Instalaciones Eléctricas

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3 Guía del Alumno Instalaciones Eléctricas Ciencias FORTALECIMIENTO DE LA FORMACIÓN GENERAL COMO BASE DE SUSTENTACIÓN DEL ENFOQUE DE COMPETENCIAS LABORALES DE LA FORMACIÓN DIFERENCIADA DE LA EMTP

4 Manual de Fortalecimiento de la Formación General como Base de Sustentación de la Formación Diferenciada de Educación Media Técnico Profesional. Material Elaborado por el Nivel de Educación Media División de Educación General Ministerio de Educación República de Chile Av. Bernardo O higgins Nº Santiago de Chile. Coordinación Editorial: Erika López Escobar Profesional Secretaría Ejecutiva Educación Técnico Profesional Ministerio de Educación Pontificia Universidad Católica de Valparaíso: Coordinadora: Francisca Gómez Ríos Diseño Gráfico: José Pablo Severin Fernández Registro de Propiedad Intelectual N de 01 de octubre de 2012.

5 Guía del Alumno Módulo de la Formación Diferenciada: Sector de la Formación General: Unidad: Instalaciones Eléctricas Ciencias La Electricidad 4º Medio Introducción La presente guía está dirigida a los alumno y alumnas de Cuarto año Medio. A través de ella conoceremos como los átomos que conforman toda la materia nos ayudan en cosas tan cotidianas como encender una lámpara. En los niveles anteriores han conocido que los átomos son las partículas más pequeñas que conocemos, las que a su vez están constituidos por Sub-unidades. (Protones, Electrones Neutrones) La figura 1 nos muestra un átomo, donde se ubica en el centro o núcleo los PROTONES (con carga Positiva) y los NEUTRONES (con carga Neutra) y orbitando o alrededor del núcleo se encuentran los ELECTRONES (Con carga Negativa). Figura 1: Átomo Los electrones se mueven constantemente, de esta forma los átomos ganan y pierden electrones según la actividad que estén realizando. Este movimiento es muy importante en los fenómenos eléctricos y químicos. Vamos a comenzar esta unidad estableciendo un desafío, este desafío implica resolver un caso real al que se enfrenta un eléctrico. Desarrollaremos los pasos de solución de una situación problema, y aprenderemos cómo la energía trasporta electrones. Ruta de Aprendizajes Esquematizada A continuación presentamos la ruta de aprendizajes que vamos a seguir en esta guía: Realizar ejercicios de la ley de Ohm Conocer las bases de la corriente eléctrica Realizar ejercicios de la ley de Coulomb Diseñar y evaluar un modelo de circuito Indagar sobre conceptos físicos relacionados a la situación problema Diferenciar entre corriente continua y alterna. Aplicar a situaciones diarias 5

6 Instalaciones Eléctricas - Ciencias Actividad Inicial: Conocimientos Previos Los conocimientos Previos nos permite conocer lo que tú sabes, para iniciar el estudio de los nuevos aprendizajes. En forma individual: 1. Recorta con tus manos unos trozos de papel 2. Toma una regla y frótala en tu cabeza. También puede ser un lápiz plástico 3. Acerca lo mas posible la regla a los papeles picados sin tocarlos 4. Responde las siguientes preguntas a) Qué ha pasado? b) Por qué crees tú que ha ocurrido esto? Veamos esta explicación en: Situación Problema A continuación te invito a conocer un problema real del área de electricidad y posteriormente buscaremos una forma que nos permita resolverlo El Club Social Los Buenos Amigos, requiere habilitar un salón de eventos, de 24 metros de largo por 10 metros de ancho, el cual carece de instalación eléctrica. El Club ha solicitado a la empresa ELECTRON realizar este trabajo. Carlos es el encargado de entregar un diagrama de circuito para la iluminación del salón. 6

7 Guía del Alumno 1 Comprendamos el Problema Ahora realizaremos algunas actividades para poder comprender bien el problema y posteriormente darle solución Actividad 1 Lee ahora el problema laboral junto a tus compañeros del grupo y luego discute los principales aspectos involucrados. Después de estas acciones, en grupo contesten las siguientes preguntas: Cuál es el problema que plantea este caso? La comprensión del problema implica la forma en que entiendes el texto, los diagramas, las fórmulas o tablas que contiene, es decir, toda la información que contiene el problema planteado. Luego si has comprendido el problema podrás formular tus propias hipótesis y las relaciones existentes entre ellas, podrás demostrar la comprensión de conceptos relevantes y podrás utilizar tus conocimientos propios para entender la información dada. Cuáles son las restricciones a considerar para este caso? Cuál es el producto que debe entregar Carlos? EXTRAER INFORMACIÓN: Nos permite extraer información explícita e implícita y relacionarla con el problema laboral. Actividad 2 Qué información necesitamos saber para ayudar a Carlos a resolver su problema? Lee con atención Te invito a conocer e indagar sobre los diagramas eléctricos y de esa forma ayudar a Carlos con su problema Diagramas Eléctricos. Al igual que los arquitectos realizan maquetas o modelos de las casas que construirán, y los diseñadores de vestuario realizan dibujos o esquemas de sus vestidos, los eléctricos realizan diagramas eléctricos. Se llaman diagramas eléctricos a los dibujos, representaciones, mapas o planos que se realizan de los Circuitos Eléctricos. Un diagrama permite hacernos una idea de cómo sería en la realidad el circuito. Indica donde estarán ubicados sus componentes de acuerdo a las normas físicas y la relación de los mismos componentes o dispositivos del circuito real. 7

8 Instalaciones Eléctricas - Ciencias Componentes de un circuito. Para realizar un circuito eléctrico se requieren esencialmente tres componentes que son fundamentales, de no encontrarse en el diagrama en realidad no representaría a un circuito eléctrico; estos tres elementos son: Una fuente eléctrica de fuerza electromotriz (FEM), que suministre la energía eléctrica necesaria la que se mide en volt. Por ejemplo una batería. Siempre la reconoceremos por el símbolo (E) El flujo de una intensidad de corriente de electrones que se mide en amperes (A). Lo reconoceremos con el símbolo (I) Una resistencia o carga la que se mide en ohm, conectada al circuito, que consuma la energía que proporciona la fuente de fuerza electromotriz y la transforme en energía útil. La reconoceremos por el símbolo (R) Actividad Identifica mediante letras y líneas en las siguientes figuras los tres componentes básicos de un circuito: Importante: Se ha establecido una convención para el sentido de circulación de la corriente eléctrica que corresponde al sentido opuesto a la circulación de los electrones. En el caso de las pilas y baterías, los electrones se mueven en el sentido que va desde el polo negativo (-) al polo positivo (+) y la corriente eléctrica tiene entonces el sentido opuesto. 8

9 Guía del Alumno Ley de Ohm. En el Siglo XIX el físico alemán Georg Simon Ohm estudió el comportamiento de los distintos materiales como conductores de la corriente eléctrica. Para ello montó un circuito simple con una pila para suministrar la diferencia de potencial o voltaje, y un conductor metálico con longitud y diámetro fijo. A medida que aumentaba el voltaje de la pila, observó que también aumentaba el valor de la corriente eléctrica que fluía a través del conductor. Los resultados que obtuvo fueron como los muestra la siguiente tabla: Voltaje de Pila (V) Corriente en el conductor(a) ,1 0,2 0,3 0,4 0,5 1 1,5 Figura: George Simon Ohm Aumentó el diámetro del conductor y observó que también disminuyó el valor de la constante. Realizó muchos experimentos con distintos materiales y llegó a la conclusión que la constante era la resistencia que oponía el conductor al flujo de la corriente eléctrica. Descubrió una ley, a partir de la experiencia, que es válida para muchos materiales (fundamentalmente metales) la que se conoce actualmente como la Ley de Ohm, la que se expresa en: I = V R Claves para Aplicar la ley de Ohm Figura: Circuito eléctrico simple La Intensidad siempre se expresa en Amperes La Tensión siempre se expresa en Volts La Resistencia siempre se expresa en Ohms Realicemos algunos Ejercicios Realiza en forma individual los siguientes ejercicios y luego comparte los resultados con tu grupo de trabajo. Tu profesor te ayudará luego a corregirlos si es necesario. 9

10 Instalaciones Eléctricas - Ciencias 1. Un electroimán requiere una intensidad de 1,5 Amperes para funcionar correctamente, y al medir la resistencia de la bobina resulta ser de 24 Ohms Qué tensión habría que aplicar para que trabaje el electroimán? 2. Un soldador eléctrico cuando baja absorbe 2,4 Amperes de la línea eléctrica domiciliaria de 240 Volts. Qué resistencia tiene? 3. Qué intensidad de corriente atraviesa un resistor de 68 Kiloohms cuando la caída de la tensión que se produce sobre sus extremos es de 1,36 Volts? 4. Qué resistencia se necesita para reducir la intensidad de la corriente que produce una FEM de 10 Volts solamente a 5 miliamperes Veamos un video que presentará el profesor. Luego de ver el video contesta las siguientes preguntas: 1. Qué es la corriente eléctrica? 2. Que es la diferencia de potencial? 3. Cuántos tipos de corriente señala el video? 10

11 Guía del Alumno Aprendamos un poco más sobre la Corriente Eléctrica La unidad de carga eléctrica (coulomb) lleva ese nombre en honor al físico inglés Charles Augustin de Coulomb ( ) quien estudió la fuerza que aparece entre partículas cargadas. La fuerza eléctrica es una de las otras fuerzas fundamentales de la naturaleza, las otras tres son: gravitacional, fuerte y débil. Cuando las cargas eléctricas se mueven en una misma dirección se genera la corriente eléctrica. El estudio de las cargas en movimiento se llama electrodinámica. La corriente eléctrica es la que permite el funcionamiento de los artefactos eléctricos que hay en nuestras casas (un televisor, una radio, encender una ampolleta etc). Si quisiéramos medir o contar la cantidad de carga de una corriente, entonces estamos considerando la intensidad de corriente eléctrica que corresponde a la cantidad de carga que pasa por una sección transversal de un conductor por unidad de tiempo. La relación matemática que resume lo anterior es: I = Q t I = Intensidad de la corriente eléctrica expresada en Ampere (A) Q = Carga eléctrica expresada en Coulombs (C) t = Tiempo expresado en segundos (seg.) Realicemos algunos Ejercicios sobre Corriente Eléctrica 1. Cuál es la corriente eléctrica que circula por un cable de cobre si por él circulan 1,4 C en 0,5 segundos? 2. Cuánto tiempo demorarán 20 C en cruzar por un punto de un conductor en el que circulan A? 3. Un alambre de Aluminio esta recorrido por una corriente de 30 ma. Calcula la carga eléctrica que atraviesa una sección recta del alambre cada media hora. 11

12 Instalaciones Eléctricas - Ciencias 4. Una ampolleta está recorrida por una corriente de 454 ma. Calcula el número de electrones que pasan por el filamento de la ampolleta por cada minuto de funcionamiento. Corriente Continua v/s Corriente alterna. Existen dos tipos de corrientes, las diferencias entre ellas radica en la forma en que circulan los electrones a través de ella. Si los electrones circulan en un sólo sentido de llamar Corriente Continua (CC). Pero si los electrones cambian constantemente de dirección se llama Corriente Alterna (CA) Corriente Continua Corriente Alterna Actividad: A) Investiga sobre tres ejemplos de corriente continua presentes en nuestra vida diaria

13 Guía del Alumno B) Investiga tres ejemplos de corriente alterna presentes en nuestra vida diaria Ejercitemos Cuánta electricidad se espera consumir en el Salón del Club Social? Este ejercicio nos ayudará a determinar la electricidad que consumirá la sede del Club Social. Para ello, primero debemos averiguar que equipos necesitarán corriente eléctrica y el número. Para ayudarnos en este ejercicio utilizaremos la siguiente tabla: En la columna uno indica el aparato eléctrico presente en casa y su potencia en Watt. La columna dos indica el número de ese aparato que hay en el club Social. La tercera columna indica el total de gasto de esos aparatos en Watt. 1 Aparato eléctrico + Potencia (W) 2 Cantidad de aparatos que hay en mi casa 3 Potencia (W) Ejemplo: Ampolleta (60 W) W Una vez desarrollada la tabla es posible calcular la potencia total que se consume en casa sumando los valores de la columna tres. Esto nos indica la potencia gastada por segundo si todos los aparatos estuvieran funcionando simultáneamente. Cuál es la corriente máxima que requiere el salón? Evaluemos lo aprendido hoy en este Test On-Line: 13

14 Instalaciones Eléctricas - Ciencias Investiguemos un poco más Luego de haber aprendido un poco más sobre la corriente eléctrica, te invitamos a seguir indagando. Puedes usar como referencia tu texto de estudio, libros que estén disponibles en la biblioteca de tu colegio o te sugerimos las siguientes páginas Web. Esta página Web permite explorar rápidamente por conceptos de Átomos, corriente eléctrica, circuito eléctrico. curso20/34_flash/html8/ Este Sitio Web Chileno, te permitirá indagar en el tema de la e- nergía. Amigosdelaenergia/aesgener.htm Preguntas Orientadoras para Investigar. 1. Qué es un cortocircuito? 2. Qué dispositivos se pueden utilizar para evitar un cortocircuito? 3. Qué relación hay entre los átomos y la corriente eléctrica? 2 Trazar un plan Diseño experimental Ahora que has comprendido el problema planteado y tienes información suficiente, nos corresponde definir una secuencia de acciones que permitan resolver el problema utilizando tus conocimientos científicos. Reúnete con tu equipo de trabajo. A continuación se definen los datos que le faltan a Carlos para realizar su diseño eléctrico. El Diagrama Dibuja un diagrama en formato papel del circuito. Entrega a tu profesor(a) el diseño que han construido, Agrega comentarios sobre lo que hiciste, por ejemplo: explicación de la simbología, lo que más les costó, los materiales utilizados, etc. Para la construcción del diagrama se establecen las siguientes condiciones en relación al número de componentes: Componentes N Ampolletas 6 Enchufes 2 Interruptores 2 14

15 Guía del Alumno Diagrama Electrónico Comentarios: 3 Desarrollar el Plan Ahora que ya sabemos bastante, con ayuda de tu profesor realizaremos un diseño de circuito electrónico. Para ello utilizaremos el programa: En esta parte veremos si nuestro diseño propuesto en el papel es realmente funcional. Electronics Work Bench Este programa te ayudará a realizar tu diseño y además podrás comprobar si el diseño realmente funciona. Pide ayuda a tu profesor para utilizarlo es muy simple, necesitarás ayuda con algunos símbolos que se presentan a continuación: Simbología de Circuitos Para la construcción de tu diseño en el programa, necesitaras reconocer algunos símbolos que se usan en la construcción de circuitos. Aquí se presentan algunos de ellos. Este programa, al igual que cualquier software que permita construir 15

16 Instalaciones Eléctricas - Ciencias Este programa, al igual que cualquier software que permita construir diseños eléctricos, también nos permite visualizar si los componentes están bien o mal ubicados en el circuito eléctrico. Comprobar Resultados En base al diseño y prueba que realices en el programa o en el Protoboard,es posible que hayas tenido que modificar tu diagrama inicial, si es así, dibuja el nuevo diseño indicando claramente la posición de sus componentes. Entrega a tu profesor(a) el diseño que han construido, Agrega comentarios sobre lo que hiciste, Por ejemplo: explicación de la simbología; explicación del modelo; lo que más les costó realizar etc. Compartamos lo Aprendido Una actividad de la investigación muy importante es la comunicación, publicación o divulgación de nuestro trabajo. Ahora vamos a revisar todo lo que has hecho para poder organizarlo y poder presentarlo al resto del curso. En base a todo lo que han realizado, construyan una exposición del trabajo en forma grupal y de la forma más creativa posible. De no ser así, no existiría el avance científico y tecnológico que hoy conocemos y tenemos la posibilidad de utilizar. Aquí se muestra una pauta para seguir. Acción Presentar el problema Principales conceptos aprendidos Diseño del modelo Diseño Modificado Resultado 16

17 Guía del Alumno Pauta de Evaluación - Disertación Aquí, se muestra una pauta de evaluación del trabajo realizado. Lean con atención! Área No logrado (1 Punto) Medianamente logrado (2 Puntos) Logrado (3 Puntos) Puntaje Obtenido Introducción Principales conceptos aprendidos Diagrama Electrónico Se percibe una descripción poco clara de la situación problema. Presenta los contenidos aprendidos con importantes errores La exposición del Diagrama electrónico no es clara ni coherente Sólo se presenta parte de los elementos esenciales, pero en algo contribuye a la comprensión de la situación problema. Presenta los contenidos aprendidos. Describe el diagrama electrónico, pero no explica la simbología utilizada. Existe una presentación clara de la situación problema. Presenta los contenidos aprendidos en forma clara, incorporando nuevos conceptos. Describe con claridad cada uno de los pasos realizados en el Diagrama electrónico, explica claramente la simbología utilizada. Durante la exposición de tus compañeros, pon mucha atención. Es posible que ellos tengan un modelo diferente y que se hayan enfrentado a otros problemas. Anímate a hacerles preguntas sobre sus resultados Por ejemplo: Qué plan de trabajo realizaron? Cuáles fueron las principales dificultades del problema? Para finalizar. Responde a las siguientes preguntas: Qué aprendí? Cómo lo aprendí? En qué se diferencia el primer modelo del que construimos finalmente? 17