Fundamentos de Instalaciones Electricas

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FUNDAMENTOS DE INSTAlACIONES ElECTRICAS

FUNDAMENTOS DE INSTALACIONES ELECTRICAS .,

JOSEPH H. FOLEY Volt Information Services, Inc. Traduccion:

JOSE HERNAN PEREZ CASTELLANOS Ingeniero Industrial Profesor Titular, I. P. N. Revision Tecnica:

JULIO FOURNIER GONZALEZ Ingeniero Nuclear ESIME, ESFM, I. P. N. M. en C. Ciencias Nucleares Facultad de Quimica, V.N.A.M.

McGRAW-HILL MEXICO. BOGOTA. BUENOS AtRES • GUATEMALA. LlSBOA • MADRID NUEVA YORK. PANAMA. SAN JUAN. SANTIAGO. sAo PAULO AUCKLAND. HAMBURGO • JOHANNESBURGO • LONDRES • MONTREAL NUEVA DELHI. PARIS. SAN FRANCISCO. SINGAPUR ST. LOUIS. SIDNEY .TOKIO .TORONTO

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FUNDAMENTOS DE INSTALACIONES ELt:CTRICAS

Prohlbida la reproducci6n total 0 parcial de esta obra, por cualquier medio, sin autorizaci6n escrlta del editor. DERECHOS RESERVADOS © 1983, respecto a la prlmera edlcl6n en espanol por LlBROS McGRAW-HILL DE MEXICO, S. A. de C. V. Atlacomulco 499-501, Fracc. Industrial Sn. Andrlls Atoto 53500 Naucalpan de Juarez, Edo. de MlIxico Miembro de la Camara Nacional de la Industria Editorial, Reg. Num. 465

ISBN 968·451·371·2 Traducido de la primera edici6n en Ingills de ELECTRICAL WIRING FUNDAMENTALS Copyright © 1981, by McGraw-Hili International Book Co., U. S. A. ISBN 0-07-067561-9 2345678901

L.R.-83

Impreso en MlIxico Esta obra se termin6 de imprlmir en mayo de 1985 en Litografica Ingramex, S. A. Centeno 162 Col. Granjas Esmeralda Delegaci6n Iztapalapa 09810 Mexico, D.F. Se tiraron 3700 ejemplares

8012346795 Printed in Mexico

NOTA DEL EDITOR En la traduccion del presentc libra, hemos procurado expresar fielmente el pensamiento del autor respetando las unidades de medida utilizadas en el texto. Para conveniencia del !ector, solo se han agregado, donde hemos creido necesario, las conversiones de las unidades de medida que emplea el autor al Sistema Internacional de Unidades (SI). Para seguridad de los usuarios y de los tecnicos que manipulan la electricidad. ser[ln de particular interes los capitulos 4 y 16. En ellos, el autor nos il ustra sobre 10 que hay que hacer en casos de accidente y la razon de emplear los sistemas de proteccion a tierra y los sistemas de control remoto a bajo voltaje. Existen diferencias entre los materiales y equipos usados en nuestro pais y los que sc detallan en el texto, 10 mismo que entre n uestros reglamentos y los de Estados U nidos. Dado el acelerado desarrollo de la industria elCctrica y el uso de nuevos materiales, todas las regIa mentaciones estan en constante revision. EI autor recomienda que se mantenga al dia y que consulte los codigos y reglamentos locales.

v

·CONTENIDO · PREFACIO

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CAPiTULO 1 ELECTRICIDAD BAsICA

1

Electricidad estatica . Pequeno, mas pequeno, pequenisimo: moleculas, atomos, electrones .. Sistema metrico internacional . Unidades de medici6n electrica . Ley de Ohm. Conduct ores y aisladores . Preguntas de repaso.

CAPiTULO 2 CIRCUITOS ELECTRICOS

15

Circuito elect rico basico . Potencla electnca (ley de Watt) . Corriente continua. Preguntas de repaso .

CAPITULO 3 CORRIENTE ALTERNA

28

Maquinas de corriente aIterna . Caracteristicas de la corriente alterna . Preguntas de repaso

CAPiTULO 4 INSTALACIONES SEGURAS . SEGURIDAD EN EL TRABAJO

55

El Palacio de la Electricidad . El National Electrical Code (C6digo Nacional Electrico de Estados Unidos) . Los Underwriters' Laboratories (Laboratorios para Aseguradoras) . Dibujos arquitect6nicos y especificaciones . C6digos electricos locales . Choque electrico . Dispositivos de seguridad . Conexi6n a tierra para protecci6n . Si sucede un accidente . Preguntas de repaso

CAPITULO 5 EQUIPO DE PRUEBA Y HERRAMIENTAS

72

Probadores . Medidores . Herramientas con motor. Herramientas de mano del electricista . Herramientas de mana comunes . Preguntas de repaso

CAPiTULO 6 TRABAJO CON ALAMBRE Y CABLE

91

Alambre y cable . Tamanos de alambre . Materiales conductores . Materiales aislantes . Tipos de cable . Selecci6n del tamano correcto del conductor y aislamiento del cable. Remoci6n de los aislamientos de los cables Remoci6n del aislamiento de los conductores . Empalme de conductores . Conexi6n de los alambres a las terminales . Preguntas de repaso. vii

CAPiTULO 7 TRABAJO CON CONDUIT

115

Tipos y usos . Tamafios y capacidad de con'lUctores . Conduit rigido e intermedlO . Tuberia electrica metalica (TEM) Conduit flexible. Conduit no metalico . Instalaci6n del cO!1Juit en los edificios . Instalaci6n de los cond '.ctores en el conduit. Sustentaci6n de los conductores en tI conduit. Preguntas de repaso

CAPiTULO 8 TRABAJO CON CAJAS ELECTRICAS (REGISTROS)

135

Tipos y usos . Normalizaci6n . Tamafio de las cajas y capacidad de conductores . Instalaciones nuevas y ~'iejas . Ubicaci6n de las cajas . Montaje de las cajas en obras nuevas. Montaje de las caja~ en obras viejas . Cajas hermeticas . Preguntas de repaso

CAPiTULO 9 APAGADORES, CONTACTOS Y ARTEFACTOS

154

Conmutaci6n . Tipos de apagadores . Marcas en los apagadores y contactos . Auxiliares para el montaje y alambrado . Prueba de los apagadores y contactos . Artefactos incandescentes . Artefactos fluorescentes . Preguntas de repaso

CAPiTULO 10 PROTECCION CONTRA SOBRECORRIENTE

179

Causas de la condici6n de sobrecorriente . Fusibles . Interruptores automaticos de circuito . Protecci6n del circuito por falla de conexi6n a tierra. Preguntas de repaso

CAPiTULO 11 ENTRADA DE SERVICIO

192

Distribuci6n de potencia de CA . Entrada de serV1ClO . Linea de servicio (acometida) . Portamedidor Interruptor principal de desconexi6n . Tablero de servicio . Sistemas de e1ectrodos de conexi6n a tierra. Ca1culo de la carga . Determinaci6n del numero de circuitos derivados . EI medidor electrico . Preguntas de repaso

CAPiTULO 12 COMO USAR LOS DIAGRAMAS ELECTRICOS

218

Dibujos arquitect6nicos . Diagramas electricos . Preguntas de repaso

CAPiTULO 13 ALAMBRADO DE CIRCUITOS BASICOS

227

Circuitos de una sola y de varias tomas de corriente . Circuitos con un solo apagador . Circuitos con varios apagadores . Instalaci6n de contactos divididos . Planificaclon del alambrado de ram ales (circuitos derivados) . Repaso de los aspectos basic os del alambrado . Alambrado de una cas a pequefia . Preguntas de repaso

viii

Contenido

CAPITULO

1.4

PRUEBA Y LOCALIZACION DE FALLAS EN LOS CIRCUITOS BASICOS f)

:el

253

Obras nuevas v viejas . Secuencia de las pruebas . Equipos de prueba . Procedimientos de prueba a baja tension. Procedimiento de prueba ... pleno voltaje . Localizacion de fallas en los circuitos . Preguntas de repaso

CAPITULO 15 INSTALACION ELECTRICA EN EDIFICIOS TERMIl'iADOS

270

Planeacion . Procedimientos especiales . Diagramas de circuitos viejos . Trabajos tipicos en obras vie]as . Preguntas de repaso

CAPITULO 16 ALAMBRADO DE CIRCUITOS DE BAJA TENSION

290

Transformadores de baja tension. Alambrado de baja tension. Instalacion y alambrado de una antena . Montaje de una antena . Control remoto . PreguIitas de repaso

GLOSARIO

311

INDICE ANALITICO

317

Contenido

ix

•

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I

· PREFACIO· Fundamentos de instalaciones electricas presenta al principiante los materiales y metodos que se aplican en el alambrado de residencias. Para 10 anterior se requiere conocimiento previo de la materia. El material esta organizado en una secuencia que permite al estudiante moverse con confianza a medida que estudia el tema. Cada capitulo se apoya en el que Ie antecede, y es su continuacion logica. La introduccion de cada capitulo describe la manera en que su contenido puede aplicarse a situaciones practicas en el alambrado electrico. Cuando resulta apropiado, esta introduccion tambien relaciona el contenido del capitulo con otros temas que se encuentran en el libro. Cada capitulo va seguido por preguntas de repaso. Las preguntas estan concebidas para reforzar el proceso de aprendizaje v examinar al estudiante acerca de su comprension de las reglas de los codigos y las practicas del ramo electrico. Las preguntas resumen los puntos principales que el estudiante debe aprender en cada capitulo; tambien permiten que el estudiante y el profesor midan el progreso e identifiquen aquello que requiera mas dedicacion. Se pretende que algunas preguntas estimulen el analisis; otras hacen necesario que el estudiante consulte el National Electrical Code y las normas y codigos nacionales. El autor cree que los estudiantes deben familiarizarse con la organizacion del material en el NEC y los codigos nacionales y aprender a localizar la informacion. Por esta razon, se han mantenido en un minimo dentro del texto las referencias exactas de codigos, con el fin de inducir a los estudiantes a hacer uso directo del NEC, las normas y los codigos. Las unidades electricas de medicion c:'}ue se us an en este libro son lasrecomendadas por la Metric Guide/or Educational Materials, publicada por el American National Metric Council. Sin embargo, en todo aquello no relacio-

x

nado con unidades electricas, en este libro se emplean medidas tradicionales para conformarse al uso de las normas y codigos establecidos en los catalogos y folletos de los principales fabricantes de material electrico. Laestructura y contenido de este libro han sido examinados con todo cuidado por revisores competentes. Antes de escribir el texto, un bosquejo detallado dellibro propuesto fue revisado y aprobado por un grupo de educadores familiarizados con ias necesidades de la ensefianza vocacional. Durante la etapa de preparacion, el manuscrito y las ilustraciones fueron igualmente revisados por educadores experimentados. Estamos profundamente agradecidos con todos ellos por su guia y comentarios.

RECONOCIMIENTOS Muchos fabricantes y organizaciones summlstraron material impreso e ilustraciones de productos, 10 cual constituyo la base para las ilustraciones de este libro. En especial, damos las gracias a Midland-Ross Corporation, General Cable Corporation, Slater Electric, Inc., Ideal Industries, General Electric Company, Amprobe Instruments, Square D Company, Underwriters' Laboratories, Inc. y la National Fire Protection Association. Tambien debemos agradecer a la New York State Division of Housing and Community Renewal por el permiso para usar material del manual de la construccion del Estado de Nueva York. Por ultimo, deseo agradecer ami esposa, Christine, sus valiosas sugerencias editoriales y el cuidado con el que edito mi manuscrito. Joseph H. Foley para Volt Information Sciences

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ElECTRICIDAD BASICA

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• INTRODUCCION • La energia realiza trabajo. La electricidad es una forma de energia. La electricidad puede suministrar luz cuando y donde se Ie necesite, puede producir calor para calentarnos y cocinar, y puede hacer que los motures fl!7'.cionen para efectuar trabajo. La electricidad lIeva a cab') estas tareas cuando esta bajo control. Ellector ha vis to los rayos cortar el cielo de verano y, tal vez, daiiar las construcciones 0 producir incendios. Cuando lIueve con intensidad 0 sopla con fuerza el viento es posible que haya visto chis pazos y relampagos salir de las !ineas de energia electrica. De cuando en cuando probable mente haya sentido un ligero pero desagradable choque al tocar un aparato electrico. Estas son solo unas cuantas de las cosas que suceden cuando la electricidad esta fuera de contro!' Bien diseiiados y correctamente instalados, los sistemas electricos mantienen a la electricidad bajo control. Un buen sistema elect rico tam bien conserva la energia. Cuando el alambre, cable, interruptores, artefactos y tomas de corriente se usan con propiedad, cuando se evitan las practicas antieconomicas en las instalaciones electricas, la energia electrica actua eficientemente al necesitarla. La mejor manera de aprender a realizar un trabajo efectivo y seguro, con la eIectricidad es saber primero que es esta ultima y como se com porta. Todos podemos ver que hace la electricidad, pero no podemos ver a la propia electricidad. A pesar de elIo, para saber como se comporta la electricidad, debemos aprender a pensar en ella como si pudieramos verla. Por fortuna, la mejor explicacion de la energia electrica, la teo ria electr6nica es facil de comprender. Esta teoria ayuda a formar imagenes en la mente de la forma en que fluye la electricidad, que la hace fluir y que la hace dejar de fluir. Este capitulo informa allector acerca de la teoria electronica. Lealo con cuidado; Ie ayudara a comprender la electricidad y las reglas de las instalaciones electricas que los electricistas deben conocer.

Para demostrar 10 anterior, se utilizaran materiales simples que gene ran pequeiias cargas estaticas. A continuacion se transferiran estas cargas a peq ueiios trozos de material ligero. En s"guida se hara yue estos trocitos de material se muevar:, sin que se aplique a ellos fuerza visible alguna. Al observar la manera en que se mueven los trocitos de material, podemos aprender algo sobre como actuan todas las cargas eiectricas. La electricidaJ estatica se puede demostrar con muchas clases diferentes de material, algunos de los cuales ~e enumeran a continuacion.

1. Dos bolitas de pasta de papel suspendidas por un hila en dos soportes movibles. 2. Materiales generadores estaticos. Un juego consta de una barra de vidrio y un trozo de tela de seda; el otro, de una barra de caucho duro y un trozo de piel peluda. Para obtener los mejores resultados, la demostracion se debe hacer en un dia seco (no humedo 0 lIuvioso). E!ijase una zona protegida contra corrientes de aire que podrian afectar los resultados. Ahora siganse los pasos que se indican a continuacion.

Paso 1. Coloquense los soportes con las bolitas colgadas, sobre una mesa. Dejese entre ellos una distancia de aproximadamente un pie (30 cm). Paso 2. Frotese la barra de vidrio con rapidez contra el trozo de tela de seda durante 15 0 20 segundos. Paso 3. Sostengase la barra cerca de una de la bolitas de papel. La bolita oscilara hacia la barra y se pegara a ella. Paso 4. Alejese la barra lentamente hasta que el tiron de la bolita sea leve y cuelgue libre. En el paso 2 se genero una carga estatica sobre la barra de vidrio. En el paso 3 se transfirio esta carga a una de las bolitas. Paso 5. Frotese la barra de caucho contra la piel (Fig. I-I ).

ELECTRICIDAD ESTATICA Se pueden utilizar los principios de una forma de la energia, lIamada "electricidad estatica", con el fin de demostrar como actuan las cargas electricas. La electric idad estatica es la energia que, por ejemplo, provoca el choque que sentimos al tocar la manija de la puerta de un automovil, despues de deslizarnos frotandonos contra el asiento. Tambien es electricidad estatica la energia que hace que cierta ropa se pegue al cuerpo.

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Fundamentos de Instalaciones Electricas

Paso 6. Sostengase esta barra cerca de la otra bolita. La bolita oscilara hacia la barra y se pegara a ella. Paso 7. Alt!jese la barra de modo que la bolita cuelgue libremente. En el paso 5 se genero una carga estatica sobre la barra de caucho. En el paso 6 se transfirio esta carga a la bolita. Paso 8. Acerquense los soportes uno al otro con las bolitas colgando. A medida que los soportes se aproxi-

les Itide

LOS DOS MATERIALES SON ELE:CTRICAMENTE NEUTROS. EL MISMO NUMERO DE + Y DE -

de za en re BOLITAS DE PAPEL

In

1-

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BARRA DE CAUCHO

LAS CAR GAS NEGATIVAS SE MUEVEN DE LA BOLITA HACIA LA BARRA

BARRA DE VIDRIO

BOLITA DE PAPEL

DESPUE:S DE FROTAR, LA BARRA DE CAUCHO TIENE MAs - QUE +

ENTONCES LA BOLITA TIENE CARGA POSITIVA

CUANDO SE USAN UNA BARRA DE VIDRIO Y TELA DE SEDA, LA BARRA DE VIDRIO TIENE MAs + QUE-

Figura I-I. Producci6n de carga estatica por fricci6n.

man entre Sl, las bolitas oscilaran una hacia la otra. Al aproximarse 10 suficiente, se tocanin (Fig. 1-2). Las cargas estaticas de las dos clases se pueden representar por los signos positivos (+) y negativo (-). Los materiales usados para generar las cargas hicieron que cada barra tuviera una carga diferente. La barra de vidrio se cargo positivamente y la de caucho se cargo negativa-

BOLITAS DE PAPEL

LAS CARGAS NEGATIVAS SE MUEVEN DE LA BARRA HACIA LA BOLITA BARRA DE CAUCHO

BOLITA DE PAPEL

ENTONCES LA BOLA TIENE CARGA NEGATIVA

Figura 1-2. Bolitas de pasta de papel que se atraen entre Sl.

Figura 1-3. Transferencia de la carga estatica hacia las bolitas de papel: a) usando la barra de vidrio; b) usando la barra de caucho. Eleel ricidad basica

J

-

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mente. Estas cargas se transfirieron a las bolitas (Fig. 1-3). Al recibir cargas opuestas, las bolas se atrajeron entre si. Esto demuestra una ley electrica basica: cargas contrarias se atraen. Usense ahora los mismos materiales para llevar a cabo est os pasos: Paso 1. Toquese con el dedo cada una de las bolitas durante un instante. Esto elimina las cargas aplicadas con anterioridad y ahora las bolitas estan descargadas. Paso 2. Coloquense los soportes tan cercanos entre si como sea posible. Paso 3. Frotese la barra de vidrio contra el trozo de tela de seda para recargaria. Paso 4. Toquese una de la bolitas con la barra de vidrio, inmediatamente separese la barra. Recarguese la barra y toquese la segunda bolita. Paso 5. Las bolitas oscilaran alejandose una de la otra tanto como sea posible. Muevanse los soportes uno alrededor del otro; las bolas oscilanin en todas direcciones, evitandose entre si (Fig. 1-4).

Figura 1-4. Las bclitas de papel se repelen entre si.

En esta ocasion, a las dos bolitas se les dio la misma carga y se repelieron mutuamente. Esto demuestra la otra parte de esta ley basica: cargas iguales se repelen. En la seccion que sigue, cuando se yea de que est an hechos los atomos, el lector aprendera que significado tienen las cargas posit iva (+) Ynegativa (-) y que fuerza es la que provoca que las bolitas se muevan. 4

Fundamentos de instalaciones electricas

.PEQU~,NO, MAS PEQUENO,

PEQUENISIMO: MOLECULAS, ATOMOS, ELECTRONES· EI mundo en que vivimos esta hecho de much os millones de cosas diferentes que ocupan espacio y tienen peso. EI nombre gene rico para todaf estas cosas es materia. La materia inc1uye: los edificios en los que vivimos y trabajamos, la ropa que usamos, los automoviles que conducimos, el aire que respiramos, el agua que bebemos, inc1uso nuestros propios cuerpos. Todo, ya sea solido 0 gaseoso es materia. Por diferentes que parezcan todos los materiales que nos rodean, los cientificos han establecido que todas las cosas de nuestro mundo estan en realidad constituidas por un grupo relativamente pequeno de bloques basicos de construccion de la naturaleza. Por medio de acciones fisicas y quimicas en los laboratorios, todas las sustancias, sean solidas, Jiquidas 0 gaseosas, se pueden descomponer en pequenas particulas cada vez mas pequenas. Este proceso de separar las sustancias en pequenas particui as se puede continuar hasta obtener la particula mas pequena, la cual todavia conserva todas las caracteristicas quimicas de las porciones mas gran des de la sustancia. Esta pequenas particulas se llaman moleculas (Fig. 1-5). Una vez que se descubrio la diminuta molecula, los hombres de ciencia se hicieron la pregunta: l.Que encontramos si rompemos las moleculas en particulas todavia mas pequenas? Se idearon procesos quimicos para romper las moleculas y se encontro que estas estaban formadas por otra c1ase de particula mas pequena, a la que se dio el nombre de atomo. Algunas moleculas contenian varios atomos diferentes. Por ejemplo, cosas como la madera, el caucho, el agua y los plasticos se encontraban en este grupo (Fig. 1-6). Sin embargo, las moleculas de algunas otras sustancias solo contenian un atomo. EI cobre, el oro, el hierro y '!I azufre estaban en este grupo. Se encontro que solo exist ian alrededor de 100 c1ases diferentes de moleculas de un solo atomo. Las moleculas de todas las demas sustancias en el mundo contienen diversas combinaciones de estos atomos. Aquellas sustancias cuyas moleculas solo contienen un atomo se llaman elementos. Todas las cosas de nuestro mundo que tienen peso y ocupan espacio estan compuestas por combinaciones 0 mezc1as de estos elementos diferentes. Los atom os son tan pequenos que incluso es dificil imaginarios. la pizca mas diminuta de materia que pueda verse contiene bill ones y billones de ~itomos. Los microscopios mas poderosos no pueden hacer que los atomos se

vean; empero, sabemos mucho acerca de ellos y de su . estructura. Lo que sabemos de la estructura del atomo se basa en una teona, que se ha probado de muchas maneras especta-

culares. La mas espectacular es la explosion atomica. EI hecho de que ocurra este tipo de explosiones es una prueba de la teoria de la estructura atomica. Otra prueba es el uso de la energia atomic a en las plantas de generacion electrica.

0-

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,De que est an hechos los atomos?

11-

Los atomos constan de tres c1ases de particulas que se mantienen unidas por una fuerza natural. La fuerza, una forma de ener~ia que enlaza las particulas atomicas, es la verdadera fuente de energia eiectrica. Las tres particulas del atomo son los neutrones, protones y electrones. Los neutrones y protones se agrupan en el centro del atomo para formar un nuc1eo. Los electrones se mueven en trayectorias circulares (llamadas orbitas), alrededor del nuc1eo (Fig. 1-7). Cada una de las tres particulas del atomo tiene peso, pero los electrones son los mas ligeros. Se necesitarian 1840 electrones para igualar el peso de un proton 0 de un neutron.

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Figura 1-5. Division de una gota de agua.

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ELECTRONES EN ORBITA

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ATOMOS DE HIDROGENO

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NUCLEO

Figura 1-7. Modelo atomico.

ATOMO DE OXiGENO

Figura 1-6. Los ;homos de hidrogeno y oxigeno se combinan para formar una molecula de agua.

Los neutrones contribuyen al peso del atomo, pero no lIevan carga electrica. Los neutrones desempeiian un papel muy importante en el trabajo de liberar y controlar la energia encerrada en los atomos. De hecho, la palabra que mas escuchamos en relacion con la energia atomica, energia nuclear, se refiere al neutron y al nuc1eo del atomo. Sin embargo, las fuentes de la energia electrica son el proton y el electron, por consiguiente nos interesaremos en estas particulas. Con esta imagen del atomo en mente, repasemos el experimento descrito al principio de este capitulo. EI • experimento nos mostro como se podia generar por friccion una forma de electricidad, lIamada electricidad estatic a 0 carga estatica. Electricidad basica

5

Los materiales que se cargan por friccion son aquellos cuyos :itomos pueden ceder electrones al frotar su suptrficie. EI calor y el movimiento de frotamiento transfiere electrones de uno de los materiales al otro. Cuando esto sucede, se tienen algunos :itomos en una de las superficies a los que les faltan electrones, y existen algunos :ltomos en la otra superficie a los que les sobran electrones. Cuando la barra de vidrio se froto contra la seda, los electrones se movieron de la barra ala seda. Esto procovo una escasez de electrones en la barra de vidrio. Frotar la barra de caucho contra la piel hizo que los electrones se movieran de la piel a la barra. Esto trajo como consecuencia un superavit de electrones en la barra. Entonces, la energia que enlaza a los atomos ejerce una fuerza con el fin de restablecer el equilibrio natural. Esta es la fuerza que hizo que las bolitas se atrajeran entre si en el primer experimento (Fig. 1-8a).

a)

Se genera la fuerza porque dos de las particulas, los protones y los electrones, tier.en cargas elt!ctricas opuestas. La carga del proton es positiva y se ITlJestra como +; la del electron es negati'i3 y se muestra como -. Los simbolos + y,- representan cargas contrarias y la atraccion que muestran se enuncia como la ley electrica de que "cargas contrarias se atraen". La segunda parte del experimento con electricidad estatica mostro como, cuando se aplic6 la misma carga, se provoc6 que las bolitas se repelieran. Al cargar los l11ateriales se gener6 una carga positiva (+) en cada una de elias y, a continuaci6n se aproximaron (+) y (+); al hacerlo, se vio que existi? una fuerza que intentaba mantener separados a estos materiales (Fig, 1-8b). Esta es una demostraci6n de la segunda parte de esa importante ley electrica: "cargas iguales se repelen". La fuerza natural que hace a las cargas contrarias atraerse y a las iguales repelerse es la fuente de toda la energia electrica. No s610 la energia generada por los materiales que se frotan uno contra el otro, sino toda la energia electrica, sin importar c6mo se genere. Hemos aprendido que existen solo alrededor de cien tipos diferentes de atomos, un tipo para cada ele'mento. Ahora sabemo,s que todos los atomos estan compuestos de tres particulas diferentes. Entonces, l.en que difieren los atomos de elementos diferentes? S610 difieren en el numero de particulas que cada uno contiene. Todos los neutrones son iguales, todos los protones son iguales, todos los electrones son iguales. Pero estan unidos en numeros diferentes para formar los diferentes elementos. Por ejemplo, un atomo de hidrogeno, la sustancia mas ligera que se conoce, s610 contiene un proton y un electr6n; un atomo de cobre tiene 29 protones en el nueleo y 29 electrones en 6rbitas alrededor de el (Fig. 1-9). Cuando nada perturba el equilibrio, el numero de electrones y prot ones en cualquier atomo es exactamente el mismo. Por 10 tanto, las cargas positivas son exactamente iguales a las cargas negativas y el atomo es electricamente neutro.

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b) Figura \-8. Cargas estaticas: a) las cargas opuestas hacen que las bolitas se atraigan; b) las cargas iguales hacen que las boli tas se repelan.

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Fundamentos de instalaciones electricas

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Figura 1-9. Atomos de hidrogeno y de cobre.

La fuerza que mantiene a los ,itomos juntos es la atraccion entre los protones positivos del nueleo y los electrones negativos que 10 rodean. Recuerdese, el numero de cargas positivas y el de cargas negativas son iguales, y cargas opuestas se atraen.

Electrones libres Debido a que la carga positiva est a concentrada en el nuc1eo, en tanto que la carga negativa total esta constituida por muchos electrones en orbita, estos tienden a permanecer a distancias fijas del nueleo, conforme giran alrededor de el. Sin embargo, para mantener el equilibrio apropiado, algunos electrones describen sus orbitas cerca del nueleo y otros mas lejos. Se puede imaginar a los electrones cercanos al nueleo como si estuvieran encerrados en el atomo. Se necesitaria una fuerza tremenda para desalojar estos electrones. Los electrones que se encuentran en orbitas mas alejadas del nueleo no estan encerrados con tanta intensidad; estos electrones reciben el nombre de electrones fibres. Pueden pasar de un atomo a otro en forma aleatoria (Fig. 1-10). Si se pudiera forzar a todos 0 a la mayor parte de los electrones libres de algun material a que se amontonen en el mismo punto, ese punto pronto tendria un superavit de electrones. En virtud de que los electrones tienen carga negativa, un supenivit de electrones es otra manera de decir que ese punto tendria una carga negativa. Por supuesto; si se tiene un superavit de electrones en un punto, debe haber un deficit de los mismos en otro punto. Entonces, este segundo pun to tendria una carga positiva, porque la carga positiva del nueleo no estaria compensada por una carga negativa equivalente.

Figura I-lD. Electrones libres (desplazamiento aleatorio).

Lo antes descrito es basico para comprender la electri· cidad. Si alguna fuerza hace que los electrones libres de un material se muevan en una direcci6n, se pueden crear dos puntos que tienen cargas electricas opuestas (Fig. 1-11). EI punto hacia e1 cual se mueven los electrones se

----------1JIj. -i\ -----------------_._---- - - - - - - - -Figura 1-11. Electrones lib res (desplazamiento no aleatorio).

convertira en el punto negativo; aquel del cuallos electrones se alejan se convertira en el pun to positivo. Este movimiento de electrones y las cargas que resultan son 10 que constituyen la energia electrica (Fig. 1-12). Los hechos principales que deben recordarse de 10 visto en esta seccion son: 1. Toda sustancia, ya sea liquida, solida 0 gaseosz, esta compuesta por atomos. 2. Los atomos contienen particulas llamadas protones que tienen una carga positiva y particulas llamadas electrones que tienen una carga negativa. 3. Los protones estan agrupados en el centro del atomo, los electrones describen orbitas alrededor del centro. 4. En los atomos de algunos materiales, los electrones que se encuentran mas alejados del centro s610 estan ligados de manera ligera al atomo y pueden moverse de su atomo propio hacia otro cercano. 5. Si todos 0 la mayor parte de los electrones libres de algun material se pueden forzar a derivar en una direccion, el punto hacia el cual se mueve adquirira una carga negativa, y el punto que dejan adquirira una carga positiva. Decir que dos puntos tienen cargas positiva y negativa, respectivamente, es otra manera de decir que existe una fuerza entre ellos. La fuerza es una forma de la energia almacenada en los atomos. La fuerza tiende a restablecer el equilibrio natural de electrones y protones en el atomo. Esta fuerza se conoce como voltaje (0 tension). Entre mayor sea el desequilibrio entre prot ones y electrones (entre mayor sea el numero de atomos que han perdido electrones), mas intensa sera la fuerza, es decir, mayor sera el voltaje entre los dos puntos cargados (Fig. 1-13). Si se suministra una trayectoria [acil para que los electrones se muevan hacia los protones, los electrones seguiran ese camino. EI movimiento de los electrones a 10 largo de esta trayectoria se llama flujo de corriente. EI numero de electrones que se mueven depende de la fuerza (voltaje) que este actuando sobre ellos y de la facilidad con la que puedan moverse a 10 largo de la trayectoria. Si los electrones se pueden mover con libertad a 10 largo de la trayectoria, el flujo de electrones sera intenso, aun cuando la fuerza que actue sobre ellos sea pequeiia. Si la trayectoria que siguen los electrones les permite moverse con libertad, se puede deci'r que la trayectoria ofrece una resistencia "baja". Lo contra rio tambien se cumple. Si los electrones no se pueden mover con facilidad, la trayectoria ofrece resistencia "alta". Cuando la trayectoria ofrece una resistencia alta, el flujo de electrones sera ligero, aun cuando la fuerza (voltaje) aplicada sea alta (Fig. 1-14). Electricidad basica

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.....

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MATERIA

--~~~~. ELECTRONES

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UNA SOLA MOLtCULA

MUCHAS MOLtCULAS

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I I MATERIA VISIBLE

COMPUESTO

UN SOLO ATOMO

NEUTRONES

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(UN CUMPUESTO ES UNA MOLtCULA QUE CONTI ENE ATOMOS DE l:JNA CLASE)

Figura 1-12. Ruptura de la materia en particulas electricas.

FUERZA DtBIL

DESEQUILIBRIO PEQUENO

Todas las afirmaciones hechas acerca del voltaje, corriente y resistencia sugieren que la fuerza electrica, el flujo de electrones y la facilidad del movimiento de los mismos estan intimamente relacionados. Un poco mas adelante, en la ley Ohm, veremos como funciona esta relacion. Antes de hacerlo, debemos considerar como se pueden describir en numeros estas importantes caracteristicas electricas.

a)

FUERZAINTENSA

DESEQUILIBRIO GRANDE

b) Figura I-B. Desequilibrio de electrones: a) ligero; b) intenso.

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L

Fundamentos de instalaciones electricas

.SISTEMA METRICO INTERNACIONAL· Durante cerca de 200 aiios se han estado aplicando diversas formas del sistema met rico. En 1960 se establecio un moderno sistema simplificado. En la actualidad, este sistema es ellenguaje internacional estandar de medicion, abreviado: SI. Desde hace mucho tiempo, las unidades de medicion electricas basicas se han expresado en terminos metricos, de modo que se requieren pocos cambios en este senti do para conformarse al nuevo estandar metrico.

a

b

RESISTENCIA BAJA

RESISTENCIA ALTA

Figura 1-14. Resistencia al flujo de electrones: a) ligera; b) intensa.

Algunas cosas se definen mejor ooservando el efecto que producen. Por ejemplo, la temperatura del aire provoca mas 0 menos dilataci6n en la columna de mercurio de I!n termometro. Al dividir la columna en unidades iguales se pueden definir los cam bios de la temperatura en grados. La resistencia al flujo de electrones en cualquier material eleva la temperatura de este. Se puede definir una unidad de resistencia en terminos de la cantidad de calor generada en el material por el tlujo de una unidad de corriente. Si se puede definir una unidad de corriente y una de resistencia, se puede definir la tercera caracteristica, el voltaje, en terminos de aquellas dos. La definicion de cada una de las unidades de energia electrica marcaron importantes avances en la Fisica y, como consecuencia, a las unidades se les dio el nombre de sus descubridores.

I'

Medicion de la corriente Convertir los tamafios y unidades de medici6n de los productos y materiales elcctricos a los nuevos tamaiios y unidades implica un gasto considerable para los fabricantes. Por esta raz6n, en este campo, el cambio a unidades metricas se efectuani con lentitud. Es probable que por algun tiempo los fabricantes de articulos y materiales electricos conservanin los tamafios actuales de los productos, pero tal vez incluyan equivalentes metricos en los paquetes y catalogos. En este libro se usan unidades y notaci6n metricas para todas las cantidades electricas. Para los productos y materiales electricos se utilizan las unidades, abreviaturas y nombres estandar en el ramo. Cuando se presenta el caso de que una unidad 0 termino met rico reemplace final mente al termino comercial usual, esta unidad nueva se explicani en el texto.

• UNIDADES DE MEDICION ELECTRICA. Para describir la cantidad de una fuerza 0 sustancia, primero se debe definir una unidad de la fuerza 0, una unidad de la sustancia. Para poder medir y trabajar con corriente, resistencia y voltaje, se debe definir una unidad de corriente, una unidad de resistencia y una unidad de voltaje. La corriente es flujo de electrones. Por tanto, se necesita definir una unidad de flujo. Una definici6n de flujo debe incluir alguna unidad de tiempo, como en galones por hora 0 litros por segundo. Entonces, una unidad de corriente se puede definir como el movimiento de cierto numero de electrones en una cantidad dada de tiempo.

La ll~ de medicion pant el flujo cJe electrones, 0 corriente electrica, es el amper~ La unidad recibio el nombre en honor del cientifico frances· Andre Marie Ampere, quien vivio de 1775 a 1836 y realizo muchos descubrimientos importantes acerca del flujo de electrones. Am ere difini6 una unidad de corrieme como U\

:000'000 000 000 000 eteetrQIP:s que pasan P~;.' ·,.,·:'·~'~··• •9 (F~g. 1-15): Se necesita ese

flujode'

num n .grande para medu el fluJo de electrones porque la carga electrica en cada electron es pequefia y se deben mover muchos de ellos para hacer que la carga electrica combinada sea 10 suficientemente grande como para medirse. Es posible que ellector yea ese numero de electrones escrito como 6.25 X 1018 • El termino 10 18 es simplemente una manera abreviada de escribir el uno seguido de dieciocho ceros. Seis y un cuarto multiplicado por un uno, seguido de dieciocho ceros dara el numero que se mostro con anterioridad. Esta gran cantidad de electrones se conoce como coulomb. Sin embargo, la unidad practica de flujo de corriente que se usa en el trabajo elect rico es el ampere. La abreviatura estandar para representar el ampere es A. En matematicas, cuando se hace men cion al flujo de corriente como una caracteristica electrica, se usa el simboiol. En este contexto, I tiene el significado de intensidad del flujo. No debe confundirse esto con A, que representa unidades de flujo.

Medicion de la resistencia l.,a unidad para medir la resistencia es el ohm. Se Ie dio este nombre en honor de Georg Simon Ohm, fisico aleman que vivio de 1787 a 1854. La unidad de resistenciaes Electricidad basica

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AMPERE = 6 250000000000000000 ELECTRDr-JES QUE PASAN POR ESTE PUNTO EN UN SEGUNDO

Figura 1-15. Flujo de electrones y tiempo.

en realidad una medida de calor. Cuando la resistencia se opone al flujo de electrones, la temperatura del material por el que estan fluyendo los electrones se eleva, es decir, se calienta (Fig. 1-16). Todos los materiales por los que pueden fluir electrones ofrecen derta resistencia. La resistencia puede ser muy pequeoa, pero nunca es cero. Ohm definio una pequeoa unidad de calor* y propuso que cualquier material cuya temperatura pudiera elevarse en esa cantidad por el flujo de un ampere tendria una unidad de resistencia. En este libro, cuando se mencionan en el texto 0 se muestran en las figuras las un idades de resistencia, siempre se utiliza la palabra ohm. EI simbolo metrico para los ohms es n, una letra griega Hamada omega. Con frecuencia, el lector vera este simbolo usado en los productos y dibujos para representar la resistencia electrica. Cuando se menciona la resistencia como una caracteristica electrica -como en matematicas- se usa el simbolo R.

TEMPERATURA BAJA

RESISTENCIA BAJA

Medici6n del voltaje L~.~Q,',Q.u;tpara

medir la fuerza que existe eotrCil PlHltOS positi¥9S y,n~iv,os> es el vall. Esta unidad tambien recibio su nombre por un antiguo experimentador, el Conde Alessandro Volta, quien vivi6 y trabajo en Italia (1745-1827). EI volt es la cantidad de presion requerida para hacer que I ampere de corriente fluya a traves de una resistencia de I ohm (Fig. 1-17). EI volt es una unidad de presion electrica provocada por una diferencia en el potencial electrico. La abreviatura estandar para los volts es V. EI simbolo V es el preferido, en matematicas, para el voltaje (0 tension) como una caracteristica electrica. Es posible que el estudiante vea el simbolo E usado para el voltaje en algunos text os matematicos. A veces al voltaje se Ie da el nombre de "fuerza electromotriz", 0 fern, por consiguiente se usa E como simbolo. En la actualidad el simbolo E resulta anticuado. 'La pequeiia unidad de Ohm era aproximadamente igual a la cuarta parte de una caloria. Una calori", es el calor requerido para elevar la temperatura de I gramo de agua en I QC.

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Fundamentos de instalaciones electricas

TEMPERATURA ALTA

RESISTENCIA ALTA

Figura 1-16. Resistencia y calor.

Medidas mas grandes

0

mas pequeiias

La cantidad de voltaje, de flujo de electrones y de resistencia que se usa en la practica es a menudo demasiado grande 0 demasiado pequeoa como para que se enuncie de manera conveniente en las unidades: volts, amperes y ohms. Con el fin de resolver este problema, se agregaron prefijos a las unidades basicas. Los prefijos

Ohms Muchos dispositivos electricos ofrecen una gran resistencia al flujo de electrones; por tanto, la palabra ohms necesita un p~·efijo para dar a en tender una gran cantidad. En las conversaciones el estudiante escuchara el termino megohm. EI prefijo mega significa un millon. La afirmacion "ese aislamiento resulta bueno para 50 megohms" significa "ese aislamiento ofrece una resistencia de 50 millones de ohms al flujo de electrones". La abreviatura estandar para la resistencia electrica -Q- se puede combinar con los prefijos metricos para representar miles de ohms -krl- 0 mill ones de ohms -MQ. - Estos simbolos . se usan principal mente en los dibujos electricos.

-LEY DE OHMFigura 1-17. Un ampere que pasa a traves de un ohm es igual a un volt.

se colocan antes de (0 delante de) las palabras para cambiar su significado. Existen muchos prefijos posibles que se pueden usar, peroen las instalaciones electricas los mas comunes son los que se presentan en la figura 1-18.

1000 x VOLT

=

1/1000 AMPERE =

1 KILOVOLT 1 MILIAMPERE

1000000 x OHM =

1 MEGOHM

1 000 x OHM

1 KILOHM

=

Figura 1-18. Prefijos como multiplicadores.

Volts Se utilizan grandes voltajes para transportar la potencia por las lineas de transmisi6n a traves de las cuales las compaiiias suministran el servicio. Estos voltajes son tan grandes que resulta mas facil hablar en terminos de 1 000 volts que de 1 volt. El prefijo que significa 1 000 es kilo. Por tanto, la afirmacion "es una linea de 12 kilovolt" significa "el voltaje (0 tension) de la linea es de 12 000 volts". Kilovolt se abrevia kV.

Amperes Bajo ciertas condiciones, se pueden presentar cantidades muy pequefias de flujo de electrones en las instalaciones electricas. Para este ti po de situaciones es conveniente dividir el ampere en mil partes. El prefijo para cada una de estas partes es el de mili. El decir "8 miliamperes" sign ifica "ocho milesimas de un ampere". Miliampere se abrevia rnA.

La relacion entre el voltaje, la resistencia y el flujo de corriente fue descubierta hace mucho tiempo porel fisico en cuyo honor se dio el nombre a la unidad de resistencia. El anunci6 las formas en las que la corriente, el voltaje y la resistencia se afectan entre si, en una ley basica de la electricidad que guarda su nombre, la ley de Ohm. La ley de Ohm afirma que existe una sencilla relacion matematica entre las tres caracteristicas de la electricidad. Cuando existe una fuerza (voltaje) entre dos puntos y se crea una trayectoria (resistencia) para el flujo de electrones (corriente), el voltaje hara fluir la corriente y la relacion entre las tres caracteristicas, en unci ada en palabras, sera: 1. El voltaje en volts sera igual al flujo de electrones en

amperes multiplicado por la resistencia en ohms. 2. El flujo de electrones en amperes sera igual al voltaje en volts dividido entre la resistencia en ohms. 3. La resistencia en ohms sera igua\ al volta)e en volts dividido entre el flujo de electrones en amperes. Utilizando los simbolos V para el voltaje, Ipara el flujo de electrones y R para la resistencia, las mismas tres formulas se pueden escribir: 1. V 2. I 3. R

= I X R. = V/ R = V / I.

Debido a que esta ley es tan importante en el trabajo electrico, resulta util con tar con alguna ayuda para recordar estas formulas. Una manera que mucha gente cons idera facil es: el triangulo de la ley de Ohm (Fig. 1-19). Las posiciones de los simbolos indican como hallar la cantidad faltante. Electricidad basica

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I

R

Figura 1-19. Triangulo de la ley de Ohm.

1. Para hallar V se debe conocer I y R. I Y R se encuenttan en el mismo renglon, por tanto deben multiplicarse, como en la formula 1 antes dada. 2. Para hallar 1, se deben conocer Vy R. Vesta sobre R, de donde, V debe dividirse entre R. 3. Para hallar R, se deben conocer Vel. Vesta sobre I, por consiguiente V se debe dividir entre l

Resumen 1. El voltaje (0 tension) es una fuerza que se crea al cambiar el equilibrio de electrones y protones en los atomos, haciendo que los electrones dejen algunos atomos. Se mide en volts. 2. La corriente es el flujo de electrones que se presenta cuando se cuenta con un voltaje y una trayectoria para el flujo. El flujo de electrones se mide en amperes. 3. La resistencia es una caracteristica de la trayectoria para el flujo de electrones que se opone al movimiento de tales electrones. La resistencia se mide en ohms. 4. El voltaje, el flujo de electrones y la resistencia estan intimamente relacionados. Se puede hallar cualquiera de los tres si se conocen los otros dos. La relacion matematica entre el voltaje, el flujo de electrones y la resistencia se llama: ley de Ohm.

·CONDUCTORES Y AISLADORES· Hasta aqui se ha examinado como fluyen los electrones a 10 largo de 10 que llam?'11os una trayectoria. Las trayectori as reales a 10 largo oe las cuales fluyen los electrones son los alambres. Ahora que sabemos algo acerca del voltaje, el flujo de electrones y la resistencia, sera mas facil ver por que algunos materiales constituyen buenas trayectorias pa'ra el flujo de electrones y otros no. 12

Fundamentos de instalaciones eh~ctricas

Sabemos que los atomos de cada elemento difieren en el numero de electrones y protones que cor. jenen. Cada atomo se puede identificar por un numero at6mico, un numeru que indica la cantidad de electrones y protones que tal atomo contiene. Tambien sabemos que los electrones describen orbitas en grupos 0 anillos a diversas distancias del nucleo. Cada uno de estos grupos 0 anillos de electrones puede contener un numero maximo de ellos. Cuando el anillo contiene el numero maximo, se dice que es "estable" y no aceptara ni cedera electrones. Se puede concebir esta condicion como un equilibrio. Cuando un anillo tiene su numero maximo de electrones, la masa que se encuentra girando esta bien equilibrada y, por 10 tanto, es estable. Los atom os estan formados de tal manera que los anillos se llenan sucesivamente hasta el maximo, a partir del interior hacia afuera. Entonces se tiene el anillo exterior, sea cual fuere el numero de electroneS que queden. Un atomo de cobre tiene 29 protones en el nucleo y, por consiguiente, 29 electrones en orbita. Si se observa un diagrama de ese atomo (Fig. 1-20), se ve que el anillo interior tiene 2 electrones, su numero maximo. El anillo siguiente tiene 8, su numero maximo. El tercer anillo tambien tiene su maximo de 18. Todos los electrones anteriores suman 2 -1- 8 +18 = 28. Solo queda un electron para el anillo exterior. A este anillo exterior Ie gustaria tener ocho electrones, su numero maximo. Con solo un electron, en donde se necesitan ocho para obtener el equilibrio, este anillo es inestable. Eso significa que, el electron de este anillo se puede desplazar con facilidad hacia otro anillo exterior. Entonces se pueden mover electrones hacia el anillo vacio, y el proceso continua.

ORBITA DE 2 ELECTRONES • COMPLETA

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