2.1.4. Principales magnitudes y unidades eléctricas

Introducción a las magnitudes derivadas en electrotecnia

La electrotecnia, a diferencia de la mecánica clásica de sólidos, se ocupa del comportamiento físico de un fluido intangible de cargas subatómicas (los electrones) desplazándose por el interior de estructuras cristalinas metálicas. Para analizar y controlar este movimiento en el interior de los armarios de distribución y maniobra, los ingenieros recurren a una serie de magnitudes eléctricas derivadas que describen de forma precisa el estado energético de las líneas. Estas magnitudes representan la base técnica indispensable sobre la que operan los instrumentos de medida en el taller de automatismos.

El dominio preciso de magnitudes como la diferencia de potencial (voltio), la intensidad (amperio), la resistencia (ohmio), la potencia (vatio) y el consumo energético (julio o kilovatio-hora) permite al técnico montador evaluar de forma empírica si el circuito se comporta de acuerdo a las hojas de ingeniería y las ITC del REBT. La falta de claridad en las definiciones físicas e instrumentales de estas magnitudes representa una fuente habitual de averías críticas por cortocircuitos e incendios térmicos evitables en bornas.

Tensión, Intensidad y Resistencia: Voltio, Amperio y Ohmio

La tensión eléctrica ($V$) o diferencia de potencial representa la fuerza motriz o presión electrostática necesaria para obligar a los electrones libres a fluir a través de un circuito conductor cerrado. Su unidad de medida es el voltio ($V$), que se define formalmente como la diferencia de potencial existente entre dos puntos de un conductor cuando, al circular una corriente constante de un amperio, se disipa una potencia activa de un vatio ($1\text{ V} = 1\text{ W}/1\text{ A}$). Su medida se realiza siempre en paralelo con el circuito mediante voltímetros o multímetros.

La intensidad de corriente ($I$) mide el caudal físico o cantidad de electrones de carga neta que atraviesan la sección transversal de la línea conductora por unidad de tiempo. Se mide en amperios ($A$). Un concepto de diseño clave en cuadros es la *densidad de corriente* ($J$), que representa la relación entre la corriente circulante y la sección física del conductor metálico:

$$J = \frac{I}{S}$$

La densidad de corriente se expresa ordinariamente en amperios por milímetro cuadrado ($\text{A/mm}^2$) y constituye el principal criterio térmico para evitar que un conductor sufra sobrecalentamientos por exceso de carga.

La resistencia eléctrica ($R$) representa la oposición física del material al paso del flujo libre de electrones. Se mide en ohmios ($Ω$). La inversa matemática de la resistencia es la *conductancia* ($G$), medida en siemens ($S$), que indica la facilidad con la que circula la electricidad a través de un cuerpo:

$$G = \frac{1}{R}$$

En el taller, verificar valores de conductancia elevados en las conexiones mecánicas de bornas y regletas garantiza la ausencia de resistencias de contacto parásitas que generen caídas de tensión y recalentamientos locales destructivos.

Potencia y Energía: El Vatio y el Julio

La potencia eléctrica ($P$) representa la velocidad instantánea con la que un receptor es capaz de realizar un trabajo útil (como el giro de un eje de motor) o disipar calor. En corriente continua o circuitos puramente resistivos de corriente alterna, la potencia activa se calcula mediante el producto directo de la tensión por la intensidad de corriente:

$$P = V \cdot I$$

Su unidad de medida es el vatio ($W$). En los circuitos de corriente alterna habituales en los automatismos industriales, la potencia activa monofásica incorpora un factor corrector dependiente del desfase angular provocado por las cargas inductivas (bobinas de motores o transformadores) conocido como factor de potencia o $\cos \phi$:

$$P = V \cdot I \cdot \cos \phi$$

La energía eléctrica ($E$), por su parte, es el trabajo total acumulado o desarrollado por el flujo de electrones durante un intervalo de tiempo determinado. En el Sistema Internacional se expresa en julios ($J$, equivalente a un vatio por segundo), aunque en el ámbito de facturación y auditoría energética se emplea de forma generalizada el kilovatio-hora ($kWh$). La relación de conversión entre ambas unidades es:

$$1 \text{ kWh} = 3.6 \times 10^6 \text{ J}$$

El control del consumo energético integrado permite evaluar el rendimiento global de los automatismos térmicos e hidráulicos instalados.

Interdependencia Operativa de las Magnitudes

Las magnitudes eléctricas no son aisladas, sino que se integran dinámicamente en los circuitos del cuadro. Por ejemplo, si se produce un aflojamiento mecánico en un borne roscado de un contactor, la superficie real de contacto metálico disminuye. Según la ley de Pouillet, al reducirse el área efectiva de contacto, se genera una pequeña resistencia parásita en ese punto del cableado.

Al pasar la corriente nominal del circuito por esa pequeña resistencia, de acuerdo a la ley de Ohm se generará una caída de tensión localizada en bornas. Al mismo tiempo, por efecto Joule, esa resistencia disipará potencia en forma de calor localizado ($P = I^2 \cdot R$), provocando una elevación rápida de la temperatura en kelvin que carbonizará el plástico aislante circundante y desencadenará un cortocircuito.

Modelado de Interrelaciones mediante Código

La automatización de cálculos de potencia y densidad de corriente mediante código simplifica el proceso de auditoría y dimensionamiento de los interruptores magnetotérmicos de protección del taller.

# Script para calcular y auditar las magnitudes eléctricas asociadas a un receptor.



def auditar_receptor_monofasico(potencia_w, tension_v, cos_phi, seccion_mm2):

    """

    Calcula la intensidad de corriente, densidad de corriente y potencia aparente.

    """

    # Intensidad de corriente: I = P / (V * cos_phi)

    corriente_a = potencia_w / (tension_v * cos_phi)

    

    # Densidad de corriente en el cobre: J = I / S

    densidad_j = corriente_a / seccion_mm2

    

    # Límites de diseño recomendados (UNE-HD 60364)

    DENSIDAD_MAX_RECOMENDADA = 6.0 # A/mm2

    

    print(f"? INFORME DE MAGNITUDES DEL RECEPTOR ({potencia_w} W):")

    print(f"  Intensidad Calculada: {corriente_a:.2f} A")

    print(f"  Densidad de Corriente: {densidad_j:.2f} A/mm²")

    

    if densidad_j > DENSIDAD_MAX_RECOMENDADA:

        print(f"  ? PELIGRO: Densidad excesiva. Aumentar sección del conductor.")

        return False

    else:

        print(f"  ? SEGURO: Densidad dentro de límites térmicos del cobre.")

        return True



# Simulación de motor de 6.9 kW alimentado a 230 V con sección de 6.0 mm2

auditar_receptor_monofasico(potencia_w=6900, tension_v=230, cos_phi=0.85, seccion_mm2=6.0)