módulo 3. electricidad - Departamento de Física y Química
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2º PCPI Electricidad ELECTRICIDAD Y MAGNETISMO 1.- Carga eléctrica. Propiedades de las cargas. Unidad de carga. 2.- Métodos para la electrización de un cuerpo. Conductores y aislantes. 3.- Interacciones entre cargas eléctricas. Ley de Coulomb. 4.- Corriente eléctrica. Generadores eléctricos. 5.- Voltaje e intensidad eléctrica. Ley de Ohm. 6.- Resistencia. Asociación de resistencias. 7.- Energía y Potencia eléctrica. 8.- Efectos de la corriente eléctrica. 9.- Imanes. Motores. 1.- CARGA ELÉCTRICA. PROPIEDADES. UNIDAD DE CARGA. En el siglo VI a. de C., el filósofo griego Tales de Mileto frotando el ámbar (en griego electrón) con un paño, observó que aquél atraía objetos ligeros como cabellos, hilos, trocitos de papel, etc. Así mismo, si tomamos un péndulo eléctrico, formado por una bolita de corcho o médula de saúco colgada de un hilo de seda muy fino, y le acercamos una varilla de vidrio que previamente ha sido frotada con un paño de seda, se observa que atrae a la bolita y al entrar en contacto la repele. Si a continuación le acercamos a la bolita una varilla de plástico frotada en lana, la atrae. vidrio vidrio plástico Las atracciones y las repulsiones que se observan en ésta y en otras múltiples experiencias, se atribuyen a una propiedad de la materia que se llama carga eléctrica, que no es algo añadido a la materia, sino que forma parte de la misma, aunque no se sepa lo que es. Hay 2 tipos de carga, que convencionalmente se llaman positiva y negativa. A.1. Completa: La materia está formada por ................. y éstos por .............................................. Las partículas positivas llamadas........................ y las neutras llamadas ......................, se encuentran en el ................ de los átomos, mientras que las partículas negativas, llamadas ..................., están en movimiento alrededor del .................... El número de electrones es igual al número de ....................., y como los átomos son neutros, la carga de ......................... es igual a la carga de ........................, pero de signo ..................... pág. 1 2º PCPI Electricidad A.2. Haz un esquema de un átomo con 8p, 10n y 8e. A.3. ¿Cómo puede cargarse eléctricamente un átomo?. ¿Qué nombre reciben los átomos con carga?. Los cuerpos son neutros cuando todos sus átomos son neutros, sin embargo se pueden cargar positiva o negativamente cuando sus átomos ganan o pierden electrones. A.4. ¿Qué explicación encuentras para las experiencias reseñadas al principio?. De la experiencia del péndulo eléctrico se deduce que: Cuerpos con cargas del mismo signo se repelen, mientras que cuerpos con cargas de signo contrario se atraen. Para determinar la existencia de cargas en un cuerpo, y en su caso, el tipo de carga que posee, se puede utilizar además del péndulo eléctrico, un electroscopio que es un recipiente de vidrio cuyo tapón está atravesado por una varilla metálica que termina en uno de sus extremos con dos finas láminas de oro o de aluminio y el otro extremo termina en una esfera metálica. Para conocer si un cuerpo está cargado o no, es suficiente tocar con él la esfera del electroscopio. Si las laminillas metálicas se separan, quiere decir que, a través de la varilla metálica, llegaron a ellas cargas eléctricas, y se repelen al cargarse las dos del mismo signo. A.5. Para determinar el signo de la carga que posee un cuerpo mediante un electroscopio, realizamos la siguiente experiencia: Tocamos la esfera de un electroscopio descargado con una varilla de vidrio previamente frotada con seda, observando como las laminillas metálicas se separan y a continuación tocamos la esfera con el cuerpo que queremos saber que tipo de carga tiene. - Si las laminillas se separan aún más, ¿qué tipo de carga tiene ese cuerpo?, ¿por qué?. - Si las laminillas se acercan, ¿qué tipo de carga tiene ese cuerpo?, ¿por qué?. Puesto que un cuerpo se carga por ganancia o pérdida de electrones, es lógico tomar como unidad de carga eléctrica la de un electrón que es la unidad natural de carga. Sin embargo, el número de electrones que se ganan o pierden en estas experiencias es muy grande (millones), por lo que resulta una unidad muy pequeña y poco práctica, de ahí que en el S.I. se tome como unidad de carga el culombio (C). Un culombio es la carga que poseen 6,3 . 10 18 electrones A.6. ¿ Cuál es la carga expresada en culombios de un electrón y de un protón?. pág. 2 2º PCPI Electricidad A.7. ¿Cuántos electrones tiene una carga de 8 C ?. 2.- MÉTODOS PARA LA ELECTRIZACIÓN DE LOS CUERPOS. MATERIALES CONDUCTORES Y AISLANTES. De las experiencias anteriores se deducen las tres formas de electrizar un cuerpo: por frotamiento, por contacto y por inducción. a) Por frotamiento: Al frotar dos cuerpos, el más duro arranca electrones al otro, quedándose cargado negativamente, mientras que el más blando se carga positivamente. La carga de ambos es la misma pero de signo contrario. Ahora bien, en determinadas circunstancias, los materiales llamados conductores no se pueden electrizar de esta forma. Los conductores son cuerpos que dejan pasar las cargas eléctricas por su interior, ya que los electrones se desplazan libremente de un átomo a otro con mucha facilidad, por eso al frotarlos, el exceso de carga circula fácilmente hasta nuestras manos y por nuestro cuerpo llegan a la tierra, que también es conductora, descargándose el cuerpo. Las sustancias típicamente conductoras son los metales, en los que los electrones del nivel más externo están poco retenidos por el resto del átomo y se pueden desplazar fácilmente, mientras que los cationes resultantes ocupan posiciones fijas: Hay otras sustancias llamadas aislantes o dieléctricos, tales como el vidrio, el plástico, la seda, la madera, etc., que no permiten el libre desplazamiento de las cargas por su interior, de forma que cuando se cargan, estos electrones permanecen en el mismo lugar del cuerpo donde se han producido. En realidad, los aislantes conducen la electricidad aunque muy poco. b) Por contacto: Al poner en contacto un cuerpo cargado con otro cuerpo neutro, las cargas (electrones) pasan de uno a otro. c) Por inducción: Consiste en provocar una distribución no uniforme de las cargas positivas y negativas de un cuerpo. Para conseguir cargar un cuerpo conductor por inducción, se le acerca al mismo un cuerpo cargado, originándose en el primero una separación de cargas , al ser atraídos o repelidos los electrones del conductor por el cuerpo y al tocar con la mano o conectar a tierra uno de los extremos, se produce un exceso o defecto electrónico y en consecuencia queda cargado. pág. 3 2º PCPI Electricidad A.8. Los cables de conducción eléctrica están forrados con un material plástico, ¿por qué?. A.9. ¿Puedes explicar las descargas que a veces se producen al tocar la carrocería de un coche cuando se para?. A.10. ¿Cómo es posible electrizar un conductor por frotamiento?. 3.- INTERACCIONES ENTRE CARGAS ELÉCTRICAS. LEY DE COULOMB. La intensidad de las fuerzas electrostáticas, es decir, de las fuerzas atractivas o repulsivas que aparecen entre los cuerpos en reposo que poseen cargas eléctricas, se ha demostrado experimentalmente que depende de varios factores. A.11. Colocamos un cuerpo cargado a dos distancias diferentes del péndulo eléctrico: - + + 2 cm 4 cm ¿ Cuándo se realiza más fuerza sobre el péndulo?. ¿ Qué conclusión puedes obtener de esta observación?. Con experiencias semejantes, el físico francés Charles Coulomb comprobó que: La intensidad de las fuerzas de atracción o de repulsión entre dos cuerpos cargados es directamente proporcional al producto de las cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa. Esta ley se conoce con el nombre de ley de Coulomb y matemáticamente se expresa: Fk. Q1 . Q 2 d2 F = intensidad de la fuerza Q1 y Q2 = intensidad de las cargas d = distancia entre las cargas. k = constante de proporcionalidad, llamada constante electrostática de Coulomb, cuyo valor depende del medio en el que se encuentren las cargas. En el vacío y en el aire k = 9 . 109 N.m 2 , mientras que en otro medio cualquiera C2 siempre tiene un valor inferior. En el vidrio k = 2 . 109 y en el agua k = 1,11 . 108 S.I. pág. 4 2º PCPI Electricidad La ley de Coulomb permite definir el Culombio de otra forma: Si en la expresión de la ley de Coulomb se toma Q1 = Q2 = 1 C y d = 1 m, y suponiendo el vacío, al sustituir valores resulta que F = 9 . 109 N, por tanto: 1 culombio es la carga que, colocada en el vacío a 1 m de otra carga igual y del mismo signo, es repelida con una fuerza de 9 . 109 N Notas: 1) Las fuerzas electrostáticas son de interacción mutua, es decir, aparecen en los dos cuerpos, tienen la misma intensidad, la misma dirección (la de la recta que une las cargas) pero son de sentido contrario. Q1 + F1 Q2 + F2 Q1 y Q2 pueden ser iguales o distintas, pero en cambio F1 = F2 2) La ley de Coulomb es válida para cargas puntuales, es decir, para cuerpos que tienen un tamaño tan pequeño que puede despreciarse en los cálculos y entonces se considera que la carga está concentrada en un punto. A.12. Las fuerzas que se establecen entre dos cargas determinadas, situadas a una cierta distancia: ¿es siempre la misma o depende del medio en el que se encuentren?, ¿en qué medio, es mayor su intensidad?. A.13. Dos cargas puntuales de + 3 C y - 4 C están situadas en el vacío a una distancia de 2 m. Calcula el valor de la fuerza con que se atraen. Dibuja dichas fuerzas. A.14. ¿Cuál sería el valor de las fuerzas en la actividad anterior si una de las cargas se duplicara?. ¿Y si fuese la distancia que separa los cuerpos, la que se duplica ?. ¿Y si esa distancia se redujera a la mitad?. A.15. Una carga de – 6 .10 – 6 C repele a otra carga con la fuerza de 0,54 N cuando se sitúan en el vacío a 0,5 m de distancia. ¿Cuál es el valor de la otra carga?. ¿Cuál es el signo de la otra carga?. A.16. Supón que dos cargas de 20 C cada una, están situadas en el vacío a una distancia de 20 cm. a) Analiza en qué zona habría que colocar una tercera carga negativa para que la fuerza eléctrica resultante que actúa sobre ella sea nula. b) Si el valor de esta tercera carga es de - 10 C, determina la posición que debe ocupar. A.17. Dos cargas iguales están en el vacío separadas 3 mm. Si la fuerza existente entre ellas es de 106 N , calcula el valor de cada carga. A.18. ¿ A qué distancia deben colocarse dos cargas en el agua, para que la fuerza que ejercen entre sí sea igual a la que actúa cuando están separadas 1 m en el vacío?. pág. 5 2º PCPI Electricidad 4.- CORRIENTE ELÉCTRICA. GENERADORES A.19. ¿ En qué crees que consiste la corriente eléctrica en un conductor metálico?.¿ Cómo se puede originar una corriente eléctrica?. La corriente eléctrica es el desplazamiento de cargas eléctricas a través de un material conductor. En un conductor metálico por el que no circula la corriente eléctrica, los electrones más externos se mueven libremente, a una velocidad de miles de Km/s, en todas las direcciones entre los huecos que dejan los cationes; sin embargo al originarse la corriente eléctrica se desplazan en conjunto en una determinada dirección a una velocidad de algunos cm/h. Para conseguir el desplazamiento permanente de los electrones se requiere la presencia de un generador eléctrico (pila, batería, etc.), cuya misión es aumentar la “energía” de los electrones, que llamaremos energía eléctrica. Se llama fuerza electromotriz ( f.e.m. ) de un generador, a la energía que el generador comunica a cada unidad de carga. Hay que tener presente que en un circuito eléctrico se cumple el principio de conservación de la energía: la energía que ganan los electrones del conductor es a costa de la disminución de la energía interna de las sustancias que forman el generador, y al desplazarse los electrones por el circuito van disminuyendo su energía eléctrica, mientras que en otros elementos del circuito (bombillas, electrodomésticos, etc.) va aumentando la energía de otro tipo (se produce luz, calor, etc.). Los polos del generador se llaman: + (cátodo) y – (ánodo). polo - polo + El generador se representa abreviadamente: + - El sentido de la corriente eléctrica , por ser electrones en movimiento cargados negativamente, es desde el polo – al polo +. pág. 6 2º PCPI Electricidad Los electrones en contacto con el polo + de la pila se desplazan hacia el interior de la pila, donde ganan energía eléctrica y a través del polo – pasan de nuevo al circuito; por tanto el número de electrones en el circuito es siempre el mismo, es decir, la carga no se gasta en los cables o en las bombillas, ni tampoco la corriente eléctrica está almacenada en la pila. Convencionalmente se toma como sentido de la corriente el contrario, del + al - . Esto se debe a razones históricas, ya que antiguamente se creía que lo que circulaba por el interior del conductor eran cargas positivas. + - real convencional A.20. Observa el circuito y describe las transformaciones de energía que tienen lugar al cerrarlo. A.21. ¿Cuál es el sentido real y el convencional de los electrones en el interior de una pila? A.22. ¿ Cuándo se agota una pila?. Clases de generadores: Hay dos tipos de generadores: - De corriente continua: los electrones siempre se desplazan en el mismo sentido. Ejemplos: pilas, baterías, dinamos, etc. - De corriente alterna o alternadores: los electrones cambian periódicamente el sentido del movimiento; en realidad los electrones no se desplazan sino que oscilan en un sentido y en otro. A.23. ¿ De qué tipo es la corriente eléctrica que circula por la instalación eléctrica de las viviendas?. ¿Qué significa que tenga una frecuencia de 50 Hz ?. Según el tipo de energía que transforman en energía eléctrica, los generadores también se pueden clasificar en mecánicos (dinamos, alternadores), solares (placas solares) y químicos (pilas, baterías). pág. 7 2º PCPI Electricidad Elementos de un circuito eléctrico: Un circuito eléctrico es un dispositivo que permite aprovechar los efectos de la corriente eléctrica. Consta de: - Generador: dispositivo capaz de transformar una forma de energía en energía eléctrica. Receptores: aparatos en los que se utiliza la energía eléctrica transportada por las cargas para transformarla en otro tipo de energía. Interruptor: dispositivo que abre o cierra el circuito, de modo que impide o permite el paso de la corriente eléctrica. Conductores: cables que unen los distintos elementos del circuito y permiten la circulación de la corriente. Símbolos eléctricos: + Conductor A Amperímetro Generador V Voltímetro Interruptor abierto Inter. cerrado Receptor( Bombilla) Resistencia 5.- INTENSIDAD Y VOLTAJE DE LA CORRIENTE. LEY DE OHM. Habrás observado que la bombilla de una linterna luce más cuando la pila es nueva que cuando está casi gastada. En este caso, por la bombilla pasa menos corriente que antes, es decir, la corriente tiene menos intensidad. S Supongamos que tenemos un conductor por el que está circulando la corriente eléctrica y tomemos una sección S perpendicular al conductor. Se llama Intensidad de corriente a la cantidad de carga que atraviesa la sección de un conductor por unidad de tiempo. Q I t La unidad en el S.I. es el amperio (A) 1A = 1C 1s y se define como la intensidad de corriente que circula por un conductor cuando por él pasa la carga de 1 C cada segundo. pág. 8 2º PCPI Electricidad La intensidad se mide con el amperímetro, que se debe instalar de forma que por él pase toda la corriente, es decir en serie: Bien conectado Mal conectado Valores aproximados de la intensidad en: Bombilla de linterna ...................................................... 0,2 A Bombilla en la red ordinaria .......................................... 0,3 A Instalación de una casa en invierno, de noche ......... 15 - 25 A Cables que abastecen un edificio de 50 viviendas ......1.000 A A.24. ¿Qué significa que por un conductor pasa una corriente de 3 A?. A.25. Calcula la intensidad de una corriente sabiendo que por una sección de un conductor ha circulado la carga de 0,06 C en 2s. A.26. Se mantiene constante una corriente de 1,25 A durante una hora. Calcula la carga y el número de electrones que han circulado. A.27. ¿Qué intensidad tiene una corriente si por la sección del conductor pasan 18 . 10 electrones en 2 minutos?. 18 A.28. ¿Cuál de los tres amperímetros marcará más en el siguiente circuito? : A.29. ¿Hay consumo de carga en las bombillas?. ¿Y de energía?. Se llama Voltaje, tensión o diferencia de potencial entre dos puntos del circuito a la diferencia entre los valores de la energía que tiene una unidad de carga (1 C ) entre un punto y otro. Al igual que la f.e.m. se mide en voltios ( V ) que se define: Entre dos puntos hay una tensión, voltaje o d.d.p. de 1 voltio cuando la diferencia entre los valores de la energía de una carga de 1 C entre esos dos puntos es de 1 Julio ( J ). pág. 9 2º PCPI Electricidad Sabemos que para que las cargas circulen por el circuito es necesario que el generador proporcione energía, es decir que mantenga esa d.d.p. entre los extremos del conductor. El voltaje se mide con un aparato llamado voltímetro y debe conectarse de forma que el circuito no se modifique. Este tipo de conexión se llama en paralelo o derivación, ya que queda paralelo al trozo de circuito entre cuyos extremos queremos medir el voltaje. El voltaje, la d.d.p., entre 2 puntos de un cable conductor es prácticamente nulo, ya que las cargas apenas disminuyen su energía al pasar por el cable. El voltaje no es una magnitud característica de los aparatos eléctricos. La inscripción que traen de fábrica es para que tengan un rendimiento óptimo: - Voltaje entre los polos de una pila .................................................. 1,5 V “ “ “ “ “ “ batería de coche ................................12 V “ “ “ cables de la red del alumbrado ............................. 220 V “ “ “ polos de las líneas de transporte de corriente... 30.000 V A.30. a) ¿Qué significa que la f.e.m.(voltaje) de una pila es de 4,5 voltios?. b) ¿Cuánto habrá disminuido la energía interna de una pila después de que por ella haya pasado una carga de 20 Culombios?. c) ¿Cuánta energía se transfiere en un circuito si se conecta la pila de 4,5 V a una bombilla, después de haber pasado 1 C de carga?. A.31. a) Una bombilla que tiene la inscripción 220 V, ¿se puede conectar a un enchufe con un voltaje de 125 V?. ¿Qué ocurrirá?. b) Si la inscripción es de 125 V ¿se puede conectar a 220 V?. ¿Qué ocurrirá?. pág. 10 2º PCPI Electricidad Ley de Ohm: A.32. En el circuito adjunto se ha ido modificando el voltaje del generador, obteniéndose los siguientes valores para la intensidad de corriente: Tensión (V) 1 Intensidad (A) 0,2 2 0,4 3 0,6 4 0,8 5 1 a) ¿ Qué ocurre con la intensidad de corriente cuando se duplica la tensión?.¿ Y si la tensión se triplica?. b) Representa gráficamente Va – Vb en función de I. c) Divide el valor de cada d.d.p. entre la correspondiente I. ¿Qué valor se obtiene?. ¿Es constante? d) ¿ Qué conclusión se deduce de esta experiencia?. Esta conclusión se obtiene para muchas sustancias conductoras y se conoce con el nombre de ley de Ohm: “ la diferencia de potencial entre los extremos de un conductor es directamente proporcional a la intensidad de corriente que circula por él” Va Vb cte I Va - Vb = cte . I 6.- RESISTENCIA. ASOCIACIÓN DE RESISTENCIAS. La constante de la ley de Ohm se llama Resistencia y representa la dificultad que todo conductor ofrece al paso de la corriente. Por tanto, la ley de Ohm se expresa: Va Vb R I Va – Vb = I . R 1V y se define: 1A “ 1 ohmio es la resistencia de un conductor por el que circula la corriente de 1 amperio cuando entre sus extremos hay una diferencia de potencial de 1 voltio”. La unidad de resistencia en el S.I. es el Ohmio ( ). 1 = pág. 11 2º PCPI Electricidad A.33. Se conecta una pila de 4,5 V a una bombilla. Si el amperímetro marca 0,7 A ¿cuál es la resistencia del filamento de la bombilla?. Experimentalmente se ha comprobado que los factores que influyen en el valor de la resistencia de un conductor son: - la longitud del conductor: la R aumenta con la longitud. - la sección “ “ : la R disminuye con la sección - la naturaleza, la clase de material. Matemáticamente, se expresa: R= . R = resistencia L = longitud del conductor S= sección del conductor = resistividad o resistencia específica que depende de la naturaleza del conductor y de la temperatura. L S Si L = 1 m y S = 1 m2 se deduce que = R ; por tanto, la resistividad es la resistencia de un conductor de longitud y sección unidad. Resistividad ( . m ) a 20ºC Plata 1,6 .10 - 8 Cobre 1,7 .10 - 8 Aluminio 2,8 .10 - 8 Wolframio 5,5 .10 - 8 Plomo 22 .10 - 8 Constantán( Cu-Ni) 50 . 10 -8 Nicrom( Ni-Cr) 100 .10 - 8 Madera 108 a 1011 Vidrio 1010 a 1014 Material En realidad todos los materiales, incluidos los buenos conductores como la plata o el cobre, ofrecen cierta resistencia, sin embargo en los circuitos eléctricos se suele despreciar la resistencia de los hilos conductores y se reserva la denominación resistencia a los componentes que ofrezcan una resistencia elevada, como puede ser un hilo de mucha longitud enrollado en espiral o pequeños componentes formados por materiales de gran resistencia. Se representan A.34. En una estufa eléctrica se utilizan 31,4 m de hilo de nicrom. Calcula la resistencia: a) si el hilo tiene una sección de 3,14 . 10 – 6 m2. b) si la sección es doble que la anterior. A.35. ¿Qué longitud debe tener un hilo de cobre de 4 mm2 de sección para que ofrezca una resistencia de 0,43 ?. pág. 12 2º PCPI Electricidad Asociación de resistencias: En una asociación de resistencias se llama resistencia equivalente a una única resistencia que hace en el circuito el mismo efecto que todas las demás juntas. Resistencias en serie: R1 A B I Por todas ellas circula la misma intensidad de corriente y es igual a la intensidad total que circula por el circuito: I1 = I2 = I R2 I1 C I2 I Al medir la d.d.p. entre los extremos de cada resistencia, observamos que la d.d.p. entre los polos de la pila es igual a la suma de las d.d.p. entre los extremos de cada resistencia: I VA – VC = ( VA – VB ) + ( VB – VC ) Según la ley de Ohm: y como VA – VC = I . R , I1 = I2 = I , se deduce que : por lo que: I . R = I1 . R1 + I2 . R2 R = R 1 + R2 La resistencia equivalente es la suma de las resistencias asociadas en serie. Resistencias en paralelo o derivación: R1 La d.d.p. entre los extremos de todas ellas es la misma : VA - VB I1 A B I I2 R2 I I Según la ley de Ohm: I = se deduce que: VA VB , R La intensidad de corriente del circuito es la suma de las intensidades que circulan por cada una: I = I1 + I2 por lo que: VA VB V VB V VB = A + A R R1 R2 1 1 1 = + R R2 R1 pág. 13 2º PCPI Electricidad La inversa de la resistencia equivalente es igual a la suma de las inversas de las resistencias asociadas en paralelo. En estas expresiones se pone de manifiesto que si las resistencias están asociadas: - en serie: aumenta la resistencia del circuito. - en paralelo: disminuye la resistencia del circuito. A.36. Conectamos a una batería de 12 V de f.e.m. tres resistencias de 5 en serie y en paralelo. Calcula en cada caso la resistencia equivalente, la intensidad de corriente que circula por el circuito y por cada una de ellas. A.37. a) Haz un esquema del circuito formado por dos bombillas conectadas en serie y en paralelo a una pila e indica en qué caso brillarán más. b) ¿Qué ocurriría si se funde una de las bombillas?. c) De acuerdo con lo anterior ¿cómo deben conectarse las bombillas y los aparatos electrodomésticos en la instalación de una casa?. Explica la respuesta. A.38. Calcula la resistencia equivalente, la intensidad del circuito y la intensidad de cada resistencia en el circuito: 10 5 10 20 V A.39. En el circuito de la figura el amperímetro marca 2 A. a) Calcula el valor de la resistencia de la bombilla B3. b) ¿Qué marcará el voltímetro?. 20 V B1 5 B2 5 B3 A.40. ¿Qué ocurrirá con el voltaje de una asociación de generadores (pilas) en serie, en paralelo y en oposición?. pág. 14 2º PCPI Electricidad PRÁCTICAS DE LABORATORIO Nº 1 . LEY DE OHM Material necesario: - Panel reticular. - Fuente de alimentación. - Miliamperímetro (polímetro). - Voltímetro (polímetro). - Cables de conexión. - 1 Resistencia de 100 - 1 Resistencia de 68 . Procedimiento: - Monta el circuito adjunto con la resistencia de 100 . - Conecta la fuente de alimentación y aplica 5 voltajes diferentes. Mide la tensión y la intensidad en cada caso. - Construye una tabla con los valores del voltaje, la intensidad y el cociente V/I. - Representa gráficamente la intensidad en función del voltaje. Cuestiones: - ¿ Es constante el cociente V/I ?. ¿Con qué valor coinciden?. ¿Qué forma tiene la gráfica V/I ?. ¿Se cumple la ley de Ohm?. Nº 2. ASOCIACIÓN DE RESISTENCIAS Procedimiento: - Realiza el montaje adjunto conectando las dos resistencias en serie y aplica un voltaje determinado a la fuente de alimentación. - Mide la intensidad y el voltaje. Repite lo mismo pero conectando las dos resistencias en paralelo. Cuestiones: - Calcula el valor de la resistencia equivalente en cada caso aplicando la ley de Ohm al circuito. - ¿ Se cumple que R = R1 + R2 cuando las resistencias están conectadas en serie?. - ¿ Se cumple que 1/R = 1/R1 + 1/R2 cuando están conectadas en paralelo?. pág. 15 2º PCPI Electricidad 7.- ENERGÍA Y POTENCIA ELÉCTRICA En un circuito eléctrico, el generador transforma distintos tipos de energía (química, mecánica, solar..) en energía eléctrica, que se emplea para transportar las cargas eléctricas (electrones) de un punto a otro. La energía que el generador proporciona a la unidad de carga es la f.e.m. y es igual a la d.d.p. existente entre los bornes (polos) del mismo. Por tanto la energía suministrada a una carga Q, es: E = Q (VA – VB) Esta energía es la que transporta la corriente eléctrica y se puede transformar en otros tipos de energía en los receptores del circuito ( bombillas, motores, etc.). Como I = Q t Q=I.t y sustituyendo en la anterior expresión, resulta que : siendo E = energía consumida en el receptor (julios) I = intensidad de la corriente (A) t = tiempo que circula la corriente (s) VA - VB = d.d.p. entre los bornes del receptor (V) E = I . t . (VA - VB) Por tanto, resulta evidente que una bombilla consume más energía si está encendida 4 horas que si sólo lo está 5 minutos. Ahora bien, hay aparatos que consumen más energía que otros estando conectados el mismo tiempo, por eso se introduce una magnitud llamada potencia eléctrica. La potencia eléctrica de un aparato eléctrico es la energía consumida por él en la unidad de tiempo. P= E t La unidad en el S.I. es el vatio ( W ) 1W= 1J 1s y se define como la potencia de un aparato que consume 1 Julio cada segundo. Otras unidades de potencia utilizadas son el caballo de vapor (CV) y el kilovatio(Kw). 1 CV = 735 W , 1 kW = 1000 W La potencia también se puede calcular: P = I . t . (VA VB ) E = t t P = I . (VA – VB) pág. 16 2º PCPI Electricidad La potencia total en una instalación es la suma de la potencia de todos los aparatos que funcionan a la vez. A.41. En las bombillas aparecen inscripciones como ésta: 220 V-60 W. ¿Cuál es su significado?. A.42. Calcula la energía consumida por una pila de 4,5 V para trasladar una carga de 5 C entre sus polos. A.43. Se conecta una lavadora a una tensión de 220 V durante 15 minutos. Si la corriente que circula por ella es de 8 A, ¿qué cantidad de energía ha consumido?, ¿cuál es la potencia?. A.44. ¿Qué motor gastará más gasolina, uno que tenga una potencia de 4 CV u otro que tenga una potencia de 500 W si ambos han estado funcionando 30 minutos? A.45. Calcula la potencia de un tostador de pan cuya resistencia vale 30 , si la intensidad de la corriente que circula por él es de 4,5 A. A.46. Calcula la energía que consume un ventilador eléctrico de 60 W que está funcionando durante 2 horas. A.47. ¿Puede consumir más energía una bombilla de 40 W que una lavadora de 2000 W ?. A.48. Si conectas a la misma tensión varias bombillas de distinta potencia, ¿cuál alumbrará más?. ¿Por qué?. Conocida la potencia de un aparato se puede calcular la energía consumida: y se suele expresar en kilovatios-hora (kw.h): 1 kw.h = 1 kw h E= P.t y se define como la energía consumida por un aparato de 1000 W de potencia que funciona durante 1 hora. A.49. ¿Cuántos julios son 1 kW.h?. A.50. Una lámpara cuya intensidad es de 0,5 A está conectada a 220 V de tensión. Calcula: a) la potencia eléctrica , b) la energía consumida si ha estado encendida durante 5 horas, c) el coste de la energía consumida si el kw.h se paga a 16 ptas. A.51. Una plancha eléctrica de 1200 W está conectada a 220 V. Si su resistencia vale 40 calcula: a) la intensidad de corriente que circula por ella , b) la energía consumida en 1 hora , c) el coste del funcionamiento en ese tiempo si el precio del kW.h es de 16 ptas. A.52. ¿Cuánto cuesta tener conectados a la vez durante una hora, un T.V. (100 W), un radiador eléctrico (700 W) y un frigorífico (200 W), si el precio del kW.h es de 16 ptas?. pág. 17 2º PCPI Electricidad 8.- EFECTOS DE LA CORRIENTE ELÉCTRICA 8.1. Efecto Joule Cuando circula la corriente eléctrica por un conductor metálico, se origina un aumento de la temperatura del mismo debido al choque de los electrones entre sí y de éstos con los cationes. Este aumento de temperatura supone un aumento de la energía interna del conductor a costa de la disminución de la energía eléctrica de las cargas eléctricas (electrones). A la transformación de energía eléctrica en energía interna de los elementos del circuito se llama efecto Joule. Como consecuencia de la diferencia de temperatura entre el conductor y el medio exterior, se produce la transferencia de energía en forma de calor desde el conductor al medio que lo rodea. Por eso, todos los aparatos después de funcionar algún tiempo se calientan, mientras que otros ( estufas, hornillos, planchas, etc.) están diseñados para elevar mucho la temperatura y por tanto poder transferir mucho calor. Estos aparatos llevan un arrollamiento de hilo de una sustancia poco conductora (nicrom, constantán). El calor que puede ceder un conductor coincide con la energía que transporta la corriente: E = Q = I . t . (VA - VB) y como V A - VB = I . R , se deduce: Q = I2 . R . t A.53. Una estufa eléctrica tiene una resistencia de 40 y se conecta durante media hora a una tensión de 220 V. Calcula: a) la intensidad de corriente , b) la potencia de la estufa , c) la energía que ha desprendido en forma de calor, expresado en calorías (1 cal = 4,18 J ). A.54. Queremos construir un termo eléctrico capaz de calentar un litro de agua desde 15ºC hasta 80ºC en 4 minutos, para lo cuál le tiene que ceder al agua 65.000 calorías. ¿Qué resistencia debe tener el termo, si se va a conectar a una tensión de 220 V ?. A.55. Un fusible es un conductor de características definidas, tal que al pasar por él una corriente de intensidad superior a cierto valor (que figura escrita en el fusible), se quema debido a la alta temperatura que alcanza, interrumpiendo el paso de la corriente y evitando así un posible incendio en la instalación. Si ponemos un fusible de 2 A junto a un enchufe de 220 V. ¿Cuál es la máxima potencia que debe tener un aparato conectado a ese enchufe? 8.2. Efecto químico De acuerdo con su comportamiento ante la corriente eléctrica las sustancias se pueden clasificar en: Metales: conducen la corriente eléctrica en estado sólido. Ejemplos. el cobre, la plata, etc. Electrólitos: no conducen la corriente eléctrica en estado sólido pero sí lo hacen cuando están fundidos o disueltos. Ejemplos: el cloruro de sodio (sal común), el sulfato de cobre... No electrólitos: no conducen la corriente eléctrica en ninguna circunstancia. Ejemplos: el alcohol, el azúcar, el azufre, etc. pág. 18 2º PCPI Electricidad La conducción en los electrólitos es diferente a la conducción en los metales. Los electrólitos son sustancias formadas por iones (cationes y aniones) que ocupan posiciones fijas, sin embargo, al disolverlos en agua o fundirlos, escapan de esas posiciones y tienen libertad de movimiento, por lo que al conectar la disolución a un generador de corriente continua (pila), los iones son atraídos por los polos de signo contrario, produciéndose en los mismos ciertos cambios químicos. Se llama electrólisis al proceso que ocurre en la disolución de un electrólito cuando pasa la corriente eléctrica: Ejemplo: Electrólisis del NaCl fundido Electrodo + : 2 Cl - Cl2 (g) + 2e- Electrodo - : 2 Na + + 2 e- 2 Na(s) + _ Cl Na + La electrólisis tiene múltiples aplicaciones prácticas como el revestimiento de objetos metálicos con finas capas de otro metal, lo que se conoce como dorado, plateado, niquelado, cromado, etc. Para esto se coloca como electrodo unido al polo negativo, el objeto que queremos recubrir y se introduce en una disolución que contenga el elemento del que queremos recubrir el objeto. Así, si queremos platear un objeto de hierro, unimos dicho objeto al polo negativo de la pila y lo introducimos en una disolución de nitrato de plata, observándose como al paso de la corriente se va recubriendo de plata. A.56. Observa las experiencias realizadas por tu profesor y completa la tabla: Sustancia ¿Conduce pura? ¿Conduce disuelta? Cambios observados en la disolución Agua Sal común (Cloruro de sodio) Azúcar (sacarosa) Cloruro de cobre pág. 19 2º PCPI Electricidad 8.3. Efecto magnético La corriente eléctrica se comporta como un imán. Esto se puede comprobar con la experiencia de Oersted: Colocamos encima de una brújula (un imán móvil), un hilo conductor orientado en la dirección norte-sur; al hacer circular la corriente eléctrica por el hilo, se observa que la aguja cambia de dirección y se pone perpendicular a la dirección de la corriente. Al abrir el circuito, deja de pasar la corriente y la aguja vuelve a su posición inicial. Al cambiar el sentido de la corriente (se invierte la polaridad de la pila), la aguja se orienta de manera idéntica pero sus polos apuntan en sentido contrario que antes. N N S S S N El efecto magnético de la corriente eléctrica puede aumentarse si el hilo conductor se va arrollando de forma que las espiras queden próximas unas de otras, lo que se conoce con el nombre de bobina o solenoide. Si en el interior de la bobina se introduce una barra de hierro dulce, el efecto magnético es todavía mayor, debido a que el hierro dulce se imanta y su efecto se suma al de la bobina. Este dispositivo se llama electroimán y su efecto es mayor cuando mayor sea el número de espiras de la bobina y la intensidad de corriente. Los electroimanes tienen numerosas aplicaciones prácticas, se emplean en la fabricación de motores, grúas magnéticas, timbres eléctricos, amperímetros, voltímetros, telégrafos, interruptores automáticos de corriente eléctrica, etc. Veamos el funcionamiento del timbre eléctrico: Al pulsar el interruptor el circuito se cierra y el electroimán atrae a la barra que tiene una bola en el extremo y ésta al moverse choca con la campana produciendo un sonido; pero al moverse abre el circuito por lo que el electroimán deja de funcionar y ya no atrae al percutor. Éste vuelve a su posición y se vuelve a cerrar el circuito, con lo que el electroimán se pone de nuevo en funcionamiento. pág. 20 2º PCPI Electricidad Generación de corriente eléctrica: corrientes inducidas Hemos visto que la corriente eléctrica produce efectos magnéticos. En 1.831, Faraday pensó que también se podía conseguir el efecto contrario, es decir, producir una corriente eléctrica mediante un imán. Estas corrientes se llaman corrientes inducidas. a) c) b) d) a) Al introducir un imán por su polo norte en el interior de una bobina, se origina una corriente eléctrica inducida y el amperímetro lo indica (la aguja se desvía) y la intensidad de la corriente es tanto mayor cuando más rápido sea el movimiento. b) Si el imán se mantiene quieto en el interior de la bobina, no se aprecia corriente alguna y la aguja del amperímetro no marca nada. c) Al retirar el imán del interior de la bobina, aparece una corriente eléctrica inducida pero de sentido contrario a la que se creó al introducir el imán. d) Si el imán está en reposo fuera de la bobina, el amperímetro no indica paso de la corriente. Se llama inducción electromagnética al fenómeno por el que un campo magnético variable origina una corriente eléctrica inducida. La corriente eléctrica inducida también se consigue si el imán está fijo y se mueve la bobina, o se mueven los dos a la vez, ya que esto supone que éstos se alejen o se acerquen. Este es el fundamento de los generadores electromagnéticos de corriente eléctrica: alternadores (corriente alterna) y dinamos (corriente continua). pág. 21 2º PCPI Electricidad LECTURAS DINAMO: Al hacer girar la bobina en las proximidades de un imán, se observa que se enciende la bombilla; por tanto se ha creado una corriente eléctrica. MOTOR ELÉCTRICO: Si a la bobina del anterior dispositivo se le suministra corriente eléctrica, se comporta como un imán, tratará de orientarse respecto al imán inmóvil y girará, es decir actuará como un motor. Tiene dos partes: la que gira, llamada rotor y la que está inmóvil, llamada estator. En el estator podemos distinguir tres partes: - Los bobinados, que funcionan como electroimanes, aunque pueden ser sustituidos por un imán permanente. Las escobillas, que sirven para dar corriente al rotor. El soporte, que da consistencia y rigidez al motor. El rotor tiene los siguientes elementos: - - - El eje, que permite el giro del rotor. Los bobinados, que al circular corriente eléctrica se comportan como imanes. El colector, lugar en el que rozan las escobillas y que permite el paso a los bobinados del rotor. Se compone de varias piezas iguales llamadas delgas. Los motores eléctricos tienen una serie de ventajas. Para una potencia igual tienen dimensiones más pequeñas que los motores térmicos. Durante su funcionamiento no desprenden gases y no contaminan el aire. El rendimiento es muy alto, alcanza el 98%, lo que no se consigue con ningún otro motor. pág. 22 2º PCPI Electricidad ALTERNADORES: Toda la electricidad que nosotros utilizamos se produce en las llamadas centrales eléctricas, su funcionamiento es el mismo que el de una dinamo. La diferencia entre los distintos tipos de centrales eléctricas estriba en la forma de conseguir el movimiento en el rotor de la dinamo. En las centrales hidráulicas se usa la energía potencial del agua, en las centrales térmicas se usa el carbón o el gasóleo y en las centrales nucleares se usa el uranio PILA SECA Y BATERIAS La pila seca está formada por un recipiente metálico de cinc que hace de polo negativo y que se utiliza a la vez como recipiente de los productos químicos: cloruro de cinc ZnCl2 y cloruro de amonio NH4Cl. El polo positivo es una varilla cilíndrica de carbón. Las reacciones químicas que se producen dan lugar a una corriente de electrones que es la corriente eléctrica. Las baterías constan de varias pilas conectadas en serie. Éstas están formadas por placas de plomo y de dióxido de plomo PbO2, entre las que hay una disolución de ácido sulfúrico, H2SO4. Estos reactivos se van gastando, pero se pueden regenerar haciendo pasar por la batería una corriente continua. pág. 23
