“Electricidad” Página 1 de 30 “La Electricidad” Autor: Daniel Pascual Gallegos Tecnología, programación y robótica 3º ESO “Electricidad” Página 2 de 30 Índice 1. Introducción...................................................................3 2. Historia de la electricidad...................................................4 3. Electricidad estática (electrostática).......................................5 El átomo: estructura interna de la materia...................................................5 Introducción a la electricidad estática........................................................7 Medios de producción de la corriente eléctrica...............................................9 4. La corriente eléctrica.......................................................11 Definición de corriente eléctrica.............................................................11 Magnitudes fundamentales de la electricidad. Ley de Ohm................................12 a) Diferencia de potencial, potencial o voltaje eléctrico.................................................12 b) Intensidad de corriente...............................................................................................14 c) Resistencia eléctrica...................................................................................................15 d) Potencia eléctrica........................................................................................................17 e) Energía eléctrica.........................................................................................................18 f) Ley de Ohm.................................................................................................................18 Circuitos eléctricos............................................................................19 a) Elementos de un circuito eléctrico.............................................................................19 b) Simbología de los circuitos eléctricos........................................................................20 c) Tipos de circuitos eléctricos: en serie y en paralelo...................................................21 d) Medidas experimentales en circuitos eléctricos: uso del polímetro...........................25 Anexo I: Medida de resistencias eléctricas..................................27 Método experimental usando el polímetro....................................................27 Método teórico.................................................................................27 Anexo II: Uso de la placa de pruebas (protoboard).........................30 Tecnología, programación y robótica 3º ESO “Electricidad” Página 3 de 30 1. Introducción La electricidad (del griego elektron, cuyo significado es ‘ámbar’) es el conjunto de fenómenos físicos relacionados con la presencia y flujo de cargas eléctricas. Se manifiesta en una gran variedad de fenómenos como los rayos, la electricidad estática, la inducción electromagnética o el flujo de corriente eléctrica. La electricidad es, sin duda, la forma energética más usada en el mundo tecnológico actual. Esto es debido a que este tipo de energía presenta innumerables ventajas entre las que cabe destacar: ✔ Es un tipo de energía que puede ser energía renovable (cuando se obtiene a partir de la energía solar, eólica o hidraúlica sobre todo) y no renovable (en las centrales térmicas o nucleares que usan como componente el petróleo o carbón en las primeras o los minerales radiactivos en la segunda ). RECURSO TIC: Las energías renovables ✔ Es una forma de energía que puede ser limpia y respetuosa con el medio ambiente (excepto en los las centrales térmicas y en las nucleares, aparte del impacto al ecosistema de las centrales solares, hidroeléctricas o eólicas). ✔ Es fácil de transportar (el transporte de la electricidad mediante líneas de alta tensión genera un impacto medioambiental por ondas o visual, pero permite que la energía llegue hasta los lugares más inaccesibles del planeta). RECURSO TIC: En muchas ocasiones se acusa a las líneas de alta tensión de producir efectos cancerígenos para el organismo. Es un tema de difícil análisis pero, en caso de duda, se recomienda seguir el siguiente enlace. ✔ Es barata (debido a su forma de generación el consumo de esta energía es mucho más barato que, por ejemplo, el generado por el uso de petróleo u otros combustibles fósiles). ✔ Es sencilla su transformación en otras formas de energías (de eléctrica a luminosa, a mecánica, calorífica, etc..). La electricidad es parte de nuestras vidas en España desde que nos levantamos por la mañana hasta que nos acostamos por la noche; incluso cuando dormimos, nuestros aparatos siguen consumiéndola. El frigorífico, la lavadora, las bombillas, el metro, los semáforos… todo estos Tecnología, programación y robótica 3º ESO “Electricidad” Página 4 de 30 aparatos y muchísimas cosas más que forman parte de nuestra vida diaria no podrían estar funcionando sino a través de la electricidad. ¿Te imaginas tu vida sin electricidad? Aunque nos parezca imposible hoy en día en el mundo hay 1.600 millones de personas que carecen de acceso a la electricidad y 2.400 millones de personas siguen cocinando y calentando sus hogares con fuentes de energía básicas como carbón, leña, biomasa y estiércol. Aproximadamente, el 85% de esas personas vive en zonas rurales. En algunos países del África occidental, por ejemplo, en las zonas rurales solamente 6 de cada 100 hogares tienen electricidad. Normalmente se abastecen con pequeños generadores diesel, aunque cada vez más se emplean paneles solares y otras fuentes renovables. RECURSO TIC: Cuarto de la población mundial sin electricidad Hogares, escuelas y centros de salud necesitan energía para el alumbrado, las comunicaciones, el abastecimiento de agua, la calefacción y la refrigeración. Es estremecedor pensar que casi dos millones de niños menores de cinco años de edad mueren cada año a causa de la contaminación del aire domestico debido a la quema de combustibles tradicionales en los hogares, y que mujeres y niños en muchos países pasan horas y horas cada día recogiendo leña para cocinar y calentar sus hogares. Además en muchas zonas, la búsqueda de leña como combustible ha causado una deforestación de enormes proporciones. 2. Historia de la electricidad RECURSO TIC: Excelente vídeo-explicación sobre los orígenes de la electricidad Aunque el uso de la energía eléctrica es un concepto relativamente reciente (su uso empezó a realizarse en el siglo XVIII tras los experimentos de Benjamin Franklin), el descubrimiento de los primeros fenómenos eléctricos se remonta a la Antigua Grecia sobre el siglo V a. C. Fue Tales Tecnología, programación y robótica 3º ESO “Electricidad” Página 5 de 30 de Mileto quien, por casualidad, descubrió que al frotar varillas de ámbar (material resinoso que proviene de restos fósiles de plantas) contra su túnica esta varilla adquiría una propiedad, hasta entonces desconocida, que le permitía atraer pequeñas pajitas o trozos de papel. En este momento nadie podía pensar que este descubrimiento casual realizado por Tales pudiera cambiar la historia de la Humanidad. El término electricidad proviene de elektron (elektron en griego significa ámbar como referencia al material a partir del que se producía este fenómeno) y está claro que hace referencia a los electrones como las partículas materiales responsables del fenómeno. 3. Electricidad estática (electrostática) El átomo: estructura interna de la materia En la Antigua Grecia Demócrito en su teoría materialista de la filosofía (frente a la filosofía idealista de Platón) enunció que toda la materia estaba compuesta por partículas indivisibles a las que llamo átomos (el término griego atom significa indivisible). Esta idea de origen bastante filosófico no fue confirmada de forma física o experimental hasta que en el siglo XIX el químico inglés John Dalton, estudiando los componentes químicos, descubrió en su teoría atómica , que los átomos componen los materiales siguiendo una proporción exacta. También descubrió que los átomos componen los materiales tienen siempre las mismas propiedades, por lo que parecía coherente justificar que los átomos son la partícula más pequeña constitutiva de la materia. RECURSO TIC: Animación para conocer los conceptos del átomo y la corriente eléctrica De esta definición se derivan los siguientes enunciados sobre el átomo: ✔ Toda la materia está compuesta por átomos. ✔ Los átomos poseen la información sobre las propiedades de la materia. ✔ Existen 114 diferentes tipos de átomos (elementos de la tabla periódica) de los que algunos son producidos por desintegración atómica. ✔ Según el modo en que se combinan los átomos para formar moléculas (uniones de átomos que suponen la unidad más pequeña que posee las propiedades físico – química de los materiales) la materia presenta diferentes propiedades y características (conducción, masa, densidad, reactividad, etc..). Tecnología, programación y robótica 3º ESO “Electricidad” Página 6 de 30 EJ 1: Como ejercicio práctico de demostración que todo está compuesto por átomos realizar la experiencia de poner una hoja de papel entre dos libros y soplar por debajo. ¿Qué resultado esperas? Trata de justificar teóricamente dicho fenómeno EJ 2: Plantea lo que significan términos de la vida real como envasado al vacío. Definir el vacío como la ausencia de materia (átomos). Citar que pasaría si en el vacío dejásemos caer una piedra y una pluma desde una altura igual (experiencia de Galileo). Comentar la importancia del aire y su rozamiento para explicar que en su presencia una piedra pesada cae más rápido que una ligera pluma. Aparte de la teoría atómica de Dalton existieron muchas otras que confirmaron teóricamente la existencia del concepto de indivisibilidad atómica (ver más teorías), pero no fue hasta la década de 1980 en los que se consiguió ver la estructura atómica mediante el uso del microscopio de efecto túnel. El átomo pese a considerarse la partícula más pequeña que compone la materia está a su vez compuesta por partículas de tamaño inferior entre las que se encuentran los electrones, los protones y los neutrones. El interior de un átomo puede ser esquematizado de la siguiente forma: ✔ Los átomos pueden representarse como elementos esféricos. ✔ Dentro de éste se encuentra una esfera de tamaño mucho menor (comparable a una pelota de tenis en un campo de fútbol) que se denomina núcleo. ✔ El núcleo está cargado positivamente debido a que en su interior se encuentran las partículas positivas o protones (con carga y masa). Además en su interior se encuentran los neutrones o partículas sin carga con una masa igual a la del protón. ✔ Alrededor del núcleo se encuentran girando una serie de partículas de carga negativa o electrones cuya masa es unas 1840 veces más pequeña que la de los protones. Estos electrones sólo pueden girar en unas determinadas órbitas alrededor del núcleo (orbitales atómicos) como lo hacen los planetas en el Sistema Solar. ✔ Los electrones son las partículas responsables de los fenómenos eléctricos. ✔ Los átomos en estado normal tienen tantos electrones en la corteza como protones en el núcleo por lo que su carga queda compensada quedando en estado neutro. Tecnología, programación y robótica 3º ESO “Electricidad” Página 7 de 30 Las características fundamentales de estas partículas pueden apreciarse en la siguiente tabla: PARTÍCULA Electrón CARGA -1.6.10 -19 MASA C 9,1.10-31 Kg. Protón +1.6.10-19 C 1,67.10-27 Kg. Neutrón 0C 1,67.10-27 Kg. EJ 3: ¿Qué ocurre cuándo se acercan cargas de igual signo? ¿Y de distinto signo? EJ 4: ¿Por qué los electrones giran alrededor del núcleo? ¿Qué ocurriría si los electrones dejasen de rotar a su alrededor? ¿Crees que existe alguna similitud entre el movimiento de los electrones alrededor del núcleo y el de los planetas alrededor del Sol? Introducción a la electricidad estática El primer concepto que debe ser tenido en cuenta es que de todas los fenómenos eléctricos que se producen las únicas partículas responsables del átomo son los electrones. Parece claro pensar que los neutrones al no tener carga eléctrica no intervienen en este tipo de fenómenos, pero los protones pese a tener una carga eléctrica positiva tampoco influyen en la física de la electricidad. EJ 5: ¿Por qué los protones no generan ningún fenómeno eléctrico? En estado normal o no excitado los átomos de cualquier elemento (ya sea un metal como el cobre o un no metal como el carbono) se encuentran con carga neutra ya que el número de electrones es igual al número de protones, resultando, por tanto, una carga neta nula. Sin embargo si se aplica una fuerza o energía externa es posible que alguno de los electrones que componen el átomo (los más externos o alejados del núcleo) puedan escapar de la atracción eléctrica que ejerce el núcleo para abandonar el átomo del que forma parte, convirtiendo a éste en un ión positivo o anión. Este electrón puede ser, a su vez, captado por otro átomo que quedaría cargado negativamente (ión negativo o catión). Tecnología, programación y robótica 3º ESO “Electricidad” Página 8 de 30 “La electricidad se pueden definir como el fenómeno que se produce con el movimiento de electrones y que necesita de una energía externa que genere el proceso (generadores eléctricos)” Como sabemos, en la naturaleza, existen dos tipos de materiales según su comportamiento eléctrico los conductores y los aislantes (no olvidando recordar que existen otros dos tipos como pueden ser los semiconductores y los superconductores cuyo contenido se escapa de este nivel). “Se define elemento conductor de la corriente eléctrica como aquel que permite el paso de los electrones a su través, siendo aislante en caso inverso. Entre los conductores se encuentran los metales y entre los aislantes los plásticos.” Entender el enlace metálico nos ayudará a entender la conducción eléctrica. Se denomina corriente eléctrica a un movimiento de electrones. Vamos a imaginarnos un material formado por átomos de un tipo de metal, por ejemplo cobre. ¡Ojo! En el dibujo sólo aparece los dos últimos electrones de la última capa. Recordemos que los electrones dibujados forman una especie de nube, se intercambian fácilmente de un átomo a otro. ¿Qué ocurre si al primero le quito un electrón y al último le pongo cerca uno nuevo? En el primero se queda un hueco, así que se queda ionizado positivamente. Para ser neutro “atrapará” rápidamente uno que tenga cerca. ¿Y dónde lo tiene cerca? Pues en el segundo átomo. Y el segundo coge uno del tercero, y el tercero del cuarto, y al final el último coge el electrón nuevo. Tecnología, programación y robótica 3º ESO “Electricidad” Página 9 de 30 Así, si pongo electrones en un extremo y los arranco por el otro, los electrones van viajando de un lugar a otro. Se produce un movimiento de electrones (luego existe corriente eléctrica). Si pudiese poner un “vaso” de electrones vacío en un extremo, donde arranco los electrones, y uno lleno, donde voy cogiéndolos, al poco tiempo, uno se me llenaría y el otro se vaciaría. En general se llaman conductores los materiales que permiten que los electrones se muevan por ellos. Todos los metales (que tienen enlace metálico) lo permiten. A veces las disoluciones de enlaces iónicos permiten la conducción eléctrica. Los materiales que no permiten la conducción eléctrica se denominan aislantes (generalmente enlaces covalentes). Hay otros, que veremos posteriormente, que son los semiconductores. Son los que, dependiendo de las condiciones, a veces conducen y a veces no. RECURSO TIC: Web CNICE “Conceptos básicos de electricidad” Medios de producción de la corriente eléctrica RECURSO TIC: Web CNICE “Electricidad y magnetismo” “Red eléctrica española: generación de energía a tiempo real” Para que se produzca una corriente eléctrica debe existir una energía que permita a los electrones moverse a través del elemento conductor. Esta energía es producida por los generadores eléctricos cuya energía eléctrica puede ser obtenida por alguno de los siguientes medios de producción: Tecnología, programación y robótica 3º ESO “Electricidad” 1) Por TRANSFORMACIÓN QUÍMICA Al introducir en una determinada disolución (electrolito) dos metales diferentes (electrodos) se origina entre ellos una tensión eléctrica. Este es el tipo de proceso usado para generar energía eléctrica en las pilas o baterías. Página 10 de 30 RECURSO TIC: Animación batería 2) Por CALENTAMIENTO Si calentamos dos metales diferentes puestos en contacto se producirá entre ellos una corriente eléctrica. 3) Por INDUCCIÓN Si se desplaza un conductor eléctrico en un campo magnético se genera corriente eléctrica. El proceso es equivalente si se desplaza los campos magnéticos producidos por imanes en presencia del conductor. Este sistema es el más usado para la generación de corriente mediante el uso de turbinas y alternadores y es la base que explica el funcionamiento de las centrales: a) Térmicas b) Nucleares (vídeo, animación1, animación2) c) Hidroeléctricas (animación 1 animación 2) d) Eólicas 4) Por LUZ (efecto fotoeléctrico) El efecto fotoeléctrico consiste en la emisión de electrones por un material cuando se le ilumina con radiación electromagnética (luz visible o ultravioleta, en general). Si estos electrones se conducen por un conductor generan corriente eléctrica. Este es el procedimiento en el que se basan las centrales solares que usan células Tecnología, programación y robótica 3º ESO RECURSO TIC: Animación inducción “Electricidad” Página 11 de 30 fotovoltaicas. De especial importancia es este tipo de sistema para el caso del uso de energía a nivel doméstico debido a su fácil instalación, mantenimiento y la ausencia de residuos (animación) 5) Por FROTAMIENTO Si se frotan entre sí dos materiales con determinadas características dichos cuerpos quedan cargados y pueden atraer otros materiales. Este fenómeno se denomina electricidad estática 4. La corriente eléctrica Definición de corriente eléctrica Se define corriente eléctrica o electricidad como “el movimiento libre, continuo y ordenado de electrones a través de un elemento conductor”. EJ 6: Recordar que el movimiento electrónico o electricidad funciona como un río que fluye de forma continua donde los electrones son las gotas de agua que componen la corriente. Por tanto, de todas las partículas que componen el átomo las principales responsables del fenómeno eléctrico son los electrones. El movimiento de estos electrones siempre se produce desde el polo negativo al polo positivo del elemento generador de la corriente eléctrica (elemento que genera electricidad mediante el movimiento de electrones)(pese a que tradicionalmente se usa el convenio contrario para el sentido de la corriente). EJ 7: Explica con la analogía del agua del río y con ejemplos de dibujos de Escher (móviles imposibles) cómo es la corriente eléctrica en el caso de un circuito sencillo formado por una pila y una bombilla. Explica qué ocurre en el interior de la pila justificando como los electrones pueden ir contracorriente (es decir desde el polo positivo al negativo). Tecnología, programación y robótica 3º ESO “Electricidad” Página 12 de 30 Se puede apreciar como en el circuito mostrado en la figura el sentido de la corriente se representa viajando desde el polo + al polo negativo del generador de corriente continua de 9V. Magnitudes fundamentales de la electricidad. Ley de Ohm. a) Diferencia de potencial, potencial o voltaje eléctrico. Se define el voltaje eléctrico (V) como la energía que llevan los electrones en su paso por el conductor. Esta magnitud eléctrica se mide en Voltios (V). EJ 8: Siguiendo la asociación río-electricidad, el voltaje es la energía o velocidad que lleva el agua en su bajada por su cauce. Al igual que en la caída del río en la que el factor determinante es la gravedad, en el paso de la corriente eléctrica el factor importante es el voltaje. Los electrones se mueven de forma natural desde la zona de potencial más alto (polo negativo) al polo de potencial más bajo (polo positivo), al igual que el agua cae desde la zona de mayor energía potencial (mayor altura) a la zona de menor energía potencial (menor altura). Tecnología, programación y robótica 3º ESO “Electricidad” Página 13 de 30 EJ 9 (resuelto): Razonar cómo los generadores eléctricos como las pilas o los alternadores producen un efecto análogo al de la bomba de agua que levanta el agua desde una altura a otra superior. La bomba (generador) eleva el agua (electrones) desde el depósito B (polo positivo) al depósito A (polo negativo) creando una diferencia de alturas entre ambos (en el caso eléctrico es el generador el que mueve los electrones desde el polo positivo al polo negativo de la pila). El depósito A (polo negativo), al tener mayor altura (mayor potencial), permite que el agua descienda por la tubería (cable conductor) hacia la turbina (receptor de corriente como motor eléctrico) hasta el depósito B (polo positivo) donde se reinicia el proceso. El voltaje ✗ ✗ ✗ asociado a algunos generadores o elementos comunes es la siguiente: Pila pequeña tipo PSP o Walkman: 1,5 V. Pila de petaca: 4,5 V (al estar formado por tres pilas pequeñas en serie) Corriente de tensión normal o doméstica: Varía desde los 140 V de los EEUU a los 220 V del resto de los países desarrollados. ✗ Corrientes de alta tensión: Pueden llegar a alcanzar cifras superiores a los 100000 V. El voltaje o potencial eléctrico nos dará una idea de la energía eléctrica que necesitan determinados elementos para poder desarrollar su función con la energía eléctrica. Es decir: ✗ Si por ejemplo aplico a un conductor una tensión de 10 V y lo comparo a lo que pasaría si aplicara una tensión de 1 V, en el primer caso arrancaría un electrón más violentamente. De alguna forma comunico más energía al conductor, ya que esa misma “violencia” aplicaría el primer átomo para arrancar un electrón del segundo, y así sucesivamente ✗ Si conectamos una bombilla de 220 V (usuales en las casas) a una pila de petaca (4,5 V) se puede comprobar de manera sencilla que la bombilla no realiza su función, es decir, NO se enciende. Esto es debido a que el voltaje o energía de los electrones que salen del generador no es lo suficientemente alta como para poder provocar el efecto deseado. ✗ Sin embargo, si conectamos mediante a un generador de 220 V (como el de casa) una bombilla de las pequeñas (1,5 a 2 V) se puede probar que tras encenderse la bombilla Tecnología, programación y robótica 3º ESO “Electricidad” Página 14 de 30 con una gran luminosidad ésta se acaba fundiendo. Esto es debido a que los electrones llevan tanta energía que no son capaces de controlarla los elementos posteriores y acaban por fundirse. EJ 10: Analogía río (electricidad). Si en el río se tiene un determinado molino que es impulsado por el agua y las aspas de éste tienen mucho peso (mucho voltaje) el río necesitará mucha energía para poder moverlo (voltaje generador). Por tanto si el río baja despacio (poco potencial en la pila) no podrá mover el molino (encender la bombilla). Sin embargo si tenemos un río que baja con mucha potencia (potencial de la pila) y nuestro molino es muy frágil (potencial de la bombilla mucho menor) lo más probable es que esta energía de más acabe destrozando el molino (o fundiendo la bombilla). b) Intensidad de corriente. Se define la intensidad de corriente eléctrica (I) como el flujo de electrones que atraviesan un conductor en un tiempo determinado. Esta magnitud se mide en amperios (A) siendo 1 amperio (la corriente generada por un televisor) equivalente al paso de 6,25.10 25 electrones en un segundo. EJ 11 (resuelto): Asociando el concepto de electricidad al de un río la intensidad de corriente se puede definir como el caudal o cantidad de agua que pasa por el río en un tiempo determinado. Se puede hallar la intensidad de corriente conociendo la carga de los electrones y el tiempo que transcurre mientras se produce la corriente: Tecnología, programación y robótica 3º ESO “Electricidad” Página 15 de 30 I= q t donde I es la intensidad de corriente medida en amperios (A), q es la carga total que circula medida en culombios (C) y t es el tiempo de acción de la corriente medido en segundos (s). EJ 12: Halla la intensidad de corriente que circula por un cable conductor si en un tiempo de 2 minutos recibe una carga total de 3,2.10 -2 culombios. ¿Cuántos electrones habrán circulado por ese conductor en ese tiempo? EJ 13: Por un hilo de cobre circulan 6,25 trillones de electrones en un segundo. Halla: a) Escribir esa cantidad en notación científica. b) ¿Cuál será la carga total producida? c) ¿Cuál será la intensidad de corriente producida por estas cargas en ese tiempo? c) Resistencia eléctrica. Ya hablamos en la sección anterior de materiales conductores, aislantes e incluso de los semiconductores. En los primeros, se producen corriente eléctrica, los electrones se mueven dentro de ellos. En los segundos los electrones no pueden pasar. Y en los terceros se producen movimiento de electrones sólo en algunas condiciones. Pero, en general, asociado a cada tipo de material existe una magnitud eléctrica llamada resistencia. La resistencia eléctrica se define como la dificultad que ofrece un material al paso de la corriente eléctrica. La resistencia eléctrica se mide en Ohmios (Ω). Todos los elementos de un circuito eléctrico tienen una determinada resistencia eléctrica. Si ésta resistencia eléctrica es baja, es decir, si el elemento deja pasar la corriente eléctrica con facilidad, se trata de un material conductor. Según crece la resistencia crece la dificultad del paso de los electrones por el material y se acentúa el carácter aislante de un material. Los materiales que no presentan ninguna dificultad al paso de la corriente eléctrica, los conductores ideales (todos los metales en principio), tienen una resistencia muy baja. Idealmente se puede tomar como nula. Rconductores ≈ 0 Ω. Los materiales aislantes presentan una dificultad extrema al paso de los electrones, ya que no los dejan pasar. En teoría la resistencia de un aislante perfecto sería infinita. En la práctica es de millones de ohmios. Tecnología, programación y robótica 3º ESO “Electricidad” Página 16 de 30 Raislantes ≥ 1.000.000 Ω. Entre unos y otros existe una gama de materiales que tienen resistencias intermedias, que permiten el paso de los electrones pero que los frenan. La resistencia eléctrica de un determinado objeto depende de los siguientes factores: a) Resistividad eléctrica del material (r) Es una constante que depende el material. Tendrá un valor alto para materiales aislantes y un valor menor según vaya siendo más conductor el material. Se mide en ohmios por metro (Ω.m) b) Longitud del cable conductor (l): Cuanto mayor sea la longitud del cable más dificultad tendrán los electrones para atravesarlo, por tanto, mayor será su resistencia eléctrica. Al tratarse de una longitud se mide en m. c) Sección del cable conductor (S): Cuanto mayor sea la sección del cable conductor más fácilmente lo atravesarán los electrones, por tanto, menor será su resistencia y mayor su carácter conductor. La fórmula que lo caracteriza es la siguiente: R= ρ. l S EJ 14: En este ejemplo se muestra a resistividad de tres materiales el carbón, el hierro y la plata. Los valores enunciados son 0,01.10-6, 50.10-6 y 0,105.10-6 (todos medidos en Ω.m). Identifica en cada caso que valor corresponde a cada material justificando la respuesta. EJ 15: Una bobina de hilo de cobre tiene una resistencia de 10,8 Ω . Sabiendo que la longitud de la bobina es de 502 m y que la sección del hilo de cobre es de 7,9.10-7 m2. Calcular la resistividad del cobre. EJ 16: Si un hilo de un material de 2 m de largo y 1 m 2 de sección tiene un resistencia de 1 Ω . ¿Cuál sería la resistencia de un hilo del mismo material que tuviera 10 m de largo y 0,3 m2 de sección? Es necesario considerar la transformación energética que se produce en un elemento eléctrico debido a la presencia de una resistencia a la electricidad. Se llama efecto Joule al desprendimiento de calor cuando pasa la corriente a través de una resistencia. A mayor valor de la resistencia mayor valor del calor desprendido. Tecnología, programación y robótica 3º ESO “Electricidad” Página 17 de 30 EJ 17: ¿Es beneficioso o perjudical que parte de la energía eléctrica se desprenda en forma de calor al pasar una corriente por una resistencia (efecto Joule)? EJ 18: Comentar el funcionamiento de los siguientes elementos eléctricos y realizar supuestos sobre los materiales sobre los que se realiza: a) Una estufa eléctrica. b) Un mechero de resistencia eléctrica. c) Una cocina eléctrica. EJ 19: Si conectamos un circuito eléctrico potente a un trozo de madera vemos que la madera arde. a) ¿A qué se debe este hecho? b) Si sustituimos la madera por un trozo de hierro vemos que este efecto no ocurre, ¿a qué es debido este hecho? d) Potencia eléctrica. Imaginad la siguiente situación: alguien me lanza una pelota de tenis. Me la puede lanzar empujándola con poca fuerza o con mucha fuerza. De la primera manera no me hará daño, pero de la segunda sí podría hacerme daño ¿verdad? La pelota que han empujado con más fuerza lleva más energía. Tecnología, programación y robótica 3º ESO “Electricidad” Página 18 de 30 Pero... ¿y si me lanzan muchas? Bueno,si son muchas, aunque las lancen con poca fuerza también me pueden hacer daño. Tirando una, y otra, y otra, y otra... Las fuentes de tensión hacen lo mismo con los electrones. La energía que son capaces de comunicar depende del “empuje” que se les comunique pero también de cuántos electrones salgan de la fuente. Y recordamos que el “empuje” se denomina tensión y el número de electrones tiene que ver con la intensidad. La potencia eléctrica P es la cantidad de energía eléctrica consumida por unidad de tiempo. La potencia eléctrica se mide en watios (W). Su fórmula es la siguiente: P = V. I donde V es el voltaje aplicado e I la intensidad de corriente. Cuanto mayor es la potencia a la que trabaja un elemento o un circuito mayor es el rendimiento que muestra. Es decir si se tiene una bombilla de 100 W y otra de 40 W, el brillo que produce la primera (siempre y cuando se le suministre la energía suficiente) siempre será mayor que el de la segunda. EJ 20: Calcula la potencia de un equipo de música sabiendo que al conectarlo a 220 V lo recorre una intensidad de 0,11 A. e) Energía eléctrica “La energía que se consume en un circuito eléctrico es la potencia que se gasta durante un tiempo determinado”. Su unidad en el SI (Sistema Internacional) son los julios (J = W.s), pero en electricidad se usa mucho en vez de los J = W.s los kilowatios.hora (kWh). Su expresión es: EELÉCTRICA = P. t donde P es la potencia y t el tiempo. f) Ley de Ohm. La ley de Ohm es la ley fundamental de la electricidad. Sirve para relacionar las tres magnitudes eléctricas fundamentales que son la resistencia R, la intensidad I y el voltaje V. “La ley de Ohm dice que la diferencia de potencial o voltaje en un elemento o circuito eléctrico es igual a la intensidad que lo recorre por la resistencia que lleva” Tecnología, programación y robótica 3º ESO “Electricidad” Página 19 de 30 V=I.R EJ 21: Completa la siguiente tabla usando la ley de Ohm: Voltaje (V) Intensidad (A) 12 10 8 220 Resistencia ( ) 3 0,4 EJ 22: Calcula la potencia de un secador eléctrico que tiene una resistencia de 200 W sabiendo que el voltaje al que trabaja es de 220 V. Si la compañía eléctrica factura 0,05 euros el kWh, ¿cuántos euros se habrán gastado si el secador ha estado conectado durante 2 horas y media? EJ 23: Nuestro equipo de música de casa trabaja a 40 W de potencia cuando se le conecta al voltaje de la vivienda (220 V). Halla: a) La intensidad de corriente que circula por él. b) El valor de su resistencia interna. c) El consumo energético producido en un tiempo de 1 hora y 30 segundos. Circuitos eléctricos a) Elementos de un circuito eléctrico. Todos los circuitos eléctricos pueden poseer los siguientes elementos: 1) Generador de corriente eléctrica: Es el elemento encargado de crear el voltaje necesario (diferencia de potencial) para que los electrones se muevan por el circuito. Nunca puede haber un circuito eléctrico que no tenga un generador de corriente (este generador puede ser un pila, una batería o la corriente que existe en nuestras viviendas). 2) Cable conductor: Para que exista corriente eléctrica los electrones tienen que ir desde un polo del generador al otro (aunque sea falso convencionalmente se usa el criterio de sentido de la corriente desde el positivo al negativo). Para poder realizar este recorrido se usa un cable conductor que conecta ambos extremos. Aunque no sea exactamente cierto, se supone que la electricidad atraviesa el conductor con una resistencia nula por parte del cable (aunque, como sabemos, todos los materiales tienen una resistencia eléctrica). 3) Elementos de maniobra: Son elementos que permiten abrir o cerrar la corriente eléctrica, modificar su sentido o realizar cualquier acción sobre cómo se produce la circulación de la corriente. Los elementos más importantes de este tipo son los interruptores (permiten abrir Tecnología, programación y robótica 3º ESO “Electricidad” Página 20 de 30 o cerrar el circuito), los pulsadores (de igual función que los anteriores) y los conmutadores (permiten conectar circuitos independientes). 4) Elementos que usen la energía eléctrica: Estos elementos se encargan de usar la corriente eléctrica para realizar sus fines. Entre los más destacados están las bombillas o focos (transforman la energía eléctrica en luminosa), los motores eléctricos (transforman la energía eléctrica en energía mecánica o de movimiento), los timbres o zumbadores (eléctrica a sonora), etc. 5) Elementos de medida de las magnitudes eléctricas: Cuando se trabaja con circuitos eléctricos, dado el peligro mortal de este tipo de energía, es importante controlar los valores de las magnitudes fundamentales para comprobar que todo va según lo esperado. Para ello se pueden conectar al circuito elementos para medir el voltaje (voltímetro), la intensidad (amperímetro) y la resistencia (ohmnímetro). Actualmente existen aparatos que integran estas tres funcionalidades y que reciben el nombre del multímetros. b) Simbología de los circuitos eléctricos. Un circuito eléctrico es un concepto que debe ser universal, es decir, la forma gráfica de representarlo debe ser igual para un japonés, que para un húngaro que para un tanzano. Es decir, se ha creado un convenio de símbolos para los diferentes elementos que componen el circuito que debe ser cumplido de forma universal: ELEMENTO SÍMBOLO COMENTARIO Cable conductor Cable que une los diferentes elementos que aparecen en el circuito Generador o pila Es el elemento encargado de generar la corriente eléctrica del circuito. Se considerará SIEMPRE que la corriente sale del polo positivo para entrar en el negativo. Interruptor abierto Cuando el interruptor está abierto NO circula la corriente. Interruptor cerrado Cuando está cerrado SÍ circula la corriente. Resistencia También puede representarse como una línea serrada. Tecnología, programación y robótica 3º ESO “Electricidad” ELEMENTO Página 21 de 30 SÍMBOLO COMENTARIO Bombilla Elemento que transforma la energía eléctrica en luminosa. Motor Elemento que transforma la energía eléctrica en mecánica. Amperímetro Mide la corriente que pasa por ese punto. En el caso de la figura la unidad elegida son los microamperios (10-6 A). Voltímetro Mide el voltaje o diferencia de potencial de esa parte del circuito. Por tanto, por ejemplo un circuito eléctrico sencillo compuesto por una pila, un interruptor y una lámpara se representaría: c) Tipos de circuitos eléctricos: en serie y en paralelo. En electricidad existen dos tipos de circuitos que dependen del modo de conectarse entre sí los diferentes elementos que lo componen: Un circuito está conectado en serie (o varios elementos de un circuito están conectados en serie) cuando se conecta el polo positivo de un elemento al negativo del siguiente y así sucesivamente. Es decir, en un circuito en serie los elementos están conectados uno a continuación del otro (en serie). Un circuito está conectado en paralelo cuando se conectan los polos de igual signo de ambos elementos. Es decir, los elementos no van uno a continuación de otro sino que siguen trayectorias paralelas. Las siguientes gráficas pueden ayudar a entender las diferencias: Tecnología, programación y robótica 3º ESO “Electricidad” Página 22 de 30 Para analizar cada una de estas magnitudes es necesario estudiar cada tipo de circuito por separado: Circuitos en serie En los circuitos en serie se cumplen las siguientes características: 1) VOLTAJE: En un circuito en serie el voltaje suministrado por la pila se reparte entre los diferentes elementos que estén conectados en serie. El voltaje que recibe cada elemento será proporcional a la resistencia (ley de Ohm) y a mayor resistencia mayor valor del voltaje. El principal inconveniente de este tipo de reparto del voltaje es que si tuviésemos cinco bombillas conectadas en serie y no hubiese suficiente voltaje en la pila para repartir, algunas de las bombillas brillarán con mayor intensidad y otras con menor. La fórmula que se cumple en este caso es: VTOTAL, PILA = VELEMENTO 1 + VELEMENTO 2 + VELEMENTO 3 +........ + VELEMENTO N 2) INTENSIDAD: Como sólo hay un camino para los electrones, la intensidad (el caudal del río) es IGUAL para todos los elementos del circuito. Es decir, en serie, la intensidad de corriente no varía en un circuito en serie. ICIRCUITO = IELEMENTO 1 = IELEMENTO 2 = IELEMENTO 3 = ......= IELEMENTO N 3) RESISTENCIA: Cuando se tienen varios elementos en un circuito (con sus respectivas resistencias) y se desea calcular el valor de otras magnitudes mediante la ley de Ohm, puede ser conveniente convertir todas esas resistencias en una sola equivalente a todas ellas. En un circuito en serie la resistencia equivalente o total del circuito es la suma de cada una de las resistencias de cada elemento. RTOTAL, EQUIVALENTE = RELEMENTO 1 + RELEMENTO 2 + RELEMENTO 3 +........ + RELEMENTO N Veamos un ejemplo de un circuito de tres resistencias en serie y su circuito equivalente con una sola resistencia: Circuitos en paralelo En los circuitos en paralelo se cumplen las siguientes características: 1) VOLTAJE: En un circuito en paralelo el voltaje suministrado por la pila ES EL MISMO QUE RECIBEN CADA UNO DE LOS ELEMENTOS. El voltaje que recibe cada elemento será IGUAL al valor suministrado por la batería. A diferencia del caso anterior, si se conectan en paralelo 10 bombillas todas lucirán igual el único problema es que la pila se consume 10 veces Tecnología, programación y robótica 3º ESO “Electricidad” Página 23 de 30 más rápido. VTOTAL, PILA = VELEMENTO 1 = VELEMENTO 2 = VELEMENTO 3 =........ + VELEMENTO N 2) INTENSIDAD: Ahora hay varias ramas para la corriente por tanto la intensidad se reparte entre las ramas. Si de un punto salen dos ramas, la intensidad que entra tiene que ser igual a la suma de las intensidades de cada rama. Si en una rama hay una resistencia muy alta y en otra una resistencia muy baja, la de la resitencia muy baja recibirá la mayor parte de la intensidad mientras que la de la resistencia alta apenas recibirá. ICIRCUITO = IRAMA1 + IRAMA2+ IRAMA3 +......+ IRAMA N 3) RESISTENCIA: Cuando se tienen varios elementos en un circuito (con sus respectivas resistencias) y se desea calcular el valor de otras magnitudes mediante la ley de Ohm, puede ser conveniente convertir todas esas resistencias en una sola equivalente a todas ellas. En un circuito en serie la resistencia equivalente o total del circuito es la suma de cada una de las resistencias de cada elemento. Rt = 1 1 1 1 + + ......+ R1 R2 Rn Veamos un ejemplo de un circuito de tres resistencias en paralelo y su circuito equivalente con una única resistencia: OJO: A la hora de elegir un tipo de circuito u otro debe ser tenida en cuenta la siguiente circunstancia. Si conectamos los elementos de un circuito en serie y uno se estropea, el resto deja de funcionar, sin embargo, si conectamos los elementos en paralelo y uno no funciona el resto puede seguir funcionando con independencia de éstos. El único inconveniente de la conexión en paralelo es que la batería consume mucho más que en serie (ya que tiene que suministrar igual voltaje para todos los elementos). EJ 24: Diseña los siguientes circuitos que se exponen a continuación: a) Circuito en serie de dos bombillas y un motor. b) Circuito en paralelo de tres motores y una bombilla. c) Circuito en paralelo de una bombilla y un motor y otra bombilla conectadas en serie. d) Circuito de dos bombillas y un motor de modo que si se rompe alguno de los elementos el otro sigue funcionando. e) Circuito de dos bombillas y un motor de modo que si se rompe el motor las dos bombillas siguen funcionando, pero si se rompe una de las bombillas el motor sigue funcionando pero la otra bombilla Tecnología, programación y robótica 3º ESO “Electricidad” Página 24 de 30 no. EJ 25: ¿Cuál sería el método más adecuado para conectar en un coche los dos faros y el motor a la batería del coche? Justifica tu respuesta y diseña el dibujo asociado. EJ 26: Para el siguiente circuito eléctrico: Analiza qué bombillas lucirían en los siguientes supuestos: a) Se cierra el interruptor 1. b) Se cierran los interruptores 1 y el 2. c) Se cierran los interruptores 1 y 4. d) Se cierran los interruptores 1,2 y 4. e) Se cierran los interruptores 1, 3 y 4. f) ¿Qué interruptor o interruptores necesita estar cerrado para que funcione cualquier elemento del circuito? ¿Qué tipo de circuito es el que estamos analizando?. EJ 27: Se tienen dos bombillas de resistencias internas de 10 y 30 W conectadas en serie a un generador como el que se tiene en nuestras viviendas (220 V). Halla: a) Esquema eléctrico del circuito. b) Resistencia equivalente del circuito. c) Intensidad de corriente que lo recorre. d) Potencia total del circuito. e) Potencia de cada uno de los elementos. EJ 28: Se tienen dos bombillas de 20 y 60 W conectadas en paralelo a una batería de un móvil (9 V). Halla: a) Esquema eléctrico del circuito. b) Resistencia equivalente. Tecnología, programación y robótica 3º ESO “Electricidad” Página 25 de 30 c) d) e) f) g) a) Intensidad que recorre cada una de las bombillas. Intensidad que recorre el circuito total. Potencia total del circuito. Potencia de cada bombilla. ¿Cuál brillará más? Potencia de cada uno de los elementos. EJ 29: Se desea hacer un montaje ilegal para poder conectar la televisión de casa conectando los cables a los postes de la luz de la calle. El problema radica en que el voltaje de los postes es de 20000 V y la televisión sólo funciona cuándo recibe 220 V. Si la resistencia interna de la televisión es de 100000 ohmios, ¿qué tipo de montaje eléctrico elegirías para solucionar el problema? ¿Cuál sería el valor de la resistencia que podrías colocar para solventar la situación? d) Medidas experimentales en circuitos eléctricos: uso del polímetro Para medir la intensidad de corriente de un circuito se usan los amperímetros. Los amperímetros deben conectarse en serie con la rama de la que se quiera medir su intensidad. Para medir el voltaje de un circuito (o un elemento del circuito) se usan los voltímetros. Los voltímetros deben conectarse en paralelo con el elemento del que se quiera medir su diferencia de potencial. Para medir la resistencia de un elemento de un circuito se conecta los extremos de este elemento al óhmetro u ohmnímetro . Siempre debe hacerse con el elemento desconectado del circuito. Durante el curso, usaremos un dispositivo que abarca las tres funciones (voltímetro + amperímetro + óhmetro) y que se denomina, por esta razón, polímetro, multímetro o tester. Tecnología, programación y robótica 3º ESO “Electricidad” Página 26 de 30 Un polímetro, multímetro o tester es un dispositivo que nos permite medir diferentes magnitudes eléctricas entre las que destacan el voltaje, el amperaje y la resistencia. Pese a que lo trabajaremos de forma práctica en nuestro montaje y medición de circuitos eléctricos en el siguiente vídeo nos explica de forma práctica como emplear el multímetro para medir voltajes, intensidades y resistencias. RECURSO TIC: Vídeo sobre el uso del multímetro Precaución: 20 milésimas de amperio (0,02A=20mA) son suficientes para causar la muerte de una persona cuando la corriente eléctrica circula a través del músculo cardíaco. Lo que mas nos puede dañar es la intensidad de una corriente eléctrica (o sea el amperaje) independientemente del valor de su diferencia de potencial (el voltaje), una descarga de alto voltaje puede producirnos fuertes contracciones musculares y quemaduras sin llegar a ser mortal, pero una pequeña cantidad de mili-amperios circulando a través de nuestros nervios y corazón puede matar en fracciones de segundo. Es tan cierto y conocido este efecto de la energía eléctrica que se fabricaron instrumentos de ejecución tristemente célebres: las sillas eléctricas Tecnología, programación y robótica 3º ESO “Electricidad” Página 27 de 30 Anexo I: Medida de resistencias eléctricas “Una resistencia es un elemento que se intercala en un circuito para dificultar el paso de la corriente o para hacer que ésta se transforme en calor” Como conocemos, la ley de Ohm permite relacionar la resistencia, con la intensidad de corriente y el voltaje asociado. También permite controlando el valor de la resistencia se puede controlar la intensidad de corriente que recorre un circuito o el voltaje aplicado a un elemento. Aunque esto te suene extraño estás acostumbrado en tu vida real a manejar potenciómetros o resistencias variables. La rueda o ruleta que controla el volumen de tu equipo de música es un potenciómetro, las ruedas de la calefacción eléctrica, etc... Método experimental usando el polímetro Para medir la resistencia de un elemento se debe colocar el polímetro o multímetro (aparato de medida con el que se pueden medir resistencias, voltajes e intensidades) en posición ohmios con el elemento que se desee medir SIEMPRE DESCONECTADO DEL CIRCUITO ELÉCTRICO. RECURSO TIC: Vídeo sobre el uso del multímetro En el vídeo siguiente se puede seguir de manera detallada el proceso. Método teórico El método teórico es, sin duda, el más fiable a la hora de conocer el valor de una determinada resistencia pero sólo puede ser utilizado para medir resistencias fijas (las únicas que tienen bandas de colores) y no será útil en el caso de resistencias variables que provengan de potenciómetros o sensores (como los sensores LDR cuya resistencia cambia con la luz) donde tendremos que usar el método experimental mediante el uso del polímetro. Este método se basa en que cada resistencia fija tiene una banda con 4 colores. Las 2 primeras bandas son los 2 primeros dígitos de la resistencia, la tercera banda representa un factor Tecnología, programación y robótica 3º ESO “Electricidad” Página 28 de 30 multiplicador y la cuarta banda la tolerancia que presenta el elemento (factor del que no nos preocuparemos demasiado en este nivel). Todo ello obedeciendo la siguiente tabla de colores: 3ER COLOR 4ª COLOR FACTOR TOLERANCIA MULTIPLICADOR 1ER COLOR 1a CIFRA 2º COLOR 2ª CIFRA Negro 0 0 1 Marrón 1 1 10 1% Rojo 2 2 102 2% 3 CÓDIGO DE COLORES COLOR Naranja 3 3 10 Amarillo 4 4 104 Verde 5 5 105 Azul 6 6 106 Violeta 7 7 107 Gris 8 8 108 Blanco 9 9 109 10-1 Oro -2 Plata 10 5% 10 % En el siguiente enlace se puede realizar de forma gráfica el cálculo del valor de cualquier resistencia fija. RECURSO TIC: Herramienta para calcular valor de resistencias EJ 30: Determina el valor en ohmios de las siguientes resistencias de los siguientes colores: a) rojo-naranja-amarillo-oro c) naranja-naranja-marrón-oro e) marrón-negro-naranja-plata Tecnología, programación y robótica 3º ESO b) naranja-gris-verde-oro d) marrón–negro–verde–oro f) naranja-naranja-naranja-oro “Electricidad” Página 29 de 30 EJ 31: ¿Cuáles son los colores de las siguientes resistencias si su tolerancia es del 5%? a) 120 W c) 820 W e) 1,8 MW Tecnología, programación y robótica 3º ESO b) 470 W d) 1 kW f) 32000W “Electricidad” Página 30 de 30 Anexo II: Uso de la placa de pruebas (protoboard) “Una placa de pruebas (protoboard) es un tablero con orificios que se encuentran conectados eléctricamente entre sí de manera interna, habitualmente siguiendo patrones de líneas, en el cual se pueden insertar componentes electrónicos y cables para el armado y prototipado de circuitos electrónicos y sistemas similares. Está hecho de dos materiales, un aislante, generalmente un plástico, y un conductor que conecta los diversos orificios entre sí. Uno de sus usos principales es la creación y comprobación de prototipos de circuitos electrónicos sin necesidad de soldaduras y ahorrando la cantidad de cable utilizado” La placa de pruebas presenta una serie de filas (arriba y abajo) con conexiones conectadas entre sí (todas las de la fila y no con pines de cualquier otra) y una serie de columnas (separadas por el centro) cuyas conexiones se encuentran conectadas (entre pines de la misma columna y no con pines de cualquier otra). La mejor forma de entender el uso de este componente es mediante los montajes que se realizarán en el aula-taller pero, para mostrar un ejemplo, os presento el siguiente vídeo: RECURSO TIC: Uso de la placa de pruebas o protoboard Tecnología, programación y robótica 3º ESO
