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Dirección editorial

Ma. Emilia de Lourdes Hernández Betancourt

Gerencia editorial

Enriqueta Maqueda Serrano

Corrección de estilo

Romi Pacheco Quintana

Diseño y diagramación Factor:02 Diseño de portada

Factor:02 / Eleazar Maldonado San Germán

Fotografía

iStockphoto, Latinstock, Wikipedia

Ilustración

Ricardo Quezada

Diseño de Circuitos Eléctricos 3 Prohibida la reproducción parcial o total del contenido de la presente obra, por cualquier medio, sin la autorización escrita del editor.

Registro en trámite ante el Instituto Nacional del Derecho de Autor DERECHOS RESERVADOS © 2012, respecto a la primera edición por: Ediciones ECA, S. A. de C. V. http://edicioneseca.com Los Juárez núm. 3, Col. Insurgentes Mixcoac, 03920 México, D. F.

ISBN: 978-607-95824-7-0

Impreso en México - Printed in Mexico


Presentación Diseño de Circuitos Eléctricos 3. En este último curso de preparación media, el alumno conjuga los conocimientos adquiridos previamente para entender y poner en práctica un concepto fundamental del fenómeno eléctrico: la Potencia y su unidad de medida, el Watt. A partir de la comprensión de la Potencia y su comportamiento, el alumno podrá transformar los diagramas escolares en planos eléctricos, aplicables a diferentes tipos de construcciones, en particular las casas habitación. Para ello, durante el curso conocerá la interrelación que existe entre planos arqui­ tectónicos, diagramas unifilares y planos eléctricos, con el objetivo de diseñar una instalación eléctrica balanceada, en la cual las cargas se distribuyen correctamente desde la caja de fusibles, pasando por el centro de carga, la instalación apropiada del cableado (incluyendo la tierra física), hasta las tomas donde se conectan los apa­ ratos de consumo eléctrico. Como parte integral del estudio, el alumno aprenderá a diferenciar los aparatos eléctricos a partir de su consumo en watts y podrá calcular el potencial de consumo de energía total en una casa habitación, con el fin de diseñar una instalación que utilice la energía eléctrica de la manera más eficaz y eficiente posible. Como proyecto final, construirá un panel con los tipos de conexiones más comunes en las casas habitación, incluyendo la conexión de escalera y los interruptores de paso con tres apagadores, además de tomas de corriente funcionales. Todo ello con una sola fuente de energía para representar el cableado correcto que se debe aplicar en el mundo real. El libro cumple puntualmente con el plan de estudios de la Secretaría de Educación Pública, abarcando el desarrollo de competencias para la vida y los valores actitudinales que los alumnos requieren para formarse como los ciudadanos comprometidos que exige la época actual.


ÍNDICE

Índice

Bloque I. Tecnología, información e innovación 1. Tecnología, información e innovación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 1.1 Innovaciones técnicas a lo largo de la historia . . . . . . . . . . . . . . . . 16 ••La innovación como proceso en el diseño y construcción de circuitos eléctricos. . . . . . . . ••La satisfacción de necesidades sociales por medio del diseño de circuitos eléctricos . . . . ••La potencia. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . La electricidad en los sistemas productivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ••Fórmula de la potencia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . La electricidad en la vida cotidiana . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ••Ley de Ohm ampliada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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1.2 Características y fuentes de la innovación técnica: contextos de uso y de reproducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 ••La aceptación social, elemento fundamental para la innovación técnica . . . . . . . . . . . . . 25 ••La información y sus fuentes para la innovación técnica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 ••Los contextos de reproducción de técnicas como fuente de información para la innovación 26 ••Los usuarios de productos como fuente de información para la innovación técnica . . . . . 26

1.3 Uso de conocimientos técnicos y las TIC para la innovación . . . . . 27 ••La innovación en los materiales y su empleo en la construcción de circuitos eléctricos . . . ••Potencia en los circuitos en serie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ••El uso del software en el diseño de los circuitos eléctricos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ••La regulación en los sistemas de iluminación, ventilación y temperatura mediante el uso de sensores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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1.4 El uso de los conocimientos técnicos y de las TIC para la resolución de problemas y el trabajo por proyectos en los procesos productivos 31 ••La búsqueda y el procesamiento de la información para la innovación y la resolución de problemas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ••Potencia en circuitos paralelos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ••El proyecto de innovación en el diseño de circuitos eléctricos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ••Integración de conceptos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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Bloque II. Campos tecnológicos y diversidad cultural 2. Campos tecnológicos y diversidad cultural . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 2.1 La construcción social de los sistemas técnicos . . . . . . . . . . . . . . . 42 ••Los sistemas técnicos como producto cultural . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Los cambios técnicos en los procesos de diseño y construcción de circuitos eléctricos y su repercusión en las formas de vida y las costumbres . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ••Potencia en circuitos complejos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ••El diseño de sistemas eléctricos para la satisfacción de necesidades e intereses en diversos campos tecnológicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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2.2 Las generaciones tecnológicas y la configuración de campos tecnológicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 ••Las generaciones tecnológicas en el diseño de circuitos eléctricos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . El foco, la válvula de vacío, el transistor y los circuitos integrados . . . . . . . . . . . . . . . . . ••El empleo de circuitos eléctricos y electrónicos en la vida cotidiana y en los procesos productivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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2.3 Las aportaciones de los conocimientos tradicionales de diferentes culturas en la configuración de los campos tecnológicos . . . . . . . . . . . 51 ••Los saberes empíricos sobre los fenómenos eléctricos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ••Las funciones técnicas de los circuitos eléctricos en la vida cotidiana en los sistemas de iluminación, movimiento, calefacción y refrigeración . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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2.4 El control social del desarrollo técnico para el bien común . . . . . . 54 ••El papel de los intereses y necesidades sociales en el control de la tecnología . . . . . . . . . . ••Los procesos de autogestión para la satisfacción de necesidades e intereses . . . . . . . . . . . ••El impacto del desarrollo técnico de los circuitos eléctricos para el bien común . . . . . . . . ••Los sistemas de abastecimiento de energía . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . El uso de fotoceldas y de energía eólica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ••Potencia (continuación) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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2.5 La resolución de problemas y el trabajo por proyectos en los procesos productivos en distintos contextos socioculturales . . . . . . . . 62 ••El trabajo por proyectos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 Identificación de problemas e integración de contenidos para el desarrollo del proyecto de innovación de diseño de circuitos eléctricos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 ••Integración de conceptos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63

Bloque III. Innovación técnica y desarrollo sustentable 3. Innovación técnica y desarrollo sustentable . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 3.1 Visión prospectiva de la tecnología: escenarios deseables . . . . . . 66 ••Los escenarios del futuro de los circuitos eléctricos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ••Instalaciones eléctricas: definición . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ••Instalaciones eléctricas: tipos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ••Las fuentes para la generación de energía eléctrica de bajo impacto ambiental . . . . . . . . ••Instalaciones eléctricas: planos arquitectónicos y eléctricos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ••Las celdas de hidrógeno en los autos, la industria y el hogar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ••La prospectiva de la tecnología: el uso de sistemas para minimizar impactos ambientales

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3.2 La innovación técnica en los procesos productivos . . . . . . . . . . . . 70 ••La innovación para mejorar la eficiencia de los circuitos eléctricos en: . . . . . . . . . . . . . . . Los sistemas de iluminación de bajo consumo de energía . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ••Instalaciones eléctricas: diagrama unifilar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . La vida útil de un producto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . El uso eficiente de insumos en los procesos productivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . El costo ambiental . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ••Instalaciones eléctricas: Corriente alterna . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ••Suministro monofásico, bifásico y trifásico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ••Instalaciones eléctricas: cableado y conexiones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ••Diferencia entre retorno y neutro . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ••Plano eléctrico-arquitéctónico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ••Proyección isométrica del circuito . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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3.3 La innovación técnica para el desarrollo sustentable . . . . . . . . . . . 87 ••Las fuentes de energía compatibles con el medio ambiente: energía solar, del viento y de las corrientes de agua naturales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ••Los procesos de innovación técnica en el diseño de circuitos eléctricos y su papel en la prevención de impactos ambientales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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3.4 La innovación técnica en la resolución de problemas y el trabajo por proyectos en los procesos productivos para el desarrollo sustentable 90 ••El desarrollo sustentable en los procesos productivos para el diseño de circuitos eléctricos 90 ••Integración de contenidos para el desarrollo del proyecto de diseño de circuitos eléctricos 91 ••Integración de conceptos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93

Bloque IV. Evaluación de los sistemas tecnológicos 4. Evaluación de los sistemas tecnológicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96 4.1 La equidad social en el acceso a las técnicas . . . . . . . . . . . . . . . . . 98 ••Las problemáticas en mi comunidad para la satisfacción de necesidades e intereses . . . . Acceso a la energía eléctrica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Infraestructura y los servicios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Acceso a insumos para el diseño y construcción de circuitos eléctricos . . . . . . . . . . . . .

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4.2 La evaluación interna y externa de los sistemas tecnológicos . . . . 99 ••La evaluación del desempeño de los circuitos eléctricos: eficacia y eficiencia del circuito y sus componentes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ••Conexión de la acometida . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ••Los costos del diseño y la operación de los sistemas eléctricos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ••Tierra física . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ••Tipos de electrodos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ••Cableado de la tierra física . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ••La previsión de impactos ambientales y la aceptación social de los productos . . . . . . . . .

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4.3 El control social de los sistemas tecnológicos para el bien común 104 ••Los procesos autogestivos conforme a los intereses y necesidades comunitarios . . . . . . . ••Centro de carga . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ••Interruptores termomagnéticos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ••Tipos de interruptores electromagnéticos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ••Los aspectos a considerar para la aceptación social de productos . . . . . . . . . . . . . . . . . . Oferta y demanda . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Costos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Satisfacción de necesidades . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Utilidad social . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ••Conexión del centro de carga . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ••Toma de corriente con tierra física . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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4.4 La planeación y la evaluación en los procesos productivos . . . . . . 108 ••La planeación y evaluación de los procesos técnicos y productos en el diseño de circuitos eléctricos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ••Dispositivos de iluminación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ••Aparatos fijos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ••Aparatos semifijos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ••Aparatos incidentales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ••La evaluación técnica por medio de modelos y simulaciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ••Cálculo del factor de potencia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ••Cálculo del factor de demanda . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ••Selección de conductores con base en el factor de potencia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ••Interruptor general . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ••Centro de carga . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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4.5 La evaluación como parte de la resolución de problemas técnicos y el trabajo por proyectos en los procesos productivos . . . . . . . . . . . 120 ••Los criterios para la evaluación de los procesos productivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121 ••Integración de los contenidos para el trabajo por proyectos en el diseño de circuitos eléctricos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121 ••Integración de conceptos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122

Bloque V. Proyecto de innovación 5. Proyecto de innovación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124 5.1 Características del proyecto de innovación . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126 5.1.1 La innovación técnica en el desarrollo de los proyectos productivos . . . . . . . . . . . 126 ••Introducción al proyecto de innovación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126 ••Los ciclos de innovación técnica en los procesos y productos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127

5.1.2 La responsabilidad social en los proyectos de innovación técnica . . . . . . . . . . . . . 128 ••El uso responsable de la innovación técnica para el desarrollo del proyecto de innovación de diseño de circuitos eléctricos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129

5.2 El proyecto de innovación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130 5.2.1 Proyecto de innovación para el desarrollo sustentable . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130 ••Las fases del proyecto de innovación en el diseño de circuitos eléctricos. . . . . . . . . . . . . . 130 ••Presentación del proyecto en un informe escrito . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134

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Proyecto de innovación

RECURSOS PEDAGÓGICOS

Recursos pedagógicos

C ontenido Contenido

5. PROYECTO DE INNOVACIÓN 5.1. Características del proyecto de innovación. 5.1.1 La innovación técnica en el desarrollo de los proyectos productivos. 5.1.2 La responsabilidad social en los proyectos de innovación técnica. 5.2. El proyecto de innovación. 5.2.1 Proyecto de innovación para el desarrollo sustentable.

Presenta la información desglosada del programa de estudio de la Secretaría de Educación Pública.

Propósitos

P ropósitos • Utilizar las fuentes de información para la innovación en el desarrollo de sus proyectos. • Planear, organizar y desarrollar un proyecto de innovación que solucione una necesidad o un interés de su localidad o región. • Evaluar el proyecto y sus fases, considerando su • Utilizar las en fuentes de información innovación incidencia la sociedad, la culturapara y la la naturaleza, en desarrollo de sus proyectos. así el como su eficacia y eficiencia. • Planear, organizar y desarrollar un proyecto de innovación que solucione una necesidad o un interés de su localidad o región. • Evaluar el proyecto y sus fases, considerando su incidencia en la sociedad, la cultura y la naturaleza, así como su eficacia y eficiencia. EL ALUMNO: • Identifica y describe las fases de un proyecto de innovación. • Prevé los posibles impactos sociales y naturales en el desarrollo de sus proyectos de innovación. • Recaba y organiza la información sobre la función EL ALUMNO: y el desempeño de los procesos y productos para • Identifica y describe las fases de un proyecto el desarrollo de su proyecto. innovación. • de Planea y desarrolla un proyecto de innovación técnica. • sociales y naturales • Prevé Evalúalos el posibles proyectoimpactos de innovación para proponeren el desarrollo de sus proyectos de innovación. mejoras. • Recaba y organiza la información sobre la función y el desempeño de los procesos y productos para el desarrollo de su proyecto. • Planea y desarrolla un proyecto de innovación técnica. • Evalúa el proyecto de innovación para proponer mejoras. Analizarás los procesos de innovación tecnológica y sus implicaciones en el cambio técnico. Estudiarás las fuentes de información que orientan la innovación, y el proceso para recabar información con respecto a una herramienta, máquina, producto o servicio con base en su función, desempeño y valoración social. Analizarás los procesos de innovación tecnológica y Para el desarrollo de tu proyecto de innovación pondrás sus implicaciones en el cambioal técnico. Estudiarás las en práctica tus conocimientos planificar la instalación fuentes de que orientan la innovación, eléctrica deinformación una casa habitación y construirás un panel y elmadera procesocon para recabar tipos información con respecto de diferentes de conexiones. a una herramienta, máquina, producto o servicio con base en su función, desempeño y valoración social. Para el desarrollo de tu proyecto de innovación pondrás en práctica tus conocimientos al planificar la instalación eléctrica de una casa habitación y construirás un panel de madera con diferentes tipos de conexiones.

P ropósitos

Se refiere a los saberes-conocimientos, habilidades124 destrezas, capacidades ropósitos y competencias que el alumno desarrollará y que le• permitirán ser productivo en la Utilizar las fuentes de información para la innovación en el desarrollo de sus proyectos. sociedad en la que vive.

P

• Planear, organizar y desarrollar un proyecto de innovación que solucione una necesidad o un interés de su localidad o región. • Evaluar el proyecto y sus fases, considerando su incidencia en la sociedad, la cultura y la naturaleza, así como su eficacia y eficiencia.

Aprendizajes esperados

Aprendizajes esperadosesperados Aprendizajes Son aquellos expresados en objetivos o competencias, que se espera que el estudiante logre durante, como al final del proceso de capacitación.

En este bloque

En este bloque

Aprendizajes esperados EL ALUMNO: • Identifica y describe las fases de un proyecto de innovación. • Prevé los posibles impactos sociales y naturales en el desarrollo de sus proyectos de innovación. • Recaba y organiza la información sobre la función y el desempeño de los procesos y productos para el desarrollo de su proyecto. • Planea y desarrolla un proyecto de innovación técnica. • Evalúa el proyecto de innovación para proponer mejoras.

En este bloque En este bloque

Analizarás los procesos de innovación tecnológica y sus implicaciones en el cambio técnico. Estudiarás las fuentes de información que orientan la innovación, y el proceso para recabar información con respecto a una herramienta, máquina, producto o servicio con base en su función, desempeño y valoración social. Para el desarrollo de tu proyecto de innovación pondrás en práctica tus conocimientos al planificar la instalación eléctrica de una casa habitación y construirás un panel de madera con diferentes tipos de conexiones.

Representa una referencia rápida del contenido.

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Cuando las ramas ofrecen la misma Resistencia, la Corriente se distribuye proporcionalmente entre ellas. Cuando obtuviste la Resistencia total efectiva de la se­ cción en paralelo, redujiste la rama conectada en serie de esta misma sección, lo cual dio como resultado que las resistencias de sus ramas son equivalentes: R2 = Ra.

R2 25

DISEÑO DE CIRCUITOS ELÉCTRICOS 3

Por lo tanto, la Resistencia en las dos ramas es la misma y la Corriente se distribuye proporcionalmente entre ellas: 2A divi­ didos entre 2 ramas:

DISEÑO DE CIRCUITOS ELÉCTRICOS 3

Ra 25

Entonces, la Corriente que circula por la primera rama —donde se localiza R2— es de 1A (anota el dato al margen del diagrama).

Actividad individual

Actividad grupal

Conexión del centro de carga

BLOQUE IV EVALUACIÓN DE LOS SISTEMAS TECNOLÓGICOS Ahora es fácil desarrollar la fórmula correspondiente: La caja del centro de carga tiene dos módulos

El alumno pone en práctica lo aprendido en una barra de neutros El yalumno colabora con sus compañeros de clase fundamentales: una PR2=I2R=12*25=1*25=25W para distribuir el hilo de fase por la lección inmediata anterior con elbase objetivo enlosladi­solución de un problema con el propósito de BLOQUE II enCAMPOS TECNOLÓGICOS Y DIVERSIDAD CULTURAL La potencia de R2 es de 25 watts: R2=25W. Anotaferentes el resultado su lugar corres­ interruptores termomagnéticos. de reforzar eldel conocimiento adquirido. desarrollar habilidades de cooperación, delegación de Tipos de electrodos pondiente dentro diagrama. Endel este punto cabe aclarar en que lostipos centros de Los electrodos hilo a tierra se dividen tres de acuerdo con su instalación: responsabilidades y trabajo en equipo. Base para carga tienen diferentes distribuciones y com­ 1. Profundos. Requieren una varilla con núcleo de acero y una película externa la fase ponentes dependiendo del fabricante. Aquí de cobre, llamada varilla copperweld, del inglés copper, cobre y weld, soldadura. Barra de neutros su fun­ 4 Obtén la Potencia de R2 utilizando la segunda variaciónabor de ladamos fórmula los de laelementos Potencia: comunes y Actividad ción estándar. Para construir instalaciones enprovocada el de trabajo El forro de cobre ofrece protección contra la corrosión por el terreno, En grupos retomen desde el principio el ejercicio que se está desarrollando. mundo debes consultar guía de eldifusión y enlaconjunto con el real, núcleo de acero, permite unalaadecuada a tierra de las Debes utilizar la Ley de Ohm para encontrar Tensión que se aplica sobresiempre la sección paralela. Analicen método que se aplica y dialoguen sobre su desarrollo. Si tienen dudas, instalación proporcionada por el fabricante. descargas excesivas pudieran presentarse. Tiene una longitud aproximada de Revisa los datos que tienes, emplea la lógica, la solución es muy que sencilla. Debes obtener anótenlas y consúltenlas con su profesor. Este paso es necesario porque más adelante Actividad 5

3 metros y se clava en la tierra mediante golpesresolverán o haciendo una excavación ejercicios semejantes. Para hacer la conexión con el centro de carga, individualmente trae los hilos fase, neutro y tierra profunda. Este tipo de electrodos se utilizan donde el suelo es de tierra húmeda o desde la caja de fusibles. Conecta el hilo neutro al borne principal de la barra donde las condiciones del terreno permiten hacer la excavación. Es el más Pasa ahora a la segunda rama de la sección en paralelo, constituidacreando por R3 así y R4. correspondiente, una conexión en serie. para las instalaciones ya existentes, por su fácil manejo. Revisa de nuevo la primera variaciónrecomendable de la fórmula de Potencia: P=I2R El tratamiento para el hilo de fase es distinto, porque los interruptores termomag­ 2. Horizontales. Consisten en el tendido de un cable conductor de néticos se conectan en paralelo con respecto a la fase de alimentación. cobre, del mismo o mayor calibre que el cable utilizado en la instalación. En este caso, el cable a tierra se coloca a una pro­ Aporta el significado específico de un término poco La resistividad eléctrica de una fundidad de 50 centímetros por debajo del nivel de la casa y su Actividad 5 sustancia mide su capacidad para común en el lenguaje coloquial con fin dededel que el alumno longitud depende de la resistividad del suelo y eleldiá metro conocimientos oponerse al flujo eléctrico. Un Reúnanse en grupos de trabajo y respondan la siguiente Activación pregunta: ¿Qué sucedería si el hilo EDICIONES ® 59este apartado, en grupo y apoyados por el maestro, conductor. Este tipo de electrodo se recomienda fraccio­ material con resistividad eléctrica alta Antes de iniciar elpara estudio de exactamente el mismo resultado.

2.4 El control social del desarrollo técnico para el bien común

Definición

comprenda todos los vocablos que se utilizan en la lección.

de fase se conectara en serie? Argumenten su respuesta con los Principios y Leyes científicas namientos o construcciones nuevas. reflexionen y contesten: que estudiaron en los anteriores cursos.

(o conductividad eléctrica baja) es un aislante; un material con resistividad baja (o conductividad alta) es un conductor.

A. ¿Cuál es el objetivo de establecer estándares industriales, de calidad y normas oficiales en el desarrollo de un objeto técnico?

B. ¿Qué entienden por autogestión? El diagrama muestra la conexión de un solo

Complemento

hilojuega fase yun unopapel de tierra para que sea más de la En todo sistema social, la tecnología importante dentro En el mundo real, como es que modifican el medio que rodea al electrodo con activación económica, crecimiento ycomprensible. desarrollo; por un lado, da solución a los obvio, se tienden por la tubería todos los Fase el fin de incrementar la resistencia eléctrica del suelo. Existen diversos Interruptores principales problemas de la humanidad bienestar, Neutro Añade información de utilidad y cultura general con elmedios hilos al de proporcionar fase y tierra quemayor contiene el centro pero termomagnéticos Tierra para alcanzar este objetivo, como circundarpor conel carbón (también otro, sumineral vertiginoso crecimiento ha ido en detrimento de la Naturaleza, de carga. propósito incrementar los conocimientos De esta manera se obtiene el abastecimiento llamadode coque) la varilla copperweld; o bien, alterando emplear arcilla dealumno bentonita el del equilibrio natural adel planeta y poniendo en riesgo la vida misma. para las diferentes secciones eléctricas lo largo del cable conductor en los electrodos horizontales. Este método sobre el tema que se estáCULTURAL estudiando. BLOQUE II CAMPOS TECNOLÓGICOS Y DIVERSIDAD que alimentarán la casa habitación, cada tecno­ Ambas posturas han producido debates acerca del desarrollo es recomendable para pisos donde abunda roca o arena y presentan poca protegida por su propio interruptor lógico, sin considerar queuna éste no contiene bondad o maldad, que es resistividad eléctrica. Hacia la electromagnético. instalación tan sólo un instrumento impulsado por el hombre a lo largo del Las especificaciones oficiales para la puesta a tierra de instalaciones tiempo. Laeléctricas eficacia del desarrollo tecnológico depende de su utili­ se encuentran en la Norma Oficial Mexicana: NOM-001-SEMP-1994 Relativa lasquienes controlan el poder político y económico, zación por parteade Charles-augustin De Las funciones técnicas de los circuitos eléctricos instalaciones destinadas al suministro y uso de la energía eléctrica, publicada en el Diario tanto nacional como internacional. Coulomb (1736-1806). en laenvida cotidiana enespecificaciones los sistemas iluminación, Oficial de la Federación octubre de 1994. Estas son de las que Físico e ingeniero Actividad 6 En el caso de la energía eléctrica y sus componentes, movimiento, calefacción y refrigeración Profundiza en el conocimiento de algunas personalidades cuyas el control social debe seguir, tal y como están establecidas, toda empresa dedicada a la industria de francés; en su honor, Practica en la cabina la conexión de las pastillas en el centro de carga. significa la creación de estándares y normas oficiales (como las la unidad de la medida construcción en México. La La Normatividad Mexicana es un conjunto de aportaciones fueron decisivas para Oficiales la ciencia ylalos fundamentos electricidad pasó prácticamente inadvertida durante Primera Normas Mexicanas, nom) para garantizar el buen funcio­ de los electrones lleva reglas cuyo objetivo es asegurar características los productos que se comercializan en el país. Revolución Industrial 1700 y de principios de 1800) y de olamáximas electricidad. su nombre: culombio mínimas en el diseño,(mediados producción de namiento Desde la caja de Son fusibles 3. Químicos. aquellos

Biografía

Cableado de la tierra física

o servicio de ylosfue bienes de consumo. durante Existen que se simboliza con la apenas laEn Segunda de 1800). Colocado el electrodo en tierra, deconsiderada acuerdo con las especificaciones de la(mediados nom, sey diseño la producción de aparatos que contienen circuitos dos tipos básicos de normas en la legislación letra C.

Pero ellastierra desarrollo de laMexicanas electromecánica, y sobre delalanom electrónica procede al cableado de la física, para lo cual se requieren dos cables: ­001­EDICIONES scfi­1993 —aparatos electrónicos de eléctricos, setodo aplica mexicana: Normas Oficiales ® 107 DISEÑO DE CIRCUITOS ELÉCTRICOS 3 (nom Normas Mexicanas (nmx ); las nom 1. Cable de cobre desnudo. Conecta la varilla con lauso terminal neutra en más impor­ y )lay las microelectrónica la copperweld han convertido en el energético doméstico alimentados por diferentes fuentes de energía eléc­ son de carácter obligatorio y las nmx el socket del medidor un puente quesólo debe ser deltrica— mismo calibre que los requisitos de seguridad y métodos de prueba que establece tanteme dediante la historia humana. anDré-marie ampère (1775- expresan una recomendación de parámetros el cable neutro. para la aprobación de tipo. Esta norma garantiza la buena calidad en 1836). o procedimientos.

102

En la actualidad, prácticamente todos los sistemas de iluminación la producción de aparatos y la seguridad del público consumidor. Integración de conceptos. Bloque III. Innovación técnica y desarrollo sustentable artificial utilizan la electricidad como energético, lo mismo que la por sus aportaciones al mayoría de eléctrica los sistemas de calefacción refrigeración, incluso losconexión, registros, dispositivos de Instalación Conjunto dey conductores, tuberías, cajas de estudio de la corriente control ytanto protección, que se utilizan en en unala construcción para transportar la motores eléctricos tienen aplicaciones en el hogar como de conceptos eléctrica y el magnetismo. 54 EDICIONES ® energía de la fuente a los puntos de consumo. industria. Matemático y físico

EDICIONES francés, ® reconocido

Integración

Tipos de instalación eléctrica

• Permanentes. Constituye un repaso al final Retoma el ejercicio de la Potencia en circuitos complejos. En la última actividad • Temporales. de cada bloque que resume los debiste dibujar un diagrama del circuito virtual semejante al que aparece a con­ • Ocultas. tinuación: conceptos estudiados.

+ + 75V

• Parcialmente ocultas.

A 2A

Planos arquitectónicos. Dividen la superficie de un terreno dado en espacios habitacionales.

V

• Visibles entubadas. • Totalmente R1 visibles.

Rb 12.5

25

+

Jardín

EDICIONES

® Cochera

75V M

Baño

R

9


INTEGRACIÓN DE CONCEPTOS. DISEÑO DE CIRCUITOS ELÉCTRICOS 2

Integración de conceptos. Diseño de Circuitos Eléctricos 2 El propósito de este mapa es apoyar a profesores y alumnos para que, con un rápido repaso, puedan ubicar y resolver cualquier duda con respecto al contenido del segundo curso.

Circuitos en serie

Se forman cuando dos o más componenetes se conectan extremo a extremo en el circuito, de tal manera que existe sólo un camino por donde circula la corriente.

Ley de Ohm para circuitos en serie

1. La Corriente (I) es siempre la misma en cualquier parte del circuito.

División de voltaje La cadena divisora de voltaje aprovecha las caídas de tensión provocadas por una o más resistencias y toma ese voltaje disminuido para enviarlo hacia otra parte del circuito.

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EDICIONES

2. La Tensión (E) total aplicada en el circuito es igual a la suma de las caídas de voltaje a través de todas las resistencias.

Voltaje (Segunda Ley de Kirchhoff) Cuando la FEM atraviesa una resistencia gasta cierta cantidad de su energía original. A esta pérdida relativa de tensión se le conoce como caída de voltaje. La suma de las caídas de voltaje a través de las resistencias de un circuito cerrado, es igual al total del voltaje inicial aplicado al circuito.

®

3. La Resistencia (R) total del circuito es igual a la suma de las resistencias individuales.

Resistencias equivalentes Es posible simplificar cualquier cantidad de resistencias conectadas en serie y encontrar su equivalente virtual en una sola resistencia.

Flujo de corriente Por todas y cada una de las resistencias conectadas en serie pasará exactamente la misma cantidad de corriente eléctrica, independientemente de su valor en ohmios.

Continuidad En este tipo de circuitos las resistencias siguen un orden sucesivo, determinado por la dirección del flujo: de la primera resistencia dependen todas las demás y de la última no depende ninguna.


DISEÑO DE CIRCUITOS ELÉCTRICOS 3

Circuitos en paralelo

Se forman cuando dos o más componentes se conectan lado a lado, de manera que existe más de un camino por donde circula la corriente.

Tensión (E) La tensión que circula a través de cada una de las ramas es siempre la misma, independientemente de su valor en ohmios.

Corriente (I) La corriente que circula es inversamente proporcional a la resistencia relativa que presenta cada rama individual. Menor resistencia = mayor corriente.

Resistencia total efectiva Es la resistencia real que presenta la combinación de todas las resistencias conectadas en paralelo dentro del circuito y es diferente a la suma de los valores de cada resistencia individual.

La corriente total en un circuito paralelo es igual a la suma de las corrientes parciales que atraviesan cada resistencia.

Fórmula para resistencia con valor diferente:

Fórmula para resistencia total efectiva con tres o más resistencias de valor diferente:

Seis máximas de los circuitos en paralelo

1. Primera Ley de Kirchhoff: la suma de las corrientes que entran en un nodo es igual a la suma de las corrientes que salen de él: It=I1+I2+I3...

2. La Tensión total del circuito es igual y la misma en toda resistencia conectada en paralelo,

4. Cualquier circuito en paralelo puede reducirse a un equivalente virtual con un solo valor: la resistencia total efectiva (Rt).

5. La ley de Ohm se puede aplicar al circuito virtual equivalente.

3. Fórmula independiente para cada resistencia:

6. La resistencia total de cualquier circuito paralelo se puede obtener aplicando una de las dos fórmulas para resistencias diferentes.

EDICIONES

®

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INTEGRACIÓN DE CONCEPTOS. DISEÑO DE CIRCUITOS ELÉCTRICOS 2

Combina conexiones en serie y en paralelo

Circuitos complejos paralelo con serie. Cuando una o más ramas de un circuito en paralelo están fromadas por un conjunto de resistencias conectadas en serie.

Circuitos complejos serie con paralelo. Cuando las resistencias están conectadas en serie con una combinación en paralelo.

Fórmula para calcular la resistencia adicional para circuitos en serie:

El comportamiento de Tensión, Corriente y Resistencia es el mismo que en los circuitos en serie y paralelo por separado.

Fórmula para calcular la resistencia adicional para un circuito paralelo.

Seis principios de Voltaje en Circuitos Complejos

1. En las secciones en serie, las caídas de voltaje dependen de los valores individuales de cada resistencia.

2. En las secciones paralelas, cada rama recibe el mismo voltaje y la corriente que transportan depende de la resistencia particular de cada rama.

4. En una sección paralela donde una rama tiene una sola resistencia y otra rama tiene dos resistencias conectadas en serie, el voltaje que pasa a través de la primera es igual a la suma de los voltajes que pasan por la segunda.

5. El voltaje que pasa a través de una sección paralela completa es exactamente igual al que pasa a través de cualquiera de sus ramas.

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EDICIONES

®

3. En una rama formada por dos o más resistencias en serie, el voltaje se divide proporcionalmente de acuerdo con la cantidad de resistencias y el valor (en ohmios) de cada una de ellas.

6. La suma total de las caídas de voltaje en todo el circuito es igual al voltaje total aplicado inicialmente por la fuente.


DISEÑO DE CIRCUITOS ELÉCTRICOS 3

Materiales y herramientas

Multímetro Tensión: el multímetro se conecta en paralelo con respecto al dispositivo que se está midiendo. Corriente: el multímetro debe conectarse en serie con la rama que se mide. Resistencia: los bornes del multímetro se colocan en las terminales de la resistencia fuera del circuito.

Resistencia Componente pasivo cuya principal característica es su oposición al flujo de corriente.

Interruptores Su funcionamiento puede reducirse a la combinación de las partes que lo integran: polos y tiros.

Fusibles Su punto de fusión determina el máximo de corriente que puede circular por el circuito.

Conceptos

Autoinducción La corriente que circula por la bobina genera la fuerza electromotriz autoinducida.

Ley de Ohm El flujo de corriente en un circuito se incrementa conforme aumenta el voltaje y disminuye conforme aumenta la resistencia.

Transformadores Combinación de bobinas que transforman o modifican el voltaje inicial a otro menor o mayor, pero conservando la misma frecuencia.

Conversión de magnitudes Desplazar el punto decimal hacia la derecha para disminuir la magnitud; hacia la izquierda para incrementarla.

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®

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BLOQUE

I

Tecnología, información e innovación C ontenido 1. TECNOLOGÍA, INFORMACIÓN E INNOVACIÓN 1.1 Innovaciones técnicas a lo largo de la historia. 1.2 Características y fuentes de la innovación técnica: contextos de uso y de reproducción. 1.3 Uso de conocimientos técnicos y las TIC para la innovación. 1.4 El uso de los conocimientos técnicos y de las TIC para la resolución de problemas y el trabajo por proyectos en los procesos productivos.

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P ropósitos •• Reconocer las innovaciones técnicas en el contexto mundial, nacional, regional y local. •• Identificar las fuentes de la información en contextos de uso y de reproducción para la innovación técnica de productos y procesos. •• Utilizar las TIC para el diseño e innovación de procesos y productos. •• Organizar la información proveniente de diferentes fuentes para utilizarla en el desarrollo de procesos y proyectos de innovación •• Emplear diversas fuentes de información como insumos para la innovación técnica.

Aprendizajes esperados EL ALUMNO: •• Identifica las características de un proceso de innovación como parte del cambio técnico. •• Recopila y organiza información de diferentes fuentes para el desarrollo de procesos de innovación. •• Aplica los conocimientos técnicos y emplea las TIC para el desarrollo de procesos de innovación técnica. •• Usa la información proveniente de diferentes fuentes en la búsqueda de alternativas de solución a problemas técnicos.

En este bloque Aprenderás a distinguir entre información y conocimiento técnico e identificarás las fuentes que son de utilidad en los procesos de innovación técnica, así como a estructurar, utilizar, combinar y valorar dicha información para resignificarla en las creaciones técnicas. También aplicarás las tecnologías de la información y la comunicación (TIC) en el diseño e innovación de procesos y productos. En materia de electricidad, estudiarás los principios de la Potencia, entendida ésta como la velocidad a la que la electricidad se transforma en otro tipo de energía. 15


BLOQUE I

TECNOLOGÍA, INFORMACIÓN E INNOVACIÓN

1. Tecnología, información e innovación Eficacia. Es la capacidad de lograr con exactitud y precisión el efecto que se espera. Por ejemplo, para hacer una operación aritmética, una calculadora electrónica es más eficaz que el lápiz y el papel, porque la calculadora no se equivoca y cuando hacemos una operación a mano siempre existe la posibilidad de error. Eficiencia. Es la capacidad de realizar las mismas o más acciones en menos tiempo. Siguiendo el mismo ejemplo, una hoja de cálculo es más eficiente que una calculadora electrónica, porque realiza muchas más operaciones matemáticas al mismo tiempo, contrariamente a la calculadora, en la que sólo podemos ejecutar una operación a la vez.

A lo largo de la historia, el ser humano ha perfeccionado sus técni­cas para realizar innovaciones tomando como base el material a su al­ cance, sus conocimientos técnicos y sus necesidades. De esta forma, las innovaciones técnicas son producto de los avances científicos apli­ cados a cierta rama de la tecnología, que incrementan la eficacia y eficiencia de los aparatos existentes, o bien, crean nuevas generaciones de dispositivos que sustituyen a las anteriores. Gracias a ello, tene­ mos constantemente aparatos que facilitan nuestra vida cotidiana y mejoran la productividad en el trabajo.

1.1 Innovaciones técnicas a lo largo de la historia Activación de conocimientos Antes de iniciar el estudio de este apartado, en grupo y apoyados por el maestro, reflexionen y contesten:

A. ¿Qué entienden por innovación? B. ¿Por qué se hace necesario innovar?

Las siguientes son las innovaciones que han impulsado el desarrollo de la tecno­ logía en el mundo:

Electricidad y magnetismo En 1831, Michael Faraday inventó el motor eléctrico y demostró que la electricidad y el magnetismo son dos representaciones del mismo fenómeno: el electromag­ netismo, con lo que sentó las bases de la ingeniería eléctrica. Hoy en día, la civi­ lización como la conocemos en la actualidad, depende en esencia de la electricidad por la utilización de aparatos electrónicos, sencillos o complejos, que funcionan con este tipo de energía.

Electromagnetismo y telecomunicaciones Los descubrimientos de Michael Faraday dieron como resultado una nueva tecnología: la transformación de energía mecánica en energía eléctrica por induc­ ción electromagnética; entre las primeras aplicaciones prácticas de la electricidad están las telecomunicaciones. El telégrafo fue el primer medio de comunica­ ción a distancia basado en la electricidad. En 1866, se colocó el primer sistema de comunicación telegráfica permanente entre América y Europa a través de un cable que cruzó todo el océano Atlántico; como era de esperarse, la red telegráfica fue creciendo por diferentes países y ciudades de ambos continentes: la era de las telecomunicaciones había iniciado. 16

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DISEÑO DE CIRCUITOS ELÉCTRICOS 3

Michael Faraday (1791-1867). Físico y químico británico, descubrió la inducción electromagnética.

James Clerk Maxwell (1831-1879). Físico escocés, desarrolló la teoría electromagnética.

Foto: Wikipedia

Foto: Wikipedia

Antonio Meucci (1808-1889). Inventor del teléfono entre otras innovaciones técnicas.

Guillermo Marconi (1874-1937). Ingeniero eléctrico italiano impulsor de la radio-transmisión.

Foto: Wikipedia

Heinrich Hertz (1857 -1894). Físico alemán, descubrió el efecto fotoeléctrico y la propagación de las ondas electromagnéticas.

Teléfono, radio y televisión En 1861, inspirado en las leyes de Faraday, el físico escocés James Clerk Maxwell demostró matemáticamente que la velocidad a la que viajan las ondas electro­ magnéticas está determinada por las propiedades eléctricas y magnéticas del medio por el que se desplazan. En el vacío y por el aire, su velocidad es muy cercana a la de la luz (300 mil kilómetros por segundo). Con sus ecuaciones, Maxwell dividió el mundo material, respecto a las ondas electromagnéticas, en tres grandes grupos: conductores, semiconductores y aislantes, descubrimiento que fue fundamental para el desarrollo de la tecnología. La aplicación de las leyes de Maxwell sirvió para que Antonio Meucci inventara el teléfono (1876)1. El invento de Meucci es una analogía entre el sonido y los fenó­ menos electromagnéticos: ambos se propagan como ondas y tienen características similares. Cada sonido, incluidos los emitidos por la voz humana, es la combinación de cierta longitud, frecuencia y periodo de onda. El invento de Antonio Meucci hacía que las ondas sonoras provenientes de la voz humana pasaran por un semiconductor (carbono) colocado en un campo magnético, para que las dife­ rentes vibraciones sonoras provocaran distintos impulsos electromagnéticos que viajaban por el medio conductor (un cable de cobre) hasta llegar al aparato re­ ceptor, donde el proceso se invertía para convertir impulsos en sonido. El resul­ tado final es la transmisión de voz a larga distancia en tiempo real, en otras palabras, el teléfono. El mismo principio aplicó Guillermo Marconi, aprovechando las investigaciones de Heinrich Hertz, para desarrollar la radio. Sólo que las ondas electromagnéticas no viajan por un cable, sino por el aire y con ayuda de una antena. Al experimentar con diferentes magnitudes del campo electromagnético y diversas alturas de antenas, en 1901 logró enviar un mensaje a través del océano Atlántico: de In­ glaterra a Estados Unidos. 1

En 2002, el Congreso de los Estados Unidos reconoció a Antonio Meucci como el verdadero inventor del teléfono. Graham Bell sólo lo patentó.

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BLOQUE I

TECNOLOGÍA, INFORMACIÓN E INNOVACIÓN

El principio técnico de la televisión es una variación de la radio; ambos funcionan con ondas electromagnéticas. Así como el micrófono transforma ondas sonoras en impulsos electromagnéticos, la cámara televisiva hace lo mismo con ondas de luz visible; de hecho, sólo utiliza tres colores: rojo, verde y azul, que una vez trans­ formados se transmiten y reciben de manera similar por medio de antenas; el receptor es el aparato televisivo, cuya pantalla está formada por una gran cantidad de celdas de fósforo muy pegadas entre sí que forman las imágenes televisivas.

El microchip En la década de 1950, los Laboratorios Bell Telephone inventaron el transistor, un dispositivo que amplía, controla y genera señales eléctricas con las ventajas de ser muy pequeño, consumir poca energía y producir el mínimo calor. Una dé­ cada después, los ingenieros integraron las diferentes tareas de los aparatos electrónicos en un circuito integrado, con lo que se redujo más el espacio necesario para su funcionamiento. Gracias a los avances en la ingeniería —los microscopios electrónicos y las máquinas de precisión milimétrica— fue posible desarrollar en las décadas siguientes el microchip, que no es más que un conjunto muy grande de circuitos integrados, cada uno con funciones específicas. Los microchips más avanzados pueden tener centenas de millones de transistores en decenas de millones de circuitos integrados, mientras que los aparatos de uso diario como reproductores de dvd y teléfonos portátiles tienen cantidades más moderadas, pero funcionan bajo el mismo principio.

La revolución digital: el microprocesador A partir de los años setenta, el micro­chip se hizo más versátil. Los ingenieros lo unieron con el álgebra booleana y el sistema binario, lo que dio como resultado el microprocesador: un dispositivo capaz de recibir información, procesarla y emitir una respuesta. Las calculadoras de bolsillo son los microprocesadores más antiguos; pero el aparato más versátil que se ha construido a partir del micro­ procesador es la computadora —nombre genérico que reciben todos los artefactos controlados por un microprocesador—, capaz de realizar operaciones lógicas siguiendo las instrucciones dictadas por un lenguaje de programación para recibir información, procesarla y emitir una respuesta. Desde la sencilla pc casera hasta las máquinas de resonancia magnética son capaces de presentar una imagen tridi­ mensional del cerebro humano sin necesidad de abrir el cráneo; estas imágenes no son fotografías, como los rayos X, son representaciones digitales del órgano vivo y sus funciones, generadas por ondas electromagnéticas y procesadas como bits por un microprocesador, algo propio y distintivo de esta Era de la Información.

La innovación como proceso en el diseño y construcción de circuitos eléctricos La innovación tecnológica implica un profundo conocimiento del fenómeno que se estudia y es resultado de la investigación teórica y experimental. Para llegar a la innovación es indispensable dominar las bases de la materia de estudio, en este caso, el fenómeno eléctrico. 18

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DISEÑO DE CIRCUITOS ELÉCTRICOS 3

En los cursos anteriores aprendiste los elementos fundamentales de dicho fenó­ meno: Corriente, Tensión y Resistencia, su mutua relación y dependencia, así como su comportamiento y las Leyes físicas que los rigen cuando se aplican en diferentes tipos de circuitos. Ahora pondrás en práctica los conocimientos adquiridos —y los que aprenderás en este curso— en un circuito complejo de dimensiones medianas: la instalación eléctrica de una casa habitación.

La satisfacción de necesidades sociales por medio del diseño de circuitos eléctricos Una parte fundamental para el diseño de los circuitos eléctricos es la comprensión y medición de la magnitud física llamada Potencia.

La Potencia En Física un trabajo se define como el movimiento que provoca cualquier tipo de fuerza. En los cursos anteriores aprendiste que la diferencia de potencial entre dos puntos cualesquiera de un circuito eléctrico provoca voltaje, que pone en movimiento a los electrones, que a su vez generan la corriente eléctrica; por lo tanto, el fenómeno eléctrico se considera un trabajo que se mide en joules (Diseño de circuitos eléctricos 1, Bloque I). En este sentido, la Velocidad a la que se realiza el trabajo de mover electrones de un punto a otro se conoce como Potencia eléctrica, y se representa con la letra P (pe mayúscula) y su unidad de medida es el watt, cuyo símbolo es la letra W (doble ve mayúscula).

La Potencia eléctrica se mide en watts. El watt se define de la siguiente manera:

1 watt es igual a la velocidad a la que se realiza el trabajo de mover electrones en un circuito, en el cual fluye 1 amperio cuando se aplica una Tensión de 1 voltio. Por tales razones, el watt está considerado como la unidad estándar para medir el consumo eléctrico y el potencial de consumo de cualquier aparato que utiliza elec­tricidad como energético.

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BLOQUE I

TECNOLOGÍA, INFORMACIÓN E INNOVACIÓN

En los cursos anteriores estudiaste que la energía eléctrica se transporta de un punto a otro con el fin de convertirla en un tipo distinto de energía: lumínica, calorífica, cinética (movimiento), sonora, entre otras, para realizar ciertas tareas y facilitar la ejecución de otras. Pues bien, en términos de ingeniería eléctrica, la Potencia se entiende como la velocidad a la que la electricidad se transforma en otro tipo de energía.

e

e

e e e e e e e e e

e 25W

100W

En un foco de 25W se mueven menos electrones que en uno de 100W; por lo tanto, el primero requiere menos potencia eléctrica que el segundo, y su trabajo de conversión energética (de eléctrica a lumínica) también es menor. La velocidad a la que se realiza el trabajo de mover electrones a través de una resistencia cualquiera (foco, motor, parrilla, tv, radio) depende de cuántos elec­ trones es necesario mover. Por lo tanto, la Potencia consumida por una resistencia la determina el voltaje que recibe, multiplicado por la corriente que fluye a través de ella. Expresado en unidades de medida tenemos lo siguiente:

Potencia = Tensión x Corriente Watts = Voltios x Amperios Lo que resulta en la fórmula P=EI

Actividad 1 Aplica la fórmula de la Potencia en el siguiente caso: en un circuito con una sola resistencia de 142Ω y una tensión de 120V, ¿cuáles son los valores de la corriente y la potencia? Sigue el procedimiento que ya conoces: primero dibuja el diagrama y después aplica las fórmulas.

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DISEÑO DE CIRCUITOS ELÉCTRICOS 3

•• La electricidad en los sistemas productivos La Potencia es una magnitud que se aplica por igual en los sistemas producti­ vos —como fábricas u oficinas— y en los espacios habitacionales, porque en todos ellos se utiliza la electricidad como energético. Lo que varía en cada caso es la cantidad del consumo y la Tensión que alimenta los diferentes tipos de maquinaria, por eso existen diferencias en la red de distribución (Diseño de circuitos eléctricos 2).

Fórmula de la Potencia La fórmula de la Potencia también puede expresarse en términos de Corriente (I) y Resistencia (R) o Tensión (E) y Resistencia (R), aplicando la Ley de Ohm. Se trata sencillamente de sustituir valores, dado que la Tensión (E) es el resultado de multiplicar la Corriente (I) por la Resistencia (R), lo cual expresamos como E = IR, el valor de la Tensión (E) en la fórmula de la potencia puede reemplazarse por su equivalente I*R, siguiendo el método algebraico:

1. P=EI

Sustituimos el valor de E por su equivalente en la ley de Ohm

2. P=(IR)I

Eliminamos los paréntesis e indicamos las operaciones aritméticas

3. P= I*R*I

P = I²*R

Lo que nos da como resultado la primera variación de la fórmula de la Potencia (P).

De acuerdo con las reglas de la aritmética, al multiplicar un número por sí mismo nos da su cuadrado, entonces...

4. I*I= I²

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®

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BLOQUE I

TECNOLOGÍA, INFORMACIÓN E INNOVACIÓN

Lo mismo sucede cuando sustituimos el símbolo de la Corriente (I) por su equiva­ lente en la Ley de Ohm:

1. P=EI

Sustituimos el valor de I por su equivalente en la ley de Ohm

2. P=E

E R

Entonces...

3. P=

E² P= R

E*E R

Lo que nos da como resultado la segunda variación de la fórmula de la Potencia (P)

Entonces...

4. E * E= E²

De esta manera se obtienen la fórmula original y sus dos variaciones: P=EI

P=I²R

Original

Variación sobre

Variación sobre

la Tensión (E)

la Corriente (I)

Con ellas podemos resolver cualquier problema relacionado con la Potencia eléctrica; es cuestión de seleccionar la variante correcta de acuerdo con los datos conocidos del circuito donde la apliquemos.

Actividad 2 Observa y analiza con detenimiento las derivaciones de la fórmula original de la Potencia. Explica con tus propias palabras el proceso que se realiza para obtenerlas.

•• La electricidad en la vida cotidiana Los dispositivos eléctricos, electromecánicos y digitales son asistentes indispen­ sables en la vida cotidiana de la sociedad moderna. Las tareas vitales para la supervivencia de la sociedad son asistidas por alguno de los citados dispositivos. 22

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DISEÑO DE CIRCUITOS ELÉCTRICOS 3

Por ello, la generación, transporte y reparto de energía eléctrica, son operaciones imprescindibles para nuestra sociedad. El posterior consumo del energético es el eslabón final de esta importante cadena, por lo que es indispensable aprender a medirlo y regularlo.

Ley de Ohm ampliada Al integrar la Potencia en la Ley de Ohm, con las combinaciones de Tensión, Corriente y Resistencia que ya conoces, tenemos un juego de ecuaciones más completo para calcular los factores que integran la energía eléctrica: Potencia (P):

P=I2*R

P=E*I

Corriente (I): Resistencia (R): Tensión (E)

E= P*R

E=I*R

El siguiente diagrama muestra las ecuaciones de la Ley de Ohm am­pliada con la Potencia, en un formato circular que facilita considerablemente las consultas. El diagrama está formado por dos círculos concéntricos, divididos en cuatro partes o cuadrantes. Cada cuadrante corresponde a un factor de la energía eléctrica, indicado en el círculo pequeño por su respectivo símbolo: P para Potencia, I para Corriente, etcétera. En el círculo mayor de cada cuadrante se encuentran las ecuaciones correspondientes a cada factor. El uso de este Círculo de Ohm es semejante al Triángulo Mágico que estudiaste en Diseño de Circuitos Eléctricos 1.

2

I *R E *I P*R P I

E2 R

E R

P I E R I *R

P I2

P E

P

E E P 2

R

I

Primero determinas cuál es el factor que quieres calcular, por ejemplo, la Potencia y te remites al cuadrante correspondiente, en este caso P. Después, especificas cuáles son los valores conocidos que puedes uti­lizar para conocer el valor de la Potencia. Suponiendo que conoces la Tensión y Resistencia del circuito, entonces aplicas la variante , que se localiza en la parte superior del cuadrante. Si conoces la Corriente y la Resistencia, entonces aplicas la variante I2*R. En ambos casos, el resultado que obtienes son watts, porque estás calculando Potencia. Exactamente el mismo método se aplica al resto de los factores, con sus respectivas uni­ dades de medida.

Las unidades de medida de la Potencia —los watts— siguen los mismos principios de conversión estudiados en el curso anterior. La Potencia entre 1 watt y un milésimo de watt (1/1000) se mide en miliwatts y se representa así: mW; la m es el símbolo del prefijo mili y la W de watt. La Potencia entre un milésimo (1/1000) y un millonésimo (1/1000,000) de watt se mide en microwatts y se representa así: µW; donde µ representa el prefijo micro y W al watt. Para calcular la Potencia se aplican las mismas reglas de conversión entre unidades de medida que estudiaste en el Bloque I del curso anterior.

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BLOQUE I

TECNOLOGÍA, INFORMACIÓN E INNOVACIÓN

Actividad 3 Utiliza el círculo de Ohm para calcular las siguientes magnitudes: 1. En un circuito con una sola resistencia de 140Ω, al que se le aplica una tensión de 120 voltios, ¿cuál es la potencia de consumo de la resistencia? 2. El caso anterior, con una potencia de 120 voltios y una corriente de 857mA, ¿cuál es la Potencia de la resistencia? 3. ¿Cuál es la Resistencia de un circuito al que se le aplican 120 voltios de tensión y tiene una potencia de 144mW? Expresa la respuesta con prefijos de cantidad. 4. ¿Cuál es la Corriente que existe en un circuito con una sola resistencia de 10KΩ y un consumo potencial de 90mW? 5. ¿Cuál es la Tensión aplicada al circuito anterior?

1.2 Características y fuentes de la innovación técnica: contextos de uso y de reproducción Activación de conocimientos Antes de iniciar el estudio de este apartado, en grupo y apoyados por el maestro, reflexionen y contesten:

A. Mencionen una innovación en electricidad. B. Antes de la luz eléctrica, ¿cómo iluminaba y calentaba la gente sus casas?

Como ya se explicó, al incremento significativo de la eficacia o eficiencia de algún aparato tecnológico se le llama innovación porque aporta algo nuevo a lo ya existente. Por ejemplo, la sustitución de la fuerza humana y animal por la mecánica fue posible gracias a una serie de innovaciones técnicas que se extendieron por Inglaterra a lo largo del siglo xviii. Los conceptos científicos en los que se basaron ya eran conocidos desde hacía siglos; la novedad radicó en la aplicación de esos conocimientos ya existentes a la producción de bienes materiales. La Primera revolución industrial es un ejemplo claro de innovaciones técnicas; los principales campos beneficiados fueron el de la energía (máquina de vapor de James Watt), el textil (hilado y tejido del algodón), la metalurgia (altos hornos) y los transportes (locomotora de Stephenson). La primera revolución industriaL (1760 a 1860) es el periodo histórico en el que Gran Bretaña y el resto de Europa experimentan un conjunto de transformaciones socioeconómicas, tecnológicas y culturales (mecanización de la industria, desarrollo del comercio e introducción de medios de locomoción).

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La incorporación de las máquinas a la producción sustituyó el trabajo manual y los tradicionales sistemas de fabricación por otros nuevos. Las fuentes de tra­bajo se trasladaron de los talleres artesanales con un reducido número de operarios, a las fábricas donde máquinas y obreros fueron agrupados en grandes concentraciones.


DISEÑO DE CIRCUITOS ELÉCTRICOS 3

La división del trabajo derivó en un notable incremento de la productividad, así como en la disminución de los costos de fabricación, lo que redundó, a su vez, en la disminución de los precios y en el crecimiento del número de consumidores.

La aceptación social, elemento fundamental para la innovación técnica La aceptación social significa que una gran cantidad de personas está dispuesta a consumir y utilizar un nuevo producto. En el caso de la electricidad, la primera red de suministro se colocó en Manhattan, Nueva York, en septiembre de 1882 (Diseño de circuitos eléctricos 2). Antes de ese memorable acontecimiento, en las ciudades más avanzadas se utilizaban lámparas de gas para el alumbrado público y en algunas residencias opulentas; la mayoría de­ pendía de las hogueras, chimeneas y estufas de carbón para iluminar y calentar sus casas durante la noche. Si consideramos que nuestros antepasados aprendieron a controlar el fuego hace 790 mil años (según cálculos de los antropólogos de la Universidad Hebrea de Israel), resulta que el hombre ha utilizado el fuego como iluminación artificial y sistema de calefacción durante prácticamente toda su historia.

La información y sus fuentes para la innovación técnica Desde que nikola tesla diseñara la primera central hidroeléctrica de corriente alterna en 1893 (Diseño de circuitos eléctricos 1, Bloque III) hasta la fecha, las plantas generadoras del energético han evolucionado considerablemente. En México, la comisión federal de electricidad cuenta con 204 centrales generadoras, que en conjunto son capaces de producir más de 11,456 MW (mega watts) que abas­ tecen al país entero. Por su parte, los dispositivos que funcionan con energía eléctrica han alcanzado un alto grado de perfeccionamiento, en particular los electrónicos y digitales, lo que ha dado como resultado un enorme desarrollo de las telecomunicaciones, a tal grado que a la época actual se le llama la Era de la Información. Todos estos avances se deben a que diferentes ramas de la ciencia (en particular la Matemática, la Física y la Química) han descifrado el comportamiento de la mate­ria y la ener­ gía en diversas circunstancias y los científicos han tenido la libertad de comunicar sus descubrimientos a las nuevas generaciones a través de diferentes medios: libros, prác­ tica académica, revistas especializadas, medios electróni­ cos, Internet y muchos otros. Sin el libre flujo de información, el desarrollo de la tecno­logía y la innovación técnica sería imposible.

Foto: Wikipedia

En este sentido, la energía eléctrica tiene enormes implicaciones en la transfor­ mación social, económica, científica y tecnológica de la humanidad entera.

Nikola tesla (1856-1943). Inventor, ingeniero mecánico e ingeniero eléctrico, padre de la industria eléctrica. Se le conoce, sobre todo, por sus numerosas y revolucionarias invenciones en el campo del electromagnetismo.

La comisión federal de electricidad (cfe) es una empresa paraestatal, encargada de controlar, generar, transmitir y comercializar energía eléctrica en todo el territorio mexicano. Fue fundada el 14 de agosto de 1937 por el Gobierno Federal. Es la empresa más grande del sector eléctrico de Latinoamérica y propietaria de la Central Nuclear de Laguna Verde ubicada en el estado de Veracruz y única en el país.

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BLOQUE I

TECNOLOGÍA, INFORMACIÓN E INNOVACIÓN

Los contextos de reproducción de técnicas como fuente de información para la innovación

Foto: Wikipedia

A partir del diseño original de Nikola Tesla sobre la central de corriente alterna, la técnica de generación eléctrica fue reproducida comercialmente por diferentes empresas, lo cual impulsó la necesidad de establecer estándares.

El watt lleva ese nombre en honor a James Watt (1736 -1819), físico y matemático escocés, quien contribuyó al desarrollo de la máquina de vapor que impulsara la Primera Revolución Industrial.

Se creó entonces el watt como unidad de medida para la Potencia eléctrica. Como aprendiste al inicio de este bloque, 1 watt es igual a la velocidad a la que se realiza el trabajo de mover electrones por un circuito por el cual fluye 1 amperio, cuando se aplica 1 voltio de tensión. En Diseño de circuitos eléctricos 1, Bloque I, aprendiste que 1 amperio equivale a 1 culombio que pasa por un punto fijo cada segundo; y que se requiere 1 voltio para mover 1 culombio (6.28 trillones de electrones) a través del circuito, lo cual representa 1 joule de trabajo. En ese curso también aprendiste que el electrón es una partícula muy pequeña, infinitesimal, por lo que incluso 6.28 trillones de electrones, es decir, el equivalente a 1 watt de potencia, resulta insuficiente para realizar mediciones en la vida co­ tidiana. Es por ello que se utilizan los prefijos kilo, mega, giga y tera (miles, millones, miles de millones y billones, respectivamente) para medir la generación y consumo de energía eléctrica. Consulta la tabla de equivalencias que aparece en Diseño de circuitos eléctricos 1, Bloque III. En este sentido, existen diferencias importantes entre la capacidad de generación, la capacidad de consumo y el consumo efectivo del energético. Cuando se dice, por ejemplo, que la central de Infiernillo, Guerrero, tiene una capacidad de generación de 1,120 MW (mega watts), quiere decir que sus seis unidades, funcionando a su máxima capacidad, pueden producir la energía eléc­ trica equivalente a 1,120 millones de watts en cualquier instante. En estos casos, no se considera la dimensión del tiempo como factor; se describe únicamente su potencial de generación.

Los usuarios de productos como fuente de información para la innovación técnica

um

o

1 Kw/h

Co ns

Potencia

1 Kw

Tiempo

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1 hora

®

En el caso de los dispositivos que utilizan electricidad para su funcionamiento, existe una diferencia entre su potencial de consumo y su consumo efectivo. El primero suele medirse en watts o kW (kilowatts), información que se especifica en el manual de usuario. Por ejemplo, las planchas para ropa suelen tener un potencial de consumo de 1kW, lo cual quiere decir que el aparato, a su máxima capacidad, tiene un potencial de consumo de hasta mil watts, ni uno más, porque ese es el límite de su resistencia.


DISEÑO DE CIRCUITOS ELÉCTRICOS 3

Cuando se mide el consumo efectivo, se añade la dimensión de tiempo; para las casas habitación se toma como unidad la hora (60 minutos) y se expresa como una operación aritmética kW/h, que se lee como “kilowatt por hora”. En este caso, se mide el consumo del aparato durante un lapso determinado. Siguiendo con el ejemplo, si una plancha de ropa funciona a toda su capacidad durante una hora, consumirá mil watts; si durante el mismo lapso funciona a la mitad de su capacidad, entonces consumirá sólo 500W. Lo mismo se aplica a todos los dispositivos que consumen electricidad.

70 kWh

La empresa encargada del suministro eléctrico (en México, la Comi­ sión Federal de Electricidad) reporta este dato al usuario, por ejemplo: Consumo kWh: 70, lo cual significa que en la vivienda se consumieron un promedio de seten­ta mil watts cada hora de cada día durante el periodo esta­blecido. No es posible espe­cificar el consumo individual de cada aparato, sólo la suma total del consumo de todos los aparatos.

Consumo

Finalmente, en una casa habitación suele haber muchos aparatos que funcionan con electricidad durante dife­rentes lapsos. La medición del consumo total de una vivienda suele calcularse en periodos mensuales o bi­mestrales, y es la suma del consumo energético efectuado por todos los aparatos existentes en la vivienda durante ese periodo.

2 meses

1

Tiempo mes

Conocer la capacidad de consumo y el consumo efectivo de los apa­ ratos que uti­lizan la electricidad como energético es muy importante para el diseño de instalaciones eléctricas, como lo verás más adelante.

Actividad 4 Resuelve el siguiente ejercicio: en una casa habitación con un consumo promedio de 140kWh y un periodo de medición bimestral, ¿cuánto es el consumo total de watts al final del periodo?

1.3 Uso de conocimientos técnicos y las TIC para la innovación Activación de conocimientos Antes de iniciar el estudio de este apartado, en grupo y apoyados por el maestro, reflexionen y contesten:

A. ¿Qué son las TIC? B. Expliquen qué son los sensores.

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BLOQUE I

TECNOLOGÍA, INFORMACIÓN E INNOVACIÓN

TIC son las siglas de Tecnologías de la Información y Comunicación, y hacen referencia a los dispositivos digitales capaces de procesar información conforme a las instrucciones del usuario, y enviar el resultado obtenido en forma de impulsos electromagnéticos a través de un canal preestablecido (redes telefónicas o de computadoras) a prácticamente cualquier parte del mundo donde se encuentre el receptor. En otras palabras, las TIC incluyen, pero no se limitan a la computación; abarcan los medios de comunicación masiva (radio, periódicos, cine, televisión) y los medios de comunicación interpersonal (teléfono, telégrafo, correo electrónico). Los pormenores del proceso de comunicación fueron explicados ampliamente en Diseño de circuitos eléctricos 1, Bloque IV. El ejemplo más claro de las TIC son las compu­ tadoras personales conectadas a Internet. Con un programa de aplicación especializado pue­ des diseñar un circuito eléctrico, probarlo y enviarlo a cualquier parte del mundo por correo electrónico, chat o Web.

TIC Tecnologías de la información y la comunicación

Informática Información por medios electrónicos

Internet Redes de comunicación interconectadas

Telecomunicaciones Comunicación a distancia

La innovación en los materiales y su empleo en la construcción de circuitos eléctricos La aplicación de las computadoras —y las TIC en general— es ya una parte indispensable para la producción de bienes y servicios. La investigación sobre el fenómeno eléctrico, que incluye la innovación de mate­ riales y su posterior empleo, utiliza computadoras para medir resultados experi­ mentales con una precisión que los aparatos mecánicos no pueden alcanzar. Sin embargo, debe quedar muy claro que las computadoras no piensan, procesan datos numéricos a velocidades formidables, pero todos esos datos y operaciones están basados en las mismas Leyes y Principios que has estudiado en estos cursos. La computadora es una excelente herramienta que te ayuda a resolver problemas, y para utilizarla correctamente debes conocer el procedimiento que realiza en su interior.

Potencia en los circuitos en serie Ya conoces la diferencia entre el potencial de consumo y el consumo efectivo de un dispositivo eléctrico. Como en el caso de los otros elementos fundamentales del fenómeno eléctrico (Tensión, Corriente y Resistencia), la Potencia también presenta un comportamiento específico en las conexiones en serie y paralelo.

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DISEÑO DE CIRCUITOS ELÉCTRICOS 3

La Potencia total consumida en un circuito en serie es la suma de la Potencia utilizada por cada Resistencia o carga individual perteneciente al mismo.

Carga es el nombre genérico con que se designan los dispositivos eléctricos, electromecánicos y digitales, que contienen diversas piezas para controlar la electricidad y transformarla en otro tipo de energía. En los circuitos medianos —como las casas habitación— las cargas son todos aquellos aparatos que consumen electricidad y representan el equivalente de las resistencias de carbón, metal y cerámica en los circuitos pequeños, como los que has manejado hasta ahora.

A continuación presentamos un ejemplo del proceso para calcular la Potencia en un circuito con resistencias conectadas en serie. Encontrar la Potencia total (expresada en watts) en un circuito formado por tres resistencias con los siguientes valores: R1=30Ω, R2=18Ω, R1=12Ω, conectadas en serie a una fuente de poder de 120V. 1. El primer paso consiste en dibujar el circuito.

+

R1 30

R2 18

R3 12

120V

2. Calculamos la Resistencia total con la fórmula correspondiente a las resis­ tencias conectadas en serie: Rt = 30+18+12= 60Ω. 3. A continuación calculamos la Corriente, lo cual es muy sencillo porque ya conocemos la Tensión (E) y la Resistencia (R) totales. Aplicamos la Ley de Ohm: 4. Ahora podemos aplicar la variante de la fórmula de la Potencia que contempla la Corriente y la Resistencia (consulta el Círculo de Ohm): P=I2R= (22)*60=4*60=240W El potencial de consumo de las tres resistencias juntas es de 240W.

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TECNOLOGÍA, INFORMACIÓN E INNOVACIÓN

BLOQUE I

Actividad 5 Imagina que las tres resistencias están colocadas en círculos concéntricos y juntas forman una sola parrilla eléctrica. Para efectos de una instalación eléctrica, el conjunto de las tres resistencias representa una sola carga, y por lo tanto se puede calcular su consumo efectivo a partir de su consumo

30

potencial.

18

Calcula el consumo eléctrico efectivo de la parrilla en los siguientes casos:

12

1. Si la parrilla funcionara a su capacidad completa durante tres horas. 2. Si la parrilla funcionara exactamente a la mitad de su capacidad por media hora. 3. Si la parrilla funcionara exactamente a un tercio de su capacidad durante una hora y media.

Actividad 6 Calcula la Potencia total de un circuito con tres resistencias en serie que tienen los siguientes valores: R1=20Ω, R2=12Ω y R3=16Ω. Sigue el procedimiento del ejemplo.

El uso del software en el diseño de los circuitos eléctricos Dado el avance tecnológico y su naturaleza irreversible, el uso de computadoras y software especializado es fundamental para el desarrollo de proyectos académicos y profesionales. En el caso de los circuitos eléctricos, los programas se diseñan siguiendo con toda exactitud las Leyes y Principios científicos que explican el comportamiento de la electricidad en diferentes circunstancias, por lo que la mayoría de ellos son confiables y puedes utilizarlos con la certidumbre de que obtendrás resultados muy cercanos al comportamiento que presentarán los materiales y la energía en el mundo real. Existen diversos tipos de software especializados en electricidad, algunos de ellos son gratuitos o mejor dicho, de Licencia Pública General (gnu o glp por sus siglas en inglés), lo que significa que cualquier persona puede utilizarlos sin necesidad de pagar por los derechos de autoría y explotación. De igual manera, existe software comercial por el cual es necesario pagar los derechos correspondientes para su uso y explotación. El uso de uno u otro de­ pende de las posibilidades económicas y los objetivos del usuario.

La regulación en los sistemas de iluminación, ventilación y temperatura mediante el uso de sensores Como aprendiste en Diseño de circuitos eléctricos 2, Bloque II, los sensores son inter­ ruptores que funcionan con un método diferente al mecánico; son capaces de detectar magnitudes físicas y químicas, a partir de las cuales se activan o 30

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DISEÑO DE CIRCUITOS ELÉCTRICOS 3

desactivan; entre las más comunes se cuentan: temperatura, intensidad lumínica, distancia, aceleración, inclinación, desplazamiento y presión. El sensor está encargado de convertir estas magnitudes en unidades eléctricas: Resistencia, Tensión y Corriente, y por ello se utilizan para controlar cualquier sistema eléctrico, incluidas la iluminación, ventilación y calefacción en casas habitación, oficinas o fábricas.

1.4 El uso de los conocimientos técnicos y de las TIC para la resolución de problemas y el trabajo por proyectos en los procesos productivos Activación de conocimientos Antes de iniciar el estudio de este apartado, en grupo y apoyados por el maestro, reflexionen y contesten:

A. ¿Qué es un proyecto técnico? B. Expliquen, ¿qué es un simulador?

Una vez que conoces las bases del comportamiento de la electricidad y el fun­ cionamiento de los dispositivos que la utilizan como energético, y has experimen­ tado con materiales y fuentes de energía reales, puedes aplicar esos conocimientos en un ambiente virtual, es decir, en una computadora con un software especializado. En el caso de los circuitos eléctricos se utilizan dos tipos de programas: 1. De dibujo, que simplemente te ayudan con el trazo del circuito. 2. Simuladores, que dibujan el circuito y además reproducen en un ambiente virtual el comportamiento de la energía y los materiales que seleccionas para crear el circuito. Estos sistemas son, precisamente, los que están programados a partir de las Leyes y Principios científicos que explican el fenómeno eléctrico. Los simuladores son mucho más recomendables que sus contrapartes de dibujo, porque te permiten detectar posibles errores y corregirlos antes de armar el circuito real.

La búsqueda y el procesamiento de la información para la innovación y la resolución de problemas En Diseño de circuitos eléctricos 1, Bloque I, aprendiste que el proyecto técnico sigue una serie de pasos secuenciales que te ayudan a alcanzar el objetivo planteado con la menor cantidad de errores y demoras posibles.

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BLOQUE I

TECNOLOGÍA, INFORMACIÓN E INNOVACIÓN

Los pasos del proyecto técnico son: Identificación de una necesidad. Delimita­ ción del problema. Búsqueda de información. Alternativas de solución. Planeación. Preparación. Producción y Ejecución. Evaluación. Si necesitas refrescar esta infor­ mación consulta el bloque mencionado.

B log y weblog provienen de web (red informática) y log (diario). Blog es una publicación en línea con una periodicidad muy alta, de historias que son presentadas en orden cronológico inverso, es decir, la última es la primera que aparece en la pantalla. Es muy habitual que dispongan de una lista de enlaces (blogroll) con otros weblogs y suelen disponer de un sistema de comentarios que permite a los lectores establecer una conversación entre ellos y con el autor acerca de lo publicado.

La búsqueda de información se requiere porque es posible que ya existan una o varias soluciones para el problema que estás planteando, lo cual es natural porque existen muchas personas que se dedican a la misma actividad. En estos casos, las TIC son de gran utilidad; como regla general, investiga en Internet cuáles son las soluciones ya existentes, compáralas con tu proyecto y busca la manera de enriquecerlo. Sólo recuerda que deben ser fuentes de información confiables: estaciones Internet respaldadas por alguna institución educativa, de investigación o edi­ torial de libros consolidada. Como regla general, las páginas personales (blog) y las redes sociales no son fuentes de información confiables, a menos que pertenezcan a una persona reconocida por alguna de las instituciones ya mencionadas.

Potencia en circuitos paralelos Para finalizar este bloque, estudiemos el comportamiento de la Potencia en cir­ cuitos paralelos. La Potencia total consumida por un circuito en paralelo es igual a la suma de la Potencia utilizada por cada Resistencia (carga) individual perteneciente al mismo. Como puedes ver, el comportamiento de la Potencia es muy semejante en co­ nexiones en serie y paralelo, lo cual tiene sentido porque la Potencia mide la velocidad a la que se realiza el trabajo de mover electrones de un punto a otro y, por lo mismo, la velocidad a la que la electricidad se transforma en otro tipo de energía. En este sentido, el camino que recorren los electrones antes de realizar su trabajo en la Resistencia se convierte en un dato secundario. Sin embargo, existen diferencias importantes: para calcular la Potencia total de un circuito en paralelo es indispensable conocer la Corriente total que circula por el mismo y el voltaje total que se le aplica. Con ambos datos se utiliza la fórmula original de la Potencia: Pt=Et*It. Si el circuito lo permite, podemos utilizar el multímetro para determinar el voltaje y el amperaje del circuito. Por ejemplo, en un circuito con cuatro resistencias de 100Ω cada una conectadas en paralelo y alimentado por una fuente de poder de 120V, el amperaje total es de 4.8A.

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DISEÑO DE CIRCUITOS ELÉCTRICOS 3

+ +

V

120V

+

A

4.8A R1 100

120V

R2 100

R3 100

R4 100

Dado que contamos con los datos de la Tensión y laCorriente totales, simplemente sustituimos los valores en la fórmula de la Potencia correspondiente (consulta el Círculo de Ohm): Pt=Et*It=120*4.8=576W.

Actividad 7 Interpreta el resultado del ejemplo, como si las resistencias fueran focos en una habitación.

Recuerda: Voltios x Amperios = Watts

Actividad 8 Comprueba que en el circuito anterior el amperaje es de 4.8A. Para hacerlo, calcula la Resistencia total efectiva del circuito; una vez obtenido este dato aplica la Ley de Ohm que ya conoces.

Tensión

Corriente

Resistencia

El resultado del ejemplo anterior significa que el circuito tiene un potencial de consumo de 576W en esta configuración particular, con la Resistencia total efectiva que calculaste; pero no sucede lo mismo en todos los circuitos con cuatro resis­ tencias en paralelo; de acuerdo con la Ley de Ohm: EDICIONES

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BLOQUE I

TECNOLOGÍA, INFORMACIÓN E INNOVACIÓN

Tensión, Resistencia y Corriente actúan en conjunto porque son partes inseparables de un todo. Si se modifica el valor de un elemento, se modifica el conjunto entero.

Actividad 9 Construyan un circuito semejante al del ejemplo (pueden utilizar el circuito universal que fabricaron en el primer curso). Utilicen cuatro resistencias de la misma magnitud, conéctenlas en paralelo y tomen las medidas de amperios y voltios. Después, reemplacen una sola resistencia por otra de diferente magnitud, pero conserven el mismo voltaje, observen y anoten lo que sucede con el amperaje. Una vez que hayan anotado los resultados, cambien otra resistencia, de las tres originales que restan, por una de diferente magnitud. En este caso también conserven el mismo voltaje. Observen y anoten lo que sucede con el amperaje. Finalmente, modifiquen el voltaje de la fuente, conservando las resistencias que ya tiene el circuito. Observen y anoten lo que sucede con el amperaje. Comparen los datos de las anotaciones y dialoguen en equipo sobre lo ocurrido. ¿Cuál es la conclusión? Anótenla en su libreta de trabajo.

Para conocer la Potencia en los circuitos conectados en paralelo es indispensable saber la Tensión y Corriente totales del circuito. Cuando se desconocen estos datos, es necesario obtenerlos mediante la aplicación de las fórmulas propias para circuitos en paralelo que ya conoces. En muchos casos será necesario conocer los valores de las resistencias individuales y la Resistencia total efectiva del circuito. De acuerdo con el caso particular al que te enfrentes en un momento dado y la información con la que cuentes, será cuestión de seleccionar la variación correcta de la fórmula de Potencia para encontrar los valores del circuito. Retomemos el ejemplo anterior para presentar los dos casos típicos:

+ + 120V

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V

+

120V

A

4.8A R1 100

R2 100

R3 100

R4 100


DISEÑO DE CIRCUITOS ELÉCTRICOS 3

1. Cuando conocemos la Resistencia y la Corriente totales. Anota los datos conocidos. La Resistencia total efectiva es de 25 ohmios: Rt=25Ω (en una actividad anterior obtuviste la Resistencia total efectiva de este circuito). La Corriente total es de 4.8 amperios: It=4.8A. Por lo tanto, debes aplicar la fórmula de la Potencia que contempla esos dos valores: P=It2*Rt=4.82*25=23.04*25=576W 2. Cuando conocemos la Resistencia y la Tensión totales. Anota los valores conocidos. Rt=25Ω, Et=120V. Por lo tanto, aplica la fórmula que contempla tales valores:

Como puedes observar, los resultados de ambas fórmulas son iguales; por lo tanto, su aplicación es congruente y confiable.

Actividad 10 Encuentra la Potencia de un circuito con tres resistencias conectadas en paralelo con los siguientes valores: R1=1KΩ, R2=300Ω, R3=50Ω, alimentadas por una fuente de poder de 120V. Utiliza los dos métodos explicados en el apartado anterior.

El proyecto de innovación en el diseño de circuitos eléctricos El proyecto final de este último curso consistirá en planear, diseñar y calcular la instalación eléctrica de una casa habitación de dos plantas, a partir de los planos arquitectónicos. Cuando llegues al Bloque V tendrás todos los conocimientos necesarios para tender correctamente el cableado, calcular el balance de las cargas y establecer un centro de carga con los interruptores termomagnéticos correctos, seleccionar y conectar los interruptores y las tomas necesarias para alimentar una vivienda con energía eléctrica. Además de diseñar los planos eléctricos, fabricarás un panel para ejemplificar un cableado real con diferentes tipos de interruptores y focos accionados por corriente alterna de 120V. A continuación se presentan los planos sugeridos para realizar el proyecto final.

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BLOQUE I

TECNOLOGÍA, INFORMACIÓN E INNOVACIÓN

Nota: R se refiere al radio o equipo de sonido.

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DVD Juego

Cocina

Traspatio

M

Jardín

Baño

Escaleras

Comedor

R

Cochera

Sala

Video

TV

Planta baja


DISEÑO DE CIRCUITOS ELÉCTRICOS 3

R

Recámara 2

TV R

Baño

Escaleras

R

Estudio

Vestidor

Down

Recámara 1

DVD

Primer piso

Nota: R se refiere al radio o equipo de sonido. EDICIONES

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BLOQUE I

TECNOLOGÍA, INFORMACIÓN E INNOVACIÓN

Integración de conceptos. Bloque I. Tecnología, información e innovación La velocidad a la que se realiza el trabajo de mover electrones de un punto a otro se conoce como Potencia eléctrica.

e

e

e e e e e e e e e

e 25W

100W

W

La unidad de medida de la Potencia es el watt. La Potencia es el resultado de multiplicar la Tensión (E) por la Corriente (I).

Potencia = Tensión x Corriente Watts = Voltios x Amperios Lo que resulta en la fórmula P=EI

P=EI

Fórmula original de la Potencia

P=I²R

Variación de la fórmula sobre la Tensión Variación de la fórmula sobre la Corriente

Círculo de Ohm

2

I *R E *I P*R P I

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E2 R

E R

P I E R I *R

P E

P

E

E2 P P I2

I

R


DISEÑO DE CIRCUITOS ELÉCTRICOS 3

El kilowatt hora (kW/h) mide el consumo en watts de un aparato durante cierto lapso.

um o

1 Kw/h

Co ns

Potencia

1 Kw

Tiempo Potencia en los circuitos en serie

Potencia en circuitos paralelos

1 hora

La Potencia total consumida en un circuito en serie es la suma de la Potencia utilizada por cada Resistencia individual perteneciente al mismo. La Potencia total consumida por un circuito en paralelo es igual a la suma de la Potencia utilizada por cada Resistencia individual perteneciente al mismo.

Tensión, Resistencia y Corriente actúan en conjunto porque son partes inseparables de un todo. Si se modifica el valor de un elemento, se modifica el conjunto entero.

Tensión

Corriente

Resistencia

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Diseño de Circuitos Eléctricos 3  

Diseño de Circuitos Eléctricos 3  

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