Cap 1 Redes electricas

1.1 INTRODUCCION

En el cálculo de las instalaciones eléctricas prácticas. Ya sean del tipo residencial, industrial o comercial, se requiere del conocimiento básico de algunos conceptos de electricidad Que permiten entender mejor los problemas específicas que planteen dichas instalaciones .Desde luego que el estudio de estos conceptos es material de otros temas de electricidad relacionados principalmente con los circuitos eléctricos en donde se tratan con suficiente detalle. Sin embargo, en este capítulo sólo se estudió los conceptos mínimos requeridos para el proyecto de instalaciones eléctricas con un nivel de matemáticas elemental que prácticamente se reduce a la aritmética. La idea es que el material de esta obra lo puedan usar personas que de hecho no tengan conocimientos de electricidad por, un lado, y por el otro, sirva también a personas que necesiten hacer instalaciones eléctricas, sin importar su nivel de preparación en el tema.

1.2 PARTES DE UN CIRCUITO ELECTRICO

Todo circuito eléctrico práctico, sin importar qué tan simple o qué tan complejo sea, requiere de cuatro partes básicas:

 a) Una fuente de energía eléctrica que puede forzar el flujo de electrones (corriente eléctrica) a fluir a través d& circuito.

b) Conductores que transporten el flujo de electrones a través de todo el circuito.

e) La carga, que es el dispositivo o dispositivos a los cuales se suministra la energía eléctrica.

c) Un dispositivo de control que permita conectar o desconectar el circuito.

Un diagrama elemental que muestra estos cuatro componentes básicos de un Circuito se muestra a continuación en la figura 1.1. La fuente de energía puede ser un simple contacto de una instalación eléctrica, una batería, un generador o algún otro dispositivo; de hecho, como se verá, se usan dos tipos de fuentes: de corriente alterna (CA) y de corriente directa (CD).

Por lo general, los conductores de cobre usados en las instalaciones eléctricas son alambres de cobre; se pueden usar también alambres de aluminio. Cuando el dispositivo de control o desconectado (switch) está en posición de abierto no hay circulación de corriente o flujo de electrones; la circulación de corriente por los conductores ocurre cuando se cierra el desconectador. La carga puede estar representada por una amplia variedad de dispositivos como lámparas (focos), parrillas eléctricas, motores, lavadoras, licuadoras, planchas eléctricas, etc.; más adelante se indica que se pueden usar distintos símbolos para representar las cargas; algunos de estos símbolos se muestran a continuación (figura 1.4).

1.3 CORRIENTE ELECTRICA

Para trabajar con circuitos eléctricos es necesario conocer la capacidad de conducción de electrones a través del circuito, es decir, cuántos electrones libres pasan por un punto dado del circuito en un segundo (1 Seg.)A la capacidad de flujo de electrones libres se le llama corriente y se designa, en general, por la letra I, que indica la intensidad del flujo de electrones; cuando una cantidad muy elevada de electrones (6.24 x 1018) pasa a través de un punto en un segundo, se dice que la corriente es de 1 Ampere.

1.3.1 Medición de la corriente eléctrica

Se ha dicho que la corriente eléctrica es un flujo de electrones a través de un conductor, debido a que intervienen los electrones, y éstos son invisibles. Sería imposible contar cuántos de ellos pasan por un punto del circuito en 1segundo, por lo que para medir las corrientes eléctricas se dispone, afortunadamente, de instrumentos para tal fin conocidos como: Amperímetros,. Miliamperímetros, o micro amperímetros, dependiendo del rango de medición requerido, estos aparatos indican directamente la cantidad de corriente (medida en amperes) que pasa a través de un circuito. En la figura 1.5 se muestra a forma típica de la escala de un amperímetro; se indica como escala 0-lA, siendo la el valor más alto de corriente por medir y el mínimo 0.1 A (100 ma).

Generalmente, los amperímetros tienen diferentes escalas en la misma carátula y por medio de un selector de escala se selecciona el rango apropiado. Dado que un amperímetro mide la corriente que pasa a través de un circuito se conecte “en serie”, es decir, extremo con extremo con otros componentes del circuito y se designa con la letra A dentro de un círculo (figura1.6). Tratándose de medición de corriente en circuitos de corriente continua, se debe tener cuidado de conectar Correctamente la polaridad, es decir que, por ejemplo, el punto de polaridad negativa del amperímetro se debe conectar al punto de polaridad negativa de la fuente o al lado correspondiente en el circuito (figura 1.7).

1.4 VOLTAJE O DIFERENCIA DE POTENCIAL

Cuando una fuente de energía eléctrica se conecta a través de las terminales de un circuito eléctrico completo, se crea un exceso de electrones fibras en una terminal y una deficiencia en el otro; la terminal que tiene exceso tiene carga negativa (—) y la que tiene deficiencia carga positiva (÷).En la terminal cargada Positivamente, los electrones libres se encuentran más espaciados de lo normal, y las fuerzas de repulsión que actúan entre ellos se reducen. Esta fuerza de repulsión es una forma de energía potencial; también se le llama energía de posición. Los electrones en un conductor poseen energía potencial y realizan un trabajo en el conductor poniendo a otros electrones en el conductor en una nueva posición. Es evidente que la energía potencial de los electrones libres. En la terminal positiva de un circuito es menor que la energía potencial de los que se encuentran en la terminal negativa; por tanto, hay una “diferencia de energía potencial” llamada comúnmente diferencia de potencial; esta diferencia de potencial es la que crea la “presión” necesaria para hacer circular la corriente. Debido a que en los circuitos eléctricos las fuentes de voltaje son las que crean la diferencia de potencial y que producen la circulación de corriente, también se les conoce como fuentes de fuerza electromotriz (FEM). La unidad básica de medición de la diferencia de potencial es el Volt y por lo general, se designa con la letra V á E y se mide por medio de aparatos llamados voltímetros que se conectan en paralelo con la fuente (figura 1.8).

1.5 EL CONCEPTO DE RESISTENCIA ELECTRICA

Debido a que los electrones libres adquieren velocidad en su movimiento e lo largo de conductor. Ia energía potencial de la fuente de voltaje se transforma en energía cética; es decir, los electrones adquieren energía cinética (Ia energia de movimiento). Antes de que los electrones se desplacen muy lejos, se producen colisiones con los iones del conductor. Un ion es simplemente un átomo o grupo de átomos que por la pérdida o ganancia de electrones libres ha adquirido una carga eléctrica. Los iones toman posiciones fijas y dan al conductor metálico su forma o característica. Como resultado de Idas colisiones entre los electrones libres y los iones, los electrones libres ceden parte de su energía cinética en forma de calor o energía calorífica a los iones. Al pasar de un punto a otro en un circuito eléctrico, un electrón libre produce muchas colisiones y, dado que Ia corriente es el movimiento de electrones libres, las colisiones se oponen a Ia comente, Un sinónimo de  oponer es resistir, de manera que se puede establecer formalmente que Ia resistencia. Es Ia propiedad de un circuito eléctrico de Oponerse a la corriente. ‘La unidad de Ia resistencia es el ohm y se designa con la letra R; cuando la unidad ohm es muy pequeña se puede usar el kilohm, es igual a 1000ohms.Todas las componentes que se usan en los circuitos e4éctricos, tienen alguna resistencia, siendo de particular interés en les instalaciones eléctricas resistencia de los conductores.

Cuatro factores afectan a resistencia metálica de los conductores:

1) su longitud.

2) el área o sección transversal,

3) el tipo de material del conductor y

4) Ia temperatura.

La resistencia de un conductor es directamente proporcional a su longitud; es decir, que a mayor longitud del conductor el valor de Ia resistencia es mayor. La resistencia es inversamente proporcional al área o Sección (grueso) del conductor; es decir, a medida que un conductor tiene mayor área su resistencia disminuye Para Ia medición de Ia resistencia se utilizan aparatos denominados 6h-metros que contienen su fuente de voltaje propia que normalmente es una batería. Los óhmetros se conectan al circuito al que se va a medir Ia resistencia, cuando el circuito está desenergizado. La resistencia se puede medir también por medo de aparatos llamados muftirnetros que integran también Ia medición de voltajes y corrientes. La resistencia también se puede calcular por método indirecto de voltaje ycorriente. ‚

1.6 LEY DE OHM

En 1825, un científico alemán, George Simón Ohm, realizó experimentos que Condujeron al establecimiento de una de Las más implantes leyes de los circuitos eléctricos, Tanto Ia ley como Ia unidad de resistencia eléctrica lleva su nombre en su honor.

Las tres maneras de expresar Ia ley de Ohm son las siguientes:

Dado que Ia ley de Ohm presenta los conceptos básicos de Ia electricidad, es importante tener practica en su uso; por esta razón se pueden usar diferentes formas graficas de ilustrar este ley simplificando notablemente su aplicación como se presenta en Ia figura 1.9y 1.10.

Algunos ejemplos simples permitirán comprende’ la apicec6n y utilidad de le Ley de Ohm.

1.7 POTENCIA Y ENERGIA ELECTRICA

En los circuitos eléctricos La capacidad de realizar un trabajo se conoce como la potencia; por lo general se asigna con Ia letra P y en honor a La memoria de James Watt, inventor de Ia máquina de vapor, Ia unidad de potencie eléctrica es el watt; se abrevia w. Para calcular Ia potencia en un circuito eléctrico se usa Ia relación

P=El

Dónde: P es Ia potencia en watts, E es el voltaje o tuerza electromotriz en volts y Ia corriente en amperes es I. Es común que algunos dispositivos como lámparas, calentadores, secadoras, etc., expresen su potencia en watts, por Lo que en ocasiones es necesario manejar Ia fórmula anterior en distintas maneras en forma semejante ale ley de Ohm.

Supóngase que se tiene una lámpara (foco) incandescente conectada a 127 volts y tome una comente de 0.47 Ay su potencia es de Figura 1.12):

Debido a que Ia potencia es disipada por Ia resistencia de cualquier circuito eléctrico, es conveniente expresarla en términos de Ia resistencia IRI .De Ia ley de Ohm.E IR de modo que si sustituye esta expresión en La fórmula P = El se obtiene

Se puede derivar otra expresión útil para Ia potencia sustituyendo

En Ia expresión: P = Ei, quedando entonces.

A. por ejemplo, si Ia lámpara tiene una resistencia de 2716 ohms, su potencia se puede calcular a partir de su voltaje de operación como:

Ejemplo 1.4

Es el valor de potencia qua consume y qué corriente circula por una lámpara que tiene una resistencia de 268.5 ohms y se conecta a una alimentación de 127volts (figura 1.12)

Solución

Ei circuito equivalente es el siguiente (figura 1.14)

Medición de la potencia

De acuerdo con lo estudiado hasta esta parte, se puede observar que Ia potencia en Ia carga se puede calcular a partir de lecturas por separado de corriente y voltaje ya que P El. Sin embargo, existen aparatos de lectura directa denominados wattmetros que son muy útiles, particularmente en los circuitos de comente alterna; el wáttmetro denominado electrodinámico se puede usar tanto en circuitos de corriente continua como de corriente alterna Dentro de un wâttmetro se tienen dos bobinas, una de corriente y una de voltaje, y pare facilitar su uso se acostumbra indicar con una marca deo4aridad los puntos de conexión para facilitar urnas su uso (figuras 117 y1.18).

Debido a que la unidad de potencia, el watt, es muy pequeña, se acostumbra usar lo. Múltiplos de 1 000 watts o kilowatts (kw).

Un resumen de las expresiones de Ia ley de Ohm y para el cálculo de La Potencia se da en la figura 1.19 que se puede aplicar con mucha facilidad para cálculos prácticos.

La energía eléctrica

La potencia eléctrica consumida durante un determinado periodo 5e conoce como Ia energía eléctrica y se expresa como waitshora o kilowattshora; La fórmula para su cálculo seria:

Siendo t el tiempo expresado en horas.

Para medir La energía ecléctica teórica consumida por todos los dispositivos conectados a un circuito eléctrico, se necesita saber qué tanta potenciales usada y durante qué periodo: la unidad de medida más común os eikilowati-hora (kwh), por ejemplo si tiene una lámpara de 250 warts que trabaja durante 10 horas Ia energia consumida por la lámpara es:

El kilowait-hora es Ia base para el pago del consumo de energía eléctrica. Para ilustrar esto supóngase que se tienen 6 lámparas cada una de 100walls que operan 8 horas durante 30 das y el costo de Ia energía eléctrica es de $ 0.5.0 cincuenta centavos por kilowatt-hora, El costo para operar estas Lámparas es:

1.8 CIRCUITOs EN CONEXION SERIE

Los Circujo eléctiicos en las aplicaciones prácticas pueden aparecer con SUS elementos conectados en distinta forma, una de éstas es Ia llamada conexión serie: un ejemplo de lo que significa una conexión serie en un circuito eléctrico son les llamadas “senes de navidad”, que son un conjunto de pe que los focos conectados por conductores y que terminan en una clavija La corriente en estas series circula por un foco después de otro antes de regresar a Ia fuente de suministro, es decir, que en una conexión serie circula Ia misma corriente por todos los elementos (figura 1.21)

Un circuito equivalente de Ia conexión serie de focos de navidad del siguiente:) se presenta en Ia figura 1.22.

1.10 CIRCUITOS EN CONEXION  SERIE-PARALELO

Los llamados circuitos serie-paralelo son fundamentalmente una combinación de los arreglos serie y paralelo y de hecho combinan las características de ambos tipos de circuitos ya descritas. Por ejemplo, un circuito típico en conexión serie-paralelo es el que se muestra en la figura 1.32.R.

En esto circuito las resistencias R,. R3 y R4 estén en seno y forman una rama del circuito. Mientras que las resistencias R5. R, y R, también estén en serie y forman otra parte del circuito, digamos La rama 2, ambas ramas están en paralelo y la rama resultante está en seis con Ia resistencia R1. Esto se puede explicar con mayor claridad con un ejemplo.

1.11 EL CONCEPTO DE CAlDA DE VOLTAJE

Cuando la corriente fluye por un conductor, parte del voltaje aplicado se “pierde” en superar Ia resistencia del conductor. Si esta pérdida es excesiva es mayor de cieno porcentaje que fija e! reglamento de obras e instalaciones eléctricas, Lámparas y algunos otros aparatos eléctricos tienen problemas en su operación. Por ejemplo, tas lámparas (incandescentes) reducen su brillantez o intensidad luminosa, los motores eléctricos de inducción tienen problemas para arrancar y los sistemas de calefacción reducen su calor producido a las salida Para calcular Ia calda del voltaje se puede aplicar Ia Ley de Ohm que se ha estudiado con anterioridad en su forma E = R x I. Por ejemplo, si Ia resistencia de un conductor es 0.5 ohms y la corriente que circula por él es de20 A, Ia calda de voltaje es:

Para el caso de los conductores usados en instalaciones electricas  usa Ia designación norteamericana de Ia AWG (American Wire Gage) que designa a cada conductor por un número o calibre y que esté relacionado con su tamaño o diámetro, como se estudie en el capítulo 2. A cada calibre del conductor le corresponde un dato de su resistencia, que normal mente esté expresada en ohms por cada metro de longitud, lo que permite calcularla resistencia total del conductor como: