LA ELECTRICIDAD: UN RIO INVISIBLE DE ENERGÍA.

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1 LA ELECTRICIDAD: UN RIO INVISIBLE DE ENERGÍA. Nombre y apellidos: Curso y grupo: 1. INTRODUCCIÓN. Te imaginas un mundo sin electricidad? La electricidad es muy importante hoy en día. Con ella funcionan los electrodomésticos, la iluminación las casas y las ciudades, los ordenadores, los ascensores, las máquinas de las fábricas, los sistemas de comunicación (teléfono y televisión), etc. Cuestiones Introducción. 1) Escribe en tu cuaderno una redacción o historieta con el título Un día sin electricidad. Imagina que podría llegar a ocurrir si un día te levantas, y de repente ya no existe la electricidad. 2) Describe con tus propias palabras qué entiendes por electricidad. 3) De qué formas se puede aprovechar la electricidad? 4) Los aparatos eléctricos pueden funcionar gracias a circuitos eléctricos internos que utilizan la electricidad. Qué elementos forman esos circuitos eléctricos? 5) Sabrías explicar cómo funciona un circuito eléctrico sencillo? 2. CARACTERÍSTICAS DE LA ELECTRICIDAD. La electricidad tiene gran importancia en la actualidad debido a una serie de características que la hacen muy útil: 1

2 a) Se puede obtener de diversas fuentes (saltos de agua, viento, luz solar, combustibles fósiles, núcleos de átomos, biomasa, etc.). Fuente: b) Se puede transportar a grandes distancias (red de transporte y distribución eléctrica). Red distribución eléctrica: ver infografías c) Puede emplearse en muchas aplicaciones: luz (bombilla), calor (resistencia), movimiento (motor eléctrico), sonido (zumbador), etc. 2

3 Cuestiones Características de la energía eléctrica. 6) La electricidad se genera de forma artificial en centrales eléctricas, pero los fenómenos eléctricos también pueden aparecer de forma natural. Se te ocurren fenómenos eléctricos que se den en la naturaleza? 7) La electricidad se genera de forma artificial en centrales eléctricas, pero hay más formas de generar electricidad de forma artificial. Con qué otros dispositivos tecnológicos se puede obtener electricidad? 8) (Investigación). Existen muchos tipos de centrales de producción eléctrica: central nuclear, central hidroeléctrica, central eólica, central térmica de combustibles fósiles, central fotovoltaica, central solar térmica, central mareomotriz, central geotérmica, central de biomasa o RSU, etc. Selecciona una de ellas y busca en Internet o en libros su funcionamiento básico. 9) Indica el recurso energético que cada central emplea para producir la electricidad, y si es renovable o no renovable: CENTRAL FUENTE ENERGÉTICA RENOVABLE / NO RENOVABLE central fotovoltaica central mareomotriz central nuclear central térmica Central incineradora de RSU central solar central eólica central geotérmica Central cogeneración de biomasa central hidroeléctrica A la vista de la fuente energética empleada, qué centrales crees que son más dañinas para el medioambiente, y cuáles menos? 10) Vamos a visualizar unas infografías sobre cómo de transporta la energía eléctrica desde la central de producción hasta los hogares y fábricas donde se consume. Realiza un resumen con tus propias palabras sobre el proceso de distribución de la electricidad hasta el hogar. 11) Indica qué aplicación o efecto de la energía eléctrica aprovechan los siguientes objetos tecnológicos: batidora, aspiradora, lámpara, tostadora, plancha, sandwichera, brasero eléctrico, secador de pelo, timbre, taladro, linterna, tubo fluorescente, pistola termo-fusible, exprimidor de zumo, cepillo de de dientes eléctrico. 12) Indica objetos tecnológicos que emplean la electricidad para: a) producir calor: vitrocerámica, b) generar movimiento: ventilador, c) obtener luz: bombilla, 3

4 3. CARGA Y CORRIENTE ELÉCTRICA. En el siguiente punto vamos a ver qué es la electricidad. Para ello, primero hemos de entender los conceptos de carga eléctrica y corriente eléctrica CARGA ELÉCTRICA. Como sabemos de ciencias, la materia está formada por átomos (partículas muy pequeñas que no se ven a simple vista). A su vez los átomos están formados por partículas aún más pequeñas: protones, neutrones y electrones. Los protones y neutrones están inmóviles en el centro del átomo (núcleo). Por el contrario, los electrones son móviles y orbitan alrededor del núcleo del átomo. Estas partículas subatómicas poseen una propiedad llamada carga eléctrica: Protones (+): partículas con carga eléctrica positiva. Neutrones: partículas sin carga (neutras). Electrones (-): partículas con carga negativa, responsables del fenómeno de la electricidad. Normalmente los átomos presentan el mismo número de protones (+) que de electrones (-), por lo que la materia suele ser neutra (carga total = 0). Ahora bien, como los electrones están rotando alrededor del núcleo, éstos pueden ser arrancados de unos átomos y cedidos a otros átomos. Ello significa que la materia puede electrificarse y cargarse positivamente o negativamente, dependiendo de si pierde o gana electrones. Los cuerpos electrizados experimentan fuerzas de atracción y repulsión, según su carga: Cuerpos con carga del mismo signo se repelen. Cuerpos con carga de signo opuesto se atraen. 4

5 Experimento: a) Corta unos papelitos y aproxima a ellos tu bolígrafo. Ocurre algo? Por qué? b) Ahora frota el bolígrafo con fuerza en tu manga, y a continuación acerca el bolígrafo a los papelitos. Ocurre algo? Por qué? Cuestiones carga eléctrica. 13) Por qué razón, cuando te peinas, tu pelo tiende a ser erizado y atraído por el peine? Explica este fenómeno mediante el concepto de carga eléctrica. 14) Por qué se producen descargas de rallos durante las tormentas? 15) Explica la siguiente foto en términos de carga eléctrica. Por qué el pelo de la mujer se ve atraído por el globo? 3.2. CORRIENTE ELÉCTRICA. Cuando se electriza un bolígrafo, los electrones que ha ganado están estáticos, en reposo. A este tipo de electricidad en reposo se la llama electricidad estática. Sin embargo, existen materiales (materiales conductores) donde los electrones pueden desplazarse a través del material electrizado. A este tipo de electricidad en movimiento se le llama corriente eléctrica. Cuerpo con electricidad estática Cuerpo con corriente eléctrica Se denomina corriente eléctrica al flujo continuo de electrones en el interior de un material conductor. 5

6 Materiales conductores y aislantes. Los materiales conductores son aquellos que permiten el paso de la corriente eléctrica a su través. En general, los metales son buenos conductores (cobre, plata, etc.) Los materiales aislantes son aquellos que no permiten el paso de la corriente eléctrica. Algunos ejemplos de aislantes son los plásticos, la madera y la cerámica Cómo se produce y mantiene una corriente eléctrica? Para que se produzca y una corriente eléctrica se necesitan: Electrones que puedan moverse (electrones libres). Materiales que permitan el desplazamiento de los electrones (conductores). Un desequilibrio de cargas entre dos puntos del conductor, que genere un flujo de electrones para tratar de compensarlo (diferencia de potencial o tensión). Dispositivo que suministre la energía necesaria para arrancar los electrones de sus átomos y para impulsarlos a través del material conductor (generador). El generador mantiene la diferencia de potencial necesaria para que la corriente eléctrica siga fluyendo. Un circuito cerrado por el que puedan circular los electrones de forma continuada (circuito eléctrico) Cuestiones Corriente eléctrica. 16) Define con tus propias palabras qué entiendes por corriente eléctrica. 17) Existen materiales conductores y materiales aislantes de la electricidad. Indica cuáles de los siguientes materiales son conductores y cuáles aislantes: Bolígrafo de plástico, pulsera de oro, goma de borrar, llave, moneda, alambre, anillo de plata, regla de plástico, jersey de lana, hilo de estaño, hoja de papel, barra de madera, lata de Coca-Cola, vaso de vidrio. 18) Indica si los siguientes materiales son conductores o aislantes: 6

7 19) Indica de qué tipo de material (conductor o aislante) deberían estar hechos los siguientes objetos: cable eléctrico, interruptor, rosca de la bombilla, mango del destornillador, suela de zapatos de electricista. 20) Por qué crees que se recubren los cables con plástico? 21) Por qué en ocasiones te da calambre el contacto con algún objeto? Explícalo en términos de corriente eléctrica. 4. EL CIRCUITO ELÉCTRICO. En este punto del tema estudiaremos cómo se utiliza la corriente eléctrica para producir luz, movimiento, sonido, etc. Para poder aprovechar la energía transportada por la corriente eléctrica es necesario montar y emplear un circuito eléctrico DEFINICIÓN Y FUNCIÓN DE LOS CIRCUITOS ELÉCTRICOS. Definición de circuito eléctrico. Los aparatos eléctricos pueden funcionar gracias a circuitos eléctricos internos que utilizan la corriente eléctrica. Qué es un circuito eléctrico? Un circuito eléctrico es un camino cerrado por el que los electrones fluyen de forma continuada, permitiendo la circulación de la corriente eléctrica. Dicho camino cerrado estará formado por la conexión de distintos elementos que conforman el circuito eléctrico. Un circuito eléctrico es un conjunto de elementos conectados entre sí que forman un camino cerrado por donde circula la corriente eléctrica. Para qué sirven los circuitos eléctricos? La finalidad de un circuito eléctrico es hacer que la corriente eléctrica circulante realice un trabajo útil: iluminar una bombilla, mover un motor, hacer que suene un zumbador, etc. En un circuito eléctrico se produce una transformación de energías: la energía eléctrica de los electrones en movimiento se transforma en energía luminosa, mecánica, sonora, etc FUNCIONAMIENTO DE UN CIRCUITO ELÉCTRICO. Para entender el funcionamiento de un circuito eléctrico, trataremos de asemejarlo a un circuito de transporte del agua (circuito hidráulico). 7

8 Circuito hidráulico: Más altura El agua circula a través de tuberías. De forma natural, el agua tiende a caer desde el punto a mayor altura al punto a menor altura. Bomba Turbina Menos altura El agua que circula por el circuito hidráulico hace que giren las palas de la turbina, que es el elemento receptor. La diferencia de alturas ha permitido que el agua circule de forma natural del depósito superior al inferior, moviendo la turbina. Una vez en el depósito inferior, se necesita una bomba que impulse el agua al depósito superior de nuevo, para mantener el flujo de agua. Circuito eléctrico: La corriente eléctrica (flujo de electrones) circula a través de cables conductores. De forma natural la corriente eléctrica fluye desde puntos a mayor potencial (polo + de la pila) hasta puntos a menor potencial (polo de la pila). Esta diferencia de potencial la proporciona la pila Más potencial + La corriente que circula por el circuito eléctrico proporciona energía eléctrica al motor para que la convierta en movimiento. El motor es el elemento receptor. La pila proporciona la diferencia de potencial para que los electrones circulen por el circuito. Además, impulsa a los electrones en su interior para que pasen, en contra de su tendencia natural, de puntos a menor potencia a puntos a mayor potencial, manteniendo el flujo de corriente en el circuito Menos potencial Pila Motor Eléctrico 4.3. ELEMENTOS DE UN CIRCUITO ELÉCTRICO. Un circuito eléctrico es un camino cerrado formado por la asociación de varios elementos conectados entre sí. Los elementos básicos de un circuito eléctrico son: Generador. Conductor. Receptor. Elementos de control o maniobra. Elementos de protección. 8

9 1) Generador. Enlace: Elemento que proporciona la energía eléctrica al circuito. Los generadores provocan el movimiento de los electrones para que fluyan a través del circuito eléctrico. La fuerza con la que los generadores impulsan los electrones se llama diferencia de potencial o tensión, y se mide en voltios (V). Ejemplos: pilas (1.5V, 4.5V, 9V), baterías, fuentes de alimentación, generadores eléctricos, enchufe y toma de corriente (230V). Todos los generadores tienen dos polos: positivo (+) y negativo ( ). El polo + está a mayor potencial que el polo, por lo que la pila es la responsable de la diferencia de potencial que impulsa de forma natural a la corriente eléctrica para que circule desde puntos a mayor potencial a puntos a menor potencial Una vez en el polo negativo, la pila empuja a la corriente (en contra de su tendencia natural) para llevarla de nuevo al polo positivo. Así se mantiene un flujo continuo de corriente eléctrica a través del circuito. A mayor tensión de la pila, mayor diferencia de potencial existe entre los polos, y con más fuerza y energía circula la corriente por el circuito. 2) Conductor. Enlace: Los conductores son los cables, láminas u objetos metálicos que conectan el generador con el receptor. Con los cables conectamos los distintos componentes del circuito (generador, receptor, elementos de control y protección). 9

10 3) Receptor. Enlace: El receptor recibe la energía eléctrica transportada por la corriente eléctrica y la transforma en luz, sonido, movimiento, magnetismo, calor, etc. Bombilla (*) Motor eléctrico Zumbador Resistencia Produce luz Genera movimiento Proporciona sonido Genera calor (*) Para instalar bombillas en circuitos eléctricos, se usan portalámparas. 4) Elementos de control. Enlace: Los elementos de control permiten gobernar el funcionamiento del circuito. La función más básica que realizan es encender y apagar circuitos. Los más habituales son: interruptor, pulsador y conmutador. a. interruptores: Permiten o impiden el paso de la corriente de forma permanente. Tienen dos terminales de conexión (entrada y salida) SWITCH.CKT 10

11 b. pulsadores: Mientras están pulsados permiten el paso de la corriente de forma temporal. Al dejar de pulsarlos cortan el paso de la corriente. PUSH.CKT c. conmutadores: Los conmutadores se emplean para desviar la corriente por un camino o por otro. Seleccionan entre dos circuitos: al tiempo que abren un circuito, cierra otro. Son similares a los interruptores, pero presentan 3 conexiones (entrada, salida por circuito1, salida por circuito2). 5) Elementos de protección. CONMUT.CKT Protegen el circuito frente corrientes eléctricas demasiado elevadas. Cuando una corriente supera la corriente máxima, el fusible se funde, cortando el circuito. fusible.ckt 4.4. SÍMBOLOS Y ESQUEMAS ELÉCTRICOS. Cada componente eléctrico tiene un símbolo, que sirve para dibujarlo de manera simplificada y que todo el mundo pueda entender. COMPONENTE SÍMBOLO ELÉCTRICO FOTOGRAFÍA DEL COMPONENTE Pila Cable Bombilla 11

12 Motor Zumbador Interruptor Pulsador Conmutador Fusible Conexión de cables (empalme) Puente de cables A la representación gráfica de todo el circuito mediante los símbolos de los componentes eléctricos que lo forman se le denomina esquema eléctrico del circuito. Ejemplos: Circuito real Esquema eléctrico 12

13 4.5. CIRCUITOS SERIE Y PARALELO. Hasta ahora hemos estudiado circuitos eléctricos básicos con un sólo receptor. Sin embargo, en ocasiones se necesita conectar varios receptores a un mismo circuito (varias bombillas, un zumbador y un motor, etc.). Cómo debemos conectar los receptores al circuito cuando son más de uno? Los receptores pueden conectarse a un circuito de dos formas: en serie y en paralelo. Circuitos serie. Enlace: Los receptores están en serie cuando se conectan al circuito uno detrás del otro, compartiendo el mismo cable. Desventaja: Si uno de los receptores en serie falla, dejan de funcionar todos los demás. Esto es debido a que en los receptores en serie la corriente debe pasar por todos y cada uno de ellos, por lo que si uno de ellos se estropea, corta la circulación de corriente en todo el circuito. Circuitos paralelo. Enlace: Para conectar receptores en paralelo, el cable principal que proviene del generador se debe bifurcar en tantos cables como receptores haya en paralelo. 13

14 La ventaja es que si uno de los receptores se apaga o estropea, el resto de receptores siguen funcionando. Esto es debido a que, en la bifurcación, la corriente eléctrica se divide entre los diferentes ramales. Si una rama falla, la corriente puede fluir por las otras ramas no afectadas. Circuitos mixtos. Enlace: Se habla de circuito mixto, o serie-paralelo, cuando el circuito presenta receptores conectados unos en serie y otros en paralelo. Cuestiones Circuitos eléctricos (I): definición. 22) Explica con tus propias palabras qué es un circuito eléctrico, y para qué sirve. 23) Indica si los siguientes montajes constituyen un circuito eléctrico. Fíjate si los componentes están formando un camino cerrado. 24) La función de un circuito eléctrico es realizar una transformación de energías. Qué energías se transforman y para qué? Cuestiones Circuitos eléctricos (II): funcionamiento. 25) Cuál es el sentido natural de circulación de la corriente? Por qué? 14

15 26) Qué 2 tareas principales tiene la pila en el funcionamiento de un circuito eléctrico? 27) Relaciona por similitud los siguientes conceptos de circuitos hidráulicos y circuitos eléctricos: Circuito hidráulico Agua Tuberías Diferencia de alturas Bomba hidráulica Turbina Circuito eléctrico Pila Corriente eléctrica Motor Conductores Diferencia de potencial Cuestiones Circuitos eléctricos (III): elementos de un circuito. 28) En la siguiente fotografía, identifica con flechas los diferentes elementos que forman el circuito representado: 29) Identifica cada uno de los siguientes elementos por su nombre. Indica si son generadores, receptores, conductores, elementos de control o elementos de protección. 15

16 30) Cómo explicarías qué es la tensión (diferencia de potencial) de una pila? En qué unidades se mide? 31) Cuál es la función de los receptores en un circuito eléctrico? Indica la conversión de energía realizada por los receptores encontrados en el ejercicio ) Para qué sirven los elementos de control? Indica los distintos tipos de elementos de control, y sus diferencias. 33) En los siguientes circuitos, identifica cada uno de sus componentes, y explica cómo funciona el circuito: 34) Indica qué ocurrirá en cada uno de los siguientes casos: Circuito 1. Circuito 2. Ejercicio32.ckt a) Qué ocurre al activar el interruptor? b) Hasta cuándo estará luciendo la bombilla? c) Explica el funcionamiento global del circuito a) Qué ocurre en el circuito al pulsar el pulsador 1? b) Qué ocurre al liberar el pulsador 1? c) Qué ocurre al pulsar el pulsador 2? 16

17 Circuito 3. Circuito 4. a) Qué bombillas lucen al activar el interruptor 2? Por qué ocurre esto? b) Qué bombillas lucen al activar el interruptor 1? c) Qué bombillas lucen al activar ambos interruptores? a) Qué receptor funciona al seleccionar la posición A del elemento de control? b) Qué receptor funciona al seleccionar la posición B del elemento de control? c) Cómo se llama el elemento de control empleado? Circuito 5. Circuito 6. a) Qué ocurre al activar el interruptor 1? b) Qué ocurre al activar el interruptor 2? c) Qué ocurre al activar ambos interruptores? a) Qué ocurre al presionar el pulsador? b) Qué ocurre al soltar el pulsador? c) Qué ocurre al activar el interruptor? d) Qué ocurre al activar ambos elementos de control? Cuestiones Circuitos eléctricos (IV): símbolos y esquemas eléctricos. 35) Dibuja el símbolo eléctrico de cada uno de los siguientes componentes: Zumbador Pulsador Fusible Pila Bombilla Cable Interruptor Motor Puente (*) Motor (*) Dos cables que se cruzan, sin conectarse. 17

18 36) Compara estas dos representaciones del mismo circuito: a) Cuál da más información acerca del circuito? b) Cuál es más realista? c) Cuál es más sencillo de dibujar? 37) Dibuja el esquema eléctrico de estos circuitos: 37) Dibuja el esquema eléctrico de los siguientes circuitos: 38) Dibuja el esquema eléctrico de los siguientes circuitos: 39) Recuerda: Un circuito eléctrico es un conjunto de elementos conectados entre sí que forman un camino cerrado por donde circula la corriente eléctrica. En los siguientes circuitos indica cuáles funcionan y cuáles no. Razona tu respuesta. 18

19 40) Indica qué interruptores se han de cerrar en cada caso para que funcione la bombilla: Ejercicio40.ckt 41) Explica el funcionamiento de los siguientes circuitos: Ejercicio41.ckt 19

20 Cuestiones Circuitos eléctricos (IV): circuitos serie y paralelo. Ejercicio42.ckt 42) A la vista de las figuras, indica ventajas e inconvenientes de los montajes serie y paralelo en cuanto a iluminación de los receptores y fiabilidad frente a fallos: 43) Indica si los siguientes montajes son serie o paralelo: 44) Indica si los siguientes montajes son serie, paralelo o mixto: 45) Dibuja el esquema eléctrico de los circuitos que se te indican a continuación: a) Circuito con una pila, un pulsador, un fusible y 3 bombillas en serie. b) Circuito con una pila, un interruptor, un motor y un zumbador (ambos en serie). c) Circuito con una pila, un interruptor, un motor y un zumbador (ambos en paralelo). d) Circuito con una pila, un interruptor, motor y zumbador (ambos en serie), y dos bombillas en paralelo. 20

21 46) Indica si los siguientes circuitos están en serie o en paralelo: 47) Dibuja el esquema de un circuito eléctrico con dos bombillas alimentadas por una pila y controladas por un solo interruptor de modo que, aunque se funda una bombilla, la otra pueda seguir luciendo. 48) Estando el interruptor cerrado, qué ocurre cuando?: a) Se funde solamente la lámpara L1. b) Se funde solamente la lámpara L2. c) Se estropea solamente el motor. d) Se funden las dos lámparas. Ejercicio48.ckt 49) Estando el interruptor cerrado, qué ocurrirá en cada uno de los siguientes casos? a) Qué lámpara tendrá más brillo? b) Qué lámparas se iluminarán si se funde L4? c) Qué lámparas se iluminarán si se funde L2? d) Qué lámparas dejarán de funcionar si se funde la L3? Ejercicio49.ckt Video repaso de electricidad: 21