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FUNDAMENTOS DE LA ELECTRICIDAD o Naturaleza de la electricidad. o Corriente eléctrica. o Magnitud; I, V, R. o Ley de Ohm. o Potencia eléctrica. o Efecto joule. EL ARCO ELÉCTRICO o Definición. o Formación del medio conductor. o Zonas del arco eléctrico. o Característica de arco eléctrico TIPOS DE CORRIENTE o Corriente continua. Polaridad. o Corriente alterna. MAGNETISMO o Efecto soplo magnético. RADIACIONES Y PROTECCIÓN
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FFU UN ND DA AM ME EN NTTO OS SD DE EE ELLE EC CTTR RIIC CIID DA AD D NATURALEZA DE LA ELECTRICIDAD Todos los cuerpos están formados por elementos químicos ó sustancias elementales, y cada uno de ellos está constituido por partículas elementales ó átomos.
Los electrones giran en orbitas distintas alrededor del núcleo. Cada átomo está formado por:
Electrones --- cargas negativas.
Protones ----- cargas positivas.
Y un núcleo denominados neutrones, sin carga eléctrica.
Es decir, un átomo tiene un núcleo central, alrededor giran a gran velocidad unas partículas cargadas negativamente electrones. En el núcleo tenemos un número igual de partículas positivas protones, que anulan a las negativas, y unas partículas sin carga eléctrica denominadas neutrones. CORRIENTE ELÉCTRICA En algunas sustancias, especialmente en los metales y bajo ciertas condiciones, los electrones son libres de moverse de un átomo a otro, originando un flujo de electrones a través del material. Los materiales
que permiten el flujo de electrones se denominan conductores
(metales, disoluciones de ácidos y sales). Los materiales que por su estructura no permiten fluir a los electrones se denominan aislantes (gases “mediante la ionización pueden ser conductores”, madera, papel, goma, plástico y materiales cerámicos).
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MAGNITUDES; Intensidad, tensión y resistencia INTENSIDAD DE CORRIENTE: es la cantidad de corriente eléctrica (electrones) que atraviesan la sección de un conductor por unidad de tiempo. Se representan con la letra “I” y su unidad es el amperio “A” TENSIÓN ELÉCTRICA Ó DIFERENCIA DE POTENCIAL: es una magnitud física que impulsa a los electrones a lo largo de un conductor en un circuito eléctrico cerrado, provocando el flujo de una corriente eléctrica. Para que los electrones circulen se necesita una diferencia de potencial o tensión eléctrica, que la crea un generador. La función de cualquier generador es por lo tanto, crear una diferencia de potencial para que se establezca el flujo de electrones. Se representa con la letra “V ó U” y su unidad es el voltio “V” RESISTENCIA: es la dificultad que presenta un cuerpo al paso de una corriente eléctrica para circular a través de él. Es decir, la oposición que un conductor ofrece al paso de la corriente eléctrica. Depende de: La longitud, diámetro o sección y de las características del conductor (naturaleza del material que lo constituye). Se representa con la letra “R” y su unidad es el ohmio “Ω”. RESUMEN; I, V y R En este circuito hidráulico, observamos dos tanques(a y b) con distintas cantidades de agua en su interior, unidos entre sí por una cañería (Conductor). La diferencia de niveles de agua de los tanques, representa la diferencia de potencial (Tensión) y está dada por la diferencia hab. Cuando la llave está abierta, el pasaje de agua de A hacia B a través de la cañería, representa la Corriente eléctrica. El caudal de agua es la Intensidad de corriente eléctrica. 1º de Grado Medio Soldadura y Calderería
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Ley de ohm Tras definir estas magnitudes (I, V, R) podemos relacionarlas por medio de la llamada ley de ohm. La Ley de Ohm afirma que "la corriente que circula por un conductor eléctrico es directamente proporcional a la tensión e inversamente proporcional a la resistencia" siempre y cuando su temperatura se mantenga constante. Es decir que la intensidad crece cuando aumenta la tensión y disminuye cuando crece la resistencia. La ecuación matemática que describe esta relación es:
V= diferencia de potencial (voltios) R= resistencia del conductor (ohmios) I= intensidad de corriente (amperios)
Energía y potencia eléctrica La electricidad es una forma de energía, que se obtiene por la transformación de otras energías; como la química ó la mecánica. La potencia se define como la energía o trabajo consumido o producido en un determinado tiempo. La unidad de potencia es el vatio (W) Su definición está relacionada con la tensión aplicada y la intensidad que circula por un circuito: se dice que un vatio es la energía (trabajo) que libera un amperio en un circuito con una tensión de un voltio. (1 vatio = 1 voltio x 1 amperio)
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Como el resultado de esta ecuación (similar a la Ley de Ohm) puede deducirse un valor conociendo los otros dos y así obtener tres fórmulas matemáticas que permitan resolver cualquier incógnita.
Para conocer la fórmula de cálculo de una de las magnitudes desconocidas, basta con tomar las otras dos y relacionarlas según su posición determinada en el triángulo: La unidad de potencia eléctrica, vatio (W), tiene correspondencia con otras unidades de potencia utilizadas en el automóvil, como los caballos (CV): 1 CV equivale a 736 W
RELACIÓN ENTRE UNIDADES, como la ecuación de la Ley de Ohm y la fórmula de la potencia tienen unidades en común, pueden relacionarse unas con otras y obtenerse un formulario que permita calcular cualquier unidad combinando dos.
La
presente
“rueda”
es
un
formulario
completo de las unidades eléctricas, donde puede
obtenerse
de
dos
magnitudes
conocidas otra que sea incógnita.
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Efecto calorífico de la corriente eléctrica “efecto joule” Cuando la electricidad circula o pasa por un conductor o una resistencia, se produce un calor. A este calor producido se le denomina efecto de Joule.
El físico James Prescott Joule en un experimento realizado con un calorímetro dictaminó que 1 Julio es igual a 0,24 calorías. Es decir, realizó un experimento sobre la energía (julio) transformada plenamente en calor (caloría). Así tenemos que: Donde:
Q= Calor. E= Energía. Si la
combinamos con la potencia y el tiempo: E=P*t y
P=R*I2
tendremos una ecuación más útil:
Donde: Q= Calor. R= Resistencia. I= Intensidad. t= Tiempo.
E ELL A AR RC CO OE ELLÉ ÉC CTTR RIIC CO O El arco en soldadura es una descarga continua en un medio resistente gaseoso. Pero para efectos prácticos, el arco en soldadura puede considerarse como un conductor gaseoso en el cual, se producen cambios de energía eléctrica en calor. El arco, por otra parte, es la fuente de calor que se utiliza en diferentes procesos de soldeo por dos razones fundamentales:
Proporcionan altas concentraciones de calor.
Es fácilmente controlable a través de medios eléctricos.
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El arco además de proporcionarnos la fuente de calor, nos proporciona fuentes de radiación. Por lo que determina la necesidad de protegernos de ellos. Sin embargo, tiene sus ventajas, como:
Elimina, en general, los óxidos superficiales además de proporcionar calor.
Tiene, por otra parte, enorme influencia en el modo de transferencia del metal desde el electrodo a la pieza de trabajo.
Formación del medio conductor; columna de plasma. Los gases en condiciones normales son prácticamente aislantes, por lo que, para conseguir el arco, es necesario que el gas se haga conductor. En estas condiciones se dice que el gas está ionizado y se da el nombre de plasma. Para la ionización, hay que conseguir separar sus átomos en iones y electrones, es decir, cada átomo tiene el mismo número de electrones que de protones, sin embargo, a una temperatura elevada (cortocircuito), todos o algunos de los electrones de cada átomo se separan dejando un ión positivo. El gas que se ioniza para convertirse en plasma puede ser
el
aire,
los
vapores
desprendidos
por
el
revestimiento del electrodo y/o el gas de protección. La ionización del gas se logra mediante el cebado del arco, encargándose luego el propio arco de mantener esta situación. El cebado del arco se realiza (normalmente), rascando el electrodo sobre la pieza. El calentamiento que se produce como consecuencia del cortocircuito es el que provoca la ionización del gas. Al separar el electrodo, el gas, ahora ionizado, permite el paso de corriente, estableciéndose el arco.
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ZONAS DEL ARCO ELÉCTRICO.
El arco de soldeo está dividido en tres regiones características:
Cátodo.
Columna de plasma.
Ánodo.
Cátodo; Terminal negativo, se produce la emisión de electrones, que ionizan el gas convirtiéndole en plasma. Los iones que proceden de la columna de plasma bombardean el cátodo, calentándolo y permitiendo que se mantenga la emisión de electrones. Columna de plasma; se encuentra entre el ánodo y cátodo. Su temperatura es muy elevada haciéndole conductor de la corriente eléctrica. Ánodo.; Terminal positivo, se dirigen los electrones atraídos por las cargas positiva del ánodo. El cátodo y el ánodo pueden atribuirse indistintamente tanto en el electrodo como en la pieza, es decir el cátodo que sea el electrodo y el ánodo que sea metal base o a la viceversa. Este concepto juega un papel muy importante que llamaremos polaridad (que veremos más adelante).
CARACTERÍSTICA DEL ARCO. El arco se puede considerar como un conductor gaseoso, por lo tanto, existe una relación entre el voltaje y la intensidad. La relación que existe entre el voltaje y la intensidad del arco se denomina “característica del arco”. La curva característica depende, entre otras cosas, de la longitud del arco. 1º de Grado Medio Soldadura y Calderería
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Por lo tanto, para una misma intensidad, la tensión aumenta con la longitud de arco.
TTIIP PO OS SD DE EC CO OR RR RIIE EN NTTE E Se puede emplear corriente continua o corriente alterna para establecer un arco eléctrico entre un electrodo y la pieza a soldar. Corriente continua. Es aquella que circula en el mismo sentido y con intensidad constante a lo largo del tiempo, es decir, la misma cantidad de electrones en cada instante. Se representa gráficamente
y abreviadamente
por C.C ó D.C. Corriente alterna. Es la que cambia periódicamente su sentido, es decir, los electrones se desplazan en ambos sentidos. Se representa gráficamente () ó A.C.
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EFECTOS DE LA C.C Y TIPOS DE POLARIDAD En C.C se pueden diferenciar dos tipos de polaridad: Si se conecta el electrodo al terminal negativo (cátodo) y la pieza al positivo (ánodo), se dirá que se está soldando con polaridad directa, abreviadamente CCPD. Si se conecta el electrodo al terminal positivo (ánodo) y la pieza a soldar en el negativo, se dirá que se está soldando con polaridad inversa. ¡paradoja! ¿Penetra más en polaridad inversa que en polaridad directa? Observación para soldadura con electrodo revestido.
La elección de la corriente como de la polaridad dependerá, entre otros factores, del tipo de proceso de soldeo, del tipo de electrodo y del metal base.
Cabe preguntarse qué polaridad es mejor utilizar con los electrodos revestidos. Un criterio fijo es el que determina cada fabricante en las etiquetas de sus productos.
En la etiqueta de la caja de electrodos aparece la inscripción de AC/DC+, significa que los electrodos son aptos para trabajar en corriente alterna (AC) o en corriente continua (DC), en este último caso con polaridad inversa (el signo + indica el polo al que hay que conectar el electrodo).
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¡paradoja!
No es fácil corregir lo que se mantuvo durante mucho tiempo Con polaridad inversa, los iones impactan sobre el metal base, penetrando sobre el baño de fusión. Además en el arco cuya forma es cónica, los electrones fluyen del cátodo (-) hacia el ánodo (+). Esto hace que la zona del cátodo se mantenga estable en una pequeña superficie donde emana el flujo de electrones, mientras que el ánodo se distribuye sobre una superficie mayor, debido al desplazamiento inestable de los electrones que atraviesan la columna de plasma. Con polaridad inversa la chapa hace de cátodo, donde hay mayor cantidad de energía, es decir mayor cantidad de electrones por milímetro cuadrado. A pesar de que el polo negativo tenga menos temperatura, la mayor densidad de energía concentra el calor en menor área, lo que sumando al impacto de los iones sobre el baño de fusión, produce mayor penetración. Por el contrario, con polaridad directa, los electrones se desplazan a gran velocidad impactando sobre la chapa. Sin embargo, a pesar del impacto de los electrones produce mayor temperatura sobre el baño de fusión, la base del cono del arco está sobre la chapa y, en consecuencia, el calor se distribuye en un área mayor.
En cuanto al TIG existe otra observación, conectando el electrodo al negativo hay más penetración. La razón es simple, si tratásemos de soldar con PI no se podría soldar con altas intensidades, esto tiene una explicación física. El punto de fusión de W es de 3800º, conectado al positivo (PI) la temperatura es superior a 4000º, y conectándolo al negativo PD la temperatura no supera los 3600º, por lo tanto con PI el electrodo se fundirá inevitablemente. Por ejemplo; con CCPD y un W de 2,5mm se puede soldar hasta 200 A. Sin embargo, con CCPI la intensidad sería muy baja y sin poder incrementarla, ya que el electrodo se fundiría.
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EFECTOS DE LA C.A. Cuando se establece un arco en C.A., el electrodo actúa de ánodo durante medio ciclo y de cátodo durante el otro medio ciclo, es decir, se está produciendo alternativamente un ciclo en el que el electrodo actúa de positivo y de negativo
Para poder mantener el arco eléctrico encendido es necesario que la tensión sea mayor de un cierto valor (Ui), siempre que la tensión no alcance ese valor el arco se extinguirá, pudiéndose volver a encender si al superar la tensión (Ui), el cátodo no se ha enfriado demasiado.
En corriente alterna no existe la polaridad
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M MA AG GN NE ETTIIS SM MO O El magnetismo es el fenómeno que acompaña a los imanes. El imán es una sustancia o cuerpo que tiene la propiedad de atraer el hierro. La magnetita es el imán natural más conocido. La alteración del espacio alrededor del imán, es decir, la formación de un campo magnético se pone de manifiesto colocando un imán debajo de una
hoja
de
papel
con
limaduras
de
hierro.
Las
limaduras
de
hierro
se
organizan según ciertas direcciones (ver figura). Estas direcciones se conocen como líneas de fuerza que van de un extremo (polo norte) a otro (polo sur) por fuera, y al revés por el interior del imán. El número de líneas de fuerza que atraviesan la unidad de superficie perpendicular a ellas se denomina flujo magnético y nos da una idea de lo fuerte que es un campo magnético. Sólo unos pocos materiales son fuertemente atraídos por los campos magnéticos, conociéndose con ferromagnéticos. Entre éstos se encuentran el hierro, el níquel, cobalto y la mayoría de sus aleaciones. Además de producirse campos magnéticos mediante un imán, los campos magnéticos se producen cuando una corriente eléctrica pasa a través de cualquier material conductor de la electricidad. Si una corriente eléctrica circula por un conductor lineal, se crea alrededor del conductor un campo magnético cuyas líneas de fuerza son circulares y situadas en planos perpendiculares al conductor.
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Si enrollamos un alambre conductor formando una bobina, las líneas de fuerza se forman alrededor de cada una de las espiras, al circular la corriente eléctrica por el conductor, se combinan entre sí y dan lugar a un campo magnetico cuyas líneas de fuerza van según la dirección longitudinal del eje de la bobina. EFECTO SOPLADO DEL ARCO Se ha indicado que siempre que la corriente eléctrica circula por un conductor se produce un campo magnético circular alrededor del mismo. Cuando se suelda existirá un campo magnético (que se representará mediante líneas de fuerza) alrededor del camino que lleve la corriente eléctrica, es decir, desde el punto de contacto del electrodo con la pinza o la boquilla, pasando por el arco eléctrico y por la pieza a soldar hasta llegar a la conexión de masa. La existencia de un campo magnético alrededor del electrodo tiene otras repercusiones, además de favorecer la transferencia del metal de aportación (estricción magnética). Una de las repercusiones más importantes es el soplo magnético. El SOPLO MAGNÉTICO es la desviación del arco de soldeo producida por la distorsión de campo magnético existente alrededor del arco. Su efecto se suele presentar en los extremos de las piezas que se sueldan, cuando éstas son ferromagnéticas.
El soldador tiene varios métodos para mitigar los efectos del soplo magnético: 1. Inclinar el electrodo a favor del arco. 2. Poner la masa lo más lejos posible de donde soldamos. 3. Bifurcar la masa. Colocar dos masas, separadas una de otra, en la misma pieza. 4. Emplear arcos cortos. 5. Usar el electrodo adecuado. 6. Si podemos, el mejor remedio es cambiar a corriente alterna (AC). 1º de Grado Medio Soldadura y Calderería
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R RA AD DIIA AC CIIO ON NE ES SY YP PR RO OTTE EC CC CIIÓ ÓN N La radiación es una forma de energía liberada que proviene de diferentes dispositivos. Los efectos de la radiación pueden no manifestarse durante muchos años. Las secuelas sobre la salud pueden ser leves (como enrojecimiento de la piel) o graves (como cáncer y la muerte). La gravedad de los efectos depende de: -
La cantidad de radiación absorbida por el cuerpo (la dosis); El tipo de radiación; La vía de exposición; y La cantidad de tiempo en que una persona está expuesta.
La exposición a altas dosis de radiación puede provocar la muerte dentro de unos pocos días o meses. La exposición a dosis bajas de radiación puede llevar a un riesgo incrementado de contraer cáncer u otros efectos adversos sobre la salud. Las radiaciones se dividen en dos grandes grupos: Radiaciones no ionizantes: Son aquellas que no son capaces de producir iones al interactuar con los átomos de un material. Tipos: radiación ultravioleta, radiación visible, radiación infrarroja, láseres, microondas y radiofrecuencia. ARCOS DE SOLDADURA Y CORTE (ultravioleta y visible). LLAMAS (infrarroja) -
Ultravioleta: aún muy energéticos, capaces de producir cáncer en la piel. Visible: de energía intermedia, capaces de estimular el ojo humano. Infrarrojo: responsables de bronceado de la piel y de la sensación de calor.
Radiaciones ionizantes: Son radiaciones con energía necesaria para arrancar electrones de los átomos. Son las más perjudiciales para la salud. Tipos; rayos x, rayo gama, rayo alfa, rayo beta.
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Tanto las radiaciones ionizantes como las no ionizantes son formas de energía y tanto unas como las otras entran dentro del espectro electromagnético (distribución energética del conjunto de las ondas electromagnéticas). El espectro electromagnético es el conjunto de todas las formas de energía radiante.
Nanómetro (nm): Unidad comúnmente utilizada para medir la longitud de onda de las radiaciones electromagnéticas. 1 nm = 1/1.000.000 de milímetros 10 nm = 1 Angström
De todos los siete componentes del espectro electromagnético, solamente los fotones del visible tienen la capacidad de estimular las células de la visión que tenemos en el fondo de la retina. Los otros seis componentes también nos afectan, no solo en los ojos, sino en otros órganos del cuerpo y podrían ser muy perjudiciales, si nos exponemos en exceso. Pero no pueden ser detectados y discriminados por la retina y, entonces, no los vemos. Fotón; unidad básica el por el que se transmite energía electromagnética. Solo es visible - es decir, solo transmite la suficiente energía para excitar nuestros ojos - si tiene una longitud de onda de entre 400 y 700 nanómetros. 1º de Grado Medio Soldadura y Calderería
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Las medidas de protección para evitar los daños (radiaciones no ionizantes):
Encerramiento (cabinas o cortinas). Apantallamiento (pantallas que reflejen o reduzcan la transmisión). Aumento de la distancia (la intensidad disminuye inversamente proporcional al cuadrado de la distancia). Recubrimiento antireflejante en las paredes. Ventilación adecuada. Señalización. Limitación del tiempo de exposición. Limitación del acceso de personas. Protección Personal o Protectores oculares. o Máscaras completas. o Ropa adecuada.
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