Fundamentos de Electricidad

Conceptos Básicos de Corriente

Corriente Eléctrica

Es el movimiento de electrones libres a lo largo de un conductor conectado a un circuito en el que existe una diferencia de potencial.

Frecuencia (f)

Es el número de ciclos completos que una onda de corriente alterna (CA) o tensión realiza por unidad de tiempo. Se mide en Hertz (Hz).

Longitud de Onda (λ)

Es la distancia espacial que recorre una onda durante un ciclo completo. Se calcula como la relación entre la velocidad de propagación de la onda (v) y su frecuencia (f): λ = v / f. Es una forma de caracterizar la periodicidad espacial de una onda.

Fase

Se utiliza para indicar la relación de tiempo o el desplazamiento angular entre dos ondas alternas, como la tensión y la corriente.

Valores Efectivos (RMS)

El valor efectivo (Root Mean Square, RMS) de una tensión o corriente alterna es aquel que, en un circuito puramente resistivo, produce la misma cantidad de calor que una tensión o corriente continua de igual magnitud. Para una onda sinusoidal, el valor efectivo (Eef) se calcula como: Eef = 0.707 * Epico (donde Epico es el valor pico).

Tipos de Ondas

Ondas Cuadradas

Son un tipo de onda no sinusoidal caracterizada por cambios abruptos entre dos valores fijos (alto y bajo). La magnitud de la corriente o tensión se mantiene constante en un valor máximo durante un período, luego cambia rápidamente a un valor mínimo (o cero), se mantiene allí, y luego vuelve a cambiar. Son fundamentales en electrónica digital.

Ondas Triangulares

Son un tipo de onda no sinusoidal caracterizada por un aumento y disminución lineal y periódica de su magnitud, formando una forma triangular.

Onda Diente de Sierra

Es una onda no sinusoidal que comienza en un valor mínimo (a menudo cero) y aumenta linealmente hasta un valor máximo, para luego caer abruptamente al valor mínimo y repetir el ciclo.

Flanco o Escalón

Se refiere a un cambio repentino en el nivel de voltaje o corriente. En sistemas digitales, un pulso (que contiene flancos) puede representar un bit de información.

Ventajas de la Corriente Alterna

La corriente alterna (CA) permite que un dispositivo se pueda conectar a un enchufe sin importar la polaridad de la conexión, a diferencia de la corriente continua (CC).

Pérdida de Potencia

La potencia disipada en una resistencia debido al flujo de corriente se calcula mediante la fórmula: P = I²R (donde P es potencia, I es corriente y R es resistencia).

Circuitos de Corriente Alterna (CA)

Circuitos Resistivos en CA

  • En circuitos de CA, la resistencia se opone al flujo de corriente, aunque no siempre es el único componente que lo hace.
  • Los circuitos puramente resistivos son idealizaciones o simplificaciones, ya que otros factores (como la inductancia o capacitancia parásitas) siempre influyen en cierta medida. Sin embargo, se consideran puramente resistivos cuando el efecto de estos otros factores es insignificante.

Tipos de Circuitos CA por Fases

Circuitos Monofásicos

Formados por una única corriente alterna o fase. En ellos, la tensión varía periódicamente.

Circuitos Bifásicos

Basados en dos tensiones eléctricas alternas desfasadas 90 grados entre sí.

Circuitos Trifásicos

Compuestos por tres corrientes alternas de la misma frecuencia, desfasadas 120 grados entre sí.

Interconexiones en Sistemas Trifásicos

Existen cuatro configuraciones principales para la conexión de cargas o fuentes en sistemas trifásicos:

  1. Estrella-Estrella (Y-Y)
  2. Estrella-Delta (Y-Δ)
  3. Delta-Estrella (Δ-Y)
  4. Delta-Delta (Δ-Δ)

Potencia en Circuitos CA

Potencia Instantánea (Pinst)

Es el producto de la tensión instantánea (Einst) y la corriente instantánea (Iinst): Pinst = Einst * Iinst.

Potencia Efectiva (P)

En circuitos de CA, la potencia efectiva (o real) se calcula como: P = Eef * Ief * cos(φ), donde Eef e Ief son los valores efectivos de tensión y corriente, y φ es el ángulo de fase entre ellos.

Reactancia en Circuitos CA

Reactancia Inductiva (XL)

Es la oposición que presenta un inductor al flujo de corriente alterna. Se calcula mediante la fórmula: XL = 2πfL (donde f es la frecuencia y L es la inductancia).

Reactancia Capacitiva (XC)

Es la oposición que ofrece un condensador al flujo de corriente alterna. Su valor cambia con respecto a la frecuencia aplicada.

  • La reactancia capacitiva es la parte imaginaria de la impedancia compleja de un condensador.
  • Cuando se aplica un voltaje de corriente continua (CC) a un condensador, este extrae una corriente de carga de la fuente hasta que se carga completamente, momento en el que la corriente cesa.

Comportamiento de Componentes en CA

Circuito de CA con Solo Inductancia

En un circuito de corriente alterna que contiene únicamente inductancia, las tres cantidades variables principales son:

  1. La tensión aplicada.
  2. La fuerza contraelectromotriz (FCEM) inducida.
  3. La corriente del circuito.

Consideración en Circuitos Resistivos Puros

Téngase presente que si un circuito de CA solo tiene resistencia, la tensión y la corriente están en fase.

Flujo de Electrones Libres y Corriente

La corriente eléctrica se produce por el flujo de electrones libres que fluyen entre las terminales de una fuente de tensión. La corriente eléctrica (I) se define como la cantidad de carga (Q) que pasa por un punto en un tiempo (t) determinado: I = Q/t.

Factor de Potencia

  • En un circuito de corriente continua (CC) o en un circuito de corriente alterna (CA) puramente resistivo, la potencia consumida (Potencia Real, P) es igual al producto de la tensión (E) por la corriente (I): P = E * I.
  • En circuitos de CA con componentes reactivos (inductores o condensadores), la potencia real (P) se calcula como: P = E * I * cos(φ), donde cos(φ) es el factor de potencia, que indica la eficiencia con la que la potencia aparente se convierte en potencia útil.

Principios de Magnetismo

Propiedades Fundamentales del Magnetismo

  • William Gilbert (1540-1603): Pionero en el estudio del magnetismo, demostró que la Tierra es un gran imán y que los polos magnéticos iguales se repelen, mientras que los polos distintos se atraen.
  • Líneas de Flujo Magnético: Representan la dirección y la intensidad de un campo magnético.
    • Fluyen con mayor facilidad a través de materiales ferromagnéticos (como el hierro) que a través del vacío.
    • Pasan con cierta facilidad por cuerpos paramagnéticos.
    • Circulan más fácilmente en el vacío que por cuerpos diamagnéticos, ya que estos últimos no se magnetizan o lo hacen muy débilmente en dirección opuesta al campo aplicado.

Fuerza Magnética

Fuerza Magnética sobre una Carga en Movimiento

Cuando una carga (q) se mueve perpendicularmente a un campo magnético (B) con una velocidad (v), experimenta una fuerza magnética (F) dada por la expresión: F = qvB.

Regla de la Mano Derecha

Se utiliza para determinar la dirección de la fuerza magnética. El pulgar indica la dirección de la fuerza, los dedos la dirección del campo magnético, y la dirección de la velocidad de la carga se alinea con la palma (o índice, dependiendo de la convención).

Fuerza Magnética entre Conductores Paralelos

Dos conductores paralelos por los que circula una corriente experimentan una fuerza magnética entre sí; esta fuerza es de atracción si las corrientes van en la misma dirección y de repulsión si van en direcciones opuestas.

Inducción Electromagnética

  • Heinrich Lenz (1804-1865): Formuló la Ley de Lenz, que establece que la dirección de la corriente inducida en un circuito es tal que se opone a la causa que la produce (es decir, a la variación del flujo magnético).
  • Michael Faraday (1791-1867): Descubrió en 1831 el fenómeno de las corrientes eléctricas inducidas al realizar experimentos con bobinas e imanes.
  • Conceptos Clave de Inducción:
    1. Las corrientes inducidas son aquellas que se producen cuando un conductor se mueve transversalmente a las líneas de flujo de un campo magnético, o cuando el flujo magnético a través de un circuito cambia.
    2. La inducción electromagnética es el fenómeno que da origen a la producción de una fuerza electromotriz (FEM) y de una corriente eléctrica inducida como resultado de la variación del flujo magnético, ya sea por el movimiento relativo entre un conductor y un campo magnético, o por un cambio en el campo mismo.

Permeabilidad Relativa (μr)

Es una medida de la capacidad de un material para soportar la formación de un campo magnético dentro de sí mismo. Se calcula como la relación entre la permeabilidad magnética de la sustancia (μ) y la permeabilidad del vacío (μ₀): μr = μ / μ₀.

Corriente de Excitación

Es la intensidad de corriente que circula por las espiras de un electroimán, necesaria para producir el campo magnético deseado.

Dispositivos Electromagnéticos

Relevador (Relé)

Es un dispositivo electromagnético que funciona como un interruptor controlado por un circuito eléctrico. Utiliza una bobina y un electroimán para abrir o cerrar contactos eléctricos.

Tipos Comunes de Relevadores

  • Electromecánicos
  • De núcleo móvil
  • De lengüeta (Reed Relay)
  • Polarizados
  • De estado sólido
  • De CA de láminas
  • De acción retardada (con retardo a la conexión o desconexión)

Partes Principales de un Relé Electromecánico

  • Base: La estructura sobre la que se montan los demás componentes.
  • Bobina: Un devanado de alambre que, al ser energizado por una corriente eléctrica, crea un campo magnético.
  • Núcleo: Una pieza de material ferromagnético dentro de la bobina que concentra el campo magnético y atrae la armadura.
  • Armadura: La parte móvil del relé que es atraída por el núcleo cuando se activa el electroimán. Su movimiento provoca el cambio de estado de los contactos.
  • Contactos: Son los interruptores eléctricos que el relé controla. Pueden ser:
    • Normalmente Abiertos (NO): Abiertos cuando el relé está desenergizado y se cierran al energizarse.
    • Normalmente Cerrados (NC): Cerrados cuando el relé está desenergizado y se abren al energizarse.