ENERGÍA Y TRABAJO MECÁNICO

Se dice que un cuerpo tiene energía cuando es capaz de realizar un trabajo. El trabajo mecánico depende de la fuerza empleada y de la distancia a recorrer.

Para calcular el trabajo mecánico, se utiliza la siguiente fórmula:

Trabajo Mecánico = Fuerza x Distancia

TM = F x D

La fuerza se mide en kilogramos y la distancia en metros, resultando que la unidad de medida del trabajo mecánico es el “kilográmetro”. = 600 Kgm.

-El trabajo empleado depende de la fuerza empleada y de la distancia a recorrer.

POTENCIA MECÁNICA

Supongamos ahora que dos personas deben descargar de un camión 20 cajones de fruta cada uno. ¿Cuál de los dos señores habrá realizado mayor trabajo, al final de su tarea, el señor A o el señor B?.

Si la distancia a recorrer en cada viaje es de 12 metros, y cada cajón pesa 20 kilogramos, el señor A habrá realizado el siguiente trabajo por viaje:

Para completar su tarea debe realizar 20 viajes, ya que lleva un cajón en cada uno, por lo tanto, el trabajo total realizado será:

Tm = F x d

Tm = 20 kg. = 240 kgm.

Por su parte el señor B al llevar dos cajones por vez, realizará en cada viaje el siguiente trabajo:

Tm = F x d

Tm = 40 kg. = 480 kgm. En que el señor B tuvo que desarrollar una mayor “potencia” para realizar el mismo trabajo.

12m               B

12 m

A

¿Y a qué llamamos “potencia”? “Al trabajo realizado en la unidad de tiempo”.

El señor B desarrolló mayor potencia que el señor A porque hizo el mismo trabajo en menor tiempo.

La potencia mecánica se calcula utilizando la siguiente fórmula: POTENCIA MECANICA = trabajo mecánico

Tiempo

Pm = Tm t

Siendo la unidad del trabajo mecánico el kilográmetro y la del tiempo el segundo, la unidad de la potencia mecánica resulta ser él.

Kilográmetro

Segundo

UNIDAD DE POTENCIA MECÁNICA

Prácticamente se adopta como unidad de potencia el HP (caballo de fuerza), que equivale a la potencia desarrollada realizar un trabajo de 76 Kgm. Por ejemplo: si tenemos un motor que por medio de una polea puede levantar 76 Kg a un metro de altura en un segundo, su potencia será.

Tm = F x d = 76 Kg. = 76 kgm.

Pm = Tm = 76Kgm . = 1 HP

t        1 seg.

Supongamos ahora que tenemos otro motor que levanta un peso de 19 Kg. = 152 kgm.

Pm = Tm = 152 Kgm = 76Kgm .

Para averiguar el trabajo eléctrico que se desarrolla en un circuito, tendríamos que multiplicar la tensión aplicada, por la cantidad de cargas eléctricas que circulan.

La unidad de trabajo eléctrico es el joule. Se dice que tenemos un trabajo eléctrico de un joule, cuando al aplicar a un circuito una diferencia de potencial de 1 voltio circula un coulomb (6.28 trillones de electrones).

La potencia eléctrica se mide en watts. Un watt equivale al paso de 1 Amperio al aplicarle a un circuito una diferencia de potencial de 1 voltio.

La potencia eléctrica se determina, mediante la siguiente fórmula:

W

V x I

Ejemplos

1) Si tenemos una plancha cuya resistencia permite el paso de una intensidad de 3 Amper, y se alimenta con una tensión de 220v, su potencia eléctrica será.

W = V x I

V = 220 V

I = 3A                           W = ?

W = 220 V x 3 A W = 660 watts. su intensidad será:

I =  W .

V

V= 220V I = ?

W = 2500W

I = 2.500 W

220 V

I = 11.3 Amper

3) Si tenemos un secador de pelo cuya potencia eléctrica es de 440 w y su intensidad es de Amper, su tensión será:

V =  W .

W = 440W

V = 440 w

4 A

V = 110 Volt

RELACIÓN ENTRE LA POTENCIA ELÉCTRICA Y LA POTENCIA MECÁNICA

Hemos visto que la potencia mecánica tiene como unidad el HP, que equivale a un trabajo mecánico de 76 Kgm/seg. Asimismo vimos que la potencia eléctrica se mide en watts, y que un watt es igual al producto de la tensión de 1 voltio por una intensidad de un Amperio. Para ello debemos saber que:

1 HP = 746 WATTS

Ejemplo

1) Supongamos que tenemos un motor, en cuya placa de características figura una potencia mecánica de 1/6 HP su potencia eléctrica será:

1 HP = 746 W

 1 . HP                1 . su potencia mecánica será:

1 HP = 746 w

HP = 374 w

746 w

HP = 0.5

HP =  1 .

2

TIPO DE CORRIENTE ELÉCTRICA

Existen dos tipos fundamentales de corriente eléctrica que son:

1. Corriente continua (C.C-D.C.)
2. Corriente alterna (C.A-A.C.)

CORRIENTE CONTINUA

Hasta ahora hemos tratado circuitos, en los cuales la corriente eléctrica era siempre continua. La corriente continua se obtiene de pilas, acumuladores o generadores de corriente continua, denominados dinamos.

En la fig, tenemos un circuito formado por una pila y una resistencia. De acuerdo a lo visto al estudiar la ley de Ohm, vemos que la intensidad de corriente es de 2 Amperios, ya que ella depende del valor de la tensión aplicada y de la resistencia intercalada en el circuito.

Si estos valores permanecen constantes a medida que el tiempo transcurre, el valor de la intensidad hará lo propio. A la vez, como sabemos que la corriente eléctrica siempre se dirige de negativo a positivo, el sentido de circulación de la corriente será siempre el mismo.

En el grafico que acompaña a la fig. Observamos que medida que transcurre el tiempo la intensidad de corriente siempre tiene el mismo valor (2 Amperios).

V = 200 V

I = 2 A

R = 100

“La corriente continua mantiene siempre el mismo valor y sentido de circulación”

3A

2A

1A

egundos

0    1    2    3     4     5    6     7     8    9   …….etc.

CORRIENTE ALTERNA

La corriente alterna se caracteriza por variar continuamente su valor, y periódicamente invertir su sentido de circulación.

V del generador

B

C              E

A

D I del circuito

tiempo

tiempo

En el grafico inferior, hemos representado la variacion de intensidad que circula por

el circuito y que acompaña, en

todo  momento,  a  las  variaciones  del generador.

Veamos ahora detalladamente lo que ocurre en el

circuito:  en  el  instante  que  denominamos  “A”  la

tensión aplicada vale cero y por lo tanto la intensidad

será nula. En el lapso comprendido desde el punto

“A” y hasta el punto “B” la tensión aplicada va en

aumento, y observamos en el grafico inferior que la

intensidad hace lo propio durante el mismo tiempo.

A  partir  del  punto  “B”  la  tensión  comienza  a

disminuir, llegando al valor cero en el punto “C”. En

el  grafico  inferior  observamos  que  la  intensidad

también comienza a disminuir, llegando a cero al

mismo tiempo que la tensión.

A partir del instante “C” la tensión del generador comienza a aumentar nuevamente, pero ahora lo hace con polaridad inversa con respecto a la anterior, por lo cual se representa por debajo de la línea de tiempo. Durante el mismo lapso, la intensidad también va en aumento pero ahora la corriente, se ve obligada a circular en sentido contrario.

Las variaciones de tensión o intensidad que se manifiesta desde el instante “A” hasta él “E” conforman un “ciclo” de la corriente alterna. Este proceso se repite indefinidamente a través del tiempo.

CARACTERÍSTICAS DE LA CORRIENTE ALTERNA

Se denomina “frecuencia” de una corriente alterna a la cantidad de ciclos que se desarrollan en un segundo. Su unidad es el Hertzio (Hz), que equivale a un ciclo por segundo.

En nuestro país la distribución domiciliaria de energía eléctrica se realiza, con corriente alterna de 220 V y una frecuencia de 50 Hz. En otros países, por ejemplo EE.UU., la corriente alterna tiene un valor de tensión de 110 V y su frecuencia es de 60 ciclos por segundos.

Como hemos visto, la corriente alterna varia continuamente su valor. Se denomina “Valor de pico” de una corriente alterna, al máximo valor que alcance ésta durante medio ciclo, ya sea este positivo o negativo.

100% Valor de pico

70,7% Valor eficaz

V del generador

311 V

220 V

Tiempo

-Valor de pico por eficaz de una corriente alterna

Se llama valor eficaz de una corriente alterna al valor de corriente continua que genera el mismo calor en una resistencia, en el mismo tiempo, que la corriente alterna. El valor eficaz de la corriente alterna es igual al 70,7% de su valor de pico.

En la practica el valor de tensión que se le asigno a una corriente alterna es su valor eficaz.

311V

220V

V del corriente alterna

70,7% Tiempo

220V OV

V de corriente continua

Tiempo

-Una tensión alterna de 311 V. De pico, produce en un circuito la misma potencia que una tensión continua de 220 V., ya que de la corriente alterna se considera su valor eficaz.

CAPACITORES

Son los elementos destinados a almacenar cargas eléctricas en formas de diferencia de potencial que se establece entre dos superficies metálicas enfrentadas. Si la

Por ese motivo indicamos en la figura 2 que al escapar electrones de la armadura izquierda presenta polaridad positiva (+) mientras que al mismo tiempo, la armadura derecha recibe electrones con lo que adquiere polaridad negativa (-).

Supongamos por un instante que la pila no se encuentra conectada, o sea, no aplicamos ninguna diferencia de potencial al condensador. Simplemente debemos recordar que contienen electrones, pero ni sobran ni faltan para decirlo mas correctamente, las armaduras se encuentran eléctricamente neutras.

Conectamos la pila. El polo negativo de la pila envía electrones hacia la placa A; esta armadura estaba neutra, pero ahora, al recibir electrones se hace negativa.

¿Qué ocurre mientras tanto en la armadura b? El polo (+) de la pila le roba a esa armadura la misma cantidad de electrones que recibió la placa A, queremos decir que la armadura b, al perder electrones, se torna positiva.

¿En que momento finaliza este proceso de carga? Sabemos que al recibir electrones la placa A se hace negativa, a medida que la cantidad de electrones que acumula es mayor el potencial negativo aumenta, necesariamente llegara a un instante en que la armadura A será tan negativo como el polo (-) de la fuente, por lo tanto no existe diferencia de potencial entre la placa y el borne de la pila y en consecuencia deja de circular corriente hacia la armadura.

DIELECTRICO

+                  –

ARMADURAS

Fig 1-Aspecto físico de un capacitor y su símbolo correspondiente

Símbolo

Fig 2-La energía eléctrica se acumula en las armaduras de un condensador en forma de diferencia de potencia

A                                           B

–                              +

–     +

Fig 3-Proceso de carga de un condensador. En resumen: consideramos que el condensador ha completado su carga cuando la diferencia de potencial que presentan sus armaduras es igual a la tensión de la fuente de energía.

Descarga del  capacitor. Hemos demostrado en esta forma que un condensador permite acumular corriente eléctrica (cuando se carga) y luego la devuelve durante su descarga.

El Faradio. Si agregamos a una chapa metálica una carga de un Coulombio (6,28 trillones de electrones) y esto apenas produce una presión eléctrica de un voltio, decimos que esa situación se llama un faradio. La unidad mas usada en la practica es el microfaradio que equivale a la millonésima parte del Faradio.

Tensión de trabajo. Como sabemos, el condensador tiene un instante que separa las armaduras metálicas; como todo aislante no es perfecto, o sea, si aumentamos demasiado la diferencia de potencial entre las armaduras del condensador, el aislante o dieléctrico se transforma en conductor y el capacitador queda averiado.

mf

300 v                                    4mf

250V

10 mf

200-250 V

CAPACIDAD DE UN CAPACITOR

La capacidad de un condensador depende de tres factores, a saber:

1. La superficie de enfrentamiento de las placas (cuanto mayor sea ésta, mayor será la capacidad )
2. La distancia existente entre las armaduras (a menor distancia, mayor capacidad)
3. El dieléctrico (depende del material empleado).

ASOCIACIÓN DE CAPACITORES

Al igual que en el caso de las resistencias, los capacitores también pueden agruparse en conexión serie, o en conexión paralelo.

CONEXIÓN SERIE

Dos o más capacitores están conectados en serie, cuando se encuentran unos a continuación de los otros. En todo circuito serie, la capacidad total será menor que la menor capacidad que forme el circuito.

La capacidad total se averigua por medio de la siguiente fórmula:

CAPACIDAD TOTAL = C1 x  C2

C1 + C2

Fig 6 – Asociación de capacitores en serie.

CONEXIÓN PARALELO

Dos o más capacitores están conectados en paralelo, cuando se hallan unidos por sus extremos (Fig 7). La capacidad total es igual a la suma de las capacidades parciales.

Fig 7 – Asociación de capacitores en paralelo.

TABLA DE CAPACITORES

Tamaño aproximado de capacitores de marcha para compresores de diferentes potencias.

Tamaño aproximado de capacitores de arranque para compresores de diferentes potencias.

MAGNETISMO

El magnetismo es una propiedad que tienen ciertas sustancias de atraer otros metales. En la antigüedad ya se conocía esta propiedad en un mineral denominado magnetita, que es lo que comúnmente denominamos imán natural.

El poder magnético de los imanes se caracteriza por el campo magnético que existe a su alrededor.  Este campo magnético esta formado por “Líneas de fuerza imaginarias”, que se dice que salen del imán por el polo norte y encuentran al mismo por el polo sur.

Una ley que rige los fenómenos magnéticos. Dice que:

• “Dos polos del mismo nombre se repelen” y
• “Polos de distintos nombre se atraen”

Lineas de fuerza

POLOS

N                                        S

Zona neutra

Un imán está formado por polos y una zona neutra

ATRACCIÓN

S                 N                            S                 N

REPULSIÓN

S                 N             N                 S

Polos con igual nombre se repelen y con distinto nombre se atraen

ELECTROMAGNETISMO

En muchas aplicaciones prácticas los imanes presentan serias limitaciones, la principal es su imposibilidad de modificar el valor de su campo magnético.   Son los fenómenos electromagnéticos los que permiten superar el inconveniente mencionado.

ORIGEN DEL ELECTROMAGNETISMO

La experiencia demuestra que en todo conductor recorrido por una corriente eléctrica, se forma un campo magnético que alrededor del mismo se manifiesta por medio de líneas de fuerza circulares y concéntricas que toman como centro al mismo conductor.

CAMPO MAGNÉTICO EN UNA ESPIRA

Un conductor dispuesto en la forma que muestra la figura constituye una espira. Si se le conecta una fuente, al circular corriente, desde la cara frontal de la espira salen líneas de fuerza las que entran por la cara posterior, corresponden así respectivamente los polos norte y sur.

Separación imaginaria

S N

–      +

Campo magnético de una espira.

Cara posterior

Cara frontal

–      +

POLARIDAD MAGNÉTICA DE UNA BOBINA

Para determinarla se aplica una sencilla regla práctica que dice: sujetando la bobina con la mano izquierda, de forma que los dedos doblados indiquen el sentido en el que circula la corriente, el pulgar extendido señala el polo norte de la bobina.

El  flujo  magnético  aumenta  cuando  mayor  es  la  sección  de  la  bobina  influyendo también las características del núcleo. Si el arrollamiento se realiza sobre un tubo hueco se considera que el núcleo es de aire, introducción una barra de hierro esta se magnetiza sumando sus efectos al campo originado por la bobina, de forma tal que se obtiene un flujo mayor.

S                                                    N

-Campo magnético en una bobina

INDUCCIÓN ELECTROMAGNÉTICA

Permite  la  obtención  de  corriente  eléctricas  mediante  el  desplazamiento  de  un conductor dentro de un campo magnético.  En la segunda experiencia el conductor sube y la corriente inducida se “acerca” al lector.

-Inducción electromagnética en un conductor

El conductor baja

El conductor sube

Corriente

inducida

–                         +

N                                 S                  N

+

S

corriente inducida

FUERZA DE DESPLAZAMIENTO

Permite lograr el desplazamiento de un conductor cuando el mismo transporta una corriente eléctrica, este fenómeno es el principio de funcionamiento de los motores eléctricos, las condiciones básicas se muestra la figura.  Cabe destacar que el desplazamiento será hacia abajo si invertimos los polos de los imanes o el sentido de la corriente.   El valor de la fuerza de desplazamiento depende del flujo de los imanes, de la longitud del conductor y de la intensidad de la corriente circulante.

Fuerza de desplazamiento

N                                               S

Líneas de fuerza

interruptor –   +

– Disposición de un conductor dentro de un campo magnético para explicar el efecto de la fuerza de desplazamiento

TRANSFORMADORES

Tienen por misión “transferir potencia eléctrica” a un circuito sin introducir pérdidas importantes, modificando además los factores de tensión e intensidad.  Cuando se aumenta o disminuye   el voltaje de un circuito por medio de un transformador, la intensidad de corriente tiende a variar en sentido contrario en la misma proporción.

Primario

– Transformador elemental

Secundario

En un transformador elevador de tensión, el voltaje secundario aumenta en la misma proporción que disminuye la corriente

4 A

220 VCA

2 A

440 VCA

1000 espiras

2000 espiras

 Además, la corriente circulante duplica a la del primario. En la practica la potencia secundaria es siempre algo menor que la primaria ya que se producen pérdidas por calentamiento, corrientes parásitas en el núcleo, etc.

4 A

220  VCA

8 A

110 V CA

1000 espiras

500 espiras

AUTOTRANSFORMADORES

Cuando se necesita disminuir costos de material, como así también espacio y peso, se recurre a los denominados autotransformadores.   Poseen un solo arrollamiento con una derivación de forma tal que una parte del bobinado es común al primario y al secundario, tal como se observa en la figura.

220 VCA

110 VCA

Primario                                            Secundario

Autotransformadores elevador de tensión

Motor de fase partida

Podemos considerar en ellos 5 partes fundamentales, a saber:

1)     Rotor: es un núcleo de chapas de hierro de alta calidad soportado por un eje, contiene longitudinalmente barras de cobre o aluminio cortocircuitadas entre sí por sus extremos.  Estos arrollamientos deben mantenerse e funcionamiento hasta tanto el motor haya alcanzado el 75% de su velocidad de régimen, luego, por medio de un artificio mecánico o eléctrico se los  desconecta,  manteniéndose  el  giro  del  motor  por  la  acción  de  los arrollamiento de trabajo.

Escudo

Cascaza

Estator

Ventilador

Cubre-ventilador

Caja de bornes

Paletas de ventilación

– Despiece de un motor monofásico de fase partida.

INTERRUPTOR DEL BOBINADO DE ARRANQUE:

Se encuentran dos variantes que son:

1.   MECÁNICOS     : “CENTRÍFUGOS”

2.   ELÉCTRICOS     : “RELÉ AMPERMÉTRICO”

1)  MECÁNICOS:

Los interruptores del tipo mecánico basan su funcionamiento en los efectos de la fuerza centrífuga, sobre el eje del rotor va montado el dispositivo de muestra la figura 1.   Está compuesto por una chapa soporte sobre la que van montados dos cilindros metálicos unidos por dos resortes, al aumentar la velocidad de giro dichos cilindros se alejan modificando la posición del anillo de empuje.  Al ocurrir esto el anillo de empuje deja de presionar sobre el contacto montado en el escudo y la bobina de arranque queda sin alimentación (fig 2).

Estos interruptores centrífugos se utilizan en motores para equipos abiertos.

Fig.1

Interruptor centrífugo y plaqueta de contacto

2

Interruptor

Bobinado

De arranque

2)  ELECTRICOS:

Se utilizan en las unidades herméticas y semihérmeticas.  El campo magnético producido en el relé permite el desplazamiento de la pieza metálica y con ello la unión de los contactos que permiten la alimentación de la bobina de arranque.

MOTOR A CONDENSADOR

Se encuentran dos variantes que son:

1)  Motor de arranque a condensador: es también un motor monofásico de fase partida que posee una gran fuerza de arranque, diferenciándose por llevar un capacitor en serie con el bobinado de arranque.  Estos capacitores no deben dejarse nunca conectados en el circuito por mas de unos pocos segundos ya que no soportan un funcionamiento continuo.

capacitor

Línea

interruptor

Arranque

–Resistencia en paralelo con el capacitor de arranque

Resistencia

R

–Esquema correspondiente a un                                                 C

motor de arranque a capacitor.  En estos motores se utilizan además de los interruptores de arranque ya considerados los llamados “relé voltmétricos”.

Capacitor permanente

Interruptor

Capacitor de arranque

Al conectar el motor, los contactos del relé, permanecen cerrados, pero una vez que este se ha puesto en marcha, la tensión en el bobinado del relé aumenta, abriendo sus contactos; se desconecta el capacitor de arranque y el motor sigue girando con el capacitor de marcha permanente.
 Generalmente poseen 4 polos, por lo tanto su velocidad es del orden de las 1.450 r.p.m.

DETALLE

AIRE

MOTOR Y VENTILADOR

CONDENSADOR

INTERRUPTOR O PROTECTOR TERMICO

Cuando el rotor de un motor se queda bloqueado, o como en los casos de baja tensión no alcanza a arrancar, la intensidad de corriente que circula por los bobinados del mismo toma valores   elevados que generan una cantidad de calor que resulta perjudicial para el motor, llegando incluso a quemarlos.  Estos dispositivos están compuestos de una resistencia R, que al calentarse por un paso de una intensidad elevada dilatan al bimetal B, el cual al estar formado por dos metales de diferente coeficiente de dilatación íntimamente unidos, se curva y deja de hacer  puente entre los contactos A-B, con lo cual se interrumpe el circuito, deja de circular corriente y luego que se enfría el bimetal recupera su anterior posición reestableciendo el circuito nuevamente.   Estos tipos de protectores se calculan para diferentes valores de intensidad y temperatura, pues generalmente van dispuestos sobre el motor o dentro de él, de acuerdo a su capacidad.

REFRIGERACIÓN Y AIRE ACONDICIONADO                                             Página 39

Al cerrar la puerta del refrigerador, ésta aprieta el “pulsador”, y el circuito se interrumpe, apagándose la luz interior.

INTERRUPTOR PULSADOR

Interior del Mueble Refrigerador

Conexión Eléctrica

CIRCUITO ELECTRICO DE UN REFRIGERADOR DE DOS PUERTAS CON DESHIELO AUTOMÁTICO

La resistencia calefactora (R.C.) se conecta cada vez que el compresor se detiene, para la cual el refrigerador trae un termostato Frío-Calor de tres contactos.

CIRCUITO ELECTRICO DEL RELE VOLTIMETRICO

Si el motor funciona con capacitor de arranque y capacitor de marcha permanente, como hemos visto anteriormente suele utilizarse “Relé Voltimétrico”.   Generalmente los terminales de éste se encuentran numerados, siendo los mismos números 2 y 5 los correspondientes a la bobina del Relé, mientras que los contactos de éste se hallan entre los bornes 1 y 2.  El terminal Nº 4 no lleva conexión interna, pero se utiliza como puente de conexiones.   En la figura tenemos un circuito de este tipo al que se han agregado las conexiones correspondientes al ventilador y termostato.

CUESTIONARIO Nº 6

ESTIMADO ALUMNO:

Este  cuestionario  tiene  por  objeto  que  Ud.  mismo  compruebe  la  evolución  de  su aprendizaje. Una vez que ha respondido todo el cuestionario compare sus respuestas con las que

están en la hoja siguiente.

Si notara importantes diferencias le sugerimos vuelva a estudiar la lección. Conserve en su carpeta todas las hojas, para que pueda consultarlas en el futuro.

RESPUESTAS Nº 6

1.- Mantiene siempre el mismo valor y sentido de circulac

Etiquetas: Electricidad, Energía, magnetismo, Motores, potencia, Refrigeración, trabajo