Unidad didáctica: Electricidad y Electrónica

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1 Unidad didáctica: Electricidad y Electrónica CURSO 1º ESO versión 1.0 Electricidad y Electrónica - 1

2 Unidad didáctica: Electricidad y Electrónica ÍNDICE 1.- El átoo y sus partículas..- Materiales conductores, aislantes y seiconductores. 3.- Resistencia. Corriente eléctrica. Diferencia de potencial. 4.- Circuito eléctrico, Eleentos del circuito eléctrico, Ley de Oh. 5.- Circuitos básicos (serie, paralelo y ixto). 6.- Obtención de luz y calor. Otros Efectos. Receptores. Aplicaciones. 7.- Sibología noralizada. 8.- Actividades propuestas y ejercicios. 1.- El átoo y sus partículas. La ateria está constituida por oléculas y éstas a su vez por átoos. El átoo, esta forado por un núcleo y una corteza. En el núcleo se encuentran los protones y neutrones, ientras que en la corteza se encuentran los electrones, girando alrededor del núcleo en distintas órbitas..- Materiales conductores, aislantes y seiconductores. Las propiedades del átoo dependen de coo están distribuidos sus electrones en la corteza. Aquellos que tienen pocos electrones en su últia capa y está incopleta, los pueden perder con facilidad, quedando cargados positivaente (+). Estos átoos reciben el nobre de etales. Átoo de Mg + Partículas del átoo Los protones poseen carga eléctrica positiva y asa. Los neutrones no poseen carga, su función es la de antener unidos a los protones entre si, y tabién poseen asa. Los electrones tienen carga eléctrica negativa, del iso valor que la del protón, su asa es uy inferior a la del protón o neutrón, por lo que la considerareos despreciable. Los átoos a los que les faltan pocos electrones para copletar su últia capa, los ganan con facilidad, quedando cargados negativaente (-). Son los no etales. Un átoo se considera eléctricaente neutro cuando tiene el iso núero de protones que de electrones. La asa del átoo, es la sua de las asas de protones y neutrones. Átoo de F - Electricidad y Electrónica -

3 Si tienen copleta la últia capa, se quedan coo están y quedarán neutros. Estos son los gases nobles o inertes. Cuando los átoos etálicos se unen entre si los electrones de su últia capa circulan por la estructura con gran libertad, y por ello se les conoce coo conductores. La forula que calcula la resistencia de una barra o de un hilo es: L R = ρ S Donde: R es el valor de la resistencia en ohios () ρ es la resistividad del ateria ( ) L la longitud del eleento. S la sección del eleento. Por ejeplo: Una barra de cobre de 1 de longitud y 0 de sección tiene una resistencia de Red cristalina de un etal Cuando un aterial no perite la circulación de los electrones entre sus átoos, se le conoce coo aislante. Existen un grupo especial de ateriales (Silicio y Geranio) que en deterinadas circunstancias periten la circulación de sus electrones y en otras no, se les conoce coo seiconductores. L 1 R = ρ = 0,017 = 0, 0103 S 0 Si la barra es de adera de 1 de longitud y 0 de sección su resistencia será de R = ρ L S 6 1 = 108x10 = 648x10 0 Se define la corriente eléctrica coo el paso ordenado de electrones a través de un conductor Resistencia. Corriente eléctrica. Diferencia de potencial. La resistividad (ρ ) es una propiedad intrínseca de cada aterial, cada aterial tiene la suya, indica la dificultad que encuentran los electrones a su paso. Material resistividad ( ρ ) Unidades Cobre 0,017 Aluinio 0,083 Hierro 0,1 Madera De 108 x 10 6 a x 10 6 Vidrio Corriente de electrones a través un conductor De anera que estos electrones pasan de un átoo al siguiente y así sucesivaente avanzando uy poco pero lo hacen uy rápidaente. La cantidad de carga que circula por un conductor en un segundo se denoina Intensidad de Corriente o Corriente eléctrica. Se representa por la letra I y su unidad es el Aperio (A). Para que los electrones realicen este oviiento ordenado debe existir una fuerza que los ipulse, a esta fuerza se le llaa Diferencia de Potencial o Fuerza Electrootriz. Esto lo podeos conseguir conectando cargas de distinto signo en los extreos del conductor. La resistencia al paso de electrones de un objeto depende de la resistividad de dicho aterial y de la fora que tiene. La resistencia se puede edir y calcular. Fuerza electrootriz que ipulsa la corriente de electrones a través un conductor Electricidad y Electrónica - 3

4 En la práctica se puede conseguir con una pila, con una batería o conectándolo a la red eléctrica. El circuito básico útil es aquel que adeás incluye un receptor, y un eleento de control o aniobra. Receptor: Es el encargado de transforar la corriente eléctrica en otro tipo de energía. Por ejeplo, una bobilla la transfora en luz. Eleento de control: Se encarga de peritir o interrupir el paso de electrones. Un interruptor es uno de ellos. Cuando interrupios el circuito los electrones que parten del polo negativo del generador no pueden circular hasta el polo positivo y por lo tanto no hay circulación de corriente. Obtención de la Fuerza electrootriz de una pila La diferencia de potencial (voltaje) se representa por la letra V y su unidad es el Voltio (V). Aunque son los electrones los que circulan del polo negativo Θ al positivo, siepre se ha considerado la circulación de la corriente desde el polo positivo hasta el polo negativo Θ. 4.- Circuito eléctrico, Eleentos del circuito eléctrico, Ley de Oh. Un circuito eléctrico es todo conjunto de eleentos conectados entre sí, por los que circula corriente eléctrica. Coo ínio debe estar copuesto de dos coponentes: Generador: Es el encargado de crear la diferencia de potencial para que circulen los electrones. Conductor: Es el aterial a través del cual pasarán los electrones. Circuito básico Adicionalente se puede incluir un eleento de protección. Eleento de Protección: Se trata de un eleento que interrupe el paso de electrones en caso de cortocircuito, por ejeplo un cortacircuito fusible. Un cortacircuito fusible se destruye cuando se produce un cortocircuito. Cortocircuito, no deseable Este tipo de circuito no es útil, sino justo lo contrario, puede incluso causar una desgracia ya que las altas corrientes que circulan por el conductor pueden llegar a derretirlo y generar un fuego. A este circuito se le conoce coo cortocircuito. Circuito básico con eleento de protección Electricidad y Electrónica - 4

5 El científico George Sion Oh, relacionó la intensidad de corriente, la diferencia de potencial y la resistencia, enunciando la ley de Oh de la fora siguiente: En un conductor, en el que teneos aplicada una diferencia de potencial de 1 Voltio y su resistencia es de 1 Ohio la intensidad de corriente que lo atraviesa será de 1 Aperio. El circuito serie se caracteriza por: La resistencia total del circuito es la sua de las resistencias que lo coponen. R T = R 1 + R La corriente que circula es la isa por todos los eleentos. I T = I 1 = I V I = R Esta ley se cuple siepre en todos los eleentos soetidos a diferencia de potencial y por los que circula intensidad de corriente. La fuerza electrootriz generada por el generador se reparte entre los distintos eleentos. Por ejeplo: V = V 1 + V Por ejeplo: En el circuito anterior la pila tiene una diferencia de potencial de 9 Voltios, la resistencia de la bobilla es de 100. Qué intensidad de corriente saldrá de la pila y atravesará la bobilla? Solución: V 9 I = = = 0, 09A R 100 Luego circularán 0,09 A por la bobilla. 5.- Circuitos básicos (serie, paralelo y ixto). Un circuito serie, es aquel que tiene conectados sus receptores uno a continuación del otro. Por ejeplo, estas bobillas están conectadas en serie. En el circuito serie anterior la pila tiene una diferencia de potencial de 9 Voltios y la resistencia de las bobillas es de 100. Calcular todos los valores de este circuito? Solución: La resistencia total será: R T = R 1 + R = = 00 De la ley de Oh podeos obtener la corriente total: V 9V I T = = = 0, A R T La corriente que circula por cada eleento es igual: I T = I1 = I = 0, 045A De la ley de Oh podeos obtener la tensión en cada eleento: V 1 = R 1 * I 1 = 100*0,045A = 4, 5V V = R * I = 100*0,045A = 4, 5V Coo coprobación teneos que: V = V1 + V = 4,5V + 4,5V = 9V Coo conclusión, se puede observar que al repartirse la tensión entre las bobillas esto se refleja con una disinución de la luinosidad de cada una de ellas. Otra observación interesante de este circuito es que si se rope una de las bobillas, se interrupe el circuito y deja de lucir la otra bobilla. Circuito Serie Un circuito paralelo, es aquel que tiene conectados los terinales de sus receptores unidos entre si. Electricidad y Electrónica - 5

6 Por ejeplo, estas bobillas están conectadas en paralelo. De la ley de Oh podeos obtener la corriente total: V 9V I T = = = 0, A R T La tensión que tiene cada bobilla es igual a la del generador: V = V1 = V = 9V De la ley de Oh podeos obtener la corriente en cada eleento: V1 9V I1 = = = 0, 09A R V 9V I = = = 0, 09A R 100 Coo coprobación teneos que: I T = I1 + I = 0,09A + 0,09A = 0, 18A Circuito Paralelo El circuito paralelo se caracteriza por: La inversa de la resistencia total del circuito es la sua de las inversas de las resistencias que lo coponen = + R T R R Otra fora de expresar la resistencia total cuando son dos los R1 * R R T = eleentos es: R1 + R La corriente total que sale del generador se reparte por todos los eleentos. 1 I T = I 1 + I Coo conclusión, se puede observar que la tensión en las bobillas es la isa y esto se refleja con la isa luinosidad que si estuviesen solas cada una de ellas. Otra observación interesante de este circuito es que aunque se ropa una de las bobillas, no afecta a la otra y sigue luciendo con noralidad. Los eleentos de nuestras viviendas están conectados en paralelo. Un circuito ixto, es aquel que tiene eleentos en paralelo y en serie. Por ejeplo, las bobillas y 3 están conectadas en paralelo y a la vez las dos en serie con la 1. La fuerza electrootriz generada por el generador llega por igual a todos los eleentos. V = V 1 = V Por ejeplo: En el circuito paralelo anterior la pila tiene una diferencia de potencial de 9 Voltios y la resistencia de las bobillas es de 100. Calcular todos los valores de este circuito? Solución: La resistencia total será: R T = R1 * R 100*100 = = R + R Circuito ixto Electricidad y Electrónica - 6

7 Este circuito aglutina las características de los dos circuitos, por lo que se tiene que resolver poco a poco por partes, en prier lugar se resuelven los eleentos que están en paralelo, y luego los que están en serie. Las bobillas y 3 están en paralelo luego tendreos: Las bobillas y 3 se caracterizan por: La resistencia total de las bobillas y 3 será: R R R P = R + * R3 La corriente total que circula por las dos bobillas es: I P = I + I3 La diferencia de potencia en las dos bobillas será la isa. V P = V 1 = V 3 Por ejeplo: En el circuito ixto anterior la pila tiene una diferencia de potencial de 9 Voltios y la resistencia de las bobillas es de 100. Calcular todos los valores de este circuito? Solución: La resistencia de las bobillas en paralelo será: R * R3 100*100 R P = = = 50 R + R La resistencia total será la sua de R P y R 1 R T = R1 + RP = = 150 De la ley de Oh podeos obtener la corriente total: V 9V I T = = = 0, A R T La corriente que circula tanto por la bobilla 1 coo por la resistencia equivalente del paralelo, será igual a la total. IT = I1 = I P = 0, 06A De la ley de Oh podeos obtener la tensión que hay tanto en la bobilla 1 coo en la resistencia equivalente del paralelo de las bobillas y 3. V 1 = R 1 * I 1 = 100*0,06A = 6V VP = RP * I P = 50*0,06A = 3V La tensión que tienen las bobillas y 3 es igual a la del paralelo: V P = V1 = V = 3V Circuito con resistencia equivalente del paralelo RP La bobilla 1 esta en serie con la resistencia equivalente del paralelo de las bobillas y 3. El circuito serie se caracteriza por: La resistencia total del circuito es la sua de las resistencias que lo coponen. R T = R 1 + R P De la ley de Oh podeos obtener la corriente en las bobillas y 3: V 3V I = = = 0, 03A R 100 V3 3V I 3 = = = 0, 03A R 100 Coo coprobación teneos que: 3 La corriente que circula es la isa por los dos eleentos. La fuerza electrootriz generada por el generador se reparte entre los distintos eleentos. I T = I 1 = I P V = V 1 + V P I P = I + I 3 = 0,03A + 0,03A = 0, 06A Este circuito tiene propiedades de los dos circuitos serie y paralelo. Electricidad y Electrónica - 7

8 6.- Obtención de luz y calor a partir de la corriente eléctrica. Otros Efectos. Receptores. El paso de electrones a través de los cuerpos produce un efecto de excitación sobre los átoos. Esta excitación crea un auento de la teperatura del cuerpo y la eisión de luz. Si el objeto es un filaento fino de un aterial coo el tungsteno, carbón, etc. el resultado es un hilo uy radiante, que es capaz de iluinar todo lo que se encuentra a su alrededor. Así coo una elevada teperatura junto al hilo. Fenóeno agnético Receptores que se basan en este efecto son los otores, tibres, zubadores, dínaos, alternadores, transforadores, relés y un sinfín de aparatos. Una aplicación uy extendida es la eisión de ondas electroagnéticas en la radio y el teléfono óvil, con ayuda de una antena. Fenóeno de incandescencia Un ejeplo de estos dos fenóenos luz y calor, son la bobilla incandescente y la estufa eléctrica. Motor, zubador, transforador y relé Una aplicación del otor es el taladro. Luz y calor En el prier caso se aprovecha la potencia luínica, y se desaprovecha el calor eitido por la bobilla, ientras que en el segundo caso se aprovecha la potencia calorífica, y no iporta la iluinación que eite. Otro efecto que produce el paso de la corriente es el electroagnético. Es decir, un conductor por el que hay variación de corriente eléctrica crea a su alrededor un capo agnético, que lo envuelve, coportándose coo un ián con polo norte y sur. Taladro En nuerosas ocasiones se cobinan varios efectos en un iso aparato, por ejeplo un secador del pelo cobina un otor con un ventilador y una resistencia que genera el calor. Electricidad y Electrónica - 8

9 Tibre, Zubador Lápara, síbolo general Veaos cual será el esquea noralizado de los circuitos anteriores. Circuito en cortocircuito, generador y conductor. Secador de pelo 7.- Sibología noralizada. A continuación pueden verse algunos de los síbolos noralizados utilizados en electricidad. Cortocircuito, no deseado Síbolo Descripción Corriente continua Corriente alterna Conductor Fusible Punto de unión Terinal Pila o acuulador, el trazo largo indica el positivo Resistencia Interruptor noralente abierto (NA). Cualquiera de los dos síbolos es válido Conutador Conutador con posicionaiento interedio de corte Pulsador noralente cerrado Circuito básico, con generador, interruptor y receptor (una lápara). Circuito básico Circuito básico con protección fusible, los eleentos son generador, fusible, interruptor y receptor (una lápara). Pulsador noralente abierto Motor de corriente continua Bobina de relé, síbolo general. Cualquiera de los dos síbolos es válido. Circuito básico con protección Electricidad y Electrónica - 9

10 Circuito serie con dos láparas. Circuito serie Circuito paralelo con dos láparas..- Teniendo en cuenta que los electrones pueden overse libreente por el interior de los conductores, indica la dirección hacia donde lo harán en las figuras siguientes. Circuito paralelo Circuito ixto con tres láparas. 3.- Los dibujos siguientes, representan esqueas con síbolos que no están noralizados. Dibuja los esqueas de nuevo con los síbolos noralizados. Circuito ixto 8.- Actividades propuestas y ejercicios. 1.- Pon el tipo de eleento de que se trata en el circuito siguiente: Generador, Receptor, Conductor, Eleento de protección, Eleento de Control. Electricidad y Electrónica - 10

11 4.- Obtén el valor de la resistencia equivalente en los circuitos siguientes. Electricidad y Electrónica - 11

12 VOCABULARIO TÉCNICO Castellano Valencià Electrón Electró Protón Protó Neutrón Neutró Conductor Conductor Aislante Aïllador, isolador Resistencia Resistència Diferencia de potencial, Fuerza electrootriz, Voltaje Diferència de potencial, Força electrootriu, Voltatge Intensidad de corriente Intensitat de corrent Generador Generador Receptor Receptor Eleento de control Eleent de control Eleento de protección Eleent de protecció Síbolo Descripción Descripció Corriente continua Corrent continua Corriente alterna Conductor Fusible Punto de unión Terinal Pila o acuulador, el trazo largo indica el positivo Resistencia Interruptor noralente abierto (NA). Cualquiera de los dos síbolos es válido Conutador Conutador con posicionaiento interedio de corte Pulsador noralente cerrado Pulsador noralente abierto Corrent alterna Conductor Fusible Punt de unió Terinal Pila o acuulador, el traç llarg indica el positiu Resistència Interruptor noralent obert (NA). Qualsevol dels dues síbols es vàlid Coutador Coutador ab posicionaent interitjà de tall Polsador noralent tancat Polsador noralent obert Motor de corriente continua Bobina de relé, síbolo general. Cualquiera de los dos síbolos es válido. Tibre, Zubador Lápara, síbolo general Motor de corrent continua Bobina de relé, síbol general. Qualsevol dels dues síbols es vàlid. Tibre, Brunzent Llàntia, síbol general Electricidad y Electrónica - 1