescente de 6,4 ohms para que desar rolle una

corriente de 20 amperes? __________________________________________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________________________________________

18. Un amperímetro ubicado en un circuito de iluminación registra una corriente de 3 amperes. Si se aplica una fuente de 24 volts, ¿cuál es la resistencia del circuito? __________________________________________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________________________________________

19. Si un óhmetro mide la resistencia de una carga en 7 ohms y se aplica una fuente de 28 volts, ¿cuál es la corriente? __________________________________________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________________________________________

20. Si la resistencia en un circuito se mantiene constante, ¿qué pasará con la cor riente si la tensión

aumenta? __________________________________________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________________________________________

21. Si la tensión en un circuito se mantiene constante, ¿qué pasará con la corr iente si la resistencia

aumenta? __________________________________________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________________________________________

22. ¿Cuál es el término con el que se denomina a todo lo que tiene peso y ocupa un espacio? __________________________________________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________________________________________


3

CIRCUITOS EN SERIE OBJETIVOS Al concluir el estudio de esta unidad, el estudiante podrá: • Describir las relaciones básicas de tensión, corriente y resistencia en un circuito en serie. • Aplicar la ley de Ohm para determinar las cantidades desconocidas.

Conocer determinadas reglas básicas en la operación de circuitos en serie, paralelos y en serie-

L

L

1

L

2

paralelos resulta importante a la hora de desarrollar una facilidad para localizar fallas en los equipos eléctricos. En realidad, comprender los problemas eléctricos es

I

imposible si no se tiene este conocimiento. Un circuito en serie es un circuito en el que los dispositivos se conectan de manera que haya un solo camino para la circulación de corriente. La dirección

de la corriente en el cable es igual a la dirección del movimiento de los electrones. La Figura 3-1 grafica tres lámparas conectadas en serie con una fuente de tensión.

TENSIÓN

3

–

E

A

+ B

Figura 3-1 – Tres lámparas conectadas en serie.

1

2

3

1

2

3

La tensión total que se aplica a un circuito en serie se distribuye a lo largo de los diferentes componentes

del circuito en una serie de caídas de tensión. Los tres resistores iguales que se muestran en la Figura 3-2 están conectados en serie. La tensión a lo largo de los componentes es igual a un tercio de la tensión total. En la Figura 3-3, la tensión en cada resistor es proporcional a la resistencia. Cuanto mayor

sea la resistencia, mayor será la caída de tensión en un circuito en serie.

R T = 12Ω Por lo tanto: Therefore, IT = 0,5 amperes

Figura 3-2 – Distribución de la tensión y corriente: resistores de igual valor en serie.

15

16

Unidad 3 Circuitos en Serie ►

3V

9V

1

2

R1

R2

4

12

12

R T = 16Ω 16 Por lo tanto: Therefore, IT = 0,75 amperes I

= 0.75 ampere

Figura 3-3 – Distribución de la tensión y corriente: resistores de distinto valor, en serie.

Figura 3-4 – Multímetro digital. (Cortesía de Advanced Test Products)

Como se muestra en las figuras anteriores, la suma de las tensiones en los dispositivos individuales

es igual a la tensión total aplicada. Esto resulta en la importante regla a continuación para circuitos en serie: La suma de las caídas de tensión en los resistores de un circuito en serie es igual a la tensión total aplicada. En otras palabras: ET = E1 + E2 + E3 + … + En SEGUNDA REGLA DE KIRCHHOFF

CORRIENTE Debido a que existe una sola ruta de corriente, la corriente en todos los componentes del circuito es igual. Esta afirmación puede expresarse de la siguiente manera: IT = I1 = I2 = I3 = In En donde

IT = corriente total I1 = corriente a través del componente 1 I2 = corriente a través del componente 2 I3 = corriente a través del componente 3 In = corriente a través del componente n


17

Figura 3-5 – Resistencia de alambre devanado (Cortesía de PowerRohm Resistors, Inc.)

RESISTENCIA La resistencia total de un circuito en serie es igual a la suma de las resiste ncias de todos los resistores del circuito. La resistencia total en la Figura 3-1 es la resistencia desde el terminal A al terminal B con la fuente de tensión desconectada. En forma de ecuación: R T = R 1 + R 2 + R 3 + … + R n En donde

R T = resistencia total del circuito R 1 = resistencia del resistor 1 R 2 = resistencia del resistor 2 R 3 = resistencia del resistor 3 R n = resistencia del resistor n

Ejemplo: La resistencia total para la Figura 3-3 es R T = R 1 + R 2. R T = 4 Ω + 12 Ω = 16 Ω Una ruta alternativa de resistencia muy baja en un circuito se denomina cortocircuito (Figura 3-6).

Por ejemplo, si los dos cables que conducen a una lámpara entran en contacto entre sí, se forma una ruta de resistencia prácticamente nula. Cuando esto ocurre, hay una corriente muy grande que circula en los cables

hacia el punto de contacto y así los cables se recalentarán. Un circuito abierto se forma

Lamp Lámpara

Lamp Lámpara

Short Corto

Abierto Open

cuando alguna parte del circuito está

abierta, como ser un inter ruptor, o funciona mal, por ejemplo un fusible

quemado o un cable roto.

E

E

Cortocircuito Short Circuit

Circuito Openabierto Circuit

Figura 3-6 – Cortocircuito y circuito abierto.

18


No hay corriente en ninguna parte del circuito. Sin embargo, se debe representar la tensión de la fuente. Si se utiliza un voltímetro en un punto abierto de un circuito, indicará la tensión de fuente. Ejemplo: Obtenga la resistencia total, la corriente total y las caídas de tensión del circuito de la Figura 3-7. RT = R1 + R2 + R3 =2

Ω

+3

Ω

+7

2

Ω

= 12 Ω

R2

I T = ET = 240 V = 20 amperes RT 12 Ω

3 1

R1

R3

2

7

3

IT = I1 = I2 = I3 El = ITR1 = (20)(2) = 40 40 volts volts

ET = 240 V

E2 = ITR2 = (20)(3) = 60 60 volts volts

Figure problem. Mismo problema. Figura3-7 3-7 –Sample

E3 = ITR3 = (20)(7) = 140 140 volts volts

Observe que la suma de las caídas de tensión es igual a la tensión total. El + E2 + E3 = ET 40 + 60 + 140 = 240 volts volts

Ejemplo: Obtenga la corriente total del circuito de la Figura 3-8. RT = R1 + R2 + R3

I 2

= 2+6+2 = 10 Ω I T = ET = 120 V = 12 amperes RT 10 Ω

1

E

2

120 V

6 R3 2

Figure 3-83-8Sample – Mismoproblem. problema. Figura

RESUMEN En un circuito en serie las cargas resistivas estén conectadas u na tras otra. En este tipo de circuitos, la corriente es igual en todas las part es del circuito. Para determinar la corriente, se debe calcular primero

la resistencia total. La resistencia total es la suma de todas las resistencias del circuito. La corriente es entonces la tensión suministrada dividido la resistencia total.


19

Reglas de un circuito en serie: ET = E l + E 2 + E 3 + . . . + E n IT = I l = I 2 = I 3 = I n RT = Rl + R 2 + R3 + . . . + Rn

REVISIÓN DE LOGROS 1.

Se conectan cuatro cargas en serie a una fuente de 110 volts de CC. Las cargas fallan. En un voltímetro conectado en forma consecutiva a lo largo de cada dispositivo se lee 0 en las primeras tres cargas y 110 volts en la cuarta carga. ¿Qué falla del circuito se encuentra en la cuarta carga? __________________________________________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________________________________________

2.

Se conectan cuatro cargas en serie a una de 120 volts y hay presente una corr iente de 3 amperes.

Una de las cargas falla. La tensión a lo largo de los dispositivos restantes es de 40 volts. ¿De qué falla del circuito se trata? __________________________________________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________________________________________

3. Enumere tres características de un circuito en serie. __________________________________________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________________________________________

4.

Obtenga la caída de tensión en un resistor de 10 ohms, si la cor riente que circula por el resistor

es de 1,7 amperes. __________________________________________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________________________________________

5.

Obtenga la resistencia de un resistor si la caída de tensión es de 51 volts y la corriente circulante

es de 3 amperes. __________________________________________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________________________________________

20


6. Resuelva los valores desconocidos en el circuito de la Figura 3-9. RT =

________________

IT =

________________

E1 =

________________

E2 =

________________

E3 =

________________

R1 = 5 E1 = ___

R2 = 10

R3 = 15

E2 = ___

E3 = ___

150 V

Circuito circuit. en serie. Figura Figure 3-9 3-9 – Series

7. Resuelva los valores desconocidos si I T = 10 amperes en la Figura 3-10. 80 volts E = 80 2

E = 1

E1 =

________________

EG =

________________

RT =

________________

R2 =

________________

R =4 1

R

2

= ___

EG

Tensión total Total Voltage Circuito en serie. Figura Figure3-10 3-10 – Series circuit.

8. Obtenga E1 y E2 en el circuito de la Figura 3-11. Figure 3-11

Obtener tensiones. Figura 3-11 – Finding voltages.

2 2 30

1

1 10

E

= 128 V

9. Obtenga el valor de E T en la Figura 3-12 1

Figura 3-12 – Obtener tensión total.

8 2

E

6 I

= 3A

R3 12


21

10. Si E2 = 54 volts, ¿cuál es el valor de E1 en la Figura 3-13? Figura 3-13 – Obtener tensiones.

2 R2 9 1

R1

R3

3

ET

11. Usando el circuito del problema 10, obtener el valor de E 2 si E1 = 6 V. 12. Obtenga E1 y E3 en la Figura 3-14. R

I

E

R 1

2

= 4A R2 R

1

2

5

E

3

E

3

T

Figura 3-14 – Obtener tensiones. 13. Para el circuito del problema 12, obtener E T si R 2 = 4 Ω 14. Para el circuito del problema 12, I R2 cambia a 6A y R 2 no se conoce, ¿cuál es el valor de E 3? 15. En la Figura 3-14, obtener la corriente a través de R 3 si E1 = 18 volts e I R2 no se conoce. 16. En la Figura 3-14, si I R2 no se conoce y E 3 es de 15 volts, ¿cuál es el valor de E 1?


4

CIRCUITOS PARALELOS OBJETIVOS Al concluir el estudio de esta unidad, el estudiante podrá: • Describir las características de los circuitos paralelos. • Obtener un procedimiento para la resolución de problemas en circuitos paralelos.

Debido a sus características únicas, los circuitos paralelos se usan con mayor frecuencia que otros tipos de circuitos. La distr ibución de la energía en una gran ciudad se logra mediante un laberinto de líneas

de alimentación todas conectadas en paralelo. Un circuito paralelo posee más de una ruta de corriente.

TENSIÓN El circuito que se muestra en la Figura 4-1 es un ejemplo de un circuito paralelo simple. Observe que cada resistor está ubicado directamente a lo largo de la

ET

principal fuente de tensión. Esto hace que cada resistor

R1

R2

R3

3

6

8

funcione a la misma tensión que la fuente. Un componente eléctrico nunca debería ubicarse en un circuito paralelo si posee una tensión nominal menor a la de la Figura 4-1 – Resistores desiguales conectados en paralelo. fuente de tensión. El hecho de que todos los componentes en un circuito paralelo funcionen a la misma tensión se expresa en la siguiente ecuación: ET = E1 = E2 = E3 = En En donde

ET = tensión total E1 = tensión en el componente 1 E2 = tensión en el componente 2 E3 = tensión en el componente 3 En = tensión en el componente n

23

24

Unidad 4 Circuitos Paralelos ►

CORRIENTE Los componentes de un circuito paralelo funcionan independ ientemente unos de otros. Cada componente toma la corriente de acuerdo con su resistencia. El número de trayectos separados por donde circula corriente es igual al número de componentes en paralelo. La corriente total de un circuito paralelo es igual a la suma de las corrientes en los componentes separados. La ecuación que expresa esta afirmación se presenta a continuación: IT = I1 + I2 + I3 + … + In PRIMERA REGLA DE KIRCHHOFF

En donde

IT = corriente total I1 = corriente a lo largo del componente 1 I2 = corriente a lo largo del componente 2 I3 = corriente a lo largo del componente 3 In = corriente a lo largo de nº de componentes

RESISTENCIA A partir del estudio de la ecuación anterior resulta evidente que agregar más ramificaciones paralelas al circuito aumentará la corriente total. La ley de Ohm (R T = ET/I T) muestra que la resistencia

total del circuito disminuye a medida que aumenta la corriente en

los circuitos paralelos. Por lo tanto, agregar ramif icaciones paralelas resulta en la disminución de la resistencia total.

R T siempre será menor que la R más pe queña del circuito cuando dos o más resistores estén presentes.

Resistores iguales Como se puede observar en la Figura 4-3, en un circuito par a-

lelo compuesto por dispositivos de igual resistencia, la resistencia total del circuito es numéricamente igual a l valor de resistencia de un dispositivo dividido el número de dispositivos conectados en paralelo. Expresada en forma de ecuación, la af irmación se convierte en:

E T

15

15

15

Figura 4-2 – Pinza amperométrica Figura 4-3 – Resistores iguales conectados en paralelo.

CC-CA. (Cortesía de Advanced Test Products)

Unidad 4 Circuitos Paralelos ►

25

15 RT = R = = 5 ohms N 3

En donde

RT = resistencia total en ohms R = resistencia de uno de los resistores de igual valor en ohms N = número de resistores paralelos

Resistencia desigual En la práctica, los circuitos paralelos con resistores que poseen valores desiguales se utilizan con mayor frecuencia que los circuitos par alelos con resistores de igual valor. No se aplica ninguna regla simple

en este caso pero cada resistor lleva un valor diferente de corriente para la misma tensión aplicada. Para obtener la resistencia total de un circuito paralelo, aplicar una fuente de tensión conocida al circuito y determinar la corriente total. La ley de Ohm se utiliza entonces para descubrir la resistencia total. RT =

En donde

ET IT

R T = resistencia total del circuito en ohms ET = tensión total en volts IT = corriente total en amperes

La resistencia total del circuito también puede obtenerse mediante la siguiente fórmula. Esta fórmula puede aplicarse a cualquier circuito paralelo con cualquier número de ramificaciones paralelas. Conocida como la fórmula “recíproca”, se expresa como: 1 RT

En donde

=

1 R1

+

1 R2

+

1 R3

... + 1 Rn

R T = resistencia total R 1 = resistencia del resistor 1 R 2 = resistencia del resistor 2 R 3 = resistencia del resistor 3 R n = resistencia del resistor n

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