C. M. MIGUEL CASTILLEJO Fundación Vera-Cruz JAÉN TECNOLOGÍA 2º ESO. Departamento de Ciencias Experimentales y Tecnología

Transcripción

1 TECNOLOGÍA 2º ESO Departamento de Ciencias Experimentales y Tecnología

2 ÍNDICE 1. Naturaleza eléctrica de la materia. 2. Corriente eléctrica y electricidad. 3. Magnitudes eléctricas elementales. 4. Ley de Ohm. 5. Circuitos eléctricos. 6. Teoría de circuitos Conexión en serie de receptores Conexión en paralelo de receptores Conexión mixta de receptores. Actividades de repaso 7. Efectos de la corriente eléctrica. 8. Energía y potencia eléctrica La energía 8.2. Potencia eléctrica Actividades de repaso ANEXO. BREVE INTRODUCCIÓN HISTÓRICA. Página 2 de 12

3 1. NATURALEZA ELÉCTRICA DE LA MATERIA. Para poder entender los fenómenos eléctricos debemos conocer cómo está constituida la materia. La materia está formada por partículas muy pequeñas llamadas átomos, que es la unidad básica de la materia. A su vez, los átomos están constituidos por electrones que se mueven alrededor de un núcleo, constituido por protones y neutrones. Los protones y los electrones tienen una propiedad conocida como carga eléctrica, que es la responsable de que ocurran los fenómenos eléctricos. Mientras que los neutrones no poseen carga eléctrica, la carga de un electrón es igual a la carga eléctrica de un protón, pero de distinto signo, es decir, los electrones tienen carga negativa y los protones la misma pero positiva. Los responsables de todos los fenómenos eléctricos son los electrones, ya que pueden escapar del átomo y, al ser más ligeros que las otras partículas, pueden desplazarse libremente. En general, los materiales son neutros; es decir, cualquier material contiene el mismo número de cargas negativas (electrones) y positivas (protones). Sin embargo, en ciertas ocasiones los electrones pueden moverse de un material a otro originando cuerpos con cargas positivas (con defecto de electrones) y cuerpos con carga negativa (con exceso de electrones), pudiendo actuar sobre otros cuerpos que también están cargados. Por tanto, para adquirir carga eléctrica, es decir, para electrizarse, los cuerpos tienen que ganar o perder electrones. En resumen, - Si un cuerpo está cargado negativamente es porque ha ganado electrones. - Si un cuerpo está cargado positivamente es porque ha perdido electrones. Una característica de las cargas, es que las cargas del mismo signo se repelen, mientras que las cargas con diferente signo se atraen. 2. CORRIENTE ELÉCTRICA Y ELECTRICIDAD Si dos cuerpos de carga igual y opuesta se conectan por medio de un conductor metálico, se produce un flujo de electrones a través del conductor, desde el cuerpo cargado negativamente al cargado positivamente (se considera, por convenio, que la corriente fluye de la carga positiva a la negativa). A este movimiento ordenado de electrones en el interior de un conductor es a lo que llamaremos corriente eléctrica. No debemos confundir corriente eléctrica con electricidad. La electricidad es, como hemos visto al principio, una propiedad fundamental de la materia originada por la existencia de electrones y protones. También es una forma de energía basada en esta propiedad, que puede manifestarse como corriente eléctrica, y que da lugar a luz, calor, a movimiento, etc. Además a la parte de la Física que estudia todos los fenómenos eléctricos también se denomina electricidad. Página 3 de 12

4 3. MAGNITUDES ELÉCTRICAS ELEMENTALES. Las características y los efectos de una corriente eléctrica están determinados por tres magnitudes. - VOLTAJE (también se denomina, tensión eléctrica o fuerza electromotriz [f.e.m.]). Se define como la energía por unidad de carga y representa el trabajo que se necesita para desplazarla. Su símbolo es V y se mide en voltios (V). (Su nombre se debe al físico italiano Alessandro Volta) INTENSIDAD de corriente: representa la cantidad de carga que circula a través de una sección determinada de un conductor por unidad de tiempo. Su símbolo es I, y se mide en amperios (A). (Su nombre se debe al físico francés André Marie Ampère) RESISTENCIA: propiedad de un material que hace que este se oponga al paso de una corriente eléctrica. La unidad de resistencia es el ohmio, que es la resistencia de un conductor si es recorrido por una corriente de un amperio cuando se le aplica una tensión de 1 voltio. Su símbolo es R, y se mide en ohmios (Ω). (Su nombre se debe al físico alemán Georg Simon Ohm). El valor de la resistencia eléctrica de un conductor depende de una característica propia del material llamada resistividad, su longitud (l) y su sección (S). 4. LEY DE OHM. Georg Simon Ohm formuló su ley estudiando los circuitos eléctricos, comprobando el principio de conservación de la energía, por lo que la Ley de Ohm es un caso particular de ésta para los circuitos eléctricos. En realidad, la resistencia de un circuito expresa la energía que se pone en juego. Ohm demostró que la energía que suministra la fuente es igual al producto de la intensidad de corriente por la resistencia del circuito 5. CIRCUITOS ELÉCTRICOS Un circuito eléctrico es un conjunto de elementos conectados entre sí, por los que circula una corriente eléctrica que sigue un camino cerrado, para aprovechar la energía eléctrica. Todo circuito eléctrico se compone, al menos, de unos elementos mínimos (generador, receptor y conductor). Sin embargo, en la mayoría de los casos los circuitos suelen incorporar otros dispositivos como elementos de control y de protección. Página 4 de 12

5 - Generadores: Los generadores son los elementos que transforman cualquier forma de energía en energía eléctrica, es decir, los generadores suministran energía eléctrica al circuito. Proveen al circuito de la necesaria diferencia de cargas entre sus dos polos o bornes (tensión), y además, son capaces de mantenerla eficazmente durante el tiempo suficiente, permitiendo el flujo de electrones. Ejemplos de ellos son las pilas y baterías y las fuentes de alimentación. Un generador consta de dos polos, uno negativo (cátodo) y uno positivo (ánodo). No basta con conectar un extremo del conductor al polo negativo del que salen los electrones. Hay que conectar el polo positivo, al que vuelven los electrones. Si cortamos los cables de metal los electrones se detienen en todo. Cuando ambos polos se unen mediante el hilo conductor, los electrones se mueven a través de él, desde el polo negativo al polo positivo. - Receptores: Los receptores son los elementos encargados de convertir la energía eléctrica en otro tipo de energía útil de manera directa, como la luminosa, la mecánica (movimiento). En base a eso tenemos: Receptores luminosos: como bombillas y LED s. Receptores sonoros: como timbres y altavoces. Receptores térmicos: como las resistencias eléctricas que llevan planchas, hornos,... Receptores mecánicos: como los motores eléctricos. - Conductores: Los conductores son los elementos que conectan los distintos elementos del circuito permitiendo el flujo de electrones. Para transportar los electrones de un sitio a otro se utilizan cables de metal, normalmente de cobre, y recubiertos de plástico para que los electrones no salgan del cable. - Elementos de control: Son los dispositivos usados para dirigir o interrumpir el paso de la corriente. Los más importantes son los interruptores, conmutadores y pulsadores. - Elementos de protección: Son los elementos encargados de proteger al resto de los elementos del circuito de corrientes elevadas o fugas. Los más importantes son los fusibles, interruptores diferenciales y los interruptores magnetotérmicos. 6. TEORIA DE CIRCUITOS. TIPOS. El circuito eléctrico más simple consiste en un generador, un interruptor y un receptor, unidos por un conductor eléctrico. La energía eléctrica que se produce en el generador se transmite por el conductor hasta llegar al receptor, donde se transforma en otro tipo de energía que es útil para nosotros. Si queremos obtener mayor beneficio energético, necesitaremos más elementos. Existen dos configuraciones básicas para aprovechar la energía del generador en nuestro beneficio. Estas son la conexión en serie y la conexión en paralelo. La combinación de ambas, la conexión mixta, es la más frecuente en los dispositivos eléctricos. Página 5 de 12

6 6.1. Conexión en serie de receptores. Los elementos están conectados uno detrás del otro, de forma que el polo positivo de uno está conectado al negativo del siguiente en un solo hilo conductor. Cuando tenemos, al menos, dos receptores conectados en serie en un circuito con un generador que suministra un voltaje determinado V, se cumple: - El voltaje total Vt se reparte entre los elementos conectados, dicho de otra manera, la suma de los voltajes individuales es igual al voltaje total que suministra el generador. Vt V1 V2 - La intensidad de corriente It que atraviesa todos los elementos es la misma que suministra el generador. It I1 I2 - Se define resistencia equivalente de un circuito como una resistencia única que funcionase como todas las que están asociadas, es un elemento ficticio. Cuando encontramos en un circuito elementos asociados en serie, la resistencia equivalente R eq es igual a la suma de los valores de las resistencias asociadas. Req R1 R2 R Conexión en paralelo de receptores. Los elementos están conectados de forma que el polo positivo del generador está conectado a los positivos de cada elemento y los negativos igual. Es decir, los diferentes elementos se colocan de forman que tienen la misma entrada y la misma salida, de modo que los cables de un lado se unen entre si y los del otro lado se unen entre sí. En esta disposición se forman en el conductor derivaciones que dan lugar a mallas. Página 6 de 12

7 Cuando tenemos, al menos, dos receptores conectados en serie en un circuito con un generador que suministra un voltaje determinado V, se cumple: - El voltaje total Vt del generador es el mismo en todos los elementos conectados, dicho de otra manera, los voltajes individuales son iguales al voltaje total que suministra el generador. Vt V1 V2 - La intensidad de corriente It que suministra el generador se reparte por cada uno de los hilos o derivaciones, es decir, la suma de las intensidades de línea es igual a la intensidad que llega del generador. It I1 I2 - Cuando encontramos en un circuito elementos asociados en paralelo, la inversa de la resistencia equivalente R eq es igual a la suma de los valores inversos de las resistencias asociadas Conexión mixta de receptores. Nos encontramos elementos asociados en serie y en paralelo indistintamente. También se forman en el circuito derivaciones y mallas. Para resolver este tipo de circuitos, se comienza resolviendo las asociaciones en paralelo y, luego, en serie. Diferentes tipos de asociaciones mixtas En cada uno de los pasos se van creando circuitos ficticios hasta que lleguemos a una configuración simple compuesta por el generador y la resistencia equivalente total del circuito. En este circuito final equivalente se debe calcular la intensidad total del circuito aplicando la Ley de Ohm con los valores calculados. A partir de este cálculo, y en riguroso orden inverso, se van resolviendo cada uno de los circuitos ficticios anteriores, en los cuales van apareciendo los valores de intensidad de corriente y voltaje (también la potencia) de cada uno de los elementos asociados, quedando resuelto el circuito original. Página 7 de 12

8 Circuito original Circuito ficticio Circuito final equivalente A modo de resumen, los 3 pasos que debemos dar para resolver cualquier circuito eléctrico de conexión mixta son: 1º. Cálculo de la resistencia total equivalente del circuito. Se hará resolviendo las asociaciones parciales en serie y/o paralelo a partir del circuito original, lo que dará lugar a diferentes circuitos ficticios, hasta el circuito final equivalente. 2º. Cálculo de la intensidad total que recorre el circuito. Se obtendrá aplicando la Ley de Ohm en el circuito final equivalente. 3º. Cálculo de los valores individuales de intensidad y voltaje de cada elemento asociado. Se obtendrán aplicando la Ley de Ohm en cada circuito ficticio. ACTIVIDADES DE REPASO. 1. En el siguiente ejercicio, halla la intensidad de la corriente que pasa por una bombilla cuya resistencia es de 5 ohmios, sabiendo que la pila tiene una tensión de 20 V. 2. En el circuito de la figura, halla la tensión de la pila que necesitas para que pase una corriente cuya intensidad es de 3 A por una bombilla que tiene dos ohmios de resistencia (*). En el circuito de la figura, halla la resistencia eléctrica que posee una bombilla por el que pasa una corriente cuya intensidad es de 0,5 A y es generada por una pila que tiene 4,5 V de tensión. Página 8 de 12

9 4. Dados los siguientes circuitos, calcula las magnitudes incógnita aplicando la ley de Ohm. a) b) c) d) e) f) g) h) 5. Conectamos una resistencia de 5 Ω una pila de 1,5 V, calcular la intensidad I que circula por el circuito. 6. Qué resistencia debemos de conectar a una pila de 4,5 V para que la Intensidad de corriente I que circule sea de 0,050 A? 7. Por una resistencia R=15 Ω circula una corriente de 1 A, calcular que voltaje hay entre los extremos de la resistencia. 7. EFECTOS DE LA CORRIENTE ELÉCTRICA. La electricidad es una fuente de energía que el ser humano ha sido capaz, en los últimas décadas, de conocer, producir y utilizar. Además, gracias a las aportaciones de la ciencia y la propia actividad tecnológica, hemos podido observar cómo se podía transformar en otros tipos de energía. A continuación se relacionan las transformaciones más conocidas: - Energía calorífico: También llamado efecto Joule. Los electrones en movimiento (en una corriente eléctrica) chocan con los átomos del metal del conductor y, como consecuencia, producen calor. Este calor se puede aprovechar en aparatos de uso cotidiano (secadores, braseros, tostadoras, etc...) pero también produce un efecto negativo ya que este calor es energía perdida. - Energía luminosa: Si el conductor eléctrico es muy delgado (filamento de la bombilla) al calentarse produce luz. Sin embargo, aquí se produce una pérdida de más del 80% de la energía eléctrica en forma de calor. Las nuevas bombillas de bajo consumo tratan de paliar este efecto. - Energía mecánica: Probablemente es la transformación más importante y conocida. Multitud de máquinas, dispositivos y aparatos que usamos disponen de un motor eléctrico. En esencia, la electricidad produce un movimiento en el motor, que con ayuda de otros mecanismos, podemos aprovechar de multitud de formas. - Energía química: Esta transformación es la responsable de que se puedan separar sustancias y se puedan depositar metales en la superficie de otros materiales. Este proceso se denomina electrolisis. - Energía magnética: Cuando una corriente eléctrica se hace circular un cable enrollado alrededor de un trozo de hierro se produce un imán, esto se denomina electroimán. Este efecto se usa en timbres, altavoces, grúas, etc. Página 9 de 12

10 8. ENERGIA Y POTENCIA ELECTRICA La energía La energía que consumimos en casa, en el trabajo, en las ciudades, en las fábricas, se ha producido en algún tipo de central eléctrica. Allí han transformado otra forma de energía en energía eléctrica. La unidad de energía eléctrica más utilizada es el Kilovatio-hora (KWh), y se define como la energía consumida por un aparato de potencia 1 KW durante una hora. E P t 8.2. Potencia eléctrica Se define como la energía eléctrica que circula por un circuito en un tiempo dado. La potencia eléctrica mide la cantidad que un receptor consume en un tiempo dado. Su unidad es el vatio (W), un múltiplo del vatio es el Kilowatio (1 KW = 1000 W). En cualquier receptor eléctrico (bombilla, motor, resistencia) conocido el voltaje V y la corriente I, la potencia que consume es igual a P: P V I ACTIVIDADES DE REPASO. 8. Una bombilla consume 1 W cuando la conectamos a 1,5 V. Calcular: a) La intensidad de corriente I que circula. b) La resistencia eléctrica del filamento. 9. Calcular la Intensidad que circula por tres bombillas de 40 W, 60 W, 100 W. Todas funcionan con un voltaje de 220 V. 10. Una resistencia de 10 ohmios la conectamos a 10 V. Calcular la Intensidad que circula, la potencia y calcular la energía consumida si la resistencia la dejamos conectada durante 24 horas. 11. Calcular cuánto nos dinero nos cuesta mantener encendida una bombilla de P=60W durante 100 horas, si el coste de la energía es de 0,15 /Kwh Página 10 de 12

11 ANEXO. BREVE INTRODUCCIÓN HISTÓRICA. Es posible que el filósofo griego Tales de Mileto, que vivió en torno al 600 A.C., ya supiera que el ámbar adquiere la propiedad de atraer objetos ligeros al ser frotado. Otro filósofo griego, Teofrasto, afirmaba en un tratado escrito tres siglos después que otras sustancias poseen esa propiedad. Sin embargo, el primer estudio científico de los fenómenos eléctricos no apareció hasta el 1600 cuando se publicaron las investigaciones del médico británico William Gilbert, quien aplicó el término eléctrico (del griego elektron-, ámbar ) a la fuerza que ejercen esas sustancias después de ser frotadas. También distinguió entre las acciones magnética y eléctrica. La primera máquina para producir una carga eléctrica fue descrita en 1672 por el físico alemán Otto von Guericke. Estaba formada por una esfera de azufre movida por una manivela, sobre la que se inducía una carga cuando se apoyaba la mano sobre ella. El científico francés Charles François de Cisternay Du Fay fue el primero en distinguir claramente los dos tipos diferentes de carga eléctrica: positiva y negativa. El inventor estadounidense Benjamin Franklin dedicó mucho tiempo a la investigación de la electricidad. Su famoso experimento con una cometa demostró que la electricidad atmosférica que provoca los fenómenos del relámpago y el trueno es de la misma naturaleza que la carga electrostática. Franklin desarrolló una teoría según la cual la electricidad es un fluido único que existe en toda la materia, y sus efectos pueden explicarse por el exceso o la escasez de ese fluido. La ley de que la fuerza entre cargas eléctricas es inversamente proporcional al cuadrado de la distancia entre las cargas fue demostrada experimentalmente por el químico británico Joseph Priestley alrededor de Priestley también demostró que una carga eléctrica se distribuye uniformemente sobre la superficie de una esfera metálica hueca, y que en el interior de una esfera así no existen cargas ni campos eléctricos. Charles de Coulomb inventó una balanza de torsión para medir con precisión la fuerza que se ejerce entre las cargas eléctricas. Con ese aparato confirmó las observaciones de Priestley y demostró que la fuerza entre dos cargas también es proporcional al producto de las cargas individuales. Michael Faraday, que realizó numerosas contribuciones al estudio de la electricidad a principios del siglo XIX, también desarrolló la teoría de las líneas de fuerza eléctricas. Los físicos italianos Luigi Galvani y Alessandro Volta llevaron a cabo los primeros experimentos importantes con corrientes eléctricas. Galvani produjo contracciones musculares en las patas de una rana aplicándoles una corriente eléctrica. En 1800, Volta presentó la primera fuente electroquímica artificial de diferencia de potencial, un tipo de pila eléctrica o batería. La existencia de un campo magnético en torno a un flujo de corriente eléctrica fue demostrada por el científico danés Hans Christian Oersted en 1819, y en 1831 Faraday demostró que la corriente que circula por una espira de cable puede inducir electromagnéticamente una corriente en una espira cercana. Página 11 de 12

12 Alrededor de 1840, James Prescott Joule y el científico alemán Hermann von Helmholtz demostraron que los circuitos eléctricos cumplen la ley de conservación de la energía, y que la electricidad es una forma de energía. En base a las investigaciones de J.P. Jules y Helmhotz, el físico alemán Georg Simon Ohm enunció la ley que relaciona la intensidad de corriente, el voltaje y la resistencia en un circuito eléctrico. El físico matemático británico James Clark Maxwell realizó una contribución importante al estudio de la electricidad en el siglo XIX; Maxwell investigó las propiedades de las ondas electromagnéticas y la luz y desarrolló la teoría de que ambas tienen la misma naturaleza. Su trabajo abrió el camino al físico alemán Heinrich Hertz, que produjo y detectó ondas eléctricas en la atmósfera en 1886, y al ingeniero italiano Guglielmo Marconi, que en 1896 empleó esas ondas para producir el primer sistema práctico de señales de radio. La teoría de los electrones, que forma la base de la teoría eléctrica moderna, fue presentada por el físico holandés Hendrik Antoon Lorentz en El primero en medir con precisión la carga del electrón fue el físico estadounidense Robert Andrews Millikan, en El uso generalizado de la electricidad como fuente de energía se debe en gran medida a ingenieros e inventores pioneros de Estados Unidos, como Thomas Alva Edison, Nikola Tesla o Charles Proteus Steinmetz. ACTIVIDADES PROPUESTAS 1. Realizar una línea del tiempo de la electricidad. Puede hacerse en cartulina, en hojas o en formato digital por grupos de hasta 3 miembros como máximo. 2. Elegir uno de los científicos que aparece en el texto y realizar una breve biografía. Esta debe contener, al menos, los siguientes apartados: Fecha y lugar de nacimiento y muerte. Breve reseña personal de su infancia, juventud y madurez. Estudios y lugares donde los desarrolló. Contribución científica. Breve reseña de la época histórica del personaje. Comentario personal (no más de 2 o 3 líneas) El trabajo biográfico tendrá como máximo 6 páginas, distribuidas en: portada (1 página), cuerpo del texto (máx. 4 páginas) y bibliografía (última página). Se usarán hojas A4 por una cara. Será manuscrito. Se valorará el contenido del trabajo hasta un máximo de 8,5 puntos; la presentación, la correcta caligrafía y la limpieza se valorarán hasta un máximo de 1,5 puntos. Página 12 de 12