Electricidad y electronica

MCR MECANICOS COSTA RICA FUNDAMENTOS DE ELECTRICIDAD Y ELECTRONICA AUTOMOTRIZ Instructor Junior Chinchilla MCR Derechos Reservados FUNDAMENTOS DE ELECTRICIDAD Y ELECTRONICA AUTOMOTRIZ

La Materia 1. La materia y su composición ¿Qué es la materia? Con palabras sencillas, podemos decir que materia es todo lo que existe, ocupa un espacio yse puede pesar. Materia son los cuerpos que vemos, tocamos, medimos, etc. De una forma más rigurosa, materia se define como: Materia es todo lo que existe, tiene masa y volumen. La masa y el volumen son dos propiedades fundamentales de la materia que estudiaremos eneste tema. EJEMPLOS DE CUERPOS QUE POSEEN ENERGÍA *Energía que posee una persona. Una persona posee energía, es decir, tiene la capacidad de provocar cambios, por ejemplo levantar una pesa. La personadecidirá si emplea o no la energía, tiene la capacidad de levantar la pesa, pero puede levantarla o no. *Energía de los combustibles. Los combustibles poseen energía, ya que al arder pueden provocar cambios (movimiento, calor, colisiones, etc.). Sin embargo, esta energía puede usarse o no, por lo tanto es una capacidad o posibilidad de ser usada. *Energía del agua de una cascada. El agua de una cascada tiene diferente energía antes de caer ydespués de caer. La diferencia se debe a la altura del agua, esdecir, a su energía potencial. La materia y su composición Composición de la materia Si pudiéramos ver los cuerpos materiales con un microscopio muy potente, veríamos que todoslos cuerpos están formados por unas pequeñas partículas llamadas átomos. Hay átomos de diferentes tipos. Los átomos se pueden diferenciar entre sí por su masa (unos pesan más que otros), por su tamaño (unos mayores que otros) y por la forma que tienen de unirse a otros átomos. Todos los cuerpos materiales están formados por unas partículas llamadas átomos. En este tema consideraremos a los .átomos como eternos e indestructibles FUNDAMENTOS DE ELECTRICIDAD Y ELECTRONICA AUTOMOTRIZ

La materia y su composición Unión de átomos Los átomos pueden unirse entre sí, formando compuestos. Estos átomos que se unen puedenser iguales o distintos. Cuando los átomos se unen se dice que forman enlaces. La fuerza con la que se unen los átomos depende del tipo o naturaleza de los átomos que seunen. Hay átomos que se atraen entre sí con mucha fuerza y se unen muy fuertemente y otros queprácticamente no se atraen nada y no se unen. FUNDAMENTOS DE ELECTRICIDAD Y ELECTRONICA AUTOMOTRIZ

Los átomos dependiendo de su naturaleza pueden unirse entresí formando enlaces. La mayoría de los átomos tienden a unirse a otros átomos iguales o diferentes. Los átomos al unirse forman compuestos. Pueden unirse átomos iguales o diferentes. La fuerza con la que se unen los átomos depende del tipo de átomos que se unen. La materia y su composiciónTemperatura Intuitivamente asociamos la temperatura de un cuerpo a si éste está caliente o frío. La pregunta es: ¿Qué diferencia hay entre un cuerpo con más temperatura que otro con menos? Si mirásemos las partículas o átomos que componen un cuerpo, veríamos que estás se mueven y se mueven más rápido cuanto mayor es la temperatura del cuerpo y viceversa. Silas partículas ganan energía aumenta la temperatura y si la pierden baja. La temperatura está directamente relacionada con la rapidez (velocidad) o energía que tienen los átomos o partículas quecomponen los cuerpos. FUNDAMENTOS DE ELECTRICIDAD Y ELECTRONICA AUTOMOTRIZ

La materia y su composición Teoría cinética de la materia Los cuerpos están formados por átomos, que pueden unirse entre sí y que tienen energía yestán en movimiento. Que los átomos estén unidos o separados entre sí depende de dos factores: 1. De la fuerza con la que los átomos se atraen, que depende del tipo de átomos que seunen. 2. De la temperatura o energía que poseen los átomos. Si los átomos se mueven más rápido (más temperatura) será más fácil que se separen que si se mueven más lentos(menos temperatura). Que los átomos estén unidos entre sí depende del tipo deátomos y de la temperatura. Por ello, las sustancias están en estado sólido, líquido o gas. FUNDAMENTOS DE ELECTRICIDAD Y ELECTRONICA AUTOMOTRIZ

Propiedades de la materiaMasa Todos los cuerpos tienen masa. Una definición de la masa es: \"cantidad de materia que tiene un cuerpo\". Otra manera más intuitiva de definir la masa es: la masa de un cuerpo se relaciona directamente con la cantidad de átomos o partículas que contiene. Cuantos más átomos más masa y viceversa. La masa de un cuerpo mide la cantidad de átomos o partículasque contiene. Nota: también depende del tipo de átomo ya que unos átomos tienen más masa que otros. FUNDAMENTOS DE ELECTRICIDAD Y ELECTRONICA AUTOMOTRIZ

Propiedades de la materia Volumen Volumen es el espacio que ocupa un cuerpo. Todos los cuerpos que existen tienen volumen, ya que ocupan un lugar en el espacio. El volumen de un cuerpo es el que ocupan los átomos que lo componen más el espacio entreellos (espacio interatómico). El espacio ocupado por un cuerpo no puede ser ocupado por otro cuerpo a la vez (principio de impenetrabilidad de los cuerpos). Conviene recordar las siguientes equivalencias: 1 m3 = 1000 L, 1 dm3 = 1 L y 1 cm3 = 1 mL(0,001 L). Propiedades de la materiaDensidad Hemos visto que todos los cuerpos tienen masa y volumen, es decir que están formados porátomos que ocupan un espacio. A la división entre la masa y el volumen de un cuerpo se lellama densidad. d= m/v Los átomos de un cuerpo pueden estar más o menos juntos, es decir, en un mismo espaciopuede haber más o menos átomos. Un cuerpo denso es aquel que tiene muchos átomos en un espacio determinado, es decir, losátomos están muy juntos. Mientras que si hay mucho espacio entre ellos será poco denso. FUNDAMENTOS DE ELECTRICIDAD Y ELECTRONICA AUTOMOTRIZ

Propiedades de la materia Dimensiones de los cuerpos En el espacio que conocemos hay tres dimensiones llamadas: ancho, largo y alto. Todos los cuerpos son tridimensionales (3 dimensiones), por ejemplo: un balón, una silla, un coche, etc. Sin embargo, hay cuerpos que tienen una dimensión mucho más pequeña que las otras dos. Son cuerpos bidimensionales. Por ejemplo, un folio o un mantel son muy finos y en la práctica se tienen en cuenta dos dimensiones: ancho y largo. Hay cuerpos, como por ejemplo un hilo o una cuerda, en los que predomina una soladimensión, son cuerpos unidimensionales. FUNDAMENTOS DE ELECTRICIDAD Y ELECTRONICA AUTOMOTRIZ

Propiedades de la materia Otras propiedades de la materia Los cuerpos materiales tienen otras muchas propiedades. A continuación comentaremos algunas de ellas a modo de ejemplo: Dureza. Indica si es fácil o difícil de rayar . Índice de refracción. Indica si la luz y las ondas viajan más o menos rápido en el interior de un cuerpo. Calor específico. Indica si hay que dar más o menos energía para calentar o enfriar el cuerpo. Conductividad eléctrica y térmica. Indica si el calor y la electricidad pasan o no con facilidad a través del cuerpo. Ejemplos de sustancias conductoras son: oro, plata y acero. Ejemplos de sustancias aislantes son: cerámica, madera y vidrio. Estados de la materiaGaseoso Las partículas de los gases se atraen muy poco entre sí yestán separadas. La estructura microscópica de los gases explica que presenten las siguientes propiedades: Su forma y su volumen es la del recipiente que los contiene. Se pueden comprimir (reduciro aumentar su tamaño). Pueden fluir (viajar de un sitio a otro deslizándose por el medio). Los gases ejercen presión (fuerza sobre las paredes del recipiente que los contienen). Las temperaturas altas favorecen que las sustancias estén en estado gaseoso. Estados de la materiaSólido Las partículas de los sólidos se atraen con mucha fuerza entre sí y están fuertemente unidas. FUNDAMENTOS DE ELECTRICIDAD Y ELECTRONICA AUTOMOTRIZ

La estructura microscópica de los sólidos explica que presenten las siguientes propiedades: Su forma y su volumen son fijos y no varían. Son incompresibles (no se reducen al ser presionados). No fluyen. Los sólidos ejercen presión sólo sobre los cuerpos que estánapoyados en él. Las temperaturas bajas favorecen que las sustancias estén en estado sólido. Estados de la materia Líquido Las partículas de los líquidos se atraen con fuerza intermediaentre sí y las partículas están unidas pero se mueven o deslizan unas con respecto de otras. La estructura microscópica de los líquidos explica que presenten las siguientes propiedades: Su forma es la del recipiente que lo contiene y su volumen es fijo, no varía. Son incompresibles (no se reducen al ser presionados). Pueden fluir. Los líquidos ejercen presión sobre las paredes de los recipientes que los contienen. FUNDAMENTOS DE ELECTRICIDAD Y ELECTRONICA AUTOMOTRIZ

Las temperaturas intermedias favorecen que las sustancias estén en estado líquido. Estados de la materia Cambios de estado Hemos visto que el estado de una sustancia depende de dos factores: naturaleza de la sustancia (de ella depende la fuerza de unión entre sus átomos) y temperatura (de ella depende la energía o rapidez con la que se mueven los átomos). Un cuerpo en estado sólido al que se aumenta su temperatura hace que sus partículas se muevan más rápido hasta que se separan y pasa a estado líquido o gaseoso. Lo contrario pasa si se baja la temperatura, las partículas tendrán menos energía y tenderán a estar en estado líquido o sólido. Cada uno de los cambios de un estado a otro tiene un nombre concreto. En el siguiente enlacese observa una animación de los cambios de estado. FUNDAMENTOS DE ELECTRICIDAD Y ELECTRONICA AUTOMOTRIZ

Medida y materia Magnitud, medida y unidades. Magnitud. Es cualquier propiedad (del universo) que se puede medir o calcular de alguna forma. Ejemplos: tiempo, masa, fuerza, longitud, velocidad, aceleración, etc. Medida. Es el resultado de comparar dos magnitudes de la misma naturaleza. Ejemplo:cuando se mide el tiempo se compara lo que tarda en ocurrir algo con lo que tardan las agujas del reloj en dar las vueltas, estoy comparando un tiempo (fenómeno) con otro (reloj). Unidad de medida. Cantidad de una determinada magnitud que se toma como referencia. Actualmente las establece el Sistema Internacional de unidades (SI). Ejemplo. La unidad de tiempo es el segundo, por tanto comparo lo que tarda cualquier fenómeno con él segundo. El átomo El átomo es la partícula más pequeña y estable que mantiene todas las propiedades de un elemento. Es decir, la parte de materia más pequeña que puede ser medida. Cada átomo, a su vez, posee partes más pequeñas, conocidas como partículas subatómicas. Estas incluyen protones, neutrones y electrones. Los átomos se combinan para formar moléculas que luego interactúan para formar sólidos, líquidos y gases. Estructura del átomo El átomo está compuesto por dos regiones diferentes: el núcleo, donde están los protones y los neutrones, y la nube u orbitales electrónicos, donde se encuentran los electrones. FUNDAMENTOS DE ELECTRICIDAD Y ELECTRONICA AUTOMOTRIZ

Núcleo El núcleo es el centro o corazón del átomo que está compuesto por protones y neutrones. Tanto protones como neutrones poseen masa, pero sólo los protones tienen carga positiva. Todos los átomos de un elemento tienen el mismo número de protones, pero el número de neutrones puede cambiar. A estos átomos con diferente número de neutrones se les conoce como isótopos de un elemento. Por ejemplo, el carbono-12 y el carbono-14 son isótopos del elemento carbono, que tiene 6 protones en su núcleo, pero el carbono-12 tiene 6 neutrones, mientras que el Carbono-14 tiene 8 neutrones. Nube electrónica Rodeando el núcleo, se encuentran los electrones en una especie de nube. Los electrones poseen carga negativa. Los átomos se transforman en iones cuando ganan o pierden electrones. Si hiciéramos la comparación de la estructura del átomo con un campo de fútbol, la nube electrónica ocuparía todo el campo de fútbol, mientras que el núcleo del átomo sería un granito de arena en el medio del campo. Partes del átomo El átomo de carbono posee seis protones, seis neutrones y seis electrones. El átomo está compuesto por tres partículas subatómicas: protones, neutrones y electrones. Protón Es la partícula cargada positivamente que se encuentra en el núcleo del átomo. Tiene una masa de aproximadamente 1,67 x 10-24 gramos, que es igual a 1 dalton. El número de protones de un átomo determina el número atómico del elemento. Por ejemplo, el hidrógeno posee un solo protón, entonces su número atómico es igual a 1. FUNDAMENTOS DE ELECTRICIDAD Y ELECTRONICA AUTOMOTRIZ

Neutrón Es la partícula neutra del núcleo del átomo con masa igual a la de un protón, es decir, un dalto Electrón Los electrones son las partículas subatómicas que orbitan alrededor del núcleo. El electrón tiene una masa de 9,11 x 10-28 gramos, esto es 1/1800 la masa del protón. Su masa es tan pequeña que se considera despreciable. Cada electrón posee una carga negativa. La carga de un átomo es normalmente neutra, pues tiene tantos protones como electrones, haciendo que las cargas positivas de uno se cancelen con las cargas negativas del otro. Historia del átomo El concepto de átomo como una unidad indivisible data del siglo V a. de C. Los griegos Leucipo y Demócrito llamaron átomos a las partículas más pequeñas e indivisibles de las que tenían conocimiento. De hecho, Demócrito propuso que diferentes tipos y combinaciones de estas partículas eran las responsables de toda la materia. Primera teoría atómica El químico y meteorólogo John Dalton (1766-1844) es considerado el primero en formular la teoría atómica. Dalton realizó experimentos con gases que lo llevaron a formular el concepto de estructura atómica a inicios de 1800. La teoría atómica de Dalton establece las siguientes ideas: • Todos los átomos de un elemento son iguales. • Los átomos de diferentes elementos varian en tamaño y masa. • Los átomos son indestructibles. Una reacción química resulta en el rearreglo de los átomos entre reactantes y productos. Descubrimiento de las partes del átomo Los electrones fueron descubiertos por medio de los experimentos de J.J. Thomson (1856-1940) estudiando los tubos de rayos catódicos entre 1898 y 1903. El hallazgo de Thompson tumbó la teoría de la indivisibilidad del átomo de Dalton. El modelo de Thomson es conocido como \"el pudin de pasas\" donde el átomo es como una masa de cargas positivas y negativas. El átomo nuclear Ernest Rutherford (1871-1937) era estudiante de Thomson en 1911. Haciendo uso de la radioactividad, bombardeó elementos con partículas alfa y descubrió que la mayor masa del átomo se concentraba en un núcleo diminuto con carga proporcional a la masa atómica, demostrando así que el átomo no era homogéneo. FUNDAMENTOS DE ELECTRICIDAD Y ELECTRONICA AUTOMOTRIZ

Modelo atómico de Bohr Niels Bohr (1885-1962) fue a la Universidad de Manchester a estudiar con Rutherford. Bohr propuso que el electrón en un átomo de hidrógeno se mueve alrededor del núcleo en determinadas órbitas circulares. Sin embargo, el modelo de Bohr aplicado a otros átomos no funcionó. Modelo mecánico cuántico del átomo Los tres físicos destacados en este modelo son Werner Heisenberg (1901-1976), Louis de Broglie (1892- 1987) y Erwin Schrödinger (1887-1961). El enfoque que estos investigadores desarrollaron es mejor conocido como mecánica cuántica. En el modelo mecánico cuántico del átomo, el electrón se comporta como una onda estacionaria. Las órbitas son distribuciones espaciales posibles del electrón, en una especie de mapa de densidad o nube electrónica. Debido al principio de incertidumbre de Heisenberg el movimiento del electrón alrededor del núcleo no puede determinarse con exactitud, por lo que las órbitas de Bohr resultan incorrectas. Como podemos ver, la historia del átomo representa una cadena de descubrimientos admirables, posibles gracias al trabajo de grandes científicos. Electricidad Qué es la Electricidad: La electricidad es un conjunto de fenómenos producidos por el movimiento y la interacción entre cargas eléctricas positivas y negativas de los cuerpos. Es decir, la electricidad es una fuerza que resulta de la atracción o repulsión entre las partículas que contienen carga eléctrica positiva y negativa, y se puede manifestar tanto en reposo (estática) como en movimiento. Electricidad es también la rama de la física que estudia este tipo de fenómenos eléctricos. La palabra electricidad procede del latín electrum y a su vez del griego élektron (ήλεκτρον), que quiere decir ‘ámbar’. Se relaciona con la electricidad porque el ámbar es una resina que, al ser frotada, adquiere propiedades eléctricas. Características de la electricidad Es un fenómeno en el que se manifiestan los siguientes elementos característicos: Carga eléctrica: propiedad de las partículas subatómicas que se expresa en la atracción y repulsión entre ellas por medio del campo electromagnético. Campo eléctrico: es el campo físico en que se inscribe la interacción entre las cargas eléctricas de los cuerpos. FUNDAMENTOS DE ELECTRICIDAD Y ELECTRONICA AUTOMOTRIZ

Corriente eléctrica: se refiere al movimiento de las cargas eléctricas, es decir, es el flujo de las cargas eléctricas que se distribuyen o propagan a través de un material conductor de electricidad. Potencial eléctrico: se refiere a la potencialidad de trabajo o esfuerzo necesaria en un campo electrostático para poner en movimiento una carga positiva de un punto a otro. Magnetismo: una de las formas en que se manifiesta la electricidad es a través del magnetismo, ya que es un tipo de corriente eléctrica que produce campos magnéticos. Éstos, a su vez, pueden llegar a producir corriente eléctrica. Tipos de electricidad Electricidad estática La electricidad estática es un fenómeno que surge en un cuerpo que posee cargas eléctricas en reposo. Normalmente los cuerpos son neutros (mismo número de cargas positivas y negativas), pero cuando se electrizan pueden adquirir una carga eléctrica positiva o negativa. Una de las formas de conseguir electricidad estática es a través del frotamiento. El proceso por el que un cuerpo adquiere una carga se llama inducción electrostática. Los cuerpos con carga eléctrica del mismo tipo se repelen y los de distinto tipo se atraen. Algunos ejemplos de materiales con tendencia a perder electrones son el algodón, el vidrio y la lana. Algunos materiales con tendencia a captar electrones son los metales como la plata, el oro y el cobre. Por ejemplo, los relámpagos. En la cotidianidad, podemos ver la energía estática cuando frotamos un globo sobre una superficie de lana. Electricidad dinámica La electricidad dinámica es la producida por una fuente permanente de electricidad que provoca la circulación permanente de electrones a través de un conductor. Estas fuentes permanentes de electricidad pueden ser químicas o electromecánicas. Un ejemplo de electricidad dinámica es la que existe en un circuito eléctrico que utiliza como fuente de electricidad una pila o un dínamo. Electromagnetismo El electromagnetismo o electricidad electromagnética se refiere a aquella energía eléctrica que se almacena en el espacio debido a la presencia de un campo magnético. Este tipo de energía se propaga o difunde como radiación. Como ejemplo, podemos mencionar las señales de radio y televisión, la radiación infrarroja y las ondas del horno microondas doméstico. Carga eléctrica FUNDAMENTOS DE ELECTRICIDAD Y ELECTRONICA AUTOMOTRIZ

La carga eléctrica es una propiedad intrínseca de la materia. ¿Qué es una carga eléctrica? En física, se llama carga eléctrica a una propiedad de la materia que está presente en las partículas subatómicas y se evidencia por fuerzas de atracción o de repulsión entre ellas, a través de campos electromagnéticos. La materia compuesta por átomos es eléctricamente neutra, es decir, no está cargada a menos que algún factor externo la cargue. Los átomos poseen la misma cantidad de partículas con carga eléctrica negativa (electrones) que de partículas con carga eléctrica positiva (protones). Sin embargo, la materia puede cargarse eléctricamente, es decir, puede ganar o perder carga, y así quedar cargada en forma negativa o positiva. La materia cargada genera un campo eléctrico, un campo de fuerzas eléctricas. La fuerza electromagnética es una de las cuatro interacciones fundamentales de la naturaleza. Las cargas eléctricas no pueden crearse ni destruirse. La cantidad de carga eléctrica en el universo es constante, no cambia con el tiempo. Los materiales responden de distinto modo a la inducción electromagnética. Algunos son conductores de la electricidad y otros son aislantes, es decir, no la conducen. Conforme al Sistema Internacional de Medidas (SI), las cargas eléctricas se miden en una unidad llamada Coulombios o Coulombs (C). Su nombre se estableció en honor al físico francés Charles-Augustin de Coulomb (1736-1806), uno de los mayores estudiosos de este tipo de fenómenos físicos. Una unidad de Coulomb se define como la cantidad de carga que transporta una corriente eléctrica de un amperio por un conductor eléctrico en un segundo. Un amperio corresponde a 6,242 x 1018 electrones libres. Tipos de carga eléctrica Las baterías presentan un polo de carga negativa y otro de carga positiva. FUNDAMENTOS DE ELECTRICIDAD Y ELECTRONICA AUTOMOTRIZ

Las cargas eléctricas interactúan entre sí de acuerdo a su tipo: pueden ser positivas o negativas, como las llamó Benjamín Franklin. Estas denominaciones son arbitrarias, es decir, no hay nada que distinga a la positiva de la negativa, pero se las piensa igual que a un dipolo magnético, como una batería, que posee un polo positivo (o norte) y un polo negativo (o sur). La positiva se denota con el signo + y la negativa con el signo -, convencionalmente. Las cargas eléctricas de signos iguales se repelen. Las cargas eléctricas de signos opuestos se atraen. Propiedades de la carga eléctrica La carga eléctrica es una propiedad intrínseca de la materia, y reside en las partículas subatómicas: los electrones tienen carga negativa y los protones carga positiva (los neutrones carga neutra, como su nombre sugiere). Cuando un objeto se carga eléctricamente, se debe a un desplazamiento en sus electrones, ya sea de pérdida (ganando carga positiva) o incorporación (ganando carga negativa). Por ende, un material con exceso de electrones en sus átomos exteriores presentará carga negativa, mientras que uno con déficit de ellos presentará carga positiva. En un sistema cerrado, la carga eléctrica se mantiene constante, así como ocurre en cualquier reacción química. Ley de Coulomb La magnitud de la fuerza de atracción o repulsión depende de la carga y de la distancia. La Ley de Coulomb o Principio Fundamental de la Electrostática rige la magnitud de las fuerzas de atracción o de repulsión entre dos cargas eléctricas determinadas, sin importar el signo de su carga (obviamente, si son del mismo signo será una fuerza de repulsión, y si son de signo opuesto será una fuerza de atracción). Según esta ley, dicha fuerza es proporcional al producto del valor de las cargas, e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa. Esto se expresa matemáticamente de la siguiente forma: FUNDAMENTOS DE ELECTRICIDAD Y ELECTRONICA AUTOMOTRIZ

F = K . [ (Q1 x Q2) / r2 ] Donde: • F es la fuerza eléctrica. • Q son las cargas. • r es la distancia que las separa. • K es una constante de proporcionalidad definida como 9.109 N.m2/C2. • Magnitudes Eléctricas. • Carga Eléctrica Los átomos de un cuerpo son eléctricamente neutros en su estado natural, tienen el mismo número de protones con carga + que electrones con carga -, es decir la carga negativa de sus electrones se anula con la carga positiva de sus protones. Los neutrones no tienen carga eléctrica, solo masa. Podemos cargar un cuerpo positivamente (potencial positivo) si le robamos electrones a sus átomos y podemos cargarlo negativamente (potencial negativo) si le añadimos electrones. Como ves en la electricidad y en la carga eléctrica de los cuerpos solo intervienen los electrones. Cuerpo en estado natural ==> Sin Carga Eléctrica. Cuerpo con electrones añadidos ==> Carga negativa. Tendrá un potencial negativo Cuerpo que le quitamos electrones ==> Carga Positiva. Tendrá un potencial positivo. Se conoce como carga eléctrica de un cuerpo al exceso o defecto de electrones que éste posee: Carga negativa significa exceso de electrones. Carga positiva significa defecto de electrones. La unidad de carga eléctrica es el Culombio. Este defecto o exceso de electrones serán los que puedan producir una corriente eléctrica, que como ya debes saber es un movimiento de electrones. En definitiva, un cuerpo con mayor carga eléctrica tendrá capacidad de producir una corriente eléctrica mayor que otro con menos carga eléctrica. FUNDAMENTOS DE ELECTRICIDAD Y ELECTRONICA AUTOMOTRIZ

También podemos definir la carga eléctrica como la cantidad de electricidad almacenada en un cuerpo. Un culombio equivale aproximadamente a un exceso o defecto de 6 trillones de electrones. Si quieres saber más sobre la carga eléctrica vete a este enlace: Cargas Eléctricas. Diferencia de Potencial o Tensión Si tenemos un cuerpo con potencial negativo y otro con potencial positivo, entre estos dos cuerpos tenemos una diferencia de potencial (d.d.p.), también llamada en electricidad \"Tensión\" o Voltaje. Se mide en Voltios. Los átomos de todos los cuerpos (materiales) tienden a estar en estado neutro, es decir a no tener carga eléctrica. Si por algún motivo no lo están, siempre van intentar estarlo. Por ejemplo, un átomo de un material que no esté en estado neutro robará o cederá electrones al átomo más cercano a él. Si le sobran electrones, los cederá al átomo más cercano a él, si le faltan electrones (tendrá huecos) robará electrones del átomo más cercano a él para conseguir estar en estado neutro. Si conectamos dos cuerpos, uno con carga positiva y otro con carga negativa con un conductor (elemento por el que pueden moverse los electrones fácilmente) los electrones sobrantes del cuerpo con potencial negativo pasarán por el conductor al cuerpo con potencial positivo, para que los dos cuerpos tiendan a su estado natural, es decir neutro. Acabamos de generar corriente eléctrica, ya que este movimiento de electrones es lo que se conoce como corriente eléctrica. • Lógicamente la corriente cesará cuando todos los electrones de la parte negativa pasen a la parte positiva, o si existe un corte en el conductor. Si queremos mantener la d.d.p. y la corriente eléctrica entre los dos puntos, necesitamos una máquina que sea capaz de robar los e- cuando lleguen a la parte positiva y los devuelva a la parte negativa. Las máquinas que son capaces de mantener una d.d.p entre dos puntos con el paso del tiempo se FUNDAMENTOS DE ELECTRICIDAD Y ELECTRONICA AUTOMOTRIZ

llaman generadores eléctricos. ¿Qué necesitamos para generar una corriente eléctrica? Tener una d.d.p entre dos puntos y conectarlos por medio de un conductor. Esto lo consiguen los generadores eléctricos como las pilas, las dinamos o los alternadores. La diferencia de carga entre los dos cuerpos o tensión, será la causante de que tengamos más a menos corriente eléctrica por el conductor cuando se conecten los cuerpos. Esta carga de un cuerpo recuerda que se mide en culombios (C). A más d.d.p o tensión ==> mayor corriente eléctrica por el circuito. Realmente el sentido de la corriente eléctrica es siempre del polo – al polo +, pero convencionalmente, para resolver ejercicios de electricidad, se considera al revés. Este criterio se debe a razones históricas ya que en la época en que trató de explicarse cómo fluía la corriente eléctrica por los materiales, la comunidad científica desconocía la existencia de los electrones y decidió ese sentido, aunque podría haber acordado lo contrario. No obstante en la práctica, ese error no influye para nada en lo que al estudio de la corriente eléctrica se refiere. Para no liarnos podemos decir que la corriente de electrones es de – a + y la eléctrica es de + a -. En un enchufe hay tensión (diferencia de potencial entre sus dos puntos) pero OJO no hay corriente. Solo cuando conectemos el circuito al enchufe empezará a circular corriente (electrones) por el circuito y eso es gracias hay que hay tensión. Entre los dos polos de una pila hay tensión y al conectar la bombilla pasa corriente de un extremo a otro y la bombilla luce. Si hay mayor tensión entre dos polos, habrá mayor cantidad de electrones y con más velocidad pasaran de un polo al otro, es decir habrá mayor corriente eléctrica. FUNDAMENTOS DE ELECTRICIDAD Y ELECTRONICA AUTOMOTRIZ

La tensión se mide en Voltios. Cuando la tensión es de 0V (cero voltios, no hay diferencia de potencial entre un polo y el otro) ya no hay posibilidad de corriente y si fuera una pila, diremos que la pila se ha agotado. El aparato de medida de la tensión es el voltimetro. Pero.... ¿Quien hace que se mantenga una tensión entre dos puntos? Pues los Generadores, que son los aparatos que mantienen la d.d.p o tensión entre dos puntos para que al conectar el circuito se genere corriente. la tensión se mide en Voltios (V). Estos generadores pueden ser dinamos, alternadores, pilas, baterías y acumuladores. Diferencia entre fem y Tensión A la fuerza necesaria para trasladar los electrones desde el polo positivo al negativo, y así crear la diferencia de cargas, se la denomina fuerza electromotriz (f.e.m.). A la diferencia de cargas se la llama de otra forma: diferencia de potencial o tensión eléctrica (símbolo U o V), y su unidad de medida es el voltio V. Intensidad de Corriente Eléctrica Es la cantidad de electrones que pasan por un punto en un segundo. Imaginemos que pudiésemos contar los electrones que pasan por un punto de un circuito eléctrico en un segundo. Pues eso seria la Intensidad. Se mide en Amperios (A). Por ejemplo una corriente de 1 A (amperio) equivale a 6,25 trillones de electrones que han pasado en un segundo. ¿Muchos verdad?. La intensidad se mide con el amperímetro. La intensidad de corriente se define como la carga o el número de electrones (expresado en culombios) que circula por un conductor en cada segundo. Su unidad en el SI es el Amperio(A). MAGNITUD UNIDAD I= intensidad de corriente Amperio (A) Q= carga eléctrica Culombi os (C) t = tiempo segundo (s) FUNDAMENTOS DE ELECTRICIDAD Y ELECTRONICA AUTOMOTRIZ

Cabe resaltar que el Amperio es una unidad tan grande que a menudo se utilizan submúltiplos: El miliamperio ( 1 mA = 10-3 A) El microamperio ( 1μA = 10-6 A) El nano amperio (1nA = 10-9 A) La intensidad de corriente se mide con el amperímetro, que debe conectarse en serie con el elemento cuya intensidad se quiere medir, de modo que todos los e- tengan que pasar por él. Para medir intensidades con el polímetro hay que prestar mucha atención para no estropearlo: el selector central debe señalar DC. La sonda roja se introduce en el agujero mA o A (según las intensidades sean bajas o altas) y la negra en COM. Como no sabemos que intensidad circula, hacemos que el selector apunte al máximo y vamos moviéndola hasta que aparezca la medida correcta. Resistencia Eléctrica Los electrones, cuando en su movimiento se encuentran con un receptor (por ejemplo una lámpara), no lo tienen fácil para pasar por el receptor, porque les ofrecen una resistencia. Por el conductor van muy a gusto porque no les ofrece casi resistencia a moverse por el, pero pasar a través de los receptores es más difícil para ellos porque tienen resistencia. Nota: Cuando hablamos de moverse por el conductor los electrones, queremos decir que los electrones se muevan de átomo en átomo por el material conductor. Se llama resistencia a la dificultad que ofrece un cuerpo al paso de la corriente, al movimiento de electrones por el cuerpo. Todos los elementos de un circuito tienen resistencia, excepto los conductores, que se considera cero en muchos caso. Se mide en Ohmios (Ω). La resistencia se representa con la letra R. Un óhmetro u ohmímetro es un instrumento para medir la resistencia eléctrica, pero en muchas ocasiones podemos utilizar el polímetro, aparato que mide tensiones, intensidades y resistencias. Podemos medir la resistencia de un receptor o la resistencia entre dos puntos de una instalación. Hay unos componentes electricos-electrónicos llamados resistencias que son componentes que se ponen en los circuitos precisamente para eso, para ofrecer más resistencia al paso de la corriente por donde están colocados en los circuitos. FUNDAMENTOS DE ELECTRICIDAD Y ELECTRONICA AUTOMOTRIZ

Potencia Eléctrica La potencia eléctrica la podemos definir como la cantidad de....... ¿Por qué? Pues porque depende del tipo de receptor que estemos hablando. Por ejemplo de una Lámpara o Bombilla sería la cantidad de luz que emite, en un timbre la cantidad de sonido, en un radiador la cantidad de calor. Se mide en vatios (w) y se representa con la letra P. Una lámpara de 80w dará el doble de luz que una de 40w. Por cierto, su fórmula es P=V x I (tensión en voltios, por Intensidad en Amperios). Energía Eléctrica La energía eléctrica es la potencia por unidad de tiempo. La energía se consume, es decir a más tiempo conectado un receptor más energía consumirá. También un receptor que tiene mucha potencia consumirá mucha energía. Como vemos la energía depende de dos cosas, la potencia del receptor y del tiempo que esté conectado. Su fórmula es E= P x t (potencia por tiempo) Su unidad es el w x h (vatio por hora) pero suele usarse un múltiplo que es el Kw x h (Kilovatios por hora) Si ponemos en la fórmula la potencia en Kw y el tiempo en horas ya obtendremos la energía en Kw x h. RESUMEN DE COMO MEDIR MAGNITUDES ELÉCTRICAS CON EL POLÍMETRO DIGITA FUNDAMENTOS DE ELECTRICIDAD Y ELECTRONICA AUTOMOTRIZ

FORMAS DE PRODUCCIÓN DE LA ENERGÍA ELÉCTRICA Podemos obtener energía eléctrica de las siguientes maneras A partir de una reacción química si se sumergen dos metales distintos en una disolución apropiada, se producen determinadas reacciones químicas al mismo tiempo que se genera electricidad. Este es el fundamento de las pilas y baterías. Por inducción electromagnética al mover un conductor en el interior de un campo magnético, aparece en el conductor una corriente eléctrica. Esta corriente se mantiene mientras el conductor o el imán continúen en movimiento. Este es el fundamento de las dinamos y los alternadores. A partir de luz Algunos metales desprenden electrones cuando la luz solar incide sobre ellos. Si estos electrones se hacen circular por un hilo conductor, se puede obtener corriente eléctrica. Este fenómeno es conocido como efecto fotoeléctrico y es el fundamento de las células fotovoltaicas (paneles solares). TIPOS DE CORRIENTE: CORRIENTE CONTINUA Y CORRIENTE ALTERNA Corriente continua (CC/ DC): Los electrones se mueven siempre en el mismo sentido, del polo – al polo + que los atrae. FUNDAMENTOS DE ELECTRICIDAD Y ELECTRONICA AUTOMOTRIZ

La energía necesaria para que se muevan es generada por pilas y baterías (transforman energía química en eléctrica) , por células fotovoltaicas (transforman luz en electricidad), dinamos ( transforma movimiento en electricidad). Los voltajes que proporcionan son constantes en el tiempo y pequeños: 1,5V; 4,5 V; 9 V…. Se utilizan en linternas, CD portátiles, móviles, cámaras fotográficas y de vídeo, …. Corriente alterna (CA/ AC): Los electrones cambian continuamente su sentido de movimiento y su valor de voltaje no se mantiene constante en el tiempo. La ca más usada el la senoidal y en las viviendas los valores característicos son 230V de tensión y 50 Hz de frecuencia. La ca se genera mediante alternadores en las centrales eléctricas aunque también se puede obtener a partir de grupos electrógenos. Es la que se utiliza en las viviendas e industrias ya que presenta una ventaja frente a la corriente continua y es que su valor de tensión se puede aumentar o reducir mediante el uso de transformadores, permitiendo así transportar la energía eléctrica a tensiones muy altas a lo largo de cientos de kilómetros sin que se pierda parte de ella debido al calentamiento de los cables. LEY DE OHM FUNDAMENTOS DE ELECTRICIDAD Y ELECTRONICA AUTOMOTRIZ

En 1826 el físico alemán Georges Simon Ohm observó mediante un experimento que en un circuito eléctrico existía una relación entre las magnitudes eléctricas R, V e I. Basándose en este experimento estableció la ley de Ohm que dice que la intensidad de corriente que pasa por un circuito o por un elemento del mismo es directamente proporcional a la tensión aplicada en sus extremos e inversamente proporcional a la resistencia que ese circuito o elemento presenta al paso de la corriente. El circuito eléctrico más elemental, es el compuesto por un generador (para el automóvil, el generador puede ser la batería) y un receptor o carga con una resistencia R, como por ejemplo una lámpara. Al aplicar tensión en extremos del receptor (en este caso una lámpara) aparece el movimiento de cargas denominado intensidad de corriente, desde el terminal positivo de la batería hasta el negativo pasando por la lámpara y por lo tanto hará que esta se encienda. La relación entre la tensión, la resistencia y la intensidad se establece a partir de la ley de Ohm mediante la siguiente ecuación: I = V/R Donde la tensión se mide en voltios (V) la intensidad I en amperios (A) y la resistencia R en ohmios (Ω). De esta ecuación pueden despejarse los términos de resistencia y tensión, de forma que se obtienen otras dos ecuaciones: V = I X R R = V/I FUNDAMENTOS DE ELECTRICIDAD Y ELECTRONICA AUTOMOTRIZ

ENERGÍA ELÉCTRICA: TRANSFORMACÓN DE LA ENERGÍA EN UN CIRCUITO. EFECTO JOULE Se define la energía eléctrica como la cantidad de trabajo desarrollado por un elemento de un circuito eléctrico. Todos los componentes de un circuito transforman la energía eléctrica en otras formas de energía (o al revés en el generador) . Consideremos un circuito formado por un generador (suministra energía eléctrica al circuito) y por un motor que consume dicha energía. La energía suministrada por el generador a las cargas (trabajo realizado por el generador) es igual al producto de la carga transportada de un polo al otro del generador por la diferencia de potencial que existe entre estos: La energía que consume un receptor (el motor en este caso) es igual a la carga que circula por el mismo multiplicado por la diferencia de potencial en sus extremos, con lo cual llegamos a la expresión anterior (hay que tener en cuenta que se pierde energía en forma de calor (el motor se calienta)). En este circuito se cumple que la energía suministrada por el generador a las cargas es igual a la energía eléctrica consumida por el motor y transformada en energía mecánica más la energía perdida en forma de calor. E =Q =R.I 2.t FUNDAMENTOS DE ELECTRICIDAD Y ELECTRONICA AUTOMOTRIZ

El EFECTO JOULE es el fenómeno por el cual la energía eléctrica se transforma en calor cuando la corriente atraviesa un conductor. Este efecto se produce en todos los aparatos eléctricos (ya que al estar encendidos se calientan) pero existen algunos especialmente diseñados para transforma la energía eléctrica en calor (estufa, plancha, horno, termo de agua…) y que van provistos de una resistencia apropiada para tal fin. A la hora de calcular el calor disipado usaremos la fórmula de la energía en función de la resistencia: La unidad de energía en el sistema internacional es el Julio pero cuando se habla de calor disipado se suele expresar en calorías. Para pasar de julios a calorías se multiplica por 0,24 con lo cual la expresión anterior podemos transformarla para que dé el resultado directamente en calorías: Q = 0,24. R . I2 . t Dado que el Julio es una unidad muy pequeña se suele usar como unidad de energía en la práctica el kilovatio. hora (kw.h) El instrumento que sirve para medir la energía eléctrica es el contador eléctrico, aparato del que todos disponemos en nuestra vivienda, y que a través de un mecanismo interno va mostrando el consumo de energía eléctrica en kW.h. MAGNITUD UNIDAD P= E P: Potencia eléctrica vatio (w) t V: Tensión eléctrica voltio (V) I : Intensidad de corriente Amperio (A) La tabla siguiente muestra los múltiplos y submúltiplos más usados de la unidad de potencia: MÚLTIPLOS SUBMÚLTIPLOS Kilovatio (KW) 1 Kw = 103 w Milivatio (mW) 1 mW= 10-3 W Megavatio (MW) 1 Mw = 106 w Microvatio (μW) 1 μW = 10-6 W ¿Qué es la ley de Watt? La Ley de Watt hace referencia a la potencia eléctrica de un componente electrónico o un aparato y se define como la potencia consumida por la carga es directamente proporcional al voltaje suministrado y a la corriente que circula por este. La unidad de la potencia es el Watt. El símbolo para representar la potencia es “P”. Para encontrar la potencia eléctrica (P) podemos emplear las siguientes formulas: Conociendo el voltaje y corriente: FUNDAMENTOS DE ELECTRICIDAD Y ELECTRONICA AUTOMOTRIZ

P=VxI Conociendo la resistencia eléctrica y corriente: P = R x I2 Conociendo el voltaje y la resistencia eléctrica: P =V2/R En las anteriores fórmulas únicamente se sustituyeron las incógnitas correspondientes empleando la fórmula de la ley de Ohm. Si la potencia eléctrica es positiva (+P) quiere decir que el componente electrónico está consumiendo energía. Si la potencia eléctrica es negativa (-P) quiere decir que el componente electrónico produce o genera energía (Baterías, generadores…). En la industria se expresa la potencia eléctrica mediante hp(E) que corresponde a caballos de fuerza eléctrico (Electrical horsepower). La equivalencia de esta unidad con el watt es: 1 hp = 745.699 871 582 270 22 W Es común redondear a: 1 hp = 746 W CIRCUITOS ELÉCTRICOS ELEMENTOS BÁSICOS DE UN CIRCUITO La corriente eléctrica a través de un conductor eléctrico es un movimiento de cargas libres a través de ese conductor por cada unidad de tiempo. Para que las cargas libres se muevan será necesario aplicarlas una fuerza, denominada fuerza electromotriz (fem.). Esta fuerza electromotriz se mide en voltios y los encargados de producir esta fuerza, se llaman generadores (puede ser una batería, un alternador, etc.). Fuentes de energía Entre los diferentes tipos se pueden destacar: FUNDAMENTOS DE ELECTRICIDAD Y ELECTRONICA AUTOMOTRIZ

Pilas: Transforman la energía química en eléctrica. Acumuladores: Reciben energía eléctrica que transforman en química, manteniéndola acumulada, para más tarde deshacer la transformación y devolver otra vez energía eléctrica. Generadores: Transforman la energía mecánica de rotación en energía eléctrica. En el automóvil, la corriente eléctrica que se utiliza es continua (CC), es decir, la corriente es de un valor fijo y no varía con el tiempo. La tensión (fem) que suministra la batería es del tipo continua (12 ó 24 voltios). Conductores Los cables son conductores rodeados de aislantes, y se usan para transportar la corriente eléctrica. Los aislantes son de distintos colores para poder identificar el cable. En un vehículo, los cables se agrupan en mazos, formando caminos comunes, Estos cables se fijan con grapas a la carrocería, y se protegen en su paso por paneles con arandelas de goma. A la hora de colocar un cable nuevo en una instalación, hay ciertos factores que hay que tener en cuenta. La corriente máxima que puede transportar un cable dependerá de la sección y de la longitud del mismo. Así, un cable demasiado fino tendrá una resistencia alta, provocará una caída de tensión en el circuito, y se sobrecalentará pudiendo llegar a arder. Los cables se harán lo más cortos posible, para reducir la caída de tensión en la línea. Los conductores se designan por su sección normal en milímetros cuadrados. Los cables normalizados más empleados en electricidad del automóvil, según UNE son: 0,5 - 0,75 - 1 - 1,5 - 2,5 - 4 - 6 - 10 - 16 - 25 - 35 mm2 de sección. Cuando haya necesidad de instalar un cable en un vehículo, no se puede usar uno cualquiera; hay que elegir aquél que tenga la sección apropiada. El cálculo de la sección de un cable se realiza por la siguiente formula: Sección mínima = Resistividad x longitud del cable / Resistencia. Con la siguiente tabla, se puede calcular el grosor de cable necesario, si conoce la longitud del mismo y la corriente que debe llevar. FUNDAMENTOS DE ELECTRICIDAD Y ELECTRONICA AUTOMOTRIZ

Representa un ábaco para hallar la sección del cable a utilizar sin necesidad de utilizar la formula. Para hallar la sección de un cable se une con una línea recta el valor de la intensidad (3,5 A) con la longitud del cable (4m) y el espacio central por donde cruce, indicará la sección mínima recomendada (1mm2). la siguiente tabla nos indicará la corriente máxima que puede soportar un cable, dependiendo del número de hilos que lo forman y de su grosor: Nº de hilos/mm Amperios 14/0,25 6 14/0,30 8,75 28/0,30 17,5 44/0,30 27,5 65/0,30 35 84/0,30 45 97/0,30 50 120/0,30 60 FUNDAMENTOS DE ELECTRICIDAD Y ELECTRONICA AUTOMOTRIZ

Conectar los cables es unirlos de manera que la corriente eléctrica pase sin dificultad a través de ellos. Al hecho de unirlos se llama hacer una conexión. Cualquier tipo de conexión ha de reunir dos requisitos: Conseguir una unión verdadera y segura de los hilos de uno y otro cable, para el perfecto paso de la corriente. Tener una protección eficaz contra posibles deterioros, producidos por las condiciones de trabajo a las que le someterá el coche.Las conexiones de cables se pueden realizar de varias formas: realizando un empalme, por medio de terminales o por soldaduras. Se debe evitar en lo posible hacer un empalme en una instalación eléctrica. Cuando no sea posible evitarlos, éste debe realizarse lo mejor posible, pues a lo largo de su uso en el coche, podrá sufrir muchos tirones, calentamiento, agua, barro, etc. que debilitará grandemente el poder de la unión. Receptores y consumidores Todos los circuitos poseen una fuente de energía y un medio para transportar esa energía materializada por los cables, pero, a su vez, necesitaran algún elemento que consuma esa energía como puede ser una bombilla, un motor, un elevalunas. Prácticamente todos los consumidores trabajan con corriente continua y por tanto a la hora de las comprobaciones que se hagan habrá que tenerlo en cuenta. Para abrir y cerrar un circuito eléctrico y por lo tanto poner en funcionamiento o parar un determinado elemento, se utilizan los interruptores. FUNDAMENTOS DE ELECTRICIDAD Y ELECTRONICA AUTOMOTRIZ

Existen diferentes tipos de interruptores, dependiendo de las necesidades de operación y uso: Interruptores de accionamiento manual: están diseñados para ser accionados a voluntad de una persona. En el automóvil, suelen usarse para que los maneje el conductor. Los más comunes son: interruptores rotativos (mando de luces), interruptores de deslizamiento (temperatura de aire del habitáculo) interruptores on/off (luneta térmica) e interruptores push/pull (luces de carretera). Interruptores de movimiento, son los que se accionan por el movimiento de otro componente del vehículo, como puede ser la apertura y cierre de una puerta. Interruptores de presión / depresión, normalmente están compuestos por un muelle unido a un diafragma. Las variaciones de presión mueven el diafragma, venciendo la resistencia del muelle. El diafragma está unido a un contacto, y su movimiento lo abre y cierra. Un ejemplo de este tipo de interruptor es el sensor de presión de aceite. Interruptores de temperatura, este tipo de interruptores utiliza un componente sensible a la temperatura para operar los contactos. Normalmente, se usan elementos bimetálicos, que se deforman con los cambios de temperatura, moviendo de esa manera los contactos. TIPOS DE CIRCUITOS Los componentes de un circuito eléctrico (una fuente de energía, conductores, y receptores y consumidores), pueden conexionarse de distintas formas, obteniéndose así rendimientos diferentes. Se pueden distinguir fundamentalmente varios tipos de conexiones: simples, serie, paralelo o mixtos. FUNDAMENTOS DE ELECTRICIDAD Y ELECTRONICA AUTOMOTRIZ

Circuito eléctrico simple En un circuito de este tipo hay una batería, una resistencia, y los cables de interconexión. Si se aplica la Ley de Ohm, se verá qué ocurre cuando se produce un fallo, ya sea de cortocircuito o un circuito abierto. En el caso de circuito abierto, y suponiendo que la resistencia (el filamento de la lámpara) se ha partido, el valor de dicha resistencia se hace, por tanto infinito. Al aplicar la Ley de Ohm: R = infinito; I = V/R = V/infinito = 0 No habrá circulación de corriente por el circuito. Considerando que, en el mismo circuito, el fallo es un cortocircuito en la resistencia, en este caso, el valor de R es cero, y al aplicar la ley de Ohm: I = V/R = V/0 = infinito FUNDAMENTOS DE ELECTRICIDAD Y ELECTRONICA AUTOMOTRIZ

La corriente que circula por el circuito es infinita, es decir, el circuito absorberá la máxima corriente que pueda dar la batería, pudiendo hacer arder los cables o fundir el fusible, si lo hubiera. Circuito serie Un circuito serie está formado por una sola línea donde encontramos dos o más dispositivos eléctricos, conectados entre sí: el final del terminal de un receptor al comienzo del otro y así sucesivamente. Como puede apreciarse, en la asociación serie, la intensidad que circula es siempre la misma, mientras que la tensión se reparte, de manera que: V = V1+V2+.....+Vn = R1I+R2I+.....+RnI = (R1+R2+ +Rn)I = RTI Puede observarse que la resistencia total del circuito serie es la suma de todas las resistencias del circuito. RT = R1+R2+..+Rn La potencia que consume el conjunto es la suma de las potencias que consume cada elemento del circuito: P = P1+P2+.....+Pn = V1I+V2I+......+VnI = (V1+V2+ +Vn)I = VI La conexión serie como se puede apreciar es un divisor de tensión, ya que a la entrada existe una tensión que, posteriormente, se divide por cada resistencia. La asociación serie de elementos prácticamente no se usa en el automóvil, como ejemplo, puede tomarse el ventilador de la calefacción del automóvil, que tiene cuatro velocidades, entonces habrá tres resistencias en serie con el motor, que también posee una cierta resistencia eléctrica FUNDAMENTOS DE ELECTRICIDAD Y ELECTRONICA AUTOMOTRIZ

En reposo, posición \"0\", el circuito se encuentra abierto y por tanto no circula ninguna intensidad. Cuando se conecta el ventilador en la posición \"I\", la intensidad recorre el camino que comprende las resistencias RM, R3, R2 y R1, que al estar en serie, provocarán una cierta caída de tensión en cada una de ellas. La intensidad que circula es: II = V/(RM+R3+R2+R1) Y la tensión que se aplica al motor del ventilador es : VMI = II*RM La intensidad es mínima y por tanto también lo es la tensión, provocando que la velocidad de rotación del motor sea mínima. En la posición \"II\", la intensidad recorre el camino que comprende las resistencias RM, R3, R2. La intensidad que circula por el circuito es: III = V/(RM+R3+R2) FUNDAMENTOS DE ELECTRICIDAD Y ELECTRONICA AUTOMOTRIZ

Y la tensión que se aplica al motor del ventilador es: VMII = III*RM La intensidad III es mayor que II, por tanto VMII es mayor que VMI y la velocidad del motor se elevará. En la posición \"III\", la intensidad recorre el camino que comprende las resistencias RM, R3. La intensidad que circula por el circuito es: IIII = V/(RM+R3) Y la tensión que se aplica al motor del ventilador es: VMIII = IIII*RM La intensidad IIII es mayor que III, por tanto VMIII es mayor que VMII, y la velocidad del motor nuevamente aumentará. En la posición \"IV\", la intensidad recorre el camino que comprende únicamente la resistencia RM. La intensidad que circula por el circuito es: IIV = V/RM La intensidad IIV es máxima, VMIII entonces es también máxima e igual a 12V. La velocidad del motor será máxima. Como puede apreciarse, el control de la velocidad de un motor de corriente continua mediante la asociación de resistencias en serie, es sencillo. Además a la hora de resolver posibles averías, la comprobación del circuito también es sencilla. Circuito paralelo Un circuito paralelo está compuesto por dos o más ramificaciones, en cada una de las cuales hay al menos un dispositivo eléctrico. En este caso, por cada rama circulará una corriente distinta, según el consumo del dispositivo En caso de fallo de uno de los dispositivos, el resto continúa funcionando. FUNDAMENTOS DE ELECTRICIDAD Y ELECTRONICA AUTOMOTRIZ

Para la asociación paralelo, la tensión es la misma en todos los receptores, mientras que la intensidad se reparte, en función de la resistencia de cada receptor, a mayor resistencia menor intensidad. La intensidad total será: I = I1+I2+...+In = V/R1+V/R2+....+V/Rn = V(1/R1+1/R2+...+1/Rn)I = V/RT Donde: 1/RT = 1/R1 + 1/R2+...+1/Rn y: RT = 1/(1/R1+1/R2+...+1/Rn) La resistencia total equivalente del circuito seria RT. La potencia que consume el conjunto es la suma de las potencias que consume cada elemento del circuito: P = P1+P2+...+Pn = VI1+VI2+...+VIn = v(I1+I2+...+In) = VI Este tipo de asociación es el que suelen utilizar prácticamente todos los consumidores del automóvil. Como puede apreciarse, es un divisor de intensidad, ya que la intensidad de entrada se divide entre todas las resistencias. Como ejemplo de asociación de consumidores en paralelo, para el caso del automóvil se puede estudiar el circuito que comprende las luces de posición junto con la luz de la matrícula. FUNDAMENTOS DE ELECTRICIDAD Y ELECTRONICA AUTOMOTRIZ

Si en un circuito paralelo se queda uno de los dispositivos en circuito abierto, el resto de componentes continuará funcionando con normalidad. Sin embargo, si alguno de los dispositivos se queda en cortocircuito, la corriente por dicha rama intenta subir hasta un valor infinito. Como consecuencia, el circuito absorberá la máxima corriente que pueda proporcionar la batería, haciendo que los cables lleguen a arder o fundiendo el fusible (si lo hay). Circuito mixto Es la combinación de la asociación serie y paralelo. FUNDAMENTOS DE ELECTRICIDAD Y ELECTRONICA AUTOMOTRIZ

En este caso el estudio de estos circuitos se hace combinando las reglas de cálculo para los circuitos serie y paralelo. El circuito consta de una resistencia R1, en serie con dos resistencias en paralelo R2 y R3. Puede observarse que R2 y R3 son dos resistencias en paralelo, luego V2 = V3. La intensidad que entra por la resistencia R1 es la misma que la que sale, entonces I=I1. Si se conoce el valor de la tensión en la batería y el valor de las resistencias, las incógnitas del circuito serán las caídas parciales de tensión y las intensidades que circulan por cada resistencia. Para calcular el valor de I, primeramente hay que calcular la resistencia total del circuito RT, de forma que I= V/RT. RT = R1+(R2/R3) = R1+(1/(1/R2+1/R3)) I = V/RT Una vez calculada I, se calcula la caída de tensión en R1, es decir V1, ya que puede calcular la caída de tensión en el conjunto de resistencias en paralelo. V1 = I*R1; V2 = V3 = V-V1 Una vez calculada la caída de tensión en las resistencias en paralelo, ya se pueden obtener los valores de I2 e I3. I2 = V2/R2; I3 = V3/R3 Puede observarse, que la suma de las intensidades de las resistencias R2 y R3 es la intensidad total de todo el circuito, propio de un circuito paralelo. Por otro lado, la suma de las caídas de tensión de la resistencia R1 y del paralelo de R2 y R3, coincide con la tensión total que suministra la batería, propio de un circuito serie. Por último, se calculará la potencia absorbida por cada resistencia, por todo el conjunto, y la que entrega el generador. Leyes de Kirchhoff Muchos circuitos son demasiado complejos para ser resueltos usando las reglas para circuitos en serie o en paralelo o las técnicas para la conversión a circuitos más simples descritos en capítulos anteriores. Para estos circuitos necesitamos métodos de solución más generales. El método más general está dado por las leyes de Kirchhoff, que permiten el cálculo de todos los voltajes y corrientes de circuitos mediante una solución de un sistema de ecuaciones lineales. Hay dos Leyes de Kirchhoff, la ley de voltaje y la actual ley. Estas dos leyes se pueden usar para determinar todos los voltajes y corrientes de los circuitos. La ley de voltaje de Kirchhoff (KVL) establece que la suma algebraica del voltaje aumenta y el voltaje cae alrededor de un bucle debe ser cero. FUNDAMENTOS DE ELECTRICIDAD Y ELECTRONICA AUTOMOTRIZ

Un bucle en la definición anterior significa una ruta cerrada en el circuito; es decir, una ruta que sale de un nodo en una dirección y regresa a ese mismo nodo desde otra dirección. En nuestros ejemplos, usaremos la dirección de las agujas del reloj para los bucles; sin embargo, se obtendrán los mismos resultados si se usa la dirección en sentido antihorario. Para aplicar KVL sin error, tenemos que definir la llamada dirección de referencia. La dirección de referencia de los voltajes desconocidos apunta del signo + al signo - de los voltajes supuestos. Imagina usar un voltímetro. Coloque la sonda positiva del voltímetro (generalmente roja) en el terminal de referencia + del componente. Si el voltaje real es positivo, está en la misma dirección que asumimos, y tanto nuestra solución como el voltímetro mostrarán un valor positivo. Al derivar la suma algebraica de los voltajes, debemos asignar un signo más a esos voltajes donde la dirección de referencia concuerda con la dirección del bucle y los signos negativos en el caso contrario. Otra forma de establecer la ley de voltaje de Kirchhoff es: el voltaje aplicado de un circuito en serie es igual a la suma de las caídas de voltaje en los elementos en serie. El siguiente breve ejemplo muestra el uso de la ley de voltaje de Kirchhoff. Encuentre el voltaje a través de la resistencia R2, Dado que la tensión de la fuente, VS = 100 V y que el voltaje a través de la resistencia R1 es V1 = 40 V. La solución usando la ley de voltaje de Kirchhoff: -VS + V1 + V2 = 0 o VS V =1 + V2 por lo tanto: V2 V =S - V1 = 100-40 = 60V Tenga en cuenta que normalmente no conocemos los voltajes de las resistencias (a menos que las midamos), y necesitamos usar ambas leyes de Kirchhoff para la solución. La ley actual de Kirchhoff (KCL) establece que la suma algebraica de todas las corrientes que entran y salen de cualquier nodo en un circuito es cero. Aquí hay un ejemplo básico que demuestra la ley actual de Kirchhoff. FUNDAMENTOS DE ELECTRICIDAD Y ELECTRONICA AUTOMOTRIZ

Encontrar el actual yo2 si la fuente actual IS = 12 A, y yo1 = 8 A. Usando la ley actual de Kirchhoff en el nodo circundado: -IS + I1 + I2 = 0, por lo tanto: I2Yo osS - Yo1 = 12 - 8 = 4 A. En el siguiente ejemplo, utilizaremos las leyes de Kirchhoff más la ley de Ohm para calcular la corriente y el voltaje a través de las resistencias. Para comenzar a usar la ley actual de Kirchhoff, vemos que las corrientes a través de todos los componentes son las mismas, así que denotemos esa corriente por I. FUNDAMENTOS DE ELECTRICIDAD Y ELECTRONICA AUTOMOTRIZ

De acuerdo con la ley de voltaje de Kirchhoff: VS V =1+V2+V3 Ahora usando la ley de Ohm: VS= I * R1+ I * R2+ I * R3 Y a partir de aquí la corriente del circuito: I = VS / (R1+R2+R3) = 120 / (10 + 20 + 30) = 2 A Finalmente, los voltajes de las resistencias: V1= I * R1 = 2 * 10 = 20 V; V2 = I * R2 = 2 * 20 = 40 V; V3 = I * R3 = 2 * 30 = 60 V Los mismos resultados se verán en las flechas de voltaje simplemente ejecutando el análisis de CC interactivo de TINA. En este siguiente circuito, más complejo, también usamos las leyes de Kirchhoff y la ley de Ohm, pero descubrimos que la mayoría de las veces resolvemos un sistema lineal de ecuaciones. El número total de aplicaciones independientes de las leyes de Kirchhoff en un circuito es el número de ramas del circuito, mientras que el número total de incógnitas (la corriente y el voltaje de cada rama) es el doble. Sin embargo, al usar también la ley de Ohm en cada resistencia y En las ecuaciones simples que definen los voltajes y las corrientes aplicadas, obtenemos un sistema de ecuaciones donde el número de incógnitas es el mismo que el número de ecuaciones. Encuentra las corrientes de rama I1, I2, I3 en el circuito de abajo. El conjunto de ecuaciones sigue: La ecuación nodal para el nodo en círculo: I1, I2 - Yo3 = 0 o multiplicando por -1 I1 + I2 + I3 = 0 FUNDAMENTOS DE ELECTRICIDAD Y ELECTRONICA AUTOMOTRIZ

Las ecuaciones de bucle (usando la dirección de las agujas del reloj) para el bucle L1, que contiene V1, R1 Y R3 -V1+I1*R1-I3*R3 = 0 y para el bucle L2, que contiene V2, R2 Y R3 I3*R3 - Yo2*R2 +V2 = 0 Sustituyendo los valores de los componentes: I1+ I2+ I3 = 0 -8 + 40 * I1 - 40 * I3 = 0 40 * I3 –20 * I2 + 16 = 0 Expreso yo1 usando la ecuación nodal: I1 = -I2 - Yo3 luego sustitúyelo en la segunda ecuación: -V1 - (YO2 + I3) * R1 -YO3*R3 = 0 or –8- (I2 + I3) * 40 - I3* 40 = 0 Expreso yo2 y sustitúyalo en la tercera ecuación, a partir de la cual ya puede calcular I3: I2 = - (V1 + I3* (R1+R3)) / R1 or I2 = - (8 + I3* 80) / 40 I3*R3 + R2* (V1 + I3* (R1+R3)) / R1 +V2 = 0 or I3* 40 + 20 * (8 + I3* 80) / 40 + 16 = 0 Y: I3 = - (V2 + V1*R2/R1) / (R3+ (R1+R3) * R2/R1) or I3 = -(16+8*20/40)/(40 + 80*20/40) Por lo tanto I3 = - 0.25 A; I2 = - (8-0.25 * 80) / 40 = 0.3 A y I1 = - (0.3-0.25) = - 0.05 A o: I1 = -50 mA; I2 = 300 mA; I3 = -250 mA. Electromagnetismo Hasta 1820 los fenómenos eléctricos y los fenómenos magnéticos estaban considerados como independientes. Como en otros grandes descubrimientos de la historia, una casualidad ayudó a Hans Christian Oersted a descubrir que ambos estaban relacionados, al observar que la orientación de la aguja de una brújula variaba al pasar corriente a través de un conductor próximo a ella. Los estudios de Oersted concluyeron que la electricidad y el magnetismo eran manifestaciones de un mismo fenómeno: las fuerzas magnéticas proceden de las fuerzas originadas entre cargas eléctricas en movimiento. Este fue el origen de lo que hoy conocemos como electromagnetismo, la base del funcionamiento de todos los motores eléctricos y generadores eléctricos. FUNDAMENTOS DE ELECTRICIDAD Y ELECTRONICA AUTOMOTRIZ

Magnetita Historia del magnetismo El magnetismo es un fenómeno físico por el que los objetos ejercen fuerzas de atracción o repulsión sobre otros materiales. El único imán natural conocido es un mineral llamado magnetita, sin embargo, todos los materiales son influidos, en mayor o menor forma, por la presencia de un campo magnético. En algunos de ellos es más fácil detectar estas propiedades magnéticas, como por ejemplo el níquel, el hierro o el cobalto. Los fenómenos magnéticos fueron conocidos por primera vez por los antiguos griegos, aunque durante siglos se creyó que las magnetitas contenían ciertas propiedades curativas. Hoy en día, los imanes son utilizados por la ciencia médica para, por ejemplo, medir la actividad cerebral a través de la magnetoencefalografía (MEG), o como terapia de choque para volver a iniciar corazones. ¿Qué es un imán? Los imanes son los materiales que presentan las propiedades del magnetismo y pueden ser naturales, como la magnetita, o artificiales. Los imanes también se clasifican en permanentes o temporales, según el material con el que se fabriquen o la intensidad de campo magnético al que son sometidos. Los imanes presentan dos zonas donde las acciones se manifiestan con mayor fuerza, situadas en los extremos y denominadas polos magnéticos: norte y sur. Detalle sobre las zonas de acción de mayor fuerza magnética. Una de las propiedades fundamentales de la interacción entre imanes es que los polos iguales se repelen, mientras que los polos opuestos se atraen. Este efecto de atracción y repulsión tiene que ver con las líneas de campo magnéticas, que suelen ir del polo norte al sur. Cuando se acercan dos polos opuestos, estas líneas tienden a saltar de un polo a otro: tienden a pegarse. Esta atracción será mayor o menor según sea la distancia entre los dos imanes. En cambio, cuando se acercan dos polos iguales, estas líneas de campos se empiezan a comprimir hacia su propio polo. Cuando esta compresión es máxima, las líneas de campo tienden a expandirse, lo que provoca que los polos iguales de dos imanes no puedan acercarse y se repelan. FUNDAMENTOS DE ELECTRICIDAD Y ELECTRONICA AUTOMOTRIZ

Efecto repulsión y atracción en un imán Otra característica de los imanes es que los polos no se pueden separar. Si un imán se rompe en dos partes no se obtienen un polo norte y un polo sur sino que se obtienen dos imanes, cada uno de ellos con un polo norte y un polo sur. Efecto de un imán al ser divididos en varias partes Si tenemos un imán suspendido por un hilo colocado en su centro de gravedad, observamos que siempre queda orientado hacia una misma dirección. Uno de los polos se orienta hacia el norte y otro hacia el sur, pues los polos del imán se alinean según los polos magnéticos de la Tierra, que actúa como imán natural. Sentido de los polos magnéticos de la tierra FUNDAMENTOS DE ELECTRICIDAD Y ELECTRONICA AUTOMOTRIZ

El campo magnético, flujo magnético e intensidad de campo magnético El campo magnético es la agitación que produce un imán a la región que lo envuelve. Se representa con líneas de campo que parten por el exterior del imán del polo norte al polo sur, y por su interior a la inversa, del polo sur al norte. Son líneas que no se cruzan y se separan unas de otras y del imán, tangencialmente a la dirección del campo en cada punto. Este recorrido de las líneas de fuerza es el circuito magnético y la cantidad que lo forman se llama flujo magnético. Su intensidad es inversamente proporcional al espacio entre las líneas (a menos espacio, más intensidad). En un campo magnético uniforme, la densidad de flujo de campo magnético que atraviesa una superficie plana y perpendicular a las líneas de fuerza valdrá: B = Φ / S Donde la letra griega phi (Φ) es el flujo magnético y su unidad es el Weber (Wb). En el caso de que la superficie atravesada por el flujo magnético no sea perpendicular a la dirección de éste tendremos que: Φ = B ⋅ 5 ⋅ cos α Donde alfa (α) es el ángulo que forma B con el vector perpendicular a la superficie. Las propiedades magnéticas de la materia Las líneas de campo magnético atraviesan todas las sustancias, pero no todas se comportan de la misma manera, diferenciándose entre materiales ferromagnéticos, materiales paramagnéticos y materiales diamagnéticos. FUNDAMENTOS DE ELECTRICIDAD Y ELECTRONICA AUTOMOTRIZ

Los materiales ferromagnéticos se quedan imantados permanentemente y tienen la propiedad de ser atraídos con más intensidad que los paramagnéticos o diamagnético, debido a su permeabilidad relativa. La permeabilidad relativa es el resultado del producto entre la permeabilidad magnética y la permeabilidad de vacío (constante magnética). μr = μ / μ0 Curva de histéresis magnética La magnetización de un material se establece a través de la curva de histéresis. Sea cual sea el material específico, la forma siempre tiene características similares: Al principio, la magnetización requiere un mayor esfuerzo eléctrico. Este intervalo es la llamada zona reversible. En un determinado punto, la magnetización se produce de forma proporcional. En ese punto se inicia la denominada zona lineal. Finalmente, se llega un instante a partir del cual, por mucha fuerza magnética que induzcamos al material, ya no se magnetiza más. Este es el llamado punto de saturación, que determina el inicio de la llamada zona de saturación. La curva de histéresis magnética se representa: En horizontal la intensidad de campo magnético H. En vertical representamos la inducción magnética B, que aparece en el material que estamos estudiando como consecuencia del campo magnético creado. El campo magnético creado por una corriente eléctrica El valor del campo magnético creado en un punto dependerá de varios factores: la intensidad de la corriente eléctrica, la distancia del punto respecto al hilo conductor y la forma que tenga el conductor por donde pasa la corriente eléctrica. FUNDAMENTOS DE ELECTRICIDAD Y ELECTRONICA AUTOMOTRIZ

Para determinar la dirección y sentido del campo magnético podemos usar la llamada regla de la mano derecha. Como se ve en la figura, utilizando dicha mano y apuntando con el dedo pulgar hacia el sentido de la corriente, la curvatura del resto de dedos nos indicará el sentido del campo magnético. La regla de la mano derecha En el caso de un hilo conductor rectilíneo se crea un campo magnético circular alrededor del hilo y perpendicular a él. Cuando tenemos un hilo conductor en forma de espira, el campo magnético será circular. La dirección y el sentido del campo magnético depende del sentido de la corriente eléctrica. Cuando tenemos un hilo conductor enrollado en forma de hélice tenemos una bobina o solenoide. El campo magnético en su interior se refuerza todavía más al existir más espiras: el campo magnético de cada espira se suma a la siguiente y se concentra en la región central. FUNDAMENTOS DE ELECTRICIDAD Y ELECTRONICA AUTOMOTRIZ