TEMA 4. ELECTRICIDAD Y ELECTRÓNICA

Transcripción

1 TEMA 4. ELECTRICIDAD Y ELECTRÓNICA 1. INTRODUCCIÓN La electricidad es una de las formas de energía más empleada por el hombre, hasta tal punto que hoy en día es difícil pensar en nuestra sociedad sin la electricidad. Con ella iluminamos nuestras viviendas, hacemos funcionar nuestros electrodomésticos, medios de transporte, sistemas de comunicación, máquinas, procesos industriales, etc. La electricidad se encuentra presente en nuestra vida cotidiana desde que suena el despertador hasta que apagamos la luz al acostarnos. El éxito de la electricidad como fuente de energía se encuentra en la facilidad para obtenerla, trasportarla y transformarla en otros tipos de energía. 2. ESTRUCTURA DEL ÁTOMO Todas las cosas están formadas por átomos. En el centro del átomo, el núcleo, hay dos tipos de partículas: los protones (partículas de carga positiva) y los neutrones (partículas sin carga). Alrededor del núcleo giran los electrones, unas partículas de carga negativa que son las responsables de la forma de energía que conocemos como electricidad. Los cuerpos pueden estar cargados positiva o negativamente como consecuencia del exceso de protones o electrones. 3. ELEMENTOS DEL CIRCUITO ELÉCTRICO Un circuito eléctrico es un conjunto de elementos conectados entre sí de manera que constituyen un recorrido cerrado por el que circula, o puede circular, una corriente eléctrica. Se denomina corriente eléctrica a la circulación de electrones de forma continua por un circuito Todos los circuitos deben tener por lo menos un generador, encargado de producir la corriente eléctrica, conductores para transportarla y receptores, que 1

2 aprovechen esa energía eléctrica transformándola en luz, sonido, movimiento, etc. Además los circuitos pueden tener elementos de maniobra para controlar el paso de la corriente y de elementos de protección para evitar daños en los componentes del circuito Con todo ello podemos establecer cinco grandes grupos de elementos de un circuito: 1. Generadores: encargados de suministrar la energía eléctrica al circuito, creando una diferencia de potencial entre sus terminales que permite que circule la corriente eléctrica. Los elementos que se encargan de esta función son: las pilas, baterías, dinamos, células fotovoltaicas y alternadores. 2. Conductores: Son materiales que permiten el paso de la corriente eléctrica, por lo que se utilizan como unión entre los distintos elementos del circuito. Generalmente son cables formados por hilos de cobre trenzado y recubiertos por un aislante plástico. 3. Receptores: Son los componentes que reciben la energía eléctrica y la transforman en otras formas de energía más útiles para nosotros como: movimiento, luz, sonido o calor. Algunos receptores muy comunes son: las lámparas, motores, zumbadores, resistencias, estufas, altavoces, electrodomésticos, máquinas, etc. 4. Elementos de control: Estos elementos nos permiten maniobrar con el circuito conectando y desconectando sus diferentes elementos según nuestra voluntad, es decir abren o cierran el circuito. Los elementos de control más empleados son los interruptores, pulsadores y conmutadores. 5. Elementos de protección: Estos elementos tienen la misión de proteger a la instalación y sus usuarios de cualquier avería que los pueda poner en peligro. Los más empleados son los fusibles y los interruptores de protección. A. SÍMBOLOS ELÉCTRICOS Si de cada circuito que diseñamos tenemos que dibujar la pila, la bombilla, etc, resultaría muy trabajoso. Para solucionar este problema se 2

3 identifica cada uno de estos elementos mediante un dibujo o símbolo, de forma que cada elemento lo representamos por su símbolo característico. B. REPRESENTACIÓN DE LOS CIRCUITOS ELÉCTRICOS Los circuitos eléctricos se representan mediante esquemas simplificados. Supongamos que tenemos un circuito muy sencillo para hacer funcionar una bombilla. Sabemos que es necesario instalar una pila, la bombilla, el interruptor y el cableado correctamente. Para hacer el esquema eléctrico, nos imaginamos que vemos el circuito desde arriba (en planta) y la única operación que tenemos que realizar es colocar en ese mismo orden los símbolos de cada uno de los elementos. (Hacer varios ejemplos de circuitos) C. TIPOS DE CIRCUITOS Como hemos visto, de la misma forma que colocamos una bombilla, podemos hacerlo con un motor o un zumbador. Pero Qué pasa si queremos conectar más de un receptor? Para ello debemos estudiar otros tipos de circuitos. Cuando queremos montar varios aparatos, motores, bombillas o zumbadores en un mismo circuito, podemos hacerlo de tres formas distintas: en serie, en paralelo y de forma mixta 3

4 Circuito eléctrico en serie: Los elementos receptores están colocados unos a continuación de otros y los electrones que salen de la pila circulan por todos los receptores instalados. Con esta distribución de receptores se consigue que los elementos funcionen con menor potencia; además, si uno de ellos se estropea, interrumpe el paso de los electrones y los demás elementos también dejan de funcionar; es como si abriésemos el interruptor (Dibujar circuito eléctrico con dos bombillas situadas en serie) Circuito eléctrico en paralelo: Los elementos receptores están montados unos al lado de los otros, de forma que los electrones circularán unos por un lado hacia un receptor y los otros por caminos diferentes hacia los demás receptores. Cuando colocamos los receptores en paralelo no se presenta el problema anterior, esto es, si alguno se rompe, los demás siguen funcionando. Ésta es la causa por la que la mayoría de las instalaciones se realizan en paralelo. (Dibujar circuito eléctrico con dos bombillas en paralelo) Circuito eléctrico mixto: En este tipo de circuito alguno de los elementos receptores están colocados en paralelo y otros lo están en serie con ellos. (Dibujar circuito eléctrico con dos bombillas en paralelo y un motor en serie con las dos bombillas) D. SENTIDO DE LA CORRIENTE ELÉCTRICA: La circulación de electrones se produce desde un cuerpo A (que tiene exceso de electrones) a un cuerpo B (que posee defecto de electrones). Cabe definir, por tanto, dos sentidos de circulación de la corriente eléctrica: Sentido real: circulación de electrones del polo negativo al polo positivo. Se trata del sentido de movimiento de los electrones Sentido convencional: sentido contrario al movimiento de los electrones, del polo positivo al polo negativo 4. CARGA ELÉCTRICA Y CORRIENTE La carga eléctrica es la cantidad de electricidad almacenada en un cuerpo. Los átomos de un cuerpo son eléctricamente neutros, es decir, la carga negativa de sus electrones se anula con la carga positiva de sus protones. Podemos cargar un cuerpo positivamente (potencial positivo) si le robamos 4

5 electrones a sus átomos y podemos cargarlo negativamente (potencial negativo) si le añadimos electrones Si tenemos un cuerpo con potencial negativo y otro con potencial positivo, entre estos dos cuerpos tenemos una diferencia de potencial (d.d.p.). Los cuerpos tienden a estar en estado neutro, es decir, a no tener carga, es por ello que si conectamos los dos cuerpos con un conductor (elemento por el que pueden pasar los electrones fácilmente) los electrones del cuerpo con potencial negativo pasan por el conductor al cuerpo con potencial positivo, para que los dos cuerpos tiendan a su estado natural, es decir neutro. Acabamos de generar una corriente eléctrica, ya que este movimiento de electrones es lo que se llama corriente eléctrica. Luego, es necesario una d.d.p. entre dos puntos para que cuando los conectemos con un conductor se genere corriente eléctrica. La diferencia de carga de los dos cuerpos será la causante de mas o menos corriente. Esta carga de un cuerpo se mide en culombios (C) 5. TIPOS DE CORRIENTE ELÉCTRICA Básicamente existen dos tipos de corriente eléctrica: Corriente continua y corriente alterna. Corriente continua: es aquélla que, al circular por un determinado circuito, siempre tiene el mismo sentido y su valor es constante Corriente alterna: es aquélla cuyo sentido se invierte periódicamente, además su valor también se repite a intervalos periódicos de tiempo Símbolo Voltajes Características Aplicaciones Corriente continua Corriente alterna 6. MAGNITUDES ELÉCTRICAS FUNDAMENTALES A. INTENSIDAD (I) La intensidad de corriente o corriente eléctrica se define como la cantidad de carga eléctrica o número de electrones que pasa por un conductor en la unidad de tiempo. I = Q t I = intensidad de corriente eléctrica (A) Q = Carga eléctrica (C) t = tiempo (s) En el sistema internacional, la intensidad de corriente eléctrica se mide en amperios (A) y el aparato con el que se mide recibe el nombre de amperímetro. 5

6 Se dice que por un cable circula 1 amperio cuando lo atraviesa 1 culombio cada segundo: 1A = 1C 1s B. TENSIÓN O VOLTAJE (V) La Tensión es la diferencia de potencial entre dos puntos. Por eso en física se llama d.d.p. y en tecnología Tensión o Voltaje. Como ya debemos saber por el estudio de la carga eléctrica, la tensión es la causa que hace que se genere corriente por un circuito. En un enchufe hay tensión (diferencia de potencial entre sus dos puntos) pero NO hay corriente. Sólo cuando conectemos el circuito al enchufe empezará a circular corriente (electrones) por el circuito y eso es gracias a que hay tensión. Entre los dos polos de una pila hay tensión y al conectar la bombilla pasa corriente de un extremo a otro y la bombilla luce. A mayor tensión entre dos polos mayor cantidad de electrones con más velocidad pasarán de un polo a otro. La tensión se mide en voltios (V) y su aparato de medida es el voltímetro. Cuando la tensión es de 0V (cero voltios) ya no hay posibilidad de corriente y si fuera una pila diremos que la pila se ha agotado. Pero, Quién hace que se mantenga una tensión entre dos puntos? Los generadores, que son los aparatos que mantienen la d.d.p. o tensión entre dos puntos para que al conectar el circuito se genere la corriente C. RESISTENCIA (R) Se define la resistencia eléctrica como la mayor o menor dificultad que opone un cuerpo al paso de la corriente eléctrica. Los materiales que presentan una gran oposición al paso de la electricidad reciben el nombre de aislante, y en consecuencia tienen una elevada resistencia eléctrica. Por el contrario, llamamos conductores a los materiales que apenas oponen resistencia al paso de la corriente. Como la corriente eléctrica es el movimiento de electrones, un conductor de mayor sección que otro transportará la electricidad con mayor facilidad que uno más fino. Por el contrario, un conductor muy largo ofrecerá más resistencia al paso de los electrones que otro más corto. Resumiendo, la resistencia que opone un cable al paso de la electricidad depende de la sección del cable (a mayor sección, menor resistencia), de la longitud de éste (a mayor longitud, mayor resistencia) y de su material (la resistividad del material) Para calcular la resistencia que opone un cable al paso de la corriente, se utiliza la siguiente fórmula: 6

7 R = ρ L S R : resistencia(ω) ρ : resistividad(ω m) L : Longitud(m) S : Sección del cable(m 2 ) La unidad de medida de la resistencia eléctrica es el ohmio (Ω), y su aparato de medida el ohmímetro. 7. LEY DE OHM El físico George Ohm, en 1826, estableció una fórmula que relaciona las tres magnitudes fundamentales de la electricidad: resistencia, tensión y corriente. El enunciado de la ley de Ohm es el siguiente: la resistencia que ofrece un conductor al paso de la corriente es directamente proporcional a la tensión aplicada en los extremos de éste e inversamente proporcional a la intensidad de corriente que los atraviesa R = V I R : resistencia(ω) V : Tensión(V ) I : Intensidad de corriente(a) 8. INSTRUMENTOS DE MEDIDA VOLTÍMETRO: se utiliza para medir la diferencia de potencial. Se conecta en paralelo, entre los dos puntos donde quiere realizarse la medida. Tiene dos terminales: uno rojo y otro negro; el rojo debe colocarse en el punto más positivo de los dos. AMPERÍMETRO: se utiliza para medir la corriente eléctrica o intensidad que pasa por un circuito. Se coloca en serie en el punto de medida. OHMÍMETRO: se usa para medir el valor de las resistencias. Se conecta en paralelo entre los dos terminales de la resistencia siempre que esté desconectada del circuito. POLÍMETRO, MULTÍMETRO O TESTER: Es un instrumento de medida que incluye varios medidores: intensidad, resistencia, voltaje, capacidad,. (Ejercicio 12 página 32 Oxford) 9. APLICACIONES DE LA LEY DE OHM Circuito en serie: I Pila = I 1 = I 2 = I 3... V Pila = V 1 +V 2 +V Circuito en paralelo I Pila = I 1 + I 2 + I V Pila = V 1 = V 2 = V 3... Circuito mixto 7

8 10. CÁLCULO DE LA RESISTENCIA EQUIVALENTE (ASOCIACIÓN DE RESISTENCIAS) Serie: R eq = R 1 + R R n Paralelo: 1 = R eq R 1 R 2 R n Mixto: Se trata de una combinación de los dos casos anteriores 11. ASOCIACIÓN DE PILAS Serie: Dos generadores están conectados en serie cuando están conectados uno detrás de otro. El borne positivo de un generador debe estar conectado al borne negativo del siguiente Si conectamos varios generadores en serie, la tensión total del conjunto será la suma de las tensiones de cada generador: V Total = V 1 +V V n Al aumentar la tensión que se aplica a un circuito, se aumenta la potencia que este puede proporcionar Paralelo: Dos o más generadores están conectados en paralelo cuando los bornes de la misma polaridad están conectados entre sí. Todos los bornes positivos están conectados a un cable de salida y todos los bornes negativos están conectados a un borne de entrada. Si conectamos varios generadores en paralelo, la tensión del conjunto será la misma que la de uno solo. V Total = V 1 = V 2 =... = V n Una gran ventaja de la conexión en paralelo de pilas y baterías es que permite aumentar la autonomía (el tiempo que pueden funcionar) de los circuitos que alimentan. 12. OTRAS MAGNITUDES ELÉCTRICAS A. POTENCIA (P) La potencia eléctrica es la capacidad que tiene un aparato para transformar la energía eléctrica en otro tipo de energía. Cuanto más rápido sea capaz de realizar esta transformación mayor será la potencia del mismo. Se calcula son la siguiente expresión: 8

9 P = V I P = Potencia (w) V = Tensión (V) I = Intensidad de corriente (A) Su unidad de medida en el SI es el watio (w) y el aparato de medida el watímetro. B. ENERGÍA (E) La energía es la potencia consumida por unidad de tiempo, y responde a la siguiente expresión: E = P t E = Energía (J) P = Potencia (w) t = Tiempo (s) 9