Tema 1. Conceptos básicos de electricidad

PUNTO 1. DEFINICIÓN DE ELECTRICIDAD

Se define electricidad como el conjunto de fenómenos físicos producidos por cargas eléctricas, en reposo o movimiento. De esta forma, para entender el movimiento de los electrones, pero antes vamos a conocer qué es un átomo y cómo se comporta su interior.

La materia está constituida de moléculas, que a su vez están formadas por átomos. Estos son partículas muy pequeñas no visibles a simple vista. Los átomos, a su vez, se dividen en electrones, e-, (carga negativa), que giran alrededor del núcleo del átomo; en protones, que se encuentran en su interior, p+, (carga positiva); y neutrones, n, (carga neutra), también en su interior.

Según predominen unos u otros tendremos cuerpos cargados negativamente (mayor número de electrones que de protones); positivamente (mayor número de protones que electrones) y sin carga (igual número de protones que electrones).

Esta diferenciación de cargas hace que los átomos se atraigan (cuando ambos tienen diferente carga) o se repelan (igual carga en ambos).

Las únicas partículas que se mueven en el átomo son los electrones, esta circulación de electrones es lo que constituye la electricidad.

Este movimiento es muy simple, si quitamos un e- a un átomo, este tenderá a “robarlo” al átomo más cercano y así sucesivamente en ambas direcciones.

Esta circulación de electrones es la electricidad. Para que este movimiento se consiga se necesita cerrar el circuito.

Como hemos visto, necesitamos dos puntos con diferente carga para producir la electricidad, lo cual recibe el nombre de tensión o de diferencia de potencial (d.d.p.) y el aparato que produce y mantiene esta d.d.p. es el generador eléctrico.

El generador va a impulsar a los electrones para que circulen de órbita en órbita.

Cuando el circuito está cerrado, llamamos corriente o intensidad de corriente al movimiento de los electrones por el conductor.

Un ejemplo lo tenemos en una pila, mediante una reacción química en su interior es capaz de mantener sus dos polos, positivo y negativo, y generar electricidad a cualquier dispositivo que se conecte a ella hasta que se agote.

Otras máquinas, al girar, provocan y mantienen una d.d.p. entre dos puntos y, por tanto, generan electricidad. Los cuales se conocen como los alternadores o dinamos.

Pero nos encontramos que no todos los átomos pierden electrones con la misma facilidad, de ahí que tengamos materiales más y menos conductores.

Un material es conductor cuando los electrones fluyen con facilidad, como sucede en los metales (oro, plata, hierro, etc.). Sin embargo, es aislante cuando los electrones tienen mucha dificultad para moverse, como sucede en el plástico, el vidrio o la madera, entre otros. Al colocarlos en un circuito producen un corte.

Existe un tercer tipo de materiales, a los que llamaremos semiconductores, y en los cuales su conductibilidad dependerá de una serie de condicionantes como características del circuito y componentes químicos que intervienen en su formación.

Después de lo visto, estableceremos que un circuito eléctrico es un croquis del montaje del circuito, en él cada elemento se representa con un símbolo. La representación más básica de este será la siguiente:

1.1. Comportamiento de los cuerpos cargados

Entre dos cuerpos cargados que se acercan se produce una fuerza invisible. Si ambos cuerpos son de cargas diferentes, se atraerán. Si son de cargas iguales estos se rechazarán.

1.2. Tipos de energía Contamos con seis clases de energía:

• Frotamiento. La electricidad la obtenemos frotando dos materiales.
• Presión. Si aplicamos presión a un cristal obtenemos electricidad.
• Calor. La electricidad es originada por el calentamiento de materiales.
• Luz. Al incidir la luz en materiales fotosensibles se produce electricidad.
• Magnetismo. Se produce electricidad por el movimiento entre un imán y un conductor.
• Química. Al reaccionar químicamente, ciertos materiales producen electricidad.

PUNTO 2. ELEMENTOS DE UN CIRCUITO ELÉCTRICO

Si se aplicase una carga negativa a uno de los extremos de un alambre, esta repelería a los electrones libres del otro extremo. Solo por un momento, la corriente fluiría hasta que los electrones se acumulasen en el otro extremo, siempre en número suficiente para producir una carga negativa. Este proceso es la base de la electricidad estática, en la que todo permanece en reposo.

De esta forma, hay que saber que para obtener electricidad es necesario que los electrones libres se encuentren en constante movimiento, algo que se alcanza gracias al uso de una fuente de energía que proporcione cargas de forma opuesta en los extremos del alambre.

Así, los electrones serán atraídos al lado positivo, existiendo por cada uno que entre, un electrón proporcionado por la parte negativa de la fuente, obteniendo movimiento, y por tal, electricidad. Esto es lo que se conoce como circuito completo o cerrado.

No obstante, en el caso de que el alambre sufriese una rotura en alguno de sus puntos, los electrones quedarían retenidos (los negativos y los positivos en puntos distintos), parándose así el movimiento y, por tanto, la electricidad. Es decir, un circuito abierto no puede conducir corriente.

Veamos ahora las partes que componen el circuito básico.

2.1. Generador

El generador es la parte encargada de producir la electricidad. Según el tipo de corriente que genere podemos distinguir entre:

• Generador de corriente continua. Pilas, dinamos, baterías, etc.

• Generador de corriente alterna. Como es el caso de los alternadores.

De ellos hay que saber que su principio de funcionamiento se basa en el fenómeno de la inducción electromagnética. Además, atendiendo a la Ley de Faraday, sabemos que el voltaje que se induce en un circuito es directamente proporcional al cambio de flujo magnético en un conductor o espira.

2.1.1. Dinamo o alternador

Estas máquinas cuentan con dos partes principales:

• Estátor. Parte fija. Tiene forma cilíndrica.
• Rotor. Parte móvil de la máquina. Va montado sobre un eje, el cual va apoyado sobre dos rodamientos. Está compuesto, a su vez, por dos bobinas de hilo de cobre que giran en torno al eje.

El entrehierro sería la parte existente entre el estator y el rotor. Cuando gira el eje de la máquina, el imán crea un campo magnético que induce una tensión en los terminales de las bobinas. Es en este momento cuando entran en funcionamiento las escobillas para sacar la tensión fuera de la máquina.

Atendiendo a la definición que ofrece la Real Academia Española (RAE), dinamo es una “máquina destinada a transformar la energía mecánica en energía eléctrica, por inducción electromagnética, debida a la rotación de cuerpos conductores en un campo magnético”.

Es decir, son elementos que son capaces de transformar una energía mecánica en otra eléctrica.

Como decíamos, las máquinas de dinamo cuentan con un estátor formado por polos inductores, devanado inductor y culata; un rotor compuesto por el núcleo del inducido, devanado inducido, colector, cojinetes y escobillas; y el entrehierro el espacio entre las dos partes mencionadas anteriormente, cuya función es evitar rozamiento entre ambas.

Las dinamos tienen que suministrar en corriente continua por lo que necesitan realizar una transformación de una señal alterna a continua, que recibe el nombre de rectificación de señal.

De la misma forma, alternador se define según la RAE como una “máquina rotatoria que transforma la energía mecánica en corriente eléctrica alterna”.

Estos van acoplados a una máquina motriz, la cual, por medio de rotaciones, es capaz de generar energía. Entre los tipos de máquina motriz encontramos los siguientes:

• Máquinas de vapor. Van acopladas al alternador de forma directa. Su velocidad de giro es baja y, para producir una rotación uniforme, requieren un volante de inercia.
• Motores de combustión interna. De la misma forma, van acoplados de forma directa y tienen características similares al anterior tipo.
• Turbinas hidráulicas. El abanico de valores de la velocidad de funcionamiento que ofrecen es amplio, operan en perfectas condiciones hasta el doble de la velocidad de régimen para las que han sido diseñadas.

Hay que tener en cuenta que, para poder alimentar a los electroimanes, los alternadores van a requerir de una fuente de corriente continua, algo que determina que en el interior se incorpore la excitatriz, es decir, una máquina responsable de que las bobinas cuenten con la corriente necesaria para poder generar el campo magnético.

Atendiendo a la forma de producir el flujo podemos hablar de diferentes tipos de excitación:

• Independiente. Una fuente exterior es la que suministra la corriente eléctrica.
• Serie. Se conectan bobinas inductoras en serie con el inducido.
• Shunt (derivación). Se conectan bobinas del estátor en paralelo con el inducido.
• Compound. Se conectan las bobinas del estátor, tanto en paralelo como en serie con el inducido.

El efecto en el inducido, dependerá del tipo de carga conectada:

• Resistiva. Produce un incremento en la caída de tensión interna al tiempo que disminuye la tensión en los bornes de salida.
• Inductiva. Genera una caída de tensión en los bornes de salida
• Capacitiva. Reduce la caída de tensión interna y la tensión de salida se eleva.

Ventajas del alternador frente a la dinamo

A continuación, mencionamos algunas de las ventajas que supone el uso de un alternador frente a una dinamo, más allá de saber que se consume, de forma general, en alterna:

• El alternador presenta mayor gama de velocidad de giro
• Los alternadores tienen un solo elemento como regulador de tensión
• Son más ligeros
• Mayor vida útil
• El alternador trabaja en ambos sentidos de giro sin necesidad de rectificar

2.1.2. Pila o batería

Ambas son un depósito con productos químicos que producen electrones.

Pila

Su funcionamiento se basa en que, en el interior, se produce una reacción electroquímica que genera electrones. De esta forma, según sea la velocidad con la que se va produciendo se controla el paso por los terminales.

Batería

Su funcionamiento es similar al de la pila. Tanto es así que una batería es un conjunto de varias pilas unidas en serie (polo positivo con polo negativo), para conseguir un voltaje mayor, o en paralelo, para conseguir mayor intensidad.

El producto químico de su interior es muy variado:

• Cinc. La base de las pilas AA son los electrodos de cinc-carbón y una unión ácida situada entre ellos como electrolito.
• Alcalina. Los electrodos son de cinc y óxido de manganeso con un electrolito alcalino.
• Níquel-cadmio. Los electrodos son de cadmio e hidróxido de níquel, como electrolito el hidróxido de potasio. Estas son recargables.
• Ión litio. Se consigue con ellas un buen rendimiento, de ahí que sean utilizadas, por ejemplo en la telefonía móvil. Son recargables.
• Plata-cinc. Su utilización se centra en aplicaciones aeronáuticas gracias al buen rendimiento que presentan.

2.2. Receptor

Los receptores se encargan de transforma la energía eléctrica en energía de otro tipo, con el inconveniente de que en el proceso se pierde parte de la energía eléctrica en calor. Esto es lo que se conoce como el efecto Joule.

En la actualidad podemos encontrar distintos tipos de receptores:

• Térmico. Transforman la energía eléctrica en calor (calentador, plancha, secador, etc.).
• Lumínico. Transforman la energía en luz (lámparas).
• Mecánico. Transforman la energía en mecánica (motores eléctricos en continua o alterna).
• Electroquímico. Transforman, mediante reacciones químicas, la energía en energía química (células electrónicas).

Entre las principales características del receptor podemos destacar las siguientes:

• La resistencia interna que presentan.
• La fuerza contraelectromotriz (E’), cuya unidad es el voltio (V).

De ello, desprendemos la siguiente ecuación:

E’ = L / I x t

El término de fuerza contraelectromotriz proviene de tener sentido opuesto a la tensión de alimentación del motor.

El interior de un receptor está formado por conductores que presentan oposición al paso de la corriente. Esta oposición es lo que constituye la resistencia interna.

2.3. Elemento de mando o control

Los elementos de mando o control son dispositivos que permiten encender, cortar o dirigir el paso de la corriente.

En este grupo encontramos a los interruptores, los conmutadores o los pulsadores.

2.3.1. Interruptor

Los interruptores permiten establecer o interrumpir la corriente a través del circuito. De esta forma, hay que recordar lo siguiente sobre el sentido de la corriente eléctrica:

• Sentido convencional. Inicialmente se creía que eran las partículas positivas las que producían el movimiento. El sentido elegido fue del polo positivo al polo negativo en el exterior del generador.
• Sentido real. Una vez se comprobó que son los electrones los que se mueven, se estableció el sentido real de la corriente eléctrica que es el contrario al anterior.

2.4. Elementos de protección

Su misión es proteger a las personas y equipos ante cualquier riesgo eléctrico.

2.5. Línea

Transporta la energía eléctrica desde el generador al receptor en corriente continua gracias a la disposición de dos hilos metálicos de cobre.

PUNTO 3. MÁQUINAS ELÉCTRICAS

Se puede considerar como máquina eléctrica al dispositivo que es capaz de transformar la electricidad en otro tipo de energía. Entre ellas, encontramos:

• Máquina eléctrica rotativa. Se caracteriza por aglutinar partes móviles, como los alternadores y dinamos.

Son reversibles, es decir, que si trabajan como motor eléctrico transforman la energía eléctrica en mecánica y si lo hacen como generador eléctrico, convierten la energía mecánica en eléctrica.

Como todas las máquinas, presentan pérdida, así pues, la potencia de salida es inferior a la suministrada. Estas pérdidas pueden ser:

— Pérdidas mecánicas. Se originan por el rozamiento de las partes móviles y por la ventilación o refrigeración en el interior.

— Pérdidas eléctricas. Provocadas por el efecto Joule.

— Pérdidas magnéticas. Variaciones de los campos magnéticos.

• Máquina eléctrica estática. Por el contrario, estas no llevar partes móviles, como ocurre con los transformadores.

PUNTO 4. TRANSFORMADORES

Se puede definir transformador como un dispositivo electromagnético que tiene la capacidad de aumentar o disminuir el voltaje y la intensidad de una corriente alterna.

Están constituidos por dos bobinas devanadas sobre un núcleo de hierro dulce.

La bobina primaria es la que recibe la tensión de entrada y la secundaria la que da el voltaje transformado.

Además, la primaria recibe la tensión que hará circular una corriente por la bobina, la cual inducirá un flujo magnético en el núcleo. La bobina secundaria está arrollado sobre este núcleo, lo que origina que el flujo magnético circule a través de sus espiras. Esta circulación de flujo genera en las espiras de la bobina secundaria una tensión, la de salida.

La razón de transformación de la tensión entre la bobina primaria y la secundaria depende del número de vueltas de cada una. Por ejemplo, si en la secundaria existe el doble de vueltas que en la primaria, habrá doble de tensión.

Podemos resumir que la relación de la fuerza electromotriz inductora (Ep) y la electromotriz inducida (Es) es proporcional al número de vueltas de los devanados de las bobinas primaria y secundaria. Esto se expresa como:

Ep / Es = Np / Ns

Dependiendo del número de las bobinas primarias y secundarias que haya nos encontraremos o bien ante un transformador elevador o bien ante uno reductor.

Cuando haya más vueltas en el secundario, será transformador elevador, del mismo modo si el secundario tiene menos vueltas se reducirá la tensión de entrada. Citamos a continuación una serie de transformadores que existen:

• Transformador seco encapsulado en resina epoxi.
• Transformador de núcleo arrollado.
• Transformador de núcleo distribuido.
• Transformador de auto protegidos.
• Transformador rural.
• Transformador hermético de llenado integral.