Teoría

Introducción a la electricidad

Estructura atómica

El átomo es la porción más pequeña en la que se puede dividir la materia, conservando sus propiedades como elemento químico. Está formado por tres partículas básicas, los protones los electrones y los neutrones.

Los protones y los neutrones se encuentran en el núcleo del átomo, los electrones en capas concéntricas alrededor del núcleo que a su vez se dividen en subcapas.

Los protones tienen carga positiva, los electrones tienen una carga negativa y los neutrones no tienen carga, es decir son neutros.

En la materia por lo general se encuentran los electrones y protones en equilibrio, pero los electrones se pueden mover de un átomo a otro causando que los cuerpos se carguen eléctricamente. Los electrones que se mueven con más facilidad son aquellos que se encuentran en las subcapas más alejadas del núcleo.

¿Qué es la electricidad?

Podemos señalar como definición: la electricidad es un movimiento de electrones, que se trasladan de un átomo a otro, en determinados materiales.  Este movimiento no es posible sin la aplicación de una fuerza especial llamada fuerza electromotriz. También podemos decir que la electricidad es una forma de energía que sólo se percibe por sus efectos.

Entornos invisibles de la ciencia y la tecnología (Capítulo 3) - Red de energía electrica

En el video vimos que si movemos un conductor (cable de cobre) en un campo magnético (imán) podemos verificar que en el conductor hay un movimiento de electrones (electricidad).

Una de las grandes cualidades de la electricidad es que se puede convertir rápida y eficazmente en diferentes formas de energía tal como calórica (hornos, estufas), lumínica (iluminación), mecánica (motor eléctrico) y química (cargador de batería).

Formas de producción en escala de electricidad

• Centrales térmicas: es una instalación que a partir de un combustible (gas oil, carbón, gas), calienta agua produciendo vapor para hacer girar las paletas de una turbina. Esta a su vez acciona un generador que es el que genera electricidad. Es el principio de funcionamiento de la mayoría de las centrales térmicas, transforma energía mecánica en eléctrica. Como positivo, estas centrales tienen la posibilidad de modificar rápidamente su capacidad de producción (mayor o menor demanda). El aspecto negativo es que la combustión necesaria para la generación de vapor provoca gran cantidad de residuos gaseosos tóxicos.

• Centrales nucleares: la idea sigue siendo generar vapor para accionar los alabes de una turbina, que a su vez va acoplada a un generador. La diferencia radica en la fuente de calor, que es la fisión de núcleos de uranio. La fisión nuclear consiste en la separación de núcleos provocados por el impacto de un neutron, que emite a su vez gran cantidad de neutrones, que provocan a su vez la fisión de otros núcleos. Esto es un proceso en cadena que libera calor. Una vez iniciada la reacción es muy difícil de detenerla, por lo que trabajan siempre a plena carga. No tienen flexibilidad desde del punto de vista de la demanda. 

• Centrales solares: a partir de paneles (espejos) se concentra la energía solar para calentar agua y generar vapor. Este mueve una turbina acoplada a un generador. Es una producción limpia de energía pero como aspecto negativo necesita una gran superficie para la producción en escala.  

• Centrales geotérmicas: utiliza el vapor generado naturalmente por napas de agua en contacto con el calor del centro de la Tierra. Este, al igual que en otros métodos, mueve una turbina acoplado a un generador 

• Centrales hidroeléctricas: se trata de aprovechar, mediante un desnivel, la energía potencial contenida en la masa de agua que transportan los ríos para convertirla en energía eléctrica a través de un generador acoplado a una turbina. Tienen gran flexibilidad en función de la demanda pero tiene la desventaja que el espejo de agua necesario destruye gran parte del ecosistema de la zona. 

• Centrales eólicas: utiliza la fuerza del viento para mover un generador. Es una forma limpia de producción, pero necesita una gran superficie para instalar una cantidad importante de hélices. 

• Centrales mareomotrices: aprovecha los desniveles de agua, provocado por las mareas, “encerrando” agua durante la marea alta. Este desnivel es el encargado de accionar una turbina, similar a las centrales hidroeléctricas.

Conductores y aislantes

Los materiales presentas distintos comportamientos. Los conductores ofrecen un camino fácil o de baja resistencia para su circulación. La habilidad que presenta un material para conducir electricidad depende de la abundancia o no de los electrones de la ultima orbita de su átomo (por Ej., cobre un solo electrón). En los circuitos que desarrollemos vamos a representarlos con líneas rectas. Ejemplos de materiales conductores: cobre, aluminio, plata, hierro, oro.

Este freno al desplazamiento de electrones o resistencia de un conductor se mide en ohms (Ω). Representa también una magnitud eléctrica importante.

Relacionada a la anterior, la resistividad es una característica específica del material de un conductor. Depende de su longitud, su sección y el tipo de material. Se mide en Ω/m, y siempre se referencia para 20°C. Ejemplos:

Los aislantes, por el contrario, ofrecen mucha oposición al paso de corriente. En gral, tienen mas de 4 electrones en su última orbita y estan firmemente aferrados al atomo. Ejemplos de materiales aislantes: vidrio, cerámica, plásticos y fibras sintéticas.

Los cables eléctricos

Están compuestos por un núcleo conductor, generalmente de cobre, y un recubrimiento que se comporta de aislante. Se construyen de acuerdo con las respectivas normas nacionales e internacionales, tales como las IRAM 2176, 2177, 2022, 2004 y la norma de la Comisión Electrotécnica Internacional IEC 228. Los cables deben ser capaces de ajustarse a las características de la instalación donde van destinados. En ocasiones el recorrido de la línea es más o menos sinuoso, o inclusive puede ser necesario que acompañe al equipo que alimenta en su desplazamiento durante el servicio.
Dependiendo de la flexibilidad necesaria, los conductores pueden estar constituidos por hilos metálicos de distinto diámetro. La mayoría de las normas de conductores para cables aislados clasifica a los conductores desde el más rígido (clase 1), constituido por un solo alambre, al más flexible (clase 6), formado por haces de hilos extremadamente finos.
Los aislantes utilizados para la fabricación de cables son:

1. Policloruro de vinilo (PVC): material termoplástico utilizado masivamente para la mayoría de los cables de uso domiciliario e industrial en baja tensión. La temperatura de funcionamiento normal de este aislante es de 70º C
2. Polietileno reticulado (XLPE): Material termoestable (no se ablanda con el calor) presenta mejores características eléctricas y térmicas que el PVC por lo que se lo utiliza en la construcción de cables de baja, media y alta tensión. Su termoestabilidad hace que puedan funcionar en forma permanente con temperaturas de 90º C en los conductores y 250º C durante 5 segundos en caso de cortocircuito.
3. Gomas siliconadas: Materiales termoestables con excelentes características eléctricas y de flexibilidad y una muy alta resistencia a la temperatura, lo que permite alcanzar los 250º C en funcionamiento continuo.

Colores de los cables.

La funda aislante de los cables se presenta en diversos colores, los cuales están codificados y tienen un significado:

Colores	Conductor
marrón	fase L1
negro	fase L2
gris	fase L3
azul	neutro
verde - amarillo	Tierra. Cable de protección

De acuerdo a la ubicación de los circuitos, el Reglamento de la AEA prevé las siguientes secciones mínimas (para conductores de cobre):

Tipo de línea	Tramo	Sección mínima (mm2)
Líneas principales	Medidor - Tablero principal.	4
Líneas seccionales	Tablero principal - Tablero seccional - otros tableros seccionales.	2,5
Líneas de circuito	Tableros seccionales - Tomas corrientes - Bocas de luz.	1,5
Derivaciones y retornos a los interruptores de efecto	Bocas de luz - llave interruptora.	1
Conductor de protección	Todos los circuitos.	2,5

Analogía electrica-hidraulica

 

Cuando hablamos de analogía nos referimos a comparar dos elementos. Uno de ellos mas familiar (fluidos) y otro que no conocemos (electricidad).

Si tenemos dos depósitos de líquido de igual capacidad, situados a una misma altura, el caudal de salida de líquido del depósito que tiene el tubo de salida de menos diámetro será menor que el caudal que proporciona otro depósito con un tubo de salida de más ancho o diámetro, pues este último ofrece menos resistencia a la salida del líquido.

Tensión  -------------  altura hidráulica

Resistencia -------------  diámetro tubería

Intensidad corriente ------------ caudal

De la misma forma, una carga o consumidor que posea una resistencia de un valor alto en ohm, provocará que la circulación de los electrones se dificulte igual que lo hace el tubo de menor diámetro en la analogía hidráulica, mientras que otro consumidor con menor resistencia (caso del tubo de mayor diámetro) dejará pasar mayor cantidad de electrones. La diferencia en la cantidad de líquido que sale por los tubos de los dos tanques del ejemplo, se asemeja a la mayor o menor cantidad de electrones que pueden circular por un circuito eléctrico cuando se encuentra con la resistencia que ofrece la carga o consumidor.

Esta analogía hidráulica nos permite analizar también la circulación de corriente. Si comunicamos dos recipientes a través de una cañería y ambos están al mismo nivel (igual potencial o tensión) veremos que no pasara fluido hacia ningún lado. Ahora si uno de los recipientes elevamos su altura, podremos verificar que el fluido circula de este recipiente hacia el de menor altura. O sea la corriente fluye de los puntos de mayor a menor potencial eléctrico

Magnitudes físicas de la electricidad

La energía eléctrica tiene tres parámetros o magnitudes físicas fundamentales que la definen:

• Tensión eléctrica o voltaje: para que haya un flujo de corriente a través de un circuito es necesario aplicar una fuerza capaz de mover los electrones libres que se encuentran en el circuito, llamada voltaje y es proporcionada por una fuente.

La unidad de medida del voltaje es el voltio (V). Tiene como submúltiplo el milivolt (1mV=0,001V) y como múltiplos el kilovoltio (1kV=1000V).Esta magnitud se mide con un instrumento llamado voltímetro, el cual debe conectarse en paralelo con el circuito a medir.

• Resistencia: todos los materiales conductores o aisladores ofrecen cierta oposición al paso de corriente, propiedad que se llama resistencia. La unidad de medida empleada para medir la resistencia es el ohmio (letra griega omega, W). A mayor numero de ohmios mayor será el grado de oposición al paso de corriente y por lo tanto habrá menos corrientes son muy utilizados los múltiplos de ohm: kilohms (1kW= 1000W) y Megaohms (1MW=1000000W).

El aparato de medida utilizado para medir resistencia eléctrica es el óhmetro, y se conecta en paralelo al elemento que se quiere medir, sin carga eléctrica. Cuando en un circuito eléctrico se produce una interrupción, decimos que estamos en presencia de un circuito abierto y su resistencia es infinitamente alta. En el denominado cortocircuito sucede lo inverso, la resistencia es prácticamente igual a cero, lo cual hará circular un flujo de corriente mayor al normal.

• Corriente o intensidad eléctrica: sabemos que el electro es la unidad basica de la electricidad, pero como su carga es tan pequeña es necesario mover millones de ellos para producir una corriente apreciable. Como dichos números son tan grandes se utiliza una unidad práctica llamada coulombio ( C ) que equivale a 6,28x10^18 electrones. La corriente o intensidad eléctrica es la cantidad de electrones que circulan por un conductor en la unidad de tiempo. Su unidad es el Amper (A) y representa el paso de un culombio (6,28x10^18 electrones) en un segundo a través de un circuito. Es muy utilizado el submúltiplo miliamper (mA), el microamper (mA).

¿Qué es un circuito eléctrico?

Un circuito eléctrico es una combinación de componentes conectados entre si de manera que proporcionen una o más trayectorias cerradas que permitan la circulación de la corriente y el aprovechamiento de esta para la realización de un trabajo útil. Si el camino no es continuo no hay circulación de corriente.

Todo circuito por sencillo que sea posee tres características importantes:

1. Posee una fuente de voltaje, sin esta no puede establecerse el movimiento de electrones (electricidad).
2. Existe una trayectoria cerrada por la que circula la corriente desde un extremo de la fuente de voltaje hasta el otro extremo.
3. La trayectoria o camino por el que circula la corriente, presenta cierta oposición a su paso. Esto puede generar calor o una perdida de energía.

Elementos de un circuito eléctrico

Los componentes básicos que forman un circuito eléctrico son:

1.     Generadores: Los generadores son los elementos que transforman cualquier forma de energía en energía eléctrica, es decir, los generadores suministran energía eléctrica al circuito. Proveen al circuito de la necesaria diferencia de cargas entre sus dos polos o bornes (tensión), y además, son capaces de mantenerla eficazmente durante el tiempo suficiente, permitiendo el flujo de electrones. Ejemplos de ellos son las pilas y baterías y las fuentes de alimentación. Un generador consta de dos polos, uno negativo (cátodo) y uno positivo (ánodo). No basta con conectar un extremo del conductor al polo negativo del que salen los electrones. Hay que conectar el polo positivo, al que vuelven los electrones (circuito cerrado).  Cuando ambos polos se unen mediante el hilo conductor, los electrones se mueven a través del polo negativo al polo positivo.

2.     Receptores: Los receptores son los elementos encargados de convertir la energía eléctrica en otro tipo de energía útil de manera directa, como la lumínica, la mecánica (movimiento), En base a eso tenemos:

• Receptores luminosos: como lamparas y LEDs.

• Receptores sonoros: como timbres y altavoces.

• Receptores térmicos: como las resistencias eléctricas que llevan planchas, hornos.

• Receptores mecánicos: como los motores eléctricos.

3.     Conductores: Los conductores son los elementos que conectan los distintos elementos del circuito permitiendo el flujo de electrones. Para transportar los electrones de un sitio a otro se utilizan cables de metal, normalmente de cobre, y recubiertos de plástico para que los electrones no salgan del cable.

4.     Elementos de control: Son los dispositivos usados para dirigir o interrumpir el paso de la corriente. Los más importantes son los interruptores, conmutadores y pulsadores.

5.     Elementos de protección: Son los elementos encargados de proteger al resto de los elementos del circuito de corrientes elevadas o fugas. Los más importantes son los fusibles, interruptores diferenciales y los interruptores magneto térmicos.

 Ley de ohm

En un circuito sencillo en donde tenemos en serie una fuente de tensión (una batería de 12 voltios) y una resistencia de 6 ohms (ohmios), se puede establecer una  relación entre la tensión de la batería, la resistencia y la corriente que entrega la batería y circula a través de esta resistencia o resistor.

Esta relación es:  I = V / R  y se llama la Ley de Ohm. Entonces la corriente que circula en el circuito es:

 I = 12 Voltios / 120 ohms = 0,1 Amper.

De la misma manera, de la fórmula se puede despejar el voltaje en función de la corriente y la resistencia, entonces la  Ley de Ohm quedaría:  V = I * R.  Así si se conoce la corriente y la resistencia se tiene que:   V = 0,1 A *  120 ohms = 12 V 

La ley de Ohm, establece que la corriente eléctrica que circula por un dispositivo es directamente proporcional a la tensión aplicada e inversamente proporcional a la resistencia del mismo, según expresa la fórmula siguiente:

En donde, empleando unidades del Sistema internacional:

I = Intensidad en amperios (A)
V = tensión en voltios (V)
R = Resistencia en ohmios (Se representa con la letra griega Ω).

Para recordar las tres expresiones de la Ley de Ohm se utiliza el siguiente triángulo que tiene mucha similitud con las fórmulas analizadas anteriormente.

V= I. R;      I= V/R;          R= V/I

Potencia Eléctrica

Si disminuimos la tensión la lámpara brilla y calienta menos (menor potencia transformada) y viceversa, si aumentamos la tensión la lámpara brilla y calienta más.

Por lo tanto, se puede decir que la tensión y la potencia varían entre sí de manera directa. De la misma forma, si disminuimos la corriente la lámpara también brilla y calienta menos (menor potencia transformada) y si la aumentamos también brilla y calienta más.

O sea que la corriente y la potencia eléctrica varían entre sí de manera directa; esto significa que la potencia varía de forma directa con la tensión y la corriente, pudiéndose decir entonces que:

La potencia eléctrica es el resultado del producto de la tensión por la corriente:

P = U * I

Siendo la unidad de medida de la tensión el Volt (V) y de la corriente el Ampere (A), la unidad de medida de la potencia será el Volt-Ampere (VA) para circuitos de c.a. y el Watt (W) para circuitos de c.c.

Ej: si en una instalación de 220V tenemos conectado un aire acondicionado de 5000W, el consumo de corriente será de:

I= P/U= 5000W/220V = 22,7 A

Con este dato podemos estimar la sección del cable a utilizar. En el caso de cables unipolares aislados en PVC según norma IRAM 2183, cuyos datos principales son[1]:

Sección nominal	Diámetro exterior aprox.	Peso aprox.	Intensidad de corriente admisible en cañerías (2)	Intensidad de corriente admisible al aire libre (2)	Resist. eléctrica máxima a 20ºC y CC
mm²	mm	Kg/Km	A	A	Ohm/km
0,75	2,4	12	8	10	26
1,0	2,8	16	10,5	12	19,5
1,5	3,0	21	13	15,5	13,3
2 (1)	3,3	25	15,5	18	9,51
2,5	3,7	32	18	21	7,98
3 (1)	3,9	37	20	24	6,07
4	4,2	46	24	28	4,95
6	4,8	65	31	36	3,3
10	6,1	110	42	50	1,91
16	7,9	185	56	68	1,21
25	9,8	290	73	89	0,78
35	11,1	390	89	111	0,554
50	13,6	550	108	134	0,386
70	16,1	785	136	171	0,272
95	18,3	1000	164	207	0,206
120	19,7	1250	188	239	0,161

A partir de la tabla anterior podemos ver que la sección nominal a utilizar debe ser de 4mm2.

Consumos más habituales

Electrodomésticos	Potencia (Watts)
Lámpara incandescente	60 - 100
Televisor	60 - 300
Heladera	400 - 800
Acondicionador de aire	4000 - 6000
Microondas	800 - 1500
Cafeteras	500 - 1200
Computadores personales	200 - 600
Equipos de sonido	30 - 100
Motores grandes (más de 1/2 hp)	1000 por HP
Motores medianos (1/2 hp)	450 - 600
Motores pequeños (1/4 hp)	300 - 400
Planchas de ropa	600 - 1200
Secadores de cabello	250 - 1200
Ventiladores	50 - 200

Para calcular el costo de funcionamiento de cada equipamiento se divide la potencia en Watt por 1000 para obtenerla en kilowatt; luego se multiplica por el costo del Kilowatt hora para saber el costo de operación de una hora. Como ejemplo una carga de 1000 Watt = 1 kW con una tarifa de 0,08 $ / kW hora nos daría un costo de consumo de 8 centavos por hora.

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[1] Fuente: Manual de Instalaciones Eléctricas Pirelli