Principios Básicos de Electrotecnia
José Miguel Molina Martínez / Francisco Javier Canovas Rodriguez
La presente obra es la primera de tres libros que tratan sobre los Fundamentos de Electrotecnia para Ingenieros. Los tres títulos son: -Principios Básicos de Electrotecnia (nº 5 de la colección Marcombo Universitaria). -Corriente Alterna Monofásica y Trifásica (nº 6 de la colección Marcombo Universitaria). -Motores y Máquinas Eléctricas (nº 7 de la colección Marcombo Universit...
La presente obra es la primera de tres libros que tratan sobre los Fundamentos de Electrotecnia para Ingenieros. Los tres títulos son: -Principios Básicos de Electrotecnia (nº 5 de la colección Marcombo Universitaria). -Corriente Alterna Monofásica y Trifásica (nº 6 de la colección Marcombo Universitaria). -Motores y Máquinas Eléctricas (nº 7 de la colección Marcombo Universitaria). Se han estructurado en tres bloques temáticos, cuya secuencia de temas permite alcanzar un nivel elevado partiendo de una base sencilla y fácil de comprender por estudiantes sin conocimientos previos. Dado que la electrotecnia es una ciencia aplicada, se han incluido en todos los temas, numerosos ejemplos de aplicación que proporcionan un sentido práctico a los fundamentos teóricos expuestos. En este primer libro se estudian los principios básicos de electrostática, electrocinética y electromagnetismo. Mediante un enfoque claro y sencillo, se analiza de forma práctica la constitución y funcionamiento de los circuitos de corriente continua y electromagnéticos, permitiendo al lector una mejor compresión de los teoremas empleados para la resolución de los mismos. Los autores del libro, José Miguel Molina Martínez y Francisco Javier Cánovas Rodríguez, son profesores de la Universidad Politécnica de Cartagena. Su dilatada experiencia les ha permitido elaborar el presente libro, donde se recogen los fundamentos que cualquier ingeniero, independientemente de la especialidad que curse, debe conocer sobre los principios básicos de Electrotecnia. Esta obra se convierte, por tanto, en el libro de referencia para cualquier estudiante de ingeniería y profesional del sector.
Reseña del Editor
TEMA 1 ................................................................................................................ 9
CONCEPTOS BÁSICOS DE ELECTRICIDAD .............................................. 9
TEMA 1.- CONCEPTOS BÁSICOS DE ELECTRICIDAD ............................. 11
1.1.- Introducción ............................................................................................ 11
1.2.- Naturaleza de la electricidad .................................................................. 12
1.3.- Materiales conductores y aislantes ......................................................... 15
1.4.- Producción de electricidad ..................................................................... 16
1.4.1.- Producción de electricidad por frotamiento .................................... 17
1.4.2.- Producción de electricidad por presión ........................................... 18
1.4.3.- Producción de electricidad por acción química. .............................. 18
1.4.4.- Producción de electricidad por acción magnética. .......................... 19
1.4.5.- Producción de electricidad por acción de la luz. ............................. 19
1.4.6.- Producción de electricidad por acción del calor. ............................. 20
1.5.- Electrostática .......................................................................................... 20
1.5.1.- Electricidad estática e inducción electrostática ............................... 20
1.5.2.- Propiedades de las partículas elementales. Carga eléctrica ............. 21
1.5.3.- Ley de Coulomb .............................................................................. 21
1.5.4.- Campo eléctrico ............................................................................... 23
1.5.5.- Potencial eléctrico ........................................................................... 25
1.5.5.- Diferencia de potencial .................................................................... 26
1.6.- Electrocinética ........................................................................................ 28
1.6.1.- Elementos de un circuito eléctrico .................................................. 28
1.6.2.- Generador de tensión. Fuerza electromotriz. ................................... 31
1.6.3.- Corriente eléctrica ........................................................................... 33
1.6.3.1.- Clasificación de la corriente ......................................................... 34
1.6.3.2.- Intensidad de corriente ................................................................. 35
1.6.3.3.- Densidad de corriente ................................................................... 36
1.6.4.- Resistencia eléctrica ........................................................................ 37
1.6.4.1.- Resistencia de un conductor ......................................................... 37
1.6.4.2.- Resistividad .................................................................................. 38
1.6.4.3.- Conductancia ................................................................................ 38
1.6.4.4.- Conductividad .............................................................................. 39
1.6.4.5.- Influencia de la temperatura ......................................................... 39
1.6.4.6.- Resistor. ........................................................................................ 42
1.6.5.- Analogía hidráulica ......................................................................... 43
1.6.6.- Trabajo y potencia eléctrica. Ley de Joule ...................................... 45
1.6.6.1.- Energía eléctrica ........................................................................... 45
1.6.6.1.- Trabajo eléctrico ........................................................................... 46
1.6.6.2.- Potencia eléctrica .......................................................................... 47
1.6.6.3.- Ley de Joule .................................................................................. 48
TEMA 2 .............................................................................................................. 53
CIRCUITOS DE CORRIENTE CONTINUA ................................................ 53
TEMA 2.- CIRCUITOS EN CORRIENTE CONTINUA .................................. 55
2.1.-Introducción y objetivos .......................................................................... 55
2.2.-Ley de Ohm. ............................................................................................ 55
2.3.- Agrupación de resistencias ..................................................................... 56
2.3.1.- Agrupación serie .............................................................................. 56
2.3.1.1.- Divisor de tensión ......................................................................... 61
2.3.2.- Agrupación paralelo ........................................................................ 62
2.3.3.- Agrupación mixta ............................................................................ 67
2.4.- Generador de corriente continua ............................................................ 71
2.4.1.- Definición ........................................................................................ 71
2.4.2.- Simbología ....................................................................................... 71
2.4.3.- Características ................................................................................. 71
2.4.4.- Tensión en bornes ............................................................................ 72
2.4.5.- Potencia de un generador ................................................................ 73
2.4.6.-Rendimiento de un generador ........................................................... 74
2.4.7.- Acoplamiento de generadores en serie ............................................ 75
2.4.8.- Acoplamiento de generadores en paralelo ....................................... 76
2.4.9.- Acoplamiento mixto de generadores ............................................... 77
2.5.- Receptor eléctrico ................................................................................... 79
2.5.1.- Definición ........................................................................................ 79
2.5.2.- Simbología ....................................................................................... 79
2.5.3.-Características .................................................................................. 80
2.5.4.-Tensión en bornes. ............................................................................ 80
2.5.5.-Potencia de un receptor eléctrico. ..................................................... 80
2.6.- Circuito eléctrico .................................................................................... 81
TEMA 3 .............................................................................................................. 83
ANÁLISIS DE CIRCUITOS ............................................................................ 83
TEMA 3.- ANÁLISIS DE CIRCUITOS ............................................................ 85
3.1.- Introducción y objetivos ......................................................................... 85
3.1.- Ecuaciones de Kennelly ......................................................................... 85
3.1.1.- Transformación de una conexión en triángulo (o pi) en su estrella
equivalente (o T) ..................................................................................................... 86
3.1.2.- Transformación de una conexión en estrella (o T) en su triángulo
equivalente (o pi) .................................................................................................... 88
3.2.- Leyes de Kirchhoff ................................................................................. 94
3.2.1.- Primera ley de Kirchhoff ................................................................. 94
3.2.2.- Segunda ley de Kirchhoff ................................................................ 95
3.2.3.- Resolución de circuitos con las leyes de Kirchhoff ........................ 96
3.3.- Puente de Wheatsthone ........................................................................ 104
3.4. Métodos de análisis. ............................................................................... 106
3.4.1.- Simplificaciones. ........................................................................... 107
3.4.1.1.- Conversión de fuentes. ............................................................... 107
3.4.1.2.- Modificación de la geometría de un circuito. ............................. 108
3.5.- Método de las corrientes de malla ........................................................ 109
3.6.- Método de los nudos. ............................................................................ 113
3.6.1.- Ecuaciones matriciales de nudos -forma directa- ......................... 115
3.6.- Teorema de Thevenin. .......................................................................... 116
3.6.1.- Ejemplo del Teorema de Thevenin ............................................... 118
3.7.- Teorema de Norton ............................................................................... 121
3.8.- Principio de superposición ................................................................... 123
TEMA 4 ............................................................................................................ 131
MAGNETISMO Y ELECTROMAGNETISMO .......................................... 131
Tema 4. ............................................................................................................. 133
MAGNETISMO Y ELECTROMAGNETISMO ............................................. 133
4.1.- Introducción .......................................................................................... 133
4.2.- Magnetismo .......................................................................................... 134
4.2.1.- Características elementales de los imanes ..................................... 135
4.2.2.- Relación entre los fenómenos eléctricos y magnéticos. ................ 135
4.3.- Campos magnéticos. ............................................................................. 136
4.3.1.- Definición. ..................................................................................... 136
4.3.2.- Líneas de campo magnético. ......................................................... 137
4.3.3.- Unidades. ....................................................................................... 138
4.4.- Flujo magnético. ................................................................................... 139
4.5.- Fuerza sobre una carga en movimiento. Ley de Lorentz. .................... 140
4.5.1.- Movimiento de cargas en campos magnéticos constante. ............. 141
4.5.2.- Movimiento helicoidal. ................................................................. 143
4.5.3.- Fuerza sobre un elemento de corriente, segunda ley de Laplace. . 144
4.5.3.1.- Fuerza sobre un elemento de corriente. ...................................... 144
4.5.3.2.- Fuerza sobre un conductor filiforme. ......................................... 144
4.5.4.- Fuerza y momento sobre una espira. ............................................. 145
4.6 Campos magnéticos creados por cargas. ................................................ 148
4.7.- Fuerza entre corrientes. Definición de amperio. .................................. 150
4.8.- Ley de Ampère. .................................................................................... 151
4.9.- Principios básicos de aplicación. .......................................................... 152
4.10.- Propiedades magnéticas de la materia. ............................................... 154
4.11.- Leyes de los circuitos magnéticos. Analogía con circuitos eléctricos.156
4.11.1.- Fuentes de excitación magnética. ................................................ 158
4.11.2.- Analogía con el circuito eléctrico. ............................................... 159
4.11.3.- Diferencias entre los circuitos eléctricos y magnéticos. .............. 160
4.11.4.- Análisis de circuitos magnéticos. ................................................ 161
4.12.- Comportamiento magnético de los materiales ferromagnéticos. ....... 167
4.12.1.- Curva de histéresis. ...................................................................... 169
4.12.1.1.- Clasificación de los materiales. ................................................ 172
4.13.- Pérdidas de energía en un núcleo ferromagnético. ............................. 172
TEMA 5 ............................................................................................................ 177
CAPACIDAD E INDUCTANCIA. .............................................................. 177
COMPORTAMIENTO EN C.C. ................................................................... 177
Tema 5. ............................................................................................................. 179
CAPACIDAD E INDUCTANCIA. COMPORTAMIENTO EN CC. ............. 179
5.1.- Introducción .......................................................................................... 179
5.2.- Condensadores ...................................................................................... 179
5.2.1.- Fundamento de la acción de un condensador. ............................... 180
5.2.2.- Capacidad de un condensador. ...................................................... 181
5.2.3.- Valor de la capacidad. ................................................................... 181
5.2.4.- Magnitudes características de los condensadores. ........................ 182
5.2.4.1.- Tensión de trabajo de un condensador ....................................... 183
5.2.4.2.- Tensión máxima de un condensador .......................................... 183
5.2.4.3- Tolerancia de un condensador ..................................................... 184
5.4.5-Agrupación de condensadores ......................................................... 184
5.2.5.1- Agrupación de condensadores en serie ....................................... 184
5.2.5.2- Agrupación de condensadores en paralelo .................................. 185
5.2.6.- Comportamiento de condensadores. .............................................. 187
5.2.6.1- Carga de un condensador a través de una resistencia .................. 187
5.2.6.2.- Descarga de un condensador a través de una resistencia ........... 189
5.2.6.3.- Constante de tiempo ................................................................... 190
5.2.6.4.- Energía almacenada por un condensador ................................... 190
5.3.-Inductancias ........................................................................................... 190
5.3.1.- Agrupación de inductancias .......................................................... 191
5.3.1.1.- Inductancias en serie .................................................................. 191
5.3.1.2.- Inductancias en paralelo ............................................................. 192
5.3.2.- Comportamiento de una bobina. ................................................... 192
5.3.2.1.- Corriente por un circuito con autoinducción y resistencia ......... 193
5.3.2.2.- Constante de tiempo ................................................................... 195
5.3.2.3.- Energía almacenada en una inductancia ..................................... 195
6.- Bibliografía .............................................................................................. 197
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