CIRCUITOS ELÉCTRICOS

Transcripción

1 CIRCUITOS ELÉCTRICOS 1. LA CORRIENTE ELÉCTRICA Estructura del átomo. Todos los materiales están formados 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 o energía eléctrica Materiales conductores y materiales aislantes. Corriente eléctrica. En los materiales conductores, como el cobre, algunos de sus electrones están muy débilmente unidos al núcleo del átomo. Si se les aplica una fuerza exterior (llamada fuerza electromotriz) pueden viajar saltando de átomo en átomo. A este desplazamiento continuo y ordenado de electrones a través de un material conductor se le llama corriente eléctrica. Nota: Como veremos, la fuerza electromotriz procede de un generador eléctrico (como una pila). Por tanto, los materiales conductores son aquellos que dejan pasar la corriente eléctrica. Ejemplos de materiales conductores: cobre, aluminio, oro, hierro, etc. En general, todos los metales son conductores de la electricidad. Por contra, en los materiales llamados aislantes los electrones están fuertemente unidos al núcleo del átomo, por lo que estos materiales no permiten que se establezca una corriente eléctrica. Ejemplos de materiales aislantes: madera, plástico, cerámica, vidrio, etc. Por último, existe un grupo de materiales (como el silicio o el germanio) que en determinadas circunstancias permiten la circulación de sus electrones y en otras no. A estos materiales se les llama semiconductores. 1

2 Una aplicación inmediata de materiales conductores y aislantes se encuentra en los cables eléctricos: la corriente eléctrica circula por su interior a través de los hilos de cobre (material conductor), recubiertos de plástico (material aislante), que impide que ésta se desvíe a otros materiales y permite su manipulación sin recibir una descarga eléctrica Precauciones con la corriente eléctrica. Las descargas eléctricas pueden producir desde pequeños calambres a serias quemaduras y contracciones musculares que pueden provocar la muerte. Hay que adoptar algunas precauciones básicas: - No se debe manipular el interior de ningún aparato eléctrico mientras está conectado a la red. - No se debe tocar ningún aparato eléctrico que está encendido si tenemos las manos o los pies mojados. El motivo es que la humedad facilita notablemente el paso de la corriente eléctrica por nuestro cuerpo. Por eso es tan peligroso manejar aparatos eléctricos en el cuarto de baño. 2. EL CIRCUITO ELÉCTRICO Qué es un circuito eléctrico?. Un circuito eléctrico es el camino cerrado que sigue la corriente eléctrica a lo largo de un conductor que tiene sus extremos conectados a un generador eléctrico. También se puede definir un circuito eléctrico como un conjunto de elementos interconectados de tal forma que permiten el paso de la corriente eléctrica. La finalidad de los circuitos es hacer que la corriente eléctrica haga un trabajo útil, como iluminar, mover un motor, hacer sonar un timbre, calentar, etc. Para ello es necesario una transformación de la energía eléctrica que transportan los electrones en otras formas de energía (luminosa, mecánica, sonora, térmica, etc.). Como veremos, esta transformación energética se produce en los componentes del circuito llamados receptores. 2

3 2.2. Componentes de un circuito eléctrico. Los elementos que componen un circuito eléctrico se pueden clasificar en cuatro grandes grupos o familias: a) Generadores de corriente. Son los componentes de un circuito que suministran la energía eléctrica al circuito, es decir, producen la fuerza (llamada fuerza electromotriz) necesaria para que los electrones estén en continuo movimiento por el material conductor. Ejemplos de generadores: pilas, baterías, dinamos, alternadores y placas solares. Las pilas crean una diferencia de potencial o voltaje entre sus terminales que permite que circule la corriente eléctrica continuamente. Los terminales o polos de una pila reciben los nombres de polo positivo (+) y polo negativo (-). El voltaje de las pilas suele estar entre 1,5 V y 9 V. b) Conductores. El conductor es el elemento de un circuito eléctrico que transporta la corriente eléctrica a los demás elementos del circuito. Generalmente, el conductor de un circuito es un cable formado por hilos de cobre trenzado y recubiertos por un aislante plástico. c) Receptores. Son los componentes que reciben la energía eléctrica y la transforman en otras formas de energía útiles para nosotros: - Energía mecánica (movimiento), como ocurre en los motores eléctricos. - Energía luminosa, como ocurre en las lámparas. - Energía térmica o calor, como ocurre en las resistencias de equipos calefactores. - Energía sonora, como ocurre en los timbres o zumbadores. d) Elementos de mando o de control. Estos elementos nos permiten controlar el funcionamiento del circuito, conectando y desconectando los diferentes elementos según nuestra voluntad. Los elementos de control más empleados son los interruptores, pulsadores y conmutadores Esquemas eléctricos. Para analizar el funcionamiento de los circuitos eléctricos es habitual representarlos gráficamente mediante los llamados esquemas eléctricos. Para realizar esquemas eléctricos deberemos conocer los símbolos de los diferentes componentes de un circuito: 3

4 Componente eléctrico Pila Símbolo Cable Bombilla Motor Timbre o zumbador Resistencia Interruptor Pulsador Conmutador 2.4. Circuito abierto y circuito cerrado. Cuando todos los componentes de un circuito están conectados entre sí, y no hay ninguna discontinuidad, la corriente eléctrica puede circular; se dice entonces que el circuito está cerrado. Si existe alguna discontinuidad (provocada por un cable roto, un componente desconectado o por un elemento de control), la corriente no circulará y se dice que el circuito está abierto El sentido de la corriente en un circuito eléctrico. En un circuito eléctrico, el sentido real de circulación de los electrones es el siguiente: del polo negativo al polo positivo de la pila. Sin embargo, antiguamente se creía que los electrones eran partículas con carga positiva y se le dio a la corriente eléctrica el sentido contrario (del polo positivo al polo negativo). Este convenio se mantuvo en el tiempo y aún es el que se acepta para el análisis de circuitos eléctricos. Por tanto, a partir de ahora considerarás de forma convencional que la corriente eléctrica va del polo positivo al polo negativo de la pila, aunque sabes que realmente los electrones circulan en sentido contrario. 4

5 3. MAGNITUDES ELÉCTRICAS BÁSICAS. LEY DE OHM. Para poder comprender el funcionamiento de un circuito eléctrico es necesario conocer el significado de las magnitudes eléctricas básicas: resistencia eléctrica, voltaje e intensidad de corriente. También hay que saber operar con la llamada ley de Ohm Resistencia. De forma general, se llama resistencia eléctrica (R) a la dificultad u oposición que ofrece un material al paso de la corriente eléctrica. La unidad de medida de la resistencia es el ohmio (Ω) y el aparato de medida se llama ohmímetro. Hay que distinguir entre: - Resistencia del conductor. Los materiales aislantes tienen una resistencia eléctrica tan elevada que impiden el paso de la corriente eléctrica. Por su parte, la resistencia eléctrica de un conductor depende de 3 factores: 1. El tipo de material conductor. Por ejemplo, el cobre conduce mejor la electricidad que el aluminio. 2. La longitud del conductor. A mayor longitud del conductor, mayor resistencia eléctrica. 3. La sección transversal o superficie de paso del conductor. Cuanto más estrecho es el conductor, mayor es la resistencia eléctrica. Donde: R: valor de la resistencia, en ohmios (Ω). L: longitud del elemento de material (barra, hilo, etc.), en m. S: sección del elemento de material, en mm 2. ρ : resistividad del material, en. Es un valor característico de cada material. 5

6 Cobre: ρ = Aluminio: ρ= Hierro: ρ = 0.1 Madera: ρ = de a Vidrio: ρ = Resistencia de un receptor. Todos los receptores ofrecen una determinada resistencia eléctrica. Por su parte, se llama resistencia al receptor que transforma la energía eléctrica en calor (por ejemplo, la resistencia de una tostadora, de un brasero, de una cocina eléctrica, de un calentador de agua eléctrico, etc.) - Resistencia del circuito. Se llama resistencia de un circuito eléctrico a la resistencia total que ofrece el circuito al paso de la corriente eléctrica Voltaje, tensión eléctrica o diferencia de potencial. El voltaje o tensión eléctrica (V) es la diferencia de potencial (diferencia de fuerza eléctrica) existente entre dos puntos de un circuito eléctrico. Se llama fuerza electromotriz al voltaje entre los polos de una pila. La tensión se mide en voltios (V) y el aparato de medida se llama voltímetro Intensidad de corriente. La intensidad de corriente (I) es el número de electrones, en culombios, que pasan por un punto del circuito en un segundo. Es como el tráfico de electrones en las carreteras del circuito eléctrico. Al trabajar con electrones manejamos cantidades muy elevadas. Para evitar estas enormes cifras se emplea una unidad equivalente, llamada culombio: 1 culombio = 6, electrones (unos 6 trillones de electrones). La unidad de intensidad de corriente es el amperio (A), que equivale al paso de un culombio por un punto de un conductor en un segundo. El aparato de medida de la intensidad de corriente es el amperímetro. 6

7 3.4. Ley de Ohm. En todo circuito eléctrico se cumple la ley de Ohm: La intensidad de corriente que recorre un circuito (o un componente de un circuito) es igual al voltaje de dicho circuito (o de un componente) dividido por la resistencia del circuito (o del componente) I=V/R Donde: I: intensidad de corriente en amperios (A). V: voltaje en voltios (V). R: resistencia eléctrica en ohmios (Ω). 4. CONEXIÓN DE RECEPTORES EN SERIE Y EN PARALELO Conexión de receptores en paralelo. Los receptores se colocan en paralelo si todos ellos se unen de forma que los bornes o terminales de entrada de todos ellos coincidan entre sí, lo mismo que sus terminales de salida. Es decir, para conectar receptores en paralelo, el cable principal que proviene del generador se debe bifurcar en dos o más cables, tantos como receptores. En este tipo de circuitos los receptores reciben todo el voltaje del generador, igual que si se conectasen directamente. Por ejemplo, si conectamos 2 bombillas a una pila de 4,5 V, cada una estará sometida a una tensión de 4,5 V. Las bombillas lucirán igual que si estuviesen conectadas directamente a la pila. Como la corriente eléctrica puede seguir diferentes caminos, la intensidad se reparte entre cada uno de los receptores. Este tipo de circuitos tiene la ventaja que si una de los receptores se avería o se desconecta, los demás siguen funcionando Conexión de receptores en serie. Dos o más receptores (bombillas, motores, zumbadores, resistencias, etc.) están conectados en serie cuando se conectan uno a continuación del otro, compartiendo el mismo cable, como si fueran los vagones de un tren. Como sólo hay un camino la intensidad de corriente que atraviesa cada una de los receptores es la misma que la que sale de la pila. 7

8 En este tipo de circuitos el voltaje de la pila se reparte entre los receptores, con lo que si son bombillas éstas lucen menos que si estuvieran conectadas en paralelo. Por ejemplo, si conectamos 3 bombillas iguales a una pila de 4,5 V, a cada una le corresponderá sólo 1,5 V. Si son bombillas fabricadas para funcionar a 4,5 V, lucirán muy poco. En este tipo de circuitos, la corriente pasa por un receptor tras otro, de modo que si se desconecta o se avería uno de ellos, el resto no funciona porque no recibe corriente eléctrica. 8