Electrotecnia. ENAE0108 E-Book

Ramón Guerrero Pérez

• Herausgeber: IC Editorial
• Kategorie: Wissenschaft und neue Technologien
• Sprache: Spanisch

Seitenzahl: 291

Veröffentlichungsjahr: 2024

Beschreibung

Libro especializado que se ajusta al desarrollo de la cualificación profesional y adquisición del certificado de profesionalidad "ENAE0108 - MONTAJE Y MANTENIMIENTO DE INSTALACIONES SOLARES FOTOVOLTAICAS". Manual imprescindible para la formación y la capacitación, que se basa en los principios de la cualificación y dinamización del conocimiento, como premisas para la mejora de la empleabilidad y eficacia para el desempeño del trabajo.

Leseprobe

 

ElectrotecniaENAE0108

Ramón Guerrero Pérez

iceditorial

Electrotecnia. ENAE0108

© Ramón Guerrero Pérez

1ª Edición

© IC Editorial, 2024

Editado por: IC Editorial

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ISBN: 978-84-1184-424-6

Presentación del manual

El Certificado de Profesionalidad es el instrumento de acreditación, en el ámbito de la Administración laboral, de las cualificaciones profesionales del Catálogo Nacional de Cualificaciones Profesionales adquiridas a través de procesos formativos o del proceso de reconocimiento de la experiencia laboral y de vías no formales de formación.

El elemento mínimo acreditable es la Unidad de Competencia. La suma de las acreditaciones de las unidades de competencia conforma la acreditación de la competencia general.

Una Unidad de Competencia se define como una agrupación de tareas productivas específica que realiza el profesional. Las diferentes unidades de competencia de un certificado de profesionalidad conforman la Competencia General, definiendo el conjunto de conocimientos y capacidades que permiten el ejercicio de una actividad profesional determinada.

Cada Unidad de Competencia lleva asociado un Módulo Formativo, donde se describe la formación necesaria para adquirir esa Unidad de Competencia, pudiendo dividirse en Unidades Formativas.

El presente manual desarrolla la Unidad Formativa UF0149: Electrotecnia,

perteneciente al Módulo Formativo MF0835_2: Replanteo de instalaciones solares fotovoltaicas,

asociado a la unidad de competencia UC0835_2: Replantear instalaciones solares fotovoltaicas,

del Certificado de Profesionalidad Montaje y mantenimiento de instalaciones solares fotovoltaicas

Índice

Portada

Título

Copyright

Presentación del manual

Bloque 1Electricidad y electromagnetismo

Capítulo 1Naturaleza de la electricidad

1. Introducción

2. Concepto y leyes básicas

3. Propiedades y aplicaciones

4. Corriente eléctrica

5. Magnitudes eléctricas (energía, potencia, tensión, intensidad, frecuencia, factor de potencia, impedancia, resistencia, reactancia, etc.)

6. Resumen

Ejercicios de repaso y autoevaluación

Capítulo 2Magnetismo y electromagnetismo

1. Introducción

2. Conceptos y leyes básicas

3. Circuitos magnéticos y conversión de la energía

4. Magnitudes Magnéticas (flujo magnético, intensidad magnética, reluctancia, etc.)

5. Resumen

Ejercicios de repaso y autoevaluación

Capítulo 3Circuitos eléctricos

1. Introducción

2. Circuitos de corriente continua

3. Circuitos monofásicos y trifásicos de corriente alterna

4. Estructura y componentes

5. Simbología y representación gráfica

6. Análisis de circuitos

7. Resumen

Ejercicios de repaso y autoevaluación

Capítulo 4Redes eléctricas de baja tensión

1. Introducción

2. Propiedades y aplicaciones

3. Descripción de componentes fundamentales (circuitos de generación, circuitos de control y servicios auxiliares)

4. Esquemas eléctricos de baja tensión. Normativa. Dispositivos de maniobra, corte y protección

5. Resumen

Ejercicios de repaso y autoevaluación

Capítulo 5Centros de transformación

1. Introducción

2. Propiedades y aplicaciones

3. Disposiciones habituales

4. Esquemas

5. Tipos y funciones de las celdas de media tensión

6. Dispositivos de maniobra, corte y protección

7. Alumbrado, señalización, seguridad y ventilación

8. Resumen

Ejercicios de repaso y autoevaluación

Capítulo 6Pilas y acumuladores

1. Introducción

2. Principio de operación

3. Aspectos constructivos y tecnológicos

4. Propiedades y aplicaciones

5. Clasificación y tipología

6. Características físico/químicas y técnicas

7. Resumen

Ejercicios de repaso y autoevaluación

Capítulo 7Medidas de magnitudes eléctricas

1. Introducción

2. Procedimiento

3. Instrumentos de medida

4. Errores de medida

5. Resumen

Ejercicios de repaso y autoevaluación

Capítulo 8Protecciones de la instalación eléctrica

1. Introducción

2. Normativa

3. Medidas de protección

4. Resumen

Ejercicios de repaso y autoevaluación

Capítulo 9Seguridad eléctrica

1. Introducción

2. El riesgo y los accidentes eléctricos

3. Los efectos de la corriente sobre el cuerpo humano

4. Normas de trabajo en instalaciones eléctricas

5. Resumen

Ejercicios de repaso y autoevaluación

Capítulo 10Reglamento electrotécnico de baja y media tensión

1. Introducción

2. Reglamento Electrotécnico para Baja Tensión (REBT)

3. Reglamento sobre condiciones técnicas y garantías de seguridad en instalaciones eléctricas de alta tensión y sus Instrucciones Técnicas Complementarias (RAT)

4. Reglamento de líneas eléctricas de alta tensión (RLAT)

5. Resumen

Ejercicios de repaso y autoevaluación

Bloque 2Máquinas eléctricas estáticas y rotativas

Capítulo 1Generadores

1. Introducción

2. Tipos de generadores (dinamos y alternadores)

3. Dinamos

4. Máquina asíncrona

5. Máquina síncrona

6. Protección de generadores

7. Resumen

Ejercicios de repaso y autoevaluación

Capítulo 2Transformadores

1. Introducción

2. Transformadores de tensión y transformadores de medida

3. Principio de operación

4. Aspectos constructivos y tecnológicos

5. Modelos teóricos

6. Resumen

Ejercicios de repaso y autoevaluación

Capítulo 3Motores eléctricos

1. Introducción

2. Motores de corriente continua

3. Motores de corriente alterna (máquina síncrona y asíncrona)

4. Resumen

Ejercicios de repaso y autoevaluación

Bloque 3Electrónica

Capítulo 1Electrónica básica

1. Introducción

2. Estudio de las características de los componentes electrónicos

3. Resistencias, condensadores, diodos, bobinas, amplificadores operacionales, circuitos integrados, convertidores analógicos y digitales, etc.

4. Dispositivos semiconductores de potencia

5. Simbología

6. Resumen

Ejercicios de repaso y autoevaluación

Capítulo 2Circuitos electrónicos

1. Introducción

2. Teoría de funcionamiento de circuitos analógicos y digitales básicos

3. Esquemas de representación

4. Resumen

Ejercicios de repaso y autoevaluación

Capítulo 3Circuitos convertidores electrónicos de potencia convencionales

1. Introducción

2. Rectificador monofásico y trifásico no controlado

3. Rectificador monofásico y trifásico controlado (tiristores, PWM con IGBT)

4. Inversor monofásico y trifásico (tiristores, PWM)

5. Principio de operación

6. Aspectos constructivos y tecnológicos

7. Resumen

Ejercicios de repaso y autoevaluación

Bibliografía

Bloque 1

Electricidad y electromagnetismo

Contenido

1. Naturaleza de la electricidad

2. Magnetismo y electromagnetismo

3. Circuitos eléctricos

4. Redes eléctricas de baja tensión

5. Centros de transformación

6. Pilas y acumuladores

7. Medidas de magnitudes eléctricas

8. Protecciones de la instalación eléctrica

9. Seguridad eléctrica

10. Reglamento electrotécnico de baja y media tensión

Capítulo 1

Naturaleza de la electricidad

Contenido

1. Introducción

2. Concepto y leyes básicas

3. Propiedades y aplicaciones

4. Corriente eléctrica

5. Magnitudes eléctricas (energía, potencia, tensión, intensidad, frecuencia, factor de potencia, impedancia, resistencia, reactancia, etc.)

6. Resumen

1. Introducción

A diario nos encontramos con que un objeto situado sobre una mesa no se caiga, que los sólidos y líquidos tengan una forma y volumen propios, la existencia de fuerzas como el rozamiento, la viscosidad etc., que suelen ser explicados por teorías y razonamientos que no arrojan luz sobre la naturaleza de las fuerzas que originan estos fenómenos.

En realidad, las fuerzas que dan lugar a estos sucesos tan diferentes tienen una naturaleza común: responden a interacciones eléctricas y magnéticas.

2. Concepto y leyes básicas

La electricidad es, con diferencia, la forma de energía más utilizada. Para comprender esta afirmación es fundamental conocer y entender en qué consiste realmente, así como las leyes básicas que la rigen.

2.1. El átomo y la carga eléctrica

La materia está constituida por átomos, los cuales tienen su carga positiva alojada en el núcleo. Las partículas responsables de la carga positiva se denominan protones y se sitúan en el núcleo junto con los neutrones (partículas sin carga). Por otro lado, en la corteza del átomo, se encuentran los electrones.

Estas partículas son las responsables de la carga negativa de los cuerpos. Se dice que un átomo es neutro (sin carga) cuando presenta el mismo número de protones que de electrones.

Cuando un cuerpo está cargado con carga positiva o negativa, significa que ha perdido o ganado electrones respectivamente. Estas pérdidas o ganancias de electrones se deben a interacciones con otros cuerpos, como puede ser el rozamiento.

Sabía que…

Sobre el año 600 a. C., el antiguo filósofo griego Thales de Mileto demostró, con ámbar, la propiedad de la atracción de los cuerpos cuando son fuertemente frotados.

2.2. Ley de Coulomb

Desde el siglo XVI, fecha en la cual se comenzó a estudiar de un modo sistemático la existencia de la electricidad, se realizaron múltiples experimentos que permitieron establecer la idea de que dos cuerpos cargados experimentaban entre sí fuerzas de atracción (cargas contrarias) o de repulsión (cargas iguales).

Sabía que…

La unidad de medición de la carga eléctrica es el culombio (C), siendo la del electrón: Qe= 1.6 x 10-19 C, o lo que es lo mismo: 0,00000000000000000016 C.

La cuantificación de estas fuerzas fue enunciada (en el siglo XVIII) por el francés Charles Augustín de Coulomb que, gracias a una serie de experimentos, llegó a la siguiente conclusión:

Aplicación práctica

Aplique la ley de Coulomb para calcular la fuerza de repulsión entre dos cargas positivas (0,0002 C y 0,0004 C respectivamente) separadas estas 2 m.

SOLUCIÓN

Aplicando la ley de Coulomb:

Ambas cargas se repelarán con una fuerza de 180 Newton (180 N).

Las investigaciones realizadas en el campo de la electricidad a partir del enunciado de esta ley permitieron que se descubriera tanto la existencia del electrón como los modelos que demostraron la naturaleza eléctrica de la materia.

Recuerde

La fuerza de atracción o repulsión entre dos cuerpos cargados (positiva o negativamente) aumenta con la carga de los mismos y disminuye al incrementar la distancia que los separa.

3. Propiedades y aplicaciones

Hasta ahora se puede afirmar que la esencia de la electricidad es la carga eléctrica, existiendo dos clases distintas: la positiva y la negativa.

Así pues, la carga eléctrica depende de la pérdida o ganancia de electrones, por lo que un cuerpo estará cargado negativamente si posee un exceso de electrones y, positivamente, en caso contrario.

3.1. Propiedades de la carga eléctrica

Las deducciones relacionadas con la carga eléctrica hicieron posible que se pudieran establecer dos propiedades fundamentales de la carga eléctrica: la cuantización y la conservación.

La carga eléctrica no puede darse en una cantidad numérica cualquiera, sino en múltiplos de una unidad fundamental conocida como cuanto. Esto significa que la carga eléctrica de un cuerpo no puede adquirir un valor cualquiera, sino únicamente múltiplos enteros del valor de la carga del electrón.

Esto explica la primera propiedad de la carga eléctrica: la cuantización, ya que, al depender del número de electrones captados o perdidos, el valor de la carga de un cuerpo es siempre múltiplo de la carga de un electrón.

Por otro lado, el principio de conservación de la carga eléctrica establece que no existe creación ni destrucción neta de la carga eléctrica, afirmando que, en todo proceso de naturaleza electromagnética la totalidad de la carga de un sistema aislado se conserva. Esto significa que, la carga no se crea ni se destruye: se transmite de un cuerpo a otro con el paso de los electrones.

3.2. Aplicaciones de la electricidad

En la actualidad, le energía eléctrica se usa para fabricar la casi absoluta totalidad de los objetos que se utilizan y está presente en toda actividad imaginable de la vida cotidiana. Es esencial para la sociedad actual y es la fuente energética (junto con el petróleo) más importante que existe.

La electricidad es la fuente de energía más utilizada.

Recuerde

El valor de la carga de un cuerpo es siempre múltiplo de la carga de un electrón.

Es imposible enumerar todas las aplicaciones de la electricidad, ya que se ha hecho imprescindible en campos tan extensos como la medicina, las telecomunicaciones, la producción de frío y calor, la iluminación, etc.

4. Corriente eléctrica

Cuando se extraen los electrones y son transportados de un lugar a otro a lo largo de un medio, como puede ser mediante un cable o hilo conductor, se origina lo que se denomina como corriente eléctrica, donde los electrones se mueven como consecuencia de la atracción de un cuerpo cargado positivamente (neutro).

Es posible que exista corriente eléctrica fuera de un conductor, como puede ser el flujo de electrones que se produce en el tubo de imagen de una televisión.

Sabía que…

Los metales son buenos conductores de la electricidad porque los electrones de las capas más externas de sus átomos están poco sujetos, por lo que poseen gran movilidad.

4.1. Tipos de corriente eléctrica

Existen dos tipos fundamentales de corriente eléctrica: la corriente continua (CC) y la alterna (CA):

Corriente continua (CC):

se denomina corriente continua al flujo de electrones, a través de un conductor, en un mismo sentido (del polo positivo al negativo). Este tipo de corriente es generada normalmente por objetos de pequeño voltaje y recargables, como baterías de móviles, pilas, etc.

Corriente alterna (CA):

aquí los electrones no circulan en un mismo sentido, cambiando continuamente tanto su magnitud como su trayectoria unas 50 veces por segundo. Este tipo de corriente es el que llega a las tomas de los hogares e industrias por ser más fácil de transportar.

5. Magnitudes eléctricas (energía, potencia, tensión, intensidad, frecuencia, factor de potencia, impedancia, resistencia, reactancia, etc.)

5.1. Tensión (V)

Cuando dos cuerpos con diferentes cargas se ponen en contacto, se origina entre ellos una circulación de electrones (desde el que tenga mayor carga negativa) que finaliza cuando las cargas de ambos cuerpos queda igualada. Al unir estos objetos, se establece entre ellos lo que se denomina como una diferencia de potencial o tensión.

La unidad de la tensión es el voltio (V) y suele medirse con un dispositivo denominado voltímetro.

5.2. Energía (E) o fuerza electromotriz (f.e.m.)

Para cargar un cuerpo es necesario producir un exceso o un defecto de electrones, siendo necesario un aporte energético. Esta energía se denomina fuerza electromotriz (f.e.m.) y suele medirse también en voltios (V).

5.3. Potencia (P)

La potencia eléctrica se mide como energía por unidad de tiempo. Expresa la energía consumida o transportada en un intervalo de tiempo concreto. Se mide en vatios (W).

5.4. Intensidad (I)

La intensidad se expresa como la cantidad de electrones que fluyen a lo largo de un conductor por unidad de tiempo. Su unidad es el amperio (A) y para medirla se utiliza el amperímetro.

5.5. Resistencia (R)

La resistencia eléctrica expresa la oposición que ofrece un cuerpo al paso de la corriente eléctrica a través de él. La unidad de esta magnitud es el ohmio (Ω). En el caso de las resistencias, este término es equivalente a la impedancia.

5.6. Frecuencia (F)

Una señal alterna cambia continuamente de sentido describiendo, por lo general, una trayectoria senoidal:

Señal senoidal seguida por una señal de corriente alterna

En la imagen anterior, se muestra una gráfica que relaciona la tensión y el tiempo de una señal alterna. Como se puede ver, la tensión varía con el tiempo pero su forma de onda se repite de modo cíclico.

La frecuencia eléctrica es una magnitud que mide el número de ciclos por segundo, es decir, la cantidad de oscilaciones de una señal alterna por unidad de tiempo. La unidad de medida de la frecuencia eléctrica es el hercio (Hz). Por ejemplo, cuando se dice que una señal alterna es de 50 Hz significa que oscila a razón de unas 50 veces cada segundo.

5.7. Factor de potencia (FP)

Al igual que la frecuencia eléctrica, el factor de potencia (FP) es una magnitud característica de la corriente alterna. Esta magnitud es un indicador de aprovechamiento de la energía eléctrica y su valor está comprendido entre 0 y 1 (0 significa un muy mal aprovechamiento eléctrico, mientras que 1 es excelente).

Recuerde

La unidad de la tensión es el voltio (V) y suele medirse con un dispositivo denominado voltímetro.

5.8. Impedancia (Z)

La impedancia expresa la oposición que ofrece un dispositivo cuando una corriente eléctrica pasa a través de él. Esta magnitud es muy útil para hacer cálculos resistivos de circuitos cuando existen otros elementos que no son resistencias, como pueden ser los condensadores y las bobinas. Se mide en Ω.

5.9. Admitancia (Y)

La admitancia simplemente es la inversa de la impedancia (Y=1/Z), por lo que expresa la facilidad del paso de la corriente (lo contrario que la impedancia). La unidad de medida es el Ω-1 (inversa del ohmio).

5.10. Reactancia

La reactancia mide la resistencia que sufre la corriente alterna cuando pasa por un inductor (bobina) o capacitor (condensador). Cuando se refiere a una bobina se denomina como XL, mientras que para los condensadores se expresa como XC. Esta unidad también se mide en Ω, ya que la reactancia es equivalente a la impedancia únicamente en los elementos (reactivos) enunciados.

5.11. Densidad de corriente

Esta magnitud es de tipo vectorial (tiene un valor, dirección y sentido) y generalmente se suele definir como la corriente media por unidad de área (sección trasversal) que existe en un conductor. Se suele medir en A/m2, pero es habitual expresarla en A/mm2 debido al tamaño de la mayoría de los conductores eléctricos.

Recuerde

La frecuencia eléctrica es una magnitud que mide el número de ciclos por segundo.

6. Resumen

El fenómeno cuyo origen está en las cargas eléctricas, dando lugar a energía, se denomina electricidad.

La carga eléctrica depende de la pérdida o ganancia de electrones, por lo que un cuerpo estará cargado negativamente si posee un exceso de electrones y, positivamente, en caso contrario.

Existen dos tipos de corriente eléctrica: la corriente continua (generada por objetos de pequeño voltaje, como por ejemplo las pilas) y la corriente alterna (es la corriente que llega a los hogares e industrias).

Existen una serie de magnitudes eléctricas como: energía, potencia, tensión, intensidad, frecuencia, factor de potencia, impedancia, resistencia, reactancia, etc., que es importante tener claras para entender mejor la naturaleza de la electricidad.

Ejercicios de repaso y autoevaluación

1. Cuando un cuerpo está cargado positivamente significa…

a. … que ha ganado protones y electrones.

b. … que ha perdido electrones.

c. … que ha perdido protones y ha ganado electrones.

d. … que ha ganado protones y ha perdido electrones.

2. Complete la frase:

Los neutrones son partículas sin ________ alojadas en el __________ del átomo.

3. La luz de una linterna está producida por…

a. … corriente alterna.

b. … corriente continua.

c. … baterías de corriente alterna.

d. Las opciones a y c son correctas.

4. Si una señal de corriente alterna posee una frecuencia de 50 Hz, eso significa…

a. … que, como máximo, su intensidad será de 50 A.

b. … que la señal puede oscilar 50 veces por minuto.

c. … que el 50 % de la energía aportada se transforma en calor.

d. … que su magnitud y sentido oscila unas 50 veces al segundo.

5. Señale si las siguientes oraciones son verdaderas o falsas.

a. La intensidad es una magnitud eléctrica que indica la cantidad de átomos por unidad de tiempo que fluyen por un conductor.

Verdadero

Falso

b. Un FP de 0,9 indica que se aprovecha un 90 % de la energía suministrada.

Verdadero

Falso

c. La fuerza con la que se repelen dos cargas positivas depende, entre otras cosas, de la distancia a la que se encuentren.

Verdadero

Falso

Capítulo 2

Magnetismo y electromagnetismo

Contenido

1. Introducción

2. Conceptos y leyes básicas

3. Circuitos magnéticos y conversión de la energía

4. Magnitudes Magnéticas (flujo magnético, intensidad magnética, reluctancia, etc.)

5. Resumen

1. Introducción

Los primeros fenómenos magnéticos observados fueron relacionados con algunos minerales de hierro, como el imán (variedad de magnetita).

La aplicación pionera del magnetismo fue la fabricación de la brújula (aguja imantada). El hecho de que una brújula, situada en cualquier parte de la tierra, indique siempre hacia el Norte demuestra que la tierra es un enorme imán cuyos dos polos magnéticos se encuentran muy próximos a los polos geográficos, aunque no son coincidentes.

2. Conceptos y leyes básicas

Aunque existe una relación muy estrecha entre la electricidad y el magnetismo, es importante tener en cuenta que ambas fuerzas son totalmente distintas. A continuación, se estudiarán los principios básicos que definen al magnetismo, así como a la rama de la física que estudia la relación entre los fenómenos eléctricos y magnéticos: el electromagnetismo.

2.1. Magnetismo y electromagnetismo

El magnetismo tiene que ver con las fuerzas de atracción y repulsión que se dan lugar tanto en los imanes como en los materiales ferromagnéticos, mientras que el electromagnetismo estudia los fenómenos magnéticos originados por el paso de la corriente eléctrica.

Si se tomara un imán y se acercara a diferentes objetos metálicos, se comprobaría que no todos estos metales son atraídos por el imán. Únicamente, los que sean de hierro o acero (el cobalto y el níquel también tienen esta propiedad). A estos materiales se les denomina ferromagnéticos.

Magnetismo

El fenómeno del magnetismo fue conocido por los antiguos griegos hace ya más de 2000 años, donde observaron que ciertos materiales (imanes) eran capaces de atraer objetos pequeños de hierro.

Un imán es un objeto con campo magnético que posee dos partes diferenciadas llamadas polos: polo norte (N) o polo sur (S). Igual que las cargas eléctricas del mismo signo se repelen, si se acercaran dos imanes por un mismo polo se repelerían, mientras que se atraerían al aproximarse por los polos opuestos.

Existe una diferencia respecto a las cargas eléctricas, ya que los polos magnéticos no existen aislados, es decir, no se pueden dar de forma separada. Esto se traduce en que las líneas de campo magnético son siempre cerradas (del polo norte al polo sur).

Por ejemplo, si se partiera un imán justo por la línea que separa los polos N y S, no se obtendría un polo N y otro S de forma aislada, sino dos imanes más pequeños cada uno con sus respectivos polos.

Sabía que…

El nombre de magnetismo proviene de la provincia griega Magnesia, donde se pueden localizar los yacimientos más importantes de magnetita, un mineral que presenta propiedades magnéticas muy notables.

Ejemplo

A continuación, se propone una actividad práctica que ayudará a visualizar la forma que presentan las líneas de campo magnético de un imán. Consiste en colocar, sobre una superficie aislante (madera, papel, etc.), un imán y, a su alrededor, pequeñas limaduras de hierro muy finas. ¿Qué es lo que ocurre?

SOLUCIÓN

Inmediatamente, se observa que las limaduras de hierro adoptan una orientación concreta que coincide con la forma de las líneas de campo magnético que genera el imán:

Imán con limaduras de hierro

La siguiente imagen representa, de forma aproximada, un esquema de la dirección y sentido que presentan las líneas de campo magnético de un imán. Como se puede comprobar, existen muchas similitudes con la práctica realizada:

Electromagnetismo

El electromagnetismo es una rama de la física que estudia los fenómenos eléctricos y magnéticos de forma unificada.

Si se espolvorearan limaduras de hierro, por ejemplo, sobre una hoja de papel que es atravesada por un conductor donde circula una corriente eléctrica, se observaría que las limaduras se orientarían circularmente alrededor del conductor:

Ejemplo de electromagnetismo formado por limaduras de hierro

Este hecho explica que cuando un conductor es atravesado por una corriente eléctrica genera alrededor un campo magnético. La intensidad del campo magnético generado dependerá directamente de la intensidad de la corriente que circule por el conductor.

El descubrimiento del electromagnetismo fue un hecho muy importante ya que, gracias a la corriente eléctrica, se conseguirían generar campos magnéticos más intensos que los generados por imanes.

2.2. Leyes básicas

Existen algunas leyes básicas que describen, de manera muy singular, algunos aspectos del electromagnetismo. Estas son: Ley de Biot y Savart, Teorema de Ampère y Ley de Fraraday.

Ley de Biot y Savart

Jean Baptiste Biot (1774-1862) y el médico Félix Savart (1791-1841) descubrieron, mediante una serie de experimentos, una expresión que permitiría calcular la intensidad del campo magnético generado por un circuito eléctrico.

Teorema de Ampère

La ley establece que el elemento de corriente infinitesimal en un conductor produce un campo magnético en un punto a una distancia r del conductor. La dirección y magnitud del campo magnético están dadas por la regla de la mano derecha. Esta ley se expresa mediante:

André Marie Ampère (1755-1835) enunció un teorema que permitiría establecer el valor de la intensidad del campo magnético generada por conductores que presentaran cierta simetría (por la que circularía una corriente eléctrica).

Recuerde

El electromagnetismo es una rama de la física que estudia los fenómenos eléctricos y magnéticos de forma unificada.

Ley de Faraday

Hacia 1870, Michael Faraday descubrió que, si existía una variación de flujo magnético sobre un circuito (por ejemplo, acercándole un imán), se produciría, en este, una corriente eléctrica. Este fenómeno se denomina inducción electromagnética y es el principio de funcionamiento de las máquinas eléctricas.

3. Circuitos magnéticos y conversión de la energía

Un circuito magnético es el camino que va de un polo magnético a otro cuando se establecen, entre ellos, líneas magnéticas. Aunque la definición de este tipo de circuitos sea similar a la de los circuitos eléctricos, existe entre ellos un diferencia esencial, y es que por el circuito eléctrico no tiene por qué pasar corriente (circuito abierto), mientras que en los magnéticos siempre se establecen líneas magnéticas, ya que no existe ningún material aislante del magnetismo (por el contrario, sí existen materiales aislantes de la electricidad).

Existen dos tipos fundamentales de circuitos magnéticos: los homogéneos y los heterogéneos. En los circuitos homogéneos, el flujo magnético es constante en todo el recorrido ya que, tanto las sustancias como las secciones que lo componen son iguales en todo el circuito. En cambio, en los circuitos heterogéneos, existe una irregularidad para estas variables, por lo que la inducción magnética no es la misma en todo el trayecto.

La principal aplicación de este tipo de circuitos se localiza en la fabricación de generadores y motores. Este tipo de dispositivos son máquinas eléctricas que se encargan de transformar la energía mecánica (movimiento) en eléctrica o viceversa. Esta conversión energética es el principio de operación de las máquinas eléctricas rotativas.

Recuerde

Existen dos tipos fundamentales de circuitos magnéticos: los homogéneos y los heterogéneos.

4. Magnitudes Magnéticas (flujo magnético, intensidad magnética, reluctancia, etc.)

Gracias a las magnitudes magnéticas es posible cuantificar y calcular diversos parámetros relacionados con este tipo de fuerza. Las más importantes son: la intensidad magnética, el flujo magnético, la fuerza magnetomotriz y la reluctancia.

4.1. Intensidad Magnética (B)

Esta magnitud expresa numéricamente lo densas o concentradas que son las líneas de fuerza en una zona concreta del campo magnético. La unidad de esta magnitud es la tesla (T).

4.2. Flujo magnético (Φ)

Generalmente, el campo magnético se representa mediante una serie de líneas de fuerza. Precisamente, la cantidad de estas líneas es lo que se denomina flujo magnético. Se representa por la letra griega Φ y su unidad es el weber (Wb).

Dada una superficie (S) donde actúa un campo magnético (B), la expresión del cálculo de flujo (Φ) viene dada por la expresión:

Donde S está expresada en m2.

4.3. Fuerza magnetomotriz (F)

La fuerza magnetomotriz expresa la capacidad que tiene una bobina para generar líneas de fuerza magnéticas. Esta fuerza es mayor cuanto mayor sea tanto el número de espiras que presente como la intensidad que la recorra. Su unidad son los amperios-vuelta (Av).

El cálculo de esta magnitud viene dado por la fórmula:

Donde N es el número de espiras de la bobina e I es la corriente (en A) que la recorre.

Definición

Bobina

Es un dispositivo que consiste en un hilo de cobre enrollado. Es capaz de almacenar energía a través de un campo magnético que genera, la cual dependerá, entre otras cosas, del número de espiras (vueltas) que presente el hilo (a más vueltas, más energía).

4.4. Reluctancia (R)

Esta magnitud caracteriza a los materiales magnéticos y expresa la oposición que presentan los mismos cuando se encuentran influenciados por un campo magnético. Se mide en amperios-vuelta / Weber (Av / Wb).

Mediante esta expresión se puede calcular fácilmente la reluctancia conociendo la fuerza magnetomotriz (F) y el flujo magnético Φ. Esta ley se denomina Ley de Hopkinson y es análoga a la Ley de Ohm de los circuitos eléctricos:

Aplicación práctica

Calcule la reluctancia de una bobina de 20 espiras (N =20), recorrida por una intensidad de 2 A y sometida a un flujo magnético (Φ) de 10 Wb.

SOLUCIÓN

Para poder calcular la reluctancia, es necesario conocer la fuerza magnetomotriz de la espira:

Una vez conocida la fuerza magnetomotriz, es posible calcular la reluctancia:

La espira tiene una reluctancia de 4 Av/Wb

5. Resumen

El magnetismo estudia las fuerzas de atracción y repulsión que existen entre ciertos materiales (ferromagnéticos), mientras que el electromagnetismo relaciona los fenómenos eléctricos y magnéticos de forma conjunta.

Existen algunas leyes básicas que describen algunos aspectos del electromagnetismo, como: Ley de Biot y Savart, Teorema de Ampère y Ley de Faraday.

Un circuito magnético es el camino que va de un polo magnético a otro cuando se establecen, entre ellos, líneas magnéticas. Existen dos tipos fundamentales de circuitos magnéticos: los homogéneos y los heterogéneos.

Las magnitudes magnéticas más importantes son: la intensidad magnética, el flujo magnético, la fuerza magnetomotriz y la reluctancia.

Ejercicios de repaso y autoevaluación

1. Una bobina es un elemento que…

a. … es capaz de producir corriente eléctrica.

b. … es capaz de almacenar energía.

c. … se utiliza en circuitos de corriente continua.

d. … no deja pasar la corriente eléctrica.

2. Complete la frase:

El electromagnetismo es una rama de la _________ que unifica los fenómenos ___________ y magnéticos.

3. Michael Faraday descubrió…

a. … que las líneas del campo magnético son cerradas.

b. … que la tierra, en realidad se comporta como un inmenso imán.

c. … la posibilidad de generar corriente eléctrica en un conductor por variación del flujo magnético.

d. … un teorema que permitiría calcular el valor de la intensidad del campo magnético en zonas concretas de un circuito cerrado.

4. Si se rompiese un imán justo por la zona que separa los dos polos se obtendrían…

a. … dos imanes independientes.

b. … dos materiales incapaces de generar campo magnético alguno.

c. … dos polos (N y S) independientes.

d. … dos metales cargados eléctricamente.

5. Calcule el flujo magnético en una superficie de 0,5 m2 sobre la que actúa un campo magnético de intensidad 10 T .

Capítulo 3

Circuitos eléctricos

Contenido

1. Introducción

2. Circuitos de corriente continua

3. Circuitos monofásicos y trifásicos de corriente alterna

4. Estructura y componentes

5. Simbología y representación gráfica

6. Análisis de circuitos

7. Resumen

1. Introducción

El campo del diseño y la implantación de circuitos trata de la utilización de componentes eléctricos y electrónicos para realizar funciones específicas. Estos componentes son dispositivos que presentan determinadas relaciones entre las magnitudes de tensión y corriente que existen entre sus terminales.

Un circuito consiste en la interconexión eléctrica de componentes electrónicos, generalmente mediante un hilo o cable conductor, con el propósito de que realicen una función específica.

2. Circuitos de corriente continua

Todo circuito tiene que estar alimentado por una fuente de energía, que es la que suministra la corriente eléctrica que permite el funcionamiento del circuito. Los circuitos de corriente continua son alimentados por una fuente de tensión que aporta una corriente directa invariable en el tiempo denominada corriente continua. En este tipo de circuitos, el sentido de los electrones es siempre el mismo y se suelen utilizar en aplicaciones que requieran un voltaje relativamente pequeño.

Todo circuito eléctrico debe presentar, además de la fuente de energía o alimentación (y de los elementos conductores de interconexión), un elemento denominado carga. La carga es un dispositivo encargado de transformar la energía eléctrica en trabajo. En los circuitos de corriente continua, la carga suele ser resistiva (resistencia).

3. Circuitos monofásicos y trifásicos de corriente alterna

La corriente alterna tiene una clara ventaja respecto a la continua, ya que la primera puede ser transportada a grandísimas tensiones y distancias sin experimentar pérdidas energéticas notables.

Este tipo de circuitos son los que constituyen las instalaciones eléctricas en los hogares y sin ella no se podrían utilizar los aparatos eléctricos que se manipulan día a día.

Además de las resistencias, este tipo de circuitos suele presentar otros tipos de cargas: inductivas (bobinas), capacitivas (condensadores), etc.

Los circuitos alimentados por una única señal alterna se denominan monofásicos, aunque los más usados en la industria son los llamados circuitos trifásicos de corriente alterna.

Sabía que…

Más del 99 % de la energía eléctrica que se utiliza es generada en forma de corriente alterna.

Un generador trifásico (fuente que alimenta los circuitos trifásicos) se puede imaginar como si estuviese formado por tres fuentes de alimentación monofásicas. Cada una de estas fuentes aporta una señal alterna o fase de igual magnitud que las demás pero desfasadas en el tiempo (medido en grados). A continuación, se muestra una gráfica que refleja la evolución de la tensión en el tiempo de una señal trifásica:

Tensión temporal de una señal trifásica

La principal ventaja de estos circuitos es el mejor control que se puede efectuar sobre cualquier carga o dispositivo conectado a una fuente alterna.

El hecho de que este tipo de corrientes aporten un beneficio económico y de rendimiento (con respecto a la corriente continua), hace que estén presentes en casi todas las aplicaciones que requieran un consumo energético de cierta importancia.

Recuerde