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Física Universitaria Volumen 2

10.6 Cableado doméstico y seguridad eléctrica

Física Universitaria Volumen 210.6 Cableado doméstico y seguridad eléctrica
  1. Prefacio
  2. Termodinámica
    1. 1 Temperatura y calor
      1. Introducción
      2. 1.1 Temperatura y equilibrio térmico
      3. 1.2 Termómetros y escalas de temperatura
      4. 1.3 Dilatación térmica
      5. 1.4 Transferencia de calor, calor específico y calorimetría
      6. 1.5 Cambios de fase
      7. 1.6 Mecanismos de transferencia de calor
      8. Revisión Del Capítulo
        1. Términos Clave
        2. Ecuaciones Clave
        3. Resumen
        4. Preguntas Conceptuales
        5. Problemas
        6. Problemas Adicionales
        7. Problemas De Desafío
    2. 2 Teoría cinética de los gases
      1. Introducción
      2. 2.1 Modelo molecular de un gas ideal
      3. 2.2 Presión, temperatura y velocidad media cuadrática (rms)
      4. 2.3 Capacidad calorífica y equipartición de energía
      5. 2.4 Distribución de las velocidades moleculares
      6. Revisión Del Capítulo
        1. Términos Clave
        2. Ecuaciones Clave
        3. Resumen
        4. Preguntas Conceptuales
        5. Problemas
        6. Problemas Adicionales
        7. Problemas De Desafío
    3. 3 Primera ley de la termodinámica
      1. Introducción
      2. 3.1 Sistemas termodinámicos
      3. 3.2 Trabajo, calor y energía interna
      4. 3.3 Primera ley de la termodinámica
      5. 3.4 Procesos termodinámicos
      6. 3.5 Capacidades térmicas de un gas ideal
      7. 3.6 Procesos adiabáticos para un gas ideal
      8. Revisión Del Capítulo
        1. Términos Clave
        2. Ecuaciones Clave
        3. Resumen
        4. Preguntas Conceptuales
        5. Problemas
        6. Problemas Adicionales
        7. Problemas De Desafío
    4. 4 Segunda ley de la termodinámica
      1. Introducción
      2. 4.1 Procesos reversibles e irreversibles
      3. 4.2 Máquinas térmicas
      4. 4.3 Refrigeradores y bombas de calor
      5. 4.4 Enunciados de la segunda ley de la termodinámica
      6. 4.5 El ciclo de Carnot
      7. 4.6 Entropía
      8. 4.7 Entropía a escala microscópica
      9. Revisión Del Capítulo
        1. Términos Clave
        2. Ecuaciones Clave
        3. Resumen
        4. Preguntas Conceptuales
        5. Problemas
        6. Problemas Adicionales
        7. Problemas De Desafío
  3. Electricidad y magnetismo
    1. 5 Cargas y campos eléctricos
      1. Introducción
      2. 5.1 Carga eléctrica
      3. 5.2 Conductores, aislantes y carga por inducción
      4. 5.3 Ley de Coulomb
      5. 5.4 Campo eléctrico
      6. 5.5 Cálculo de los campos eléctricos de las distribuciones de carga
      7. 5.6 Líneas de campo eléctrico
      8. 5.7 Dipolos eléctricos
      9. Revisión Del Capítulo
        1. Términos Clave
        2. Ecuaciones Clave
        3. Resumen
        4. Preguntas Conceptuales
        5. Problemas
        6. Problemas Adicionales
    2. 6 Ley de Gauss
      1. Introducción
      2. 6.1 Flujo eléctrico
      3. 6.2 Explicar la ley de Gauss
      4. 6.3 Aplicación de la ley de Gauss
      5. 6.4 Conductores en equilibrio electrostático
      6. Revisión Del Capítulo
        1. Términos Clave
        2. Ecuaciones Clave
        3. Resumen
        4. Preguntas Conceptuales
        5. Problemas
        6. Problemas Adicionales
        7. Problemas De Desafío
    3. 7 Potencial eléctrico
      1. Introducción
      2. 7.1 Energía potencial eléctrica
      3. 7.2 Potencial eléctrico y diferencia de potencial
      4. 7.3 Cálculo del potencial eléctrico
      5. 7.4 Determinación del campo a partir del potencial
      6. 7.5 Equipotential Surfaces and Conductors
      7. 7.6 Aplicaciones de la electrostática
      8. Revisión Del Capítulo
        1. Términos Clave
        2. Ecuaciones Clave
        3. Resumen
        4. Preguntas Conceptuales
        5. Problemas
        6. Problemas Adicionales
        7. Problemas De Desafío
    4. 8 Capacitancia
      1. Introducción
      2. 8.1 Condensadores y capacitancia
      3. 8.2 Condensadores en serie y en paralelo
      4. 8.3 Energía almacenada en un condensador
      5. 8.4 Condensador con dieléctrico
      6. 8.5 Modelo molecular de un dieléctrico
      7. Revisión Del Capítulo
        1. Términos Clave
        2. Ecuaciones Clave
        3. Resumen
        4. Preguntas Conceptuales
        5. Problemas
        6. Problemas Adicionales
        7. Problemas De Desafío
    5. 9 Corriente y resistencia
      1. Introducción
      2. 9.1 Corriente eléctrica
      3. 9.2 Modelo de conducción en metales
      4. 9.3 Resistividad y resistencia
      5. 9.4 Ley de Ohm
      6. 9.5 Energía eléctrica y potencia
      7. 9.6 Superconductores
      8. Revisión Del Capítulo
        1. Términos Clave
        2. Ecuaciones Clave
        3. Resumen
        4. Preguntas Conceptuales
        5. Problemas
        6. Problemas Adicionales
        7. Problemas De Desafío
    6. 10 Circuitos de corriente directa
      1. Introducción
      2. 10.1 Fuerza electromotriz
      3. 10.2 Resistores en serie y en paralelo
      4. 10.3 Reglas de Kirchhoff
      5. 10.4 Instrumentos de medición eléctrica
      6. 10.5 Circuitos RC
      7. 10.6 Cableado doméstico y seguridad eléctrica
      8. Revisión Del Capítulo
        1. Términos Clave
        2. Ecuaciones Clave
        3. Resumen
        4. Preguntas Conceptuales
        5. Problemas
        6. Problemas Adicionales
        7. Problemas De Desafío
    7. 11 Fuerzas y campos magnéticos
      1. Introducción
      2. 11.1 El magnetismo y sus descubrimientos históricos
      3. 11.2 Campos y líneas magnéticas
      4. 11.3 Movimiento de una partícula cargada en un campo magnético
      5. 11.4 Fuerza magnética sobre un conductor portador de corriente
      6. 11.5 Fuerza y torque en un bucle de corriente
      7. 11.6 El efecto Hall
      8. 11.7 Aplicaciones de las fuerzas y campos magnéticos
      9. Revisión Del Capítulo
        1. Términos Clave
        2. Ecuaciones Clave
        3. Resumen
        4. Preguntas Conceptuales
        5. Problemas
        6. Problemas Adicionales
        7. Problemas De Desafío
    8. 12 Fuentes de campos magnéticos
      1. Introducción
      2. 12.1 La ley de Biot-Savart
      3. 12.2 Campo magnético debido a un cable recto delgado
      4. 12.3 Fuerza magnética entre dos corrientes paralelas
      5. 12.4 Campo magnético de un bucle de corriente
      6. 12.5 Ley de Ampère
      7. 12.6 Solenoides y toroides
      8. 12.7 El magnetismo en la materia
      9. Revisión Del Capítulo
        1. Términos Clave
        2. Ecuaciones Clave
        3. Resumen
        4. Preguntas Conceptuales
        5. Problemas
        6. Problemas Adicionales
        7. Problemas De Desafío
    9. 13 Inducción electromagnética
      1. Introducción
      2. 13.1 Ley de Faraday
      3. 13.2 Ley de Lenz
      4. 13.3 Fuerza electromotriz (emf) de movimiento
      5. 13.4 Campos eléctricos inducidos
      6. 13.5 Corrientes de Foucault
      7. 13.6 Generadores eléctricos y fuerza contraelectromotriz
      8. 13.7 Aplicaciones de la inducción electromagnética
      9. Revisión Del Capítulo
        1. Términos Clave
        2. Ecuaciones Clave
        3. Resumen
        4. Preguntas Conceptuales
        5. Problemas
        6. Problemas Adicionales
        7. Problemas De Desafío
    10. 14 Inductancia
      1. Introducción
      2. 14.1 Inductancia mutua
      3. 14.2 Autoinducción e inductores
      4. 14.3 Energía en un campo magnético
      5. 14.4 Circuitos RL
      6. 14.5 Oscilaciones en un circuito LC
      7. 14.6 Circuitos RLC en serie
      8. Revisión Del Capítulo
        1. Términos Clave
        2. Ecuaciones Clave
        3. Resumen
        4. Preguntas Conceptuales
        5. Problemas
        6. Problemas Adicionales
        7. Problemas De Desafío
    11. 15 Circuitos de corriente alterna
      1. Introducción
      2. 15.1 Fuentes de ac
      3. 15.2 Circuitos simples de ac
      4. 15.3 Circuitos en serie RLC con ac
      5. 15.4 Potencia en un circuito de ac
      6. 15.5 Resonancia en un circuito de ac
      7. 15.6 Transformadores
      8. Revisión Del Capítulo
        1. Términos Clave
        2. Ecuaciones Clave
        3. Resumen
        4. Preguntas Conceptuales
        5. Problemas
        6. Problemas Adicionales
        7. Problemas De Desafío
    12. 16 Ondas electromagnéticas
      1. Introducción
      2. 16.1 Ecuaciones de Maxwell y ondas electromagnéticas
      3. 16.2 Ondas electromagnéticas planas
      4. 16.3 Energía transportada por las ondas electromagnéticas
      5. 16.4 Momento y presión de radiación
      6. 16.5 El espectro electromagnético
      7. Revisión Del Capítulo
        1. Términos Clave
        2. Ecuaciones Clave
        3. Resumen
        4. Preguntas Conceptuales
        5. Problemas
        6. Problemas Adicionales
        7. Problemas De Desafío
  4. A Unidades
  5. B Factores de conversión
  6. C Constantes fundamentales
  7. D Datos astronómicos
  8. E Fórmulas matemáticas
  9. F Química
  10. G El alfabeto griego
  11. Clave de Respuestas
    1. Capítulo 1
    2. Capítulo 2
    3. Capítulo 3
    4. Capítulo 4
    5. Capítulo 5
    6. Capítulo 6
    7. Capítulo 7
    8. Capítulo 8
    9. Capítulo 9
    10. Capítulo 10
    11. Capítulo 11
    12. Capítulo 12
    13. Capítulo 13
    14. Capítulo 14
    15. Capítulo 15
    16. Capítulo 16
  12. Índice

Objetivos De Aprendizaje

Al final de esta sección, podrá:
  • Enumerar los conceptos básicos de la instalación eléctrica de una casa.
  • Definir los términos riesgo térmico y riesgo de choque.
  • Describir los efectos de los choques eléctricos en la fisiología humana y su relación con la cantidad de corriente que atraviesa el cuerpo.
  • Explicar la función de fusibles y disyuntores.

La electricidad presenta dos riesgos conocidos: el térmico y el de choque. Un riesgo térmico es aquel en el que una corriente eléctrica excesiva provoca efectos térmicos no deseados, como el inicio de un incendio en la pared de una casa. Un riesgo de choque se produce cuando una corriente eléctrica pasa a través de una persona. Los choques varían en gravedad, desde los más dolorosos, pero inofensivos, hasta los más letales. En esta sección consideramos estos riesgos y los diversos factores que los afectan de manera cuantitativa. También examinamos los sistemas y dispositivos para prevenir los riesgos eléctricos.

Riesgos térmicos

La potencia eléctrica provoca efectos de calentamiento no deseados siempre que la energía eléctrica se convierte en energía térmica a una velocidad superior a la que se puede disipar de forma segura. Un ejemplo clásico es el cortocircuito, una trayectoria de baja resistencia entre los terminales de una fuente de voltaje. En la Figura 10.41 se muestra un ejemplo de cortocircuito. Una tostadora se enchufa a una toma de corriente doméstica común. El aislamiento de los cables que conducen a un aparato se ha desgastado, lo que permite que los dos cables entren en contacto, o hagan "cortocircuito" En consecuencia, la energía térmica puede elevar rápidamente la temperatura de los materiales circundantes, fundiendo el aislamiento y pudiendo provocar un incendio.

El diagrama del circuito muestra un símbolo que consiste en una onda sinusoidal encerrada en un círculo. Este símbolo representa una fuente de voltaje de corriente alterna (ac). En una fuente de voltaje alterno, el voltaje oscila entre una amplitud máxima positiva y otra negativa. Hasta ahora hemos considerado las fuentes de voltaje de corriente continua (dc), pero muchos de los mismos conceptos son aplicables a circuitos ac.

La parte a muestra el diagrama de una tostadora. La parte b muestra el circuito de la parte a con el voltaje de la fuente de ac conectada a dos resistores en paralelo r y R.
Figura 10.41 Un cortocircuito es una trayectoria no deseada de baja resistencia a través de una fuente de voltaje. (a) El aislamiento desgastado de los cables de una tostadora permite que entren en contacto con una resistencia baja r. Dado que P = V 2 / r P = V 2 / r , la potencia térmica se crea tan rápidamente que el cable se funde o se quema. (b) Un esquema del cortocircuito.

Otro riesgo térmico grave se produce cuando los cables que suministran potencia a un aparato están sobrecargados. Los cables y aparatos eléctricos suelen estar clasificados según la corriente máxima que pueden soportar con seguridad. El término "sobrecarga" se refiere a una condición en la que la corriente supera la corriente máxima nominal. Como la corriente fluye a través de un cable, la potencia disipada en los cables de alimentación es P=I2RW,P=I2RW, donde RWRW es la resistencia de los cables e I es la corriente que circula por ellos. Si I o RWRW son demasiado grandes, los cables se sobrecalientan. Los fusibles y disyuntores se utilizan para limitar las corrientes excesivas.

Riesgos de choque

El choque eléctrico es la reacción o lesión fisiológica causada por una corriente eléctrica externa que atraviesa el cuerpo. El efecto de un choque eléctrico puede ser negativo o positivo. Cuando una corriente con una magnitud superior a 300 mA pasa por el corazón, puede producirse la muerte. La mayoría de las muertes por choque eléctrico se producen porque la corriente provoca una fibrilación ventricular, un latido del corazón muy irregular y a menudo mortal. Por otro lado, una víctima de un infarto, cuyo corazón está en fibrilación, puede ser salvada por el choque eléctrico de un desfibrilador.

Los efectos de un choque eléctrico indeseable pueden variar en gravedad: una ligera sensación en el punto de contacto, dolor, pérdida de control muscular voluntario, dificultad para respirar, fibrilación cardíaca y posiblemente la muerte. La pérdida de control muscular voluntario puede hacer que la víctima no sea capaz de soltar la fuente de la corriente.

Los principales factores de los que depende la gravedad de los efectos de los choques eléctricos son:

  1. la cantidad de corriente I;
  2. la trayectoria que sigue la corriente;
  3. la duración del choque;
  4. la frecuencia f de la corriente (f=0f=0 para dc).

Nuestros cuerpos son relativamente buenos conductores eléctricos debido al contenido de agua del cuerpo. Se produce una condición peligrosa cuando el cuerpo está en contacto con una fuente de voltaje y “tierra”. El término "tierra" se refiere a un gran sumidero o fuente de electrones, por ejemplo, la tierra (de ahí el nombre). Cuando hay una trayectoria directa a tierra, las grandes corrientes pasarán por las partes del cuerpo con menor resistencia y una trayectoria directa a tierra. Muchas profesiones usan calzado aislante como medida de seguridad. Los zapatos aislantes impiden el paso de los electrones a tierra a través de los pies, ya que ofrecen una gran resistencia. Siempre que trabaje con herramientas de alta potencia, o con cualquier circuito eléctrico, asegúrese de no proporcionar una vía para el flujo de corriente (especialmente a través del corazón). Una medida de seguridad habitual es trabajar con una sola mano, lo que reduce la posibilidad de que la corriente atraviese el corazón.

Las corrientes muy pequeñas pasan sin hacer daño y no se sienten a través del cuerpo. Esto ocurre regularmente sin que lo sepa. El umbral de sensibilidad es de solo 1 mA y, aunque es desagradable, las descargas son aparentemente inofensivas para corrientes inferiores a 5 mA. Un gran número de normas de seguridad toman el valor de 5 mA para el choque máximo permitido. A partir de 5 a 30 mA, la corriente puede estimular contracciones musculares sostenidas, de forma parecida a los impulsos nerviosos normales (Figura 10.42). Las corrientes muy grandes (superiores a 300 mA) hacen que el corazón y el diafragma del pulmón se contraigan mientras dura el choque. Tanto el corazón como la respiración se detienen. Ambos suelen volver a la normalidad tras el choque.

La parte a muestra a una persona lanzada hacia atrás tras tocar un cable eléctricamente caliente. La parte b muestra la mano de la persona que toca el cable eléctricamente caliente.
Figura 10.42 Una corriente eléctrica puede provocar contracciones musculares con efectos diversos. (a) La víctima es "lanzada" hacia atrás por contracciones musculares involuntarias que extienden las piernas y el torso. (b) La víctima no puede soltar el cable que está estimulando todos los músculos de la mano. Los que cierran los dedos son más fuertes que los que los abren.

La corriente es el principal factor que determina la gravedad del choque. Un voltaje mayor es más peligroso, pero como I=V/R,I=V/R, la gravedad del choque depende de la combinación de voltaje y resistencia. Por ejemplo, una persona con piel seca tiene una resistencia de aproximadamente 200kΩ200kΩ. Si entra en contacto con 120 V ac, una corriente

I=(120V)/(200kΩ)=0,6mAI=(120V)/(200kΩ)=0,6mA

pasa inofensivamente a través de ella. La misma persona empapada puede tener una resistencia de 10,0kΩ10,0kΩ y los mismos 120 V producirán una corriente de 12 mA, por encima del umbral de "no poder soltar" y potencialmente peligrosa.

Seguridad eléctrica: sistemas y dispositivos

La Figura 10.43(a) muestra el esquema de un circuito simple de ac sin elementos de seguridad. No es así como se distribuye la potencia en la práctica. El cableado doméstico e industrial moderno requiere el sistema de tres cables, mostrado esquemáticamente en la parte (b), que tiene varias características de seguridad, con cables vivos, neutros y de tierra. La primera es el conocido disyuntor (o fusible) para evitar la sobrecarga térmica. La segunda es una caja protectora alrededor del aparato, como una tostadora o un refrigerador. La característica de seguridad de la caja es que impide que una persona toque los cables expuestos y entre en contacto eléctrico con el circuito, lo que ayuda a evitar los choques.

La parte a muestra una fuente de voltaje alterno conectada al resistor R y la parte b muestra el esquema de un sistema de tres cables.
Figura 10.43 (a) Esquema de un circuito simple de ac con una fuente de voltaje y un solo aparato representado por la resistencia R. En este circuito no hay elementos de seguridad. (b) El sistema de tres cables conecta el cable neutro a tierra en la fuente de voltaje y en el lugar del usuario, obligándolo a estar a cero voltios y proporcionando una vía de retorno alternativa para la corriente a través de tierra. La caja del aparato también está conectada a tierra a cero voltios. Un disyuntor o fusible protege contra la sobrecarga térmica y está en serie en el cable activo (vivo/caliente).

Hay tres conexiones a tierra que se muestran en la Figura 10.43(b). Recordemos que una conexión a tierra es una trayectoria de baja resistencia directamente a tierra. Las dos conexiones a tierra del cable neutro lo obligan a estar a cero voltios con respecto a la tierra, lo que da nombre al cable. Por lo tanto, este cable es seguro al tacto, incluso si no tiene su aislamiento, que generalmente es blanco. El cable neutro es la vía de retorno que sigue la corriente para completar el circuito. Además, las dos conexiones a tierra proporcionan una vía alternativa a través de la tierra (un buen conductor) para completar el circuito. La conexión a tierra más cercana a la fuente de potencia podría estar en la planta generadora, mientras que la otra está en la ubicación del usuario. La tercera toma de tierra es a la caja del aparato, a través del cable verde de tierra, obligando a la caja a estar a cero voltios, también. El cable vivo o caliente (en lo sucesivo denominado "vivo/caliente") suministra voltaje y corriente para el funcionamiento del aparato. La Figura 10.44 muestra una versión más pictórica de cómo se conecta el sistema de tres cables a través de un enchufe de tres clavijas a un aparato.

La figura muestra el esquema de un sistema de tres cables con un enchufe de tres clavijas.
Figura 10.44 El enchufe estándar de tres clavijas solo puede insertarse en un sentido, para garantizar el correcto funcionamiento del sistema de tres cables.

El plástico aislante está codificado por colores para identificar los cables vivos/calientes, neutros y de tierra, pero estos códigos varían en todo el mundo. Es esencial determinar el código de colores en su región. Los revestimientos a rayas se utilizan a veces en beneficio de los daltónicos.

La puesta a tierra de la caja resuelve más de un problema. El problema más sencillo es un aislamiento desgastado en el cable vivo/caliente que le permite entrar en contacto con la caja, como se muestra en la Figura 10.45. Si no hay puesta a tierra, es posible que se produzca un choque fuerte. Esto es especialmente peligroso en la cocina, donde se dispone de una buena puesta a tierra a través del agua del suelo o de un grifo. Con la puesta a tierra intacta, el disyuntor se disparará, obligando a reparar el aparato.

La parte a muestra a una persona recibiendo una descarga al romperse la puesta a tierra. La parte b muestra un diagrama similar al de la parte a, pero con una puesta a tierra adecuada para que la persona no reciba un choque.
Figura 10.45 Un aislamiento desgastado permite que el cable vivo/caliente entre en contacto directo con la caja de metal de este aparato. (a) Al romperse la puesta a tierra, la persona recibe un fuerte choque. El aparato puede funcionar normalmente en esta situación. (b) Con una puesta a tierra adecuada, el disyuntor se dispara, obligando a reparar el aparato.

Un interruptor de circuito de falla a tierra (GFCI) es un dispositivo de seguridad que se encuentra en el cableado actualizado de cocinas y baños y que funciona con base en la inducción electromagnética. Los GFCI comparan las corrientes de los cables vivos/calientes y del neutro. Cuando las corrientes del cable vivo/caliente y del neutro no son iguales, casi siempre es porque la corriente en el neutro es menor que en el vivo/caliente. Entonces una parte de la corriente, llamada corriente de fuga, vuelve a la fuente de voltaje por una trayectoria distinta a la del cable neutro. Se supone que esta trayectoria presenta un riesgo. Los GFCI suelen estar configurados para interrumpir el circuito si la corriente de fuga es superior a 5 mA, el choque máximo inocuo aceptado. Incluso si la corriente de fuga llega a tierra de forma segura a través de un cable de tierra intacto, el GFCI se disparará, obligando a reparar la fuga.

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