Uni2electricidad

UNIDAD 2. ELECTRICIDAD.
INTRODUCCIÓN: ELECTRICIDAD ESTÁTICA Y DINÁMICA.
Si frotamos una barra de vidrio con un trozo de tejido de seda, la barra adquiere
la curiosa propiedad de atraer cuerpos ligeros como pedacitos de papel. El mismo
fenómeno se observa si frotamos una barra de plástico con un paño de lana. Se dice que
ambos cuerpos, vidrio y plástico, están electrizados y a la forma de energía que es la
causa de estos fenómenos se le llama electricidad.
Pero existe una diferencia. Aunque el frotamiento del vidrio y del plástico
provoca los mismos fenómenos, el estado eléctrico de ambos cuerpos no es el mismo ya
que un trozo de papel atraído por la barra de vidrio sería después repelido por la barra
de plástico y viceversa. Cuando se estudiaron estos fenómenos se dijo arbitrariamente
que la barra de vidrio queda electrizada positivamente (pasan electrones del vidrio a la
seda) y la de plástico negativamente (pasan electrones de la lana al plástico).
Pero, ¿Qué ha ocurrido en realidad? Al frotar la barra de plástico con el paño de
lana, pasan electrones de la lana al plástico. El plástico queda con exceso de electrones
y la lana, con defecto de electrones. El plástico adquiere carga negativa. Sin embargo, al
frotar la barra de vidrio con la seda, pasan electrones del vidrio a la seda. El vidrio
queda con defecto de electrones y la seda con exceso de electrones. El vidrio adquiere
carga positiva. Existen distintas formas de cargar un cuerpo: por frotamiento (como las
barras de vidrio y plástico), por contacto y por inducción (separación en un cuerpo de
las cargas positivas y negativas al acercarles otro cuerpo cargado).
Hay otros fenómenos provocados por la electricidad y de índole diferente. Por
ejemplo, cuando en nuestra habitación pulsamos el interruptor, instantáneamente se
enciende la luz. Lo que hemos hecho en este caso es unir los hilos de una lámpara de
incandescencia a los hilos de la distribución eléctrica y, con ello, a la instalación de
generadores eléctricos situados en una lejana central eléctrica. En resumen, hemos
establecido una corriente eléctrica.
En los fenómenos de frotamiento del vidrio o del plástico, la electricidad
permanece en reposo, no se mueve: se llama electricidad estática o electrostática. En el
fenómeno de la corriente eléctrica, la electricidad se mueve a través de un hilo
conductor desde la central eléctrica hasta el receptor eléctrico y retorna a la central a
través de otro hilo conductor, en este caso se llama electricidad dinámica o
electrodinámica. Casia todas las aplicaciones prácticas de la electricidad son de este
último tipo.
CORRIENTE ELÉCTRICA.
Es un fenómeno físico que se desarrolla en determinadas condiciones, en ciertas
sustancias. Consiste en el desplazamiento de electrones situados en las órbitas más
alejadas de los núcleos de los átomos de que están compuestas estas sustancias.
Las sustancias que permiten el desplazamiento de cargas reciben le nombre de
conductoras. Ejemplos: cobre, aluminio, bronce, acero, oro, plata…A las sustancias
que no permiten el paso de corriente se las denomina sustancias aislantes. Ejemplos:
vidrio, porcelana, papel, madera, plástico, seda, caucho, aceites, cera, alcoholes…
En electricidad, si tenemos dos elementos conectados entre sí por medio de un
conductor, y uno de ellos tiene mayor carga negativa que el otro, decimos que tiene
mayor tensión o potencial eléctrico. Debido a ello, los electrones que tiene en exceso
serán atraídos, a través del conductor, hacia el cuerpo que tiene menor tensión o
potencial eléctrico, hasta que las cargas de los dos cuerpos se igualen.
En resumen, una corriente eléctrica es un conjunto de cargas eléctricas que se
mueven a través de un conductor. Para que este movimiento se produzca es necesario
que entre los dos extremos del conductor exista una diferencia de potencial eléctrico.
CIRCUITO ELÉCTRICO.
Es un conjunto de elementos que unidos convenientemente entre sí, permiten la
circulación de electrones. Estos elementos son:
 generador: dispositivo que crea y mantiene la diferencia de potencial
necesaria para que se produzca corriente eléctrica.
 conductor: elemento por el que circulan cargas eléctricas.
 receptores: dispositivo que consume una cierta energía eléctrica aportada
por el generador, y la transforma en otra forma de energía, para producir
un efecto útil, como puede ser luz, calor, movimiento, sonido…
 elementos de maniobra y control: permiten dirigir o interrumpir el paso
de corriente.
 elementos de protección: protegen el circuito de las posibles sobrecargas
que pueden presentarse de forma imprevista.
Veamos que ocurre en un circuito eléctrico.
Para mayor claridad, vamos a suponer que la corriente eléctrica está formada por
gotas de agua que se encuentran en un vaso (generador) en dos compartimentos (polos
del generador) separados perfectamente, siendo la única salida los grifos, que en el
generador se encuentran marcados con el + y el -.
Lógicamente, en este doble vaso (generador) encontraremos que uno de ellos está
prácticamente lleno de agua (electrones), siendo este vaso el marcado con el -, por lo
que la diferencia de niveles de agua (diferencia de potencial) va a originar que fluya
agua desde el vaso con mayor cantidad de agua (electrones) al de menor cantidad. Este
proceso continuará hasta que los niveles de agua (electrones) en ambos vasos (polos del
generador) sean iguales. El primer problema que se nos presenta es que el circuito
montado de esta manera estará funcionando de una forma indefinida, por lo que se debe
intercalar en el mismo una llave ara abrir o cerrar el paso de de la corriente según sea
preciso. Estos son los elementos de maniobra y control.
GENERADORES.
Hay distintos tipos, que se diferencian entre otras características en el valor de la
tensión que son capaces de proporcionar. Dicho valor se llama voltaje o tensión y se
mide en voltios.
Los generadores también se diferencian en el tipo de energía que utilizan para
generar la corriente (es decir, mantener la diferencia de potencial). Así por ejemplo,
mientras que las pilas y baterías emplean energía química, los alternadores y dinamos
utilizan energía mecánica.
Pilas, generan corrientes eléctricas a partir de las reacciones químicas que se
producen entre sus elementos básicos: cátodo (electrodo negativo) y ánodo (electrodo
positivo) y electrolito.
Baterías, son asociaciones de dos o más pilas en serie.
Acumuladores, pilas o baterías en las que, al agotarse las sustancias activas que
producen energía eléctrica, pueden recuperarse de nuevo al pasar una corriente eléctrica
de sentido contrario, proporcionada por un generador exterior.
PRECACUCIONES.
La mayoría de las pilas están fabricadas con metales pesados y son, por tanto,
muy contaminantes. Las pilas de botón son las más contaminantes de todas, ya que
utilizan mercurio en su fabricación. Todas las pilas en general, no deben nunca echarse
a la basura, sino devolverlas una vez gastadas a los mismos establecimientos o
depositarlas en recipientes especiales. Las pilas cilíndricas y de petaca no son tan
contaminantes. No obstante, siempre es conveniente leer el etiquetado de las mismas en
cada caso.
CONDUCTORES Y ASILANTES.
Los conductores, son aquellos materiales que dejan pasar la corriente eléctrica
con facilidad o que pueden ofrecer poca resistencia a su paso. Ejemplos: cobre, plata,
aluminio… Se pueden presentar en forma de hilos (Ǿ< 4mm), varillas (Ǿ> 4mm),
cables (formados por hilos de poca sección) y pletinas.
Los aislantes, son materiales que no dejan pasar o que permiten el paso de muy
poca cantidad de corriente eléctrica. Ejemplo: mica, porcelana, vidrio…
RECEPTORES.
Lámparas de incandescencia, consisten en una ampolla de vidrio rellena de
gas (argón, nitrógeno) y un filamento de tungsteno, que se pone incandescente con el
paso de corriente. Aproximadamente el 90% de la energía consumida se transforma 4en
energía calorífica.
Lámparas fluorescentes, contiene un gas encerrado en un tubo, que tiene sus
paredes interiores recubiertas de fósforo. Cuando se conecta la corriente, el gas se
ioniza; es decir, desprende electrones que chocan contra las paredes de fósforo
haciendo que se iluminen.
Timbre, es un elemento acústico que emite un sonido cuando se le aplica una
tensión. Está formado por un electroimán que atrae una barra metálica, en uno de cuyos
extremos se encuentra un martillo que golpea una campana. El otro extremo de la barra
funciona como interruptor, cerrando el circuito cuando el timbre se encuentra en reposo
y abriéndolo cuando es atraído por el electroimán.
ELEMENTOS DE MANIOBRA Y CONTROL.
Interruptores, dispositivo que sirve para permitir o cortar el paso de corriente
eléctrica a través de un circuito son modificarla. Está constituido por dos láminas
metálicas sujetas a una base aislante, que mediante presión o deslizamiento, se unen o
separan. Se recubren con material aislante.
Pulsadores, dispositivo que cuando se oprime permite el paso de corriente, y
cuando se deja de oprimir, la interrumpe (puede ser al revés). Están constituidos por un
soporte aislante, donde se encuentran los bornes de conexión y una parte móvil, en la
que se sitúa una lámina metálica y un muelle que permite el retorno a la posición de
reposo del pulsador.
Conmutador, es un interruptor doble que actúa sobre dos circuitos,
encendiendo uno y apagando el otro, o viceversa.
Llave de cruce, interruptor de cuatro contactos, conectados dos a dos, de
manera que al cambiar las conexiones cambia el sentido de la corriente.
ELEMENTOS DE PROTECCIÓN.
Fusibles, conectados en serie en la instalación eléctrica. Están formados por un
hilo de cobre, normalmente de sección menor que el resto de conductores. Si la
corriente es excesiva, el hilo se funde.
Automáticos, elementos que limitan el paso de corriente.
Diferenciales, elementos que actúan desactivando el circuito cuando se produce
una derivación de corriente eléctrica a través de una persona a tierra.
SIMBOLOGÍA.
La representación gráfica de cualquier circuito eléctrico, debe respetar la
simbología asignada a cada elemento. Esto facilita su rápida comprensión y facilidad de
interpretación. En la siguiente tabla se ven algunos de los elementos de uso más
frecuente.
MAGNITUDES ELÉCTRICA.
Carga Eléctrica: Q, es la cantidad de electricidad. Su unidad es el culombio (c).
Intensidad: I, es la cantidad de carga que atraviesa la sección de un conductor en la
Q
unidad de tiempo, I = ; el tiempo en segundos y la carga en culombios. La unidad de
t
la intensidad es el amperio (A).
Resistencia: R, es la dificultad que opone un conductor al paso de corriente eléctrica.
Esta resistencia depende de la longitud del conductor, de su sección y del material, de la
l
, siendo l la longitud en metros, ρ la resistividad del material
s
y s la sección en m2. La unidad de la resistencia es el ohmio (Ω).
Voltaje o tensión: V (a veces, d.d.p), es la diferencia de energía que tiene la
unidad de carga entre dos puntos. Su unidad es el voltio (V).
V
Ley de Ohm: R = , V en voltios, I en amperios y R en ohmios.
I
siguiente forma: R = 
Es importante el concepto de energía. Si se enciende una bombilla comienza a
circular una corriente eléctrica. Para que ésta se mantenga es necesario consumir
energía. La energía eléctrica suministrada por el generador al circuito debe ser igual a la
consumida en él, que se convierte en otras formas de energía. En un circuito esta
energía es: T=E =VQ= VIt. La unidad es el Julio (J).
Efecto Joule: los electrones, al circular por los conductores, chocan con los átomos que
los forman, transformando la energía eléctrica en energía interna. Los choques de los
electrones liberan suficiente energía para originar un calentamiento del conductor. Por
tanto la energía disipada en un conductor o resistencia R es: T=E=VIt=RI2t.
Potencia: P, es la cantidad de energía eléctrica consumida o producida por
T VIt
unidad de tiempo. Su expresión es: P = =
= VI. En una receptor de resistencia R,
t
t
podríamos tener: P = VI = IRI =RI2. Su unidad es el watio (W).
MONTAJES ELÉCTRICOS.
Conexiones en serie.
Los elementos se disponen uno a continuación del otro, unidos mediante cables
conductores, de manera que el polo positivo de cada elemento se conecta con el polo
negativo del siguiente.
En esta disposición, cada uno de los elementos del circuito están sometidos a
una tensión diferente, y por todos y cada uno de ellos circula la misma intensidad.
Inconveniente: cuando falla uno de los componentes se interrumpe el paso de
corriente por el resto.
La resistencia total que ofrecen todos los componentes conectados en serie es:
Req = R1 + R 2+ R3 + …
Conexiones en paralelo.
Los elementos se disponen de tal manera que todos y cada uno de ellos estrán
conectados con el polo positivo y el polo negativo del generador de corriente. En esta
disposición, todos los elementos del circuito están sometidos a la misma tensión, pero
por cada uno de ellos circula una intensidad de corriente diferente. La resistencia total
1
1
1


 ...
que ofrecen los elementos conectados en paralelo es: Req=
R1 R2 R3
Circuitos mixtos.
Circuitos que tienen algunos elementos dispuestos en serie y otros conectados
en paralelo.
INSTRUMENTOS DE MEDIDA ELÉCTRICA.
Galvanómetro. Instrumento de medida que detecta el paso de corriente
eléctrica, determinando su sentido de flujo.
Amperímetro. Mide la intensidad de corriente. Debe conectarse en el circuito
siempre en serie.
Voltímetro. Mide la diferencia de potencial entre dos puntos del circuito. El
aparato debe conectarse en paralelo.
Polímetro. Instrumento que puede medir voltaje, intensidad, resistencia y otras
magnitudes. Posee varias escalas, y en ellas se puede leer, tanto distintas magnitudes,
como diferentes apreciaciones de cada una de ellas. Sirve tanto para corriente continua
como alterna.
Normas básicas para utilizar estos aparatos.
1. Conocer el tipo de corriente que se desea medir (continua o alterna).
2. Saber el tipo de magnitud que se quiere medir.
3. Elegir la escala que se debe utilizar. Si no se conoce el valor aproximado que se
espera obtener, se debe empezar siempre por el valor más alto, para evitar
sobrecargas que dañen el aparato.
4. Utilizar correctamente el circuito de medida (en serie o en paralelo).
5. Interpretar correctamente la escala.
Existen además dos tipos de aparatos: analógicos (con indicaor de aguja sobre
una escala) y digitales (con indicador de cristal líquido o un indicador de siete
segmentos).
SENTIDO DE LA CORRIENTE.
Existen dos tipos de corriente: corriente continua y corriente alterna. En la
primera, los electrones circulan siempre en el mismo sentido, desde el polo negativo al
polo positivo (aunque por convenio, el sentido de la corriente es al contrario, por
motivos históricos). Sin embargo, en la segunda, las cargas no se mueven siempre en el
mismo sentido.
MAGNETISMO.
La propiedad que tienen ciertos cuerpos de atraer a metales como el hierro,
cobalto, níquel y a algunas de sus aleaciones se llama magnetismo. Se dice que la
palabra magnetismo proviene de la siguiente leyenda: “Un pastor que se llamaba
Magnus puso la punta de hierro de su bastón sobre una piedra magnética y la punta se
le quedó cogida a la piedra”. Pero es más probable que proviniese de la ciudad de
Magnesia en el Asia Menor, donde ya se encontraba magnetita (mezcla de varios
óxidos de hierro) en abundancia en la antigüedad. Los cuerpos que tienen esa propiedad
se llaman imanes. Según su origen pueden ser naturales (magnetita) o artificiales. Estos
últimos pueden ser a su vez temporales (se comportan como tales por inducción de un
campo magnético creado por otro imán o por la corriente eléctrica) o permanentes
(conservan sus propiedades magnéticas al cesar la acción externa).
Las propiedades magnéticas de los imanes se manifiestan de forma intensa en
sus extremos, denominados polos. Estos polos reciben el nombre de polo Norte y polo
Sur. Además, polos del mismo nombre se repelen y polos de distinto nombre se atraen.
Todo imán origina a su alrededor una región en la cual se pone de manifiesto los
efectos magnéticos. A esta región se le denomina campo magnético.
ELECTROMAGNETISMO.
El físico Danés Hans C. Oesterd descubrió en 1820 la acción de la corriente
eléctrica sobre los imanes. Oesterd observó que la corriente eléctrica que pasaba por un
conductor podía desviar la aguja de una brújula que se encontrase a poca distancia
como si se tratase de un imán. A la conclusión que llegó fue, que cargas eléctricas en
movimiento originan en sus proximidades campos magnéticos.
A partir de este importante descubrimiento, la electricidad y el magnetismo, que
se consideraban hechos independientes, pasaron a ser una rama única de la física, el
electromagnetismo.
La aplicación más sencilla de esto es el solenoide. Consiste básicamente en una
bobina o enrrollamiento helicoidal de hilo conductor recubierto con barniz u otro
material aislante. Cada vuelta se denomina espira. Cuando la corriente pasa por el
conductor, el solenoide se comporta como un imán, atrayendo el hierro, pero deja de
hacerlo al cortar la corriente. La intensidad de la acción magnética depende de la
intensidad de la corriente que atraviesa el conductor y del número de espiras de la
bobina. Si el enrrollamiento se hace sobre un núcleo de hierro dulce, al conjunto se le
llama electroimán.
Aplicación en la industria y en la tecnología: interruptores, altavoces,
magnetófonos, motores, aparatos de diagnóstico médico, amperímetros, voltímetros,
grúas magnéticas, relés, brújulas …
Hemos visto que la corriente eléctrica es capaz de crear un imán. ¿Puede ser
capaz un imán de crear corriente eléctrica? Poco después de que Oesterd hiciera su
descubrimiento, Ampere y Faraday observaron que un campo magnético variable
origina una corriente eléctrica en circuitos que se encuentran en sus proximidades. A
este fenómeno se le conoce como inducción electromagnética. Aplicaciones:
alternadores (generadores de corriente alterna) y dinamos (generadores de corriente
continua).
ACTIVIDADES.
1. La diferencia de potencial en los extremos de una lámpara es de 230V y circula
por ella una intensidad de 2A. ¿Cuál es la resistencia de la lámpara? Si ahora le
aplicamos una diferencia de potencial de 250V, ¿qué intensidad circulará?
2. Un horno microondas tiene una potencia de 800W. Funciona durante 15
minutos. ¿Qué energía consume? Si está conectado a una tensión de 220V, ¿qué
intensidad circula por él? ¿Cuál es su resistencia?
3. Queremos fabricar una resistencia de 3 con un hilo de cobre, de sección
0,4mm2. ¿Cuál debe ser su longitud? Dato: (cobre)=1’7·10-8m.
4. ¿Cuántos culombios pasarán por un cable durante 3 minutos, si circula una
intensidad de 5A? ¿Y electrones? Dato: 1c=6’24·1018 e-.
5. Durante 1 minuto, pasan por la sección de un cable 3’5·1020 electrones. ¿Qué
intensidad de corriente tenemos?
6. ¿Cuál debe ser la sección de un hilo de hierro de 5 m de longitud, para que su
resistencia sea de 10? Dato: (hierro)=10-7m.
7. La resistencia de una bombilla es de 100 y la conectamos a un voltaje de
125V. ¿Qué intensidad circula por ella? ¿Qué potencia se disipa? ¿Qué energía
se pierde al cabo de 1 hora?
8. En un cable circula una corriente de 10A. ¿Durante cuánto tiempo pasan 4
culombios?
9. La potencia de una máquina es de 1500W. Si su resistencia es de 50, ¿qué
corriente circula por ella? ¿A qué tensión está conectada?
10. Tenemos dos trozos de material metálico de 300 mm de largo y 3 mm2 de
sección, uno es de cobre y el otro de hierro. ¿Cuáles son sus resistencias? Dato:
(cobre)=1’7·10-8m; (hierro)=10-7m.
11. Se dispone de una resistencia de 40  y se conecta a 220 V. Calcula la corriente
que circula por ella.
12. Una estufa eléctrica presenta como características 220 V y 1000 W. Calcula la
corriente que circula por ella y su resistencia.
13. Resuelve los siguientes circuitos:
14. Mantenemos conectada una lámpara de 40 W durante 6 horas. ¿Cuánta energía
consume diariamente? ¿Y bimensualmente?
15. Calcula el número de electrones que pasan en 1 s por la sección de un conductor
por el que circula una corriente de intensidad 1 A. Dato: 1c=6’24·1018 e-.
16. Si por un hilo pasan 3·107 electrones en 10 minutos, ¿qué intensidad de corriente
circula?
17. ¿Cuántos culombios y electrones pasarán por un hilo conductor, si se ha creado
una intensidad de corriente de 10 A durante 20 minutos?
18. ¿Cuánto tiempo deben circular 8000 c para crear una intensidad de 10 A?
19. ¿Qué diferencia de potencial se creará en los extremos de una resistencia de 5 
si circula por ella una intensidad de 10 A?
20. ¿Cuál será la resistencia de un circuito, si se sabe que cuando pasa una
intensidad de 30 mA, se crea una diferencia de potencial de 6 V?
21. Se utiliza un hilo de cobre para fabricar una resistencia de 10 . Si la sección es
de 0’8 mm2, ¿qué longitud de hilo habrá que utilizar?
Dato: (cobre)=1’7·10-8m.
22. Una diferencia de potencial de 10 V produce una corriente de 3 A en una
resistencia. ¿Cuánto vale la resistencia? ¿Cuál será la intensidad de corriente que
pase por ella si se conecta a 50 V?
23. ¿Cuál es la resistencia de una bombilla de 100 W y 220 V? ¿Qué intensidad de
corriente circula por ella si la conectamos a 125 V?
24. Resuelve los siguientes circuitos: