UNIDAD 1: ELECTRICIDAD Y MAGNETISMO

Transcripción

1 UNIDAD 1: ELECTRICIDAD Y MAGNETISMO 1. La Corriente eléctrica 1.1. La carga eléctrica Definición La carga eléctrica es la propiedad de la materia responsable de que dos o mas cuerpos interaccionen eléctricamente entre sí, es decir, que unas veces se atraigan y otras, se repelan Los protones y los electrones tienen carga eléctrica. Hay dos tipos de carga eléctrica: positiva (protones) y negativa (electrones). Un cuerpo se carga eléctricamente porque intercambia electrones con otro cuerpo: - Si un cuerpo toma electrones queda con carga eléctrica negativa - Si un cuerpo cede electrones, su carga eléctrica será positiva Las cargas del mismo signo se repelen y las cargas de distinto signo se atraen La carga eléctrica se mide en culombios y equivale, aproximadamente, a la carga que 1 C = 6, electrones 1 electron = 1, C La electrización tienen seis trillones de electrones. La carga del protón es igual pero de signo contrario. Los cuerpos son generalmente neutros La ELECTRIZACIÓN es el fenómeno por el cual un cuerpo adquiere carga eléctrica. El caso más frecuente ocurre cuando se produce transferencia de electrones entre dos cuerpos. Los cuerpos pueden electrizarse de las siguientes formas: - Electrización por frotamiento Al frotar un cuerpo con otro, algunos electrones de la capa más externa de uno de ellos son arrancados, y pasan al otro. Los dos cuerpos quedan cargados eléctricamente; uno con carga positiva (el que ha perdido electrones), y el otro con carga negativa (el que ha ganado electrones) - Electrización por contacto Consiste en cargar eléctricamente un cuerpo neutro al ponerlo en contacto con otro que está electrizado. El resultado es que ambos cuerpos tienen el mismo tipo de carga, la carga eléctrica del que tuviese el cuerpo cargado. - Electrización por inducción Consiste en cargar un cuerpo eléctricamente neutro al acercarlo a otro que está electrizado y sin necesidad de contacto. El cuerpo cargado se llama inductor y el cuerpo neutro eléctricamente, inducido. Al final los dos cuerpos, inductor e inducido, quedan enfrentados con cargas de signo contrario, por lo que observaremos cómo se atraen. Puesto que los fenómenos de electrización se producen por un intercambio de electrones de un cuerpo a otro, podemos afirmar que la misma cantidad de carga

2 eléctrica que gana un cuerpo es la que pierde el otro > LEY DE CONSERVACIÓN DE LA CARGA: En un sistema aislado la carga eléctrica permanece constante. La ley de Coulomb Dos cargas eléctricas del mismo signo se repelen. Dos cargas eléctricas de signo contrario se atraen. La fuerza entre dos cargas eléctricas es directamente F= K (q 1. q 2 ) / d 2 proporcional a las cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa. También depende del medio en el que se encuentran Kvacio= N m 2 / C 2 Valores de la constante K para distintos medios MEDIO K( N m 2 /C 2 ) Vacio Aire 8, Agua 1, Vidrio 1, PVC 2, positiva situada en ese punto 1.2. La corriente eléctrica Campo eléctrico Un campo eléctrico es una región del espacio en el que toda la carga eléctrica experimenta una fuerza. E = F/q La Intensidad del campo eléctrico E (N/C) en un punto es la fuerza sobre la unidad de carga La corriente eléctrica consiste en un movimiento de cargas eléctricas a través de un material conductor. La corriente eléctrica es el desplazamiento de los electrones por el interior de un material conductor. Para que se produzca el movimiento, es necesario que exista una tensión eléctrica; es decir, se necesita que en uno de los extremos del conductor haya más cargas negativas que en el otro. En estas circunstancias, los electrones que tiene en exceso serán atraídos, a través del conductor, hacia el extremo que tiene menor tensión, hasta que las cargas de ambos se equilibren. Según el tipo de movimiento que efectúan los electrones distinguiremos dos grandes tipos de corriente eléctrica: Corriente continua (DC), los electrones se mueven siempre en el mismo sentido, desde el polo negativo al positivo. Es el tipo de corriente que se obtiene cuando se utilizan pilas, baterías de acumuladores y placas solares como fuente de alimentación. Corriente alterna (AC), los electrones oscilan alternativamente en uno u otro sentido según cambia la polaridad del generador. es la que proviene de los alternadores de las centrales eléctricas y lega a nuestras viviendas. Los portadores de corriente cambian de sentido un determinado número de veces cada segundo. Este número se denomina FRECUENCIA, magnitud que se mide en

3 Herzios (Hz). En Europa, la frecuencia de la red eléctrica comercial es de 50 Hz. Los efectos de la corriente eléctrica son: - Efecto térmico. La corriente calienta los conductores por los que circula, debido a la resistencia que presentan los materiales a su paso. Este efecto se aprovecha en las cocinas, radiadores y todos los dispositivos de calefacción. - Efecto luminoso. Cuando un material se calienta lo suficiente puede emitir luz, como sucede con los filamentos de las lámparas de incandescencia. Otros materiales, como los gases encerrados en las lámparas fluorescentes, desprenden luz cuando se produce en su interior una descarga eléctrica - Efecto magnético. Toda corriente eléctrica crea un campo magnético en los alrededores del conductor por el que pasa. - Efecto químico. La corriente eléctrica descompone ciertas sustancias, llamadas electrolítos, cuando pasa por ellas. El fenómeno se conoce como electrolisis. Por ejemplo, la sal común, disuelta en agua o fundida, se descompone en el cloro y el sodio que la componen cuando la recorre la corriente eléctrica 1.3. Los circuitos eléctricos Un circuito eléctrico es un conjunto de elementos enlazados de tal manera que permiten la circulación de electrones a través de estos elementos. La corriente eléctrica se produce en un circuito porque: Todos sus componentes están conectados entre ellos El camino que siguen los electrones no ha de estar interrumpido El circuito ha de comenzar en un polo del generador y acabar en otro 1.4. Generadores Los generadores son los responsables de suministrar la energía eléctrica a los circuitos. Hay diferentes tipos de generadores pero en la mayoría de los lugares son las centrales eléctricas que hacen llegar la energía a través de líneas eléctricas. El generador es un dispositivo que crea y mantiene la tensión necesaria para que se produzca y mantenga una corriente eléctrica. Esto se puede conseguir - Mediante reacciones químicas, con pilas y baterías - A partir del movimiento, con máquinas electromagnéticas - A partir de la luz, con células fotovoltaicas 1.5. Conductores Los cables conductores son los caminos por los cuales circula la corriente eléctrica. Su función es transportar la energía eléctrica desde el generador hasta el receptor cerrando el circuito. Los cables conductores están formados por una cubierta aislante y una parte interior metálica que es la que transporta la electricidad.

4 Los materiales pueden ser divididos en: - Materiales aislantes si no permite el libre desplazamiento de cargas eléctricas en su interior - Materiales conductores si permite libremente el desplazamiento de cargas eléctricas en su interior - Materiales semiconductores: En condiciones ordinarias son malos conductores de la electricidad, pero si variamos estas condiciones (tª, intensidad luminosa) el material se hace conductor 1.6. Receptores Los receptores son los encargados de transformar la energía eléctrica que reciben del generador en otra útil. Cualquier aparato que funcione con electricidad es un receptor. A la hora de conectar un generador hay que tener en cuenta: - que la tensión del generador se corresponda con la que el receptor pueda soportar - si el receptor funciona con DC hay que tener en cuenta la polaridad Tipos: Resistencias. Disipan calor cuando circula corriente eléctrica por ellas. Las resistencias eléctricas se calientan debido a la oposición que presentan al paso de la corriente eléctrica, lo cual es aprovechado por diversos aparatos de uso doméstico para producir el calor necesario en función de la aplicación a la que están destinados. Las estufas eléctricas, las planchas, los hornos eléctricos basan su funcionamiento en este efecto, producido por la corriente eléctrica al pasar a través de su resistencia. Elementos de alumbrado. Son los componentes eléctricos que transforman energía eléctrica en energía luminosa Timbre y zumbador. Transforman la energía eléctrica en sonido Motor eléctrico. Es el elemento que transforma la energía eléctrica en un movimiento giratorio 1.7. Elementos de maniobra Cuando el camino que siguen los electrones se encuentra interrumpido en algún punto del circuito se dice que el circuito está abierto y la corriente eléctrica no se produce. Por el contrario si el camino no está interrumpido en ningún punto del circuito y sus extremos están conectados a los extremos de un generador, entonces el circuito está cerrado y la corriente se produce. Muchas veces nos interesará poder abrir y cerrar los circuitos voluntariamente usando los ELEMENTOS DE MANIOBRA O CONTROL Interruptores: permite controlar si pasa o no corriente eléctrica por el circuito. Tiene dos posiciones: cuando está cerrado, circula corriente; cuando está abierto, no circula corriente Pulsadores: es parecido al interruptor. también tiene dos posiciones. pero en este caso el circuito permanece cerrado solamente el tiempo que se mantiene

5 pulsado el pulsador. Cuando se deja de actuar sobre el pulsador la corriente deja de circular por el circuito Conmutadores: Tiene tres posiciones y sirve para decidir, por ejemplo, por qué rama de un circuito debe pasar la corriente Elementos de protección El cortocircuito es un accidente que se puede producir en un circuito eléctrico o instalación como consecuencia de la falta de resistencia que provoca una subida brusca de intensidad produciendo un desprendimiento de calor que puede resultar peligroso. Los fusibles son aparatos de protección de los circuitos, instalaciones y aparatos eléctricos contra posibles cortocircuitos. Cuando se produce un corto la intensidad sube hasta unos valores altos como consecuencia de la baja Resistencia del circuito. Esto provoca un aumento de la temperatura, hasta el punto de que podrían quemarse totalmente. Ahora bien si colocamos un dispositivo con un punto de fusión bajo a la salida del generador y al lado del circuito o aparato que se quiere proteger el dispositivo se fundirá antes y abrirá el circuito evitando que pueda pasar nada más.

6 1.9. Conexiones de un circuito Cuando conectamos los distintos elementos en línea, unos a continuación de otros, se dice que están conectados en SERIE. En un circuito en serie la misma corriente pasa por todos y cada uno de los elementos. Cuando los elementos se disponen en ramas separadas, formando diferentes caminos, para el paso de la corriente, se dice que están conectados en PARALELO. En un circuito en paralelo la corriente se reparte entre ellos; es decir, por cada elemento solo pasa una parte de la corriente eléctrica Cada circuito tiene una función determinada, es decir, tiene como misión poder controlar y hacer que el receptor trabaje controlado de diversas formas. Para cumplir esta función necesitará una serie de elementos conectados de acuerdo con un esquema y puestos en el lugar adecuado. 2. Magnitudes eléctricas 2.1. Voltaje La tensión, voltaje o diferencia de potencial que es capaz de proporcionar un generador es la energía transferida a cada culombio de carga para que recorra un circuito. Se representa por la letra V y se mide en voltios. Para medir la tensión en un circuito se usa el voltímetro que se coloca en paralelo V = E/q El V se mide con el voltímetro (polímetro) que se conecta en paralelo con un circuito 2.2. Intensidad de corriente La intensidad de una corriente eléctrica se define como la cantidad de cargas eléctricas que pasan por una sección del conductor en un tiempo determinado. Esta magnitud se representa con I y se mide en amperios (A). Para medir la intensidad de un circuito colocamos un amperímetro en serie I = q/t La I se mide con un amperímetro (polímetro) que se instala en serie con el circuito 2.3. Resistencia La resistencia eléctrica es la mayor o menor capacidad de un material para permitir el paso de la corriente eléctrica. Se mide con el Óhmetro y se expresa en Ohmios (Ω). La resistencia eléctrica de un hilo conductor depende de tres factores:

7 TABLA DE RESISTIVIDADES (a 20ºC) MATERIAL ρ(ω m) Plata 1, Cobre 1, Aluminio 2, Hierro 1, Carbón 6, Silicio Ley de Ohm - De la longitud (L) - De la sección (S) - Del material de que está fabricado (ρ) R =ρ (L/S) La intensidad que circula por un circuito depende de dos factores: - Es directamente proporcional al voltaje - Es inversamente proporcional a la Resistencia I = V/R 2.5. Energía y potencia eléctrica Se llama energía eléctrica a la energía que llevan las cargas eléctricas que se desplazan por el circuito La energía que podemos obtener de una corriente eléctrica depende de la I, el V y del tiempo que esté circulando la corriente. Se mide en Julios E = V I t La potencia de una corriente eléctrica se define como la cantidad de trabajo o energía que es capaz de realizar o proporcionar dicha corriente en un tiempo determinado. Se representa por la letra P y se mide en vatios (W) P = E/t = V I Se denomina efecto Joule al fenómeno por el cual todo conductor se calienta cuando es atravesado por la corriente de forma que parte de la energía eléctrica transportada se disipa en forma de calor. Ley de Joule : La energía eléctrica disipada como calor en una resistencia es proporcional al valor de la resistencia, al cuadrado de la I y al tiempo de paso de la corriente 3. Asociación de resistencias E = I 2 R t - La resistencia equivalente de dos resistencias asociadas en serie es igual a la suma de ambas resistencias Rt = R 1 + R 2 + R 3 I t = I 1 = I 2 = I 3 V T = V 1 + V 2 + V 3 - La inversa de la resistencia equivalente a una asociación de resistencias en paralelo es igual a la suma de las inversas de las resistencias asociadas 1/R T = 1/R 1 + 1/R 2 + 1/R 3 I t = I 1 + I 2 + I 3 V T = V 1 = V 2 = V 3

8 4. Electricidad y los imanes 4.1. Magnetismo Magnetismo es la propiedad que presentan algunos cuerpos llamados imanes de atraer objetos de hierro o acero. Todos los imanes se caracterizan por tener siempre un polo negativo y otro positivo que no pueden separarse. Los polos del mismo nombre se repelen y los de distinto nombre se atraen. Los imanes pueden ser naturales o artificiales. Un imán natural es la magnetita. Un trozo de hierro o de acero magnetizado son imanes artificiales Campo magnético El campo magnético es la región del espacio en la que se ejercen fuerzas magnéticas sobre objetos de hierro o acero, como una aguja imantada o imán. Los campos magnéticos se representan por líneas de fuerza, que son líneas imaginarias que salen del polo norte y entran al polo sur Electricidad y magnetismo Además de los imanes, las corrientes eléctricas también pueden generar campos magnéticos. El magnetismo y la electricidad son dos fenómenos relacionados: - Las corrientes eléctricas crean campos magnéticos - Los campos magnéticos generan corrientes eléctricas en los conductores que se mueven en su interior. Este fenómeno se conoce como inducción electromagnética y la corriente inducida es una corriente alterna y se mantiene mientras el conductor o el imán, o ambos, sigan en movimiento. La corriente inducida en una corriente alterna Bobina y electroimán Una bobina o solenoide es un hilo de alambre enrollado por el que se hace circular una corriente eléctrica. El interior de este arrollamiento se llama núcleo y puede contener, o no, un material diferente del aire. Un electroimán es un imán temporal formado por una bobina en cuyo interior se coloca un núcleo de hierro, acero u otro material ferromagnético. El electroimán se comporta de la misma manera que un imán permanente, con la ventaja de que su fuerza o intensidad se puede controlar cambiando el número de espiras de la bobina o variando la intensidad de la corriente que circula por ella Alternadores La corriente eléctrica que proporcionan las pilas y las baterías siempre circula en el mismo sentido: desde el polo negativo hacia el polo positivo. Por el contrario, la corriente que llega hasta nuestras casas, a través de la red eléctrica, cambia de sentido 100 veces cada segundo.

9 La primera es una corriente continua, mientras que la segunda es una corriente alterna. La diferencia entre uno y otro tipo de corriente se debe a la forma en la que se han generado. Los alternadores son aparatos que generan corriente alterna. El alternador más sencillo es aquel que está formado por un imán que entra y sale periódicamente en una bobina. El resultado es análogo si el imán, en vez de avanzar y retroceder, gira frente a la bobina. Aunque existen distintos modelos, todos los alternadores se componen de dos elementos básicos: el inductor y el inducido. - El inductor puede ser un imán o un electroimán, - El inducido siempre es una bobina cuyos extremos están conectados a un circuito exterior. En los extremos del hilo que forma la bobina hay conectados unos anillos llamados delgas. Estas delgas se encuentran en contacto permanente con unas escobillas, que son las encargadas de recoger la electricidad y, al mismo tiempo, permitir que la bobina gire libremente. Cada vez que la bobina gira media vuelta, la corriente que se genera en su interior cambia de sentido. Por lo que la corriente que produce aparato es corriente alterna Motores eléctricos El motor eléctrico es una máquina que transforma la energía eléctrica en energía mecánica; es decir, que tiene una entrada eléctrica y una salida mecánica. La entrada eléctrica consiste en unos bornes a los que se les suministra tensión eléctrica y la salida mecánica consiste en un eje que gira. Todos los motores eléctricos están divididos en dos partes, una fija y otra móvil: - El estator es la parte fija del motor y está unido a la carcasa. - El rotor es la parte que gira cerca, dentro o alrededor del estator. Las partes de un motor eléctrico también se pueden clasificar según su función. Todos los motores eléctricos constan de: - Un inductor, que crea el campo magnético. Este inductor puede estar formado por uno o varios imanes fijos o bien por electroimanes compuestos de una o varias bobinas por las que pasa una corriente eléctrica. - Un inducido, formado por una o varias bobinas de cable que están situadas dentro del campo magnético que crea el inductor. Normalmente, el inductor se coloca en el estator y el inducido se sitúa en el rotar, aunque puede hacerse a la inversa. - El colector es el encargado de llevar la corriente a las bobinas. Si el motor funciona con corriente continua, el colector está formado por un anillo metálico separado en dos mitades. - Las escobillas, que transmiten la corriente al colector, están apoyadas sobre él y evitan que el cable se enrede al girar.

10 5. ACCIDENTES ELÉCTRICOS Efectos de la corriente eléctrica sobre las personas INTENSIDAD EFECTO Hasta 1 ma Imperceptible para el ser humano 2 a 3 ma Sensación de hormigueo 3 a 10 ma La persona se desprende del contacto 10 a 50 ma No es mortal si el paso de corriente es fugaz 50 a 500 ma Quemaduras internas graves o muy graves Más de 500 ma Muerte por parálisis de los centros nerviosos Decimos que una persona sufre una descarga eléctrica cuando su cuerpo es atravesado por una corriente eléctrica de cierta intensidad durante un tiempo. Las consecuencias de la descarga pueden ser desde un ligero cosquilleo hasta quemaduras y trastornos oculares, auditivos y nerviosos, e incluso puede llegar a provocar una parada cardiorrespiratoria de consecuencias mortales. En los accidentes producidos por la electricidad, hemos de tener en cuenta diferentes factores de riesgo: - Intensidad - Tiempo - Zona del cuerpo (las más peligrosas son las que atraviesan la cabeza y el tórax) - Estado de salud - El tipo de contacto