ESCUELA DE EDUCACIÓN TÉCNICA Nº 3 “DFS” ELECTROMECÁNICA

Mar del Plata

4er Año área Electricidad

INSTALACIONES Y APLICACIONES DE LA ENERGÍA.

Módulo 2 (Calculos)

Hoja Nº ………

Corriente eléctrica La corriente o intensidad eléctrica es el flujo de carga por unidad de tiempo que recorre un material. Se debe a un

movimiento de los electrones en el interior del material. En el Sistema Internacional de Unidades se expresa en C·s-1 (culombios sobre segundo), unidad que se denomina amperio.

Conducción eléctrica Un material conductor posee una gran cantidad de electrones libres, por lo que permite el paso de la electricidad a través del mismo. Los electrones libres, aunque existen en el material, no se puede decir que pertenezcan a algún átomo en concreto. Cuando se aplica una fuente de tensión externa a los extremos de un material conductor, se está aplicando un campo eléctrico sobre los electrones libres. Este campo provoca el movimiento de los mismos en dirección al terminal positivo del material (los electrones son atraídos por el terminal positivo y repelidos por el negativo). Por tanto, los electrones libres son los portadores de la corriente eléctrica en los materiales conductores.

Resistencia eléctrica Resistencia eléctrica es toda oposición que encuentra la corriente a su paso por un circuito eléctrico cerrado, atenuando o frenando el libre flujo de circulación de las cargas eléctricas o electrones. Cualquier dispositivo o consumidor conectado a un circuito eléctrico representa en sí una carga, resistencia u obstáculo para la circulación de la corriente eléctrica Normalmente los electrones tratan de circular por el circuito eléctrico de una forma más o menos organizada, de acuerdo con la resistencia que encuentren a su paso. Mientras menor sea esa resistencia, mayor será el orden existente en el micromundo de los electrones; pero cuando la resistencia es elevada, comienzan a chocar unos con otros y a liberar energía en forma de calor. Esa situación hace que siempre se eleve algo la temperatura del conductor y que, además, adquiera valores más altos en el punto donde los electrones encuentren una mayor resistencia a su paso

Ley de Ohm

La Ley de Ohm establece que "la intensidad de la corriente eléctrica que circula por un conductor eléctrico es directamente proporcional a la diferencia de potencial aplicada e inversamente proporcional a la resistencia del mismo", se puede expresar matemáticamente en la siguiente ecuación:

donde, empleando unidades del Sistema internacional, tenemos que:  I = Intensidad en amperios (A)  V = Diferencia de potencial en voltios (V) ó (U)  R = Resistencia en ohmios (Ω). Esta ley no se cumple, por ejemplo, cuando la resistencia del conductor varía con la temperatura, y la temperatura del conductor depende de la intensidad de corriente y el tiempo que esté circulando. La ley define una propiedad específica de ciertos materiales por la que se cumple la relación:

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Leyes de Kirchhoff de circuitos eléctricos 1.- Ley de nodos o ley de corrientes de Kirchoff

En todo nodo la suma algebraica de corrientes debe ser 0 (cero). . 2.- Ley de mallas o ley de tensiones de Kirchoff

: En toda malla la suma algebraica de las diferencias de potencial eléctrico debe ser 0 (cero).

Resistencia de los metales al paso de la corriente eléctrica Todos los materiales y elementos conocidos ofrecen mayor o menor resistencia al paso de la corriente eléctrica, incluyendo los mejores conductores. Los metales que menos resistencia ofrecen son el oro y la plata, pero por lo costoso que resultaría fabricar cables con esos metales, se adoptó utilizar el cobre, que es buen conductor y mucho más barato Con alambre de cobre se fabrican la mayoría de los cables conductores que se emplean en circuitos de baja y media tensión. También se utiliza el aluminio en menor escala para fabricar los cables que vemos colocados en las torres de alta tensión para transportar la energía eléctrica a grandes distancias Entre los metales que ofrecen mayor resistencia al paso de la corriente eléctrica se encuentra el alambre nicromo (Ni-Cr), compuesto por una aleación de 80% de níquel (Ni) y 20% de cromo (Cr). Ese es un tipo de alambre ampliamente utilizado como resistencia fija o como resistencia variable (reóstato), para regular la tensión o voltaje en diferentes dispositivos eléctricos. Además se utilizan también resistencias fijas de alambre nicromo de diferentes diámetros o grosores, para producir calor en equipos industriales, así como en electrodomésticos de uso muy generalizado Entre esos aparatos o quipos se encuentran las planchas, los calentadores o estufas eléctricas utilizadas para calentar el ambiente de las habitaciones en invierno, los calentadores de agua, las secadoras de ropa, las secadoras para el pelo y la mayoría de los aparatos eléctricos cuya función principal es generar calor

Cálculo de la resistencia eléctrica de un material al paso de la corriente

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Para calcular la resistencia ( R ) que ofrece un material al paso de la corriente eléctrica, es necesario conocer primero cuál es el coeficiente de resistividad o resistencia específica “ ” (rho) de dicho material, la longitud que posee y el área de su sección transversal A continuación se muestra una tabla donde se puede conocer la resistencia específica en materiales, a una temperatura de 20° Celsius Material

Resistividad ( · mm2 / m ) a 20º C

Aluminio

0,028

Carbón

40,0

Cobre

0,0172

Constatan

0,489

Nicromo

1,5

Plata

0,0159

Platino

0,111

Plomo

0,205

Tungsteno

0,0549

· mm2 / m, de algunos

Para realizar el cálculo de la resistencia que ofrece un material al paso de la corriente eléctrica, se utiliza la siguiente fórmula:

De donde: R = Resistencia del material en ohm ( ). = Coeficiente de resistividad o resistencia específica del material en , a una temperatura dada. l = Longitud del material en metros. s = Superficie o área transversal del material en mm2 Veamos ahora un ejemplo práctico para hallar la resistencia que ofrece al paso de la corriente eléctrica un conductor de cobre de 500 metros de longitud. Como la “fórmula 1” exige utilizar el valor del área del alambre del conductor, si no tenemos ese dato a mano, habrá que medir primero el diámetro del alambre de cobre con un calibre, teniendo cuidado de no incluir en la medida el forro aislante, porque de lo contrario se obtendría un dato falseado. En el caso de este ejemplo, el supuesto diámetro de la parte metálica del conductor, una vez medido con el calibre, será de 1,6 mm. Para hallar a continuación el área del conductor de cobre, será necesario utilizar la siguiente fórmula

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De donde: A = Área de la circunferencia de la parte metálica del conductor (el alambre cobre en este caso). = Constante matemática “pi”, equivalente a 3,1416 r = Radio de la circunferencia. Antes de comenzar a sustituir los valores en la fórmula, tenemos que hallar cuál es el radio ( r ) de la circunferencia del alambre de cobre. Como ya medimos su diámetro ( d ) con el calibre y sabemos también que el radio siempre es igual a la mitad de esa medida, realizamos el siguiente cálculo:

Elevamos después al cuadrado el valor del radio hallado, para lo cual multiplicamos el número resultante de la operación (0,8 mm) por sí mismo: 0,8 mm · 0,8 mm = 0,64 mm2 Sustituimos seguidamente, en la fórmula, el resultado de este valor y lo multiplicamos por el valor de " " ( pi ) .

A = 3,1416 · 0,64 mm2 A = 2 mm2 Por tanto, una vez finalizada esta operación, obtenemos que el valor del área del alambre de cobre es igual a 2 mm2. A continuación procedemos a sustituir valores en la fórmula , para hallar la resistencia que ofrece al paso de la corriente el conductor de alambre de cobre del ejemplo que estamos desarrollando: = 0,0172 · mm2 / m (coeficiente de resistencia específica del cobre, de acuerdo con la tabla de valores más arriba expuesta) l = 500 metros (longitud del alambre de cobre) s = 2 mm2 (área del alambre de cobre) Sustituyendo estos valores ahora en la fórmula, tendremos:

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Efectos de la temperatura sobre el valor de resistencia Influencia de la temperatura La variación de la temperatura produce una variación en la resistencia. En la mayoría de los metales aumenta su resistencia al aumentar la temperatura, por el contrario, en otros elementos, como el carbono o el germanio la resistencia disminuye. Experimentalmente se comprueba que para temperaturas no muy elevadas, la resistencia a un determinado valor de t ( ), viene dada por la expresión:

donde   

= Resistencia de referencia a 20 °C. = coeficiente de temperatura. = Diferencia de temperatura respecto a los 20 °C (t-20).

Tabla de coeficientes de variación de resistencia por grado de temperatura. Material

Α

Material

Α

Aluminio

0.0039

Plata

0.0038

Manganita

Nulo

Estaño

0.0042

Advance

0.00002

Platino

0.0025

Mercurio

0.00089

Hierro

0.0052

Bronce fosforoso

0.002

Plomo

0.0037

Nicromio

0.00013

Kruppina

0.0007

Carbón

0.0005

Tungsteno

0.0041

Níquel

0.0047

Latón

0.002

Niquelina

0.0002

Wolframio

0.0045

Cobre

0.00382

Oro

0.0034

Potencia eléctrica La potencia eléctrica se define como la cantidad de energía eléctrica o trabajo, que se transporta o que se consume en una determinada unidad de tiempo. Si la tensión se mantiene constante, la potencia es directamente proporcional a la corriente. Ésta aumenta si la corriente aumenta.

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Potencia en corriente continua Cuando se trata de corriente continua (CC) la potencia eléctrica desarrollada en un cierto instante por un dispositivo de dos terminales, es el producto de la diferencia de potencial entre dichos terminales y la intensidad de corriente que pasa a través del dispositivo. Esto es,

Donde I es el valor instantáneo de la corriente y V es el valor instantáneo del voltaje. Si I se expresa en amperios y V en voltios, P estará expresada en watts (vatios). Igual definición se aplica cuando se consideran valores promedio para I, V y P. Cuando el dispositivo es una resistencia de valor R o se puede calcular la resistencia equivalente del dispositivo, la potencia también puede calcularse como

Efecto Joule Se conoce como Efecto Joule al fenómeno por el cual si en un conductor circula corriente eléctrica, parte de la energía cinética de los electrones se transforma en calor debido a los choques que sufren con los átomos del material conductor por el que circulan, elevando la temperatura del mismo. En este efecto se basa el funcionamiento de diferentes electrodomésticos como los hornos, las tostadoras y las calefacciones eléctricas, y algunos aparatos empleados industrialmente como soldadoras, etc., en los que el efecto útil buscado es, precisamente, el calor que desprende el conductor por el paso de la corriente. Sin embargo, en la mayoría de las aplicaciones es un efecto indeseado y la razón por la que los aparatos eléctricos y electrónicos necesitan un ventilador que disminuya el calor generado y evite el calentamiento excesivo de los diferentes dispositivos como podían ser los circuitos integrados. E inclusive las lámparas incandescentes que producen más energía calorífica que lumínica.

Carga o consumidor de energía eléctrica Cualquier circuito de alumbrado, motor, equipo electrodoméstico, aparato electrónico, etc., ofrece siempre una mayor o menor resistencia al paso de la corriente, por lo que al conectarse a una fuente de fuerza electromotriz se considera como una carga o consumidor de energía eléctrica. La resistencia que ofrece un consumidor al flujo de la corriente de electrones se puede comparar con lo que ocurre cuando los tubos de una instalación hidráulica sufren la reducción de su diámetro interior debido a la acumulación de sedimentos. Al quedar reducido su diámetro, el fluido hidráulico encuentra más resistencia para pasar, disminuyendo el caudal que fluye por su interior. De la misma forma, mientras más alto sea el valor en ohm de una resistencia o carga conectada en el circuito eléctrico, la circulación de electrones o amperaje de la corriente eléctrica disminuye, siempre y cuando la tensión o voltaje aplicado se mantenga constante.