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Conceptos Básicos de Electricidad
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Conceptos Básicos
De Electricidad
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0.1 Introducción
Aquellos estudiantes que se inician en el aprendizaje de electricidad básica,
necesitan poseer algunos conceptos básicos antes de comenzar los estudios. Esto
les ayudará a familiarizarse con los conceptos y teoremas relativos a la
electricidad básica, para luego comprender bien todo el concepto.
El propósito principal de esta sección es presentar algunas ideas concretas
necesarias para el principiante, las cuales son:





Unidades basadas en el Sistema SI
Notación científica y de ingeniería
Diagramas de circuitos
Teoría atómica
Carga eléctrica
En las cuatro siguientes secciones se presentarán estos conceptos.
0.2 Contenido de la Unidad
0.2.1 Unidades Basadas en el Sistema Internacional de Medidas (SI)
Las medidas basadas en el Sistema SI se definen en términos del Sistema MKS y
en la unidad de carga del electrón. Estas unidades se pueden dividir en 5 áreas:





Cantidades comunes, como se muestran en la Tabla 0.1
Unidades Básicas, como se muestran en la Tabla 0.2
Unidades derivadas, como se muestran en la Tabla 0.3
Conversión de unidades, como se muestra en la Tabla 0.4
Prefijos SI, como se muestran en la Tabla 0.5
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Tabla 0.1 - Algunas Cantidades de Uso Corriente
1 metro = 100 centímetros = 39.27 pulgadas
1 milímetro = 39.27 mils
1 pulgada = 2.54 centímetros
1 pie = 0.3040 metros
1 yarda = 0.9144 metros
1 milla = 1.609 kilómetros
1 kilogramo = 100 gramos = 2.2 libras
1 galón (US) = 3.786 litros
Tabla 0.2 - Unidades Básicas
Magnitud
Longitud
Masa
Tiempo
Corriente
Temperatura
Símbolo
l
m
t
I, i
T
Nombre
Metro
Kilogramo
Segundo
Amperio
Kelvin
Abreviatura
m
kg
s
A
K
Tabla 0.3 - Unidades Derivadas
Magnitud
Fuerza
Energía
Potencia
Voltaje
Carga
Resistencia
Capacitancia
Inductancia
Frecuencia
Flujo magnético
Campo magnético
Símbolo
F
W
P, p
V, v, E, e
Q, q
R
C
L
F

B
Unidad
Newton
Julio
Watt
Voltio
Coulombio
Ohmio
Faradio
Henrio
Hertzio
Weber
Teslo
Abreviatura
N
J
W
V
C

F
H
Hz
Wb
T
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Tabla 0.4 Conversión de Unidades
Longitud
Fuerza
Potencia
Energía
Pulgada
Pie
Milla
Libra (lb)
hp
kWh
Pie-libra
0.0245
0.3048
1.609
4.448
7.46
3.60 x 106
1.356
Metro (m)
Metro (m)
Kilómetro (km)
Newton (N)
Watt (W)
Julio (J)
Julio (J)
Tabla 0.5 - Prefijos SI
Potencias de Prefijo
diez
1012
Tera
109
Giga
106
Mega
3
10
Kilo
10-3
Mili
-6
10
Micro
10-9
Nano
-12
10
pico
Símbolo
T
G
M
k
m

n
p
0.2.2. Notación Científica y de Ingeniería
Si movemos el punto decimal de las potencias de diez hacia la izquierda y a
la izquierda del punto decimal queda solamente un dígito, a esta expresión la
llamamos Notación Científica. Por ejemplo, 2.33 x 10 5 está en notación científica,
pero 22.2 x 104 y 0.33 x 106 no lo están. Otra forma que nos interesa para
expresar números es la Notación de Ingeniería. En este sistema, se utilizan
prefijos para expresar potencias de diez fijas, como se ve en la Tabla 0.5. De esta
forma, 0.033 A (Amperios) se puede expresar como 33 x 10 -3 A, aunque queda
mejor expresada como 33 mA. En este caso utilizamos "mili" en lugar de 10-3.
Ejemplo 0.1 Use símbolos de prefijos para expresar los siguientes valores:
(1) 10 x 106 Voltios; (2) 0.1 x 10-3 Watts; (3) 250 x 10-7 segundos
Respuesta: (1) 10 x 1 x 106 V = 10 x 1 MV = 10 MV
(2) 0.1 x 10-3 W = 0.1 miliwatts = 0.1 mW
(3) 250 x 10-7 s = 25 x 10-6 = 25 microsegundos = 25 s
0.2.2 Diagrama de Circuito
Un circuito eléctrico generalmente está compuesto de una batería, un
interruptor, capacitor, resistencia y los alambres de conexión. Se pueden
utilizar los diagramas para describir en el papel el circuito. Hay 3 maneras:
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0.2.3.1
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Diagrama de Bloques
En el diagrama de bloques se usan simples bloques para describir el
circuito o los sistemas. Cada bloque significa una porción del sistema o circuito, y
el título indica la función o contenido. Luego se conectan adecuadamente los
bloques. La señal por lo general fluye de izquierda a derecha y de arriba hacia
abajo. En la Fig. 0.1 se muestra un amplificador de voz. Las ondas de sonido se
absorben por un micrófono y se convierten en señales eléctricas, que luego se
amplifican mediante un par de circuitos de amplificación. Pasan luego a las
bocinas donde finalmente se convierten en sonido. La alimentación de potencia le
suministra energía al sistema. La ventaja del diagrama de bloques es expresar
toda la idea y ayudar a comprender el fenómeno.
Onda de voz
Amplific
Circuito
Micrófono
Onda de sonido
Bocina
Pot.
Fig. 0.2
Fig. 0.1
0.2.3.2
Dibujo
El dibujo puede suministrar información detallada. Permite ver cómo son
realmente los circuitos. Como se muestra en la Fig. 0.2, en el circuito se incluye la
batería, un interruptor, un bombillo eléctrico y los alambres de conexión. Es fácil
de observar la operación. Cuando el interruptor se cierra, la corriente generada por
la batería hace que se encienda el bombillo de luz. Denominamos la batería como
"fuente de potencia" y al bombillo como "carga".
0.2.3.3.
Esquema
Los dibujos ayudan a observar el circuito, pero son difíciles de dibujar. En
los esquemas se utilizan símbolos simples y normalizados para expresar cada uno
de los dispositivos. Por ejemplo en la Fig. 0.3, podemos usar símbolos para
expresar en forma fácil lo mismo de la Fig. 0.2. Cada dispositivo de la Fig. 0.2
puede ser reemplazado por el símbolo correspondiente.
Ambas figuras se pueden ver en la página siguiente.
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Fig. 0.2 - Dibujo de Circuito
(a) Símbolo de bombillo
(b) Símbolo de resistencia
Fig. 0.3 - Esquemas
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Es necesario seleccionar el símbolo adecuado para describir
apropiadamente el circuito. Si se mira al bombillo de la Fig. 0.3, se ve que tiene la
característica de una resistencia, ya que se opone al movimiento de las cargas. Si
se desea enfatizar esta característica, use simplemente el símbolo de resistencia
en lugar del de un bombillo, como se muestra en la Fig. 0.3(b).
Cuando se dibuja el esquema, las líneas horizontales y verticales se unen
en ángulos rectos, como se muestra en la Fig. 0.3(b). Esto obedece a
regulaciones ya normalizadas.
0.2.3.4
Símbolos de los Esquemas
En la Tabla 0.6 se muestran los símbolos utilizados más corrientemente,
que se pueden usar adecuadamente para indicar el funcionamiento del circuito.
Abajo se indica el significado de cada símbolo, de izquierda a derecha y de
arriba hacia abajo.
(1) Batería sencilla / múltiple; Fuente de Tensión; Fuente de Corriente; Resistencia
Constante/Variable; Capacitor Constante/Variable; Inductor de núcleo de hierro/
ferromagnético. (2) bombillo; Interruptor de 1 tiro/doble tiro; Micrófono; Bocina;
Conexiones; Salto de conexión; Tierra, Fusible; (3) Interruptor termomagnético
(breaker); Amperímetro/amperímetro/ Voltímetro; Transformadores; Fuente.
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0.2.4
Teoría Atómica
La estructura atómica básica se puede representar como en la Fig. 0.4. Los
electrones giran en órbitas circulares alrededor del núcleo compuesto de protones
y neutrones. Los electrones son cargas negativas y los protones cargas positivas.
En un átomo, la cantidad de electrones y protones es la misma, bajo estado
normal. El átomo tiene carga neutra ya que los electrones y los protones tienen
igual número de cargas, que se anulan mutuamente, lo que significa que la carga
neta de un átomo es igual a cero. El núcleo tiene cargas positivas, ya que contiene
los protones o cargas positivas y los neutrones, que tienen carga neutra.
Electrón (-)
Protón (+)
Neutrón (neutro)
Fig. 0.4 - Modelo Atómico de Bohr
La estructura básica mostrada en la Fig. 0.4 se puede usar para cualquier
elemento, aunque por supuesto, cada elemento tiene una combinación única de
electrones, protones y neutrones. Por ejemplo, el átomo de Hidrógeno es el más
simple, pues contiene solamente un protón y un electrón. Sin embargo, el átomo
de cobre tiene 29 electrones, 29 protones y 35 neutrones.
Las órbitas que los electrones describen alrededor del núcleo se llaman
niveles, denominados K, L, M y N (Fig. 0.5). en cada nivel o capa puede haber un
número máximo definido de electrones. Por ejemplo en la capa K no puede haber
más de 2 electrones, 8 en la K, 18 en la M y 32 en el nivel N. Por ejemplo, el
Cobre tiene 29 electrones, con 1 solo electrón en la capa o nivel exterior
(2K+8L+18M+1N = 29). En la Fig. 0.6 se muestra esta distribución. El electrón del
nivel exterior se llama electrón de valencia.
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Núcleo
Fig. 0.5 - Estructura Atómica de los Niveles
Nivel K (2 electrones)
Electrón de valencia
Nivel de valencia
Núcleo
Nivel L
(8 electrones)
Nivel M
(18 electrones)
Fig. 0.6 - Atomo de Cobre
0.2.4.1.
Electrón Libre
Los electrones giran alrededor del núcleo con velocidad increíble. La fuerza
de atracción entre las diferentes cargas los mantienen en sus órbitas. Charles
Coulomb (1736-1806) encontró este efecto, y enunció su ley a partir de resultados
experimentales. La fuerza de atracción o repulsión entre dos cuerpos es
directamente proporcional al producto de las dos cargas e inversamente
proporcional al cuadrado de la distancia que las separa. Matemáticamente sería:
(Newtons, N)
(0.1)
Q1 y Q2 son las cargas de sendos cuerpos, r es la distancia (metros) entre los
puntos centrales de los dos cuerpos, k es 9 x 109. Cargas similares se repelen y
cargas distintas se atraen, como se muestra en la Fig. 0.7. El electrón (-) atrae a la
carga positiva del núcleo. Fig. 0.7(c).
De acuerdo con la Ley de Coulomb (Ecuación 0.1), la fuerza es
inversamente proporcional al cuadrado de la distancia, y cuando la distancia entre
las dos cargas se duplica, la fuerza se reduce en únicamente una cuarta parte del
valor original. Según esta relación, la fuerza de atracción del electrón en el nivel
exterior con respecto al núcleo es más débil que la fuerza entre los electrones del
nivel interior y el núcleo. Esto significa que los electrones exteriores tienen una
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fuerza de unión más débil, y tratarán de escaparse del átomo original cuando
obtienen suficiente energía.
Electrón
Orbita
(a) Cargas iguales
(b) Cargas diferentes
Fig. 0.7 - Las fuerzas en la Ley de Coulomb
La energía necesaria para que un electrón escape de su órbita depende de
la cantidad de electrones de valencia en la capa exterior. Si hay demasiados, se
requiere entonces muy poca energía para que escapen. Por ejemplo los
electrones de valencia en un átomo de cobre pueden escapar fácilmente al recibir
un poco de energía térmica, y pueden escapar aún a temperatura ambiente. Se
mueven de un átomo a otro, como se muestra en la Fig. 0.8 (Nota: estos
electrones no abandonan el cuerpo al cual pertenecen, sino que se mueven de un
átomo a otro del mismo cuerpo, que a su vez permanece neutro.) Estos electrones
que se mueven de un átomo a otro se llaman "electrones libres."
Fig. 0.8
Los electrones libres se
mueven libremente en el
conductor.
0.2.4.2.
Iones
Cuando un átomo neutro gana o pierde un electrón, adquirirá una carga
neta. Este átomo cargado se llama "ion". Si este átomo pierde uno o más
electrones adicionales, entonces se convierte en un ion positivo. Si gana uno o
más electrones se convierte en un ion negativo.
0.2.4.5.
Conductores, Aisladores y Semiconductores
Los materiales se pueden clasificar como conductores, aisladores o
semiconductores, a saber:
1. Conductor: Son aquellos materiales que fácilmente pueden mover una gran
cantidad de electrones. Los metales son buenos conductores, ya que poseen una
fuerza débil en los electrones de valencia. La plata, cobre, oro y aluminio son
todos buenos conductores. El cobre se puede usar en electrónica, equipo eléctrico
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y en conductores. La conductividad del aluminio es solamente 60% la del cobre,
pero sin embargo se utiliza en transmisión de potencia debido a su poco peso.
Como el oro se oxida con mayor dificultad que otros metales, se usa en uniones
eléctricas de gran precisión.
2. Aislador: Se denominan aisladores a aquellos materiales que no pueden
transferir cargas (vidrio, cerámica, plástico, caucho, etc.) Por ejemplo, el forro de
los conductores es un aislante o aislador, y evita que los alambres se toquen y
produzcan un corto. Los aisladores no pueden transferir cargas debido a que sus
niveles de valencia están completos o casi completos con electrones, por lo que
éstos están muy unidos. Sin embargo, si a estos materiales les proporcionamos
suficiente energía, los electrones se pueden saltar de la última órbita, lo que
causará una conducción eléctrica.
3. Semiconductor: Algunos materiales como el silicio y el germanio (contaminados
o "dopados" con otros materiales) tienen niveles de valencia a medio llenar. No
son ni buenos conductores ni buenos aisladores. Como sabemos, las
características tan particulares de los semiconductores los han convertido en
materiales muy importantes para la industria eléctrica. El material más importante
es el silicio o silicón (del Inglés), que se usa en transistores, diodos, circuitos
integrados y otros dispositivos eléctricos. Se usan en computadoras, VCRs,
unidades de disco compacto (CD) y en muchos otros productos de uso diario.
0.2.5.
Carga
En general, una sustancia tiene igual número de protones y electrones, por
lo que se considera neutra. Eléctricamente no está cargada. Si una carga se
mueve de una sustancia y se transfiere a otra, entonces ambas sustancias se
cargan. Cuando decimos que una sustancia está cargada, significa que tiene
cargas adicionales o que le faltan cargas. Si las tiene en exceso, entonces es un
material cargado negativamente. Si le faltan cargas, está cargado positivamente.
La carga eléctrica se expresa como Q.
Se tiene un ejemplo práctico cuando se camina sobre una alfombra de lana.
Esta acción hará que las cargas eléctricas se muevan de un material hacia otro. El
zapato y la alfombra son ambos aislantes, de tal forma que las cargas no pueden
regresar a donde proceden. Esto hace que una de las dos sustancias posea
cargas adicionales y a la otra más bien le falten cargas. En el caso que nos ocupa,
el zapato tendrá exceso de cargas, por lo que usted sufrirá un golpe eléctrico
cuando toque una superficie metálica.
La unidad de carga es el Coulombio (C), cuya definición es la carga
correspondiente a 6.24 x 1018 electrones. Cuando una sustancia neutra gana tal
cantidad de electrones, tendrá una carga de -1C, y si pierde esa misma cantidad
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de electrones, obtendrá una carga positiva de +1C. Un electrón tendrá entonces
una carga de 1/(6.24 x 1018) = 1.6 x 10-19 C.
Ejemplo 0.2:
A una sustancia neutra se le retiran 1.7 C cargas, y luego gana 18.7 x 10 11
electrones. ¿Cuál es la carga final de esta sustancia?
Respuesta:
La sustancia es inicialmente neutra, lo que significa que Q inicial = 0V, y cuando se
le retiran 1.7 C de carga, se carga positivamente con 1.7 C. Cuando se le agregan
1.87 x 1011 electrones, adquiere 1.87 x 1011 electrones x (1 Coulombio) / (6.24 x
1018 electrones) = 0.3 C de carga negativa..
La carga final será entonces: Q fin = 1.7 C - 0.3 C = +1.4 C.
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0.3.
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Resumen
Puntos clave:
1. Unidades SI
2. Notación científica y de ingeniería
3. Diagramas de circuitos
(1) de bloques
(2) dibujo
(3) esquemático
(4) símbolos en los diagramas
4. Teoría atómica
(1) electrón libre
(2) Ion
(3) Conductor, aislador y semiconductor
5. Carga.
0.4 Problemas
1. Convierta las siguientes cantidades:
(1) 100 pies cuadrados a metros cuadrados
(2) 1 pie cuadrado a metros cuadrados
(3) 1.2 metros x 70 centímetros a metros cuadrados (m 2)
(4) 47 libras a Newtons
(5) 35 hp (caballos) a Watts
(6) 1380 radianes/hr a grados/s.
2. El consumo de su automóvil es de 27 millas/ galón (US). ¿Cuál es el consumo
en kilómetros/litro?
3. Use la medida de mil circular para determinar el área de los siguientes
conductores:
(1) Un alambre circular con diámetro de 0.016 pulgadas
(2) Un alambre de sección circular con diámetro de 2.0 mm
(3) Una barra rectangular con un área de 0.25 x 6.0 pulgadas.
4. La resistencia de un conductor de aluminio a temperatura ambiente es de 50ºC.
Determine la resistencia del conductor a -30ºC y a 200ºC
5. Los alambres de uso doméstico AWE están diseñados para trabajar entre -140
y 90ºC. Calcule la resistencia en un circuito de 200 pies de longitud con las
mismas temperaturas (1 pie circuito es igual a dos veces la longitud del alambre
que se carga).