Buban/Schmitt ELECTRICIDAD Y ELECTRÓNICA BÁSICA Conceptos y aplicaciones CUARTA EDICION (Primera edición en español) ELECTRICIDAD Y ELECTRÓNICA BÁSICAS Conceptos y aplicaciones LOS AUTORES Peter Buban enseña electricidad y electrónica en el Quincy (III.)Area Vocational Technical Center. Recibió su grado de Maestría en Artes en la Northeast Missouri State University. Sus muchos años de práctica militar y su experiencia en la in dustria en los campos de la electricidad y la electrónica incluyen trabajos como el de técnico en electrónica, jefe ra diotelegrafista y electricista. Peter Buban es coautor del libro Technical Electricity and Electronics. Marshall L. Schmitt es Senior Program Specialist en la Divi sion of Educational Replication del Departamento de Educa ción de Estados Unidos. Es el responsable de los programas de especialidades en la Pennsylvania State University. Ha impartido cursos de electricidad y electrónica al personal de la Marina de Estados Unidos y, a nivel de Preparatoria, en el estado de Nueva' York. Fue maestro también en el Departa mento de Especialidades Industriales de la North Caroline State University, Raleigh, N. C. El doctor Schmitt es coautor del libro Technical Electricity and Electronics. ELECTRICIDAD Y ELECTRÓNICA BÁSICAS Conceptos y aplicaciones CUARTA EDICIÓN (Primera edición en español) Peter Buban Marshall L. Schmitt TRADUCCIÓN: GABRIEL NAGORE CAZARES Investigador Instituto de Investigaciones Eléctricas, C.F.E. REVISIÓN TÉCNICA: EDUARDO RAMÍREZ GRYCUK Físico, UNAM Profesor Asociado, Departamento de Materiales UAM-Azcapotzalco McGRAW-HILL MÉXICO • BOGOTÁ • BUENOS AIRES • GUATEMALA • LISBOA • MADRID NUEVA YORK • PANAMÁ • SAN JUAN • SANTIAGO • SAO PAULO AUCKLAND • HAMBURGO • JOHANNESBURGO • LONDRES • MONTREAL NUEVA DELHI • PARÍS • SAN FRANCISCO • SINGAPUR ST. LOUIS • SIDNEY • TOKIO • TORONTO ELECTRICIDAD Y ELECTRÓNICA BÁSICAS Conceptos y aplicaciones Prohibida la reproducción total o parcial de esta obra, por cualquier medio, sin autorización escrita del editor. DERECHOS RESERVADOS © 1983, respecto a la primera edición en español por LIBROS McGRAW-HILL DE MÉXICO, S. A. DE C. V. Atlacomulco 499-501, Fracc. Industrial San Andrés Atoto 53500 Naucalpan de Juárez, Edo. de México Miembro de la Cámara Nacional de la Industria Editorial, Reg. Núm. 465 ISBN 968-451-471-9 Traducido de la cuarta edición en inglés de UNDERSTANDING ELECTRICITY AND ELECTRONICS Copyright© 1982, by McGraw-Hill International Book Co., U.S.A. ISBN 0-07008678-8 1234567890 PE-83 8012456793 Impreso en México Printed in México Esta obra se terminó en junio de 1983 en Programas Educativos, S.A. Calz. Chabacano No. 65-A Col. Asturias 06850 México, D.F. Se tiraron 5 000 ejemplares Prólogo del editor Las publicaciones McGraw-Hill sobre educación industrial constituyen una serie completa de libros de texto que cubren importantes áreas de la materia. Electricidad y electrónica básicas, uno de los textos de esa serie, ha probado ser uno de los libros más ampliamente utilizados en este campo. Para seguir siendo valioso en un campo que se desarrolla y que cambia tan rápidamente, un libro de texto debe ponerse al día, mejorarse y ampliarse. Esta cuarta edición (en inglés) incorpora todos los aspectos esenciales, teóricos y prácticos, necesarios para mantenerse al mismo paso que los últimos avances en tecnología y pedagogía. Este libro refleja muchos años de experiencia de los autores en la enseñanza, en varios niveles educativos, y su amplio conocimiento del aspecto práctico del campo. Su ingenio y utilidad son constantemente probados y perfeccionados en el salón de clases y en el laboratorio. El resultado es un libro de texto que es una fuente óptima de información para los estudiantes de bachillerato tecnológico, así como para el estudiante técnico que cursa electricidad y electrónica por pri mera vez. Un tipo de letra sumamente legible y un diseño claro y agradable, empleados en todo el libro, mantienen el interés del estudiante. Los temas de estudio, ejerci cios de aprendizaje por medio de prácticas, actividades de estudio individuales y proyectos de construcción se diseñaron para retar las mentes, teóricas y prácti cas, de muchachos y muchachas que poseen una gran diversidad de experien cias, intereses y capacidades. Los autores, el editor y la editorial esperan que esta edición de Electricidad y Electrónica Básicas estimule el interés de los estudiantes por esta importante área. Quizás la inspiración, acrecentada por el estudio de este fascinante campo de la energía y las comunicaciones, dé como resultado el satisfacer las necesida des de futuros especialistas en electricidad y electrónica. Desde luego, esto po dría avivar la imaginación de los ingenieros electricistas y técnicos potenciales que contribuirán a la sociedad del mañana. Chris H. Groneman V Contenido PREFACIO IX Sección 1 INTRODUCCIÓN 1 1. Átomos, electrones y cargas eléctricas 2 2. Circuitos eléctricos 10 3. Diagramas de circuitos y símbolos 13 4. Reglas, prácticas y dispositivos de seguridad 22 5. Ocupaciones en electricidad y electrónica 37 Sección 2 CIRCUITOS Y DISPOSITIVOS ELÉCTRICOS 50 6. Voltaje, corriente y potencia 50 7. Conductores y aisladores 56 8. Resistencia y resistores 61 9. Ley de Ohm y fórmulas de potencia 72 10. Circuitos en serie y en paralelo 79 11. Medición de cantidades eléctricas 88 12. Capacitancia y capacitores 102 13. Magnetismo 115 14. Electromagnetismo 123 15. Inducción electromagnética e inductancia 131 Sección 3 FUENTES DE ENERGÍA 149 16. Pilas voltaicas y baterías 149 17. Generadores 159 18. Otras fuentes de energía eléctrica 167 Sección 4 ELECTRÓNICA, TEORÍA Y DISPOSITIVOS 177 19. Tubos electrónicos 177 20. Semiconductores y diodos 184 21. Transistores 194 22. Otros dispositivos de estado sólido 204 23. Circuitos impresos 215 VI Sección 5 CONEXIONES ELÉCTRICAS: MATERIALES, HERRAMIENTAS Y PROCEDIMIENTOS 227 24. Planeación y construcción de proyectos 227 25. Alambres y cables 234 26. Herramientas y dispositivos de alambrado 242 27. Soldadura 259 28. Construcción de un chasis metálico 268 Sección 6 ELECTRICIDAD EN EL TRABAJO 279 29. Lámparas e iluminación 279 30. Generación de reacciones químicas 288 31. Sistemas eléctricos domésticos 294 32. Motores eléctricos 308 33. Generación de calor 325 34. Refrigeración y aire acondicionado 337 35. Sistema eléctrico del automóvil 343 Sección 7 SISTEMAS DE INFORMACIÓN Y DE COMUNICACIÓN 355 36. Conceptos básicos de la comunicación 355 37. Telégrafo y teletipo 360 38. Sistema telefónico 368 39. Sistemas de audio 374 40. Fundamentos de radio 392 41. Fundamentos de televisión 405 42. Telemetría 422 43. Computadoras y procesamiento de datos 427 Sección 8 ELECTRICIDAD E INDUSTRIA 439 44. Industria de la energía eléctrica 439 45. Investigación y desarrollo en la electrónica 449 46. Manufactura de productos 455 Sección 9 PRUEBA E INVESTIGACIÓN DE FALLAS 459 47. Instrumentos electrónicos de prueba 459 48. Diagnóstico y reparación de fallas 466 Sección 10 PROYECTOS PROPUESTOS 473 GLOSARIO 482 ÍNDICE 488 VIl Aprendizaje mediante actividades 1. Fabricación de un electroscopio 7 2. Dibujo de diagramas esquemáticos 20 3. Construcción de una lámpara de neón de prueba manual 33 4. Empleo del código de colores para resistores 68 5. Instalación de un control de volumen en altavoces 69 6. Medición de voltaje y corriente 96 7. Verificación de los valores de resistencia con un óhmetro_____________ 98 8. Verificación de la ley de Ohm, 99 9. Experiencias adicionales con la ley de Ohm y las fórmulas de la potencia 100 10. Almacenamiento de carga en capacitores 111 11. Construcción de un oscilador de relajación 112 12. Observación de los campos magnéticos____________________________ 120 13. El solenoide en acción 128 14. Inducción electromagnética 140 15. Construcción de un experimentador electromagnético 142 16. Efectos de la autoinductancia 146 17. El diodo como una "compuerta" 191 18. El diodo como un rectificador 191 19. El transistor en acción 201 20. Circuito amplificador transistorizado 201 21. Circuito rectificador controlado de silicio 209 22. Experiencias con las celdas fotoconductoras________________________ 210 23. El termistor como dispositivo de control de corriente_________________ 211 24. Construcción de termopares 212 25. Construcción de un radio de circuito impreso 224 26. Capacidad de corriente de alambre 240 27. Prácticas con la soldadura 266 28. Construcción de un reóstato de agua salada 292 29. Alambrado con cable de forro no metálico 304 30. Motor universal bipolar sencillo 321 VIII Prefacio Electricidad y electrónica básicas está destinado para un curso básico de am bas especialidades. Aunque el libro ha sido escrito especialmente para adap tarse a cursos de diferente duración, el material que se incluye es el sufi ciente para un curso completo de un año. Desde el inicio de la edición de este texto actualizado, se presentan al estu diante las teorías fundamentales en las cuales se basan estudios posteriores de aplicación práctica. Este desarrollo lógico de los temas es particularmente efectivo al relacionar los avances en electricidad y electrónica con conceptos básicos de física, mecánica y química que se presentan al estudiante. Este planteamiento se fortalece con el empleo sensato de matemáticas básicas, principalmente en la solución de problemas en los que intervienen relacio nes eléctricas fundamentales. Las experiencias obtenidas en el salón de clases con las ediciones anterio res y muchas sugerencias útiles de los usuarios del texto ayudaron a determi nar la estructura general y el contenido de la presente edición. Las oportuni dades profesionales y de ocupación en las áreas de electricidad y electró nica, abiertas tanto a hombres como a mujeres, se examinan con detalle. Las exposiciones de materiales y procesos reflejan los últimos desarrollos en es tas áreas. Conforme al objetivo de relacionar el tema con el mundo real, se ha incluido, cuando ha sido pertinente, información para el consumidor so bre los productos eléctricos y su empleo. La unidad sobre otras fuentes de energía mira hacia el futuro, en lo referente a los problemas energéticos que probablemente afectarán la vida de todos. Esta edición incluye también nueva información del campo de la electricidad y la electrónica, como moto res de alto rendimiento, conexión de alambre enrollado y comunicación por ondas luminosas. El texto consta de diez secciones principales que presentan un total de 48 unidades de instrucción y sugerencias para la construcción de varios proyec tos. El material que se encuentra al final de cada unidad incluye ejercicios de aprendizaje práctico, autoevaluaciones, repaso y estudio de temas, y activi dades de estudio individuales. Cada uno está preparado para alcanzar un ob jetivo particular en la motivación, evaluación y reforzamiento de la com prensión del estudiante sobre lo que ha estudiado. Los ejercicios de aprendizaje práctico permiten la transmisión de experiencias prácticas obte nidas en el empleo de diagramas de circuito, herramientas y equipo de prueba. Pueden utilizarse como tareas individuales o de grupo, o como de mostraciones del instructor. Cada uno de los ejercicios se ha diseñado para emplear materiales baratos y disponibles, por lo general, en la tienda de la escuela o en el laboratorio. Las secciones de autoevaluación constituyen una forma para que los estudiantes valoren su progreso a través de cada unidad independientemente. Los temas de repaso y estudio pueden ser utilizados