TEMA 1: CIRCUITOS ELÉCTRICOS

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1 TEMA 1: CIRCUITOS ELÉCTRICOS 1.- CONCEPTOS FUNDAMENTALES 2.- LA LEY DE OHM 3.- TIPOS DE CIRCUITOS CIRCUITO SERIE CIRCUITO PARALELO CIRCUITO MIXTO 4.- INSTRUMENTOS DE MEDIDA 5.- POTENCIA Y ENERGÍA ELÉCTRICA 6.- TIPOS DE RESISTENCIAS. CÓDIGO DE COLORES

2 1.- CONCEPTOS FUNDAMENTALES La CORRIENTE ELÉCTRICA consiste en el flujo o movimiento de electrones a través de un conductor. Existen dos tipos de corriente eléctrica: - CORRIENTE CONTINUA (DC) : los electrones se desplazan todos en el mismo sentido. Es la suministrada por las pilas y baterías. - CORRIENTE ALTERNA (AC) : los electrones cambian periódicamente de sentido con el tiempo, de forma que realizan un movimiento de vaivén. Es la más ampliamente utilizada y la suministrada por la red eléctrica (con una frecuencia de 50 Hz). Un CIRCUITO ELÉCTRICO consiste en un conjunto de elementos, conectados entre sí, por los que circula una corriente eléctrica. Para que circule la corriente el circuito debe estar cerrado. Los elementos principales de un circuito eléctrico son los siguientes: a) GENERADORES: son dispositivos que crean una tensión eléctrica para que se produzca la corriente eléctrica. Los generadores pueden ser de dos tipos: - Generadores DC: generan una corriente continua (pilas, baterías, dínamos...) - Generadores AC: generan una corriente alterna (alternadores) b) CONDUCTORES: son los elementos que transmiten la corriente eléctrica; suelen ser cables metálicos (de aluminio o cobre), a través de los cuales circulan los electrones y se suelen encontrar recubiertos de un material aislante (PE, PVC...). c) RECEPTORES: son los elementos que utilizan la energía eléctrica y la transforman en otro tipo de energía. Existen muchos tipos de receptores, por ejemplo: - motores: energía mecánica de rotación - lámparas: energía luminosa - resistencia: energía calorífica d) ELEMENTOS DE CONTROL: son dispositivos que permiten controlar el paso de la corriente eléctrica y manejar así el circuito a voluntad (interruptores, pulsadores, relés...) e) ELEMENTOS DE PROTECCIÓN: son aquellos dispositivos que protegen el circuito de posibles sobrecargas que se puedan producir de forma imprevista y evitan así posibles daños en el circuito (fusibles, magnetotérmicos, diferenciales...) 2

3 MAGNITUDES ELÉCTRICAS BÁSICAS. El comportamiento de un circuito eléctrico se puede caracterizar mediante tres magnitudes básicas: intensidad de corriente, resistencia eléctrica y voltaje. INTENSIDAD DE CORRIENTE (I): es la cantidad de carga eléctrica que circula por un conductor en un cierto tiempo y representa la cantidad de corriente eléctrica que atraviesa el circuito. Se mide en AMPERIOS (A) I(A) = q(c) / t(s) RESISTENCIA (R): Es la dificultad que opone un conductor al paso de la corriente eléctrica. Se mide en OHMIOS (Ω). La resistencia depende de la longitud y sección del conductor y de la naturaleza del mismo. La resistencia aumenta con la longitud y disminuye con la sección. La magnitud física que mide lo mucho o poco que se opone un material concreto al paso de la corriente es la resistividad (ρ). De esta forma, conocidos el material y sus dimensiones, se puede calcular la resistencia de un trozo de material mediante la fórmula: R(Ω) = ρ(ω mm 2 /m) l(m) / S(mm 2 ) Además, la resistencia de los conductores metálicos aumenta con la temperatura. FUERZA ELECTROMOTRIZ (f.e.m.): Se define como la energía por unidad de carga necesaria para transportar los electrones de uno a otro polo del generador. Es la magnitud responsable de que las cargas se pongan en movimiento. A pesar de su nombre, no es una fuerza, sino que tiene dimensiones de voltaje, por lo que se mide en voltios (V). f.e.m.(v) = E(J) / q(c) VOLTAJE (V): También se le denomina TENSIÓN o DIFERENCIA DE POTENCIAL (d.d.p.). Se define como la energía necesaria para transportar una unidad de carga eléctrica entre dos puntos del circuito. Se mide en VOLTIOS (V). V(V) = E(J) / q(c) Cada vez que una carga atraviesa una resistencia, debe gastar parte de la energía que le ha proporcionado el generador. De esta forma, el voltaje gastado a lo largo del circuito debe ser exactamente igual a la f.e.m. proporcionada por el generador. 3

4 Para entender mejor el funcionamiento de los circuitos eléctricos podemos compararlos con un circuito hidráulico, compuesto por dos depósitos con distinto nivel de líquido, conectados mediante un tubo, tal y como se muestra en la figura: Debido a la diferencia de alturas del líquido se va a producir una corriente desde el depósito de mayor nivel al otro. La diferencia de altura, que da lugar a una diferencia de presión, es la causa del movimiento del líquido. Algo semejante ocurre en un circuito eléctrico: para que la corriente circule por él es necesario una diferencia de potencial o voltaje entre sus extremos que tire de los electrones. 2.- LEY DE OHM Existe una relación entre la intensidad, el voltaje y la resistencia de un circuito eléctrico, de forma que si se varía alguna de estas magnitudes las otras también se van a ver modificadas. Esta relación viene dada por la ley enunciada por George Ohm en 1826: La intensidad de corriente que circula por un circuito es directamente proporcional al voltaje aplicado e inversamente proporcional a la resistencia del circuito: I= V R La ley de Ohm pone de manifiesto cómo afecta a las demás el cambio en cada una de las magnitudes: a) Cuanto mayor sea el voltaje que se conecta al circuito, mayor será el empuje que proporciona a los electrones y en consecuencia la intensidad de corriente tendrá un valor más alto (por ello el voltaje aparece en el numerador de la ecuación) b) Si lo que aumenta es la resistencia, habrá una mayor oposición al paso de la corriente y por tanto la intensidad será menor (por ello la resistencia aparece dividiendo en la ecuación) Aplicando la ley de Ohm, dadas dos magnitudes podremos calcular la tercera: 4

5 - si conocemos la intensidad y el voltaje, queda definido el valor de R: R= V I - si conocemos la intensidad y la resistencia, queda definido el valor de V: V = R I - si conocemos el voltaje y la resistencia, queda definido el valor de I: I= V R Si el voltaje se da en voltios (V) y la resistencia en ohmios (Ω), la intensidad de corriente calculada estará en amperios (A). Si el voltaje se da en voltios (V) y la resistencia en kiloohmios (kω), la corriente vendrá dada automáticamente en miliamperios (ma). 3.- TIPOS DE CIRCUITOS Los circuitos eléctricos pueden ser extraordinariamente sencillos (una única resistencia unida a los polos de un generador mediante conductores) o extraordinariamente complicados. En este curso, sólo veremos circuitos que puedan ser resueltos aplicando la ley de Ohm. Para el análisis de este tipo de circuitos, se pueden aplicar unas cuantas reglas básicas: Se define malla como todo aquel recorrido que lleve de un polo a otro del generador sin pasar dos veces por el mismo punto. Un circuito puede tener una única malla o varias. Cada electrón individual recorre el circuito (es decir, va de un polo a otro del generador) pasando por una única malla. Existe una intensidad de corriente por cada malla. Por cada resistencia que atraviese una carga, ésta sufrirá una caída de voltaje. A lo largo de cada malla, la caída de potencial total que sufre una carga debe ser exactamente igual a la f.e.m. proporcionada por el generador. Según la forma de conectar los elementos de un circuito entre sí, existen los siguientes tipos de circuitos: a) CIRCUITO SERIE: Los elementos del circuito se conectan uno a continuación de otro, de forma que la salida de cada elemento se encuentra a continuación de la entrada del siguiente. En los circuitos en serie existe una única malla, por lo que por todas las resistencias circula la misma corriente eléctrica. R = R 1 + R 2 + R 3 I = I 1 = I 2 = I 3 V = V 1 + V 2 + V 3 5

6 b) CIRCUITO PARALELO: los elementos del circuito se disponen de manera que todas las entradas están conectadas a un punto común y las salidas a otro punto común. En los circuitos en paralelo existen varias mallas por los que puede circular la corriente eléctrica. Todas las resistencias están sometidas al mismo voltaje 1 R = 1 R 1 1 R 2 1 R 3 I =I 1 + I 2 + I 3 V = V 1 =V 2 =V 3 Mientras que al colocar elementos en serie la resistencia total aumenta, en los circuitos en paralelo la resistencia total disminuye. c) CIRCUITO MIXTO: son aquellos circuitos en los que existen a la vez elementos conectados en serie y en paralelo. En este caso se opera por separado con los elementos en serie y en paralelo según corresponda en función de la forma del circuito. 4.- INSTRUMENTOS DE MEDIDA ELÉCTRICA Existen diferentes aparatos de medida destinados a medir las magnitudes de un circuito eléctrico: - AMPERÍMETRO: Sirve para medir la intensidad de corriente eléctrica que circula por un circuito. Se conecta en serie. - VOLTÍMETRO: Sirve para medir el voltaje entre dos puntos de un circuito. Se conecta en paralelo entre los terminales cuya tensión se quiere medir. 6

7 - ÓHMETRO: Sirve para medir la resistencia. Se conecta entre los terminales del elemento cuya resistencia se quiera medir, desconectado del circuito. - POLÍMETRO: Es un instrumento que permite medir intensidad, voltaje y resistencia. Presenta varias escalas y basta con seleccionar la adecuada para realizar la medida deseada. Según el tipo de medida que se quiera realizar, el polímetro se conecta en serie (para medir I), en paralelo (para medir V) o de forma aislada del circuito para medir resistencias. Los instrumentos anteriormente mencionados pueden ser de dos tipos: a) ANALÓGICOS: Los valores de las mediciones se obtienen mediante una aguja que se desplaza sobre una escala numérica. b) DIGITALES: Los valores de las mediciones vienen representados mediante dígitos a través de una pantalla. 5.- POTENCIA Y ENERGÍA ELÉCTRICA La POTENCIA ELÉCTRICA es la cantidad de energía consumida en un circuito a lo largo del tiempo. Su unidad de medida es el VATIO (W) P= E t El vatio es una unidad muy pequeña, por lo que es muy habitual la utilización de uno de sus múltiplos: el KILOVATIO (KW), que equivale a W. La potencia eléctrica depende de las características del circuito eléctrico y se puede calcular como el producto del voltaje por la intensidad de corriente: P=V I - Si nos referimos al generador se dice que suministra potencia eléctrica. - Si nos referimos al receptor se dice que consume una corriente eléctrica. La ENERGÍA ELÉCTRICA se calcula a partir del producto de la potencia por el tiempo: E=P t 7

8 Si la potencia se expresa en vatios y el tiempo en segundos, se obtiene como unidad de energía el JULIO (J). Sin embargo esta unidad de medida es muy pequeña, por lo que no resulta útil en circuitos eléctricos. Para medir el consumo de energía en un circuito eléctrico se utiliza una unidad particular, que proviene de multiplicar la potencia (en KW) por el tiempo (en horas). Dicha unidad de energía se denomina KILOVATIO-HORA (Kw h) 1 Kw h=3,6x10 6 J Relación entre potencia y resistencia: si combinamos la expresión de la potencia con la ley de Ohm, podemos establecer una relación entre P y R de la siguiente forma: EFECTO JOULE P = V I 2 V V V P = V = I = R R R P = V I 2 P = I R I = I V = R I R La energía eléctrica es la transportada por los electrones en su movimiento por los conductores. Estos electrones están continuamente chocando con las nubes electrónicas de los átomos que forman el conductor. Estos choques continuados provocan pérdidas de energía de los electrones, que se manifiestan en forma de calor, aumentando la temperatura del conductor. El efecto Joule se define entonces como la pérdida de energía en forma de calor en los conductores. Normalmente es un efecto indeseado, ya que la energía perdida de esta forma no puede ser usada en los receptores. En la transmisión a grandes distancias de la energía eléctrica estas pérdidas pueden ser notables, y deben ser minimizadas. En un conductor de resistencia R por el que circula una corriente I las pérdidas por efecto Joule se calculan: E = I 2 R t 6.- TIPOS DE RESISTENCIAS Las resistencias son dispositivos que presentan una oposición al paso de la corriente eléctrica. a) RESISTENCIAS FIJAS: Son resistencias que tienen siempre el mismo valor (medido en ohmios). Suelen emplearse para limitar la corriente que circula por un circuito. 8

9 Existen varios tipos, entre las que destacan: - resistencias de hilo bobinado: consisten en una cierta longitud de hilo conductor arrollado en forma de bobina. La resistencia depende de la longitud del hilo, su sección y el material en que esté construido. - resistencias de carbón: están formadas por un cilindro cerámico cubierto por una película protectora de pintura. El valor de la resistencia viene dado mediante un código de colores. CÓDIGO DE COLORES DE LAS RESISTENCIAS Las resistencias presentan cuatro bandas de colores: - Las tres primeras indican el valor de la resistencia en ohmios - La cuarta banda indica lo exacto que es el valor de la resistencia respecto a su valor teórico; la diferencia entre el valor teórico y el real se denomina TOLERANCIA. Para poder leer el valor de las resistencias se procede de la siguiente forma: - se sitúa la resistencia de forma que las tres bandas más juntas queden hacia la izquierda, y la tolerancia a la derecha - a continuación se leen las bandas de colores de izquierda a derecha - la primera banda indica la segunda cifra - la tercera banda indica el número de ceros que hay que agregar a las dos cifras anteriores El código de colores es el siguiente: 1ª franja 2ª franja 3ª franja NEGRO MARRÓN ROJO NARANJA AMARILLO VERDE AZUL VIOLETA GRIS BLANCO Y la banda de tolerancia responde al siguiente código: 9

10 MARRÓN ORO PLATA NINGUNO ± 1 % ± 5 % ± 10 % ± 20 % b) RESISTENCIAS VARIABLES: Son resistencias cuyo valor puede variar debido a diferentes factores. Existen varios tipos. - POTENCIÓMETROS: Son resistencias variables que se accionan manualmente. Su valor varía cuando se gira un eje o contacto móvil, que añade más o menos material a la resistencia. El valor máximo de la resistencia viene indicado en el potenciómetro, de forma que su valor puede variar desde 0 Ω hasta el valor marcado. - FOTORRESISTENCIAS: también se las denomina LDR. Son resistencias cuyo valor varía con la cantidad de luz que incide sobre ellas. La resistencia aumenta en la oscuridad y disminuye cuando se ilumina. Se utilizan como sensores de luz en circuitos de control. - TERMISTORES: Son resistencias cuyo valor varía con la temperatura. Los termistores pueden ser de dos tipos: - NTC: la resistencia disminuye al aumentar la temperatura - PTC: la resistencia aumenta al aumentar la temperatura Se utilizan como sensores de temperatura en circuitos de control. 10