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Prefacio a la Revisión

de

ELECTRICIDAD BASICA

El programa COMMON CORE® —Electricidad Básica, Electrónica Básica,

-Sistemas Sincrónicos y Servomecanismos Básicos, etc.—, fue diseñado ydesaírollado durante los años de 1952-1954. Sobre la base de una amplia labor de

análi de la gama del equipo eléctrico/electrónico de laArmadade los Estados Uni-dos de aquella época, en aquel entonces se había establecido un "núcleo común"Je conocimientos y habilidades preliminares. Posteriormente , dicho "núcleo co-atún" antecedente fue programado bajo un sistema de e nseñanza/aprendizaje quetenía como objetivo didáctico fundamental la preparación efectiva de los técnicos

eléctrico/electrónicos de la Armada de los Estados Unidos , para que pudiesencomprender y aplicar dichos conocimientos en situaciones de trabajo con proble-mas representativos.

Desde entonces, han sido adiestrados eficientemente mas de 100 000 técnicosde la Armada Estadounidense por medio de este sistema basado en la realización.Así lo han demostrado cientos y miles de estudiantes y técnicos civiles. La edu-cación militar y civil, los programas de adiestramiento en Américas del Sur, Euro-pa, Oriente Medio, Asia, Australia y Africa, también han reconocidos su utilidadcon las ediciones en doce idiomas actualmente en impresión,

BEn la actualidad la fundación del programa COMMON-CORE ,á-Electricidadsica está siendo modernizada y mejorada. Su equipo básico de trabajo ha sidoampliado para cubrir los conocimientos y habilidades necesarios para la gamadel equipo eléctrico/electrónico actual —máquinas industriales modernas, contro-les, instrumentación, computadoras, comunicaciones, radar, lasers, etc.—. Suscomponentes tecnológicos/circuitos/funciones básicas, han sido revisados y amplia-dos para incorporar las nuevas creaciones del desarrollo de la tecnología eléctrica/electrónica, esto es, desde (1) tubos al vacío hasta (2) transistores y semiconductoresa (3) circuitos integrados, integración en gran escala y microminiaturización.

Didácticamente se ha hecho un esfuerzo considerable para incorporar dentrode los textos mismos, aspectos y técnicas de examen/aprendizaje individualizadosy en agregar pruebas de destreza para estudiantes intermedios.

A pesar del paso del tiempo, aún se conservan los elementos del diseño delsistema original e innovador, formato del texto básico,-del programa COMMONCORE —cuya estructura sólida de efectividad probada, ha sido un estímulo paramuchos de los progresos realizados en la educación técnica/vocacional.

VAN VALKENBURGH, NOOGER & NEVILLE, INC.

New York, N.Y.

Título original de la obra:

BASIC ELECTRICITY - VOL. 1

Publicada por:

THE NEVILLE PRESS, INC.SUCCESSOR TO VAN VALKENBURGH, NOOGER AND NEVILLE, INC.© Van Valkenburgh, Nooger and Neville, Inc. and its*Assignee, the Neville Press,Inc.

Traducida por:

ALFONSO VASSEUR WALL

Derechos reservados en español

© 1983, por COMPAÑIA EDITORIAL CONTINENTAL, S.A. DE C.V.Renacimiento Núm. 180, Col. San Juan Tlihuaca, Delegación Azcapotzalco,Código Postal 02400, México, D.F.

Miembro de la Cámara Nacional de la Industria EditorialRegistro Núm. 43

ISBN 968-26-0378-1ISBN 0-8104-0876-7 (de la edición original)

Las palabras TRAINER - TESTER, COMMON - CORE, y el diseño que acom-paña a esta última, son marcas registradas de exclusiva propiedad de THE NEVI-LLE PRESS, INC., ASSIGNEE de VAN VALKENBURGH, NOOGER ANDNEVILLE? INC. Little Silver, N. J. U.S.A.

Queda prohibida la reproducción o transmisión total o parcial del texto de lapresente obra bajo cualquiera de sus formas, electrónica o mecánica, sin el con-sentimiento previo y por escrito del editor.

Primera edición, 1983Decima reimpresiónMarzo de 1992.

Impreso en MéxicoPrinted in Mexico

CONTENIDO

PÁG.

¿Qué es la Electricidad?

La Importancia del Estudio de la Electricidad 13Principios Históricos 14La Teoría Electrónica 15La Ruptura de la Materia 17La Estructura de la Molécula 19La Estructura del Atomo 21Corriente Eléctrica y Carga Eléctrica 22Repaso — ¿Qué es la Electricidad? 23Autoexamen — Cuestionario de Repaso 24

Conductores/Aisladores/Semiconductores

¿Qué es un Conductor? 25¿Qué es un Aislador? 25

¿Qué es un Semiconductor? 26Repaso de Conductores, Aisladores y Semiconductores 27Autoexamen — Cuestionario de Repaso 28

argas Eléctricas

¿Qué son las Cargas Eléctricas? 29Cargas Estáticas por Fricción 30Atracción y Repulsión de Cargas Eléctricas 31Campos Eléctricos 32Transferencia de Cargas Eléctricas por Contacto 34Transferencia de Cargas Eléctricas por Inducción 35Descarga de Cargas Eléctricas 36Repaso de Cargas Eléctricas 38Autoexamen — Cuestionario de Repaso39

Magnetismo

Imanes Naturales 40Imanes Permanentes 41

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PÁG.

La naturaleza de los Materiales Magnéticos 42Campos Magnéticos 43

Repaso de Magnetismo 47Autoexamen — Cuestionario de Repaso 48

¿Qué es el Flujo de Corriente?

Electrones en Movimiento 49

Sentido del Flujo de Corriente 52

Unidades del Flujo de Corriente 53

Repaso del Flujo de Corriente 54Autoexamen — Cuestionario de Repaso 55

¿Qué Origina el Flujo de Corriente —FEM?

¿Qué es el Trabajo? 56¿Qué es la FEM (Fuerza Electromotriz)? 57

¿Qué es la Potencia Eléctrica? 58

¿Cómo se Mantiene la FEM? 59

Voltaje y Flujo de Corriente 60

Repaso de FEM o Voltaje 61

Autoexamen — Cuestionario de Repaso 62

¿Cómo se Produce y se Emplea la Electricidad?

La Electricidad es el Medio Para Conducir la Potencia 63

¿Cómo se Produce la Electricidad? 64

Usos de la Electricidad 65

Electricidad Producida por Energía Friccional (ElectricidadEstática) 66

Electricidad Producida por Presión/Presión Producida por Elec-tricidad 67

Electricidad Producida por Calor (y Frío) 68

Calor Producido por Electricidad 69

Electricidad Producida por Luz 70

Luz Producida por Electricidad 71

Electricidad Producida por Acción Química ......... . ...72

Acción Química Producida por Electricidad 75

Electricidad Producida por Magnetismo 76

Magnetismo Producido por Electricidad 80

Repaso de, ¿Cómo se Produce la Electricidad? 81

Repaso de, ¿Cómo se Emplea la Electricidad? 82

Autoexamen — Cuestionario de Repaso 83

PÁG.

Electromagnetismo

Electromagnetismo . 84Campos Magnéticos en Tomo a un Conductor 85Campos Magnéticos en Torno a una Bobina 88Electroimanes . . 91Repaso de Electromagnetismo 92Autoexamen — Cuestionario de Repaso 93

¿Cómo Funciona un Instrumento de Medición?

Dispositivo Móvil Básico de un Instrumento 94Consideraciones Sobre el Dispositivo Móvil 99¿Cómo Leer las Escalas de los Instrumentos? 100Escala util de un Instrumento 102Repaso de, ¿Cómo Funciona un Instrumento de Medición? 103Autoexamon — Cuestionario de Repaso 104

¿Cómo se Mide la Corriente?

Unidades de Medición del Flujo de Corriente 105¿Cómo Medir Corrientes Pequeñas? 106¿Cómo Convertir las Unidades de Corriente? 107Miliamperímetros y Mieroamperímetros 109¿Cómo Convertir las Escalas de un Amperímetro? 110Amperímetros de Escala Múltiple 111¿Cómo Conectar los Amperímetros a un Circuito? 112Repaso de, ¿Cómo se Mide la Corriente? 113

Autoexamon — Cuestionario de Repaso 115

¿Cómo se Mide el Voltaje?

Unidades de Voltaje 116Conversión de Unidades de Voltaje 117¿Cómo Funciona un Voltímetro ? 118¿Cómo Usar un Voltímetro? 119Escalas de un Voltímetro :120Voltímetros de Escala Múltiple 121Repaso de Unidades y Medida del Voltaje 122Autoexamen — Cuestionario de Repaso 123

La Resistencia Como Control del Flujo de Corriente

¿Qué es la Resistencia? 125Unidades de Resistencia 128

11■11~~1111•11•11111•11111•1•9

Factores que Controlan la Resistencia Repaso de Resistencia Autoexamen — Cuestionario de Repaso

130131132

Repaso

Repaso de Corriente (I), Voltaje (E) y Resistencia (R ) 133

Introducción a la Ley de OHM

La Relación Entre Corriente, Voltaje y Resistencia 134

Objetivos de Aprendizaje-Volumen Siguiente 136Tabla de Elementos 137

111:1~41.11~~

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SUCEDAN

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¿QUE ES LA ELECTRICIDAD? 13

La importancia del estudio de la electricidad

Es difícil imaginar un mundo sin electricidad. Influye y concierne a nuestrasvidas cotidianas en cientos de maneras. Observamos el uso de la electricidad di-rectamente en nuestras casas para la iluminación, la operación de aparatos, telé-fono, televisor, radio, estéreo, calefacción, etc. Vemos su uso en el transporte. Laelectricidad se ha empleado en la fabricación de la mayor parte de las cosas queusarnos ya sea directamente o para operar las máquinas que hacen o procesan losproductos que necesitamos. Sin la electricidad, la mayor parte de las cosas queusamos y disfrutamos hoy día no serían posibles.

Como la varillas de ámbarde los antiguos griegosun peine que pase porsu pelo se cargará y atraerápedacitos de papel, etc.

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14 ELECTRICIDAD BASICA I ¿QUE ES LA ELECTRICIDAD? 15

La teoría electrónica

Principios históricos

La palabra electricidad proviene del antiguo vocablo griego para el ámbar—elektron—. Los antiguos griegos observaron que cuando el ámbar (resigna petri-ficada), se frotaba con una tela, atraía pedacitos de material tal como hojas se-cas. Los científicos demostraron posteriormente que esta propiedad de atracciónocurría en otros materiales, tales como el hule y el vidrio, pero no sucedía conmateriales como el cobre o el hierro. Los materiales que tenían esta propiedadde atracción al frotarse con una tela, se decía que estaban cargados con una

fuerza eléctrica; además se observó que algunos de estos materiales cargados eran

atraídos por una pieza de vidrio cargada y que otros eran repelidos. BenjamínFranklin llamó a estas dos clases de cargas (o electricidad) positiva y negativa.

Actualmente sabemos, como usted aprenderá, lo que se observaba en realidad era

un exceso o deficiencia de partículas llamadas electrones en los materiales.

Desde entonces diversos científicos encontraron que la electricidad parecíacomportarse de una manera constante y predecible en una situación dada. Estoscientíficos describieron este comportamiento en forma de leyes o reglas. Estas le-yes nos permiten predecir cómo se comportará la electricidad, aunque todavía noconocemos su naturaleza precisa. Aprendiendo las reglas o leyes que se aplican alcomportamiento de la electricidad y aprendiendo los métodos para producirla, con-

trolarla y utilizarla, se habrá aprendido electricidad.

Todos los efectos de la electricidad se producen debido a ladiminuta partícula llamada electrón. Puesto que nadie ha visto en realidad unelectrón, sino únicamente los efectos que éste produce, llamamos teoría electró-nica a las leyes que gobiernan su comportamiento. La teoría electrónica no essólo la base para el diseño de todo el equipo eléctrico y electrónico, sino tambiénexplica la acción fisicoquímica y ayuda a los científicos a sondear en la natura-leza íntima del universo y de la vida misma.

existencia de una

Núcleo

Electrones

DIVISION DE UNA GOTA

DE AGUA

16 ELECTRICIDAD BASICA I

¿QUE ES LA ELECTRICIDAD? 17

Ya que supuestamente el electrón existe ha conducido a muchos descubri-mientos importantes en la electricidad, la electrónica, la química y la física ató-mica, podemos suponer sin temor a equivocarnos que el electrón existe realmen-te. Todos los equipos eléctricos y electrónicos han sido diseñados en base a estateoría. Y si la teoría electrónica ha funcionado siempre para todos, también fun-

cionará para usted.Su estudio de la electricidad se basará exclusivamente en la teoría electróni-

ca, la cual establece que todos los efectos eléctricos y electrónicos obedecen aldesplazamiento de los electrones de un lugar a otro o a que hay una cantidad de-masiado grande o demasiado pequeña de electrones en una zona determinada.

De acuerdo con la teoría electrónica, todos los efectos eléctricos o electrónicosson producidos ya sea por el movimiento de los electrones de un lugar a otro oporque existe un exceso o deficiencia de ellos en un punto determinado en unmomento dado.

Antes de que se pueda comenzar a considerar útilmente a las fuerzas que ha-cen que los electrones se muevan o se acumulen, se tiene que saber primero, ¿quées un electrón?

Toda la materia está compuesta de átomos de muy distintos tamaños, gradosde complejidad estructural y pesos. Pero todos ellos se parecen en que tienen unnúcleo —que son distintos en un átomo y otro, de los ciento y tantos elementosquímicos que existen ya sea en la naturaleza o que han sido hechos por elhombre y en el variado número de electrones que se mueven alrededor delnúcleo.

Se tendrá una idea de cómo es un átomo esencialmente observando el di-

bujo de abajo.

EL ELECTRÓN ES ELECTRICIDAD

La ruptura de la materia

Un buen medio de comprender más acerca de cómo es un electrón, es exami-nando detenidamente la composición de una gota de agua ordinaria.

Si toma esta gota de agua y la divide en dos gotas, luego divide una de estasdos, en dos gotas más pequeñas y repite este proceso miles de veces, tendrá unagotita minúscula. Esta minúscula gotita será tan pequeña, que para observarla ne-cesitará el mejor microscopio moderno.

esta pequeñisima gota de agua seguirá conservando todas las característicasel agua si es analizada por un químico, no encontraría diferenciaal guna MiCROSCOPICA y la de un vasos de agua común.

¡ESTO ES LO QUE EL OBSERVA

ATOMO DE OXIGENOATOMOS

DE HIDROGENO

18 ELECTRICIDAD BASICA I

Sin embargo, si torna esta minúscula gota de agua y trata de dividirla otra vezpor la mitad, ya no podrá verla en el microscopio. Supongamos que se posee unsupermicroscopio capaz de aumentar las imágenes mucho más que cualquier mi-croscopio que existe en la actualidad. Este microscopio le puede proporcionarcualquier amplificación que desee, así que puede colocar en él la diminuta gotitay fraccionarla en gotitas cada vez más pequeñas.

A medida que la gotita se va dividiendo en gotitas más y más pequeñas, éstasseguirán conservando todas las características químicas del agua. Sin embargo,llegará un momento en que tendrá una gotita tan pequeña que toda nueva divisiónle hará perder las características químicas del agua. A este último trocito de aguase le llama molécula. Por tanto, una molécula es la unidad más pequeña en que sepuede dividir una sustancia y aún poderse identificar como tal.

¿QUE ES LA ELECTRICIDAD '? 19

La estructura de la molécula

A medida que vaya aumentando el poder de amplificación del microscopio,observará que la molécula de agua está formada de dos pequeñísimos elementosiguales y por otro elemento más grande distinto de éstos. A estos elementos se les

llaman átomos. Los dos átomos más pequeños iguales son átomos de hidrógeno

y el más grande y diferente es un átomo de oxígeno. Cuando se combinan dosátomos de hidrógeno con uno de oxígeno se tiene una molécula de agua.

Mientras que el agua está compuesta sólo de dos clases de átomos —oxígenoe hidrógeno— las moléculas de muchos materiales son de estructuras más com-plejas. Las moléculas de celulosa, moléculas básicas de que está formada la made-ra, constan de tres clases distintas de átomos —carbono, hidrógeno y oxígeno—.

MOLECULA DE AGUA

Usted puede apreciar que el átomo de hidrógeno es como un sol con un pla-neta girando a su alrededor. Al planeta se le conoce como electrón y al sol comonúcleo. El electrón tiene una carga negativa ( —) de electricidad y el núcleo unacarga positiva ( -1-) de electricidad.

En un átomo, el número total de electrones cargados negativamente que giranalrededor del núcleo es con exactitud igual al número de cargas positivas en elnúcleo. A las cargas positivas se les llama protones. Además de los protones, el nú-cleo contiene también partículas eléctricamente neutras llamadas neutrones, queson como un protón y un electrón unidos entre sí. Los átomos de elementos dis-tintos contienen diferente número de neutrones dentro del núcleo, pero la cantidadde electrones que giran en torno al núcleo es siempre igual al número de protones( o cargas positivas) dentro del núcleo.

Hidrógeno 10%

20 ELECTRICIDAD BASICA I

Todos los materiales están constituidos de diferentes combinaciones de átomospara formar sus moléculas. Existen solamente cerca de cien clases de átomos dis-tintos a los cuales se les conoce como elementos: el oxígeno, carbono, hidrógeno,hierro, oro y nitrógeno, son todos ellos elementos. El cuerpo humano, con todos suscomplicados tejidos, huesos, dientes, etc., está formado principalmente por sóloquince elementos, de los cuales sólo seis se encuentran en abundancia. (Véase latabla de elementos en la parte posterior del libro.)

¿QUE ES LA ELECTRICIDAD? 21

La estructura del átomo

Ahora que se sabe que todos los materiales están formados por moléculas, queconsisten en diversas combinaciones de unos cien tipos distintos de átomos, de-seará saber qué relación tiene esto con la electricidad. Aumente aún más la am-plificación de su supermicroscopio imaginario y examine los átomos de la mo-lécula de agua. Elija el átomo más pequeño que pueda observar el átomo dehidrógeno— y examínelo con detenimiento.