Unidad 2: Electricidad

Transcripción

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2 ÍNDICE DE LA UNIDAD: 3.Introducción. 4.Tipos de cargas eléctricas. 5.La corriente eléctrica 6.Elementos de un circuito eléctrico. 7.Magnitudes eléctricas Voltaje Intensidad Resistencia Potencia eléctrica. 6. Ley de Ohm. 7. Simbologías eléctrica. 8. Circuitos eléctricos. Tipos y medición de magnitudes eléctricas.

3 1. Introducción. Carga y corriente eléctrica ANTES DE LA ELECTRICIDAD ILUMINACIÓN JUEGOS LAVADORA ERA DE LA ELECTRICIDAD ENTRETENIMIENTO

4 1. Introducción. Carga y corriente eléctrica El término electricidad deriva del Griego "electrón ( Elektrón ), que significa "ámbar" (el filósofo Griego Tales de Mileto, se percató de que al frotar una varilla de ámbar con lana o piel, se creaba una atracción hacia otros cuerpos en la vecindad, e incluso se producían chispas) video ÁMBAR LANA PIEL

5 Carga y corriente eléctrica La electricidad y el magnetismo son fenómenos que observaban los antiguos griegos. La Electricidad la producían cuando frotaban un pedazo de ámbar el cual se electrificaba, atraía pedazos de paja. También supieron de las fuerzas magnéticas observando que la piedra magnetita (Fe3O4) era atraída por el hierro. En electricidad, se usan términos tomados del griego como la palabra eléctrico que proviene de elektron, palabra griega para ámbar. La palabra magnético proviene de Magnesia, nombre de la provincia griega donde por primera vez se encontró la magnetita. 1. Introducción. MAGNETITA

6 Carga y corriente eléctrica 1. Introducción. La electricidad: Es una forma invisible de energía que produce como resultado la existencia de unas diminutas partículas llamadas ELECTRONES LIBRES en los átomos de ciertos materiales o sustancias. Estas partículas, al desplazarse a través de la materia, constituyen lo que denominamos una corriente eléctrica. Es un agente físico que llena la estructura atómica de la materia, y todo lo que vemos, sentimos y ocupa un lugar en el espacio, esta constituido por diminutas partículas o corpúsculos de electricidad, denominados electrones. La electricidad no es un invento del hombre sino una fuerza natural; esta fuerza o fenómeno físico se origina por cargas eléctricas estáticas o en movimiento. Cuando una carga se encuentra en reposo produce fuerzas sobre otras situadas en su entorno. Si la carga se desplaza produce también fuerzas magnéticas.

7 Carga y corriente eléctrica La electricidad en su manifestación natural mas imponente seria el relámpago, que se producen cuando se establece una diferencia de potencial elevada y son descargas eléctricas que se produce entre la tierra y las nubes conocidas comúnmente como nubes cumulonimbus, las diferencias de potencial entre la nube y la tierra al momento de producirse la descarga, son del orden del millón de voltios ( V) y la corriente que atraviesa el aire durante la descarga, es del orden de los amperes ( A) La generación de energía eléctrica consiste en transformar alguna clase de energía química, mecánica, térmica o luminosa, entre otras, en energía eléctrica 1. Introducción.

8 Carga y corriente eléctrica Los fenómenos eléctricos y magnéticos fueron considerados como independientes hasta 1820, cuando su relación fue descubierta por casualidad. Hans Oersted estaba preparando su clase de física en la Universidad de Copenhague, una tarde del mes de abril, cuando al mover una brújula cerca de un cable que conducía corriente eléctrica notó que la aguja giraba hasta quedar en una posición perpendicular a la dirección del cable. Más tarde repitió el experimento una gran cantidad de veces, confirmando el fenómeno. Por primera vez se había hallado una conexión entre la electricidad y el magnetismo, en un accidente que puede considerarse como el nacimiento del electromagnetismo. Pocos días después de enterarse del hallazgo de Oesterd, fue el científico francés Andre-Marie Ampere quien logró formular este importante descubrimiento en términos matemáticos sólidos. Ampere propuso formalmente que una corriente eléctrica produce un campo magnético. 1. Introducción. Hans Oersted André-Marie Ampère

9 Carga y corriente eléctrica 1. Los polos magnéticos opuestos se atraen y los polos iguales se repelen. 2. Una corriente eléctrica circulando por un conductor genera un campo magnético. 3. Un conductor moviéndose dentro de un campo magnético provoca que se genere a través de el una corriente eléctrica. 4. Un conductor por el que circula una corriente eléctrica, moviéndose a través de un campo magnético queda sometido a una fuerza. 1. Introducción. Hans Oersted

10 Qué entender por electricidad? 1. Introducción. Experimentación 1. Bobinado cable de cobre barnizado alrededor de un elemento metálico (p.e. un tornillo) y haciendo pasar a través de el una corriente eléctrica, comprobar la creación de un campo magnético. 2. Usando un conductor de cobre, conectado a sus extremos a un polímetro y en posición de intensidad, comprobar que al moverlo dentro de un campo magnético se genera en el conductor una corriente eléctrica. Material necesario: un tornillo de acero, cable de cobre barnizado, un polímetro y un imán.

11 2. Tipos de cargas eléctricas. Tipos de cargas Positivas (+) Existen 2 tipos de cargas Negativa (-) Un cuerpo está compuesto por muchas cargas. Positivas (+) Existen 3 tipos de cuerpos según su carga eléctrica neta. Negativa (-) Neutro

12 Tipos de cargas 2. Tipos de cargas eléctricas. Positivo Negativo + + Neutro Cargas + = 5 Cargas = 2 Carga total = +3 Cargas + = 2 Cargas = 4 Carga total = -2 Cargas + = 3 Cargas = 3 Carga total = 0

13 2. Tipos de cargas eléctricas. Tipos de cargas a) La electrostática es la rama de la física que estudia los fenómenos eléctricos producidos por distribuciones de cargas estáticas. b) La electricidad estática es un fenómeno que se debe a una acumulación de cargas eléctricas en un objeto. Esta acumulación puede dar lugar a una descarga eléctrica cuando dicho objeto se pone en contacto con otro. Qué le ocurre a un peine de plástico cuando se frota con el pelo? Benjamin Franklin Experiencia: frotar un peine con el pelo y acercarlo a un hilo de agua o a unos papelillos

14 2. Tipos de cargas eléctricas. a) El generador de Van der Graaff, GVG: Consta de una correa transporta la carga eléctrica que se forma en la ionización del aire por el efecto de las puntas del peine inferior y la deja en la parte interna de la esfera superior. Material es más positivo s aire vidrio pulido fibra sintética piel de conejo mica lana piel de gato plomo aluminio papel Material es neutros algodón papel ebonita acero madera caucho resina cobre níquel plata azufre vidrio sin pulir acetato(celuloi de) poliéster poliuretano polipropileno vinilo (PVC) silicona Material es más teflón negativo s Los materiales que están más próximos al extremo más negativo, tienen propensión a adquirir carga eléctrica negativa al rozar con materiales situados encima de ellos. Los materiales más próximos al extremo más positivo tienen tendencia adquirir carga eléctrica positiva al rozar con los situados debajo de ellos. Para adquirir una carga máxima los materiales puestos en contacto debe estar lo más apartados posible el uno del otro en esta lista

15 a) b) 2. Tipos de cargas eléctricas. "La Bobina de Tesla es un generador electromagnético que produce altas tensiones de elevadas frecuencias (radiofrecuencias) con efectos observables como sorprendentes efluvios, coronas y arcos eléctricos. Su nombre se lo debe a Nikola Tesla, un brillante ingeniero que vivió en la segunda mitad del siglo pasado y a principios de éste y que en 1891, desarrolló un equipo generador de alta frecuencia y alta tensión con el cual pensaba transmitir la energía eléctrica sin necesidad de conductores."

16 3. La corriente eléctrica. La corriente eléctrica es un fenómeno originado por el movimiento que experimentan los electrones, partículas de masa casi nula, que se encuentran entorno al núcleo del átomo. Decimos que los electrones tienen carga eléctrica negativa (-), mientras que los protones, situados en el núcleo del átomo, tienen carga positiva (+). Los cuerpos pueden estar cargados positiva o negativamente como consecuencia del defecto o exceso electrones. En determinados materiales, que denominamos conductores, es posible hacer fluir los electrones de un extremo al otro de los mismos, estableciéndose entonces una corriente eléctrica. El camino por el que se desplazan los electrones es lo que denominamos circuito eléctrico, que podemos definir también como el un conjunto de elementos interconectados que permiten el paso de la corriente eléctrica. Para que haya un movimiento de electrones, como mínimo, debe existir una diferencia de carga entre dos puntos.

17 3. La corriente eléctrica.

18 4. Elementos de un circuito eléctrico. Generadores: Son los elementos encargados de suministrar la energía 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 y alternadores. 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. Receptores: Son los componentes que reciben la energía eléctrica y la transforman en otras formas más útiles para nosotros como: movimiento, luz, sonido o calor. Algunos receptores muy comunes son: las lámparas, motores, estufas, altavoces, electrodomésticos, máquinas, Elementos de control: Estos elementos nos permiten maniobrar con el circuito conectando y desconectando sus diferentes elementos según nuestra voluntad. Los elementos de control más empleados son los interruptores, pulsadores y conmutadores. 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, automáticos, térmicos y los interruptores diferenciales de protección.

19 4. Elementos de un circuito eléctrico. RECEPTORES ELEMENTOS DE CONTROL Bombilla Interruptor CONDUCTOR Cable GENERADOR Motor Pila Fusible ELEMENTOS DE PROTECCIÓN

20 4. Elementos de un circuito eléctrico. Son dispositivos que originan y proporcionan la energía necesaria para que circule la corriente eléctrica en un circuito. Pilas Batería

21 4. Elementos de un circuito eléctrico. Sirven para unir los elementos del circuito y les hace llegar la electricidad. La diferencia de los distintos materiales es que los aislantes son materiales que presentan gran resistencia a que las cargas que lo forman se desplacen y los conductores tienen cargas libres y que pueden moverse con facilidad. Los átomos de la materia están constituidos por un núcleo cargado positivamente, alrededor del cual giran a gran velocidad cargas eléctricas negativas. En los elementos llamados conductores, algunos de estos electrones pueden pasar libremente de un átomo a otro cuando se aplica una diferencia de potencial (o tensión eléctrica) entre los extremos del conductor. Cables

22 4. Elementos de un circuito eléctrico. Son dispositivos que sirven para dirigir o interrumpir a voluntad el paso de la electricidad. Interruptor Pulsador Conmutador

23 4. Elementos de un circuito eléctrico. Son dispositivos que detectan las subidas de tensión e interrumpen el paso de la electricidad para evitar que los elementos del circuito de más valor o las personas que los manejan sufran daños. El interruptor magneto-térmico protege contra sobrecargas y cortocircuitos, provocando la desconexión de la fuente de alimentación cuando circula a través de él, una intensidad de valor mayor a la nominal del propio interruptor. La labor del interruptor diferencial es algo más compleja, su función básica es la de proteger a las personas de los contactos indirectos El principio del fusible está basado en que al ser construido mediante una aleación metálica al circular una corriente elevada o sobreintensidad que exceda el valor predeterminado del fusible se funde interrumpiendo el circuito protegiéndolo.

24 4. Elementos de un circuito eléctrico. Son dispositivos a los que llega la electricidad y la transforman en otro tipo de energía ( luz, calor, sonido, movimiento, ) Motor Bombilla Timbre Resistencia

25 Métodos de electrización 5. Magnitudes eléctricas La unidad de carga eléctrica, en el Sistema Internacional de Unidades, En qué unidad se denomina culombio (símbolo C). Así un culombio se corresponde con se mide 18 la carga de 6,24 10 electrones aproximadamente. la carga eléctrica? Charles Coulomb ( ) Físico francés El culombio (símbolo C) se define como la cantidad de carga que a la distancia de 1 metro ejerce sobre otra cantidad de carga igual, la fuerza de 9x109 N. La carga de un electrón vendrá dada por la siguiente expresión y equivale a 1.6 x culombios. Interacción de cargas. Cargas del mismo signo se repelen y de distinto signo se atraen.

26 5. Magnitudes eléctricas Voltaje Alessandro Volta ( ) Inventor de la pila voltaica La tensión, voltaje o diferencia de potencial es una magnitud física que impulsa a los electrones a lo largo de un conductor en un circuito eléctrico cerrado, provocando el flujo de una corriente eléctrica. La diferencia de potencial también se define como el trabajo por unidad de carga ejercido por el campo eléctrico, sobre una partícula cargada, para moverla de un lugar a otro. Si dos puntos que tienen una diferencia de potencial se unen mediante un conductor, se producirá un flujo de electrones. El voltio o volt (símbolo V), es la unidad derivada del SI para el potencial eléctrico, fuerza electromotriz y el voltaje Pilas ideadas por Alessandro Volta

27 Voltaje 5. Magnitudes eléctricas La corriente o intensidad eléctrica es el flujo de carga por unidad de tiempo que recorre un material. Se debe a un movimiento de los electrones en el interior del material. En el Sistema Internacional de Unidades se expresa en C s-1 (culombios sobre segundo), unidad que se denomina amperio. Una corriente eléctrica, puesto que se trata de un movimiento de cargas, produce un campo magnético, lo que se aprovecha en el electroimán. André-Marie Ampère (de ), fue un matemático y físico francés, uno de los descubridores del electromagnetismo La corriente eléctrica está definida por convenio en el sentido contrario al desplazamiento de los electrones.

28 Voltaje 5. Magnitudes eléctricas Se denomina resistencia eléctrica, simbolizada habitualmente como R, a la dificultad u oposición que presenta un cuerpo al paso de una corriente eléctrica para circular a través de él. Georg Simon Ohm (Alemania, ) Físico alemán. Descubridor de la ley de la electricidad que lleva su nombre En el Sistema Internacional de Unidades, su valor se expresa en ohmios, que se designa con la letra griega omega mayúscula, Ω.

29 Voltaje 5. Magnitudes eléctricas 1. Calcula el valor de las resistencias: 1. Calcula el valor de la resistencia de un cable: Calcular la resistencia que ofrece, al paso de la corriente eléctrica, un alambre de aluminio, de 1 metro de longitud, con una sección transversal de 0,1 mm2.

30 5. Magnitudes eléctricas Voltaje Se denomina potencia eléctrica al cociente entre la energía disipada por un elemento y el tiempo que este está activo y se simbolizada como W. La energía disipada por un elemento viene dada por el efecto Joule, que determina que una corriente circulando por un elemento provoca un calentamiento del mismo. James Watt ( ) En el Sistema Internacional de Unidades, su valor se expresa en vatios, que se designa con la letra doble uve, w. Su denominación (watio) viene en honor del británico James Watt inventor de la máquina de vapor. Potencia Energía Ley de Joule Potencia Tiempo Intensidad de corriente voltaje

31 Voltaje 5. Magnitudes eléctricas El efecto Joule fue definido de la siguiente manera: "La cantidad de energía calorífica producida por una corriente eléctrica, depende directamente del cuadrado de la intensidad de la corriente, del tiempo que ésta circula por el conductor y de la resistencia que opone el mismo al paso de la corriente". Matemáticamente se expresa como James Prescott Joule físico inglés nacido en Salford, Manchester. E = I2 R t Unidad de energía en Julios En este efecto se basa el funcionamiento de diferentes electrodomésticos como los hornos, las tostadoras y las calefacciones eléctricas, y algunos aparatos empleados industrialmente como soldadoras, etc., en los que el efecto útil buscado es, precisamente, el calor que desprende el conductor por el paso de la corriente. Sin embargo, en la mayoría de las aplicaciones es un efecto indeseado y la razón por la que los aparatos eléctricos y electrónicos necesitan un ventilador que disminuya el calor generado y evite el calentamiento excesivo de los diferentes dispositivos como podían ser los circuitos integrados o las bombillas incandescentes que producen más energía calorífica que lumínica. La unidad internacional de energía y trabajo, el Julio, fue bautizada en su honor.

32 6. Ley de Ohm Voltaje La Ley de Ohm establece que "La intensidad de la corriente eléctrica que circula por un conductor eléctrico es directamente proporcional a la diferencia de potencial aplicada e inversamente proporcional a la resistencia del mismo", se puede expresar matemáticamente en la siguiente ecuación: I= V R E = I2 R Rt = V V=IxR Unidad de energía en Julios I donde, empleando unidades del Sistema internacional, tenemos que: I = Intensidad en amperios (A) V = Diferencia de potencial en voltios (V) ó (U) R = Resistencia en ohmios (Ω). Esta ley no se cumple, por ejemplo, cuando la resistencia del conductor varía con la temperatura, y la temperatura del conductor depende de la intensidad de corriente y el tiempo que esté circulando.

33 Voltaje 6. Ley de Ohm 1. Calcular la caída de tensión entre los extremos de una resistencia de 50 Ω por la que circula una intensidad de 0,05 A. Sol. (2,5 v) 2. Calcular la intensidad que circula por un circuito de 100 Ω de resistencia conectado a una fuente de tensión de 10 v. Sol ( 0,1 A) 3. Calcular la intensidad que circula por un cable de acero de 100 m de longitud y 0,5 mm2 de sección, sabiendo que entre sus extremos se aplicó una tensión de 100 v. Datos: racero= 0,25 Ω.mm2/m sol. ( 2 A)

34 7. Simbología Voltaje 1. GENERADORES DE TENSIÓN 2. CONDUCTORES ELÉCTRICOS 3. ELEMENTOS DE CONTROL Pila Batería Pulsador Toma de corriente alterna Conmutador 4. RECEPTORES ELÉCTRICOS 5. ELEMENTOS DE PROTECCIÓN Fusible Timbre Zumbador 6. ELEMENTOS DE MEDICIÓN

35 8. Circuitos Eléctricos Voltaje Asociación en serie Colocar las pilas en serie supone colocar un polo en contacto con el contrario (+ con - y - con +). En esta 2ª foto las pilas parece que están en paralelo, pero si miramos el cableado interno veremos que la base de una pila (-) está conectada con la cabeza de la otra (+). Colocándolas en serie logramos un sistema que tiene un voltaje suma de las dos, pero que también añade al circuito la suma de las resistencias internas de las pilas. Si queremos obtener 6 V de tensión (voltaje o ddp) debemos colocar en serie 4 pilas de 1,5 V, y para tener 9 V, dos pilas de 4,5 V. Figura 1. VT = V1+V2+V3+ +VN Figura 2. No debes poner nunca una pila usada en serie con pilas nuevas, ni mezclar tipos de pilas. Si lo haces baja el rendimiento de las pilas nuevas al sumar ya desde el inicio una resistencia mayor a la que corresponde a una pila nueva. Recuerda que las pilas, al mismo tiempo que dan energía, ofrecen una resistencia al paso de la corriente, resistencia que aumenta al envejecer la pila y hace disminuir el voltaje que entregan.

36 Voltaje 8. Circuitos Eléctricos Asociación en paralelo Colocar las pilas en paralelo supone colocar los polos iguales conectados entre sí (+ con + y - con -). Colocándolas en paralelo el sistema tiene un voltaje igual al voltaje suministrado por una de las baterías, pero aumentamos la duración del sistema y su capacidad de corriente aumenta tantas veces como baterías conectadas tengamos. Figura 3.

37 Voltaje 8. Circuitos Eléctricos Asociación en serie Las resistencias podemos agruparlas de varias formas: en serie, en paralelo o derivación y mixto. RESISTENCIAS EN SERIE Al conectar en serie, colocamos una resistencia "a continuación" de la otra, en este caso solo existe un camino que recorre todos los elementos del circuito desde un polo de la fuente al contrario, por ello la intensidad que recorre el circuito es idéntica en todos los puntos del mismo. Por lo tanto conociendo la intensidad que sale de la fuente conoceremos la intensidad de cada resistencia y aplicando la ley de Ohm para cada resistencia podremos obtener la caída de tensión en cada una. Para poder calcular la intensidad que sale de la fuente (IT) necesitaremos calcular la resistencia equivalente, es decir, la resistencia que introducida en el circuito en vez de R1 y R2, no modifique los valores de la intensidad. Conociendo la tensión generada por la fuente (VT) y sabiendo que la resistencia total o equivalente RT o Re = R1 + R2, aplicando la ley de Ohm IT= VT/ RT De donde se deduce que I1 = I2 = IT y aplicando la ley de Ohm para cada resistencia podemos calcular la caída de tensión en cada una de ellas: V1 = I R1 V2 = I R2, de donde se obtiene que: Ve = V1 + V2 Llegamos, usando la ecuación de arriba a: Ve = V1 + V2 => I Re = I R1 + I R2 y, sacando factor común obtenemos: I Re = I (R1 + R2), que tras simplificar I, nos permite obtener: R =R +R

38 Voltaje 8. Circuitos Eléctricos Asociación en paralelo RESISTENCIAS EN PARALELO Al conectar en paralelo, colocamos conectadas por sus extremos a un mismo punto, llamado nodo (en la figura A y B), tal y como vemos en la figura: En la figura observamos que la intensidad, I, que circula por ambas resistencias se bifurca en dos valores, I1 e I2, que dependerán de los valores de las resistencia. Por otro lado, vemos como ambas resistencias están sometidas a la misma diferencia de potencial V. Queremos calcular la resistencia equivalente, es decir, la resistencia que introducida en el circuito en vez de R1 y R2, no modifique los valores de la intensidad, de forma que la intensidad que pase por la equivalente sea la suma de, I1 e I2. Debemos tener en cuenta que, como la equivalente sustituye a ambas, la diferencia de potencial de la equivalente, debe ser la misma que la de R1 y R2. Luego, IT = I1 + I2 Para poder calcular la intensidad que sale de la fuente (IT) necesitaremos calcular la resistencia equivalente, es decir, la resistencia que introducida en el circuito en vez de R1 y R2, no modifique los valores de la intensidad. Conociendo la tensión generada por la fuente (VT) y sabiendo que la resistencia total o equivalente 1/RT = 1/R1 + 1/R2, de donde se obtiene que RT = 1 / ( 1/R1 + 1/R2 ), aplicando la ley de Ohm: IT= VT/ RT Sabiendo que las resistencias tienen la misma tensión y esta es igual a su vez a la generada por la fuente se deduce que VT = V1 = V2 aplicando la ley de Ohm para cada una de las resistencias individuales: V1/R1 =I1 V2/R2 =I2 Es decir, el inverso de la resistencia equivalente a varias resistencias en paralelo, es la suma de los inversos de dichas resistencias.

39 Voltaje 8. Circuitos Eléctricos Asociación en paralelo RESISTENCIAS EN CONEXIÓN MIXTA Los circuitos mixtos son aquellos que tienen tres o más receptores y en cuya asociación concurren a la vez los dos sistemas anteriores, en serie y en paralelo. En la resolución de estos circuitos hay que combinar los sistemas anteriores.

40 Voltaje 8. Circuitos Eléctricos La potencia eléctrica de cada resistencia o receptor se calcula multiplicando la intensidad que circula por él por la caída de tensión que provoca. W = I * V