Resistencia eléctrica de los materiales.

05/03/2011 Tema 6 ELECTRICIDAD Y ELECTRÓNICA 3º ESO La electricidad y la materia Como ya sabes, la materia está constituida por átomos que se unen entre sí para formar cristales o moléculas. A pesar de que existen fuerzas de atracción entre el núcleo y los electrones, hay algunos electrones que pueden saltar de un átomo a otro por diferentes causas La corriente eléctrica es el resultado del movimiento de los electrones a través de los materiales conductores También podemos decir que la corriente eléctrica es la circulación de electrones o carga eléctrica de forma continua por un circuito. 3 1

El circuito eléctrico. Es un camino cerrado por el que circulan los electrones y que está compuesto por elementos eléctricos unidos mediante conductores. (Un generador, un receptor, elementos de control y elementos de protección). Su finalidad es conseguir que la corriente eléctrica haga un trabajo útil. Tipos de materiales. La estructura atómica de cada material determina la mayor o menor facilidad con que se desplazan los electrones, de manera que se pueden clasificar los materiales según su comportamiento eléctrico en: Conductores. Permiten el paso de la corriente eléctrica. Los metales, el agua. Aislantes. No permiten el paso de la corriente eléctrica. La madera, el vidrio, los plásticos y el aire. Semiconductores. Presentan propiedades intermedias entre los conductores y los aislantes. Germanio y silicio. 4 Resistencia eléctrica de los materiales. Es la oposición que presenta un material al paso de la corriente eléctrica. Se representa con la letra R y se mide en ohmios Ω R l S ρ = resistividad (Ω m) l = longitud (m) S = sección (m 2 ) jmm 5 2

ELEMENTOS DE UN CIRCUITO ELÉCTRICO Generadores. Proporcionan la energía necesaria a los electrones para que se muevan a través del circuito. 6 Receptores. Son dispositivos que transforman la energía eléctrica en otro tipo de energía que nos resulte útil. Elementos de control. Dirigen o interrumpen la corriente eléctrica 7 3

Símbolos eléctricos Son dibujos simplificados de los componentes eléctricos y que se utilizan en los esquemas eléctricos. 8 Esquemas eléctricos Es la representación gráfica de un circuito utilizando los símbolos eléctricos de sus componentes unidos entre sí. Un circuito con componentes reales y su esquema eléctrico 9 4

MAGNITUDES ELÉCTRICAS Voltaje o Tensión. Es la cantidad de energía que un generador es capaz de proporcionar a cada electrón para que circule por el circuito. Se mide en voltios (V). Voltímetro. Para medir la tensión o voltaje se utiliza el voltímetro. Los cables que salen del voltímetro se conectan en paralelo en los extremos del componente cuya tensión deseamos medir. 10 Intensidad de corriente eléctrica. Es la carga o número de electrones que atraviesan la sección de un conductor cada segundo. La unidad es el amperio (A). La unidad de carga eléctrica es el culombio 1 culombio = 6,25. 10 18 electrones Amperímetro. Sirve para medir la intensidad de corriente que pasa por un circuito. Debe conectarse en serie de modo que todos los electrones tienen que pasar por el. Amperímetro midiendo la intensidad que consume la bombilla. 11 5

LEY DE OHM Experimentando con circuitos eléctricos, Ohm descubrió que: Al aumentar la tensión en un circuito, circula más corriente por él. Al aumentar la resistencia de un circuito, circula menos corriente por él. Enunciados de la ley de Ohm La intensidad de la corriente que circula por un circuito cerrado es directamente proporcional a la tensión aplicada e inversamente proporcional a su resistencia eléctrica. La resistencia que un material opone al paso de la corriente eléctrica es el cociente entre la tensión aplicada en sus extremos y la intensidad que lo atraviesa. 12 LEY DE OHM V = I x R V I R I =V /R R =V /I R = Resistencia en ohmios (Ω) V = Voltaje o tensión en voltios (V). I = Intensidad en amperios (A). 13 6

Conexión en serie Dos o más elementos están conectados en serie cuando: la salida de uno se une a la entrada del siguiente cuando se conectan uno a continuación de otro cuando están conectados en el mismo cable V = V 1 + V 2 + V 3 + R = R 1 + R 2 + R 3 +... 14 Circuitos serie la intensidad que circula por todos los elementos es la misma, es común I T =I 1 =I 2 =I 3 = el voltaje total es la suma de las tensiones o voltajes en los extremos de cada elemento VT=V1+V2+V3+. la resistencia total es la suma de las resistencias R T = R 1 + R 2 + R 3 +. 15 7

Conexión en paralelo. En esta conexión los componentes del circuito se conectan de forma que tengan todos la misma entrada y la misma salida; así los terminales de un lado y otro se unen entre sí. VT=V1+V2 RT = 1/(1/R 1 + 1/R 2 + 1/R 3 +..) El voltaje total es el mismo pero la corriente que deben suministrar se reparte, por lo que la duración de cada generador será mayor. Resistencia total o equivalente de éste circuito 16 Circuitos paralelo la diferencia de potencial o tensión en cada elemento conectado en paralelo es la misma VT=V1=V2=V3= la intensidad de corriente total es igual a la suma de las intensidades que circulan por cada rama I T =I 1 +I 2 +I 3 + 17 8

Circuito mixto. Cuando en un mismo circuito existen elementos conectados en serie y en paralelo, la disposición es mixta. Se resuelve cada tramo como circuito serie o paralelo según sea el caso. Para determinar la resistencia total del circuito, se calculan las resistencias parciales de cada tramo y se suman. 18 TIPOS DE CORRIENTE Corriente continua. La corriente continua (CC en español, en inglés DC, de Direct Current) es el flujo continuo de electrones a través de un conductor. En la corriente continua las cargas eléctricas circulan siempre en la misma dirección. (Del polo positivo al polo negativo, pasando por el circuito, según el sentido convencional de la corriente) Las pilas, baterías, células fotovoltaicas y dínamos suministran corriente continua. 19 9

Corriente alterna. Se denomina corriente alterna (CA en español y AC en inglés, de alternating current) a la corriente eléctrica en la que la magnitud y dirección varían cíclicamente. Va cambiando de sentido y por tanto de signo continuamente, con tanta rapidez como la frecuencia de oscilación de los electrones (50 Hz). Se representa gráficamente mediante una onda senoidal. 20 Ventajas de la CORRIENTE ALTERNA frente a la CORRIENTE CONTINUA Permite aumentar o disminuir el voltaje o tensión por medio de transformadores. Se transporta a grandes distancias en Alta Tensión, reduciendo así la pérdida de energía por efecto Joule. Es posible convertirla en corriente directa (continua) con facilidad. Al incrementar su frecuencia por medios electrónicos en miles o millones de ciclos por segundo (frecuencias de radio) es posible transmitir voz, imagen, sonido y órdenes de control a grandes distancias, de forma inalámbrica. Los motores y generadores de corriente alterna son estructuralmente más sencillos y fáciles de mantener que los de corriente continua. 21 10

Valor eficaz de la corriente alterna. El valor eficaz de una señal alterna es el valor que debería tener una señal continua para que ambas produjeran el mismo efecto energético. En el caso de una señal alterna senoidal, ese valor eficaz será: Transformadores. El valor de la tensión alterna senoidal puede aumentar o disminuir mediante el uso de transformadores. Esto permite transportar la energía eléctrica a grandes distancias elevando la tensión y disminuyendo las pérdidas por calentamiento. Si aplicamos una tensión alterna en un devanado V 1, en el otro se induce otra tensión V 2, cuyo valor depende del número de vueltas de cada devanado, n 1 y n 2 http://www.youtube.co m/watch?v=g1zrxezf GDM&feature=related 22 POTENCIA Y ENERGÍA Para entender qué es la potencia eléctrica es necesario conocer primeramente el concepto de energía, que no es más que la capacidad que tiene un mecanismo o dispositivo eléctrico cualquiera para realizar un trabajo. (Obtener calor, movimiento, luz, etc.) La energía utilizada para realizar un trabajo cualquiera se mide en julios (J). En electricidad se usa el Kilovatio por hora como unidad de energía eléctrica. Su equivalencia es: 1KW * h = 3,6*10 5 J 23 11

POTENCIA Y ENERGÍA La Potencia es la velocidad a la que se consume la energía. Es decir, es la capacidad que tiene un receptor eléctrico para transformar energía en un tiempo determinado. La potencia se mide en julios por segundo (J/seg) y se representa con la letra P. Un J/seg equivale a 1 vatio (W), por tanto, cuando se consume 1 julio de potencia en un segundo, estamos gastando o consumiendo 1 vatio de energía eléctrica. Son múltiplos de vatio: Kilovatio (KW) = 10 3 W Megavatio (MW) = 10 6 W 24 Cálculo de la Potencia eléctrica y de la Energía La potencia consumida por un aparato eléctrico por el que circula una intensidad I y cuyo voltaje es V, viene dada por la expresión: P = V. I Si se conoce la potencia de un receptor, es fácil calcular la energía eléctrica que consume en KW*h, multiplicando la potencia en KW por el tiempo de funcionamiento en horas: E = P. t E = V. I. t 25 12

EFECTOS DE LA CORRIENTE ELÉCTRICA Calor. El movimiento de los electrones en el interior de un cable es lento y desordenado, lo que provoca continuos choques y un aumento de la temperatura del propio cable. La energía ocasionada en forma de calor se conoce como efecto Joule y se calcula por: E = I 2. R. t Luz. Tubo fluorescente En el interior del tubo hay un electrodos situado en cada uno de los extremos del tubo, un gas inerte (argón) y una pequeña cantidad de mercurio. El vidrio está interiormente recubierto por una capa de fósforo. 26 Funcionamiento Al conectar el tubo fluorescente se produce una descarga eléctrica entre ambos electrodos que da lugar a una corriente eléctrica. Los choques de las partículas que forman la corriente eléctrica con los átomos de mercurio provocan la emisión de luz ultravioleta no visible. El fósforo absorbe la radiación ultravioleta y la transforma en luz visible Este tipo de lámparas iluminan más con menos consumo pero producen contaminación por el uso del fósforo y sobre todo del mercurio. 27 13

Bombilla de incandescencia Al pasar corriente eléctrica por el filamento de la bombilla se emite luz (incandescencia). El filamento, que puede ser de tungsteno o wolframio (temperatura de fusión de 3400ºC), alcanza una temperatura de entre 2000 y 3000ºC. En el interior de la ampolla se ha hecho el vacío o existe una mezcla de argón y nitrógeno o Kriptón para evitar la combustión del filamento. 28 Lámpara fluorescente compacta La lámpara compacta fluorescente o CFL (sigla del inglés compact fluorescent lamp) es un tipo de lámpara fluorescente que se puede usar con casquillos de rosca Edison normal (E27) o pequeña (E14). También se la conoce como Lámpara de bajo consumo En comparación con las lámparas incandescentes, las CFL tienen una vida útil mayor y consumen menos energía eléctrica para producir la misma iluminación. De hecho, las lámparas CFL ayudan a ahorrar costes en facturas de electricidad, en compensación a su alto precio dentro de las primeras 500 horas de uso. 29 14

Electromagnetismo Hay una estrecha relación entre la electricidad y el magnetismo de modo que La corriente eléctrica puede crear campos magnéticos (H.C. Oersted) Los campos magnéticos pueden crear corrientes eléctricas (M.Faraday) Las experiencias de Oersted y Faraday se deben ambas al fenómeno conocido como inducción electromagnética. La inducción electromagnética constituye el principio de funcionamiento de las máquinas eléctricas rotativas. Éstas pueden ser: GENERADORES: transforman la energía mecánica (movimiento) en energía eléctrica. Dinamos y alternadores. MOTORES: transforman la energía eléctrica en mecánica (movimiento). 30 http://www.youtube.com/watch?v=k2rwjbwdzqg http://www.youtube.com/watch?v=rjh0bsf5umu&nr=1 Generador eléctrico Dado que la corriente eléctrica se produce por un movimiento de electrones, el generador eléctrico se sirve de un campo magnético para producir este movimiento. Al girar una bobina conductora entre los polos de un imán, se produce una variación en el flujo del campo magnético generando una fuerza electromotriz capaz de generar corriente eléctrica alterna (alternador). Motor eléctrico Un motor es un dispositivo que transforma la energía eléctrica en movimiento. Su funcionamiento se basa en las fuerzas de atracción y repulsión ocasionadas por un hilo por donde circula corriente eléctrica contínua. 31 15

El Relé Es un interruptor electromagnético. Cuando hacemos circular corriente eléctrica por la bobina, ésta se comporta como un electroimán y atrae una pieza móvil metálica que cierra dos contactos; si no se aplica ninguna corriente a la bobina, el contacto central permanece en su posición de reposo: unido al contacto de la izquierda. http://www.youtube.com/watch?v= QjszJEncew8&NR=1 32 ELECTRÓNICA Componentes electrónicos. Permiten modificar la intensidad, el sentido o las propiedades de la corriente eléctrica. Resistencia fija o resistor Dificulta el paso de la corriente eléctrica. Su valor se mide en ohmios y se indica mediante el código de colores. El tamaño indica la potencia que pueden disipar. Resistencia variable o potenciómetro Su valor se puede ajustar entre cero y un valor máximo determinado por el fabricante. Tiene tres terminales. 33 16

34 Resistencias que dependen de un parámetro físico Las que dependen de la temperatura se llaman termistores. NTC (coeficiente de temperatura negativo), la resistencia disminuye al aumentar la temperatura. PTC (coeficiente de temperatura positivo), la resistencia aumenta al aumentar la temperatura. LDR varían con la cantidad de luz. Al aumentar la cantidad de luz disminuye la resistencia. 35 17

Condensador Componente capaz de almacenar carga eléctrica. Formado por dos placas metálicas planas y paralelas, separadas por un aislante. Una vez cargados, impiden el paso de la corriente, comportándose como un interruptor abierto. La capacidad de un condensador es la cantidad de carga que almacena a una tensión dada. Se mide en faradios (F) 36 Diodo Componente electrónico fabricado con material semiconductor que permite el paso de la corriente eléctrica en una sola dirección. 37 18

Transistor Elemento básico en los circuitos electrónicos. Formado por semiconductores, dispone de tres patillas (emisor, base y colector). El fabricante informa de las características del transistor y de la posición de las patillas Con los transistores se puede fabricar desde un interruptor hasta un microprocesador. Se puede utilizar como amplificador o como un interruptor controlado por una pequeña corriente que haremos pasar por la base. 38 19