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Electricidad, electromagnetismo y electrónica aplicados al automóvil. Juan Manuel Molina Mengíbar |
ic editorial
Electricidad, electromagnetismo y electrónica aplicados al automóvil. TMVG0209
Autor: Juan Manuel Molina Mengíbar
1ª Edición
© IC Editorial, 2013
Editado por: IC Editorial
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ISBN: 978-84-16109-42-5
Nota de la editorial: IC Editorial pertenece a Innovación y Cualificación S. L.
El Certificado de Profesionalidad es el instrumento de acreditación, en el ámbito de la Administración laboral, de las cualificaciones profesionales del Catálogo Nacional de Cualificaciones Profesionales adquiridas a través de procesos formativos o del proceso de reconocimiento de la experiencia laboral y de vías no formales de formación.
El elemento mínimo acreditable es la Unidad de Competencia. La suma de las acreditaciones de las unidades de competencia conforma la acreditación de la competencia general.
Una Unidad de Competencia se define como una agrupación de tareas productivas específica que realiza el profesional. Las diferentes unidades de competencia de un certificado de profesionalidad conforman la Competencia General, definiendo el conjunto de conocimientos y capacidades que permiten el ejercicio de una actividad profesional determinada.
Cada Unidad de Competencia lleva asociado un Módulo Formativo, donde se describe la formación necesaria para adquirir esa Unidad de Competencia, pudiendo dividirse en Unidades Formativas.
El presente manual desarrolla la Unidad Formativa UF1099: Electricidad, electromagnetismo y electrónica aplicados al automóvil,
perteneciente al Módulo Formativo MF0626_2: Sistemas de carga y arranque de vehículos y circuitos electrotécnicos básicos,
asociado a la unidad de competencia UC0626_2: Mantener los sistemas de carga y arranque de vehículos,
del Certificado de Profesionalidad Mantenimiento de los sistemas eléctricos y electrónicos de vehículos.
El objetivo de esta unidad didáctica es el de analizar cualquier problema que se pueda dar en el ámbito del automóvil de forma sencilla y lógica, aplicando para su solución algunos principios básicos bien conocidos de la electricidad y sus leyes fundamentales. Estos conceptos básicos de la electricidad son la estática y la dinámica, y sus dos leyes correspondientes, que son la ley de Coulomb y la ley de Ohm, respectivamente.
El circuito de arranque comprende todo lo necesario para poder poner en marcha el vehículo con la generación de la electricidad necesaria y el sistema de carga proporciona al circuito dicha generación de electricidad necesaria para el funcionamiento del vehículo.
Dentro del automóvil hay numerosos aparatos que funcionan por medio de la electricidad, lo que otorga una alta seguridad y confort al habitáculo. Es por esto que se van a aprender aquí los fundamentos principales de la electricidad y sus componentes esenciales para su aplicación en el mundo del motor.
Las magnitudes fundamentales eléctricas son:
Donde:
Aplicación práctica
A un conductor se le aplica una tensión de 12 voltios y dicho conductor ofrece una resistencia de 100 ohmios. ¿Qué cantidad de corriente eléctrica circula por él?
SOLUCIÓN
Se usa la formula que anteriormente se ha conocido:
Se sustituyen los valores:
Tensión: 12 V.
Resistencia: 100 Ω.
Con lo cual se obtiene:
Ahora se van a explicar cuáles son las principales unidades eléctricas:
Tabla resumen de magnitudes y unidades en el Sistema Internacional:
| Magnitud | Símbolo | Unidades | Símbolo |
| Cantidad de electricidad | Q | Culombio | C |
| Potencial eléctrico | U | Voltios | V |
| Intensidad de corriente | I | Amperios | A |
| Resistencia eléctrica | R | Ohmios | Ω |
| Energía eléctrica | T | Julios | J |
| Potencia eléctrica | P | Vatios | W |
| Generación de calor | Q | Calorías | cal |
| Capacidad | C | Faradio | F |
Recuerde
El sentido real de la corriente eléctrica va desde donde hay un defecto de cargas eléctricas (terminal positivo) hasta donde hay un exceso de cargas (terminal negativo).
Tabla de múltiplos y submúltiplos:
| Factor | Prefijo | Símbolo |
| 109 | Giga | G |
| 106 | Mega | M |
| 103 | Kilo | k |
| 102 | Hecto | h |
| 101 | Deca | da |
| 10-1 | Deci | d |
| 10-2 | Centi | c |
| 10-3 | Mili | m |
| 10-6 | Micro | μ |
| 10-9 | Nano | n |
| 10-12 | Pico | p |
Los condensadores son dos placas metálicas de poco espesor, a las que se les llama electrodos, separados por un material aislante llamado dieléctrico. Este material podrá ser aire, mica o papel encerado.
Si se aplica una carga a los dos electrodos de igual intensidad y signo contrario, se almacenará la carga eléctrica entre las placas metálicas del condensador. Se denomina capacidad a la cantidad de cargas que es capaz de acumular el condensador en sus placas metálicas. La unidad de medida de dicha capacidad en el Sistema Internacional es el Faradio.
Donde:
La capacidad del condensador varía en función de la geometría de los electrodos, de la distancia entre las placas y del material dieléctrico. En general, todos los condensadores son fabricados en seco, es decir, con cintas de plástico metalizado, de altas estabilidades térmicas y resistentes a la humedad.
Importante
La tensión de ruptura del dieléctrico está relacionada con la tensión máxima que puede soportar.
En esta figura se distingue el funcionamiento de un condensador. El borne positivo cede electrones, ya que se ha conectado a la placa que tiene ausencia de electrones positivos. La placa que se conecte al borne negativo recibirá electrones de la placa positiva a través del generador. Se observa en este experimento que, aun estando las placas separadas por un dieléctrico, se establece una corriente eléctrica. Esta corriente finalizará cuando la carga de las dos placas en tensión sea igual a la de la pila.
La capacidad de los condensadores y los de voltaje máximo de ruptura se indican en los condensadores. También hay condensadores que tienen el mismo código de colores que las resistencias.
La carga eléctrica (Q) que hay en las placas metálicas tiene la característica de que la tensión es proporcional entre ellas. Puede ser positiva o negativa. Los electrones son los que tienen la carga negativa (-1 o -e) y los protones son los que tienen la carga positiva (+1 o +e).
Sabía que...
Se utiliza un condensador para la activación de los inyectores de los sistemas de Common rail.
3.1. Ley de Coulomb
Se define como la fuerza de atracción o repulsión que hay entre dos cargas eléctricas puntuales y que es directamente proporcional al producto de dichas cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa.
También depende de la constante que, según el medio donde interactúe, responde de una forma distinta.
Donde:
Actividades
1. Calcular la fuerza de repulsión de dos cargas positivas, sabiendo que el valor de las cargas son: 1.6 · 10-19 C para q1 y 2.6 · 10-19 C para q2 y que la constante del vacío K es igual a 9 · 109 N · m2/C y la distancia que los separa es de d= 0.10 m.
2. Calcular la distancia de separación que hay entre las dos cargas positivas, sabiendo que la fuerza de repulsión es 7.252 · 10-16 N y que el valor de las cargas positivas es 2.5 · 10-19 C. Dato: la constante de vacío K es igual a 9 · 109 N · m2/C.
Hay dos clases de electricidad: positiva y negativa. Las cargas con el mismo signo se repelen, las cargas de signo contrario se atraen y los neutros se dice que no están electrizados.
Dentro de la electricidad hay dos tipos:
4.1. Electricidad estática
Como su nombre indica, la electricidad estática es la que permanece en su lugar, no se mueve. Todos los elementos están constituidos por distintos materiales y estos materiales pueden estar constituidos por alguno de los átomos que existen en la naturaleza. Cada átomo tiene un núcleo positivo y una nube de electrones negativos. Esto, a su vez, hace que se comporte el átomo como neutro. Por lo tanto, al ser neutro el átomo no se manifiesta.
Ejemplo
Se tiene una varilla de vidrio y un paño de seda. Si se frota el paño de seda con la varilla, estos objetos se quedarán cargados eléctricamente [el paño con electrones (-) y la varilla con protones (+)]. Estas cargas tienen igual cantidad de electricidad pero de signo contrario, esta permanecerá constante hasta que entre en contacto una con otra o se conecten por medio de un conductor. Mediante la atracción de cargas de signo se produce la electrización, que es un desplazamiento de electrones.
Carga eléctrica se define como la cantidad de electricidad con la que se carga un objeto, su abreviatura es Q y se mide, en el Sistema Internacional (SI), en culombios (C).
Recuerde
1 culombio = 6.25 · 1018 electrones libres. El sentido que tienen las cargas eléctricas positivas es de mayor a menor potencial.
4.2. Electricidad dinámica
La electricidad dinámica se produce cuando existe una fuente permanente de electricidad que provoca la circulación permanente de electrones por un conductor. Los protones y neutrones se sitúan en pequeñas zonas que se denominan núcleos atómicos y en su periferia circulan los electrones.
Lo más característico de la electricidad dinámica es su forma, como la corriente eléctrica, y lo más característico de la electricidad dinámica que se encuentra en un automóvil es la batería.
Corriente eléctrica
La corriente eléctrica aparece cuando hay un movimiento ordenado y en un solo sentido de electrones. El movimiento es de polo negativo a polo positivo, y esto continuará mientras haya una diferencia de potencial entre dos puntos del material. La fuente de energía empleada se convierte en energía eléctrica potencial.
A la energía eléctrica potencial se le llama fuerza electromotriz, siendo su abreviatura FEM. Esta FEM es la que causa la corriente eléctrica y su energía se usa para que los electrones se muevan.
La FEM y la diferencia de potencial no son lo mismo, pero en la práctica sí lo son y su unidad es el voltio. A la diferencia de potencial también se le llama tensión.
Teniendo dos conductores a diferente potencial (por ejemplo, los polos de una batería), que se unen mediante un conductor (un alambre o un hilo conductor) y se intercalan con una bombilla, esta bombilla se ilumina. Esto se produce gracias a que los electrones libres que hay en el conductor son atraídos por el polo positivo (ánodo), y en el polo negativo (cátodo) salen electrones a la vez que han sido atraídos por el polo positivo.
La batería
A continuación se verá la producción de energía electroquímica que se genera en una batería. Esta está formada por elementos acumuladores, también llamados vasos (cada vaso produce 2 voltios aproximadamente). Estos vasos se conectan en serie, por lo que se suman sus voltajes (para una batería de 12 voltios se necesitan 6 vasos conectados en serie). Los vasos se encuentran encerrados en la carcasa de la batería, que es un plástico resistente a los ácidos. Los vasos en su parte superior también están hechos de dicho material.
Elemento: cada vaso está formado por un elemento sumergido en ácido sulfúrico y agua destilada. A esto se le llama electrólito. Es la sustancia encargada de producir las reacciones químicas de la carga y descarga de la batería. Este elemento está tapado por una cubierta a prueba de ácido y encerrado en un compartimento de la carcasa de la batería. Cada elemento del vaso está formado por una placa negativa y otra positiva y estas, a su vez, separadas por separadores. La densidad del electrólito varía con la carga, con lo que es posible medir la batería para saber su estado.
Partes de una batería
Las partes que componen una batería son:
Características de una batería
Las características que definen una batería son:
La figura anterior indica cómo se pueden acoplar las baterías. Si se acoplan en serie, se suman sus voltajes y su capacidad no varía, pero si se acoplan en paralelo, su capacidad varía pero su voltaje queda igual.
| Simbología de la batería y alternador o generador de CA más común | |
| Elemento | Simbología |
| Batería | |
| Alternador o generador CA | |
Sabía que...
La batería la carga un aparato que se mueve por el funcionamiento del motor y este genera corriente alterna (alternador), el cual en su interior dispone de un rectificador que transforma la corriente alterna en continua, y por lo tanto hace posible el funcionamiento de los dispositivos eléctricos y electrónicos. La batería es la encargada de suministrar electricidad cuando el motor está parado.
En el campo eléctrico no solo intervienen las cargas eléctricas sino que este también está influenciado por los fenómenos de atracción y repulsión que se producen. Estos se ejercen a distancia.
Ejemplo
Una carga positiva llamada A y otra carga negativa llamada B se encuentran a una cierta distancia de separación, y ese espacio de separación queda influenciado por ambos conductores. Su consecuencia es que sus propiedades iniciales quedan alteradas. Por lo tanto, se denomina campo electroestático a ese espacio que hay entre las cargas eléctricas.
5.1. Líneas de fuerza
A la trayectoria que sigue una carga positiva abandonada libremente en el campo se le denomina línea de fuerza.
La carga positiva abandonada en el campo se verá sometida a fuerzas que la desplazan. Si es negativa, esas fuerzas serían de la misma dirección pero de signo contrario.
5.2. Intensidad de campo eléctrico
La intensidad del campo eléctrico en un punto es la fuerza que se ejerce sobre la unidad de carga positiva colocada en dicho punto.
Recuerde
Unidades y simbología: intensidad es el amperio (A); tensión o diferencia de potencial es el voltio (V) y de la resistencia es el ohmio (Ω).
Aplicación práctica
Una carga de 2 μC se encuentra en un punto en el que la intensidad del campo eléctrico tiene un valor de 5 x 102 N/C. ¿Cuál es el valor de la fuerza que actúa sobre ella?
SOLUCIÓN
Datos
Fórmula
Se despeja F
Sustituyendo:
Se llama potencial de un campo eléctrico de un punto A al trabajo necesario para mover una carga positiva q desde fuera del campo hasta dicho punto.
La unidad en el Sistema Internacional es el voltio ya que:
Actividades
3. Determinar el valor del potencial eléctrico creado por una carga eléctrica q1 = 12 · 10-9 C si su trabajo es de 10-6 Julios.
4. Determinar el valor de la carga sabiendo que tiene un potencial eléctrico de 150 V y el valor del trabajo es de 10-6 Julios.