UNIDAD 1: CONCEPTOS BÁSICOS DE ELECTRICIDAD

Transcripción

1 1. La corriente eléctrica. UNIDAD 1: CONCEPTOS BÁSICOS DE ELECTRICIDAD 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 (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. - Tipos de corriente o La corriente continua (CC en español, en inglés DC, de Direct Current) es el flujo continuo de electrones a través de un conductor entre dos puntos de distinto potencial. A diferencia de la corriente alterna (CA en español, AC en inglés), en la corriente continua las cargas eléctricas circulan siempre en la misma dirección (es decir, los terminales de mayor y de menor potencial son siempre los mismos). Aunque comúnmente se identifica la corriente continua con la corriente constante (por ejemplo la suministrada por una batería), es continua toda corriente que mantenga siempre la misma polaridad. o Se denomina corriente alterna (abreviada CA en español y AC en inglés, de Alternating Current) a la corriente eléctrica en la que la magnitud y dirección varían cíclicamente. La forma de onda de la corriente alterna más comúnmente utilizada es la de una onda senoidal (figura 1), puesto que se consigue una transmisión más eficiente de la energía. Sin embargo, en ciertas aplicaciones se utilizan otras formas de onda periódicas, tales como la triangular o la cuadrada. Utilizada genéricamente, la CA se refiere a la forma en la cual la electricidad llega a los hogares y a las empresas. Sin embargo, las señales de audio y de radio transmitidas por los cables eléctricos, son también ejemplos de corriente alterna. En estos usos, el fin más importante suele ser la transmisión y recuperación de la información codificada (o modulada) sobre la señal de la CA. 1

2 2. Aislantes y conductores. Cuando un cuerpo neutro es electrizado, sus cargas eléctricas, bajo la acción de las fuerzas correspondientes, se redistribuyen hasta alcanzar una situación de equilibrio. Algunos cuerpos, sin embargo, ponen muchas dificultades a este movimiento de las cargas eléctricas por su interior y sólo permanece cargado el lugar en donde se depositó la carga neta. Otros, por el contrario, facilitan tal redistribución de modo que la electricidad afecta finalmente a todo el cuerpo. Los primeros se denominan aislantes y los segundos conductores. a. Conductores Cuando el material tiene muchos electrones libres, como es el caso de los metales, permite el paso de los electrones con facilidad y se le llama conductor, es decir, son los que dejan traspasar a través de ellos la electricidad, ejemplo: cobre, aluminio, plata, oro, etc. Conductores de primer orden: Los conductores de primer orden son aquellos que poseen conductancia eléctrica, en los cuales los portadores de la carga son los electrones. Se caracterizan por tener una conducción sin transferencia substancial de masa. La mayoría de los metales, el grafito y algunos óxidos muestran este tipo de conducción. A veces, a estos materiales se les conoce como conductores metálicos y su conductividad decrece cuando aumenta la temperatura. Conductores de segundo orden: Los conductores de segundo orden poseen conductancia iónica o electrolítica, y los portadores de la carga son los iones. En este tipo de conductores se da una transferencia de masa asociada con la conductividad. Las soluciones acuosas con sales disueltas, los suelos y las sales iónicas son algunos ejemplos de este tipo de conductores. Su conductividad aumenta cuando se incrementa la temperatura. Conductores mixtos o de tercer orden: Algunos materiales, llamados comúnmente semiconductores, poseen tanto conductancia iónica como eléctrica. Por lo general predomina el carácter eléctrico. Su conductividad es demasiado baja en general, pero aumenta rápidamente con la temperatura. La mayoría de los óxidos metálicos (*NiO, ZnO, etc.*) y algunos metales (Si, Ge, etc.). 2

3 b. Aislantes Si por el contrario el material tiene pocos electrones libres, éste no permitirá el paso de la corriente y se le llama aislante o dieléctrico, es decir, son los que no permiten el paso de la corriente eléctrica, ejemplo: madera, plástico, etc. La conductancia en ellos es muy difícil, sin importar el tipo de mecanismo que participe en la conductividad, sobre todo si se les compara con la de los conductores mencionados antes. La influencia del proceso de conducción en la conducta electroquímica de las reacciones es muy importante Cada reacción de corrosión, así como las presentes en sistemas de protección catódica, tienen un origen electroquímico y se presentan en la interfase entre un conductor de primer orden (eléctrico) y uno de segundo orden (electrolítico). Por ejemplo, si un metal (conductor) tiene una película de óxido o una capa de pintura (aislantes) sobre su superficie, se estaría esperando con esto que tuviera una alta resistencia en la transferencia de electrones. Esto cambiaría la velocidad de la reacción y la energía requerida para llevarla a cabo. 3. El circuito básico. Elementos básicos de un circuito. Un circuito eléctrico es una serie de elementos o componentes eléctricos, tales como resistencias, inductancias, condensadores y fuentes, o electrónicos, conectados eléctricamente entre sí con el propósito de generar, transportar o modificar señales eléctricas. En este reporte se dan a conocer aspectos fundamentales sobre el funcionamiento de un circuito, así como también conocimientos elementales referentes a la continuidad eléctrica y el voltaje. El manejo de la protoboard es necesario en el desarrollo de esta práctica, pues se utiliza en cada una de las pruebas y procesos realizados. Esta práctica es de gran utilidad porque además de comprender el funcionamiento de un circuito eléctrico, también se pone en práctica el uso y manipulación de dispositivos eléctricos básicos tales como el multímetro, la fuente, la protoboard, etc. El desarrollo sistemático y paso a paso que se le da a la guía de trabajo de la práctica, hace que cada concepto se pueda entender, con la ayuda de las tablas, esquemas y gráficos presentados en el desarrollo del trabajo. Ningún estudiante de electricidad puede pasar por alto estos conocimientos fundamentales que son la base para el desarrollo de proyectos complejos. Un circuito eléctrico tiene tres partes importantes: la fuente de energía, los conductores y la carga (esta última es la que aprovecha la energía proporcionada por la fuente de energía). Existen tres formas típicas de representar un circuito: el diagrama de bloques (Figura 1), el diagrama esquemático (figura 2) y el diagrama pictórico (figura 3), tal como se muestra a continuación: DIAGRAMA DE BLOQUES 3

4 DIAGRAMA ESQUEMÁTICO DIAGRAMA PICTÓRICO 4. Magnitudes a. Resistencia La resistencia eléctrica de un objeto es una medida de su oposición al paso de una corriente. Descubierta por Georg Ohm en 1827, la resistencia eléctrica tiene un parecido conceptual a la fricción en la física mecánica. La unidad de la resistencia en el Sistema Internacional de Unidades es el ohmio (Ω). Para su medición en la práctica existen diversos métodos, entre los que se encuentra el uso de un ohmimetro. Además, su cantidad recíproca es la conductancia, medida en Siemens. Para una gran cantidad de materiales y condiciones, la resistencia eléctrica no depende de la corriente eléctrica que pasa a través de un objeto o de la tensión en los terminales de este. Esto significa que, dada una temperatura y un material, la resistencia es un valor que se mantendrá constante. Un buen conductor, se dice, tiene una resistencia pequeña y un mal conductor, una resistencia alta. 4

5 i. Asociación en Serie Se dice que se han asociado resistencias en serie cuando a través de cada una de ellas circula la misma corriente y las diferencias de potencial existente en cada una de ellas serán distintas. En símbolo: I es la misma para cada una de las resistencias Mientras que las diferencia de potenciales son distintas: Vab Vbc Vcd Esta asociación de resistencias en serie puede ser reemplazada por una resistencia equivalente tal que en sus extremos se mantenga la diferencia de potencial Vad y circule por ella una corriente I, y además valga: Re = R1+ R2 + R3 En general en una asociación de resistencias en serie, la resistencia equivalente a la de todas las resistencias parciales: R = R1+ R2 + R Rn ii. Asociación en Paralelo Se dice que se han asociado resistencias en paralelo, si la diferencia de potencial en los extremos de cada una de ellas es la misma y la corriente que circula por cada una de ellas es distinta. Vab es la misma para cada una de las resistencias, I1 I 2 Una asociación de resistencias en paralelo puede ser reemplazado por una resistencia equivalente tal que sus extremos estén a la diferencia de potencial Vab y circule por ella una corriente I y tenga el valor: En general, en una asociación de resistencias en paralelo la reciproca de la resistencia equivalente será la suma de todas las recíprocas de las resistencias parciales: 5

6 b. Intensidad Se define intensidad eléctrica o corriente como el flujo de electrones que circula en un sentido determinado a través de un medio conductor. El amperio o ampere (símbolo A), es la unidad de intensidad de corriente eléctrica. Forma parte de las unidades básicas en el Sistema Internacional de Unidades y fue nombrado en honor de André-Marie Ampère. c. Tensión o diferencia de potencial 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. Se puede medir con un voltímetro. En el Sistema Internacional de Unidades, la diferencia de potencial se mide en voltios (V), al igual que el potencial. 5. Ley de Ohm El ohmio (también ohm) es la unidad de medida de la resistencia que oponen los materiales al paso de la corriente eléctrica y se representa con la letra W o con el símbolo o letra griega Ω (omega). El ohmio se define como la resistencia que ofrece al paso de la corriente eléctrica una columna de mercurio (Hg) de 106,3 cm de alto, con una sección transversal de 1 mm 2, a una temperatura de 0º Celsius. Esta ley relaciona los tres componentes que influyen en una corriente eléctrica, como son la intensidad (I), la diferencia de potencial o tensión (V) y la resistencia (R) que ofrecen los materiales o conductores. 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 fórmula o ecuación: Donde, empleando unidades del Sistema internacional de Medidas, tenemos que: 6

7 I = Intensidad en amperios (A) V = Diferencia de potencial en voltios (V) R = Resistencia en ohmios (W o Ω). Léase: La intensidad (en amperios) de una corriente es igual a la tensión o diferencia de potencial (en voltios) dividido o partido por la resistencia (en ohmios). De acuerdo con la Ley de Ohm, un ohmio (1 W o Ω) es el valor que posee una resistencia eléctrica cuando al conectarse a un circuito eléctrico de un voltio (1 V) de tensión provoca un flujo o intensidad de corriente de un amperio (1 A). La resistencia eléctrica, por su parte, se identifica con el símbolo o letra (R) y la fórmula general (independientemente del tipo de material de que se trate) para despejar su valor (en su relación con la intensidad y la tensión) derivada de la fórmula general de la Ley de Ohm, es la siguiente: Léase: La resistencia a una corriente (en ohmios) es igual a la tensión o diferencia de potencial (en voltios) dividido o partido por la intensidad (en amperios). 6. Energía Para entender qué es la potencia eléctrica hay que definir antes el concepto de energía : Energía es la capacidad que tiene un mecanismo o dispositivo eléctrico cualquiera para realizar un trabajo. Cuando conectamos un PC o cualquier artefacto eléctrico a un circuito alimentado por una fuente de fuerza electromotriz (ya sea una pequeña batería o una central hidroeléctrica), la energía eléctrica que suministra fluye por el conductor, permitiendo que, por ejemplo, una bombilla transforme esa energía en luz y calor, o un motor pueda mover una maquinaria. De acuerdo con el postulado de la física, la energía ni se crea ni se destruye, se transforma, en el caso de la energía eléctrica esa transformación se manifiesta en la obtención de luz, calor, frío, movimiento (en un motor), o en otro trabajo útil que realice cualquier dispositivo conectado a un circuito eléctrico cerrado. La energía utilizada para realizar un trabajo cualquiera, se mide en joule (en castellano julio) y se representa con la letra J. a. Trabajo El trabajo que realiza una fuerza se define como el producto de ésta por el camino que recorre su punto de aplicación y por el coseno del ángulo que forman la una con el otro. El trabajo es una magnitud física escalar que se representa con la letra (del inglés Work) y se expresa en unidades de energía, esto es en julios o joules (J) en el Sistema Internacional de Unidades. 7

8 Matemáticamente lo expresamos en la forma: Donde es el trabajo mecánico, es la magnitud de la fuerza, es la distancia recorrida y es el ángulo que forman entre sí el vector fuerza y el vector desplazamiento (véase dibujo). Cuando el vector fuerza es perpendicular al vector desplazamiento del cuerpo sobre el que se aplica, dicha fuerza no realiza trabajo alguno. b. Definición de energía mecánica. La energía mecánica es la parte de la física que estudia el equilibrio y el movimiento de los cuerpos sometidos a la acción de fuerzas. Hace referencia a las energías cinética y potencial. c. Energía cinética. Se define como la energía asociada al movimiento. Ésta energía depende de la masa y de la velocidad según la ecuación: E c = ½ m. v 2 Con lo cual un cuerpo de masa m que lleva una velocidad v posee energía. d. Energía potencial. Se define como la energía determinada por la posición de los cuerpos. Esta energía depende de la altura y el peso del cuerpo según la ecuación: E p = m. g. h Con lo cual un cuerpo de masa m situado a una altura h (se da por hecho que se encuentra en un planeta por lo que existe aceleración gravitatoria) posee energía. Debido a que esta energía depende de la posición del cuerpo con respecto al centro del planeta se la llama energía potencial gravitatoria. e. Tipos de energía potencial. Elástica: la que posee un muelle estirado o comprimido. Química: la que posee un combustible, capaz de liberar calor. Eléctrica: la que posee un condensador cargado, capaz de encender una lámpara. En algunas ocasiones un cuerpo puede tener ambas energías como por ejemplo la piedra que cae desde un edificio: tiene energía potencial porque tiene peso y está a una altura y al pasar los segundos la irá perdiendo (disminuye la altura) y posee energía cinética porque al caer lleva velocidad, que cada vez irá aumentando gracias a la aceleración de la gravedad. 8

9 Las energías cinética y potencial se transforman entre sí, su suma se denomina energía mecánica y en determinadas condiciones permanece constante. f. Demostración de la ecuación de la energía mecánica. Se define energía mecánica como la suma de sus energías cinética y potencial de un cuerpo: E m = ½ m. v 2 + m. g. h 7. Potencia eléctrica Potencia es la velocidad a la que se consume la energía. También se puede definir Potencia como la energía desarrollada o consumida en una unidad de tiempo, expresada en la fórmula Se lee: Potencia es igual a la energía dividida por el tiempo Si la unidad de potencia (P) es el watt (W), en honor de Santiago Watt, la energía (E) se expresa en julios (J) y el tiempo (t) lo expresamos en segundos, tenemos que: Entonces, podemos decir que la potencia se mide en julio (joule) dividido por segundo (J/seg) y se representa con la letra P. Además, diremos que la unidad de medida de la potencia eléctrica P es el watt, y se representa con la letra W. Como un J/seg equivale a 1 watt (W), por tanto, cuando se consume 1 julio (joule) de potencia en un segundo, estamos gastando o consumiendo 1 watt de energía eléctrica. Para entenderlo, hagamos un símil: Si la energía fuese un líquido, la potencia sería los litros por segundo que vierte el depósito que lo contiene. - Cálculo de la potencia Para calcular la potencia que consume un dispositivo conectado a un circuito eléctrico se multiplica el valor de la tensión, en volt (V), aplicada por el valor de la intensidad (I) de la corriente que lo recorre (expresada en ampere). Para realizar ese cálculo matemático se utiliza la siguiente fórmula: 9

10 P = V I Expresado en palabras: Potencia (P) es igual a la tensión (V) multiplicada por la Intensidad (I). Como la potencia se expresa en watt (W), sustituimos la P que identifica la potencia por su equivalente, es decir, la W de watt, tenemos también que: P = W, por tanto, W = V I Expresado en palabras: Watt (W) es igual a la tensión (V) multiplicada por la Intensidad (I). Si conocemos la potencia en watt de un dispositivo y la tensión o voltaje aplicado (V) y queremos hallar la intensidad de corriente (I) que fluye por un circuito, despejamos la fórmula anterior y realizamos la operación matemática correspondiente: Si observamos la fórmula W = V I veremos que el voltaje y la intensidad de la corriente que fluye por un circuito eléctrico son directamente proporcionales a la potencia; es decir, si uno de ellos aumenta o disminuye su valor, la potencia también aumenta o disminuye de forma proporcional. Entonces podemos deducir que, 1 watt (W) es igual a 1 ampere de corriente ( I ) que fluye por un circuito, multiplicado por 1 volt (V) de tensión o voltaje aplicado. 1 watt = 1 volt 1 ampere A modo de ejemplo, resolvamos el siguiente problema: Cuál será la potencia o consumo en watt de una bombilla conectada a una red de energía eléctrica doméstica monofásica de 220 volt, si la corriente que circula por el circuito de la ampolleta es de 0,45 ampere? Sustituyendo los valores en la fórmula tenemos: P = V I P = 220 0,45 P = 100 watt Es decir, la potencia de consumo de la ampolleta será de 100 W. Si en el mismo ejemplo quisiéramos hallar la intensidad de la corriente que fluye por la bombilla y conocemos la potencia y la tensión o voltaje aplicada al circuito, usamos la fórmula Si realizamos la operación utilizando los mismos datos del ejemplo anterior, tendremos: 10

11 Para hallar la potencia de consumo en watt de un dispositivo, también se pueden utilizar cualquiera de las dos fórmulas siguientes: o Con la primera, el valor de la potencia se obtiene elevando al cuadrado el valor de la intensidad de corriente en ampere (A) que fluye por el circuito, multiplicando a continuación ese resultado por el valor de la resistencia en ohm o ohmio (Ω) que posee la carga o consumidor conectado al propio circuito. Con la segunda fórmula obtenemos el mismo resultado elevando al cuadrado el valor del voltaje de la red eléctrica y dividiéndolo a continuación por el valor en ohm o ohmio (Ω) que posee la resistencia de la carga conectada. Kilowatt/hora Usando el watt y el segundo resultan unidades muy pequeñas, por ello, para medir la potencia eléctrica se usa otra unidad llamada kilowatt-hora. Esta unidad proviene de despejar energía (E) de la ya conocida ecuación Despejando la ecuación, la energía queda Entonces la unidad de energía sería 1 julio = 1 watt x 1 segundo pero 1 kilowatt = watt y 1 hora = segundos, por lo tanto: 1 Kilowatt-hora = 1 KWh = watt x segundos = 3,6 x 10 6 julios O, también: 11

12 1 KWh = julios Cuando la corriente circula por un conductor, los electrones pierden energía al colisionar al interior del conductor, como consecuencia de esto, aumenta la temperatura; es decir, la energía eléctrica se disipa en forma de calor. Si el conductor es muy fino, éste se calienta hasta ponerse incandescente, este efecto tiene aplicación en estufas, hornos eléctricos, ampolletas, etc. Una de las aplicaciones más útiles de la energía eléctrica es su transformación en calor. Como el calor es una forma de energía, se mide en julios, pero existe una unidad para medir el calor: la caloría. Esta se puede transformar en julios por medio de principio de equivalencia definido por James Joule, que establece 1 julio = 0,24 calorías Entonces, para encontrar el calor proporcionado por una corriente eléctrica, basta multiplicar la energía en joule por 0,24; es decir, el calor se puede obtener de la siguiente forma: Q = P t x 0,24 calorías Siendo esta fórmula la expresión de la ley de Joule cuyo enunciado es el siguiente: "El calor desarrollado por una corriente eléctrica al circular por un conductor es directamente proporcional al tiempo, a la resistencia del conductor y al cuadrado de la intensidad de la corriente." 12

13 EJERCICIOS. 1. Determine la corriente que pasa por un circuito eléctrico que se encuentra conectado a 50V y presenta una resistencia de 450Ω. 2. Cual es el voltaje que alimenta a un circuito por el que pasan 8.5A de corriente y presenta una resistencia de 100 Ω. 3. El voltaje que entrega una pila es de 9Vy la corriente es de 8mA, determine la resistencia que presenta el circuito. 4. Cual debe ser la resistencia que presenta el embobinado de un motor que se alimenta de 9V en corriente directa y pasa una corriente de 0.425A? 5. Un circuito está formado por una asociación de tres resistencias en serie cuyos valores son: R1 = 100 Ω, R2 = 1 kω y R3 = 150Ω. Además hay un generador de corriente eléctrica que suministra un voltaje de 125 voltios. a) Dibuja el esquema del circuito. b) Calcula la resistencia equivalente de la asociación de resistencias. c) Cuál es la intensidad de corriente que circula por el circuito? 6. En un circuito hemos asociado dos resistencias en paralelo cuyos valores son: R1 = 250 Ω y R2= 500 Ω. Una pila suministra al circuito un voltaje de 9 voltios. a) Dibuja el esquema del circuito. b) Calcula la resistencia equivalente de esa asociación de resistencias. c) Calcula la intensidad de corriente que circula por cada una de las resistencias. 7. Un circuito está formado por un generador de corriente que suministra un voltaje de 220 V y tres resistencias en serie cuyos valores son 50 Ω, 2 kω y 150 Ω respectivamente. a) Dibuja el esquema del circuito. b) Calcula la resistencia equivalente. c) Calcula la intensidad que circula por cada una de las resistencias. 8. La potencia de una lavadora es watt, si un generador le suministra una corriente de 8,18 A, a qué tensión está conectada? 9. Qué corriente fluye por un artefacto si consume una potencia de 1200 watt y se conecta a una diferencia de potencial de 220 voltios? 10. Una estufa de 3 kw se enciende durante 2 horas 48 minutos Cuántas calorías se desprenden en ese tiempo? 11. Una bombilla de 100 W se conecta a 220 V. a) Qué intensidad la atraviesa? b) Cuál es su potencia? c) Cuántas calorías desprende en 1 / 2 hora? 12. En el circuito de la figura, la bombilla luce a pleno rendimiento cuando pasa por ella una intensidad de 90mA. Para hacerla lucir bien debe conectarse a una pila de 9 V. Sin embargo, no tenemos pila de 9 V, sino que tenemos una batería que suministra 24 V. Para poder utilizar la bombilla podemos poner en serie con ella una resistencia, pero de cuántos ohmios? Qué potencia debería suministrar la pila? 13

14 13. En los siguientes circuitos calcule todas las corrientes, voltajes y potencias presentes. Para ello considere los siguientes valores de resistencias y voltaje de alimentación: R1= 1 kω, R2= 1 MΩ, R3= 2.2 kω, R4= 220 Ω, R5= 4.7 kω, R6= 120 Ω; R7= 1MΩ; Vcc= 12 (V) 14. Qué energía potencial posee un cuerpo de masa 5 kg colocado a 2 m del suelo? 15. Si el cuerpo del ejercicio anterior cae, con qué energía cinética llega al suelo? 14

15 16. Sabiendo que cada piso de un edificio tiene 2,3m y la planta baja 3m, calcular la energía potencial de una maceta que, colocada en el balcón de un quinto piso, posee una masa de 8,5kg. 17. Un carrito de 10 kg de masa se mueve con una velocidad de 3 m/s, calcular: a) La energía cinética si debe subir una pendiente. b) La altura que alcanzará. 18. Un cuerpo de 150 g de masa se lanza hacia arriba con velocidad inicial de 400 m/s, calcular la energía cinética. Profesor: Javier Gordillo 15