El campo magnético que produce una corriente eléctrica

Los electrones libres que se mueven en la misma dirección producen corriente eléctrica

La corriente eléctrica

Descubre cómo se genera el campo magnético que produce una corriente eléctrica en los alambres de las instalaciones eléctricas residenciales. En la vecindad de los cuerpos cargados existe una campo eléctrico. Al conectar dos de ellos mediante un conductor, por ejemplo, un alambre de cobre, este campo eléctrico ejercerá una fuerza sobre los electrones del conductor. Y los que se encuentran libres podrán trasladarse de un lugar a otro. Se ha generado, entonces, una corriente eléctrica en el conductor.

La corriente cesará cuando los cuerpos cargados unidos por el alambre se encuentren al mismo potencial. Entonces, para mantener una corriente en el alambre, se necesita conectarlo a dos cuerpos cargados cuya diferencia de potencial permanezca constante en el transcurso del tiempo (dentro de ciertos límites). Por ejemplo, a los polos de una batería.

Si durante el tiempo Δt ha pasado la carga ΔQ por una sección de alambre, la magnitud i de la corriente eléctrica está dada por

i = ΔQ/Δt

Donde:

Q = C
t = s
i = C/s

El campo magnético que produce una corriente eléctrica

Alrededor de 1820, el físico danés H.C. Oersted encontró que al colocar un imán en la vecindad de un alambre por el que fluye una corriente, el imán sufre una desviación. Lo que muestra que se ejerce sobre él una fuerza. Así, en la vecindad del alambre se genera un campo de inducción magnética. Si el alambre es recto, las líneas de inducción son circulares normalmente al alambre y con el centro en él.

Campo magnético generado por una corriente que fluye en un alambre recto

Ver también: Energía almacenada en campos eléctricos y magnéticos

En 1820, Biot y Savart encontraron la relación cuantitativa entre la inducción magnética en cualquier punto del espacio y la corriente que la produce. Considérese una pequeña longitud Δl de un alambre que lleve una corriente i. Biot y Savart encontraron que la inducción magnética en un punto P a una distancia r del pedazo de alambre está dado por

ΔB = (μ₀/π) i Δl sen α/r²

donde ΔB es la induccion magnética en el punto P. α es el ángulo entre r y la longitud del conductor considerada, y μ₀ es la permeabilidad del vacío. La inducción magnética es, como ya dijimos, un vector perpendicular al plano formado por r y Δl.

La regla de la mano derecha

Para determinar la dirección de B se emplea la llamada regla de la mano derecha: si el pulgar de esta mano apunta en la dirección de la corriente, entonces, al cerrar la mano, los otros dedos apuntarán en la dirección del campo magnético.

Como una aplicación de la ley de Biot y Savart, calcularemos el campo magnético en el centro de un alambre circular por el que fluye una corriente i.

Para el cálculo del campo magnético en el centro de una espira circular por la que fluye una corriente i

En este caso, Δl y r son perpendiculares. Así, el campo ΔB producido por el elemento Δl del alambre está dado por

ΔB = (μ₀/4π) i Δl /r²

Obsérvese que la dirección de ΔB es perpendicular al plano del alambre y apunta hacia arriba. Imaginemos ahora el alambre dividido en un número grande de pequeños arcos de longitud Δl. Al sumar los campos producidos por cada uno de los elementos, ya que r es constante y ΣΔl = 2πr, se obtiene:

B = (μ₀/2) (i/r²)

Uso CORRECTO del MULTÍMETRO digital de GANCHO

Uso correcto del multímetro digital de gancho. Un medidor es aquel aparatos que se usan comúnmente para medir diferentes magnitudes eléctricas. para medir la intensidad de la corriente eléctrica se usa el amperímetro.

Conviene conocer la forma en que conectan los medidores a los circuitos para hacer determinada medición. Un amperímetro que mide la corriente eléctrica fluyendo a través de un circuito se conecta “en serie”, es decir, extremo con extremo con otros componentes del circuito, lo cual requiere abrir el circuito, es decir, cortar el cable que se va a probar. Para un electricista esto es inconveniente y, en muchos casos, es casi imposible de hacer.

La necesidad de un medidor de corriente eléctrica con capacidad para medir amperios sin abrir el circuito para hacer una conexión estimuló la invención de un amperímetro de abrazadera, llamado también amperímetro “de gancho”. Actualmente, los amperímetros para electricistas vienen integrados con los multímetros de gancho.

Medición de corriente alterna

Para hacer una medición de corriente en los circuitos de las instalaciones eléctricas residenciales:

1. Se coloca la perilla rotatoria en la posición del rango deseado para medir AC (A~)
2. Se debe presionar el botón de gancho para abrir y después soltar para cerrar los dedos de gancho alrededor del conductor de corriente. Los dedos de gancho tomarán los amperes de AC (A~) que circulan a través del conductor.
3. Cuando aparezca en la pantalla “1” nos encontramos en una situación de sobrerango. Se tendrá que seleccionar un rango más alto.

Para conocer más sobre el amperímetro de gancho, observa el siguiente vídeo: 

Uso correcto del multímetro digital de gancho

Un equipo de medición indispensable para todo electricista es el multímetro de gancho, que es un medidor de intensidades de corriente. En el mercado existen una gran variedad de modelos y marcas. Un multímetro que es útil para tus labores de electricista residencial debe medir de miliamperes a amperes con un rango hasta 240 V.

Ver también: Principios de corriente alterna (parte 2)

Con este equipo el electricista puede:

1. Medir corriente alterna y corriente directa.
2. Tener confiabilidad en mediciones.
3. Máxima precisión de medición de corriente.
4. Ahorro de energía, ya que al no estar en uso, el multímetro se apaga en automático.

Existen de tipo analógico o digital.

Multímetro de gancho vs. tradicional.

Con frecuencia, un multímetro normal puede ser incómodo y complicado para realizar muchas de las mediciones requeridas. Los medidores de gancho son una alternativa a los multímetros tradicionales, ya que le ofrecen al electricista seguridad en mediciones difíciles por la facilidad de medir sin interrumpir el circuito. Recordemos que la medición de corriente se debe realizar en serie sobre la línea energizada. Así que para conectar el multímetro debemos abrir dicha línea. Con el multímetro de gancho sólo se requiere colocar la tenaza, reduciendo riesgos de electrocución, falsos contactos, cortos circuitos, así como reducción de tiempos de ejecución de los trabajos.

De manera que se aplica para medir corrientes de:

1. Arranque y carga de motores.
2. Carga en alimentadores y tableros.
3. Corrientes de fugas peligrosas
4. Así como apoyo para monitorear consumos
5. Y diagnosticar oportunidades de ahorro de energía.

¿Cómo funciona el multímetro digital de gancho?

Este medidor de corriente se basa en que cualquier corriente eléctrica que circula por un hilo conductor produce un campo magnético alrededor del mismo, cuya fuerza depende de la intensidad de la corriente que circula. Es éste el campo detectado por el gancho.

Se llaman “de gancho” porque cuentan con unas tenazas o ganchos que se abren al oprimir una barra lateral, que permite colocarlo en el conductor donde se requiere medir la corriente, con seguridad y sin la necesidad de desconectar nada. Después de ello sólo vez la carátula o display, y sabrás con precisión cuántos amperes están pasando por el conductor.

¿Cómo es el uso correcto del multímetro digital de gancho?

Siempre se debe medir un solo conductor a la vez. Por lo tanto, en el caso de conductores que van unidos, es necesario separarlos para realizar la medición sin errores.

Para medir la corriente directa se hace el mismo proceso, ya que el multímetro de gancho cuenta con una resistencia fija que proporciona el valor de medición. Por ejemplo, podemos medir la corriente que demanda la carga a un acumulador, de manera sencilla y sin riesgos.

También podemos medir la corriente circulante en un contacto cuando está conectada la carga, y cuando está apagada, comparando consumos. Por ejemplo, medimos la corriente que demanda una lámpara incandescente o foco, que es de 0.5 A. Ahora conectamos una lámpara ahorradora. Su consumo en corriente es de 0.3 A. ¿Cuánto estamos ahorrando?

Otros usos del multímetro de gancho

Verificar en interruptores la circulación de corriente. Por ejemplo, podemos verificar el consumo en cada uno de los circuitos del domicilio, así como las corrientes en el interruptor principal, en los alimentadores de una bomba de agua, de una lavadora, del microondas. Todos los consumos reales de corriente pueden supervisarse. También pueden diagnosticarse presencia de corrientes en los circuitos de puesta a tierra.

Por todo esto el multímetro de gancho es una herramienta indispensable para el electricista, que brinda seguridad en los trabajos, reduciendo tiempos en la ejecución, y evitando daños mayores en la instalación del cliente. Si alguna medición se dificulta, la vez insegura, no dudes en utilizar tu multímetro de gancho.

¿Tienes alguna duda sobre el uso correcto del multímetro digital de gancho?

Principios de corriente alterna (parte 2)

Principios de corriente alterna (parte 2). Anteriormente hemos visto que el circuito eléctrico es el medio por el cual se manifiesta la energía eléctrica en nuestras instalaciones eléctricas residenciales y nos sirve para canalizarla desde una fuente hasta las salidas conectaremos los diferentes aparatos electrodomésticos.

Principios de corriente alterna en el circuito eléctrico

La fuerza que pone en movimiento a los electrones libres a través de todo el conductor eléctrico del circuito se conoce como voltaje. Es el equivalente a la presión en las instalaciones hidráulicas. También se le conoce con otros nombres como tensión eléctrica o diferencia de potencial. Su unidad de medida es el voltio.

Los circuitos de una vivienda se conectan "en paralelo" con la fuente de energía, y de esa manera el voltaje prácticamente con el mismo valor a todas las salidas de la instalación.

Ver también: 4 componentes de un circuito eléctrico

La intensidad de la corriente eléctrica es el flujo de electrones libres a través del conductor eléctrico; también se le conoce como amperaje, ya que su unidad de medida es el ampere.
La potencia eléctrica es el trabajo que realizan los electrones libres en el interior de los aparatos electrodomésticos, al transformar la energía eléctrica en otras energías útiles al ser humano, como la luz, el calor y el movimiento.

Todos estos parámetros (voltaje, intensidad y potencia) están presentes en todos los circuitos eléctricos y se pueden medir, para que de esa manera, los podamos también controlar.

A continuación, te presento un vídeo que nos habla de los principios de corriente alterna (parte 2). Nos muestra las principales magnitudes eléctricas que se pueden medir en un circuito, y que están presentes en todas nuestras instalaciones eléctricas residenciales.

La energía eléctrica entra a la casa, pasa por el medidor, y luego por el interruptor principal. El voltaje está presente en los contactos instalados, cuya conexión se realiza en paralelo. Esto quiere decir que el mismo voltaje de 120 V ± 10% está presente en cualquiera de ellos. Y su punto de conexión es el mismo. Además, la corriente eléctrica varía de acuerdo a la carga conectada.

Intensidad de la corriente eléctrica

Los electrones libres son partículas pequeñísimas con carga negativa. Al conectar un aparato eléctrico o electrónico a contacto, los electrones libres se desplazan a través de los conductores de cobre (los cables). También en los dispositivos internos de los aparatos, como el motor que mueve las aspas de la licuadora, el compresor de un refrigerador, o el motor de una lavadora. Este flujo de electrones libres también se da cuando un dispositivo electrónico está funcionando gracias a una fuente de alimentación interna, como por ejemplo, una pila.

El flujo de electrones libres viaja en un sentido y luego en el otro, debido a los cambios de voltajes. A este flujo se le conoce como corriente eléctrica. Su intensidad se mide en amperes. El aumenta o disminuye en función del aparato conectado. Calentar una plancha requiere mayor intensidad de corriente que un foco. Un foco demanda menos de un ampere (1 A) de corriente. Mientras que una plancha demanda más de diez amperes (10 A). La plancha y el horno de microondas son los dispositivos domésticos que requieren mayor corriente.

Aplicación de los principios de corriente alterna

Para comprender mejor los principios eléctricos de voltaje y corriente, ejemplificando con una conexión en paralelo, se montan sobre una tabla o acrílico los portalámparas en paralelo. El cable rojo o cable de fase, se conecta al tornillo de la terminal pequeña de una clavija. El apagador debe conectarse en el conductor de fase. El cable blanco (neutro) debe conectarse a la terminal grande de la clavija. Al conectar la carga de unos focos ahorradores y operar el apagador, en el extremo de la conexión en paralelo se cerrará el circuito.

Potencia eléctrica

Otro parámetro que es necesario conocer es el de la potencia eléctrica. Se representa con la letra P y sus unidades son los watts. La potencia se calcula multiplicando el voltaje por la corriente (P = V x I). La mayoría de los aparatos especifican la potencia que requieren. Pero ¿qué corriente consumen? De la fórmula de potencial despejamos la corriente (I = P / V). Y con una simple división podemos determinar la intensidad de corriente que consumen los aparatos eléctricos y electrónicos en nuestra casa.

En el caso de un foco ahorrador de 13 watts, el consumo de corriente es menor a un ampere. Para el de la plancha es de casi 10 amperes. Esto es más de 50 focos ahorradores prendidos al mismo tiempo. Y una televisión consume 1.18 amperes. Esto es aproximadamente igual a lo que consumen 10 focos ahorradores encendidos al mismo tiempo.

Recuerda que la energía utilizada en los equipos de tu casa fue generada a kilómetros de distancia. Y sus parámetros son: voltaje, corriente eléctrica, potencia eléctrica, y frecuencia.

Ahora, ¿te queda alguna duda sobre los principios de corriente alterna (parte 2) presentes en las instalaciones eléctricas residenciales, y su relación con los circuitos en paralelo?

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Cómo se comporta la corriente en un circuito paralelo

Circuito en paralelo

Descubre cómo se comporta la corriente en un circuito paralelo. En la imagen se muestra un circuito en paralelo con dos cargas. Este circuito tiene más de una trayectoria para el flujo de corriente. Una de las leyes básicas de un circuito de este tipo es que el voltaje es el mismo a través de todas sus derivaciones. La segunda ley declara que la corriente total es la suma de las corrientes de las derivaciones separadas.

Una de las cargas tiene una baja impedancia de 2 ohms. La ley de Ohm indica que 240 amperes circulan a través de la carga. La segunda carga tiene una impedancia alta (6 kΩ). La misma ley indica que sólo 0.08 amperes circulan a través de ella. La imagen nos indica, primero, que la impedancia limita al flujo de corriente y, segundo, que no importa qué tan alta sea la impedancia, habrá alguna corriente circulando a través de la alta impedancia cuando las cargas se conectan en paralelo.

Ver también: Qué es reactancia capacitiva y cuál es su fórmula

Cuando una corriente circula en un circuito en paralelo los electrones tienen más de una trayectoria para fluir. No importa qué tan alta sea la impedancia de la trayectoria a tierra, algunos electrones viajarán por todas las ramas del circuito en paralelo. En el establecimiento de trayectorias en paralelo se puede interrumpir el control en el flujo de los electrones y como consecuencia se producen flujos de corrientes variables, las cuales producen sobrevoltajes o picos debido a los cambios del campo magnético.

Cómo se comporta la corriente en un circuito serie-paralelo

Las leyes básicas de un circuito compuesto de una configuración en donde una sección se encuentra en serie y el resto en paralelo, indican que la corriente de la sección en serie del circuito tiene una sola trayectoria para circular. Pero cuando llega al punto donde existen muchas trayectorias, la corriente se divide y las corrientes resultantes circularán en cada trayectoria disponible. En trayectorias de menor impedancia circulará un flujo más alto de corriente. Es importante tener presente que la corriente circulará en todas las trayectorias disponibles.

La trayectoria en un material conductivo puede producirse ya sea en forma intencional o accidental, pero la corriente siempre busca todas las posibles trayectorias disponibles.

El valor rms o eficaz de una onda senoidal

El valor rms o eficaz de una onda senoidal se obtiene fácilmente. Se toma la raíz cuadrada del cuadrado promedio de los valores instantáneos de un ciclo completo.

Cuando circula la corriente directa o la corriente alterna por un resistor, la energía eléctrica se convierte en calor. En el caso de la corriente alterna, la rapidez a la que se convierte la energía y se usa la potencia es menor que en el caso de la corriente directa. Esta corriente varía de forma continua entre valores máximos y cero. Y es menor que la corriente directa estable que tiene un valor igual al valor pico de la corriente alterna.

El método para relacionar la corriente alterna con la corriente directa es comparar el efecto de calentamiento de un resistor cuando circulan ambos tipos y corrientes con un valor máximo o valor pico iguales.

Ver también: Qué es la corriente alterna

Entonces, el aumento de temperatura producido por la corriente alterna en el resistor se compara con el aumento de temperatura producido por la corriente directa. Y a partir de esta relación se puede calcular el valor efectivo y la potencia usada.

El valor eficaz o rms de la corriente alterna

La fórmula para determinar el efecto Joule de calor o potencia que disipa el resistor es:

P = I²R

La pérdida de potencia I²_cd x R, producida por el flujo de 1 A (un ampere) de corriente directa, eleva la temperatura del resistor a 50°C. Mientras que en un circuito de corriente alterna, el calentamiento I²_cd x R, causado por una corriente pico de 1 A, sólo asciende a 25°C. De tal manera que:

I²_ca R = ½I²_cd x R = ½I²_max R

(corriente cd = pico ca)

I²_ca = ½I²_max

I_ca = 1/(2xI_max)^1/2 = 0.707 I_max

O sea, El valor rms o eficaz de una onda senoidal de la corriente alterna sólo es 0.707 veces la pico. La corriente alterna tendrá que aumentar a I_ca x 2^1/2 = (1.414 A) para generar el efecto de calentamiento de 1 ampere de corriente directa. De la misma forma, el voltaje pico es de 1.414 veces el valor eficaz o rms.

Valor rms o valor efectivo

Todos los circuitos eléctricos y electrónicos se construyen de elementos de circuito que incluyen resistores (R), inductores (L) y capacitores (C). A éstos se les llama elementos positivos porque su comportamiento es independiente de la dirección de flujo de la corriente.

Qué es la corriente alterna

Corriente alterna - Onda senoidal

Corriente alterna

La corriente alterna es senoidal y cambia de polaridad a intervalos específicos. Cuando la corriente o voltaje de corriente alterna pasa a través de un conjunto completo de valores positivos o negativos se dice que ha completado un ciclo. La corriente aumenta hasta un valor máximo y disminuye a cero en una dirección, después ocurre lo mismo en la dirección opuesta. Esto constituye un ciclo.

De la misma forma, el voltaje de corriente alterna aumenta hasta llegar a un valor máximo y decae a cero en una polaridad y luego en la otra. Es decir, un ciclo es un conjunto completo de valores positivos y negativos.

Frecuencia de corriente alterna

La forma de onda de la mayoría de la corriente alterna es una curva senoidal suave, con cambios graduales de voltaje y corriente. Cuando una corriente o voltaje de corriente alterna pasa a través de valores positivos y negativos, como se indicó anteriormente, se dice que se ha completado un ciclo.

Ver también: Cómo se produce la corriente alterna

En una bobina de alambre que gira en un campo magnético, cada vez que la bobina pasa de un polo al otro, el flujo de corriente generado invierte su dirección. En una revolución completa o 360° se completa el ciclo. La corriente alcanza su valor máximo en 90°, se reduce a cero en 180°, alcanza su valor máximo negativo en 270° y de nuevo a cero en una revolución completa a 360°.

Si la bobina gira a una velocidad de 60 revoluciones por segundo, el voltaje generado completará 60 ciclos en un segundo. Puede decirse entonces que el voltaje generado tiene una frecuencia de 60 Hz. La frecuencia estándar en toda América del Norte es de 60 Hz. Es importante tener presente que debido a este ciclo, cada vez que la corriente cambia de dirección disminuye a cero y en forma momentánea se apaga la carga que alimenta, en nuestro caso una lámpara.

Esto es, una lámpara que opera a 60 Hz se enciende y se apaga 120 veces por segundo, o sea una vez cada medio ciclo. El ojo humano no puede reaccionar lo suficientemente rápido para detectar este cambio y recibe la impresión de que la lámpara está encendida en forma permanente.

Frecuencia de la línea de alimentación

¿A qué velocidad viaja la electricidad en los cables de tu casa?

Cuando encendemos un aparato electrodoméstico en nuestras instalaciones eléctricas residenciales, algo llamado corriente eléctrica empieza a suceder. El aparato es atravesado por la corriente. La corriente es el movimiento de algo. ¿Qué tan rápido se mueve ese algo?

Dentro de los cables, ese algo se mueve muy, muy lentamente: tan lentamente como el minutero del reloj. La corriente eléctrica fluye como el almíbar. Incluso el almíbar se mueve rápido en comparación; por lo tanto, no es una buena analogía. Las cargas eléctricas fluyen tan lentamente como un río manso de "masilla". Y en los circuitos de AC (corriente alterna), después de todo tampoco se mueven, si no que oscilan en torno a un punto.

Sin embargo la energía eléctrica fluye rápido, porque los metales están llenos de esa "masilla": los electrones libres. Si tú empujas uno de ellos en un extremo, el electrón del otro extremo se moverá al instante. Por lo tanto la energía eléctrica sí fluye muy rápido, aunque la corriente eléctrica se desplace muy lentamente.

Dentro de los metales existe una sustancia que se puede mover. Esta sustancia tiene distintos nombres: mar de cargas, mar de electrones o nube electrónica. Además, el mar de electrones existe en todos los objetos metálicos, todo el tiempo, independientemente de si forman o no parte de un circuito eléctrico. Llamar "electricidad" a esta nube, puede conducir a confusiones, porque mucha gente llama "electricidad" a la energía; y los electrones, no son energía. Por lo tanto, será mejor llamarlo mar de electrones.

	Ver también: La corriente eléctrica

Imaginemos una linterna. Al encenderla, el mar de electrones circula por su circuito interno. Si la apagamos, dicho movimiento cesa. Recordar que aunque no exista tal movimiento, el mar de electrones no desparece del metal del circuito interno. Si añadimos una segunda bombilla en paralelo a la que tiene, y suponemos que las pilas pueden alimentarlas, por cada bombilla circula la misma corriente que antes. En total, circulará el doble de corriente y tendremos el doble de luz. Y lo más importante: ahora el mar de electrones circulará el doble de rápido.

La velocidad de las cargas es proporcional al valor de la corriente eléctrica (amperios). Pequeñas corrientes significan flujos de carga lentos, grandes corrientes, flujos rápidos. Si no existe corriente eléctrica, las cargas están en reposo, y por tanto, no existe flujo.

Además de la intensidad, otro factor que influirá en la velocidad es la sección del cable: a menor sección, mayor velocidad. Sucede lo mismo que el agua en los ríos: si un río se estrecha, el agua se mueve más rápido; y cuando se ensancha, disminuye su velocidad.

Y por último está la densidad del mar de electrones. Si tenemos dos cables con el mismo diámetro, uno de cobre y otro de aluminio, las cargas fluyen más lentamente en el de cobre. Esto se debe a que el mar de electrones es más denso en el cobre. En el aluminio, al ser menos denso, los electrones podrán moverse con más libertad, y su velocidad aumentará.

En el siguiente vídeo, publicado originalmente en el canal de YouTube de oso27, nos comentan a qué velocidad viaja la electricidad en el interior de los conductores eléctricos.

4 componentes de un circuito eléctrico

El circuito eléctrico es el recorrido que hace la electricidad desde su punto de origen en la fuente de energía hasta su regreso al mismo. Es durante ese recorrido cuando sacamos provecho de sus características, al incluir en el circuito dispositivos eléctricos, electromecánicos o digitales con el fin de realizar una tarea determinada.
Un circuito eléctrico funcional sencillo consta de los siguientes elementos:

1. Fuente de poder para generar la energía (por ejemplo, una pila)
2. Dispositivo para controlar el flujo de corriente (interruptor)
3. Dispositivo para transformar la energía eléctrica en otro tipo de energía para realizar una tarea (por ejemplo, un foco)
4. Canal material para conducir la energía eléctrica (cables de cobre)

En el circuito, la electricidad está realizando un trabajo. En mecánica clásica, el trabajo, el trabajo se define como la energía necesaria para desplazar un cuerpo, y se mide en unidades llamadas Joules (se pronuncia yuls) y se representa con la letra J; en el Sistema Métrico Internacional el joule se utiliza como unidad para medir energía, trabajo y calor.

Ver también: Los circuitos eléctricos y la vida cotidiana

Es importante que aprendamos los métodos y técnicas necesarias para poner en práctica la eficacia y la eficiencia en circuitos eléctricos de las instalaciones eléctricas residenciales. Por ello, es importante que aprendamos y comprendamos los principios fundamentales de la energía eléctrica, porque son exactamente los mismos para cualquier circuito, lo que varía es la intensidad de la corriente y con ella, el material y dispositivos que se deben utilizar para que nuestro trabajo sea eficaz y eficiente.

La corriente eléctrica

Ya sabemos que la corriente eléctrica es generada por el movimiento de los electrones libres dentro de un cuerpo, que saltan de la banda de conducción de un átomo a otro cuando se les aplica energía (calor, luz o electricidad). Ahora verás cómo ocurre este fenómeno y sus consecuencias.
Imagina un cable de cobre al que se le aplica una carga negativa en un extremo y una positiva en el otro.

Todos los electrones libres del cobre serán repelidos por la carga negativa porque las cargas iguales se repelen; y más importante aún: serán atraídos por la carga positiva, porque cargas contrarias se atraen. Como consecuencia, los electrones libres comenzarán a moverse en una misma dirección y todos al mismo tiempo.

Ver también: ¿Qué es la valencia de un átomo?

Al movimiento continuo de electrones desde la carga negativa hacia la carga positiva se le conoce como flujo de corriente, y la corriente eléctrica siempre fluye en la misma dirección: desde el punto donde existe un exceso de electrones (-) hacia el punto donde hay escasez de los mismos (+). Dado que el flujo de corriente está determinado por la cantidad de electrones libres en movimiento, se mide con la unidad coulomb (C). Como recordarás, un coulomb equivale aproximadamente a 6.28 trillones de electrones libres; con esa base decimos que un coulomb que pasa por un punto fijo cada segundo equivale a un amperio (representado por la letra A), y esta relación la expresamos con una sencilla fórmula: 1C/s = 1A.

No es importante calcular la cantidad exacta de electrones que corren por un cuerpo. Lo importante es comprender que el flujo de corriente eléctrica se mide en amperios o bien, que el amperio es la unidad de medida de la corriente eléctrica, y un amperio representa la cantidad de electrones pasen por un punto dado cada segundo, mayor será el amperaje y viceversa. Finalmente, el flujo de corriente (o corriente para abreviar), también se le conoce como Intensidad, y se representa en diagramas y fórmulas con la letra i mayúscula (I).

¿Qué es la valencia de un átomo?

Como hemos visto anteriormente, todos los átomos tienden a llenar su última órbita con ocho electrones que se conoce como regla del octeto.
La cantidad de electrones que un átomo puede ceder o requiere para completar el octeto se representa por un valor conocido como valencia. Por ejemplo, un átomo con siete electrones en su última órbita tiene una valencia de -1, porque necesita un electrón para completar el octeto. Otro átomo que tenga un electrón en la banda de conducción tendrá una valencia de +1, porque puede cederlo a otro para completar el octeto.

La molécula del agua está formada por un átomo de oxígeno (valencia -2) y dos átomos de hidrógeno (valencia +1). En este caso, dos átomos de hidrógeno ceden su electrón al oxígeno para completar el octeto de la última órbita y se genera así el agua.

Ver también: Cargas electrostáticas.

Para la electricidad, la valencia es de suma importancia porque determina la capacidad que tiene un material determinado para conducir corriente eléctrica.
Por ejemplo, los metales que tienen mayor capacidad para conducir la electricidad son el oro, la plata y el cobre, en ese orden. Todos ellos tienen valencia +1, lo cual significa que en su última órbita sólo existe un electrón que puede convertirse en electrón libre y vagar por el cuerpo que lo contiene.
Sin embargo, el oro es mejor conductor que la plata, porque el electrón ubicado en la banda de conducción está más alejado del núcleo y de acuerdo con la Ley de Coulomb, la atracción es menor, por lo que puede desprenderse con mayor facilidad y moverse libremente por el material. Lo mismo sucede con la plata respecto al cobre y con el cobre respecto al aluminio.

El libre movimiento de los electrones libres por la banda de conducción responde a la Ley de Coulomb y es lo que genera la corriente eléctrica.

¿Qué es la "banda de conducción" de un átomo?

Los electrones giran alrededor del núcleo en diferentes órbitas (cuyo nombre correcto es niveles energéticos). En cada nivel, los electrones se alejan más del núcleo y la fuerza de atracción disminuye. Como es lógico, en el último nivel energético la atracción del núcleo sobre los electrones es más débil.

A este último nivel se le conoce como banda de conducción y los electrones que se encuentran en ella reciben el nombre de electrones libres, porque pueden saltar de dicha banda y desplazarse de un átomo a otro dentro del cuerpo que los contiene. Este fenómeno ocurre cuando el átomo es excitado por medio de calor, luz o electricidad, de manera que algunos de sus electrones absorben energía en exceso y eso provoca el salto.

El movimiento de electrones libres es lo que crea la corriente eléctrica, pues al saltar de la banda de conducción liberan un poco de su energía negativa, que vuelven a recuperar cuando llegan al siguiente átomo. El proceso se repite millones y millones de veces. Entre más electrones vaguen libremente por el cuerpo que los contiene, mayor será la energía que se genere.

Ver también: Corriente eléctrica.

Movimiento de electrones libres

Este proceso no es desorganizado, de hecho está regulado de manera natural por la estructura misma de los átomos. Tal mecanismo regulador es llamado regla de octetos y consiste en lo siguiente:

En todo átomo, la última órbita (banda de conducción) admite un máximo de ocho electrones para completar su estructura y todos los átomos tienden a llenarla. Los átomos que tienen entre uno y tres electrones en la última órbita tienden a cederlos a otros que los requieran para completar el octeto (ocho electrones).

La exactitud del funcionamiento de la banda de conducción y la regla del octeto son fundamentales para comprender la generación de la corriente eléctrica que circula por nuestras instalaciones eléctricas residenciales.

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¿Cómo calcular los valores de los circuitos eléctricos mixtos?

Cuando se tiene un circuito mixto, lo más recomendable es comenzar a reducir el circuito iniciando por las resistencias en paralelo hasta llegar a una forma sencilla, ya sea en serie o paralelo, para determinar corrientes, tensiones o bien potencias.

En el circuito de la Figura 1 se muestra una combinación de 3 resistencias en serie que son R₁, R₅ y R₆, con tres resistencias en paralelo R₂, R₃ y R₄. Los valores de cada resistencia son los siguientes: R₁, R₃ y R₅=100Ω y R₂, R₄ y R₆=1kΩ. Entre los puntos A y B se aplican 70 V.

A continuación se determinarán los siguientes parámetros I_TOTAL, IR₂ y VR₆. Recuerda que para poder determinar una corriente es necesario aplicar la Ley de Ohm, entonces necesitas conocer la tensión aplicada al circuito y la resistencia, por lo que es necesario reducir el circuito para obtener la resistencia en los puntos A y B. Aplica la ecuación para determinar la resistencia equivalente:

En este caso queda de la siguiente manera:

La representación del circuito es como se muestra en la Figura 2.

El siguiente paso es sencillo debido a que sólo debes sumar de forma algebraica las resistencias en serie.

Con el anterior resultado, ya es posible aplicar de forma directa la Ley de Ohm, para determinar la I_TOTAL.

Para determinar la corriente que pasa por la R₂, aplica la ecuación del divisor de corriente, válida en sólo dos resistencias en paralelo, por lo que debes hacer una segunda reducción del circuito; esta vez sólo obtendrás el valor equivalente de las resistencias R₃ y R₄ de la Figura 1.

Ver también: 3 componentes de un circuito eléctrico y 4 formas de combinarlos

El circuito se reduce como se muestra en la Figura 3.

Ahora, aplica la ecuación del divisor de corriente que se comentó anteriormente; toma como referencia la resistencia opuesta a la analizada, entre la suma de ambas resistencias por la corriente que entra a ellas, la ecuación queda entonces de la siguiente manera:

Finalmente para obtener la tensión en la resistencia 6, o como se conoce comúnmente VR₆, puedes tomar la corriente I_TOTAL, cuyo valor fue de 0.0545 A o bien 54.5mA y usando la Ley de Ohm en términos de corriente y resistencia obtendrás el parámetro buscado.

Tener todos los valores de resistencias simplifica de gran manera la obtención de sus parámetros; por ejemplo fácilmente podríamos pensar que es posible indicar el valor de la tensión en R₂, debido a que conocemos su valor y también la corriente que circula por ella; esto se puede determinar de forma directa, aunque esté en paralelo con otras dos.

Para finalizar, se obtendrá el valor de E_Req y la potencia de ese grupo de resistencias.

Como ves, se pueden determinar las corrientes, tensiones y potencias de cada una de las resistencias, siempre y cuando tengas presentes los fenómenos eléctricos a los cuales obedece su comportamiento.

Es importante mencionar que los resultados de los parámetros eléctricos obtenidos, fueron redondeados para no manejar más de 3 dígitos después del punto decimal, porque se podría tener una variación mínima si se toman valores con 4 o 5 dígitos después del punto decimal, al realizar las operaciones.

El Interruptor QO-GFCI para protección de los circuitos contra falla a tierra

Los dispositivos con falla a tierra QO-GFI fueron diseñados para brindar protección al equipo contra sobrecargas, cortocircuitos y, sobre todo, para protegerte a ti de posibles electrocuciones.

La forma en la cual operan los dispositivos con falla a tierra QO-GFI se explicará a continuación, haciendo un resumen del funcionamiento del interruptor automático convencional.

La protección contra sobrecargas se logra mediante el uso de un elemento bimetálico calentado por la corriente de carga. Durante una sobrecarga prolongada, éste se doblará actuando sobre el mecanismo de operación para lograr así la apertura del interruptor.

En el caso de los cortocircuitos, las fallas de fase a fase o fallas a tierra sólida causan elevados flujos de corriente en tiempos extremadamente cortos, por lo que no pueden ser manejados por el bimetálico; la protección contra tales magnitudes de corrientes es provista por un electroimán en serie con la corriente de carga. El flujo magnético producido por estas elevadas corrientes, activan el electroimán y en consecuencia originan la acción de desenganche que abre el circuito en forma casi instantánea.

Además, los interruptores QO-GFI están capacitados para proteger contra fallas de bajo nivel de fase a tierra, las cuales pueden ser causadas por una alta resistencia de contacto, entre una fase y tierra. Este tipo de falla es muy peligrosa para el ser humano, debido a que elevan el potencial en las partes metálicas del equipo expuestas al exterior y que podrían ser tocadas por una persona. Como por ejemplo la carcasa de un motor, las tuberías de agua, la lavadora o inclusive las puertas o contornos del refrigerador.

Los interruptores QO-GFI están diseñados para proveer protección contra este tipo de falla. Básicamente, estos dispositivos consisten de un toroidal diferencial que detecta corrientes fluyendo a tierra y los componentes de estado sólido amplifican esta corriente, lo suficiente para activar el voltaje de operación de una bobina de disparo.

Debido a que corrientes relativamente pequeñas a través del cuerpo pueden ser fatales, los interruptores QO-GFI deben operar rápidamente a un nivel predeterminado de corriente (6 mA).

Bajo condiciones normales, la electricidad transita por un circuito cerrado, pasando por el conductor “vivo” y regresando por el “neutro”, completando así el circuito. Una falla a tierra ocurre cuando la corriente eléctrica no completa su circuito, sino que pasa a tierra por un lugar inesperado. Las fallas a tierra pueden ocasionar incendios y son peligrosas cuando pasan a través de una persona en su trayecto a tierra.

Los choques por falla a tierra pueden ocurrir cuando una persona entra en contacto con un conductor “vivo”, teniendo las manos mojadas o estando parada en agua o sobre un piso mojado. Los QO-GFI protegen contra fallas a tierra midiendo la corriente en el circuito eléctrico. La corriente en el conductor “vivo” y en el “neutro” deben ser iguales o casi iguales. Si ocurre una falla a tierra el interruptor QO-GFI abre el circuito, deteniendo el paso de la corriente. Un GFCI no protege al trabajador contra los peligros de contacto directo con los conductores (por ejemplo, una persona que toque a la vez dos conductores “vivos”, el conductor “vivo” y el “neutro”, o que entre en contacto con una línea elevada de suministro eléctrico).

Ver también: 6 pasos para instalar un contacto GFCI que proteja una sola salida eléctrica

Los GFCI tienen botones para prueba y reposición por una razón: deben probarse periódicamente. Para uso general, los GFCI deben probarse e inspeccionarse mensualmente.

El interruptor QO-GFI, como ya mencionamos, protege ante tres fallas distintas: sobrecarga, cortocircuito y falla a tierra. La causa y el efecto de éstas se muestran a continuación:

Los interruptores QO-GFI protegen contra las fallas de sobrecorriente más comunes en una red eléctrica, brindando protección a las personas que utilizan las instalaciones eléctricas residenciales, así como a los equipos que la conforman.

La Norma Oficial Mexicana para instalaciones eléctricas NOM-001-SEDE 2012, en el artículo 210-8, establece que los circuitos eléctricos en áreas húmedas deben ser protegidos con interruptores GFCI que brindan protección ante falla a tierra, lo anterior en virtud de que en este tipo de lugares es en donde el riesgo de electrocución se incrementa; por ello, este tipo de dispositivos son conocidos también como interruptores salvavidas.

Algunos ejemplos de lugares en que debe instalarse una protección como el QO-GFI son:

• Baños
• Cocinas
• Tinas de hidromasaje
• Cuartos de lavado
• Fuentes, etc.

Los interruptores QO-GFI tienen las siguientes ventajas:

• Ágil montaje enchufable
• Fácil identificación de circuito protegido con la bandera Visi-Trip
• Botón de prueba para verificar la operación del equipo

La siguiente tabla te ayudará a seleccionar el interruptor QO-GFI en función de la tensión que proporciona la fuente y corriente demandada por el circuito derivado a proteger.

El interruptor QO-GFI puede instalarse en los tradicionales centros de carga QO, en los nuevos centros de carga QOX, así como en los tableros de alumbrado NQ y NQOD de Square D.

¿Por qué CFE maneja varias tarifas eléctricas?

A lo largo de la evolución del ser humano se han desarrollado diferentes dispositivos y herramientas con la finalidad de facilitar el trabajo, ofrecer confort, diversión y seguridad; gran parte de este desarrollo tecnológico se da gracias a la capacidad de transformar los diferentes tipos de energías, como la mecánica (movimiento originado por caídas de agua, motores de combustión, aire, marejadas), la química y la solar, en electricidad.

La ventaja de la energía eléctrica es que puede ser transportada instantáneamente desde las fuentes de generación hasta los centros de consumo en donde se transforma en energía mecánica, luz, calor, etc. a través de motores, lámparas y resistencias eléctricas.

Con la finalidad de poder entender los parámetros básicos que intervienen en los costos y tamaño de las instalaciones eléctricas ponemos a consideración los siguientes conceptos.

La energía eléctrica básicamente consiste en hacer circular electrones libres a través de conductores, dispositivos y equipos. La fuerza con que estos electrones libres se mueven se les llama tensión eléctrica, comúnmente llamado voltaje (por sus unidades, los volts).

El número de electrones libres que se desplazan por un punto dado en la unidad de tiempo es la corriente eléctrica, cuyas unidades son los amperes: el producto de estos parámetros da la potencia eléctrica, que es la fuerza por la cantidad de electrones, cuyas unidades son los watts.

El tiempo que se usa esta potencia da como resultado la energía eléctrica cuyas unidades son watts-hora. Todo aquel dispositivo o equipo que utiliza energía eléctrica para funcionar se le llama carga (motores, lámparas, electrodomésticos, hornos, etc.) y generalmente tiene indicada la potencia (watts) que utiliza para funcionar satisfactoriamente.

Dado que no es económicamente rentable el almacenar energía eléctrica en grandes cantidades, ésta se debe producir en el mismo momento en que se consume o utiliza, de tal forma que el dimensionamiento de las fuentes de generación y los elementos de la instalación (conductores, protecciones, elementos de seccionamiento, etc.) se diseñan y/o seleccionan en base a la tensión (volts) y la demanda expresada en corriente (amperes) y/o potencia (watts), que tiene que transportar desde la generación hasta los elementos de consumo (cargas).

La energía eléctrica (kWh), conocida comúnmente como consumo, está relacionada directamente con el tiempo que se utiliza un dispositivo, esta energía se traduce en la cantidad de materia prima que requieren las fuentes para poder generarla (m3 de agua, barriles de combustóleo, cantidad de vapor, etc.), de tal forma que en el costo del servicio de energía eléctrica debe de estar reflejado el costo de la energía consumida (kWh), el nivel de tensión (Volts) y demanda (kW).

Ver también: 12 lugares para encontrar la potencia eléctrica

En las tarifas domesticas (1) y las de pequeños comercios o micro empresas (2) se cobra el consumo de energía (kWh), mientras que en las tarifas 3 y OM usadas en pequeños y medianas empresas y comercios además de la energía se cobra la demanda (kW) máxima que se tuvo en el mes (cuadros 1 y 2):

Los costos de energía dependen básicamente de los costos de producción y los costos de la demanda de la infraestructura necesaria para trasportar la energía desde las fuentes de generación hasta el punto de consumo.

De acuerdo con lo anterior, para reducir el costo de facturación de energía eléctrica es necesario disminuir el consumo (kWh) utilizando equipo más eficiente, disminuir las pérdidas a lo largo de los conductores y dispositivos de las instalaciones, desconectar los equipos que no se usen y evitar las fugas a tierra, que se dan por fallas en el aislamiento de las conexiones o del cableado.

En servicios con tarifas 2 y 3 donde se cobra la demanda (kW) es necesario tener una adecuada administración del uso en el tiempo de los equipos y dispositivos disminuyendo la simultaneidad, en la medida de lo posible, de la puesta en servicio de éstos, dado que la medición indica la demanda media en kilowatts durante cualquier intervalo de 15 minutos en el periodo de la facturación.

Una instalación eléctrica debe ser segura para las personas y sus propiedades. Para cuidar este punto, la Secretaría de Energía emitió la NOM-001-SEDE vigente, que tiene como objetivo establecer las especificaciones y lineamientos de carácter técnico que deben satisfacer las instalaciones.

En forma general, la NOM indica el tamaño mínimo de los conductores, la capacidad máxima de las protecciones, conexión de puesta a tierra, tamaño de tuberías o canalizaciones para alojar los conductores, entre otras especificaciones.

Para el ahorro de energía las oportunidades están en utilizar equipos o dispositivos más eficientes (alumbrado, motores, acondicionadores de aire, refrigeración), disminuir la generación de calor al utilizar conductores seguros y económicamente rentables, revisar puntos de uniones o conexiones (tornillos, empalmes o uniones entre conductores) y evitar fugas a tierra. En los servicios que tengan tarifa 3, OM, HM debe cuidarse la demanda máxima que se registra cada mes, para lo cual es necesario llevar una administración adecuada de la hora en que se ponen en servicio los equipo. Lo ideal es que la demanda cada hora sea la misma.

3 Tipos de corriente eléctrica

Con frecuencia escuchamos términos como corriente alterna, corriente directa, corriente continua, rectificadores, etc., que pueden confundirnos. Para comenzar a aclararlos, abordaremos los diferentes tipos de corrientes que existen.

Los tipos de corriente se clasifican básicamente en tres:

1. Corriente alterna (CA)

Es el tipo de corriente que cambia de polaridad a una determinada frecuencia (en América a 60 hertz [Hz] y en Europa a 50 Hz) o, dicho de otra manera, cambia el sentido de su circulación. Gráficamente es una onda senoidal regular, como se muestra en la siguiente figura, que sólo se puede ver mediante un osciloscopio.

Si la corriente fuera un fluido visible dentro de una tubería transparente, en corriente directa la veríamos fluir de (-) a (+), siguiendo una trayectoria constante; mientras que a la corriente alterna, la veríamos fluir alternadamente en una dirección y rápidamente cambiar de sentido, de ahí su nombre de alterna.

La CA es la más ampliamente utilizada para altas potencias por su facilidad de generación, transformación, transmisión y distribución. Éste es el tipo de corriente que nos proporciona la CFE, puede ser a partir de un transformador monofásico (una línea activa y neutro para 120 V, o dos líneas activas y neutro para 240 V) o a partir de un transformador trifásico (tres líneas activas y neutro para 127 o 220 V), según la cantidad y tipo de carga a alimentar, ya que existen equipos que funcionan a 120 V que son los más usuales, pero en la industria existen equipos que operan a 220 V a 2 ó 3 fases, y los equipos trifásicos de gran potencia, pueden operar a 380 V, 440 V, 600 V, 1200 V e incluso voltajes mayores.

2. Corriente directa (CD)

Es la corriente que mantiene su polaridad y amplitud de forma perfecta, es decir, gráficamente es una línea recta horizontal. Se obtiene de pilas, baterías y celdas fotovoltaicas. La siguiente gráfica nos muestra la corriente directa.

Ver también: Las armónicas

3. Corriente continua (CC)

Es la corriente que, aunque mantiene su polaridad, presenta variaciones en su amplitud, es decir, no es una señal lineal como la de la CD. La corriente continua se obtiene de rectificadores y de generadores de CC (como las dinamos). Entre más se parezca a la señal de CD, el rectificador es de mejor calidad. Las siguientes gráficas son tipos de corriente continua.

Un rectificador es un dispositivo de estado sólido (de semiconductores o diodos) que se utiliza para convertir una señal de CA en CC, puede ser de media onda o de onda completa. El elemento fundamental de un rectificador es el diodo rectificador, de silicio o germanio, cuya característica principal es permitir el paso de la corriente eléctrica sólo en un sentido. Generalmente el rectificador va acompañado de un transformador, el cual reduce o eleva el voltaje al valor deseado. Los rectificadores que existen en el mercado pueden ser de media onda o de onda completa, lo cual depende de la forma de conexión y del número de diodos (uno, dos o cuatro diodos), también existen los rectificadores trifásicos, éstos se encuentran en los alternadores de los automóviles (seis diodos).

En la actualidad existe un gran número de rectificadores, que operan a altas frecuencias, lo que mejora considerablemente la señal de salida y reduce las dimensiones del transformador, Podemos encontrarlos en cargadores de baterías para laptops y celulares, cargadores de pilas y baterías recargables, fuentes de computadoras y aparatos electrónicos, balastros electrónicos, etc.

Comparación entre CD y CA

Si comparamos el uso de ambos tipos de corriente, la CD no ocasiona bajo factor de potencia (produce trabajo casi al cien por ciento), ni distorsión armónica (alteración a la forma de onda senoidal). La CA, en cambio, puede transformarse aumentando su tensión o su voltaje para transmitirse desde donde se genera hasta los grandes centros de consumo, aquí vuelve a disminuir su tensión a valores de utilización. De este modo se evita pérdidas de energía por la resistencia de los conductores y se ahorra en el grosor de éstos. Además existen equipos eléctricos que sólo funcionan con corriente alterna, como los motores y los hornos de inducción.

Por lo anterior, la CA es más utilizada. Actualmente existe la tecnología para convertir la CA en CC y viceversa.