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.

Cálculo de una instalación eléctrica residencial monofásica de tres hilos

En una entrada anterior abordamos el tema del cálculo de una instalación monofásica de dos hilos (1 fase, 2 hilos, 120V~), en esta ocasión veremos cómo determinar el uso de una instalación monofásica de 3 hilos (1 fase, 3 hilos, 240V~) atendiendo los requerimientos de la NOM-001-SEDE vigente y las especificaciones de la CFE.

Tomaremos el ejemplo de un proyecto residencial en el que se desea dimensionar la instalación eléctrica con una carga total calculada de 9 kW.

Con base en la información de CFE, la especificación para el servicio monofásico de 2 hilos (120V~) es de una sola acometida para el suministro de energía de consumos no mayores de 5 kW. Cuando los requisitos de carga de una instalación sean superiores, se debe realiza ante CFE la contratación de un servicio llamado "aumento de carga". La instalación para recibir este servicio deberá cumplir con las especificaciones indicadas por la propia CFE, las cuales se abordarán en otra ocasión.

Volviendo al ejemplo del proyecto, si tenemos una carga calculada de 9 kW, consideramos un f.p.=0.9 y un f.d. =0.7 a una temperatura ambiente de 330.

Comencemos a hacer los cálculos.

De la ley de Watt, P= E x I x f.p., despejamos la corriente I= P/(E x f.p)

Sustituyendo con los datos del ejemplo: I = 9 kW / (120 V x 0.9) = 83.33 A

Ésta es la corriente total, pero como se está proyectando una instalación monofásica de 3 hilos (240V~), el valor de la corriente total se divide entre 2.

I = 83.33 A / 2 = 41.66 A

Aplicando el factor de demanda para esta corriente: I = I x f.d.

Sustituyendo: I = 41.66 A x 0.7 = 29.16 A

Usando nuevamente la tabla 310-16 de la NOM-001-SEDE vigente, buscamos el conductor tipo THW que se encuentra en la columna de 75º.

El conductor es calibre 10 con 35 A de conducción, y con un buen margen de seguridad, sin embargo, la tabla indica que estos valores son para temperatura ambiente de 30º, de modo que debemos aplicar el factor de corrección que se muestra en la segunda sección de la tabla 310-16. De aquí seleccionamos el factor de corrección correspondiente, dependiendo de la temperatura ambiente que tenemos.

Esta tabla nos indica que para temperatura ambiente distinta a 30 ºC, se debe aplicar el factor de corrección a la capacidad de conducción de la corriente seleccionada anteriormente. Entonces, si la capacidad de conducción del conductor THW calibre 10 a 75 ºC fue de 35 A, al aplicar el factor de corrección obtenemos una capacidad de conducción real (I_RC).

I_RC = 35 A x 0.94 = 32.9 A.

Resulta evidente que existe una disminución real de la conducción de corriente para cualquier conductor a temperatura ambiente distinta a 30 ºC.

Comparando la I_RC y la I, verificamos que la conducción del conductor calibre 10 cubre la corriente I, así que es correcto para el alimentador principal.

Como sabemos, es importante considerar el factor de agrupamiento porque al alojarse los conductores juntos en la tubería se genera calor, y entre mayor corriente circule mayor será el calentamiento (efecto Joule).

Ver también: El efecto de James Prescott Joule

Supongamos que por cualquier tramo de la tubería están alojados los 2 conductores que son los alimentadores principales correspondientes a las fases calibre 10 y el neutro en calibre 8, pero además están alojados otros 6 conductores en calibre 12. Como el total del número de conductores es 9, tenemos que consultar la tabla 310-15(g).

Por lo cual se utilizan dos conductores de fase, un conductor calibre 6 para el neutro a 75 ºC como temperatura máxima de operación. Si queremos colocar un conductor adicional para la conexión a tierra a todos los contactos y aparatos que lo requieran, tenemos que llevar un conductor calibre 10 en color verde desde el interruptor principal, considerando una protección con interruptores termomagnéticos de 30 A por fase, según tabla 250-95 de la Norma.

Por lo cual se utilizan dos conductores de fase, un conductor calibre 6 para el neutro a 75 ºC como temperatura máxima de operación. Si queremos colocar un conductor adicional para la conexión a tierra a todos los contactos y aparatos que lo requieran, tenemos que llevar un conductor calibre 10 en color verde desde el interruptor principal, considerando una protección con interruptores termomagnéticos de 30 A por fase, según tabla 250-95 de la Norma.

Ahora calculemos el diámetro de la tubería tal como se hizo en el artículo anterior, es decir, considerando los 9 conductores más el conductor de tierra, serán 10 conductores: dos conductores de fase calibre 8, un conductor para el neutro calibre 6, un conductor de tierra calibre 10 y seis conductores calibre 12.

Sumando las áreas de los conductores:

Usamos la tabla 10-1 a para diámetros de tubería:

Para más de dos conductores, el área de ocupación es del 40%, así que consultamos la tabla 10-4 correspondiente a las dimensiones de tubo conduit.

A diferencia del artículo anterior, ahora observamos que la designación 21, es decir, tubería de 3/4" que puede alojar sólo 137 mm², no cubre nuestra área calculada y que la designación 27 correspondiente a la tubería de 1" es la adecuada porque puede alojar 222 mm2. Después de esto podemos distribuir los circuitos repartiendo la carga de manera uniforme para asegurar un buen balance de las cargas.

4 pasos para hacer el empalme de conductores eléctricos

Con mucha frecuencia, al hacer el tendido de conductores en las instalaciones eléctricas residenciales, hay que unir un conductor a otro. Las uniones deben ser siempre lo suficientemente fuerte para hacer un buen contacto eléctrico y quedar perfectamente aislado. Son cuatro los pasos que hay que dar para hacer una buena unión:

1. Pelar o desnudar los conductores.
   
   
   
   
   
2. Hacer el amarre de los conductores desnudos.








Si se quiere tener un amarre perfecto, hay que soldar o estañar, para garantizar la fuerza de la unión y su contacto perfecto.






Cubrir la unión con cinta aislante.

Ver también: 4 problemas en las conexiones de cables

Los conductores bien conectados ofrecen muy poca resistencia eléctrica, no generan calentamiento de la unión ni provocan caída de voltaje en el circuito. Para considerar una buena conexión, los amarres deben cumplir con tres requisitos:

1. Deben ser firmes, de manera que al tirar de los conductores, estos no se aflojen o se suelten. De lo contrario pueden provocar un arco eléctrico que puede derivar en un incendio.
   
   
2. Deben ser compactos, estar bien apretados, para que los electrones libres no encuentren resistencia al pasar de un conductor a otro. Los conductores que no están bien apretados producen calentamiento de la unión (efecto Joule) que se convierte en desperdicio de energía eléctrica.
   
   
3. Deben ser pequeños,  para que no ocupen demasiado volumen en los registros o gabinetes donde estarán alojados. Esto también ayuda a disminuir el efecto Joule en los registros.

Cuando se trata de unir dos conductores de diferente tipo, como por ejemplo, un alambre y un cable, la mejor opción es utilizar un conector de regleta, para atornillar en cada extremo del mismo las puntas de los conductores.

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3 pasos para realizar la medición de temperatura con el multímetro digital

El gran enemigo de nuestras instalaciones eléctricas residenciales es el calentamiento excesivo que puede sufrir sobre todo como consecuencia de malas prácticas de instalación. El calentamiento de los conductores es normal, y es producido por la circulación de la corriente eléctrica en el interior de los mismos; en física se conoce como Efecto Joule, en honor a a su descubridor el físico británico James Prescott Joule.

Pero cuando la instalación presenta demasiada resistencia debido a su deficiente ejecución, el Efecto Joule se convierte en un desperdicio de energía, que por un lado, encarece nuestra facturación del consumo de energía, y por otro, es disipado al medio ambiente contribuyendo al calentamiento global.

Entre las causas del Efecto Joule nocivo podemos encontrar.

1. Demasiados amarres o empalmes mal ejecutados.
2. Calibres menores a los debidos.
3. Más conductores en el interior de los tubo conduit de los que deben contener.

De allí la importancia de poder verificar la temperatura en el interior de las tuberías, registro y gabinetes de nuestras instalaciones eléctricas residenciales, para identificar en que puntos podemos estar sufriendo el Efecto Joule nocivo.

Ver también: Medición de la resistencia de aislamiento II

Para hacer una medición de temperatura con el multímetro MUL-100, sigue estos sencillos pasos:

1. Coloca la perilla rotatoria en la posición ºF ó ºC y la pantalla LCD mostrará la temperatura ambiente.

2. Inserta el termoacoplador tipo “K” dentro del socket de temperatura, procurando conectar los polos de la clavija con las ranuras correspondientes del socket.

3. Coloca el otro extremo del termoacoplador sobre el objeto a medir.

En la imagen se muestra una medición de temperatura de un conductor eléctrico. También podemos medir la temperatura en el interior de gabinetes y tuberías conduit. Es muy importante recordar que no debemos tocar con al punta del termoacoplador nigún elemento que no se encuentre aislado, ya que podemos sufir una descarga y dañar el multímetro.

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El efecto de James Prescott Joule

James Prescott Joule fue un físico ingles que nació en Salford, Reino Unido, el 24 de diciembre de 1818. El segundo de los cinco hijos. Su padre era un hombre adinerado que se dedicada a la fabricación de cerveza. Como era muy tímido y tenía algunos problemas de salud recibió educación en su casa hasta la edad de 15 años, época en la que comenzó a trabajar en la fábrica de cerveza. Su profesor de física y matemática, fue el famoso químico británico John Dalton, quien lo alentó a dedicarse a la investigación científica. Sin embargo, debido a la enfermedad de su padre tuvo que hacerse cargo, junto con su hermano, de la cervecería de modo que a pesar de sus deseos no pudo asistir a la universidad. No obstante, Joule estaba firmemente decidido a dedicarse a la investigación científica de modo que comenzó a realizar sus primeros experimentos en un laboratorio que el mismo instaló en su casa.

A pesar de haber tomado algunos cursos de química, su formación fue esencialmente autodidacta, especialmente en el campo del electromagnetismo. Joule estudió aspectos relativos a la imantación del hierro por la acción de corrientes eléctricas, que le llevaron a la invención del motor eléctrico.

En 1839 en el laboratorio de su casa, comenzó a estudiar sobre la eficiencia de los motores eléctricos, que lo llevaría a desarrollar sus conocimientos sobre el calor. Se dedicó, entonces, a la investigación científica sobre la base de mediciones muy exactas y precisas

Uno de sus más importantes hallazgos y a lo que dedicó gran parte de su vida fue la naturaleza del calor y su relación con el trabajo mecánico, que le llevaron a la teoría de la conservación de la energía.

En 1841, Joule descubrió que si en un conductor circula corriente eléctrica, parte de la energía del movimiento de los electrones libres se transforma en calor​​ debido a que se mueven de forma desordenada y van chocando con los átomos del material conductor por el que circulan, elevando la temperatura del mismo.

El experimento de Joule consistió en hacer fluir una corriente eléctrica conocida a través de un trozo de alambre sumergido en agua durante un período de 30 minutos, luego midió el aumento de temperatura en el agua.

Actualmente, el efecto Joule se aprovecha en varios aparatos electrodomésticos y procesos industriales. Algunos ejemplos son:

• Lámparas incandescentes
• Estufas eléctricas
• Parrillas eléctricas
• Planchas de ropa
• Cautines eléctricos
• Secadoras de cabello
• Calentadores de agua eléctricos
• Regaderas eléctricas

La parte del aparato que convierte la energía eléctrica en calor mediante el efecto Joule se conoce como "resistencia".

Junto al físico William Thomson (lord Kelvin), descubrió que la temperatura de un gas desciende cuando se expande sin realizar ningún trabajo. Este fenómeno, que se conoce como efecto Joule-Thomson, sirve de base a la refrigeración normal y a los sistemas de aire acondicionado.

A lo largo de su carrera fue galardonado con varios honores tanto de universidades como de sociedades científicas de todo el mundo. A pesar de la importancia de sus descubrimientos, Joules siguió siendo un científico aislado, la mayor parte de su vida. Después de la muerte de su esposa y su hija en 1853, vivió prácticamente solo, con muy poco contacto con el mundo exterior.

Desde 1872 su salud comenzó a deteriorarse. Falleció a la edad de 70 años en su casa en Sale, Cheshire, el 11 de octubre de 1889. La unidad internacional de energía, el calor y trabajo, el joule, fue bautizada en su honor.

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