sábado, 3 de noviembre de 2012

hola

CONCEPTOS BÁSICOS DE CIRCUITOS.


MATERIALES AISLANTES Y CONDUCTORES.

MATERIALES AISLANTES: Son los materiales en los que es muy difícil desprender electrones de sus átomos  para que pueda lograrse un flujo de corriente a través de ellos. Esto también se interpreta como oposición o resistencia al paso de la corriente eléctrica. Algunos de los materiales aislantes mas conocidos son : vidrio, madera seca, caucho, algodón, etc.


MATERIALES CONDUCTORES: Los materiales conductores ofrecen facilidad para desprender electrones de la banda de valencia de sus átomos,por lo tanto, permites la circulación de corriente. Los conductores pueden ser de tres tipos: metálicos, electrolíticos y gaseosos  Los metales son los mejores conductores, entre ellos encontramos: oro, plata, cobre, aluminio, etc. En los conductores gaseosos la conducción se realiza mediante la ionización de un gas noble. La figura 2.10 muestra el numero de electrones en un material conductor y en un material aislante. La energía aplicada a la banda de valencia, se repite en partes iguales. entre los electrones que se encuentran en la misma, por lo tanto, es mas fácil desprender un electrón de su átomo por participar en la conducción eléctrica.
2.2 SUPERCONDUCTORES.

La superconductividad es uno de los descubrimientos mas importantes de nuestro siglo. Este efecto continua aun en investigación  Sin embargo, el campo de la aplicación potencial es muy extenso, a tal grado que se predicen cambios radicales en la manera de vivir el hombre, cuando se tenga una aplicación plena de este descubrimiento aportado por la física.

La materia se presenta en la naturaleza en tres estados: solido, liquido y gaseoso. Actualmente se puede obtener otro estado llamado SUPERCONDUCTIVIDAD. Un conductor perfecto presenta resistencia  eléctrica de cero ohms , en tanto que un super conductor , ademas de contr con dicha resistencia, presenta el efecto Meissner- Oschenfeld, el cual establece, que un superconductor no permite que un campo de inducción magnética penetre en su interior, o sea, que el campo magnético en su interior es siempre cero.

Los antecedentes de la superconductividad se remontan la siglo XIX, cuando los físicos de la época experimentaban la manera de licuar gases. El proceso de esto era estudiar los fenómenos que se presentan en las materias a temperaturas muy bajas. En 1845, Micheal Faraday de la Royal Intitution de Londres, logro establecer un proceso para licuar algunos gases. El descubrimiento propiamente de los superconductores, se remonta a 1911 y se debe al doctor H.K. Onnes de la Universidad de Layden, en Holanda.Dicho investigador descubrió la superconductividad del mercurio. Para lograra esto sometió al mercurio a una temperatura de -269 C. los resultados de esta investigación lo llevaron a obtener el premio Nobel de Física en 1913.

En el año de 1957 pudo entenderse el fenómeno de los superconductores convencionales (para distinguirlos de los modernos superconductores cerámicos , los investigadores J. Barbeen, L Cooper y R. Schieffer, enunciaron la teoría BCS llamada si en su honor. En ella se habla de la existencia de los "pares de Cooper", que son parejas de electrones ligados entre si y que se forman por la interacción atractiva de tipo electrón-ion-electrón. En 1972 se les otorgo el premio Nobel de Física en el año de 1987.

El efecto de la superconductividad se logra llevando a los electrones al estado de superelectrones. En dicho estado, los electrones tienen la tendencia de agruparse en grandes enjambre y de esa forma se mueven por el material, venciendo con facilidad la resistencia que encuentran a su paso.Existe un problema aparentemente para aceptar que cierto numero de electrones puedan juntarse, sin embargo, la teoría llamada "par de Cooper" de muestra el mecanismo de interacción atractiva (atracción) entre dos electrones de un metal.

Para tener una idea de los elementos que componen un superconductor, podemos mencionar como ejemplo, al superconductor ceramico compuesto por oxido de itrio (Y2 O3), carbonato de bario (BaCO3) y oxido de Cobre (CuO).Dichos compuestos se mezclan en proporciones 1:2:3,considerando el orden en que se han mencionado y se someten a un proceso.

En el campo de los superconductores, uno de los problemas mas fuertes  es la temperatura muy baja a la que tienen que ser sometidos los materiales superconductores para que presenten propiedades como tales. por ejemplo, el primer superconductor se sometió a una temperatura muy próxima al cero absoluto (-273.16 C), al pasar de los años se ha mejorado en este aspecto tal grado que los últimos reportes de este campo se menciona que los japoneses han desarrollado un superconductor con lantano-bario-cobre-oxigeno, que requiere una temperatura de -3 .

Actualmente se trabaja intensamente en obtener materiales cerámicos superconductores, para que puedan operar  a una temperatura superior a la ambiente, cuando se logre esto, ya no sera necesaria la refrigeración del sistema.

Dentro de los diversos materiales superconductores que se han fabricado,existe un tipo que tiene la propiedad de crear campos magnéticos muy intensos cuando se somete a un determinado rango de corriente. A continuación se mencionan los principales campos de aplicación, que hasta este momento se pueden apreciar para los materiales superconductores.


El imán de neodimio flota gracias a su superconductividad.

1.- GENERACIÓN DE GRANDES CAMPOS MAGNÉTICOS:La producción de intensos campos magnéticos  así como de considerable área donde se pueden manifestar, predice cambios muy importantes y de mucha trascendencia, en las maquinas eléctricas tales como: motores, generadores, transformadores, etc. La generación de campos magnéticos potentes y altamente estables serán de mucha utilidad en estudios de resonancia magnética nuclear, la microscopia electrónica de alta resolución, etc.

2.- FABRICACIÓN DE CABLES DE TRANSMISIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA: Actualmente se trabaja en la fabricación de cables de transmisión de energía eléctrica, que proporcionan características que aventajen a los cables tradicionales.

3.- FABRICACIÓN DE COMPONENTES ELECTRÓNICOS: En los superconductores se presenta el fenómeno Josephson,conocido en física cuántica como efecto de "tunelamiento". Se piensa que este efecto puede tener aplicacion interesante en la fabricación de componentes electrónicos, principalmente para el campo de la electrónica digital.

 

CIRCUITOS BÁSICOS DE CORRIENTE DIRECTA

CIRCUITOS BÁSICOS DE CORRIENTE DIRECTA.

GENERACIÓN DE C.D.

 MATERIA Y ENERGÍA.

ENERGÍAEn términos generales,se dice que la energía es una cierta capacidad para realizar un efecto o trabajo. En la naturaleza existen diversos tipos de energía que el hombre, a través de muchos años ha estudiado y realiza con ella trabajos útiles. Existen también otros tipos de energías atómicas, que el hombre ya utiliza, pero de la cual le falta mucho por aprender.

MATERIA. La materia es un concepto muy amplio, se dice que materia es todo lo que compone al universo, la materia esta compuesta por átomos. La materia y la energía están ligadas íntimamente  a tal grado que todos los fenómenos del universo son el producto de la interacciona MATERIA- ENERGÍA.

la energía eléctrica es una forma de energía producida por los electrones. Este tipo de energía es tan importante en nuestra vida, que se podría establecer como el energéticos indispensable, ya que existes una gran variedad de dispositivos que pueden transformarla en otras formas de energía aprovechable  Un punto de mucho peso es que la energía eléctrica sirve de alimento a  los sistemas electrónicos  por lo tanto la electricidad se involucra en gran parte de nuestra vida y es por ello que es necesario un recordatorio a los principales conceptos para facilitar su comprensión.

EL ÁTOMOHasta los primeros años del siglo XX, el átomo era muy poco conocido. Bohr propuso un modelo atómico parecido al sistema solar, en donde los electrones giran alrededor del núcleo con carga positiva. Este modelo explica algunos fenómenos tales como los rayos X, la conducción eléctrica en los gases, etc. Sin embargo existen algunos fenómenos que no pueden ser explicados por el modelo anterior, por lo que se propuso un modelo atómico tomando en cuenta la mecánica cuántica.

El modelo atómico derivado de la mecánica cuántica (mecánica ondulatoria) establece varios cambios significativos; al electrón ya no se le considera solamente  como una particula  también se le considera como una onda. Por lo tanto al electrón se le asocia la dualidad ONDA-PARTÍCULA. Las partículas son substituidas por niveles de energía  la ocupación exacta de los electrones  no puede predecirse en el espacio o tiempo.Para estimar dicha posición se hacen uso de funciones de probabilidad.Para determinar las características energéticas de un electrón se utilizan los siguientes números cuánticos.

n = Procede de resolver la ecuación de ondas, indica la energía posible para cada electrón dentro del átomo.
 λ  = Numero que indica la subcapa que ocupa un electrón.
m = Energía orbital cuando se sitúa el átomo en un campo magnético.
ms = Spin = considera el giro del electrón.

Las formulaciones matemáticas derivadas de la mecánica cuántica permiten tener un concepto mejorado del átomo  el cual explica muchos fenómenos y aclara muchos puntos en la conducción eléctrica en los gases, en los líquidos y en semiconductores.

átomo.

CORRIENTE ELÉCTRICA: En 1947 Franklin propuso que la corriente eléctrica se considerase como un fluido eléctrico que circula del borne positivo al borne negativo en el circuito exterior a la fuente. A esta dirección de circulación de la corriente se le llama "circulación convencional" de la corriente eléctrica  En aquella apoca, la definición de positivo y negativo fue, de manera arbitraria, basándose en el comportamiento eléctrico de varillas de vidrio y d ebonita previamente frotadas. Se sabe, que la corriente en realidad puede ser producida por el movimiento de cargas positivas o negativas. El concepto de corriente eléctrica  establece que es originada por la cantidad de carga que pasa por un punto en una unidad de tiempo. En términos mas simples, se acepta que la corriente eléctrica circula de negativo a positivo "dirección real" de la corriente y que es producida por el numero de electrones que pasan por un punto en un segundo. Su unidad de medida es el AMPERE (I).



VOLTAJE: La diferencia de potencial o voltaje, representa los intercambios de energía que llevan a cabo los electrones al moverse de un punto a otro. En otros términos se dice que voltaje es la fuerza que mueve a los electrones, su unidad de medida es el VOLT (V).


POTENCIA ELÉCTRICA:  La potencia que desarrolla una corriente eléctrica  es directamente proporcional a la magnitud de esta ultima por la diferencia de potencial originada a su paso. En otras palabras, la potencia eléctrica que consume una carga, es el producto del numero de electrones que pasan a través de ella en un segundo por la fuerza que los mueve. Su unidad de medida es el WATT (W) y se expresa mediante la siguiente formula:

P = V I

RESISTENCIA ELÉCTRICA:  Se define, como la oposición que ofrece un material al paso de la corriente eléctrica  Su unidad de medida es el OHM (Ω).


EL FACTOR DE POTENCIA

 EL FACTOR POTENCIA.

El factor de potencia* es el termino usado para describir la relación entre la potencia de trabajo (real) y la potencia real consumida. Así pues, el triangulo de potencias muestra gráficamente la relación entre la potencia real (KW), la potencia reactiva (KVAR) y la potencia total (KVA).

Al utilizar un motor eléctrico, la potencia real o activa, es la que en el proceso de transformación se puede aprovechar como trabajo, haciéndola productiva y utilizable. Esta potencia se mide en (KW).

La potencia reactiva a pesar de ser necesaria para la magnetización en los motores, transformadores y otras cargas que contienen bobinas (inductivas), (por ejemplo, el magnetismo en los denevados del motor es necesario para que el motor gire) no produce ningún trabajo util.
Esta potencia se mide en Kilovolts-amperes reactivos (KVAR).

En toda instalación eléctrica existen los dos tipos de potencias ya mencionadas, a su combinación se le conoce como potencia aparente siendo la que se maneja y controla en las redes eléctricas. Esta se mide en Kilovolts-amperes (KVA).

La combinación de las tres potencias anteriores, determina lo que se conoce como el triangulo de potencias 


                                                               Triangulo de potencias.

Donde:

KW:          Potencia Real.
KWAR:     Potencia Reactiva (No produce trabajo, pero si hay que pagar por ella).
KVA:         Potencia real requerida para alimentar la recarga.

*por definición  el factor de potencia (F.P.) indica la cantidad de energía que se ha convertido en trabajo, y esta dado por la relación:

FACTOR DE POTENCIA: F.P. = KW = Cos¢
                                              KVA



Las cargas puramente resistivas, tales como calefactores, lampara incandescentes ( foco común , etc.; no requieren potencia reactiva para su funcionamiento, entonces la potencia real y la potencia total son iguales (F.P. = 1).

Sin embargo el equipo que requiere para su funcionamiento de la corriente de magnetización para la creación del campo, tal como motores, transformadores, balastros, etc.; consume ademas, potencia reactiva (KVAR), por la cual también hay que pagar.

La idea pues, es que se tenga un factor de potencia unitario, lo cual indica que no existen perdidas o que toda la energía consumida ha sido transformada en trabajo. O lo que es lo mismo, KW = KVA, o sea que la potencia reactiva KVAR = 0

Desventajas de un bajo factor de potencia.

1. Incremento de corriente en las lineas.
2. Mayor costo por concepto  de pago de energía eléctrica.
3. Perdidas en los conductores y equipo eléctrico.
4. Caída de tensión.
5. Desaprovechamiento de la capacidad del transformador o sobrecarga.
6. Mayores costos en la instalación de conductores alimentadores.

1. Incremento de corriente en la lineas.- Cuando el factor de potencia decrece, la corriente se incrementa en los conductores, por lo que los transformadores y los conductores quedan sobrecargados, incrementando así las perdidas.

2. Mayor costo por concepto de pago de energía eléctrica.- Como resulta obvio, al consumir mayor energía que la que se aprovecha en forma de trabajo útil  las plantas generadores de electricidad (C.F.E.), tienen que generar la energía suficiente para proporcionarla a los usuarios, aunque no la aprovechen correctamente, así como también C.F.E, tiene que dimensionar adecuadamente sus lineas de energía  transformadores y equipo, por lo cual cobra un "cargo por bajo factor de potencia", ya que este va en función de que también esta siendo aprovechada la energía eléctrica  El factor de potencia mínimo requerido por C.F.E. es del 0.9 (o sea 90%), cuando es menor del 90%, C.F.E. cobrara un cargo (penalización) adicional por bajo factor de potencia el cual se aplica usando la siguiente formula:

Porcentaje de recargo*= 3/5 ( ( 90 / FP ) - 1) x 100           FP menor que 90%

*Para conocer el recargo en pesos, obtenemos ese porcentaje de recargo, del importe total del consumo de energía eléctrica.

3. Perdidas en los conductores y equipo eléctrico  Puesto que la corriente total en los conductores va en función del factor de potencia, cuando el factor de potencia decrece, la corriente aumenta. En un conductor eléctrico  las perdidas son proporcionales al cuadro de la corriente. Si se mejora el factor de potencia, la reducción de las perdidas en watts, se da en un factor que se obtiene mediante la siguiente expresión:

% DE REDUCCIÓN = ( 1 - ( COS ² ϕ 1 / COS ²  ϕ 2 )) X 100.

Donde : COS ² ϕ 1 es el factor de potencia original y cos ϕ 2 el factor de potencia corregido.
De manera de que, por ejemplo, si el factor de potencia original es del 60% y el corregido es del 98%:

                                     % de reducción = ( 1- ( 0.60² / 0.98 ² ) ) X 100 = 62.51 %.

4. Caída de Tensión  Al estar presente la componente de corriente reactiva de la linea por la acción del factor de potencia bajo, aumenta la corriente total del sistema, por lo que la caída de tensión también aumenta disminuyendo así el voltaje, lo cual es, las mas de las veces, perjudicial para la maquinaria y equipo.

5. Desaprovechamiento de la capacidad del transformador o sobrecarga. Cuando el factor de potencia esta bajo, la corriente aumenta, aumentando también la potencia total necesaria. Por lo anterior, el transformador puede quedar sobrecargado o justo, siendo que en gran parte esta siendo cargado por la potencia reactiva y no dejando ya oportunidad de incrementar la carga, a menos que se instale un nuevo transformador de mayor capacidad.
                                                                    Transformador.

6. Mayores costos en la instalación de conductores alimentadores. Resulta obvio que al incrementarse la corriente, los conductores deberán de soportarla, por lo que en realidad están sobre dimensionados. Siendo así  los costos por la instalación serán mayores.





GENERACIÓN DE CORRIENTE ALTERNA

CONCEPTOS BÁSICOS DE CORRIENTE ALTERNA.

GENERACIÓN DE CORRIENTE ALTERNA.


La energía eléctrica en su gran mayoría se produce en forma de C.A. Esto no se debe a que tenga mas campo de aplicación  mas  bien influyen sus características para transportarla con relativa facilidad, desde lugares remotos donde se encuentran las plantas generadoras, hasta los consumidores. Desde el punto de vista económico  es mas costoso transportar la corriente continua, ademas esta ultima se puede obtener mas fácilmente a partir de la C.A.

Un generador de C.A. (alternador) es una maquina destinada a transformar energía mecánica en energía eléctrica en forma de C.A.. La generación se logra mediante la acción de un campo magnético, sobre unos conductores eléctricos dispuestos de una forma particular, cuando se produce un movimiento relativo entre esos conductores y el campo, en los conductores se genera una fuerza Electromotriz inducida, capaz de suministrar potencia eléctrica.



En cualquier tipo de generador (de C.D. o C.A.) el voltaje generado siempre es de C.A.. En el caso de generador de C.D. por la acción del conmutador y de alguna forma, conectamos permanentemente las escobillas a extremos opuestos de la espira, tal como se muestra en la figura  el generador básico de C.D. se convierte en generador simple de C.A.


                                                   Generador Básico de C.A.


Los extremos de la espira no pueden conectarse directamente a las escobillas, debido a que los extremos deben girar libremente con la espira,  si no pudieran girar libremente, al girar la espira se torcerían sus cables hasta romperse, esto se resuelve instalando anillos metálicos en los extremos de la bobina, de tal forma que cada anillo quede conectado a un extremo de la bobina, estos anillos se llaman "anillos rozantes". La generación de una onda senoidal mediante el alternador se ilustra mediante la secuencia mostrada en la figura 1.2.


                               
                                          Figura 1.2. Secuencia en la Generación de una onda senoidal.




LEY DE OHM.


La ley de ohm establece que, para una constante en un circuito, su intensidad es directamente proporcional al voltaje aplicado e inversamente proporcional a la resistencia total del circuito. La ley de ohm se cumple para circuitos alimentados con un voltaje constante, la corriente puede ser variable si se modifica la resistencia del circuito. La ley de ohm involucra 3 variables, por lo tanto deben conocerse 2 para poder calcularse la variable restante. La siguiente imagen muestra gráficamente como puede calcularse la variable desconocía. Para ello, es necesario" tapar con la mano la variable desconocida", y la formula requerida para calcularla se observa en el triangulo.