TEMA 1 CORRIENTE ELÉCTRICA INTRODUCCIÓN CIRCUITO ELÉCTRICO MAGNITUDES ELÉCTRICAS LEY DE OHM CORRIENTE ELÉCTRICA POTENCIA Y ENERGÍA 1._ INTRODUCCIÓN La materia está formada por átomos y cada uno de estos átomos está formado por tres tipos de partículas, protones, neutrones y electrones. Los protones (partículas cargadas positivamente) y neutrones (partículas neutras) están ubicados en la parte central del átomo, en el núcleo. Los electrones (partículas de carga negativa) están en la zona exterior del núcleo del átomo, en la zona que llamaremos corteza. Los electrones se mueven en esta zona exterior. La corriente eléctrica es el movimiento neto de electrones a través de un camino definido. Los materiales que permiten el paso de la corriente eléctrica son materiales conductores. La mayoría de los metales son materiales muy buenos conductores. La plata es el mejor material conductor, pero debido a su elevado precio, en los circuitos eléctricos se emplea cobre (segundo mejor material conductor). Sin embargo, también existen otros materiales, los que no permiten el paso de la corriente eléctrica, son los materiales aislantes, y los que sí permiten el paso de la matefiquitec.wordpress.com 1 Matemáticas & +
corriente pero poseen menor capacidad de transportar corriente que los conductores, son los semiconductores. Los aislantes son materiales como la madera, plásticos, Los semiconductores son elementos intermedios. Son aquellos materiales que poseen menor capacidad de transportar corriente que los conductores. Estos elementos semiconductores constituyen la base de artefactos electrónicos tales como el diodo, el transistor y el circuito integrado. El silicio y el germanio son materiales semiconductores comunes. 2._ CIRCUITO ELÉCTRICO Un circuito eléctrico es el conjunto de elementos que unidos entre sí permiten la circulación de electrones a través de sus elementos, desde los elementos que producen energía hasta los elementos que la consumen. En un circuito eléctrico podemos encontrar los siguientes elementos: generadores, receptores, conductores, elementos de control y elementos de protección. Un circuito eléctrico con un generador, un receptor y conductores puede funcionar perfectamente. Los elementos de control van a permitir que el circuito eléctrico funcione cuando sea necesario y los elementos de protección van a aportar la seguridad necesaria al circuito. 2.1._ GENERADORES Son los elementos que aportan potencial a los electrones. Esta diferencia de potencial que existe entre los extremos de un generador es la que permite que los electrones se muevan. Son generadores las pilas, las baterías, los alternadores, las dinamos, Las pilas tienen dos bornes o polos, uno positivo y otro negativo. El polo positivo lo denominamos ánodo y al negativo lo denominamos cátodo. La energía que aportan las pilas se mide en voltios (V), y su carga varía desde 1,5V hasta 4,5V. Las baterías al igual que las pilas, tienen dos bornes, pero a diferencia de las pilas, las baterías son recargables. Son dispositivos que transforman la energía química en electricidad. Fuentes de alimentación. La corriente eléctrica que llega de la red también aporta la energía necesaria para que los electrones se muevan. Esta corriente que aporta la red llega en forma de corriente matefiquitec.wordpress.com 2 Matemáticas & +
alterna, con tensiones de 220V-230V, pero los circuitos electrónicos necesitan, para su correcto funcionamiento, corriente constante que conocemos como corriente continua. Las fuentes de alimentación realizan la transformación de la corriente alterna que llega de la red en corriente continua que necesitan las baterías de los aparatos electrónicos que utilizamos cada día.. PC Fuente Enchufe Corriente continua Corriente alterna 2.2._ RECEPTORES Son los elementos que consumen la energía que aportan los generadores. Son las resistencias, bombillas, motores, - Resistencias. Son elementos que transforman la energía de los electrones en calor. - Bombillas. Son elementos que transforman la energía de los electrones en luz. - Motores. Son elementos que transforman la energía de los electrones en movimiento. 2.3._ CONDUCTORES Son los encargados de llevar la energía desde los elementos que generan la energía hasta los elementos que la consumen. Son elementos que están formados por uno o varios hilos de cobre, y una capa de protección de plástico, que evitará que los electrones que viajan por los hilos de cobre salgan o se escapen del cable. Estos conductores son los cables, pero en algunos aparatos eléctricos el elemento conductor es una placa metálica, por ejemplo, en una linterna. 2.4._ ELEMENTOS DE CONTROL Y MANIOBRA Son los elementos que se encargar de permitir el paso de la corriente o no, a través del circuito. Son los elementos que abren o cierran el circuito. Son los interruptores, los conmutadores, los pulsadores, matefiquitec.wordpress.com 3 Matemáticas & +
2.5._ ELEMENTOS DE PROTECCIÓN Son los elementos que protegen el circuito de sobrecargas, es decir, evitan que pase por el circuito más energía que la que el elemento es capaz de soportar. Son los fusibles y los interruptores magnetotérmicos. Un fusible es un elemento con un filamento en su interior. Ante un exceso de intensidad el filamento se quema, y se rompe el circuito. Cuando esto sucede hay que sustituir el fusible dañado por otro nuevo. Sin embargo, un interruptor magnetotérmico ante un exceso de intensidad, salta y se corta el circuito, pero no es necesario sustituir el interruptor magnetotérmico por otro. Los diferenciales protegen el circuito de las derivaciones a tierra. 3._ MAGNITUDES ELÉCTRICAS La intensidad de corriente eléctrica es la cantidad de carga que atraviesa una sección de un conductor por unidad de tiempo. La resistencia eléctrica es una magnitud física que indica la mayor o menor dificultad que ofrece un elemento al paso de la corriente a través de él. La resistencia eléctrica es una característica propia de cada material y para calcular la resistencia eléctrica de un conductor se aplica la siguiente fórmula: R = s l ρ Siendo s = sección en mm 2, l = longitud en m, ρ = resistividad en Ωmm 2 /m La tensión o voltaje es la carga eléctrica que genera la pila o la batería. Magnitud Intensidad de corriente Resistencia eléctrica Voltaje o Tensión Unidad de Medida Amperio Símbolo Múltiplos Submúltiplos Equivalencias A ma µa na ma = 10-3 A µa = 10-6 A na = 10-9 A Ohmnio Ω KΩ KΩ = 10 3 Ω Voltio V mv µv nv mv = 10-3 V µv = 10-6 V nv = 10-9 V matefiquitec.wordpress.com 4 Matemáticas & +
4._ LEY DE OHM La ley de Ohm permite relacionar las tres magnitudes eléctricas, la tensión (V), la intensidad de corriente (I) y la resistencia eléctrica (R) I = V R Para calcular cualquiera de las magnitudes, despejamos de esta fórmula. Aunque para recordar la ley de Ohm y utilizarla correctamente, podemos utilizar la siguiente regla nemotécnica: Si queremos calcular el voltaje, tapamos con un dedo esa magnitud y nos quedan la intensidad y la resistencia. Estas dos magnitudes se multiplican para poder calcular el voltaje Sin embargo, si queremos calcular la resistencia, tapamos con un dedo la R. Las magnitudes que nos quedan son el voltaje y la intensidad. El voltaje arriba y la intensidad abajo en el triángulo, por lo tanto, para calcular la resistencia tendré que hacer el cociente entre Voltaje e Intensidad. Circuito en Serie En un circuito en serie tendremos elementos conectados de tal manera que la entrada de un elemento coincide con la salida del elemento anterior. Un elemento está conectado con el siguiente uno a continuación de otro. R 1 = 5 Ω ; R 2 = 6 Ω La resistencia total (R total ) es la suma de todas las resistencias conectadas en serie. R total = R 1 + R 2 En un circuito eléctrico donde los receptores están conectados en serie, toda la corriente eléctrica pasa por todos los elementos que están conectados de forma sucesiva. matefiquitec.wordpress.com 5 Matemáticas & +
I pila = I 1 = I 2 Solo hay una intensidad de corriente, la intensidad que sale de la pila (I pila ) y que atraviesa todos y cada uno de los receptores conectados en serie. El voltaje de la pila es consumido por cada uno de los receptores conectados en serie, es decir, el voltaje de la pila (V pila ) será igual a la suma de los voltajes consumidos por cada uno de los elementos receptores (resistencias, bombillas, ) conectados en serie. En este caso, los voltajes V 1 y V 2 son las tensiones consumidas por las resistencias R 1 y R 2 V pila = V 1 + V 2 Circuito en Paralelo En un circuito en paralelo podemos encontrar elementos conectados de tal manera que la entrada de varios elementos coincida y la salida de éstos también coincida. Dos o más elementos estarán conectados en paralelo cuando tienen entrada común y también tienen salida común. R 1 = 15 Ω ; R 2 = 16 Ω En un circuito eléctrico en paralelo la corriente eléctrica tiene que dividirse en varios caminos, tantos como elementos conectados en paralelo haya, y después de pasar por ellos vuelve a unirse en un solo camino. La resistencia total (R total ) de dos resistencias (R 1 y R 2 ) conectadas en paralelo se calcula con la siguiente fórmula: R total = R 1 R 2 R 1 + R 2 La intensidad que recibe cada uno de los receptores conectados en paralelo es diferente. En este caso, al tener conectadas dos resistencias en paralelo, la intensidad que sale de la pila I pila se divide en el punto donde se conectan las dos resistencias conectadas en paralelo, de tal manera que a la intensidad que pasa por R 1 la llamaremos I 1 y a la intensidad que pase por R 2 la llamaremos I 2 La intensidad que sale de la pila será igual a la suma de las intensidades que pasa por las resistencias conectadas en paralelo. matefiquitec.wordpress.com 6 Matemáticas & +
I pila = I 1 + I 2 El voltaje de todas las resistencias conectadas en paralelo es igual entre sí, es decir, el voltaje de la pila (V pila ) es igual al voltaje consumido por R 1 y por R 2. V pila = V 1 = V 2 Circuito Mixto En un circuito mixto encontraremos elementos conectados en serie y en paralelo. En este caso, tendremos elementos conectados en serie y en paralelo. Para conocer y calcular la resistencia equivalente del circuito es necesario ir descomponiendo la asociación mixta en las diferentes asociaciones en paralelo y en serie. Las resistencias R 1 = 15 Ω y R 2 = 16 Ω están conectadas en paralelo. Y éstas están conectadas en serie con la resistencia R 3 = 10 Ω Primero se calcula la resistencia R 12, que es la resistencia equivalente obtenida a partir de las resistencias colocadas en paralelo, y después se calcula la resistencia total (R total ) con las resistencias R 12 y R 3 que están conectados en serie. El cálculo de la intensidad y de la tensión que pasa por cada una de las resistencias, se calculará del mismo modo, teniendo en cuenta si las resistencias están conectadas en serie o en paralelo. 5._ TIPOS DE CORRIENTE ELÉCTRICA Existen dos tipos de corriente eléctrica dependiendo de cómo se comportan los electrones dentro del conductor: - Corriente Continua (CC) es la corriente que producen las baterías, pilas, dínamos, Entre los extremos de cualquiera de estos generadores, se crea una tensión constante que no varía en el tiempo. El polo positivo y el polo negativo no cambian, la tensión no cambia. En corriente continua los electrones que viajan por el conductor van siempre en el mismo sentido. matefiquitec.wordpress.com 7 Matemáticas & +
Corriente Continua (uniforme) La tensión siempre es la misma y la intensidad de corriente también es la misma, es constante. La corriente continua es la que corriente que necesitan las baterías de los coches o de los portátiles, de los móviles y tabletas, de las pilas, - Corriente Alterna (CA) es la producida o generada en las centrales eléctricas. Esta corriente es la más habitual porque es la más fácil de generar, y las pérdidas inevitables de energía al transportar corriente a grandes distancias es mucho menor que de otro modo. La tensión (voltaje) que se genera entre los dos polos varía con el tiempo en forma de onda senoidal, es decir, no es constante. Corriente Alterna (onda senoidal) La onda senoidal va desde el instante inicial hasta el punto P. Esta onda pasa 2 veces por el punto de 0v y otras 2 veces por el punto de tensión máxima (tensión positiva y tensión negativa). La velocidad a la que se genera esta onda es tan rápida, que cuando no hay tensión en los receptores, no se aprecia. En corriente alterna la intensidad varía con el tiempo, el número de electrones es variable, y a demás cambian el sentido de la circulación a razón de 50 veces por segundo (frecuencia = 50Hz). La onda de la intensidad será una onda senoidal igual que la de la tensión, pero con valores de intensidad. En corriente alterna los electrones van y vienen dentro del conductor, es decir, no siguen el mismo sentido de movimiento. Es el tipo de corriente que nos llega a casa desde la compañía eléctrica. matefiquitec.wordpress.com 8 Matemáticas & +
6._ POTENCIA Y ENERGÍA La potencia eléctrica de un receptor es la medida del calor que produce una resistencia, o la medida de la luz que produce una bombilla, La potencia eléctrica (P) de un receptor muy fácil de calcular a partir de dos magnitudes eléctricas del receptor, el voltaje (V) y la intensidad de corriente (I). P = V I La unidad de medida de la potencia son los vatios (W) La energía (E) de un receptor es la potencia (P) desarrollada por ese receptor durante un intervalo de tiempo (t) concreto. La energía es potencia por unidad de tiempo. E = P t La unidad de medida de la energía son vatios hora (Wh). También se utilizan múltiplos de la unidad de potencia (Kilo vatios hora = KWh) matefiquitec.wordpress.com 9 Matemáticas & +