1-Fundamentos de Electricidad Básica
1-Fundamentos de Electricidad Básica
1-Fundamentos de Electricidad Básica
UNIDAD I
1. OBJETIVOS
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Electricidad del Vehículo TECSUP - PFR
LA LEY DE OHM
La Ley de Ohm se puede entender con facilidad si se analiza un circuito donde están
en serie, una fuente de voltaje (una batería de 12 voltios) y una resistencia de 6
ohms (ohmios).
Se puede establecer una relación entre la voltaje de la
batería, el valor de la resistencia y la corriente que entrega la
batería y que circula a través de dicha resistencia.
Esta relación es: I = V / R y se conoce como la Ley de
Ohm
Entonces la corriente que circula por el circuito (por la
resistencia o resistor) es: I = 12 Voltios / 6 ohms = 2
Amperios.
Para recordar las tres expresiones de la Ley de Ohm se utiliza el siguiente triángulo
que tiene mucha similitud con las fórmulas analizadas anteriormente.
Se dan 3 Casos:
2
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Con ayuda de estos gráficos se puede obtener un valor de corriente para un resistor y
un voltaje dados. Igualmente para un voltaje y un resistor dados se puede obtener la
corriente. Ver el gráfico.
LEY DE COULUMB
En términos matemáticos, la magnitud de la fuerza que cada una de las dos cargas
puntuales y ejerce sobre la otra separadas por una distancia se expresa como:
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donde es un vector unitario que va en la dirección de la recta que une las cargas,
siendo su sentido desde la carga que produce la fuerza hacia la carga que la
experimenta.
El exponente (de la distancia: d) de la Ley de Coulomb es, hasta donde se sabe hoy en
día, exactamente 2. Experimentalmente se sabe que, si el exponente fuera de la forma
, entonces .
Representación gráfica de la Ley de Coulomb para dos cargas del mismo signo.
Obsérvese que esto satisface la tercera de la ley de Newton debido a que implica que
fuerzas de igual magnitud actúan sobre y . La ley de Coulomb es una ecuación
vectorial e incluye el hecho de que la fuerza actúa a lo largo de la línea de unión entre
las cargas.
Constante de Coulomb
Cuando el medio que rodea a las cargas no es el vacío hay que tener en cuenta la
constante dieléctrica y la permitividad del material.
Algunos valores son:
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"La fuerza total ejercida sobre una carga eléctrica q por un conjunto de cargas
será igual a la suma vectorial de cada una de las fuerzas ejercidas
por cada carga sobre la carga ."
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Considérense dos pequeñas esferas de masa "m" cargadas con cargas iguales que del
mismo signo que cuelgan de dos hilos de longitud l, tal como se indica en la figura.
Sobre cada esfera actúan tres fuerzas: el peso mg, la tensión de la cuerda T y la fuerza
de repulsión eléctrica entre las bolitas .
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(5)
En la práctica, los ángulos pueden resultar difíciles de medir, así que si la longitud de
los hilos que sostienen las esferas son lo suficientemente largos, los ángulos resultarán
lo bastante pequeños como para hacer la siguiente aproximación:
Con esta aproximación, la relación (5) se transforma en otra mucho más simple:
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EJERCICIOS:
Ejercicio C-1
Resolución:
Para calcular la fuerza de interacción entre dos cargas eléctricas puntuales en reposo
recurriremos a la ley de Coulomb por lo tanto previo transformar todas las magnitudes
en juego a unidades del sistema internacional de medidas nos queda que:
Como la respuesta obtenida es de signo positivo nos está indicando que la fuerza es de
repulsión.
Respuesta:
Ejercicio C-2
Determinar la fuerza que actúa sobre las cargas eléctricas q1 = -1,25 x 10-9 C. y q2 =
+2 x 10-5 C. que se encuentran en reposo y en el vacío a una distancia de 10 cm.
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Como la respuesta obtenida es de signo negativo nos está indicando que la fuerza es
de atracción.
LEY DE GAUS
La ley de Gauss explica la relación entre el flujo del campo eléctrico y una superficie
cerrada. Se define como flujo eléctrico ( ) a la cantidad de fluido eléctrico que
atraviesa una superficie dada. Análogo al flujo de la mecánica de fluidos, éste fluido
eléctrico no transporta materia, pero ayuda a analizar la cantidad de campo eléctrico
( ) que pasa por una superficie.4 Matemáticamente se la expresa como:
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La ley dice que el flujo del campo eléctrico a través de una superficie cerrada es igual
al cociente entre la carga (q) o la suma de las cargas que hay en el interior de la
superficie y la permitividad eléctrica en el vacío (ε0), así
donde ρ es la densidad de carga. Esta expresión es para una carga en el vacío, para
casos generales se debe introducir una cantidad llamada densidad de flujo eléctrico (
) y nuestra expresión obtiene la forma:
Como en la forma integral del campo eléctrico, esta ecuación sólo funciona si la
integral está definida en una superficie cerrada.
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LEY DE FARADAY
La ley de Faraday nos habla sobre la inducción electromagnética, la que origina una
fuerza electromotriz en un campo magnético. Esta ley es muchas veces llamada como
ley de Faraday-Lenz, debido a que Heinrich Lenz descubrió ésta inducción de manera
separada a Faraday pero casi simultánea. Lo primero que se debe introducir es la
fuerza electromotriz ( ), si tenemos un campo magnético variable con el tiempo, una
fuerza electromotriz es inducida en cualquier circuito eléctrico; y esta fuerza es igual a
menos la derivada temporal del flujo magnético, así:
Además, el que exista fuerza electromotriz indica que existe un campo eléctrico que se
representa como:
Lo que indica que un campo magnético que depende del tiempo implica la existencia
de un campo eléctrico, del que su circulación por un camino arbitrario cerrado es igual
a menos la derivada temporal del flujo magnético en cualquier superficie limitada por
el camino cerrado.
Esta ecuación relaciona los campos eléctrico y magnético, pero tiene también muchas
otras aplicaciones prácticas. Esta ecuación describe cómo los motores eléctricos y los
generadores eléctricos funcionan. Más precisamente, demuestra que un voltaje puede
ser generado variando el flujo magnético que atraviesa una superficie dada.
Ampère formuló una relación para un campo magnético inmóvil y una corriente
eléctrica que no varía en el tiempo. La ley de Ampère nos dice que la circulación en un
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Pero cuando esta relación se la considera con campos que sí varían a través del tiempo
llega a cálculos erróneos, como el de violar la conservación de la carga.10 Maxwell
corrigió esta ecuación para lograr adaptarla a campos no estacionarios y
posteriormente pudo ser comprobada experimentalmente. Maxwell reformuló esta ley
así:6
En medios materiales
Para el caso de que las cargas estén en medios materiales, y asumiendo que éstos son
lineales, homogéneos, isótropos y no dispersivos, podemos encontrar una relación
entre los vectores intensidad e inducción a través de dos parámetros conocidos como
permitividad eléctrica y la permeabilidad magnética:11
Pero estos valores también dependen del medio material, por lo que se dice que un
medio es lineal cuando la relación entre E/D y B/H es lineal. Si esta relación es lineal,
matemáticamente se puede decir que y µ están representadas por una matriz 3x3. Si
un medio es isótropo es porque esta matriz ha podido ser diagonalizada y
consecuentemente es equivalente a una función ; si en esta diagonal uno
de los elementos es diferente al otro se dice que es un medio anisótropo. Estos
elementos también son llamados constantes dieléctricas y, cuando estas constantes no
dependen de su posición, el medio es homogéneo.12
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las coordenadas de cada punto por lo que los valores, escalares, van a depender de la
posición. Los medios anisótropos son tensores.11 Finalmente, en el vacío tanto como
son cero porque suponemos que no hay fuentes.
Ecuaciones de Maxwell
Las ecuaciones de Maxwell como ahora las conocemos son las cuatro citadas
anteriormente y a manera de resumen se pueden encontrar en la siguiente tabla:
Ley de
Gauss:
Ley de
Gauss
para el
campo
magnétic
o:
Ley de
Faraday:
Ley de
Ampère
generaliza
da:
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Estas cuatro ecuaciones junto con la fuerza de Lorentz son las que explican cualquier
tipo de fenómeno electromagnético. Una fortaleza de las ecuaciones de Maxwell es que
permanecen invariantes en cualquier sistema de unidades, salvo de pequeñas
excepciones, y que son compatibles con la relatividad especial y general. Además
Unidad de
Símbolo Nombre Valor numérico Tipo
medida SI
faradios por
Permitividad derivado
metro
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Las ocho ecuaciones originales de Maxwell pueden ser escritas en forma vectorial así:
D Fuerza de Lorentz
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Ecuación de electricidad
E
elástica
F Ley de Ohm
G Ley de Gauss
Ecuación de continuidad de
H
carga
Maxwell no consideró a los medios materiales en general, esta formulación inicial usa
la permitividad y la permeabilidad en medios lineales, isotrópicos y no dispersos, a
pesar que también se las puede usar en medios anisotrópicos.
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Que debe cumplir la siguiente relación geométrica para que se cumpla la ecuación de
continuidad.
Para obtener el objeto geométrico que contiene los campos, tenemos que subir el
rango de A mediante el operador diferencial exterior obteniendo la 2-forma F campo
electromagnético. En forma geométrica podemos escribir:
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Las siguientes expresiones ligan los campos con las fuentes, relacionamos la
cuadricorriente con el tensor campo electromagnético mediante la forma geométrica:
Por tanto:
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• Para :
Por tanto:
Podemos resumir el conjunto de expresiones que relacionan los objetos que describen
el campo electromagnético en la siguiente tabla. La primera columna son las relaciones
geométricas, independientes de cualquier observador; la segunda columna son las
ecuaciones descritas mediante un sistema coordenado Lorentz; y la tercera es la
descripción de la relación y la ley que cumple.
Forma
Covariante Lorentz Descripción
Geométrica
Definición de Campos
Electromagnéticos
Ecuaciones de Ondas
Ecuaciones de Maxwell
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(*) Existe una confusión habitual en cuanto a la nomenclatura de este gauge. Las
primeras ecuaciones en las que aparece tal condición (1867) se deben a Ludvig V.
Lorenz, no al mucho más conocido Hendrik A. Lorentz. (Véase: J.D. Jackson: Classical
Electrodynamics, 3rd edition p.294)
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¿QUÉ ES ELECTRICIDAD?
Electricidad es la forma de energía que puede ocurrir naturalmente como por ejemplo
los relámpagos, o se puede generar de otras fuentes por medios humanos para hacerla
hacer trabajo útil. La energía eléctrica no se puede ver pero podemos sentir sus
efectos a través de la vista, el tacto, sonido u olfato.
OCURRE NATURALMENTE.
SE PUEDE GENERAR.
NO SE PUDE VER.
EFECTOS DE LA ELECTRICIDAD
VISTA.
La electricidad viaja a través del filamento de una bombilla cual causa que esta libre.
TACTO.
Electricidad estática generada por la frotación de una varilla de vidrio y un paño de
seda se puede sentir cuando se descarga.
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SONIDO
Cuando la electricidad se descarga de las nubes en forma de relámpago, el aire es
desplazada rápidamente. A medida de que el aire regresa a su estado original, el
impacto de la masa de aire crea el sonido de trueno.
A pesar de que no podemos ver la electricidad, podemos describir las leyes que
gobiernan su naturaleza y como resultado podemos predecir el comportamiento de la
electricidad bajo ciertas circunstancias. Este conocimiento del comportamiento eléctrico
es la clave para hacer trabajo útil usando electricidad y la clave para diagnosticar
circuitos eléctricos.
Para entender esta definición tenemos que saber un poco de teoría atómica. Esta
teoría también ayuda al entendimiento porque la electricidad fluye a través de ciertos
materiales con más facilidad que otros.
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Para crear este balance, los electrones se cambian con los electrones vecinos. Este
movimiento continúa hasta que el átomo se balancea. A esto lo llamamos flujo de
electrones o corriente.
CORRIENTE Y VOLTAJE
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CORRIENTE ES FLUJO
MAGNETISMO
REACCIÓN QUÍMICA
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Si uno roza dos materiales diferentes esto causa que los electrones de transfieran por
medio de fricción de un lugar a otro creando un potencial entre los dos materiales.
Como el exceso de electrones se mantiene en el material cual fue depositado, este tipo
de potencial se conoce como electricidad estática.
LUZ
CALOR
Cuando dos materiales están unidos, ellos forman una pareja termal. Si el calor se
aplica a un extremo, los electrones libres de un material se transfieren al otro, creando
un potencial eléctrico entre ambos metales.
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PRESIÓN
Definición de un circuito:
Es un camino cerrado para los electrones que fluyen entre dos puntos de carga
desigual.
Hay dos teorías que describen el flujo de corriente eléctrica a través de un circuito:
- La teoría convencional y
- La teoría de electrones.
Para propósitos de discusión ni una ni la otra es más aceptada o correcta.
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TEORÍA CONVENCIONAL
Se usa para describir sistemas eléctricos de los vehículos, dice que la corriente fluye de
positivo a negativo (opuesto al flujo de electrones). Flujo de corriente se considera
como un movimiento de carga positiva (una falta de electrones).
TEORÍA DE ELECTRONES
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CORRIENTE ELÉCTRICA
TENSIÓN (VOLTAJE)
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4. TIPOS DE VOLTAJE
Hay dos tipos de voltaje: Voltaje alterno (corriente alterna AC) y voltaje directo
(corriente continua CC).
VOLTAJE CC.
Causa que el flujo de corriente viaje en una dirección a causa de que la polaridad de la
fuente de voltaje no cambia. En otras palabras, un polo siempre es positivo y el otro
siempre es negativo. Una batería es una fuente común de voltaje CC.
VOLTAJE AC.
Causa que el flujo de corriente viaje en una dirección y después en otra a causa de
que los polos de la fuente de voltaje cambian periódicamente en polaridad de negativo
a positivo. Una generación mecánica de electricidad usando un conductor y un campo
magnético es una fuente común de voltaje alterno.
TEMPERATURA
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RESISTENCIA
CAIDA DE VOLTAJE
La cantidad de voltaje o energía eléctrica que se usa para mover la corriente a través
de la resistencia se puede medir y se llama caída de voltaje. Una caída de voltaje es la
diferencia de voltaje del lado de la resistencia comparado al voltaje del otro lado de la
resistencia. La suma de las caídas de voltaje en un circuito es igual al voltaje total
suministrado. La corriente total de fluido desde y hasta la fuente de voltaje permanece
igual.
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CAIDA DE VOLTAJE
La cantidad de voltaje o energía eléctrica que se usa para mover la corriente a través
de la resistencia se puede medir y se llama caída de voltaje. Una caída de voltaje es la
diferencia de voltaje del lado de la resistencia comparado al voltaje del otro lado de la
resistencia. La suma de las caídas de voltaje en un circuito es igual al voltaje total
suministrado. La corriente total de fluido desde y hasta la fuente de voltaje permanece
igual.
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LEY DE RESISTENCIA
Si el tamaño del hueco permanece igual y el nivel del agua en el envase aumenta, el
flujo de agua en el envase aumenta (la corriente es directamente proporcional al
voltaje). Si el nivel de agua permanece igual y el tamaño del hueco disminuye (mas
resistencia al flujo), el flujo del agua fuera del hueco disminuirá ya que la corriente es
inversamente proporcional a la resistencia.
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1 E=IXR
1 I=E/R
R=E/I
MEDIDA DE POTENCIA.
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RESISTENCIA ELÉCTRICA
TIPOS DE CIRCUITOS
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EJEMPLO DE APLICACIÓN
Observe el circuito con dos luces que hay a la izquierda donde se aplican 12 voltios, la
resistencia de la primera bombilla es 4 ohmio y la segunda es 2 ohmio.
Un circuito en paralelo tiene dos o más caminos para que la corriente viaje. Uno de los
circuitos paralelos más comunes es de la luces de retroceso. Cuando el interruptor de
las luces de retroceso esta cerrado, la corriente fluye a través del fusible y se divide en
dos circuitos independientes conocidos como ramas. La cantidad de corriente es
definida en cada rama por la resistencia de carga. La corriente de cada rama se
combina en el interruptor y de regreso a la batería.
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EJEMPLO DE APLICACIÓN
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Para calcular las caídas de voltaje multiplique la corriente a través de las bombillas
(cargas) individualmente para cotejar que en ambos casos el voltaje de caída es igual
al voltaje de suministro.
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EJEMPLO DE APLICACIÓN
RESISTENCIAS
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FUNCIÓN
Las resistencias son usadas para asegurar que la cantidad apropiada de voltaje este
presente en un circuito. Toda resistencia genera calor a medida que se opone al flujo
de corriente. El calor es como resultado de la disipación de alguna porción de la
energía contenida en la fuente de voltaje. En muchos casos las resistencias están
diseñadas para el propósito de generar calor así como los elementos de calentamiento
de una tostadora.
TIPOS DE RESISTENCIAS
Hay tres tipos de resistencias que son las de valor fijo, las resistencias de pasos y las
de resistencias variables.
"Resistencia variable.
Controla brillantes de las luces del panel de instrumentos.
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Resistencia de pasos
RESISTENCIA VARIABLE
Hay varios tipos de resistencias variables. Las más comunes son el reóstato, el
potenciómetro y el termistor.
2.- POTENCIOMETRO
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TERMISTOR
INDUCTORES Y ELECTROMAGNETOS
MAGNETISMO
Es una fuerza que ocurre naturalmente. Esta causada por el movimiento de electrones
en algunos materiales como hierro suave, y se reconoce por la atracción que ejerce en
los materiales.
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POLOS MAGNETICOS.
El flujo de la corriente depende de una fuerza potencial entre dos puntos conectados
por un camino conductivo. Las líneas magnéticas de fuerza dependen de la fuerza de
atracción entre polos opuestos (norte y sur) o repulsión entre polos iguales. Los
principios eléctricos y magnéticos tienen una relación bien cercana.
Las líneas de fuerza magnética salen del polo norte y entran al polo sur. Mientras más
fuerte sea la fuerza magnética, más grande es la densidad de las líneas magnéticas de
fuerza.
INDUCCIÓN
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movimiento a través del campo magnético determina la dirección del flujo de corriente
a través del conductor.
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INDUCTORES
INDUCCION PROPIA
Cuando el voltaje se remueve del circuito, la corriente trata de detener el flujo y los
campos magnéticos se derrumban. A medida que los campos se derrumban, un voltaje
se induce dentro del inductor.
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INDUCCION MUTUA
Definitivamente hay una relación entre voltaje y corriente de energía transferida que es
dependiente a la relación de vueltas de cables entre el embobinado primario y el
secundario. Si el embobinado primario tiene 100 vueltas y el secundario 200. La
relación de vueltas es de 1 a 2.
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ELECTROMAGNETOS
Ya que las líneas magnéticas de fuerza viajan más fácil a través de hierro suave que a
través del aire, una barra de hierro suave añadida al centro del embobinado aumenta
dramáticamente la fuerza del campo magnético.
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REGULADORES DE CORRIENTE
Es un embobinado de cables que usa un campo magnético fuerte que opone cambios
al flujo de corriente. Cuando el embobinado tiene un hierro suave, su valor inducido
aumenta y se conoce como ahogadores.
SOLENOIDES
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RELES MECANICOS
TRANSFORMADORES
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ALTERNADORES
MOTORES CC.
BOCINAS
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SEMICONDUCTORES
Ya habíamos visto que algunos elementos, como el cobre, son buenos conductores,
mientras que otros elementos son pobres conductores, pero buenos aisladores. Sin
embargo, existen otros elementos que no son buenos conductores ni buenos
aisladores. Si un elemento pertenece a este grupo, y además, puede modificarse para
convertirse en un conductor útil, recibe el nombre de semiconductor. El silicio y el
germanio son los elementos más comúnmente usados como semiconductores.
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Piense en el mismo canal, lleno de bolas de billar, tal como se ve en la figura. Una bola
se mueve hacia adelante, dejando un hueco en su lugar. La próxima bola se mueve a
la posición dejada por la primera bola; al mismo tiempo, se puede decir que el hueco
se está moviendo de la posición dejada por la primera bola a la posición dejada por la
segunda. A medida que las bolas se mueven en un sentido en el canal, se dice que los
huecos se mueven en el sentido opuesto.
Voltaje de barrera
Véanse polaridad directa e inversa en la siguiente lección), los electrones fluyen desde
el lado "N", a través de la unión, hasta el lado "P". Los huecos fluyen en la dirección
opuesta. El efecto de la unión "PN" o flujo de corriente del circuito depende del orden
en que están colocadas las capas de material tipo "P" y "N". El potencial de voltaje a
través de la unión "PN" se conoce como voltaje de barrera. El germanio con impurezas
tiene un voltaje de barrera de cerca de 0,3 voltios. El silicio con impurezas tiene un
voltaje de barrera de cerca de 0,6 voltios.
Diodos
Los diodos de los circuitos eléctricos se usan para casi todos los propósitos, incluyendo
iluminación, rectificación de corriente y protección contra crestas de voltaje.
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Usted puede pensar que el voltaje está forzando tanto a los electrones como a los
huecos en la región de agotamiento, lo que permite que la corriente fluya.
Un diodo no será conductor (corriente que fluye) hasta que el voltaje directo
(polaridad) alcanza cierto umbral. El voltaje de umbral es determinado por el tipo de
material usado en la construcción del diodo. Un diodo de germanio generalmente
comienza a conducir la corriente cuando el voltaje directo alcanza aproximadamente
300 milivoltios, mientras que un diodo de silicio requiere aproximadamente 600
milivoltios.
Un diodo está limitado por la cantidad de corriente que puede fluir a través de la
unión. La resistencia interna del diodo producirá calor a medida que la corriente fluye.
Un exceso de corriente producirá demasiado calor y dañará el diodo.
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Aplicaciones
Unión PN de un diodo
Movimiento de huecos
Los semiconductores están formados por capas. Debe existir al menos una capa de
material tipo “N” y una capa de material tipo “P”. Estas capas se montan dentro de una
caja de material plástico o metálico.
El área entre el material tipo "N" y el material tipo "P" se conoce como la unión “PN”
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Región de agotamiento
Ánodo / Cátodo
Asocie "ánodo" con +A (el lado positivo) y "cátodo" con -C (el lado negativo). El cátodo
es el extremo donde está ubicada la banda. La corriente fluye por el diodo cuando el
terminal del ánodo es más positivo que el terminal del cátodo.
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Un diodo de polaridad directa se conecta a un circuito de tal modo que permite el flujo
de electricidad. Esto se hace conectando el lado N del diodo (el cátodo) al voltaje
negativo, y el lado P (el ánodo) al voltaje positivo. Cuando el diodo se conecta de este
modo, tanto los electrones como los huecos son forzados a alcanzar la zona de
agotamiento y conectan el circuito. La corriente fluye en la dirección de la flecha, lo
que indica que el diodo tiene polaridad directa.
Cuando un diodo con polaridad directa se conecta a una fuente de voltaje de este
modo, actúa como un interruptor y cierra el circuito.
Positivo. Esto aumenta el área de agotamiento. Debido a que los huecos y los
electrones del área de agotamiento no se combinan, la corriente puede fluir.
En realidad, una muy pequeña cantidad de corriente puede fluir a través de un diodo
de polaridad inversa. Si el voltaje es lo suficientemente alto, la estructura atómica
dentro del diodo se romperá, y la cantidad de corriente que fluye a través de él
aumentará drásticamente. Si la corriente inversa es lo suficientemente grande y dura
suficiente tiempo, el calor dañará el diodo.
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Punto Zener
El voltaje aplicado al cual el diodo falla se llama voltaje inverso máximo o punto Zener.
Los diodos se clasifican de acuerdo con este voltaje. Los circuitos están diseñados para
incluir diodos con una clasificación lo suficientemente alta para proteger el diodo y el
circuito durante la operación normal.
Mientras la mayoría de los diodos de silicio necesitan para su conexión cerca de 0,5 ó
0,7 voltios, los LED necesitan aproximadamente de 1,5 a 2,2 voltios. Este voltaje
produce corrientes lo suficientemente altas para dañar un LED. La mayoría de los LED
pueden manejar sólo alrededor de 20 a 30 mA de corriente. Para prevenir el daño de
un LED, un resistor, que limita la corriente, se coloca en serie con el LED.
En circuitos eléctricos complejos, los LED son una alternativa excelente para
reemplazar las lámparas incandescentes. Los LED producen mucho menos calor y
necesitan menos corriente para operar, además de conectarse y desconectarse más
rápidamente.
Rectificador/Generador
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Electricidad del Vehículo TECSUP - PFR
TRANSISTORES
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Electricidad del Vehículo TECSUP - PFR
funciones que realizan los tubos de vacío, pero en mucho menos espacio y
produciendo muy poco calor. Los transistores son usados en muchas aplicaciones,
incluyendo radios, módulos de control electrónico y otros interruptores de estado
sólido.
Tipos de transistores
Hay varias clases de transistores. Pueden dividirse en dos grandes grupos: bipolares y
monopolares (también llamados Transistores de Efecto de Campo, o FET). Aunque hay
varias diferencias entre estos dos tipos, las diferencias más importantes para nuestro
propósito son:
Los transistores bipolares son los más comunes en los circuitos eléctricos, así que los
estudiaremos con mayor detalle.
Transistores bipolares
Al igual que los diodos, los transistores contienen una combinación de capas de
material tipo P y N. Sin embargo, los transistores contienen tres capas de material en
lugar de dos. Las tres capas tienen una disposición en la cual los materiales de tipo P y
N están alternos (ya sea como grupos NPN o PNP). En términos prácticos, esto
significa que los diodos tienen dos cables, mientras que los transistores tienen tres.
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Electricidad del Vehículo TECSUP - PFR
Los transistores FET también tienen tres secciones, conocidas como puerta (que se
aproxima a la función de la base), fuente (similar al emisor) y drenaje (de función
similar al colector).
Función básica
Pasos de la base
Hay un modo fácil de identificar el tipo de transistor sin pensar en el movimiento de los
electrones o de los huecos electrónicos. Recuerde que la flecha siempre señala hacia el
material de tipo N y hacia fuera del material de tipo P. Así, en un transistor PNP, la
flecha señala hacia la base. En un transistor NPN, la flecha señala hacia afuera de la
base.
En los circuitos eléctricos, son más comunes los transistores NPN que los PNP.
Varía el flujo de corriente de acuerdo con la corriente que esté fluyendo a través de la
base.
Los resistores se usan con los transistores para varios propósitos. Por ejemplo, usando
los resistores, el voltaje suministrado al transistor puede controlarse con precisión, lo
cual a su vez produce corrientes de salida precisas. Los resistores usados de este modo
son colocados en el circuito base.
Hay muchos términos que facilitan hablar acerca de las características de un transistor
específico. Por ejemplo, la ganancia de la corriente del transistor determina la relación
entre la corriente del circuito del colector y la corriente del circuito de la base. Si un
transistor tiene una ganancia de 100 y una corriente base de 10 mA, entonces la
corriente del circuito colector es multiplicada por 10, lo que equivale a 1.000mA o 1A.
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Los transistores pueden clasificarse de otras formas similares a las de los diodos. Hay
clasificaciones para indicar la rapidez con que el transistor puede conectarse o
desconectarse, la cantidad de calor que puede manejar y la cantidad de corriente que
escapa a través del transistor cuando está desconectado.
Otras aplicaciones
En algunos circuitos, es deseable tener transistores que funcionen como relés. Por
ejemplo, en la figura, un interruptor con muy poca corriente controla una lámpara que
consume gran cantidad de corriente. Este es un “relé de estado sólido” y tiene varias
ventajas sobre un relé mecánico. El relé de estado sólido puede hacer la conexión o la
desconexión más rápido, es más pequeño y no sufre desgaste. Los “relés” de
transistores son muy distintos a los relés mecánicos en un aspecto importante. Un relé
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CONDUCTORES ELÉCTRICOS
Tipos de cable
Los cables son los conductores de los circuitos eléctricos. La mayoría de los cables son
trenzados (hechos de muchos cables delgados enrollados y recubiertos con un material
común aislante).
Si usa la clasificación AWG de cables, recuerde que los números de calibre más bajos
indican cables de tamaño grande, y números altos indican cables de tamaño pequeño.
Las medidas métricas del cable, por otra parte, se refieren al diámetro del cable en
milímetros y, en este caso, diámetros grandes indican cables más gruesos.
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Electricidad del Vehículo TECSUP - PFR
Las clavijas y los receptáculos tienen resistencia y ofrecen algo de oposición al flujo de
corriente. Como las superficies de las clavijas y de los receptáculos no son lisas
(contienen picos y ondulaciones), existe una condición conocida como aspereza
(superficie rugosa).
Cuando las dos mitades se conectan, aproximadamente uno por ciento de sus
superficies no hace contacto entre sí.
Para hacer esto, el conector debe tener dos mitades que se acoplen (enchufe y
receptáculo). Una mitad contiene una clavija, la otra mitad contiene un receptáculo.
Cuando las dos mitades se juntan, permiten el paso de corriente.
Interruptores
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cables). Hay diferentes tipos de interruptores, como el unipolar de una vía (SPST), el
bipolar de dos vías (SPDT), bipolar de una vía (DPST) y el unipolar de dos vías (DPDT).
Tipos de interruptores
Hay también muchas formas de operar los interruptores. Los interruptores mostrados
arriba se operan mecánicamente moviendo una palanca o un accionador del
interruptor. Algunas veces, los interruptores se encadenan para que abran y cierren al
mismo tiempo, en cuyo caso se muestra en los diagramas como una línea punteada
que conectan los interruptores.
Algunos interruptores son más complejos que otros. Las máquinas usan interruptores
magnéticos para medir señales de velocidad, o interruptores electrónicos que
contienen componentes electrónicos internos, como transistores, para conectar o
desconectar las señales remotas.
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Los fusibles, las conexiones de puente de fusibles y los disyuntores son protectores del
circuito. Si hay exceso de corriente en un circuito, se produce calor. El calor, no la
corriente, hace que el circuito protector se abra antes de que el cable pueda dañarse.
El efecto es el mismo que cuando se desconecta el interruptor.
Los fusibles y los disyuntores pueden ayudarnos a diagnosticar los problemas en los
circuitos. Si un disyuntor se abre repetidamente es indicio de un daño eléctrico serio
que necesita repararse.
FUSIBLES
Los fusibles son los protectores más comunes de los circuitos. Un fusible está hecho de
una delgada cinta de metal o de cable colocado dentro de un pequeño tubo de vidrio o
de plástico. Cuando la corriente que fluye es mayor que la resistencia del fusible, la
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cinta de metal se derrite y el circuito se abre. En este caso, el fusible deberá ser
reemplazado.
Los fusibles se clasifican de acuerdo con el amperaje que pueden transportar antes de
abrirse. Los cuerpos de los fusibles de plástico se moldean en diferentes colores para
mostrar su clasificación, y esta clasificación se encuentra estampada también en la
parte superior del fusible.
Una conexión de puente del fusible (no mostrado) es una sección corta de un cable
aislado, más delgado que el cable del circuito que éste protege.
El exceso de corriente derrite el cable dentro del fusible. Como los fusibles, la conexión
de puente de los fusibles debe reemplazarse después de fundirse.
Disyuntores
También hay disyuntores no cíclicos. Este tipo de disyuntor opera con un cable
calentado que mantiene abierto el contacto hasta que se elimine el flujo de corriente.
Un disyuntor cíclico contiene una cinta metálica hecha de dos metales diferentes. La
corriente más alta para la que fue diseñado el disyuntor hace que los dos metales
cambien de forma de manera desigual. La cinta metálica se curva y se abre un grupo
de contactos, que detiene el flujo de corriente. Cuando el metal se enfría, retorna a su
forma normal, cerrando los contactos. El flujo de corriente retoma su actividad normal.
Los disyuntores de restauración automática también se llaman "cíclicos" porque el ciclo
abre y cierra hasta que la corriente retorna a su nivel normal.
Debido a que un resistor soporta un flujo de corriente, dentro de éste se produce una
fricción eléctrica. Esto crea un calor que el resistor debe poder disipar. El calor en
exceso puede modificar el valor de un resistor, de tal modo, que se sale
definitivamente de la gama de clasificación y tolerancia para el que fue diseñado.
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Para que un circuito funcione en forma adecuada, los resistores del circuito deben
tener la clasificación de potencia y la resistencia correctas, de no ser así, los resistores
y otros componentes pueden sufrir daño.
Tabla
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Resistores
Los resistores vistos hasta el momento son de valor fijo, lo cual quiere decir que no se
puede modificar su clasificación. Otros resistores son variables (figura), lo que significa
que su resistencia puede cambiarse ajustando un control. El control mueve un contacto
sobre la superficie de una resistencia. Como la corriente fluye a través de una longitud
mayor a la del material del resistor, la corriente diminuye; en tanto que si ésta fluye a
través de menos material del resistor, la corriente aumenta.
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Existen muchas clases de resistores variables. Algunos son los reóstatos, los
potenciómetros o los termistores. La figura muestra el símbolo esquemático de un
reóstato.
Los resistores de valor fijo pueden tener dos condiciones: funcionan (dejan pasar la
cantidad adecuada de corriente) o no funcionan (no pasan la corriente o permiten el
paso de exceso de corriente).
Por otra parte, los resistores variables poseen un área plana en donde las partes
móviles rozan unas contra otras, y causan desgaste. Esto puede evidenciarse como
falta de respuesta en una parte del recorrido del resistor.
Reóstato
Un reóstato típico tiene 2 terminales y permite el flujo de corriente por un solo paso.
En las máquinas, el reóstato se usa para controlar la intensidad de las luces de los
instrumentos.
Potenciómetro
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Termistores
Los termistores (resistores térmicos) son un tipo de resistor variable que opera
automáticamente. Un termistor se fabrica de carbono. A altas temperaturas, la
resistencia del carbono disminuye en vez de aumentar. Esta propiedad es útil en
ciertos circuitos eléctricos. Los elementos de un termistor se utilizan con frecuencia en
los sensores de las máquinas para la medición de temperaturas del sistema.
Condensador
Los diseños varían, pero un condensador sencillo puede hacerse con dos planchas de
material conductor, separadas por un material aislador o "dieléctrico". Los materiales
dieléctricos típicos son el aire, el papel, el plástico y la cerámica.
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Ct = C1 + C2 + C3...
Ct = 1
1+1
C1 C2
El área de las planchas conductoras Las distancia entre las planchas conductoras.
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Ejercicios en Serie:
1.- Tres resistencias R1= 20ohm, R2= 40ohm, R3= 40ohm, se conectan en serie.
Las tensiones en las resistencias R1 y R2 valen, respectivamente.
U1 = 50V y U2 = 100V.
2.- Una fuente de tensión de U = 24V alimenta una conexión en serie de cuatro
resistencias. Tres de ellas son del mismo valor (R1 = R2 = R3 = 4 Kohm) y en ellas
caen tensiones de 4V cada una.
3.- ¿Cómo se modifican las diferentes tensiones en una conexión en serie si se conecta
una resistencia adicional en serie y el circuito total se vuelve a someter a la misma
tensión?
5.- Calcule en el circuito mixto las caídas de voltaje y la corriente en los puntos
indicados.
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Ejercicios en paralelo:
1.- Tres resistencias R1= 20ohm, R2= 40ohm, R3= 40ohm, se conectan en paralelo.
La intensidad de corriente por R1 vale 6 A.
3.- ¿Cuánto vale la resistencia equivalente de cinco resistencias, cada una de 30 ohm,
conectadas en paralelo?
4.- Los amperímetros se han puesto en diferentes lugares del circuito para medir el
flujo de corriente. Escriba en el circuito los valores siguientes de las resistencias
(R1=10 ohm, R2=6 ohm, R3=3 ohm) Calcule las lecturas de cada amperímetro.
Ejercicios adicionales:
1.- Usando el diagrama de la figura, calcule los valores no conocidos del circuito.
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2.- Utilizando la siguiente lista, localice el término hidráulico que se compara con cada
uno de los términos Eléctricos, escriba la letra asociada con cada término hidráulico en
el espacio junto al término de las unidades eléctricas a comparar.
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4.- Utilizando la ley de ohm, calcule las caídas de voltaje y el flujo de corriente en el
circuito de la figura inferior, coloque sus respuestas en los espacios en blanco, utilice la
sección inferior de esta hoja para hacer cálculos.
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ANOTACIONES:
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