Los parámetros eléctricos

Una revisión de los fundamentos y las formas sutiles en que interactúan

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En este artículo, discutimos los parámetros eléctricos básicos, voltios, amperios, carga eléctrica, capacitancia, inductancia y ohmios. Todos los técnicos electrónicos, en particular los técnicos de ascensores y los trabajadores de mantenimiento, conocen los fundamentos, pero hay algunas sutilezas en la forma en que interactúan que vale la pena revisar.

Para trabajar en equipos eléctricos, particularmente ascensores, en diseño y fabricación o diagnóstico y reparación, se requiere un conocimiento preciso de los parámetros eléctricos. Los más básicos son amperios, voltios, ohmios y culombios.

El amperio es la unidad de corriente eléctrica, que comienza en el electrolito de la batería o en los devanados de un generador eléctrico, fluye a través de los conductores, atraviesa la carga y vuelve a the source. A lo largo de este circuito, a menos que se divida en ramas separadas, la corriente es la misma, de acuerdo con la ley de corriente de Kirchhoff. Este es un principio muy básico en electrónica y es de gran ayuda en los diagnósticos preliminares. Todos esos electrones tienen que ir a alguna parte y no se pierden, incluso cuando pasan a través de una carga resistiva donde una parte de la energía se disipa en forma de calor. (Es poder lo que se disipa, no corriente).

Un amplificador, por definición, consta de un flujo de 6.24 X 10¹⁸ electrones que pasan por un punto específico en un circuito eléctrico por segundo. (Eso es 624 seguido de 18 ceros. Si no lo entiende, busque notación científica en Internet). Esta cifra es absolutamente precisa porque está fijada por definición. Las definiciones de los otros parámetros eléctricos se derivan de la definición del amplificador.

Dado que el amperaje es una medida del flujo de corriente a través de un cuerpo conductor, no es correcto hablar de la corriente eléctrica como una propiedad de the source excepto que cualquier fuente tiene una corriente máxima disponible, que aumenta rápidamente cuando la resistencia o la impedancia de la carga desciende por debajo de un valor crítico.

Los electricistas usan una pinza amperimétrica para medir la corriente consumida por cargas pesadas, como el motor de un ascensor. Al presionar el interruptor de pulgar en el costado del instrumento, las mordazas se abren y se pueden cerrar alrededor de un conductor vivo, desnudo o aislado. La pantalla muestra la corriente en amperios que circula por el circuito. La medición se puede realizar en un conductor que alimenta un equipo en funcionamiento, como un motor de ascensor, sin ponerlo fuera de servicio.

El conductor vivo y las mordazas del instrumento son el primario y el secundario de un transformador. Esto mide el campo magnético alrededor del conductor y la pantalla está calibrada para mostrar los amperios. Aunque el Amprobe es en esencia un transformador, los modelos avanzados pueden leer corriente continua por medio de un dispositivo interno de efecto Hall.

La pinza amperimétrica es capaz de medir 200-600 amperios. No funciona en cables que contienen dos o más conductores porque las corrientes que fluyen a través de ellos viajan en direcciones opuestas y los campos magnéticos se cancelan entre sí.

Pequeñas cantidades de corriente se pueden leer en un multímetro. Es necesario cortar el circuito bajo prueba y colocar el medidor en serie. Luego, después de tomar la medida, vuelva a soldar el circuito. Asegúrese de verificar la clasificación del multímetro en el modo de amperios porque el medidor no tolerará una sobrecarga. Recuerde que al tomar este tipo de lectura, a diferencia de una lectura de amperímetro, voltímetro u ohmímetro, la cantidad total de corriente pasa por el medidor.

El voltio es la unidad de fuerza electromotriz. Por definición, es el potencial eléctrico entre dos conductores o terminales cuando un amperio de corriente fluye a través del circuito. Cuando una carga no está conectada, este amperio de corriente no fluye a través del circuito, pero eso no niega la definición de voltio. Alternativamente, podemos decir que un voltio es la diferencia de potencial entre dos cables o terminales cuando un julio de energía por culombio de carga pasa a través del circuito. Es impropio hablar de un voltaje que pasa a través de un circuito al igual que es impropio hablar de una corriente dada en una terminal.

Tenga en cuenta las siguientes relaciones:

• Voltios es igual a amperios por ohmios
• Voltios iguales a webers por segundo (flujo magnético por tiempo)
• Voltios igual a julios por culombio

Dado que el voltaje es una diferencia de potencial, por lo general se mide usando un multímetro dentro de su rango para sondear un componente vivo, dos puntos en un circuito o un punto en un circuito y tierra. Es importante operar el medidor dentro de su voltaje nominal. Si no se conoce el voltaje, a menudo es seguro asumir que el voltaje no excede el voltaje de suministro, aunque esto puede no ser cierto como en un controlador de frecuencia variable para un motor de elevador o equipo como un tubo de rayos catódicos de TV con altos voltajes de deflexión, o en cualquier lugar donde haya un transformador elevador.

Para una comprensión integral de los electronvoltios y cómo se unen los conceptos de voltaje y carga, tenemos que analizar el electrónvoltio (eV), que históricamente ha sido utilizado por teóricos e investigadores. El eV es un potencial de energía muy pequeño. Un billón de eV es aproximadamente la energía que gasta un mosquito volador. Sin embargo, eso no tiene por qué preocuparnos, porque usando notación científica o prefijos, el eV puede elevarse hasta, digamos, la cantidad de energía para hacer funcionar un ascensor de cualquier tamaño. Ciento setenta y dos GeV es la energía en reposo de un quark top, la partícula elemental medida más pesada.

En física, un eV es la cantidad de energía cinética ganada por un solo electrón que acelera desde el reposo a través de una diferencia de potencial eléctrico de un voltio en el vacío. Utilizado como unidad de energía, el valor de 1 eV en julios es igual a la cantidad numérica de carga de un electrón en culombios.

Esto nos lleva al importante concepto de carga. La carga eléctrica se mide en culombios. Al trabajar en el diagnóstico y diseño de ascensores, rara vez necesitará medir la carga, pero el concepto es importante en el circuito del motor y el controlador, particularmente por lo que sucede en los transistores de efecto de campo de semiconductores de óxido metálico (MOSFET).

Los escritores antiguos estaban familiarizados con cinco fenómenos distintos, que explicamos usando el concepto de carga eléctrica:

1. Lightning
2. Anguilas eléctricas y pez torpedo
3. Fuego de San Telmo
4. Ámbar, frotado con piel, que atrae objetos pequeños.
5. Electricidad estática, como cuando una chispa salta de la mano a un objeto de metal.

Tales de Mileto (624-546 a. C.) no dejó escritos existentes, pero se dice que describió el efecto ámbar, que afirmó como prueba de que los objetos inanimados tienen alma.

En términos generales, los antiguos griegos no parecían darse cuenta de que las cinco categorías enumeradas anteriormente estaban conectadas de alguna manera. Los experimentadores griegos observaron que el ámbar cargado atraería objetos ligeros y observaron que el ámbar frotado podía producir un débil arco eléctrico.

Un análisis más detallado ocurrió en 1600 dC, en William Gilbert's Magneto. Este científico inglés acuñó la palabra “electrica” para describir el efecto ámbar.

En los siguientes dos siglos, los científicos, incluido Benjamin Franklin, desarrollaron teorías de carga eléctrica más sofisticadas de dos y luego de un fluido. Franklin visualizó la electricidad como un fluido invisible presente en toda la materia. Afirmó que era el vidrio en el frasco de Leydon recientemente inventado el que contenía una carga eléctrica acumulada. Él creía que frotar superficies aisladas causaba que el fluido se moviera de un lugar a otro, constituyendo una corriente eléctrica. Afirmó que cuando la materia contenía un exceso de fluido, estaba cargada positivamente y cuando tenía un déficit, estaba cargada negativamente. Obtuvo la dinámica correcta, pero se equivocó sobre la dirección del flujo. Hasta el día de hoy, decimos que un electrón tiene carga negativa, aunque no tiene nada inherentemente negativo.

En 1838, Michael Faraday inició un estudio detallado de la carga eléctrica. Observó que la carga eléctrica es una relación entre dos cuerpos materiales porque es imposible cargar un cuerpo sin impartir la carga opuesta a otro cuerpo material. En consecuencia, la carga eléctrica es un déficit o exceso de electrones u otros portadores de carga. Además, concluyó que el estado normal de las partículas es no polarizarse. Cuando se polarizan, estas partículas tienden a volver a su estado no polarizado.

Dos décadas más tarde, James Clerk Maxwell se dio cuenta de que la carga, más que una sustancia, es energía que reside en el campo entre dos sustancias cargadas. Vemos esto en el comportamiento de un capacitor. Un capacitor consta de dos placas conductoras con conductores unidos, separadas por una capa delgada de material no conductor conocida como capa dieléctrica. Cuando se aplica voltaje a las placas de un capacitor, contrariamente a la creencia común, la corriente no fluye a través de él, como en una resistencia. Es por eso que los capacitores no disipan mucho calor a pesar de la caída de voltaje que se puede medir a través de ellos cuando están energizados. ¿Adónde va esta energía? La carga se almacena en la capa dieléctrica, luego, cuando se elimina el voltaje aplicado, el voltaje regresa al circuito conectado. Por lo tanto, la función de la capa dieléctrica no es solo mantener separadas las placas y aislarlas eléctricamente entre sí, sino también almacenar la carga eléctrica. Este proceso continúa hasta que se alcanza un estado de equilibrio. Entonces, si se aplica una polaridad opuesta, el dieléctrico se descarga y luego se carga con esa polaridad opuesta. Esto sucede muy rápidamente si se aplica CA, especialmente de alta frecuencia.

Para el observador externo, esto aparece como un flujo de corriente, pero en realidad es la capa dieléctrica que almacena y libera portadores de carga.

Un inductor (bobina) funciona de manera similar, excepto que la energía está contenida en el área circundante y dentro de la bobina en un campo magnético. Cuando se interrumpe la corriente al inductor, se dice que el campo magnético colapsa y la energía regresa a los devanados que componen la bobina. Cuando se aplica CC a un inductor, hay un breve pico de alto voltaje a través de él y otro pico cuando se elimina el voltaje.

La carga eléctrica está cuantificada. Existe sólo en múltiplos enteros de lo que llamamos e, que es muy pequeño, igual a 1.62 X 10^-19 culombios. 

La unidad de carga es el culombio. Se define como la cantidad de carga que pasa por un punto específico de un conductor eléctrico que transporta un amperio de corriente en un segundo.

En el curso normal del diagnóstico o creación de prototipos de circuitos, los trabajadores rara vez necesitan medir la carga, ya que es la integral del amperaje y la corriente y se mide fácilmente con un multímetro en modo de amperios o con una pinza amperimétrica. Si la carga debe medirse directamente, utilice un electrómetro o un galvanómetro balístico.

Otro parámetro eléctrico muy fundamental es el ohm. Es la unidad de resistencia eléctrica, una propiedad de cualquier material, incluido el vacío, que es capaz de conducir portadores de carga.

En la imaginación popular, cuando se aplica voltaje de una fuente como una batería o un generador a través de un conductor, los electrones se alinean en el extremo cargado negativamente y viajan a la velocidad de la luz hasta el extremo positivo, al que son atraídos y luego regresan. a la fuente de poder. En realidad, su viaje es mucho más lento y su movimiento más aleatorio. Están sujetos a colisiones con átomos, iones y electrones libres en el conductor. Esto constituye la resistencia, que hace que una parte de los electrones se irradie y se disipe en forma de calor.

Es esta resistencia la que se mide por medio del multímetro en modo ohmios. La resistencia es medida diariamente por electricistas y técnicos electrónicos. A diferencia de los amperios y voltios, no es una medida en vivo. Si desea medir la resistencia de un componente en el circuito, como en una placa de circuito impreso en un controlador de movimiento de ascensor, primero asegúrese de que el equipo esté apagado. Un voltaje inesperado aplicado a los cables de un ohmímetro puede destruir el medidor y lesionar al usuario si el voltaje y/o la corriente de falla son lo suficientemente altos. Tenga en cuenta también que los equipos con condensadores electrolíticos, como una fuente de alimentación, pueden almacenar voltaje residual mucho tiempo después de que se apaguen. También existe la capacitancia distribuida en todo el chasis. Por esta razón, es mejor cortar un cable, utilizando una herramienta de corte aislada dentro de su capacidad y guantes de alto voltaje (disponibles en Amazon) cuando corresponda. 

La resistencia R de un cuerpo es la relación entre el voltaje V a través de él y la corriente I a través de él. La conductancia G es el recíproco, como se expresa en estas ecuaciones:

• R = V / I
• G = I/R
• G = I/V

Estas igualdades constituyen la ley de Ohm. Son aplicables a materiales óhmicos, pero no a ciertos dispositivos como una batería, un diodo o un transformador, que tienen propiedades intrínsecas que oscurecen los parámetros óhmicos.

La resistencia y la conductancia de un cuerpo están determinadas principalmente por su geometría y material constituyente. La geometría afecta la resistencia como en un alambre largo y delgado, que tiene una mayor resistencia que un alambre corto y grueso del mismo material. El material es el otro factor. La corriente eléctrica fluye con poca pérdida a través del alambre de cobre, mientras que con mayor pérdida a través del alambre de acero del mismo espesor y longitud. La amplia gama en sus propiedades se conoce como resistividad. La resistividad de un material dado es constante independientemente de su tamaño, forma o configuración dentro de un circuito. La resistividad de una caja de alambre en el almacén es la misma que la resistividad de un puente corto en una placa de circuito impreso, dado el mismo material de alambre. Pero la resistencia depende de la resistividad, la forma y el tamaño. Factores adicionales, además de la forma, el tamaño y la resistividad, como la temperatura y la tensión, también afectan la resistencia de un conductor o dispositivo en un circuito eléctrico, aunque en el nivel más básico de diagnóstico del controlador de movimiento y del variador de velocidad, estos efectos no afectan. deben ser considerados, a menos que se sospechen condiciones sutiles.

La resistencia en la mayoría de los cuerpos del mismo tamaño, forma y resistividad es constante. Pero la resistividad de diferentes materiales varía enormemente. Por ejemplo, la conductividad del teflón, un buen aislante, es 10³⁰ menor que el cobre. Esto se debe a que los electrones en un aislante están ligados en lugares específicos y, por lo tanto, no pueden transportar cargas de un extremo al otro del material. Por el contrario, los conductores como los metales tienen muchos más electrones libres que no están unidos a los átomos, pero pueden viajar libremente a través de los espacios relativamente amplios entre los átomos. La mayoría de los materiales, como el carbono, tienen una resistividad intermedia. La mayoría de las resistencias se fabrican mezclando varias proporciones de carbón pulverizado con una pasta que tiene diferente resistividad.

Los superconductores pueden ser la ola del futuro, especialmente en el espacio exterior de baja temperatura. Los superconductores están hechos de materiales que tienen una resistividad cercana a cero (conductividad infinita) si se enfrían lo suficiente. En consecuencia, casi no hay disipación de energía eléctrica, no hay pérdida apreciable. Lo que es problemático es que, en este momento, los conductores metálicos tienen que enfriarse utilizando helio líquido a unos 4° K para que funcionen como superconductores.

Se han desarrollado sistemas avanzados que funcionan a 77° K. Funcionan con el refrigerante de nitrógeno líquido mucho menos costoso, pero los materiales son cerámicas más caras, quebradizas y frágiles, que no son prácticas. Debido a que los superconductores metálicos requieren refrigerantes difíciles, especialmente helio líquido, existe un gran incentivo para que los investigadores descubran mejores materiales de alta temperatura, es decir, aquellos que se vuelven superconductores a la temperatura del nitrógeno líquido fácil de usar.

Hasta el momento lo que se ha encontrado son óxidos de cobre y compuestos a base de hierro. Desafortunadamente, estos materiales no se prestan a ser formados en conductores viables. Un área prometedora es la de los gases superconductores, pero, hasta ahora, esto es principalmente especulativo.

Los superconductores de baja temperatura se utilizan en aplicaciones especializadas, como los colisionadores de partículas, que requieren grandes conductores de muy baja resistencia para alimentar enormes imanes que aceleran las partículas en su camino.