IES RIBERA DE CASTILLA LA CORRIENTE ELÉCTRICA

UNIDAD 9 LA CORRIENTE ELÉCTRICA La intensidad de la corriente. Corriente eléctrica. Conductores. Tipos. Intensidad. Unidades. Sentido de la corriente. Corriente continua y alterna. Resistencia. Resistencia de un hilo. Ley de Ohm aplicada a una resistencia. Generadores. Fuerza electromotriz. Tipos de generadores: De corriente continua y alterna. Electromagnéticos. Alternadores y dinamos. Químicos. Pilas y acumuladores. Fotovoltaicos. Asociación de generadores. Aparatos de medida. Amperímetros y voltímetros. El polímetro Asociación de resistencias. Resistencia equivalente. Los circuitos eléctricos y la energía. Receptores eléctricos Energía eléctrica. Potencia. Energía consumida: el kw h. Efecto Joule. Transporte de la energía eléctrica. AMPLIACIÓN Estudio energético de un circuito. Ley de Ohm generalizada. Resistencia interna. Balance de energía en los elementos del circuito. Tensión en bornes. Circuitos con motores. Elementos de un motor. Fuerza contraelectromotriz. Resistencia interna. Balances de energías, potencias y voltajes. Ley de Ohm en un circuito con motor. IES RIBERA DE CASTILLA FÍSICA TEMA 8 Motores. Problemas de circuitos eléctricos. Angel Román Martín Pág 1

MOTORES ELÉCTRICOS CARACTERÍSTICAS DE UN MOTOR F.C.E.M. Resistencia interna r Voltaje aplicado V M V r VOLTAJES Y CAÍDAS DE TENSIÓN F.C.E.M. Se opone a la F.E.M. del generador. Se mide en voltios y representa la energía, por unidad de carga, convertida en energía mecánica. Sólo existe cuando el motor está girando. r r. interna Es la resistencia de los bobinados. Siempre es pequeña y su efecto es producir calor cuando el motor funciona. V voltaje aplicado V = + I r POTENCIA Se desglosa en dos términos: Caída de tensión debida a la F.C.E.M. I r Caída de tensión debida a la resistencia interna V. I Potencia aplicada al motor. (Procede del generador). V. I = I + I 2 r I Potencia que el motor devuelve en forma de energía mecánica. I 2 r Potencia que el motor devuelve en forma de calor. Si un motor se bloquea, al ser r muy pequeña, la intensidad I que pasa por el bobinado es muy grande, el calor producido es excesivo y puede estropearlo. EJEMPLOS DE CIRCUITOS M CAÍDAS DE TENSIÓN = + I r + I r POTENCIAS, r r I = I + I 2 r + I 2 r I I Mecánica ' r r' ' I R r r' CAÍDAS DE TENSIÓN = + I r + I R + I r POTENCIAS I = I + I 2 r + I 2 R + I 2 r I 2 r Calor I Potencia total suministrada por el generador. Al multiplicar por t, se transforma en energía. R A B IES RIBERA DE CASTILLA Motor Generador (calor) M, r r D C Motor R. ext. Generador (calor) FÍSICA TEMA 8 Motores. Problemas de circuitos eléctricos. Angel Román Martín Pág 2

Tema 9 LA CORRIENTE ELÉCTRICA. INTENSIDAD DE CORRIENTE. LEY DE OHM. 1. Por un hilo conductor circula una corriente eléctrica de 300 ma. Qué carga pasa por una sección recta de ese hilo cada minuto? Cuántos electrones pasan por esa sección cada segundo? S: 18 C; 1,88 10 18 electrones. 2. Un hilo conductor tiene una longitud de 30 m y una sección de 2 mm 2. Cuando se aplica en sus extremos una ddp de 1,5 V, circula por él una intensidad de 4 A. Calcula el valor de la resistividad del material con el que está fabricado el hilo. S: 2,5 10 8 Ω.m 3. Por un alambre de cobre de 1,30 mm de diámetro y 50 m de longitud circula una corriente de 2 A. Qué diferencia de potencial hay aplicada entre sus extremos? Resistividad del cobre: buscarla en las tablas S: 1,28 V FÍSICA TEMA 9 Corriente Eléctrica. Angel Román Martín Pág 3

4. Una varilla cilíndrica de aluminio tiene un diámetro de 5,0 mm y una masa de 10,8 g. Determina el valor de su resistencia eléctrica. Datos: densidad: 2,7 kg/dm 3 ; ρ = 2,7 10 8 Ω.m S: 2,6 10 4 Ω 5. Completa los datos de la siguiente tabla, teniendo en cuenta que el conductor es hilo de manganina (aleación de 82-84 % de cobre, 12-15 % de manganeso y 2-4 % de níquel, que se utiliza para fabricar resistencias eléctricas). Dato ρ = 4,5 10 7 Ω.m l (m) S (mm 2 ) R (Ω) I (ma) V (V) 12 0,05 36 0,04 20 1,5 18 180 9 0,10 40 80 6 12 4,5 ASOCIACIÓN DE RESISTENCIAS. 6 En los siguientes circuitos, determinar: a) La resistencia equivalente. b) La ddp y la intensidad en cada una de las resistencias. 8 Ω 5 Ω 2 Ω R V I 8 5 R eq = 2 I T = 30 V FÍSICA TEMA 9 Corriente Eléctrica. Angel Román Martín Pág 4

10 Ω 15 Ω 20 Ω R V I 10 15 R eq = 20 I T = 12 V 4 Ω 3 Ω 6 Ω R V I 4 3 R eq = 6 I T = 12 V 1 Ω 2 Ω 8 Ω 1,4 Ω R V I 1 2 8 R eq = 1,4 I T = 12 V FÍSICA TEMA 9 Corriente Eléctrica. Angel Román Martín Pág 5

6 Ω 2 Ω 12 Ω 1 Ω 3 Ω R V I 2 6 12 1 R eq = 3 I T = 18 V ENERGÍA Y POTENCIA 7. Compara la energía consumida en un año por una bombilla de 100 W y otra equivalente de bajo consumo de 15 W. Suponer que ambas bombillas están encendidas 4 horas diarias. Cuánto ahorro supone en euros? Coste del kw.h 0.12. S: aprox 15 8. Un radiador eléctrico lleva la inscripción 2400 W 240 V. Calcula: a) La resistencia. b) La intensidad. c) La energía consumida en 2 horas, en J y en kw.h S: 10 A; 24 Ω; 4,8 kw.h FÍSICA TEMA 9 Corriente Eléctrica. Angel Román Martín Pág 6

9. La carga de una batería nueva de un automóvil es 55 A.h. Determina cuanto tiempo pueden estar encendidas todas las luces del vehículo sin estar el motor en marcha. (Las dos bombillas de las luces de cruce tienen 55 W cada una, y las cuatro de posición, 10 W cada una. FEM de la batería 12 V) S: 4,4 horas 10. Las potencias de dos estufas eléctricas son 800 y 1200 W respectivamente. En cuál de las dos es mayor la resistencia? Halla la relación en que se encuentran estas resistencias. (voltaje = 220 V) S: 60 y 40 Ω; 1,5 11. El volumen de una habitación es 36 m 3. Cada m 3 de aire absorbe 315 cal para que su temperatura aumente 1 ºC, y las paredes y los muebles, absorben el 120 % del calor absorbido por el aire. Disponemos de un radiador de 1200 W y queremos calentar la habitación desde 10 ºC hasta 20 ºC. Cuánto tiempo tiene que estar enchufado el radiador? S: 14 min 29 s FÍSICA TEMA 9 Corriente Eléctrica. Angel Román Martín Pág 7

12. Un calentador eléctrico consta de un depósito de 50 litros y una resistencia de 1000 W. Cuánto tiempo tiene que estar encendido para calentar el agua desde 15 a 60 ºC? S: 2h, 36 min, 45 s ACTIVIDADES DE AMPLIACIÓN CIRCUITOS. TENSIÓN EN BORNES. 13. Una pila de 9 V que tiene una resistencia interna de 1 Ω está conectada a una resistencia de 71 Ω. Cuál es la tensión en bornes? Cuál es la ddp entre los extremos de la resistencia? S: 8,875 V 14. En el circuito del ejercicio anterior, está pasando corriente durante 2 minutos. Qué energía se pierde en el interior de la pila? Qué cantidad de calor se desprende en ese tiempo en la resistencia? Qué energía ha suministrado el generador a todo el circuito? S: 1,875 J; 133,125 J; 135 J FÍSICA TEMA 9 Corriente Eléctrica. Angel Román Martín Pág 8

15 Dibuja el circuito y completa los datos de la siguiente tabla: R I r I V AB ξ 1 3 4,5 10 4,5 100 4,5 1000 4,5 Pista: Con los datos del primer circuito, hay que calcular la resistencia interna r del generador, que se mantendrá constante en el resto del los circuitos. S: r = 0,5 Ω 16. Un circuito está formado por cinco pilas en serie y un pequeño motor. Cada pila tiene una fuerza electromotriz de 1,5 voltios y una resistencia interna de 0,6 ohmios. El motor tiene una fuerza contraelectromotriz de 4 voltios y una resistencia de 2 ohmios. Dibuja el circuito y determina: a) La intensidad total de corriente. b) La potencia que se pierde en el motor en forma de calor por efecto Joule. c) La potencia mecánica que se transforma en el motor. d) La tensión en bornes. Dónde hay que colocar el voltímetro para medir esta tensión en bornes? S: 0,7A; 0,98 W; 2,8 W; 5,4 V 17. Por un motor conectado a una tensión de 4,5 V pasa una intensidad de 0,25 A cuando gira libremente sin rozamiento. Pero si se bloquea el motor para que no gire, la intensidad que pasa por él es 2,25 A, con lo que aumenta el riesgo de que se queme. Cuánto vale la resistencia interna del motor y su fuerza contraelectromotriz? S: r = 2 Ω; ξ = 4 V FÍSICA TEMA 9 Corriente Eléctrica. Angel Román Martín Pág 9

18. Una lámpara de 100 W 220 V es enchufada por error a 110 V. Hay riesgo de que se funda? Cuál será su potencia en ese caso? 19. Una batería de f.e.m. 6 V y de resistencia interna 2 Ω se conecta con una resistencia de 22 Ω durante 4 minutos. Determinar: a) La intensidad en el circuito. b) La ddp entre los extremos de la resistencia. c) La caída de tensión en el interior de la pila. d) La energía total que suministra la batería. Haz el cálculo de esta energía en cada uno de los elementos del circuito. FÍSICA TEMA 9 Corriente Eléctrica. Angel Román Martín Pág 10

20. Dibuja los correspondientes circuitos y calcula la potencia total de cada uno: a) Dos bombillas en paralelo, una de 100 W y otra de 60 W, ambas de 220 V b) Dos bombillas de 60 W en serie. En ambos casos, el conjunto se conecta a una tensión de 220 V FÍSICA TEMA 9 Corriente Eléctrica. Angel Román Martín Pág 11

21. En el circuito de la figura, calcular: a) La resistencia equivalente. b) La intensidad que circula por cada rama. c) La d.d.p. en los bornes de cada elemento del circuito. d) La potencia entregada por el generador y cómo se distribuye esta potencia en cada uno de los elementos del circuito. e) La potencia absorbida por el motor, (potencia nominal), la potencia útil y el rendimiento del motor. (El motor tiene una FCEM ε de 9 V) FÍSICA TEMA 9 Corriente Eléctrica. Angel Román Martín Pág 12

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22. Una bombilla de 120 V y 60 W se monta en paralelo con una resistencia de 80. Si disponemos de una fuente de alimentación de 220 V, qué resistencia debe ponerse en serie con el conjunto para que no se funda la bombilla? S: 50 Ω FÍSICA TEMA 9 Corriente Eléctrica. Angel Román Martín Pág 14

23. Se conecta un motor de juguete en serie con una resistencia a 16 Ω a una pila de 9 V. La resistencia interna de pila es de 0,5 Ω y la del motor 1,5 Ω. Se ha medido la intensidad cuando el motor está funcionando y ha resultado ser de 250 ma. Con estos datos, calcular: a) La fuerza contraelectromotriz del motor. b) La d.d.p. V AB. c) La d.d.p. V BC. d) La caída de potencial en el motor, debido a la resistencia interna r. e) La caída de potencial en el generador, debido a la resistencia interna del mismo. f) El balance de energía, si el circuito ha estado cerrado durante 2 minutos. A, r D R B M r C Solución: a) Aplicando la ley de Ohm generalizada se obtiene: ε = ε I (R + r + r') = 9 V 0,25 A (16 + 0,5 + 1,5) Ω = 4,50 V b) V AB = I R = 0 25 A 16 Ω = 4,00 V c) V BC = ε + Ir' = 4,5 V + 0,25 A 1,5Ω = 4,875 V d) I r' = 0,25 A 1,5 Ω = 0,375 V e) I r = 0,25 A 0,5 Ω = 0,125 V Comprobación: ε = ε' + I R + I r + I r' 9 V = (4,5 + 4 + 0,125 + 0,375) V f) Realizar un balance de energía significa determinar la energía que se transforma en cada elemento del circuito. Se debe cumplir el principio de conservación de la energía. Energía producida por el generador en los 2 min: W gen = ε I t = 9 V 0,25 A 120 s = 270 J Energía consumida en todo el circuito en los 2 min: Energía mecánica del motor (ε I t) = 4,5 0,25 120 = 135 J Energía disipada por R, (R I 2 t) = 16 0,25 2 120 = 120 J Energía disipada por r, (r I 2 t) = 0,5 0,25 2 120 = 3,75 J Energía disipada por r, (r I 2 t) = 1,5 0,25 2 120 = 11,25 J Energía total consumida: (135 + 120 + 3,75 + 11,25) = 270 J, igual a la energía suministrada por el generador. FÍSICA TEMA 9 Corriente Eléctrica. Angel Román Martín Pág 16

24. En el circuito de la figura, = 24 V, = 6V, R = 8 Ω y r = r = 2 Ω. Con estos datos, determinar: a) La intensidad de la corriente en el circuito. b) La potencia del generador y la energía producida en 4 minutos. c) El calor, en julios, producido por el generador, por la resistencia R y por el motor durante 4 minutos. d) Las diferencias de potencial V AB, V BC y V AD e) Qué intensidad pasa por el circuito si sólo un momento! Se sujeta el motor para que no gire? Y si además suprimimos R? Qué ocurrirá con el motor en esta situación? f) Determinar la potencia total absorbida por el motor, la potencia mecánica, el rendimiento y la energía mecánica que desarrolla el motor en 4 minutos. S: a) 1,5 A; b) 36 W, 8640 W; c) 1080 J, 4320 J, 1080 J; d) 12 V, 9 V, 21 V; e) 2 A; 6 A; f) 13,5 W; 9 W; 66,67 %; 2160 J A D, r R B M r C FÍSICA TEMA 9 Corriente Eléctrica. Angel Román Martín Pág 17

SOLUCION DE ALGUNOS PROBLEMAS: 18 19 FÍSICA TEMA 9 Corriente Eléctrica. Angel Román Martín Pág 18

20 FÍSICA TEMA 9 Corriente Eléctrica. Angel Román Martín Pág 19