Introducción a la Electricidad y Electrónica Industrial (EdC para el curso "Integración de Estrategias didácticas en entornos virtuales de aprendizaje")

 

Introducción. (Planteamiento del problema)

La electricidad y la electrónica están tan presentes dentro de nuestra vida diaria que a menudo ni siquiera nos preocupamos por entender a ninguna de estas disciplinas, simplemente nos concentramos en los muchos beneficios que su existencia nos proporciona, por ejemplo, televisión, iluminación, calefacción, refrigeración, telefonía, smartphones, etc., cada uno de estos casos constituyen ejemplos de aplicación directa de estas 2 disciplinas.

Sin embargo, y a pesar de tener plena conciencia de lo citado en el párrafo anterior, podemos encontrarnos con un gran problema al momento de querer explicar algún fenómeno eléctrico/electrónico si no contamos con la cantidad suficiente o adecuada de conocimiento previo respecto a la materia.

Entonces, para poder comprender muchos de los fenómenos eléctricos que ocurren dentro de nuestra vida diaria, es necesario partir de la documentación básica que todo ingeniero debe conocer. Sin esta base, poco caso tiene explicar el concepto de potencia (tanto en Corriente Directa como Corriente Alterna) o cuestiones más elaborados referentes a temas de técnicas y lazos control clásico, difuso, redes neuronales, etc. Dicho de otro modo, tenemos que aprender a gatear antes de caminar y por supuesto de correr.

En esta Unidad tendremos por objetivo el conocer y comprender las leyes y propiedades eléctricas básicas que rigen el comportamiento y funcionamiento de prácticamente cualquier aparato o maquinaria que opere con electricidad. 

Asimismo, aprenderemos a realizar algunos cálculos básicos que involucren a estas variables. Cabe resaltar que estos cálculos preliminares los realizaremos en el domino que corresponde al análisis de Corriente Directa. Para entender que es la Corriente Directa, y diferenciarla de la corriente alterna, favor de revisar el vídeo que se deja a continuación, del cual solo hago difusión y todos los créditos del mismo pertenecen a su autor. 

https://www.youtube.com/watch?v=jQP3c0A_6lM&feature=youtu.be&ab_channel=XaviArPa

De manera simple, quedémonos por ahora con la idea de que es "más fácil" calcular variables en circuitos de CD que en circuitos de CA, esto depende directamente de que los cálculos en CD se realizan en el dominio de los números reales (enteros, fracciones, decimales, etc.) mientras que los cálculos en CA precisan de un conocimiento matemático un poco más avanzando en cuanto a números imaginarios y coordenadas polares/rectangulares se refiere.

Siempre tenga en mente que estos temas constituyen una base muy importante, ya que de ésta depende en gran medida el desarrollo de las actividades de Unidades posteriores.

Temas a tratar.

1.1 Introducción a la electricidad
1.2 Conceptos de magnitudes eléctricas

Competencias previas del alumno.

Para muchos seguramente es el primer contacto que tienen con temas de electricidad y/o electrónica, sin embargo, una de las competencias previas con las cuales deben contar, es una base sólida de algebra, ya que esta rama será una herramienta importante al momento de analizar y revisar circuitos eléctricos. 

Introducción a la electricidad.

Un circuito eléctrico es un grupo de elementos eléctricos (resistores, capacitores, inductores, fuentes de voltaje (generadores), cargas, etc.) conectados de una manera específica que interactúan entre sí para procesar información o energía en forma eléctrica.

Dicho de otro modo, y de manera más simple, un circuito eléctrico "es un arreglo de componentes eléctricos interconectados a través de los cuales circula la energía eléctrica".

Figura 1. Ejemplo de un circuito eléctrico simple.

En la Figura 1 se aprecia el que probablemente es el ejemplo más simple que podemos encontrar de un circuito eléctrico, este circuito es básico dentro de nuestro aprendizaje ya que nos permitirá obtener ciertos cálculos a partir de los conceptos que analizaremos a continuación. Cabe mencionar que dicho circuito debe ser debidamente analizado antes de conectarlo y ponerlo a funcionar, esta es una máxima que todo ingeniero debería seguir para evitar errores y fallas mayores. De manera simple, el Generador se encarga de suministrar energía al circuito, el receptor es todo aquel elemento al cual nos interesa que llegue energía eléctrica, el interruptor controla este flujo de energía (permitiéndolo o impidiéndolo) y los conductores no son más que un camino o una vía a través de la cual puede circular la corriente eléctrica, misma que definiremos un poco más adelante en esta sección.

Entonces, ¿es importante el estudio de técnicas de análisis y métodos de solución que nos permita conocer el comportamiento eléctrico de la variables que interactúan un circuito?.

La respuesta es SI, ya que simple y sencillamente sin técnicas de análisis y diseño de circuitos eléctricos la dinámica de trabajo que manejamos hoy en día (educación y trabajo a distancia) no sería posible; esto quiere decir, por lo tanto el análisis de circuitos de Corriente Directa es una piedra angular en el desarrollo de Ingenieros tanto eléctricos como electrónicos.

Conceptos de magnitudes eléctricas básicas.

Lo primero que hay que hacer, es entender los conceptos eléctricos que vamos a manejar durante este curso, siendo principalmente, los descritos a continuación.

Voltaje (“tensión eléctrica”) à “Diferencia de potencial eléctrico necesaria para mover una carga de un punto a otro”.

Corriente eléctrica à “Flujo de carga eléctrica (electrones) que recorre un material”

Resistencia Eléctrica à “Oposición al paso de corriente eléctrica”

Entonces, ahora entendamos que nos quieren decir las definiciones anteriores:

Voltaje à A grandes rasgos, el voltaje es una fuerza, algo que actúa de tal manera que ejerce un efecto sobre una carga eléctrica.

Corriente eléctrica à Es lo que nosotros queremos mover de un punto a otro en base a la fuerza o voltaje aplicado. O sea, que la corriente para moverse (y que por lo tanto exista) necesita de una fuerza que la estimule.

Resistencia Eléctrica à Impacta directamente a la magnitud de corriente que puede moverse de un punto a otro, a mayor resistencia menor flujo de corriente y a menor resistencia mayor flujo de corriente.

Esto lo podemos explicar también mediante la siguiente figura.

Figura 2. Analogía de variables eléctricas básicas con respecto de un sistema mecánico.

En la Figura 2 tenemos un esquema análogo al comportamiento de las 3 variables descritas en párrafos anteriores.

Se observa rápidamente que la persona que suministra la fuerza es análoga a lo que describimos como “Voltaje”, mientras que la corriente es análoga a “lo que queremos mover de un punto a otro”, finalmente, la resistencia es comparable con el plano inclinado el cual dificulta el movimiento de la carga.

¿Qué pasa en este sistema? Pues que la “caja” que queremos mover está relacionada tanto con la fuerza como con la resistencia de los otros factores involucrados, si mantenemos constante a la persona que mueve el objeto, podemos variar la inclinación del plano, de tal manera que mientras más inclinado esté, más difícil será mover la caja.

Entonces surge la siguiente pregunta, ¿Cómo podemos facilitar el movimiento de esta caja? Pues hay 2 maneras, o bajamos la inclinación del plano de tal manera que existe una oposición (o resistencia) menor ó cambiamos a la persona que la empuja por una más fuerte que pueda mover a la caja independientemente de que el plano esté muy inclinado.

Esto, es exactamente lo mismo que ocurre en materia eléctrica, de tal manera, o sea, que si queremos disminuir el valor de la corriente, podemos incrementar el valor de la resistencia eléctrica ó disminuir el valor del voltaje total suministrado. Por lo tanto, podemos concluir que estas 3 variables están íntimamente relacionadas, al punto de que son prácticamente dependientes entre ellas.

Afortunadamente para nosotros, existen relaciones matemáticas simples que nos permiten representar la interacción de estas variables, de tal manera que no tenemos que enrollarnos tanto con analogías extra. La relación más básica (y seguramente la más importante) se denomina como "Ley de Ohm".

Ley de Ohm

Esta es la primer ecuación que todo ingeniero que se desempeñe dentro del ámbito eléctrico/electrónico debe estudiar. 

Ecuación 1. Ley de Ohm.

De la ecuación 1 debemos saber que:

“V” à “Voltaje”, medido en “volts” representada por la letra “V” (por ejemlo, 9 V)

“I” à “Corriente eléctrica”, medida en “Amperes”, representada por la letra “A” (por ejemplo 250 mA)

“R”à “Resistencia eléctrica”, medida en “Ohms” y representada por el símbolo griego “Ω” (Omega) (por ejemplo 500 Ω)

Si analizamos la expresión anterior, nos damos cuenta que el voltaje es directamente proporcional al producto de la corriente por la resistencia, cosa que también pasaba en nuestro sistema del plano inclinado, aunque en ese caso, nos enfocamos en la corriente.

Esta ecuación es una relación que siempre se cumple, de tal manera que podemos tratarla como nuestra primer fórmula a analizar, como es una igualdad, esto significa que podemos jugar un poco mediante despejes algebraicos con cada una de las variables, de tal manera que obtenemos:

Ecuación 2. Distintas formas de expresar a la Ley de Ohm

De tal manera, que estas 3 relaciones matemáticas son igualmente válidas y consideradas como Ley de Ohm, e implican que, para conocer el valor de una determinada variable, forzosamente debemos conocer el valor de al menos las otras 2. Por ejemplo, supongamos que tenemos un generador (o fuente) de voltaje "V" que puede entregar 12V conectado a una sola resistencia "R" la cual vale 100 Ω, esto significa que dado que tenemos la interacción de estas 2 variables, forzosamente existe la 3ra, o sea, la corriente eléctrica "I", y esto matemáticamente lo expresamos de la siguiente manera:

Ecuación 3. Cálculo de "I" a partir de "V" y "R"

Nota: el sufijo "mA" indica un multiplicador por 10 a la menos 3, es válido expresarlo tanto de este modo como también dejarlo expresado como el primer resultado de "0.12 A", simplemente son formas distintas de expresar una misma cantidad usando los sufijos de tales cantidades y su notación científica. Como podemos ver en Ecuación 3, es fácil darnos cuenta de que siempre que conozcamos 2 de las 3 variables involucradas en la Ley de Ohm, fácilmente podemos calcular el valor de la variable restante.

Ahora veamos un ejemplo el cual involucrara nuevamente a estas variables básicas, pero vistas desde el punto de vista de un circuito eléctrico.

Figura 3. Ejemplo de Ley de Ohm dentro de un circuito eléctrico.

En la Fig. 3 tenemos nuestro primer ejemplo de diagrama de circuito eléctrico, en dicha figura tenemos el elemento "V1" el cual corresponde a la fuente de voltaje o generador que suministra energía al circuito, al mismo tiempo, encontramos al elemento "R1" cual corresponde a la resistencia eléctrica presente dentro del circuito que estamos analizando, finalmente los "cables" o "líneas rojas" corresponden a los conductores a través de los cuales la corriente eléctrica "I1" puede fluir. Por ahora, no nos preocupemos por el sentido que la flecha en color rojo indica, es un tema que veremos un poco más adelante, lo único que nos importa en este momento es identificar a las variables eléctricas con respecto de su símbolo eléctrico. 

Cabe mencionar que existen muchas maneras para representar elementos dentro de un circuito, o sea, que podemos encontrar resistencias eléctricas representadas con otro dibujo. Para evitar confusiones, iremos conociendo poco a poco cada uno de estos símbolos, de tal manera que los que se muestran en este circuito son los que utilizaremos pare representar a fuentes de voltaje y resistencias.

Nótese que el circuito de la Figura 3 guarda muchas similitudes comparado con el circuito de la Fig. 1, el único elemento que no comparten es el interruptor, este lo analizaremos en gran parte de la Unidad 3, por el momento quedémonos con la idea de que en el circuito la Fig. 3 siempre fluye cierto valor de corriente eléctrica determinado por V1 y R1.

Entonces, como existen las variables de voltaje y resistencia, podemos calcular a la corriente del siguiente modo:

Ecuación 4. Cálculo de I1

Ahora bien, ¿Qué pasa si disminuimos el valor de la Resistencia R1?, pues cómo seguramente lo están pensando, dado que se mantiene el valor de la fuente de voltaje mientras que R1 es menor, esto significa que la corriente eléctrica debería aumentar, lo cual se comprueba recalculando a "I1" del mismo modo que lo hicimos en la ecuación 4, pero ahora supongamos que R1= 500 Ω:

Ecuación 5. Cálculo de I1 para un valor menor de resistencia

Como se puede apreciar, se comprueba que el valor de I1 es mayor ante un valor menor de R1.

Por ahora es todo, hasta el momento contamos con esta breve introducción al estudio de la electricidad y la electrónica, para reforzar lo aprendido en esta lección, sírvase de responder las siguientes actividades complementarias, mismas que discutiremos en sesiones posteriores.  

Esperando la lección haya sido de su agrado, me despido por el momento, que tengan un buen día!.

"No temas fallar. No es fallar, sino apuntar muy bajo el error. Con grandes aspiraciones, es glorioso incluso fallar..." Bruce Lee

ACTIVIDADES COMPLEMENTARIAS.

Tome en cuenta que las siguientes actividades se anexan como Tarea 1, la cual se sumará a las tareas restantes del curso para conformar el 30% de su calificación total de esta Unidad.

1.- Tomando como referencia el ejemplo del sistema mecánico descrito en la Fig. 2, proponga otra analogía de comportamiento de las variables eléctricas involucradas.

2.- Tomando en cuenta la información proporcionada en esta lección, realice un breve ensayo de cómo piensa que la Ley de Ohm está presente dentro de su vida diaria.

3.- Calcule, ¿Qué valor debería tener "R" si tengo una fuente de voltaje de 24 V y deseo una corriente eléctrica de 100 mA?

4.- Tomando como referencia el circuito de la Fig 3, calcule el valor de la corriente eléctrica suponiendo que se mantiene el valor de la fuente de voltaje pero que ahora la resistencia vale 10,000 Ω.

Sírvase de enviar su archivo de tareas a la dirección: jave.arcos@gmail.com

IMPORTANTE: Poner en el asunto del correo "Tarea 1_No. de control", renombrar del mismo modo al archivo con el contenido de su desarrollo. **NO SE REVISARAN TAREAS QUE VENGAN NOMBRADAS DE OTRO MODO**