TEMA 4: ELECTRICIDAD.

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1 TEMA 4: ELECTRICIDAD. INTRODUCCIÓN. CORRIENTE ELÉCTRICA. MAGNITUDES ELÉCTRICAS. RELACIÓN ENTRE LAS MAGNITUDES, LEY DE OHM. POTENCIA Y ENERGÍA ELÉCTRICA. CIRCUITOS BÁSICOS. CONEXIÓN DE COMPONENTES ELÉCTRICOS. RECEPTORES Y ELEMENTOS DE MANIOBRA. DISEÑO DE CIRCUITOS CON EL ORDENADOR: CROCODILE CLIPS. 1. INTRODUCCIÓN. La sociedad actual se ha convertido en una sociedad dependiente de la electricidad. Si miramos a nuestro alrededor la cantidad de aparatos que depende directa o indirectamente de ella es tal, que no podemos imaginarnos un solo día sin ella. Iluminación de viviendas, electrodomésticos, relojes, ordenadores, móviles, motores de vehículos, semáforos, bombas de agua y un sinfín de aparatos que dependen de la electricidad. Sin embargo no necesitan el mismo tipo de corriente eléctrica todos los aparatos. Unos necesitan pequeñas corrientes continuas, como las que entregan las pilas y otros necesitan grandes corrientes alternas, como la que entrega la red eléctrica. Podemos decir que la electricidad mueve el mundo. Por eso es difícil imaginar nuestra vida sin electridad. La electricidad ofrece tantas ventajas porque se puede transformar en otras formas de energía con relativa facilidad. 58

2 2. CORRIENTE ELÉCTRICA. Se llama corriente eléctrica, al paso ordenado de electrones a través de un conductor. Pero se puede hacer que estos electrones pasen siempre en la misma dirección (corriente continua) o que cambien el sentido de paso e incluso que varíe la cantidad de electrones que pasan cada vez (corriente alterna). Según sea el receptor que queremos alimentar debemos utilizar una u otra. La conversión de corriente alterna en continua o viceversa es muy fácil con los sistemas electrónicos actuales. La inmensa mayoría de aparatos electrónicos utilizan la corriente continua ya que deben controlar el paso de los electrones de una forma muy selectiva. Sin embargo la mayor parte de la producción y transporte de la corriente es alterna, por lo que se debe transformar la corriente alterna en continua. 2.1 CORRIENTE CONTINUA. La corriente continua se puede obtener por medio de métodos químicos, como lo hacen las pilas y baterías, por métodos mecánicos como lo hace una dinamo, o por otros métodos, fotovoltaico, par térmico, etc. Por tratarse de un valor de tensión que permanece constante en el tiempo, dificulta la interrupción de la misma cuando los valores son elevados, por lo que se utiliza en aparatos de muy baja tensión, hasta 24 Voltios. Antiguamente también se utilizaba en motores de gran potencia en los que deseábamos controlar la su velocidad, pero hoy en día esto está casi en desuso. 59

3 El valor que caracteriza a la corriente continua es el voltaje (V cc ), que permanece invariante en el tiempo. El aparato que convierte la corriente alterna en corriente continua se llama fuente de alimentación. Una de sus aplicaciones es cargar los teléfonos móviles. 2.2 CORRIENTE ALTERNA. La corriente alterna se puede obtener por métodos mecánicos como lo hace un alternador, o por conversión de la corriente continua en alterna, el aparato que hace esto se llama inversor. Se trata de un valor de tensión que varia constantemente en el tiempo, tomando valores positivos, cero y negativos. Los valores que caracterizan a la corriente alterna son: Valor máximo (V max ): Es el valor de cresta que alcanza la corriente alterna, puede ser positivo o negativo, también se le conoce como valor de pico (Vp). Para la tensión de la red es de ± 325 V. Valor instantáneo (V i ): Es el valor que toma la corriente en un momento determinado. Las ventajas frente la corriente continua son: - Permite aumentar o disminuir el voltaje por medio de transformadores. - Se transporta a grandes distancias con poca pérdida de energía. - Es posible convertirla en corriente continua con facilidad. 3. MAGNITUDES ELÉCTRICAS. Como se recordará, la materia está constituida por moléculas, que a su vez están constituidas por átomos. El átomo, lo forman un núcleo que contiene protones y neutrones, y alrededor de dicho núcleo giran los electrones. - Cuando el número de protones y de electrones coincide en un átomo, se dice que es neutro. 60

4 - Cuando el número de electrones es menor que el de protones, se dice que el átomo está cargado positivamente. - Y cuando el número de electrones es mayor que el de protones, se dice que está cargado negativamente. 3.1 CARGA ELÉCTRICA (Q). Expresa el exceso o defecto de electrones que hay en sus átomos. Su unidad es el Culombio (C). 1 Culombio equivale a 6,25 x10 18 electrones. 3.2 INTENSIDAD (I). Es la cantidad de carga eléctrica que circula por un conductor en una unidad de tiempo. I = q /t Las unidades son: Amperios = Culombios /segundo. Para que los electrones se desplacen por un conductor es necesaria una diferencia de potencial o fuerza electromotriz (V) entre sus extremos. Su unidad es el Voltio. Esto se consigue conectando cargas de distinto signo en sus extremos. 3.3 RESISTENCIA (R). No todos los cuerpos permiten que pasen los electrones con la misma facilidad. Por tanto podemos definirla como la dificultad que opone un cuerpo al paso de los electrones. Su unidad es el Ohmio (Ω), y depende del material del cuerpo, y de sus dimensiones. Cuando su valor es alto decimos que un material es aislante, si por el contrario es pequeña decimos que es conductor. 61

5 3.4 APARATOS DE MEDIDAS. Para medir las magnitudes eléctricas, deben utilizarse los aparatos correspondientes, aunque en la actualidad se utiliza uno que los contiene a todos: el polímetro. El Polímetro. También se le conoce con el nombre de Tester o Multímetro. Existen dos tipos de polímetros, los analógicos y los digitales. En los últimos años los digitales se han extendido mucho más llegando a ser casi los únicos que se utilizan hoy en día. El aspecto de un polímetro digital es este: Como puede observarse este polímetro consta de dos voltímetros, dos amperímetros, un óhmetro y un apartado para calcular la hfe de los transistores. Las partes en las que está divido son: Para realizar una medida debemos seguir siempre los siguientes pasos: 1).- Encender el polímetro. 2).- Seleccionar la parte en la que queremos realizar la medición (Voltímetro, Amperímetro, Óhmetro). 3).- Comprobar que las puntas están en los terminales correctos, en caso contrario colocarlas. Es muy importante fijarse bien en el conexionado de las puntas, si se conectan unas puntas en un terminal equivocado se puede destruir el polímetro. El terminal negro siempre se conecta en el común y el rojo es que se conecta en V/ Ω para resistencias y voltajes, o en 2A o 10A para intensidades que alcanzan como valor máximo 2 o 10 Amperios. 4).- Seleccionar el valor más alto de la escala que queremos medir, con el selector. 5).- Conectar las puntas en el lugar adecuado del circuito o resistencia. 6).- Mover el selector bajando de escala hasta que la lectura sea posible en el display. 62

6 4. RELACIÓN ENTRE LAS MAGNITUDES, LEY DE OHM. A principios del siglo XIX, Georg Simon Ohm descubrió la relación que existía entre la corriente, la tensión y la resistencia de los circuitos eléctricos y lo enunció con la llamada Ley de Ohm, de la siguiente manera: La Intensidad que circula por un circuito es proporcional a la tensión que aplicamos en él e inversamente proporcional a la resistencia que opone a dicha corriente. Esto se expresa con la fórmula: V I = R Donde I se mide en Amperios, V en Voltios y R en ohmios. Ejemplo: En el circuito de la figura, la pila tiene una diferencia de potencial de 9 Voltios, la resistencia de la bombilla es de 150 Ω. Qué intensidad de corriente saldrá de la pila y atravesará la bombilla? V 9 I = = = 0, 06 A Luego circularán 0,06 A por la bombilla. R 150 Cuando hablamos de corrientes alternas los valores que debemos tener en cuenta son los eficaces. Ejemplo: En el circuito siguiente la corriente eficaz será: I ef Vef = R 230 = = 1,533 A 150 Luego circularán 1,533 A eficaces por la bombilla. 63

7 5. POTENCIA Y ENERGÍA ELÉCTRICA. 5.1 POTENCIA. La potencia eléctrica que puede desarrollar un receptor eléctrico se puede calcular con la fórmula: P = V * I - P es la potencia en vatios (W). - V es el voltaje (V). - I es la intensidad (A). Ahora bien, cuando se trata de corriente alterna los valores de voltaje e intensidad deben ser los eficaces. P ef = V ef * I ef Si nos ayudamos de la Ley de Ohm, podemos expresar la potencia en función de otros parámetros. = V I Donde la potencia depende de la corriente al cuadrado que circula por el receptor y de la resistencia. La resistencia es una característica constructiva, que hace a los receptores capaces de entregar mayor o menor potencia. Pero dependiendo de la tensión que aplicamos a dicho receptor el valor de la potencia variará. Para que se entienda mejor que es la potencia, podemos pensar en una bombilla que tiene una potencia de 25 W luce poco, resistencia de 2116 Ω, mientras que una bombilla de 100 W, resistencia de 529 Ω, luce mucho más. La cantidad que lucirá cada una de ellas dependerá de la tensión que le apliquemos en sus extremos. Ejemplo: Calcula la potencia con la que luce una bombilla de 529 Ω, si la conectamos a una tensión de 110 V. V P = = = 22, 87 W R 529 P 2 I = V P = R Ejemplo: Si una bombilla tiene los siguientes datos nominales 230V, 60W. Indica que potencia entregará cuando la conectamos a una tensión de 390 V. V R Primero calculamos cuál es su resistencia. Después cuál es la potencia que entrega en las condiciones de trabajo. V R = = = 881, 66 Ω P 60 V P = = = 172, 51 W R 881,66 64

8 5.2 ENERGÍA. Cuando tenemos el receptor conectado durante un tiempo lo que necesitamos conocer es la energía que consume. La fórmula que lo calcula es: E = P * t Donde: - E es la energía en Julios (J). - P es la potencia en vatios (W). - t es el tiempo en segundos (s). En el caso de corriente alterna se tratará de valores eficaces. Ejemplo: Calcula la energía que se consume cuando tenemos encendida una bombilla de 100 vatios durante 10 horas. Pasamos las horas a segundos: t = 10 h * 3600 s = s Luego la energía será: E = P * t = 100W * 36000s = J = 3,6MJ Como los julios son una unidad muy pequeña normalmente la energía se expresa en KW h (kilo vatios hora) unidad que no pertenece al Sistema Internacional. La energía expresada en KW h del ejercicio anterior será: E = P * t = 0,1KW * 10h = 1KW * h 6. CIRCUITOS BÁSICOS. CONEXIÓN DE COMPONENTES ELÉCTRICOS. 6.1 CIRCUITO ELÉCTRICO. Un circuito eléctrico es un conjunto de operadores o elementos que unidos entre sí permiten que por ellos circule la corriente eléctrica, es decir, haya un flujo de electrones. En todo circuito eléctrico habrá como mínimo los siguientes elementos: un generador, un conductor y uno o varios receptores. El generador es el elemento que proporciona la energía eléctrica (pilas, baterías, etc.), los conductores son los operadores por los que circulan los electrones (cables o hilos) y los receptores son operadores de diversos tipos que sirven para transformar la energía eléctrica recibida en otro tipo de energía. Además de los anteriores, en las instalaciones eléctricas también puede haber elementos de maniobra (interruptores, pulsadores, conmutadores, etc.) y elementos de protección (diferenciales, magnetotérmicos, etc.). 65

9 6.2 ESQUEMAS ELÉCTRICOS. Un esquema eléctrico es una representación que muestra cómo se conectan entre sí los elementos de un circuito. Los símbolos de algunos de estos elementos son: 6.3 CIRCUITO EN SERIE. Un circuito serie, es aquel que tiene conectados sus receptores uno a continuación del otro. Solo hay un camino por el que pasa la corriente eléctrica. La conexión en serie es poco frecuente. Se caracteriza por: - La resistencia total del circuito es la suma de las resistencias que lo componen. R T = R 1 + R 2 - La corriente que circula es la misma por todos los elementos. I T = I 1 = I 2 - La fuerza electromotriz o tensión del generador se reparte entre los distintos elementos. V = V 1 +V 2 Ejemplo: En un circuito serie, el generador tiene una diferencia de potencial de 230 Voltios y la resistencia de las bombillas es de 260 Ω y 330 Ω. Calcular todos los valores de este circuito. Solución: La resistencia total será: R T = R 1 + R 2 = 260 Ω Ω = 590 Ω. De la ley de Ohm podemos obtener la corriente total: VT 230V IT = = = 0, 3898 A R 590Ω T 66

10 La corriente que circula por cada elemento es igual: I T = I 1 = I 2 = 0,3898 A. De la ley de Ohm podemos obtener la tensión en cada elemento: V 1 = R 1 * I 1 = 260 Ω * 0,3898 A = 101,35 V. V 2 = R 2 * I 2 = 330 Ω * 0,3898 A = 128,64 V. Como comprobación tenemos que: V T = V 1 +V 2 = 101,35 V + 128,64 V = 229,99 V. Como conclusión, se puede observar que al repartirse la tensión entre las bombillas esto se refleja con una disminución de la luminosidad de cada una de ellas. Otra observación interesante de este circuito es que si se rompe una de las bombillas, se interrumpe el circuito y deja de lucir la otra bombilla. 6.4 CIRCUITO PARALELO. Cuando se conectan en paralelo los elementos de un circuito, éstos se disponen de tal manera que todos y cada uno de ellos están conectados con el polo positivo y el polo negativo del generador de corriente. En esta disposición, todos los elementos del circuito están sometidos a la misma tensión, pero por cada uno de ellos circula una intensidad de corriente diferente. Se caracteriza por: - La inversa de la resistencia total del circuito es la suma de las inversas de las resistencias que lo componen = + R T R R 1 Otra forma de expresar la resistencia total cuando son dos los elementos es: R1 R2 R T = R + R - La corriente total que sale del generador se reparte por todos los elementos. I T = I 1 + I

11 La fuerza electromotriz generada por el generador llega por igual a todos los elementos. V T = V 1 = V 2 Como conclusión, se puede observar que la tensión en las bombillas es la misma y lo que hace que presenten la misma luminosidad que si estuviesen solas cada una de ellas. Otra observación interesante de este circuito es que aunque se rompa una de las bombillas, no afecta a la otra y sigue luciendo con normalidad. Los aparatos de nuestras viviendas están conectados en paralelo. 6.5 CIRCUITO MIXTO. Un circuito mixto, es aquel que tiene elementos en paralelo y en serie. Por ejemplo, las bombillas 2 y 3, de la figura, están conectadas en paralelo y a la vez las dos en serie con la 1. Este circuito aglutina las características de los dos circuitos, por lo que se tiene que resolver por partes, en primer lugar se resuelven los elementos que están en paralelo, y luego los que están en serie. Las bombillas 2 y 3 están en paralelo luego tendremos: - La resistencia total de las bombillas 2 y 3 será: R2 R3 R P = R + R - La corriente total que circula por las dos bombillas es: I P = I 2 + I 3 - La diferencia de potencial en las dos bombillas será la misma. 2 3 V P = V 1 =V 2 68

12 La bombilla 1 esta en serie con la resistencia equivalente del paralelo de las bombillas 2 y 3, luego tendremos: - La resistencia total del circuito es la suma de las resistencias que lo componen. R T = R 1 + R P - La corriente que circula es la misma por los dos elementos. I T = I 1 = I P - La fuerza electromotriz generada por el generador se reparte entre los distintos elementos. V T = V 1 +V P Ejemplo: En el circuito mixto anterior el generador tiene una diferencia de potencial de 230 Voltios y la resistencia de las bombillas es de 260 Ω, 330 Ω y 130 Ω. Calcular todos los valores de este circuito Solución: La resistencia de las bombillas en paralelo será: R2 R R P = = = 93, 26 Ω R + R La resistencia total será la suma de R P y R 1 : R T = R 1 + R P = 260Ω + 93,26Ω = 353,26Ω - De la ley de Ohm podemos obtener la corriente total: VT 230 IT = = = 0, 65 A R 353,26 T 3 - La corriente que circula tanto por la bombilla 1 como por la resistencia equivalente del paralelo, será igual a la total. I T = I 1 = I P = 0,65A - De la ley de Ohm podemos obtener la tensión que hay tanto en la bombilla 1 como en la resistencia equivalente del paralelo de las bombillas 2 y 3. V 1 = R 1 * I 1 = 260Ω * 0,65A = 169V V P = R P * I P = 93,26Ω * 0,65A = 60.62V 69

13 - La tensión que tienen las bombillas 2 y 3 es igual a la del paralelo: V P = V 1 = V 2 = 60,62V - De la ley de Ohm podemos obtener la corriente en las bombillas 2 y 3: V2 60,62 I 2 = = = 0,18 A R2 330 V3 60,62 I 3 = = = 0,466 A R Como comprobación tenemos que: I P = I 2 + I 3 = 0,184A + 0,466A = 0,65A 7. RECEPTORES Y ELEMENTOS DE MANIOBRA. Los receptores transforman la energía eléctrica que pasa a través de ellos en luz, calor, movimiento o sonido. El paso de la corriente eléctrica se controla mediante los elementos de maniobra. 7.1 RECEPTORES. La bombilla es un receptor. Al paso de la corriente su filamento se pone incandescente y produce luz y calor. En el caso de los motores influye la forma en que se conectan. La corriente puede circular en ambos sentidos; al cambiar el sentido de la corriente, cambia el del giro del motor. 7.2 ELEMENTOS DE MANIOBRA. Son dispositivos que tienen como objetivo regular y gobernar el paso de la corriente eléctrica por el circuito. Existen varias clases, los más comunes son: 70

14 - Pulsador. Es un aparato utilizado para activar alguna función. Un pulsador permite el paso o interrupción de la corriente mientras es accionado. Cuando ya no se actúa sobre él vuelve a su posición de reposo. - Interruptor. Es un dispositivo utilizado para desviar o interrumpir el curso de una corriente eléctrica. - Conmutador. Es un dispositivo utilizado para desviar o cambiar la corriente eléctrica de una rama del circuito a otra rama distinta. 7.3 CONMUTADORES. APLICACIONES. Las escaleras mecánicas funcionan como conmutadores, por que para ponerla en marcha para subir un piso y una vez arriba pararla, por tanto es necesario controlar el motor desde dos sitios distintos. Uno en la base de la escalera y el otro arriba. Para ello se utiliza dos conmutadores. Este sistema también se utiliza para poder apagar/encender las luces desde dos puntos diferentes en un pasillo. Este solo necesita un conmutador simple, pero también existen más complejos capaces de manejar dos o más circuitos. - Conmutador de cambio de giro. Para cambiar el giro del conmutador se utiliza uno de seis patillas. Montamos el circuito, para que cuando se cierran las patillas 1 y 1' el motor gira hacia la derecha, y al accionar las patillas 2 y 2' cambia la polaridad y por tanto el sentido de este. 71

15 7.4 RELÉ. Es una combinación de un electroimán y un interruptor. Consta de dos circuitos: el de mando y el de potencia. En el circuito de potencia hay un interruptor, con sus contactos disponibles. El circuito de mando es el electroimán que mediante un mecanismo cuando circula corriente por él, hace que se cierre el contacto del interruptor de potencia. Cuando deja de circular corriente por el electroimán el mecanismo hace que se abra el contacto de potencia. En resumen, un relé puede actuar como un interruptor o como un conmutador. 8. DISEÑO DE CIRCUITOS CON EL ORDENADOR: CROCODILE CLIPS. 8.1 INICIO DEL PROGRAMA. Crocodile Clips es un programa didáctico de simulación de circuitos, especialmente útil para los alumnos de secundaria. Con él podemos aprender tanto los elementos que forman un circuito, cómo su funcionamiento y diseño. Para iniciar el programa basta con hacer doble clic sobre su icono, apareciendo un cuadro que nos informa sobre la versión, el cual podemos cerrar pulsando en el botón OK. 72

16 8.2 LA PANTALLA DEL PROGRAMA. Los elementos a destacar son los siguientes: Barra de Título Botones de Control Barra de Menús Barra de Herramientas Principal Barra de Desplazamiento Área de Diseño del Circuito 8.3 BARRA DE HERRAMIENTAS PRINCIPAL. En este apartado, vamos a describir los botones más importantes del programa, para poder construir nuestros circuitos. Estos botones se encuentran en la barra de herramientas Principal. Al pulsar sobre uno de ellos, la barra de herramientas cambia, mostrando una barra de herramientas nueva, con las opciones del botón seleccionado. Para poder volver a la barra Principal, basta con pulsar sobre la Flecha Arriba. Si queremos ELIMINAR o REPARAR un componente del circuito, debemos pulsar sobre el Cocodrilo. 73

17 8.4 SUMINISTROS DE ENERGÍA. Este botón nos permite situar una fuente de energía o de electrones, sobre nuestro circuito. Al pulsar sobre él nos aparece una barra nueva cuya opción más importante es la de Pila. 8.5 INTERRUPTORES. Este botón nos permite situar interruptores de corriente, sobre nuestro circuito. Al pulsar sobre él nos aparece una barra nueva cuyas opciones más importante son: Interruptores unipolares de una vía. Interruptores unipolares de dos vías. 8.6 COMPONENTES PASIVOS. Este botón nos permite situar elementos de protección, sobre nuestro circuito. Al pulsar sobre él nos aparece una barra nueva cuya opción más importante es la de Resistor. 8.7 SALIDAS DE LUZ. Este botón nos permite situar puntos de luz, sobre nuestro circuito. Al pulsar sobre él nos aparece una barra nueva cuyas opciones más importantes son: Luz de señal. Lámpara de filamento. 8.8 MEDIDA DE MAGNITUDES. - Para medir tensiones, el voltímetro se coloca en paralelo con el elemento cuya tensión se desea medir. -Para medir intensidades, el amperímetro se coloca en el miso cable donde se quiere medir la corriente circulante. 74

18 8.9 CONSTRUCCIÓN DE UN CIRCUITO ELÉCTRICO. Para crear un circuto, primero debemos ir situando cada elemento sobre el Área de diseño. Seleccionamos un elemento y lo arrastramos, con el ratón, a la zona que nos interese. Esto se repite para cada elemento. A continuación, debemos unir con los cables de conexión, todos los elementos del circuito. Esta operación la realizaremos de la siguiente forma: Hacemos clic sobre un extremo de un elemento. El puntero del ratón se muestra como una bobina de cable. Activada la bobina podemos llevar la conexión a todos los elementos que nos interesen, completando el circuito. Si queremos probar el circuito, basta con pulsar sobre los interruptores que hayamos puesto en él. Para modificar el valor de algún componente, basta con hacer clic sobre el número que indica dicho valor. Nos aparece entonces, un cuadro de diálogo donde podemos elegir un nuevo valor. 75

19 8.10 GUARDAR EL DISEÑO DEL CIRCUITO. Un vez completado el circuito, podemos guardarlo como un archivo de cualquier otro programa. Activamos el Menú Archivo y elegimos la opción Guardar Como. 76