TEMA 5. Electricidad

Transcripción

1 9º CCNN Departamento de Ciencias Naturales Curso Las cargas eléctricas TEMA 5. Electricidad La materia es eléctricamente neutra, sin embargo, un cuerpo se dice que está electrizado cuando gana o pierde electrones. La cantidad de electricidad de ese cuerpo es un número entero de veces la carga del electrón. En el SI, la unidad de carga eléctrica es el culombio (C), que equivale a la carga eléctrica de unos seis trillones de electrones: 1 C = 6, e Corriente eléctrica Cuando una carga se coloca en las inmediaciones de otras cargas, sufre una fuerza que puede desplazarla. Cuando existe un desplazamiento ordenador de cargas eléctricas, se dice que se produce una corriente eléctrica. En los materiales conductores existen partículas con carga eléctrica que pueden desplazarse. Los metales son buenos conductores de la corriente eléctrica, pues disponen de electrones que pueden moverse con libertad a lo largo del metal. Ejemplos son la plata, cobre y el aluminio. En los materiales aislantes, las cargas no pueden moverse con libertad, por lo que no transmiten la corriente eléctrica. Ejemplos son la madera y la goma. 3. Circuitos eléctricos Cuando el recorrido de las cargas eléctricas se cierra, decimos que existe un circuito eléctrico. Un circuito eléctrico está formado por distintos elementos conectados entre sí: - Generador que proporcione la energía necesaria para que circulen las cargas eléctricas por el circuito. - Hilos conductores por los que pueden circular las cargas eléctricas. - Receptores que aprovechan de manera útil la energía que transportan las cargas eléctricas, transformando esta energía eléctrica en luz, movimiento, sonido, etc. En un circuito, los elementos que lo componen se pueden disponer de dos maneras básicas: En serie, cuando los elementos se disponen uno a continuación de otro, en una misma rama del circuito. En paralelo, cuando diversos elementos se disponen en distintas ramas del circuito. 4. Magnitudes eléctricas Para estudiar el funcionamiento de los circuitos es necesario conocer algunas magnitudes eléctricas, como son la intensidad de corriente, la diferencia de potencial, resistencia, energía eléctrica y potencia eléctrica Intensidad de corriente (I) Concepto: Cantidad de carga eléctrica que atraviesa un conductor en un tiempo determinado. Su unidad en el SI es el amperio (A), que se corresponde a la intensidad de corriente que circula por un conductor cuando por éste se pasa una carga de un culombio en cada segundo. 1/6

2 Departamento de Ciencias Naturales 3º ESO Electricidad 4.2. Diferencia de potencial o voltaje (V) Concepto: Energía potencial que adquiere o que pierde una carga cuando se traslada entre dos puntos dentro de un circuito. Su unidad en el SI es el voltio (V) Resistencia eléctrica (R) Concepto: Oposición que ofrece un conductor al paso de la corriente. Su unidad en el SI es el ohmio (Ω). 5. Ley de Ohm La relación entre el voltaje, la resistencia y la intensidad de corriente en un circuito viene dada por la siguiente expresión: A partir de esta expresión se puede definir el ohmnio como la resistencia de un conductor por el que circula una corriente de un ampaerio cuando entre sus extremos se establece una diferencia de potencial de un voltio. 6. Cálculos en circuitos I = V / La Ley de Ohm resulta muy útil para predecir el valor de algunas magnitudes eléctricas en un circuito a partir de otras. Su cálculo varía en función de que la agrupación de los elementos sea en serie o en paralelo Circuitos con resistencias agrupadas en serie Los elementos están conectados unos a continuación de otros, como se observa en el circuito: R Todas las cargas que salen del primer receptor pasan por el segundo, por lo que la intensidad que pasa por cada resistencia es la misma: I 1 = I 2 La diferencia de potencial en cada receptor dependerá entonces del valor de la resistencia de cada uno. Por tanto, el voltaje proporcionado por la batería/generador será igual a la suma de la diferencia de potencial de cada receptor: V = V 1 + V 2 La resistencia total del circuito, denominada resistencia equivalente, puede calcularse sumando el valor de todas las resistencias del circuito: R eq = R 1 + R 2 2/6

3 9º CCNN Departamento de Ciencias Naturales Curso Circuitos con resistencias agrupadas en paralelo Los elementos están conectados como se observa en el circuito: Las cargas cuando llegan al punto A se reparten, circulando unas por la rama superior donde está R1, y otras por la inferior, donde está R2. Sin embargo, como la carga eléctrica se conserva, la suma del número de cargas que entran en cada rama es igual al número de cargas que entran y salen del generador: I T = I 1 + I 2 Sin embargo, las cargas no se reparten en cada rama de forma aleatoria, sino que se desplazarán más cargas, y por tanto la intensidad de corriente será mayor, en la rama del circuito donde la resistencia sea menor. Al ser la diferencia de potencial en cada receptor directamente proporcional al producto de ambas magnitudes (I R), esto hace que: V 1 = V 2 La resistencia equivalente del circuito se calcula de la siguiente forma: 7. Energía y potencia eléctricas 1/R eq = 1/R 1 + 1/R 2 En un circuito, todas las cargas que salen del generador vuelven al mismo tras recorrer el circuito, pero vuelven con menos energía de la que tenían al salir, ya que han cedido energía en su recorrido por el circuito. La energía eléctrica es la causada por el movimiento de las cargas eléctricas en el interior de los materiales conductores. En los conductores, la energía eléctrica se disipa en forma de calor, o bien es consumida en los receptores, que la transforman en otros tipos de energía. 3/6

4 Departamento de Ciencias Naturales 3º ESO Electricidad 7.1. Efecto calorífico de la corriente eléctrica Ley de Joule: La energía eléctrica disipada como calor en una resistencia o consumida por un receptor, es proporcional al valor de la resistencia, al cuadrado de la intensidad y al tiempo de paso de la corriente. Donde: E es la energía en Julios (J). I es la intensidad en amperios (A). R es la resistencia en ohmios (Ω). t es el tiempo en segundos (s). Teniendo en cuenta la Ley de Ohm: E = I 2 R t I V / 2 = R tenemos que: E = ( V t) / R Este efecto calorífico de la corriente eléctrica se aprovecha en aparatos eléctricos como estufas y planchas Potencia eléctrica La energía eléctrica se puede transformar en otras formas de energía útiles, como en energía mecánica, responsable del funcionamiento de un secador de pelo. La potencia eléctrica de un dispositivo representa la energía transformada en el dispositivo en la unidad de tiempo, y viene dada por la expresión: Donde: P es la potencia en vatios (W). V es el voltaje (V). I es la intensidad (A). R es la resistencia (Ω). Teniendo en cuenta el concepto de potencia y el efecto Joule (E = I 2 R t), tenemos que: Donde E representa la energía (en julios) consumido por un aparato eléctrico en función del tiempo (en segundos) que se encuentre funcionando. Otra forma de expresar esta energía es el kilovatio hora (kwh), que es la energía que consume un aparato eléctrico de 1kw de potencia que funciona durante 1 hora. 8. Producción de energía eléctrica E = P t 2 P = V I = I R E = P t = 1kW 1h = 1kW h La energía eléctrica se produce en las centrales eléctricas. En ellas, unas grandes turbinas se mueven generando energía cinética, que posteriormente es transformada en energía eléctrica en un alternador. Pero, qué mueve las turbinas? 4/6

5 9º CCNN Departamento de Ciencias Naturales Curso Se distinguen varios tipos de centrales eléctricas, según el mecanismo que utilice para producir el movimiento de las turbinas. Por tanto, en origen, la energía eléctrica se produce a partir de energías renovables o no renovables, siendo estas últimas las más usadas, como las centrales térmicas. Las centrales térmicas usan combustibles fósiles, que además de ser un recurso no renovable que está agotándose, liberan CO 2, incrementando su concentración en la atmósfera, y causando otro problema, el calentamiento global. Ambos son los motivos por los que tenemos que AHORRAR ENERGÍA. 8.1 Etiquetado energético Las etiquetas energéticas indican la eficiencia energética del electrodoméstico (7 niveles) en función de su consumo anual, comparado con el consumo medio. 5/6

6 Departamento de Ciencias Naturales 3º ESO Electricidad Ley de Ohm PROBLEMAS DE ELECTRICIDAD 1. Calcula la resistencia de un conductor por el que circula una corriente de 2 A bajo una tensión de 12V. Sol. 6 Ω 2. Calcula la diferencia de potencial entre los extremos de un conductor de 10 Ω de resistencia por el que circula una corriente de 7.5 A. Sol. 75 V 3. Calcula la intensidad de corriente que circula por un conductor de 10 Ω de resistencia, si la diferencia de potencial entre sus extremos es de 0.02 mv. Sol A Circuitos 4. Dos resistencias iguales de 10 Ω cada una están conectadas en paralelo. A continuación se conecta en serie otra resistencia de 20 Ω y todo el conjunto se conecta a una batería de 30 V. a. Dibuja el circuito. b. Calcula la resistencia equivalente. Sol. 25 Ω; c. Calcula la potencia disipada en la resistencia de 20 Ω. 45 W d. El calor desprendido en el circuito en 30 minutos. Sol J 5. Dado el siguiente circuito, calcula: a) La resistencia equivalente. b) La intensidad que circula por el circuito. c) El voltaje en cada resistencia. Sol. a) 23 Ω; b) Sol A; c) V 1 = 7.8V, V 2 = 2.6V, V 3 = 1.6V 6. Dado el siguiente circuito, calcula: a) La resistencia equivalente del circuito. b) La intensidad que circula por el circuito. Sol. a) 1.6 Ω; b) 7.5 A 12 V 15 Ω 5 Ω 3 Ω 12 V 4 Ω Energía y potencia eléctrica 7. Calcula la energía consumida por una plancha de W si está enchufada durante 30 minutos. Sol. 0.5 kwh 8. Disponemos de una bombilla de 75 W y 220 V. Calcula: a) La intensidad de corriente que circula por la bombilla; b) la resistencia de la bombilla; c) la energía consumida durante 30 días si permanece encendida 4 horas cada día. Sol. a) 0.34 A; b) 647 Ω; c) 9 kwh. 9. Calcula cuánto cuesta secarte el pelo cada día, si usas un secador de W durante 20 minutos. El precio del kwh es de Sol Calcula el consumo energético mensual y el coste de un televisor de 350 W de potencia que permanece encendido durante 3 h diarias. El precio del kwh es de Sol. 31,5 kwh/mes Ω 6 Ω 6/6