3ª EVALUACIÓN: LA ELECTRICIDAD

 La electricidad es la energía más empleada por el hombre. Hoy en día sería difícil imaginar nuestra sociedad sin ella. Ella nos ilumina, hace funcionar nuestras máquinas, comunicaciones, transportes, por lo que se encuentra presente en nuestra vida cotidiana desde que nos levantamos hasta que nos acostamos.

Su éxito radica en la facilidad para obtenerla, trasportarla y transformarla en otros tipos de energía.
LA CORRIENTE ELÉCTRICALa electricidad es un fenómeno originado por el movimiento que experimentan los electrones, que son las partículas que forman la corteza del átomo. Los electrones tienen carga eléctrica negativa (-), mientras que los protones, situados en el núcleo del átomo, tienen carga positiva (+). Los cuerpos pueden estar cargados positiva o negativamente como consecuencia del exceso de protones o electrones.

Estructura del átomo

En determinados materiales, que denominamos conductores, es posible hacer fluir los electrones de un extremo al otro de los mismos, estableciéndose entonces una corriente eléctrica. Los materiales que no dejan pasar la electricidad se denominan aisantes.
El camino por el que se desplazan los electrones es lo que denominamos circuito eléctrico, que podemos definir también como el un conjunto de elementos interconectados que permiten el paso de la corriente eléctrica.

ELEMENTOS DE UN CIRCUITO

En cualquier circuito eléctrico sencillo podemos distinguir diferentes tipos de elementos que cumplen una función determinada y que estudiamos a continuación:
Los generadores son los elementos encargados de suministrar la energía al circuito, creando una diferencia de potencial entre sus terminales que permite que circule la corriente eléctrica.
Los elementos que se encargan de esta función son: las pilas, baterías, que generan electricidad mediante una reacción químca. Las dinamos que generan corriente continua (DC), los alternadores que generan corriente alterna (AC) y células fotovoltaicas.

Dinamo de una bicicleta

Celulas fotovoltaicas

Los Conductores que son materiales que permiten el paso de la corriente eléctrica, por lo que se utilizan como unión entre los distintos elementos del circuito.
Generalmente son cables formados por hilos de cobre trenzado y recubiertos por un aislante plástico.
Los Receptores, son los componentes que reciben la energía eléctrica y la transforman en otros tipos de energías más útiles para nosotros como los motores que generan movimiento, las lámparas que generan luz, y las resistencias que transforman la électricidad en calor.

Interior de un motor eléctrico

Cocina eléctrica de resistencias

Elementos de control y maniobra.Estos elementos nos permiten maniobrar y dirigir la elctricidad dentro del circuito, conectando y desconectando sus diferentes elementos según nuestra voluntad.
Los elementos de control más empleados son los interruptores, los conmutadores y los pulsadores.
Elementos de protección. Estos elementos tienen la misión de proteger a la instalación y sus usuarios de cualquier avería que los pueda poner en peligro. Los más empleados son los fusibles y los interruptores de protección.

Fusibles

Los elementos de medida son los aparatos destinados a medir las magnitudes de un circuito eléctrico, como los amperímetros y voltímetros. Se suele utilizar mucho el polímetro digital, que es un aparato que puede realizar todo tipo de mediciones, tanto de intensidad, resistencias y voltajes.
Polímetro

SIMBOLOGÍA

Como dibujar un circuito con todos sus elementos sería bastante complicado, lo que se hace es dibujar los planos y los esquemas eléctricos con dibujos abreviados (símbolos) que nos permiten representar de forma clara y sencilla las conexiones entre sus elementos. En ellos podemos identificar cada elemento por su correspondiente símbolo. Los más comunes son:

MAGNITUDES ELÉCTRICAS BÁSICAS

Las magnitudes básicas de la corriente eléctrica son tres: Intensidad,  Tensión y  Resistencia.

Intensidad de corriente - I 

La corriente eléctrica es un flujo de electrones que circula por un conductor. La intensidad depende del número de electrones que circulen en el circuito. 

La unidad empleada para su medida es el Amperio (A). Cuando en un circuito se mueve una carga de 6,24 trillones de electrones (un culombio) en cada segundo, se dice que por el circuito circula una intensidad de un amperio (1 A).  Como esta unidad es grande, a menudo  se utilizan  submúltiplos  como el miliamperio (mA),  que equivalente a una milésima de amperio. 

                                 1 A = 1000 mA        1 mA =  0,001 A

Para medir esta magnitud se emplea el amperímetro, que se conectará en serie.

Voltaje - V 

Voltaje, tensión eléctrica, o diferencia de potencial son los tres nombres con los que nos referiremos a la diferencia de cargas eléctricas que existe entre los polos positivo y negativo del generador del circuito. Nos indica la cantidad de energía que será capaz de desarrollar la corriente de electrones, para una misma intensidad de corriente. 

La unidad de medida es el voltio (V), y el elemento usado para medir su valor en un circuito se llama voltímetro, que se puede conectar tanto en serie como en paralelo.

Resistencia eléctrica - R 

Es la oposición que presentan los distintos elementos intercalados en el circuito, incluido el conductor a la circulación de los electrones.

La unidad de medida es el ohmio (Ω). Esta unidad es demasiado pequeña por lo que es frecuente encontrar múltiplos como el kiloohmio (KΩ), que equivale a 1000 Ω. Para medir la resistencia eléctrica de un elemento se utiliza el óhmetro. 

LA LEY DE OHM

A comienzos del siglo XIX, Georg Ohm descubrió que existía una relación entre las magnitudes fundamentales de la electricidad según una ley física que lleva su nombre y que se enuncia así:” La diferencia de potencial entre dos puntos de un circuito eléctrico es igual al producto de la intensidad que lo que recorre por la resistencia eléctrica medida entre dichos puntos”.

Matemáticamente la podemos expresar así:

EJEMPLOS DE PROBLEMAS BÁSICOS

A) Si entre los extremos de un conductor hay una diferencia de potencial de 3 v y pasa una corriente de 2 A, ¿cuál es su resistencia?

Resolución:

Datos e incógnitas:V = 3v I = 2A R = ¿?

Cálculo: R = V / I → R = 3 / 2 Solución = 1,5 Ω

B) Conectamos una batería que da 12v de diferencia de potencial entre los extremos de un circuito. La resistencia total del circuito es de 100 Ω. ¿Cuál es la intensidad de corriente que circula por dicho circuito?

Resolución:

Datos e incógnitas:V= 12 v I = ¿? R = 100 Ω

Cálculo: I = V / R → I = 12 / 100 Solución = 0,12 A

C) Por un circuito pasa una corriente de 0,1 A. Si la resistencia total del circuito es de 50 Ω, ¿Cuál es la diferencia de potencial entre los extremos del circuito?

Resolución:

Datos e incógnitas: V = ¿? I = 0,1 A R = 50 Ω

Cálculo: V = R · I → V = 50 · 0,1 = 5 v

Pinchando en este enlace irás a un simulador de la Ley de Ohm en un circuito.

Ejercicio: Intenta resolver este cuadro aplicando la ley de Ohm.

TIPOS DE CIRCUITOS

CIRCUITO EN SERIE
Decimos que un circuito eléctrico está en serie cuando sus elementos se encuentran conectados uno a continuación del otro, siguiendo el mismo conductor.

Si realizamos este tipo de conexión con generadores, uniendo el polo positivo de uno con el negativo del siguiente, sus tensiones se acumulan. O sea el Voltaje total es igual a la suma de cada uno de sus voltajes (VT= V1+ V2+ ...+ Vn)

En este tipo de circuitos si se desconecta cualquiera de sus elementos se interrumpe el paso de la corriente eléctrica por todos los demás.

Además cuantos más receptores sean conectados en serie estos funcionarán con menos energía, en el caso de bombillas, estas brillarán menos.

CIRCUITO EN PARALELO

Decimos que un circuito eléctrico está en paralelo cuando todos sus elementos se ramifican en varios conductores.

Si realizamos este tipo de conexión con generadores, tenemos que unir por un lado todos los polos positivos, y del otro todos los negativos, lo que nos proporcionarán un valor de tensión igual al de cada uno de ellos que, que deben de tener siempre el mismo voltaje.

En este tipo de circuitos, si se desconecta cualquiera de sus elementos, los demás seguirían funcionando, ya que no se interrumpe el paso de la corriente eléctrica por todos los demás.

CIRCUITO MIXTO

Denominamos un circuito mixto al que tiene conectados elementos, tanto en serie, como en paralelo.

CONEXIÓN DE GENERADORES

GENERADORES EN SERIE

Esta linterna lleva sus pilas conectadas en serie. El polo positivo de la primera pila (en amarillo)va directamente a la bombilla, mientras su polo negativo (en gris) se conecta al positivo de la siguiente, y así sucesivamente. Si os fijais el último polo negativo se conecta mediante un muelle (en rojo) al interruptor que abre o cierra el circuito, permitiendo el paso de la corriente eléctrica. Debajo del dibujo de la linterna teneis el esquema del circuito con sus símbolos. Y como podeis ver el voltaje total es la suma del voltaje de cada una de las pilas.

GENERADORES EN PARALELO

En este montaje, las tres pilas están conectadas en paralelo. Es indispensable que todas tengan el mismo voltaje (no como en el caso anterior). Todos los polos positivos se conectan entre si, haciendo lo mismo con los negativos.

Como veis en el esquema, el voltaje aportado al circuito es de 1,5v, el mismo que tiene cada una de las pilas, por eso decimos que es constante.

GENERADORES EN MONTAJE MIXTO

En esta linterna hay seis pilas de 1,5v, conectadas en dos series de tres pilas. Cada una de las series aportará entonces 4,5 v (los voltajes se suman en serie). Estas dos series se conectan en paralelo, con lo cual el voltaje total aportado a la lámpara será de 4,5v. Seguro que lo entendereis más facilmente viendo el esquema.

Os pongo en este recuadro las fórmulas para operar con las tres magnitudes eléctricas básicas (Voltaje, Intensidad y Resistencia) tanto en circuitos en serie como en paralelo

CONEXIÓN DE RESISTENCIAS

Se pueden conectar en serie, es decir, una tras otra a lo largo del mismo conductor, con lo que la Resistencia Total del circuito (Rt), será la suma de todas las resistencias.

Al conectarlas en paraleo, la cosa cambia, ya que la intensidad (I) que circule por cada ramal, variará en función de la resistencia que se encuentre (Ley de Ohm).
Para calcular la resistencia equivalente de unas resistencias en paralelo, habrá que aplicar la fórmula de la ilustración. Es decir, El inverso de la Resistencia Total (Rt) es igual a la suma de los inversos de cada una de ellas.

Para que entendáis la relación de la Intensidad y la Resistencia en una conexión en paralelo, estudiaremos el siguiente ejemplo:
Como veréis la corriente se bifurca en dos ramales I1 e I2. En cada uno de ellos, se encuentra una resistencia distinta, por lo que la I1 y la  I2 también serán distintas (aplicando la Ley de Ohm).
Como podéis comprobar, la Intensidad Total, será igual a las suma de las Intensidades de cada ramal. (It= I1+I2+...+In)

LA POTENCIA ELÉCTRICA

Realmente la Potencia es la cantidad de energía que se consume o se genera por unidad de tiempo. Su unidad es el watio (w) y viene dada por la siguiente expresión:
Potencia ( w) = Voltaje (v) x Intensidad (A)
La mayoria de aparatos eléctricos llevan grabados el voltaje al que funcionan y su potencia, por lo que dividiendo la Potencia entre el voltaje obtendremos la Intensidad.

   Si P = V x I     despejando obtendremos que I = P / V   ó   V = P / I

La cantidad de energía que consumen los aparatos se establece multiplicando la Potencia del aparato (en Kw) por el tiempo ( en horas) que está funcionando. Así las compañías eléctricas nos facturan la electricidad que consumimos en Kwh. (Kilowatios hora)

                                   E = P x t          1 Kwh = 1 Kw x 1 h
Por ejemplo, si un secador de pelo tiene una potencia de 1200 w y está 2 horas funcionando, consumirá:
E =1,2 Kw x 2h= 2,4 Kwh.


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