ELECTRICIDAD HARRY MILEAF 1-7 MUY BUENO

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ElECTRiCiDAD HARRY MILEAF

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' EDITORIAL LIMUSA MÉXICO

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ESPAl'ÍA • COLOMBIA

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VENEZUELA • PUERTO RICO

ARGENTINA

1

Título de la obra en inglés ELECTRICITY ONE-SEVEN © Hay den Book Company, Inc. Versión española: lng. LIONEL DIGNOWITY Catedrático de la Escuela Militar de Ingenieros y Excatedrático de la Escuela Militar de Transmisiones Revisión técnica: Ing. DANIEL BARRIOS MORALES FRIAS Profesor Titular de Electrónica en la Facultad de Ingeniería de la Universidad Nacional Autónoma de Me'xico. Jefe de la Oficina de Normalización y Automatización del Departamento de Laboratorio de la Comisión Federal de Electricidad. Ing. CAND IDO PEREZ VEGA Profesor de Teoría de los Circuitos en la Escuela Superior de Ingeniéría Mecánica y Eléctrica.del Instituto Politécnico Nacional de México y en la Universidad Anáhuac. La presentación y disposición en conjunto de ELECTRICIDAD SERIE 1- 7 son propiedad del editor. Ninguna parte de esta obra puede ser reproducida o traitsmitida, mediante ningún sistema o método electrónico o mecdnico (incluyendo el fotocopiado, la grabación o cualquier sistema de recuperación y almacenamientc de información), sin consentimiento por escrito del editor. Derechos reservados:

© 1985, EDITORIAL LIMOSA, S. A. de C. V. Balderas 95, Primer piso, 06040 México 1, D. F. Miembro de la Cámara Nacional de la Industria Editorial. Registro Níun. 121 Primera edición: 1979 Primera reimpresión: 1981 Segunda reimpresión: 1983 Tercera reimpresión: 1985 Impreso en México (4927)

ISBN 968...: 18 - 0973 - 4

prólogo

Este es un volumen de siete partes, escrito especialmente para itnpartir un curso de electricidad. El libro está organizado de tal forma que sigue una secuen· cia que facilita el aprendizaje: cada parte abarca determinada área de conocimientos y. además, prepara al lector para el estudio de las partes subsecuentes. Los temas expuestos se desarrollan progresivamente y cada uno sirve de base para el siguiente. Cada nuevo concepto o idea se presenta por separado, dedicán~ dose una página entera al texto correspondiente y a la gráfica que lo ilustra. Con esta presentación, ni los textos ni los dibujos por sí solos son autosuficientes como medio de enseñanza. Para cada tema se proporcionan ambos, de modo que las ilustraciones no sólo corrtplementan el texto, sino que· lo refuerzan. Además, las leyendas de las gráficas ayudan al estudiante a retener lo que ha aprendido, ya que le proporcionan una especie de resumen de los puntos más importantes. Por su fonna especial de presentar la información, esta obra es muy adecuada para usarse corno libro de consulta. De acuerdo con las buenas prácticas pedagógicas, todos los ténninos técnicos se definen en el mo1nento en que se usan por primera vez, a fin de que los estudiantes prosigan el curso con confianza. Un recurso que facilita las cosas tanto al maestro corno al estudiante consiste en usar cursiva,s para destacar las palabras clave de cada terna. Los principales puntos de las secciones anteriores, a menudo, se repiten más adelante para fijarlos bien en la memoria del alumno. Este método no sólo pennite vincular un tema con otro, sino que proporciona el reforzamiento necesario, cuando ya se comienza a olvidar lo apenas aprendido. Después de cada grupo de temas que constituyen la Hlección diaria", el alumno encontrará un resumen de los datos estudiados y una sección con preguntas de repaso respecto a los n1ismos. Gran parte del trabajo requerido para preparar este volumen, la realizaron los miembros del excelente equipo de autores, redactores y asesores técnicos organizado por la casa editora. A ellos les corresponde el mayor elogio. Asimismo, debo reconocer la ayuda que nos brindaron las siguientes personas: Frank T. Egan, Jack Greenfield y Warren W. Yates, nuestros principales colaboradores; Peter J. Zurita, Steven Barbash, Solomon Flam y A. Víctor Schwarz de nuestro equipo editorial; Paul J. Barotta, Director del Union Technical Institute; Albert J. Marcarelli, Director Técnico de la Connecticut School of Electronics; Howard V

1 1

VI

Prólogo

Biennan, Editor de Electronic Design; E. E. Grazda, Director del Departamento

Editorial de la misma revista, e lrving Lopatin, Director del Departamento Editorial de la empresa Hayden Book Companies. Coordinador del Proyecto HARRY MILEAF

contenido

PARTE UNO Introdu4'ción ·---------------------------------·--Importancia de la electricidad la electricidad?

D

Historia

O

1-1

¿ Qué es

Estructura de la materiª----------------~M------

1-4

¿ Qué es la materia? D Los elementos D Compuestos D La molécula D El átomo

Teorí1t atón1ica --------------·-·-----·~--------

1-9

Estructura del átomo D El núcleo D El protón D El electrón

1-14

Cargas eléctricas Ley de las cargas eléctricas D Cargas atómicas D Materiales eléctricamente cargados O Carga por contacto -D Carga por inducción D Neutralización de una carga O Atracción y repulsión D Ca1npos electrostáticos

(6v,l .

Teoría electrónica ------------------------------·-Orbitas electrónicas D Capas o bandas orbitales D Elementos y sus capas atómicas O Capacidad de las bandas D Banda exterior (de valencia) D Energía del electrón D Cuándo se produce la electricidad O ConVil

1-23

VIII

C1mtenido ductores O Aisladores O Compuestos aislantes O Semiconductores O Comparación de los conductores O ComN paración de los conductores, aisladores y semiconductores

Cómo se produce la electricidad ---------------------

1-37

Métodos para producir electricidad O Electricidad producida por fricción O Electricidad producida por reacN ciones quhnicas O Electricidad producida por presión O Electricidad producida por calor O Electricidad producida por luz O Electricidad producida por el ml'tgnetismo

Corriente eléctrica --------------------------------

1-45

¿ Qué es la corriente eléctrica? D Electrones libres O Movimiento de los electrones O .Flujo de corriente O El impulso de corriente O Velocidad de la corriente eléctrica D El circuito completo (cerrado) D Circuito abierto D Fuente de energía eléctrica D Usos práctiN cos de la electricidad D Unidades eléctricas de 111edida O Fuerza electromotriz (tensión) D Cantidad de corriente

Efectos de la electricidad --------------------------

1-59

Efectos de la electricidad O La electricidad produce actividad química O La electricidad produce presión O La electricidad produce calor D La electricidad produce luz D La electricidad produce magnetismo

Magnetismo -------------------------------------

1-66

Magnetismo O Magnetismo y el electrón O La molécula magnética D Materiales magnéticos O Magnetización del hierro O Cómo se desmagnetiza un imán O Campo magnético terrestre O Polaridades magnéticas O La brújula magnética O Atracción y repulsión D Campo magnético O Líneas de fuerza D Interacción de los campos n1agnéticos O Blindaje magnético

Electromagn.etismo ----------------------·---------

¿ Qué es electromagnetismo? O Electromagnetismo en un conductor D Intensidad de campo O Interacción de los campos electromagnéticos O El electromagnetismo

1-81

Contenido en una espira O Electromagnetismo en una bobina El núcleo magnético O Fuerza magnetomotriz

IX

D

Aplicaciones de la electricidad y el magnetismo ---------

1-90

La electricidad y el magnetismo como fuentes de energía D La luz incandescente D El calentador eléctrico ,D El timbre electromagnético O Interruptor electromagnético O Aparato telegráfico básico D Moto.r eléctrico O Instrumento de medicifui D El generador básico

PARTE DOS

\ El circuito eléct1·ico -------------------------------

2-1

o·

Uso de la electricidad El circuito eléctrico D El interruptor D La carga D Fuente de energía D Circuito de corriente directa O ¿ Qué es lo que controla el flujo de corriente? O Conductancia Resistencia

2-10

Resistencia D Resistencia de los diferentes ·conductores D Cómo puede reducir;a;é la ·resistencia D Cómo puede aumentarse la resistencia O Cómo se controla la resistencia D Efecto de la temperatura D Unidad de resistencia D La resistencia de los alambres D ¿ Cuánta corriente puede conducir un alambre? O Resistencia de la carga y de la fuente de energía O Resistencia total del circuito

Resistores ---------------------------------------

2-23

Resistores O Uso de los resistores O ToleTancia O Dosificación de corriente D Tipos de resistores O Resistores de composición O Resistores devanados O Resistores de película O Resistores fijos O Resistores ajustables D Resistores variables O C6digo de color de resistores O Código de color de resistores estándar

Ley de Ohm -------------------------------------

2-37

Ley ele Ohm O Ecuaciones D Cálculo de la corrient• O Cálculo de Ja· resistencia O Cálculo de la tensión

11

X

Contenido

2-44

Potencia Potencia D La unidad de potencia D Ecuaciones D Ecuaciones de resistencia O Pérdidas de potencia O Clasificación de resistores ·por potencia D Clasificación de potencia de las lámpar;¡s incandescentes D Clasificaciones típicas de consu.mo D El kilowatt-hora

2-54

Cir:~uitos en serie

o·

i

Unidades eléctricas básicas Circuitos en serie D Cargas en serie D Forma en qtie las cargas en serie afectan la corriente D Fuentes de energía e.n serie O Forma en que .las fuentes de energía en serie afectan la corriente O Fuentes de energía en oposición conectadas en serie D Consumo de potencia D Caída de tensión D Cálculo de la caída de tensión D Polaridad D Polaridad y tensión de un punto O Circuito de potención1etro ,O Circuitos abiertos D Corto circuito D El fusible D Problemas resueltos

I'

Circuitos en paralelo ------------------------------

1

t0i

Circuitos en paralelo O Cargas en paralelo O Caída de tensión en cárgas en paralelo O Efecto de cargas en pa:ralelo sobre la corriente O Cálculo de las corrientes dé ra1n'a· O Cálculo de la corriente total O Có1no calcular la resistencia total D Resistencias iguales en paralelo D Dos resistencias desiguales en paralelo D Tres o más resistencias desiguales en paralelo D Córilo calcu~ lar la resistencia total a partir de la corriente y la tensíón Fuentes de energia, en paralelo D Efecto de fuentes de energía en paralelo sobre la corriente O Consumo de potencia D Circuitos abiertos O Cortos circuitos O Problen1as resueltos

l

1

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y

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1 ..

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•

2-75

Comparación de circuitos en serie y en paralelo .• ------,---

2-97

Circuitos en serie-paralelo ___ ----------------------

2-99

e---

--Circuitos en serie-paralelo O Análisis de circuitos en serie-paralelo D Diagramas de circuitos en serie-paralelo D Reducción de circuitos en serie-paralelo D Corriente D Tensión D Cómo calcular la tensión y la corriente D Proble1nas resueltos

Contenido

XI

Leyes de Kirchhoff ------------------------------- 2-114 Leyes de Kirchhoff O Ley de Kirchhoff de tensi6n O Aplicaci6n de la ley de Kirchhoff de tensi6n O Ley de Kirchhoff de corriente O Aplicaci6n de las leyes de Kirchhoff

Principio de superposición ------------------------- 2-119 Resistencia interna de las fuentes de energía ----------- 2-120

Fallas en los circuitos de

e.e. -----~-----------------

2-121

Fallas en circuitos de e.e. D Fallas en fuentes de energia O Fallas en resistores O Falla en otras cargas O Fallas en dispositivos auxiliares

PARTE TRES !]orriente alterna ------'----------------------------

3-1

¿ Qué es corriente alterna? D ¿ Es útil la corriente alter.na? O ¿ Por· qué se utiliza la corriente alterna? O Transmisión de energía eléctrica D Pérdidas de potencia por transmisión D Transmisión de potencia de C. A. D Otras características de la C. A. O La fuente de energía de C. A. O Un generador elemental de C, A.

Formas de onda de C. A. --------------------------

3-11

Movimiento angular O Formas de onda de e. A. O Formas de onda de C. A. y de O La onda sinusoidal O Cómo se genera una onda sinusoidal O Sirnetria en las formas de onda O Ondas cuadradas O Cómo se genera una onda cuadrada D Ondas "diente de sierra" O C. C. fluctuante O Componente de C. A.

e. e.

Características de

e.

A. ----------------------------

, Frecuencia O Longitud de onda O Fase O Diferencia de fase D Otros términos relativos a la C. A. O Valores de tensión y corriente altern~ O Valores medios ,O Valores efectivos D Valores de conversión

3-23

XII

Contenido

Circuitos resistivos de C. A. ------------------------

3-33

Circuitos resistivos de C. A. O Corriente y tensión O Relaciones de fase O Potencia O Corrientes circulantes y efecto superficial O Problemas resueltos

Circuitos no resistivos de C. A. ----------------------

3-42

Efectos del electromagnetismo -,--------------------'-

3-43

Campo magnético alrededor de un conductor D Fem inducida ,O Factores que determinan la fem inducida O Campo magnético originado por una corriente alterna O Autoinducción O Magnitud de la fem autoinducida O Polaridad de la fem autoinducida O Autoinducción con respecto ·a energía D Efecto- que tiene la forma del conductor sobre la autoinducción

Inductancia -------------------------------------

3-54

Inductancia D Inductores D Factores que determinan la inductancia D Valores de inductancia y fcem

Circuitos inductivos de C. C. ------------------------ ', 3-58 Circuitos inductivos de C. C. O Constante de tiempo O Corrientes en aumento y en descenso O Aumento y disminución de la inductancia y sus efectos

Circuitos inductivos de C. A. -----------------------,Circuitos ind-uctivos de C. A.

3-62

D Relaciones de tensi6n

y corriente alterna O Reactancia indllctiva D Inductores en serie y paralelo D Problemas resueltos

Inductancia mutua ------------------------------Inducción mutua

O

3-71

Inductancia mutua

Transformadores --------------------------------El transformador O C6mo funciona un transformador con secunda-ria abierto D Tensi6n y corriente O C6mo funciona un transformador con secundario cargado D

3-73

i

í

Conterudo

XIII

Tensión y corriente D Efecto que tiene Ja carga sobre las fases D Potencia primaria y. secundaria O Relación existente entre espiras, tensión y corriente D Transfor111adores de secundario 1núltiple

Tipos de transformadores ------------··-------------( 3-85 Tipos de transformadores D Transformadores de núcleo de hierro y de núcleo de aire D El autotransformador O El transformador ajustable

Pérdidas en transformadores ----------------------

3-90

Pérdidas en un transformador D Pérdidas en el cobre O Pérdidas por histéresis O Ciclo de histéresis D Pérdidas por corrientes parásitas O Pérdidas por ~aturación

y fugas

i,,"

Circuitos RL

3-97

,,:;

Capacitancia y capacítores --------------------------

3-98

Capacitancia y el capacitor O Carga de un capacitar D El campo eléctrico O Cómo se carga un capacitar en un circuito de C. C. O Descarga de un capacitor D DescaTga de un capacitar en un circuito de C. C. D Unidad de capacitancia D Constante capacitiva de tiempo

Capacitancia y capacitores --------------------~----- 3-109

¡

1

¡

Factores que influyen en los valores de capacitancia O Efecto del área de las placas O Efecto de la separación entre las placas O Efecto del dieléctrico O Constante dieléctrica y resistencia dieléctrica Circnitos capacitivos de C. C. ----------------------- 3-ll5

Circuit.;s capacilivos de C. A. ---------------------- 3-117

/

l

Circuitos capacitivos de C. A. D Relaciones entre tensión y carga O Relaciones entre tensión y corriente D Efecto que tiene la frecuencia en la corriente del capacitor D Efecto que tiene la capacitancia en la ca-

XIV

Contenido 1-riente del capacitar O l{eactancia capacitiva D Re-· sistancia de fuga O Capacitares en serie D Capacitares en paralelo O Problemas resueltos

Circuitos capacitivos de C. C. fluctuante -------------- 3-131 3-134

Factor de potencia

Tipos de capacitores

------------------------------

Tipos de capacitares

O

3-135

Capacitar electrolítico

Código de color para capacitores -------------------- 3-.139

Circuitos RC ------------------------------------ 3-141

i ,.

L .~ f'

1

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1

PARTE CUATRO

Vectores -------------------·---------------------

4-1

Introducción D Repaso de los ángulos de fase LCR D ¿ Qué es un vector? :O Representación .gráfica D Operaciones con vectores O Suma de vectores que ·tienen la misma dirección O Suma de vectores can direcciones opuestas D Suma de vectores por el método .del ·paralelogramo D Surna de vectores por el método del triángulo ,O Suma de vectores defasados 90 grados ,O Propiedades del triángulo rectángulo O Resta de vectores Separación de vectores en sus componentes D Suma de vectores por componentes O Vectores asociados con án .. gulos de fase de ondas sintisoidales D Representación gráfica de vectores rotatorios O Vectores y ondas sinuN soidales D Vectores de circuitos puramente resistivos, inductivos y capacitivos D Problemas· resueltos

,,

Circuitos RL -----------------------------------Circuitos_ RL

O

Impedancia

4-25

¡

Contenido

Cireuitos en serie RL ------------------------------

XV

4-27

Circuitos en serie RL D Tensión O Formas de onda de tensión O Impedancia y corriente D Potencia '0 Q de una bobina D Efecto de la frecuencia D Problemas resueltos

Circuitos en paralelo RL -----------------'----------

4-42

Circuitos en paralelo RL D Tensi6n D Corrientes de rama O Corriente de línea ·D Formas de onda de corriente O Impedancia D Potencia O Efecto de la frecuencia D Problemas resueltos

Comparaci6n de circuitos RL en serie y en paralelo ------

4-53

Circuitos RC -------------------------------------

4-55

Circuitos en serie RC ------------------------------

4-56

Circuitos en serie RC O 'fensión D Ondas de tensión Impedancia O Corriente O Efecto de la frecuencia Problemas resueltos

D D

Circuitos en paralelo RC ---------------------------

4-66

Circuitos en paralelo RO O Tensión O Corriente de rama D Corriente de línea O Ondas de corriente D Impedancia O Efecto de la frecuencia O Proble1nas resueltos

Comparación de circuitos R(; en serie y en paralelo

4-75

Circuitos LCR -----------------------------------

4-77

Circuitos en serie LC ------------------------------

4-78

Circuitos en serie LC O Tensión O Ondas de tensi6n O Impedancia O Corriente O Potencia O Efecto ,.,.. de la frecuencia O Problenas resueltos ·-

Circuitos en serie LCR ---------------------------Circuitos en serie LCR

O Tensión O Ondas de ten-

4-89

XVI

Contenido sión O I1npedancia O Corriente D Potenci;i de la frecupncia D Problemas resueltos

D

Efecto

4-101

Resonancia en serie Resonancia en serie D Factores que determinan la resonancia D Impedancia en resonancia y .fuera de resonancia ,O Corriente en resonancia y fuera de resonancia D Banda de resonancia O Efecto que tiene la resistencia en. la banda de resonancia ·D Calidad D Aplicaciones prácticas O Problemas resueltos

Circuitos en paralelo ------------------------------ 4-114 Circuitos en paralelo LC D Tensión O Corriente D Ondas de corriente D Impedancia D Efecto de la frecuencia O Problemas resueltos

Circuito, en paralelo LCR ------------------------- 4-123 Circuitos en paralelo LCR D Tensión D Corriente D Ondas de corriente D Impedancia D Efecto de la frecuencia D Problemas resueltos

Resonanda en paralelo --------------------------- 4-132 l{esonancia en paralelo D Circuito tanque O Corriente e impedancia en resonancia D Corriente e im·pedancia fuera de resonancia D Circuitos resonantes e.n paralelo reales D Banda de resonancia D Q de un circuito re-sonante en paralelo O Problemas resueltos

Comparación de circuitos resonantes en serie y en paralelo 4-144

Circuitos sintonizados ----------·------------------- 4-147 Circuitos en serie y paralelo, RL, RC y LCR ----------- 4-146 4-148

Circuitos de filtro Circuitos de filtro

D

Tipos básicos

Contenido

XVII

Vectores de transformadores _______________ __: _______ 4-150 Vectores de transformadores madores resonantes

O

Vectores de transfor-

Acoplamiento de impedancia ----------------------- 4-15.3

PARTE CINCO Introducción ------------------------------------

5-1

Necesidad de equipo de prueba O El medidor básico O El medidor de corriente D Repaso de electromagnetismo Atracción D Repulsión D Forma en que las corrientes afectan a un campo magnético.

o·

Mecanismos del medidor -------------------------

5-9

Tipos de medidores de corriente electromagnéticos D Mecanismo del medidor de bobina móvil O Mecanismo del medidor de hierro móvil O Mecanismo del medidor de álabes concéntricos D Mecanismo del medidor de émbolo móvil D Amperímetro térm:co D Medidor de termopar.

Estructura del medidor ---------------·-------------

5-17

Partes del mecanismo de un medidor D Mecanismo del medidor de bobina móvil ( d' Arsonval) D Imanes permanentes D lv[edidores de hierro móvil O Paletas y álabes de hierro ,O Bobinas D Agujas O Resortes O A juste en cero. Pivotes, cojinetes y pernos de retención D Escalas para medidores de bobina móvil D Escalas para medidores de hierro móvil D Amortiguamientos O Amortiguamiento en un medidor de bobina móvil D Amortiguarniento en un medidor de hierro móvil D Escalas para medidores de termopar D Estructura de termopares.

Características del medidor ----------------------~ l{P