UIDAD 6: CIRCUITOS ELÉCTRICOS

Transcripción

1 UIDAD 6: CIRCUITOS ELÉCTRICOS 1. Corriente eléctrica 2. Generadores de corriente eléctrica 3. Circuito eléctrico 4. Magnitudes eléctricas 5. Medida de magnitudes eléctricas 6. Ley de Ohm 7. Asociación de elementos de un circuito 8. Estudio de circuitos eléctricos 1. CORRIENTE ELÉCTRICA Algunos materiales tienen la propiedad de tener, en su estructura interna, partículas libres con carga eléctrica que se pueden mover por su interior. Un ejemplo es el de los metales; en ellos, la movilidad de sus electrones hace que se hable de «nube de electrones». Imagina que a uno de los extremos de un hilo de cobre (elemento metálico) se acerca una carga externa positiva. Todos los electrones, que antes estaban moviéndose al azar, se dirigirán simultáneamente hacia este extremo originando una corriente eléctrica Se denomina corriente eléctrica al desplazamiento conjunto y ordenado de cargas eléctricas. Corriente continua es aquella en la que las cargas se desplazan siempre en el mismo sentido. Corriente alterna es aquella en la que las partículas cargadas cambian sucesivamente el sentido de desplazamiento. CLASIFICACIÓN DE LOS MATERIALES SEGÚN SUS PROPIEDADES ELÉCTRICAS: Conductores. Son aquellos por los que puede circular la corriente eléctrica. En su interior hay partículas cargadas que se pueden mover libremente. No solo los metales son conductores de la electricidad. Por ejemplo, una disolución de sal común (NaCl) en agua también lo es, pues al disolver la sal se obtienen iones Na+ y Cl, que se pueden mover en su seno. Aislantes. Son aquellos por los que no circula la corriente eléctrica. En su interior, como ocurre en toda la materia, hay partículas cargadas, pero no tienen libertad de movimiento. Es el caso del corcho, el cartón, el vidrio, o el plástico que recubre los hilos de cobre de los cables eléctricos. Se utilizan como protección eléctrica. Semiconductores. Son aquellos por los que puede circular la corriente eléctrica solo en determinadas condiciones de, por ejemplo, temperatura o iluminación. El silicio (Si) y el germanio (Ge) son ejemplos de semiconductores.

2 2. GENERADORES DE CORRIENTE ELÉCTRICA Un generador eléctrico es el responsable del movimiento ordenado de las cargas eléctricas por el interior de un conductor. No crean las cargas eléctricas, que ya se encuentran en el interior de los materiales, lo que hacen es proporcionar energía para que estas cargas se desplacen de modo conjunto y ordenado. Llamamos fuerza electromotriz (fem) a la energía que el generador suministra a cada unidad de carga que circula por el conductor. Se representa por la letra griega épsilon (ɛ). ɛ = E/q, su unidad en el SI es el voltio y se representa por la letra V (1 V = 1 J/1 C). TIPOS DE GENERADORES: Mecánicos. Transforman energía mecánica en energía eléctrica. Podemos distinguir dos tipos: - Alternadores: generan corriente alterna - Dinamos: la generan continua. Fotovoltaicos. Transforman energía solar en eléctrica. Las células fotovoltaicas se fabrican con materiales semiconductores en los que, cuando se iluminan, algunos electrones quedan libres. Químicos. Transforman energía química en eléctrica. Ciertas reacciones químicas producen un flujo de electrones que, canalizados a través de un hilo conductor, originan una corriente. Las pilas y baterías son los ejemplos más usuales. 3. CIRCUITO ELÉCTRICO Un circuito eléctrico es un conjunto de componentes eléctricos unidos entre sí por materiales conductores. La corriente efectúa un recorrido cerrado, sale del generador, y vuelve a este después de pasar por todos los componentes del circuito. ELEMENTOS DE UN CIRCUITO ELÉCTRICO Cualquier circuito eléctrico consta de los siguientes elementos: Generador. Suministra la energía necesaria para que exista corriente eléctrica. Generador de corriente Alterna Generador de corriente continua (pila) Conductores. Unen los distintos elementos del circuito. Receptores. Transforman la energía eléctrica de la corriente. Por ejemplo, en un motor la energía eléctrica se transforma en energía mecánica. Elementos de control. Controlan el paso de la corriente eléctrica por las distintas partes del circuito. Los más habituales son los interruptores y los pulsadores. Abierto Cerrado Elementos de protección. Protegen el circuito contra subidas excesivas de corriente. El ejemplo más común es el fusible. Toma de tierra. Se emplea en las instalaciones eléctricas para llevar a tierra cualquier derivación indebida de la corriente eléctrica. TIPOS DE CONEXIONES PARALELO: conexión de dispositivos (generadores, resistencias,etc.) en la que los terminales de entrada de todos los dispositivos conectados coinciden entre sí, al igual que sus terminales de salida. En este tipo de conexiones la corriente eléctrica al llegar al punto de unión se divide entre las ramas del circuito.

3 SERIE: los terminales de los dispositivos (generadores, resistencias, interruptores, entre otros) se conectan secuencialmente. La terminal de salida de un dispositivo se conecta a la terminal de entrada del dispositivo siguiente. En este tipo de conexión la corriente eléctrica que atraviesa los distintos elementos del circuito es la misma. 4. MAGNITUDES ELÉCTRICAS Las magnitudes físicas que se utilizan para el estudio de los circuitos eléctricos son tres: intensidad de corriente, diferencia de potencial y resistencia eléctrica. INTENSIDAD DE CORRIENTE La intensidad de corriente (I) es la cantidad de carga (q) que atraviesa una sección transversal del conductor en la unidad de tiempo (t). Matemáticamente: Intensidad = carga tiempo I = q t Su unidad en el SI es el amperio: A (1 A = 1 C/1 s). En ocasiones el amperio es una unidad muy grande, y se utiliza el miliamperio (1 ma = 10 3 A) o el microamperio (1 μa = 10 6 A). DIFERENCIA DE POTENCIAL La diferencia de potencial (también llamada voltaje o tensión eléctrica) entre dos puntos A y B de un circuito (VAB) es la energía eléctrica que se consume cuando circula la unidad de carga positiva desde el punto A hasta el B. La palabra «consume» Hace referencia a que la energía se ha transformado en otra de sus manifestaciones (mecánica, térmica, etc.) y ha dejado de ser energía eléctrica. El principio de conservación de la energía siempre se cumple. Su unidad en el SI es el voltio (V), al igual que la fem. RESISTENCIA ELÉCTRICA La resistencia eléctrica, R, es la magnitud física que nos indica la oposición que ofrece un material al paso de la corriente. En el SI se mide en ohmios (Ω). La resistencia depende de: - La longitud. Cuanto mayor sea la longitud del conductor, L, mayor será su resistencia, pues los electrones habrán de recorrer más espacio (proporcionalidad directa). - La sección transversal. Cuanto mayor sea la sección del conductor, S, más facilidad tendrán las cargas para moverse en su interior (proporcionalidad inversa). - El tipo de material. Este factor queda definido por un parámetro, característico de cada material, que recibe el nombre de resistividad eléctrica. Se representa por la letra griega rho (ρ), y en el SI se expresa en Ω m. Matemáticamente, estas dependencias se expresan como: R = ρ l s En un circuito se representa mediante el símbolo 5. MEDIDA DE MAGNITUDES ELÉCTRICAS VOLTÍMETRO Se utiliza para medir de forma directa la diferencia de potencial entre dos puntos A y B de un circuito. Se conecta en paralelo:

4 AMPERÍMETRO. Se utiliza para medir de forma directa la intensidad de corriente. Se conecta en serie: POLÍMETRO El polímetro es un instrumento con el que se pueden medir todas las magnitudes eléctricas. En la rueda central seleccionamos la magnitud a medir. Has de tener precaución en seleccionar corriente continua o corriente alterna según el caso. MEDIDA DE RESISTENCIAS Aunque existen aparatos de medida de resistencia eléctrica, denominados ohmímetros u óhmetros, es habitual que la resistencia se mida de forma indirecta utilizando la ley de Ohm, que veremos en el siguiente apartado. Además, las resistencias comerciales vienen marcadas con anillos de colores que nos permiten determinar el valor de su resistencia eléctrica. Según modelos, las resistencias pueden tener cuatro o cinco anillos. Las primeras bandas indican las primeras cifras del valor de la resistencia: COLOR BANDA1 BANDA 2 BANDA 3 MULTIPLICADOR ERROR NEGRO x 1 MARRÓN X10 1% ROJO x 100 2% NARANJA x 1000 AMARILLO x VERDE x ,5 % AZUL x VIOLETA GRIS BLANCO SIN 20 % ANILLO PLATA 10 % ORO 5 % 6. LEY DE OHM Georg Simon Ohm, físico alemán, midió la intensidad que circulaba por un circuito elemental para distintos valores de la fem del generador. Delos resultados de sus experiencias: la ddp (V ) y la intensidad de corriente (I ) son proporcionales, siendo constante el cociente V/I. Además, el valor de este cociente es la resistencia eléctrica del conductor. De aquí resulta la ley de Ohm: La intensidad de corriente que recorre un elemento de un circuito eléctrico es directamente proporcional a la diferencia de potencial aplicada sobre sus extremos e inversamente proporcional a su resistencia eléctrica. La expresión matemática de esta ley es I = V R La ley de Ohm nos permite definir el ohmio como1 Ω = 1 V/1 A (la resistencia de un conductor sometido a una diferencia de potencial de 1 V por el que circula una corriente de 1 A).

5 7. ASOCIACIÓN DE ELEMENTOS DE UN CIRCUITO Hasta el momento hemos trabajado con el circuito elemental, pero lo habitual es que los circuitos sean más complejos. En este apartado estudiarás técnicas para simplificarlos hasta llegar al elemental. RESISTENCIAS Resistencias en serie I = I 1 = I2 = I3 VAD = VAB + VBC + VCD Re = R1 + R2 + R3 Resistencias en paralelo I = I 1 + I2 + I3 es la misma en todas las resistencias VAB 1 = R e R 1 R 2 R 3 GENERADORES Resistencia interna de un generador : Por el interior de los generadores también circula la corriente eléctrica, y presentan resistencia a su paso. Esta resistencia interna del generador influye en el valor de la intensidad de corriente que recorre el circuito. En serie En paralelo 8. ESTUDIO DE CIRCUITOS ELÉCTRICOS Con lo que has estudiado sobre asociaciones de resistencias y generadores, y la ley de Ohm, los circuitos eléctricos se pueden reducir hasta el elemental. Se procede como sigue: 1. Se calculan las resistencias y generadores equivalentes de las asociaciones en paralelo, hasta conseguir un circuito en serie. 2. Se resuelven las asociaciones en serie hasta obtener el circuito elemental. 3. A partir de este se obtiene la intensidad total que recorre el circuito, lo que nos permite calcular la diferencia de potencial e intensidades de los elementos individuales.