Tema 5. La electricidad. - IES Clara Campoamor, La Solana
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LA ELECTRICIDAD. 2º ESO.! ! 1. LA ENERGÍA ELÉCTRICA! ! ! ! Una gran parte de las actividades que realizamos en nuestra vida cotidiana dependen de la electricidad. Gracias a ella funcionan muchos de los aparatos que utilizamos habitualmente y tenemos iluminación en nuestros hogares. A continuación, vamos a conocer más datos sobre la energía eléctrica. ! ! ! ! Gracias a la electricidad, podemos encender la luz cuando se hace de noche y utilizar electrodomésticos que nos facilitan las tareas cotidianas. ! ! ! La electricidad es una de las formas de la energía más empleadas en la actualidad. De hecho, usamos otros tipos de energía para transformarla en energía eléctrica, ya que es muy fácil de transportar y transformar en otros tipos de energía útiles. ! La electricidad es una forma de energía que se manifiesta en la naturaleza. Por ejemplo, los rayos que observamos durante las tormentas se generan debido a la diferencia de cargas eléctricas entre las nubes y la superficie terrestre. La información que llega al cerebro viaja en forma de impulsos eléctricos a través de las neuronas. Pero la electricidad que usamos habitualmente es la generada en las centrales eléctricas, que llega a nuestros hogares a través de la red eléctrica. Además, podemos obtener energía eléctrica de las pilas y las baterías. ! El filósofo griego Tales de Mileto fue el primero que descubrió la existencia de la electricidad, en el siglo VI a.C. Infórmate de quiénes han sido los científicos que a lo largo de los siglos se dedicaron al estudio de la electricidad, en esta cronología de la Universidad de Sonora, México [ver]. ! ! ! ! ! 1 ! ! ! Los rayos son una manifestación de la energía eléctrica en la naturaleza. ! ! ! ! Profundiza. La electricidad. Imágenes.! ! Electricidad Su nombre proviene de “electrón” y es una de las fuentes de energía más importantes de nuestra sociedad. Se produce por el fenómeno físico de las cargas eléctricas. Átomo Elemento indivisible que forma la materia. Los átomos están formados por: - Partículas con carga eléctrica positiva (protones). - Partículas con carga eléctrica negativa (electrones). - Partículas con carga eléctrica neutra (neutrones). Electrón Es la partícula más ligera del átomo y contiene la mínima carga posible de electricidad negativa. Carga eléctrica En principio, un cuerpo es neutro desde el punto de vista eléctrico porque sus átomos tienen el mismo número de electrones que de protones. Por lo tanto, tiene una carga eléctrica nula. Sin embargo, si esos átomos pierden o ganan electrones el cuerpo adquiere una carga eléctrica que puede ser positiva o negativa: - Carga eléctrica positiva: si se pierden electrones. - Carga eléctrica negativa: si se ganan electrones. Las partículas con cargas diferentes se atraen y las partículas con la misma carga se repelen. Generador Máquina o dispositivo capaz de transformar la energía mecánica en energía eléctrica. Esto se consigue gracias a los campos magnéticos que crea una corriente eléctrica incesante. Pila Aparato que convierte la energía química en energía eléctrica. También llamadas células galvánicas o electroquímicas, y pilas voltaicas o eléctricas, son generadores de corriente eléctrica que producen una fuerza electromotriz continua por acción de una reacción química. Dicha fuerza 2 decrece a medida que la pila se consume. La intensidad de corriente que circula se mide con un amperímetro. Material conductor Material que transmite bien la electricidad. El ejemplo más común son los metales o el cuerpo humano. Material aislante Material que transmite mal la electricidad, como la madera o el plástico. Se utilizan para aislar la electricidad del medio exterior. ! Profundiza. Historia de la electricidad. Interactivo. Benjamin Franklin (Boston, Estados Unidos, 17 de enero de 1706-Filadelfia, Estados Unidos, 17 de abril de 1790) Político, científico e inventor estadounidense que en 1752 llevó a cabo en Filadelfia su famoso experimento con la cometa, gracias al cual construyó su invento más famoso, el pararrayos. Pararrayos Estructura metálica compuesta por una barra metálica que se instala en el punto más alto de las construcciones y se conecta a un dispersor de tierra mediante hilos conductores de cobre. Su objetivo es atraer los rayos y preservar con ello a las construcciones de sus descargas eléctricas. Nikola Tesla (Smiljan, Croacia, 10 de julio de 1856-Nueva York, Estados Unidos, 7 de enero de 1943) Inventor e ingeniero mecánico y eléctrico conocido por sus revolucionarias invenciones en el campo del electromagnetismo. Las patentes de Tesla y su trabajo teórico formaron las bases de los sistemas modernos de potencia eléctrica por corriente alterna. Radio Aparato que envía señales de audio (voz, música, etc.) a través de ondas electromagnéticas que son emitidas por una emisora de radio. Thomas Alva Edison (Milan, Ohio, Estados Unidos, 11 de febrero de 1847-West Orange, Nueva Jersey, Estados Unidos, 18 de octubre de 1931) Inventor estadounidense que patentó más de mil inventos. Aunque no descubrió la bombilla, fue quien consiguió un filamento que alcanzara la incandescencia sin fundirse. Más tarde, patentó y comercializó la bombilla. Michael Faraday (Londres, Reino Unido, 22 de septiembre de 1791-Londres, Reino Unido, 25 de agosto de 1867) Físico y químico británico miembro de la Royal Society, conocido sobre todo por su descubrimiento de la inducción electromagnética, que ha permitido la 3 construcción de generadores y motores eléctricos. La unidad de capacidad eléctrica del Sistema Internacional de Unidades se llama faradio en su honor. Generador eléctrico Máquina eléctrica que transforma energía mecánica en energía eléctrica utilizando la inducción electromagnética, es decir, la acción del campo magnético. Samuel Morse (Boston, Estados Unidos, 27 de abril de 1791-Nueva York, Estados Unidos, 2 de abril de 1872) Inventor y pintor estadounidense que inventó el telégrafo en 1832. Años más tarde desarrollo el código Morse. Telégrafo Dispositivo que permite intercambiar mensajes mediante la transmisión de ondas electromagnéticas de sonidos basados en un código homónimo. Código Morse Medio de comunicación basado en un alfabeto alfanumérico compuesto de puntos y rayas que se traducen en sonidos largos y cortos. Alexander Graham Bell (Edimburgo, Reino Unido, 3 de marzo de 1847-Baddeck, Canadá, 2 de agosto de 1922) Científico, inventor y logopeda británico que contribuyó al desarrollo de las telecomunicaciones y la tecnología de la aviación. Aunque el teléfono fue ideado por Antonio Meucci, Alexander Graham Bell consiguió la patente en 1876. A partir de esa fecha, se ha ido perfeccionando el aparato hasta llegar a los actuales móviles. Teléfono Dispositivo eléctrico de telecomunicación que permite mantener conversaciones a distancia gracias a la transmisión de ondas electromagnéticas. ! Consulta la vida e inventos de Benjamin Franklin [ver], Nikola Tesla [ver],Thomas Alva Edison [ver], Michael Faraday [ver], Samuel Morse [ver] y Alexander Graham Bell [ver] en la página web de la Gran Enciclopedia Planeta. ! ACTIVIDAD 1! ! ! ! 4 ACTIVIDAD 2! ACTIVIDAD 3! ! ACTIVIDAD 4! ! 2. LAS CARGAS ELÉCTRICAS.! ! Los fenómenos eléctricos se deben a la naturaleza de la materia, es decir, a las características de los átomos que la constituyen. En general, los materiales son neutros, ya que sus átomos tienen el mismo número de cargas positivas (protones) que negativas (electrones). ! Recuerda Los átomos están constituidos por tres partículas fundamentales: protón, electrón y neutrón. El protón tiene carga eléctrica positiva, y el electrón, negativa. El neutrón no tiene carga eléctrica. Los protones y neutrones se hallan en el núcleo y los electrones giran alrededor de este. ! ! ! ! Observa el núcleo atómico, donde se encuentran los protones y los neutrones, y la nube de electrones que rodea al núcleo. ! ! ! 5 ! Si nos peinamos en un día seco, el cabello se separa y es atraído por el peine. Cuando los materiales se comportan así, decimos que se han cargado eléctricamente. Este fenómeno se debe a la aparición de cargas eléctricas y se conoce como electricidad estática. ! La carga eléctrica es una propiedad de la materia que hace que dos cuerpos se atraigan o se rechacen entre sí. En el Sistema Internacional de Unidades (SI), la unidad de carga eléctrica es el culombio (C). ! Los cuerpos adquieren carga eléctrica porque los átomos que los componen se cargan eléctricamente. En algunos materiales, los electrones más alejados del núcleo se hallan débilmente atraídos por los protones y pueden saltar de un átomo a otro. El átomo que pierde electrones adquiere carga eléctrica positiva (+) y el que los recibe, al tener un exceso de electrones, tiene carga eléctrica negativa (–). Por lo tanto, para adquirir carga eléctrica, los átomos tienen que ganar o perder electrones. Estas cargas interaccionan entre sí: las del mismo signo se repelen y las de signo contrario se atraen. ! ACTIVIDAD 5 ACTIVIDAD 6 ACTIVIDAD 7 ! ! ! ! ! ! 6 ! ! ! 3. LA CORRIENTE ELÉCTRICA.! ! Los electrones de los átomos que componen la materia se pueden mover de un átomo a otro. Cuando este movimiento se produce de manera ordenada, se forma un flujo de corriente que se conoce con el nombre de corriente eléctrica. ! La corriente eléctrica es, por lo tanto, la transmisión de electrones a través de un material debido a una diferencia de cargas entre un punto y el otro, llamada diferencia de potencial eléctrico. ! Por ejemplo, si entre los dos extremos de un cable existe una diferencia de potencial eléctrico, es decir, una diferencia de cantidad de carga entre uno y otro punto, se produce un movimiento de cargas eléctricas que genera una corriente eléctrica. Un generador de corriente eléctrica, como una pila o una batería, por ejemplo, proporciona la diferencia de potencial necesaria para hacer mover las cargas eléctricas. ! La diferencia de potencial y la intensidad de corriente La diferencia de potencial eléctrico se conoce también con el nombre de voltaje. Su unidad en el SI es el voltio (V). Por otro lado, la intensidad de corriente es el número de cargas que circula por unidad de tiempo. Su unidad en el SI es el amperio (A). Cuanto mayor sea el número de cargas que pasan por un cable cada segundo, mayor será la intensidad de la corriente. ! 3.1. Los tipos de corriente eléctrica.! Los electrones circulan por los materiales desde el punto de mayor potencial al punto de menor potencial. En una corriente eléctrica, si los electrones se desplazan siempre en un mismo sentido decimos que se trata de una corriente continua. Este tipo de corriente es la producida por las pilas y las baterías. ! Los electrones salen del polo negativo de la pila, o de cualquier generador de corriente continua, y tras recorrer el cable vuelven a entrar por el polo positivo. Este recorrido se denomina sentido real de la corriente. Antiguamente se creía que las partículas que se movían eran positivas y 7 que lo hacían desde el polo positivo al negativo. Aunque hoy se sabe que no es así, esta convención se sigue manteniendo y se conoce como sentido convencional de la corriente. En el siguiente enlace encontrarás un experimento sencillo para hacer una curiosa pila con limones [ver]. ! https://www.youtube.com/watch?v=XtHt00AN0pU ! Recuerda Una pila y una batería tienen un polo positivo (+) en uno de sus extremos y un polo negativo (–) en el otro. La diferencia de potencial entre estos dos polos genera una corriente eléctrica. ! La corriente alterna es la producida por los generadores de corriente alterna, o alternadores, y se caracteriza porque la circulación de los electrones cambia de sentido constantemente. Fue descubierta por Nikola Tesla y sustituyó a la corriente continua en las instalaciones que suministran corriente eléctrica a gran escala. Es el tipo de corriente que se usa en nuestros hogares. Esquema de un alternador simple en que se usa el magnetismo para generar corriente alterna. La espira de la bobina gira dentro del campo magnético formado por los imanes. ! ! 8 Recuerda Los campos magnéticos pueden producir electricidad. Si movemos un imán cerca de un cable conductor, observaremos que se genera una débil corriente eléctrica. Los generadores electromagnéticos de corriente alterna, o alternadores, funcionan gracias a esta propiedad: cuando una bobina (cable de cobre enrollado) se mueve dentro del campo magnético de un imán, se produce una corriente eléctrica en el alambre. ! Profundiza. La corriente eléctrica. Interactivo. Generador Dispositivo que suministra electricidad a partir de la transformación de la energía mecánica en energía eléctrica. Pila Dispositivo que convierte la energía producida por una reacción química en energía eléctrica. La potencia de la electricidad que proporciona disminuye a medida que se consume el electrolito del interior de la pila. Carga eléctrica Exceso o pérdida de electrones en la composición subatómica de un cuerpo: - Pérdida de electrones: carga eléctrica positiva. - Exceso de electrones: carga eléctrica negativa. Los cuerpos cuyas cargas eléctricas son diferentes se atraen y los que tienen la carga eléctrica del mismo signo se repelen. Corriente eléctrica Cantidad de carga eléctrica que pasa por un punto en un tiempo determinado. La corriente eléctrica se dirige del polo positivo al negativo. Los electrones, por el contrario, se dirigen del polo negativo al positivo. Hay dos tipos de corriente eléctrica, la continua y la alterna. Corriente continua La corriente continua es el tipo de corriente eléctrica en el que las cargas eléctricas circulan siempre en la misma dirección. Los polos positivo y negativo crean la corriente siempre en el mismo sentido. La abreviación de este tipo de corriente es CC en español y DC en inglés. Corriente alterna Tipo de corriente eléctrica en que las cargas eléctricas pueden cambiar o alternar su sentido de desplazamiento porque pueden cambiar los polos que crean la corriente. Se abrevia CA en español y AC en inglés. Descubierta por Nikola Tesla, pronto sustituyó a la corriente continua para suministrar corriente eléctrica a gran escala. Material conductor Todo aquel material que permite que la electricidad fluya a través de él, como la mayor parte de metales, los animales o el cuerpo humano. ! 9 Material aislante Todo material que no permite que la electricidad fluya a través de él, como la madera o el plástico. Amplía la información sobre la corriente eléctrica en la página web de la Gran Enciclopedia Planeta [ver]. ! 3.2. Los conductores y los aislantes eléctricos.! Hay materiales que permiten una mejor circulación de los electrones que otros; de acuerdo a ello, los clasificamos en materiales conductores y aislantes. ! Los materiales conductores son aquellos que facilitan la circulación de los electrones, es decir, que oponen poca resistencia a su paso. Se usan para conducir la electricidad de un punto a otro. Los metales son muy buenos conductores eléctricos aunque no todos lo hacen con igual eficacia. ! La propiedad que mide la facilidad con que un material conduce la corriente eléctrica, se llama conductividad eléctrica. Hay cuatro metales que destacan por su gran conductividad: la plata, el oro, el cobre y el aluminio. Los dos primeros son caros y se reservan para aplicaciones especiales; el cobre y el aluminio son los más empleados. Por ejemplo, en el tendido eléctrico aéreo, el peso de los cables es un factor importante. En este caso, se usa el aluminio, ya que es tres veces más liviano que el cobre, aunque su conductividad es menor. En cambio, para los cables subterráneos o los de las instalaciones domiciliarias, el cobre es el más adecuado. ! Los aislantes eléctricos son malos conductores, porque los electrones están muy ligados a los átomos y, por lo tanto, no pueden circular con facilidad. El vidrio, el plástico o la madera son buenos aislantes. Por ejemplo, los cables eléctricos tienen una cubierta de plástico que los aísla y evita fugas de corriente. ! En el siguiente enlace de la página web de Edenor, encontrarás un experimento sencillo para comprobar qué materiales son mejores conductores o aislantes de la electricidad [ver]. ! ! ! ! ! ! ! ! 10 ! ACTIVIDAD 8 ! ACTIVIDAD 9 ACTIVIDAD 10 ACTIVIDAD 11 ! ! ! 11 ! ACTIVIDAD 12 ACTIVIDAD 13 4. LOS CIRCUITOS ELÉCTRICOS.! ! Cuando enchufamos un aparato eléctrico, circula corriente por él porque lo incorporamos al circuito eléctrico (o instalación eléctrica) de nuestra casa. La finalidad de un circuito eléctrico es hacer que la corriente circule para que la energía eléctrica se transforme en otro tipo de energía útil, por ejemplo, iluminar una bombilla, mover un motor, etc. Un circuito eléctrico básico está compuesto por un conjunto de elementos como, por ejemplo, generadores, receptores, cables y elementos de control o interruptores: -El generador proporciona la diferencia de potencial necesaria a las cargas para que se muevan. Por ejemplo, una pila proporciona 1,5 V, y la red eléctrica doméstica, 220 V. -El cable conductor sirve de unión entre el generador y los distintos elementos del circuito permitiendo que circule la corriente entre ellos. Está formado por un material conductor recubierto por una capa de material aislante. -Los receptores reciben la energía eléctrica que proviene del generador y la transforman en otro tipo de energía útil: luminosa (bombilla, LED, etc.), química (carga de una batería), calorífica (resistencia eléctrica, estufa, secador, etc.) o mecánica (motor eléctrico de un ventilador, exprimidor, etc.). Los receptores reciben el nombre genérico de resistencias porque son elementos que se oponen al paso de la corriente eléctrica. 12 -El interruptor es un elemento de control que permite el paso de la corriente, cuando está cerrado, o la interrumpe, cuando está abierto. ! ! ! ! Observa que cada elemento de un circuito eléctrico tiene un símbolo que lo representa. De esta forma resulta más fácil dibujar el circuito. ! ! ! ! ! Fíjate cómo circulan los electrones en un circuito en esta animación del Ministerio de Educación, Cultura y Deporte [ver]. http://ntic.educacion.es/w3//recursos/fp/electricidad/ud1/inicio_elect_1.html ! ! Además, observa cómo es un circuito sencillo, como el de una linterna, en esta otra animación del Proyecto Newton [ver]. ! http://newton.cnice.mec.es/materiales_didacticos/electricidad3E/circuito.htm ! La resistencia eléctrica La resistencia eléctrica es una propiedad de los materiales que mide su oposición al paso de la corriente. La unidad de medida en el SI es el ohmio (Ω). ! En un circuito eléctrico, las resistencias se pueden conectar en serie, es decir, una al lado de la otra en una única rama, o en paralelo, o sea, en dos ramas distintas. La corriente que atraviesa dos o más resistencias conectadas en serie es la misma para todas ellas. En cambio, la que pasa por dos resistencias conectadas en paralelo es diferente en cada rama. Amplía la información sobre los circuitos en serie y en paralelo en este enlace [ver]. http://www.wikisaber.es/Contenidos/LObjects/series_parallel/index.html 13 ! Responde, también, las preguntas sobre los circuitos eléctricos que encontrarás en este otro enlace [ver]. ! http://www.telecable.es/personales/rosanaag1/ELECTRICIDAD/ROSANA/ ELECTRICIDAD/1.htm ! Esquemas de un circuito en serie (arriba) y de un circuito en paralelo (abajo). La corriente que circula por las bombillas en el circuito en serie es la misma para todas. Si una se quema, el circuito queda abierto y dejan de funcionar las demás. En un circuito en paralelo, por cada rama o bifurcación puede circular una intensidad de corriente distinta, dependiendo de la potencia de las bombillas. Si una de las bombillas se quema, las demás siguen funcionando porque la corriente no se interrumpe. ! Profundiza. Los circuitos de corriente continua. ! Resistencia Indica la dificultad que encuentra la corriente eléctrica para desplazarse por un circuito. Se mide en ohmios (Ω). Voltaje o diferencia de potencial Se denomina así al trabajo necesario para transportar la unidad de carga eléctrica de un punto a otro. Se mide en voltios (V). Intensidad Cantidad de carga que atraviesa un punto del circuito por unidad de tiempo. Se mide en amperios (A). Potencia Es la energía que consume un aparato eléctrico conectado al circuito por unidad de tiempo. Se mide en vatios (W). Resistencia También denominado resistor, es un elemento pasivo del circuito eléctrico. En él se disipa la energía eléctrica en forma de energía térmica. La diferencia de potencial entre sus extremos depende del valor de su resistencia, R, y de la intensidad de la corriente que lo recorre, de acuerdo con la ley de Ohm: V = I · R. 14 Motor eléctrico Dispositivo que transforma energía eléctrica en energía mecánica. Tiene cierta resistencia interna, R. La cantidad de energía que transforma en energía mecánica es el potencial eléctrico o fuerza electromotriz, E, que se mide en voltios (V). Generador El generador transforma energía de cualquier tipo en energía potencial eléctrica. Está constituido por elementos conductores y presenta cierta resistencia interna, R. La energía que produce recibe el nombre de potencial eléctrico, voltaje o fuerza electromotriz, E, y se mide en voltios (V). ! Profundiza. La pila eléctrica. ! Pila Dispositivo que convierte la energía química de su interior en energía eléctrica. Transmite la energía a través de los dos polos, electrodos o bornes de la pila. En su interior contiene el electrolito, que cede los electrones para generar la electricidad. Es un generador eléctrico primario porque produce energía sin haberla cargado previamente. Batería Dispositivo que almacena energía eléctrica en forma de energía química. Cuando se utiliza, vuelve a transformar la energía química en energía eléctrica. El ciclo se puede repetir tantas veces como se quiera aunque su eficacia va disminuyendo con el tiempo. Es un generador eléctrico secundario porque no puede producir energía eléctrica si no se ha cargado de la misma previamente. Se utiliza, por ejemplo, en los automóviles. Electrolito Sustancias y materiales que se encuentran en el interior de las pilas y baterías. Estos electrolitos generan una reacción química con el electrodo (metal de la pila o de la batería) que produce electrones. Estos electrones son cedidos al circuito eléctrico para crear una corriente eléctrica. El electrolito es sólido en las pilas secas y líquido en las pilas húmedas. Electrodo Se denomina así a la parte metálica de las pilas y baterías que hacen contacto con el circuito. Hay dos tipos de electrodo: - Polo positivo o cátodo. - Polo negativo o ánodo. Pila seca o salina Es la pila más conocida y recibe también el nombre de su inventor, Georges Leclanché (1866). Desarrolla una energía eléctrica de hasta 1,5 voltios. Pila alcalina Proporcionan una energía eléctrica de hasta 1,2 voltios, pero duran entre dos y cinco veces más que las pilas salinas. 15 Pilas secundarias o acumuladores (pilas recargables) Cuando el voltaje de este tipo de pilas o baterías disminuye se puede recargar haciendo pasar una corriente eléctrica en dirección opuesta, para invertir las reacciones y recargar el acumulador. Potencial eléctrico Trabajo que necesita realizar una fuerza eléctrica para mover una carga eléctrica. Diferencia de potencial Se denomina así a la diferencia de potencial eléctrico que existe ente el polo positivo y el polo negativo de la pila o batería. Esta diferencia de potencial también recibe el nombre de voltaje y se mide en voltios (V) con la ayuda de un aparato denominado voltímetro. Amplía la información sobre la eliminación de pilas y acumuladores usados en la página web de la Unión Europea [ver]. ! http://europa.eu/legislation_summaries/environment/waste_management/ l21202_es.htm ! Interactivo. ¿Cómo funciona una bombilla? ! Bombilla Dispositivo eléctrico que produce luz debido al filamento que hay en el interior, donde se ha practicado el vacío. Dicho filamento se calienta hasta alcanzar la incandescencia gracias a la energía eléctrica que se le suministra. Iluminación de bajo consumo Dispositivo que produce luz como una bombilla pero utilizando gases a baja presión que mejoran el rendimiento. Existen de varios tipos: lámpara halógena, fluorescente y bombilla LED. Lámpara halógena En las lámparas halógenas se ha sustituido el cristal por cuarzo, un material que aguanta mejor las altas temperaturas. En su interior contiene unos gases que mejoran el rendimiento del filamento y su duración. Fluorescente Dispositivo formado por un tubo con una lámpara de vapor de mercurio y gases a baja presión en su interior. Cuando se calientan los gases, se produce la iluminación. LED Son las siglas en inglés de “diodo emisor de luz” y es un dispositivo que produce luz. Contiene un semiconductor a través del que pasan los electrones y emiten luz. Los LED tienen un consumo energético muy reducido y por eso se están empezando a utilizar en los sistemas de iluminación de automóviles y televisores, entre otros. 16 Amplía la información sobre las bombillas de bajo consumo consultando en la página web de la Comisión Europea [ver]. ! ! ! 4.1. La ley de Ohm.! En un circuito eléctrico los valores de resistencia, intensidad y voltaje se encuentran relacionados mediante la ley de Ohm. Esta ley establece que la intensidad de corriente I que circula por un circuito de corriente continua es directamente proporcional al voltajeV aplicado e inversamente proporcional a la resistencia R del circuito. Su expresión matemática es la siguiente: I=V/R ! ! ! ! ! El triángulo de la ley de Ohm. Este esquema permite obtener fácilmente las expresiones del voltaje, la resistencia o la intensidad de corriente. ! ! ! ! ! ! La ley de Ohm permite conocer la intensidad, el voltaje o la resistencia en cualquier punto de un circuito, ya que conociendo dos de estos valores, se puede averiguar el tercero. Por ejemplo: si en un circuito con una pila de 4,5 V se conecta una resistencia de 6 Ω, ¿qué intensidad circula por el circuito?. ! Para resolver el problema, seguimos este procedimiento: Apuntamos los datos y la incógnita. Datos: V = 4,5 V; R = 6 Ω. Incógnita: I. Aplicamos la ley de Ohm: I = V / R Sustituimos las magnitudes conocidas en la fórmula, en este caso, el voltaje y la resistencia, para obtener el valor de la incógnita: I = 4,5 V / 6 Ω = 0,75 A ! Recuerda 17 El voltajeV es la diferencia de potencial entre los dos polos de un circuito y se mide en voltios (V). La intensidad de corriente I es la cantidad de electricidad que circula por unidad de tiempo y se mide en amperios (A). La resistenciaR es la oposición de un material a la circulación de corriente y se mide en ohmios (Ω). Practica los cálculos con la ley de Ohm en este generador de ejercicios [ver]. http://recursostic.educacion.es/secundaria/edad/3esofisicaquimica/ 3quincena11/3q11_contenidos_5d.htm! ACTIVIDAD 14! ! ACTIVIDAD 15! 18 ! ! ! ! ! ! ! ! ACTIVIDAD 16! ! ! ACTIVIDAD 17! 19 ! ! ! ! ! ! ! ! ACTIVIDAD 18! ACTIVIDAD 19! ! ! ! 20 ! ! ! ! ! ! ! ! ACTIVIDAD 20! ACTIVIDAD 21! ACTIVIDAD 22! ACTIVIDAD 23! ! ACTIVIDAD 24! 21 ! ! ! ! 5. LA PRODUCCIÓN DE ELECTRICIDAD.! ! El ser humano ha aprendido a transformar otras formas de energía en energía eléctrica. Esto se lleva a cabo en las centrales eléctricas. La electricidad obtenida en estas instalaciones se transporta hasta las casas a través del tendido eléctrico, mediante gruesos cables que se apoyan en altas torres de metal. ! El funcionamiento de la mayoría de las centrales eléctricas consiste en el empleo de un sistema de turbina-generador. La turbina es accionada por la energía mecánica del agua líquida o del vapor de agua, según la fuente de energía que se utilice. El generador o alternador es un dispositivo electromagnético compuesto por una bobina (cable arrollado) y un imán, que convierte energía cinética en energía eléctrica. La turbina se encarga de mover el eje del generador que, al girar a gran velocidad, produce corriente eléctrica en la bobina. ! Para saber más sobre el funcionamiento de un generador electromagnético observa esta animación de la Gran Enciclopedia Planeta [ver]. ! 5.1. Las centrales eléctricas. ! Las centrales eléctricas pueden aprovechar fuentes de energías renovables o no renovables. Las que utilizan energías renovables son: La central hidroeléctrica: usa la energía cinética del agua de los ríos para mover las turbinas. La central mareomotriz: usa la energía cinética de las mareas para mover las turbinas. La central undimotriz: usa la energía cinética de las olas para mover las turbinas. La central o el parque eólico: usa la energía cinética del viento para mover las palas de un molino (aerogenerador) cuyo eje está conectado directamente al generador de electricidad. La central fotovoltaica: usa la energía solar para transformarla directamente en energía eléctrica gracias a los paneles fotovoltaicos. 22 La central geotérmica: usa la energía térmica del interior de la Tierra para calentar agua y transformarla en vapor que mueve las turbinas. La central de biomasa: usa la combustión de biomasa para conseguir energía térmica que transforma el agua en vapor que mueve las turbinas. Las centrales eléctricas que utilizan energías no renovables son: La central térmica: usa combustibles fósiles, como el gas natural, el petróleo o el carbón, para generar energía térmica y calentar el agua, que, al transformarse en vapor, mueve las turbinas. La central nuclear: usa la energía térmica liberada por las reacciones nucleares (fisión de uranio) para calentar agua, que se transforma en vapor y mueve las turbinas. ! Para ampliar la información sobre el funcionamiento de las centrales eléctricas, consulta este enlace de la Asociación Española de la Industria Eléctrica (UNESA) [ver]. ! http://www.unesa.es/sector-electrico/funcionamiento-de-las-centraleselectricas ! Transformación de energía mecánica en energía eléctrica en una central hidroeléctrica. El agua retenida en el embalse se precipita hasta la central, donde hace girar las paletas de unas turbinas, que accionan unos alternadores o generadores de energía eléctrica. ! ! Profundiza. Las centrales eléctricas españolas. Interactivo.! La tipología de las centrales españolas En España existen diferentes tipos de centrales generadoras de energía eléctrica. Las centrales térmicas Las centrales térmicas obtienen electricidad a partir de los combustibles fósiles (carbón, gas y petróleo). Al realizar la combustión de estos materiales, generan energía calorífica, que calienta el agua de unos circuitos 23 y la transforma en vapor. El vapor acciona unas turbinas que, conectadas a un alternador, hacen que este produzca energía eléctrica. La central térmica de ciclo combinado es una variante de central térmica que emplea turbinas de gas como intermediario entre la energía calorífica de los hidrocarburos y el circuito de agua. En España hay alrededor de 200 centrales térmicas, localizadas sobre todo en la zona norte y la costa este de la Península. Suelen encontrarse cerca de las cuencas mineras, para aprovechar el carbón que se extrae de estas. Las centrales nucleares Las centrales nucleares son aquellas centrales eléctricas que usan combustible nuclear, normalmente uranio, para obtener energía. Mediante una reacción de fisión, extraen del uranio energía calorífica, que sirve para calentar unos circuitos de agua. El calor hace que el agua se convierta en vapor y este mueve unas turbinas conectadas a un alternador que genera energía eléctrica. En España hay 8 centrales nucleares activas: - Santa María de Garoña (Burgos). - Almaraz I y II (Cáceres). - Ascó I y II (Tarragona). - Cofrentes (Valencia/València). - Vandellós II (Tarragona). - Trillo (Guadalajara). Las centrales hidroeléctricas Las centrales hidroeléctricas obtienen energía a partir de la energía potencial gravitatoria del agua. Esta pasa por una turbina hidráulica, que mueve un alternador para producir energía eléctrica. Las centrales hidroeléctricas se distribuyen por las cuencas hidrográficas y suelen estar situadas en presas para aumentar la energía potencial del agua. Existen cerca de 800 centrales hidroeléctricas en España, que se encuentran concentradas en la zona noroeste, los Pirineos y la frontera con Portugal, en los ríos Duero y Tajo. Los parques eólicos Los parques eólicos obtienen electricidad a partir de la energía cinética del viento. Están constituidos por aerogeneradores, altos molinos cuyas aspas son movidas por el viento. Las aspas están conectadas al generador, que convierte la energía cinética en energía eléctrica. Los parques eólicos se sitúan en zonas con vientos constantes y regulares, ya que las grandes rachas de viento no son convenientes para ellos. Suelen situarse en las serranías o en las zonas costeras, y sobre todo están distribuidos por la costa gallega, la zona sur y el sistema Ibérico. Las centrales solares Las centrales solares obtienen energía eléctrica a partir de la radiación solar de dos maneras diferentes. Así, pueden distinguirse dos tipos de centrales solares: 24 - La central solar fotovoltaica: utiliza paneles fotovoltaicos formados por células fotovoltaicas de silicio que producen electricidad cuando la luz incide sobre ellas. - La central solar termoeléctrica: usa paneles reflectantes que concentran la radiación solar sobre un circuito de agua. Este, al calentarse, mueve una turbina conectada a un alternador. Las centrales solares deben situarse en zonas que disfruten de un gran número de horas de sol al día. Por eso, España es un lugar ideal ya que la mayor parte de sus regiones disfruta de este factor. Asimismo, la zona sur de la Península es la que cuenta con un mayor número de centrales solares. Si necesitas más información, puedes visitar la página de la Asociación Española de la Industria Eléctrica, donde se detalla el funcionamiento de las diferentes centrales eléctricas [ver]. ! http://www.unesa.es/sector-electrico/funcionamiento-de-las-centraleselectricas ! Además, también te recomendamos el mapa de la Red Eléctrica de España, donde aparecen localizadas las principales centrales eléctricas españolas [ver]. ! Profundiza. La central térmica. Animación. Energía química Tipo de energía de las partículas internas que constituyen la materia. En el caso tratado en la animación, la genera el combustible fósil que se quema al producirse la combustión. Energía calorífica Tipo de energía que se produce al quemar el combustible fósil. Esta energía calorífica desprende calor. Energía cinética Tipo de energía que se desprende del movimiento de la materia. En este caso, las turbinas generan energía cinética cuando giran. Energía eléctrica Tipo de energía que se produce al crear una diferencia de potencial entre dos puntos y se crea una corriente eléctrica. Combustibles fósiles Los combustibles fósiles son el carbón, el fuel, el gasóleo, el petróleo y el gas natural. Se trata de materiales que se formaron hace millones de años a partir de restos orgánicos de seres vivos. En la actualidad, se utilizan sobre todo para generar gran parte de la energía que consume nuestra sociedad. Turbina Motor que convierte en energía cinética una corriente de vapor o de agua. En el caso de la central térmica, la turbina convierte la energía térmica del vapor 25 de agua en energía cinética, que mueve un alternador que la transforma en energía eléctrica. Alternador Máquina eléctrica que transforma la energía cinética en energía eléctrica. Mediante el movimiento de unos imanes se crean unos campos electromagnéticos que generan una corriente alterna. Alto voltaje La expresión “alto voltaje” indica que la diferencia de potencial eléctrico entre la central térmica y la red a la que se acaba distribuyendo es muy elevada. Condensador Aparato que provoca la condensación de un gas a su forma líquida mediante un circuito refrigerante. En el caso de las centrales térmicas, el condensador transforma el vapor de agua en agua. Torre de refrigeración Estructura que se utiliza para enfriar el agua que se usa en el circuito del condensador. En estas torres, el agua caliente pasa por un sistema de refrigeración que la enfría para que se pueda volver a usar en el condensador o devolver al cauce del río o embalse de la que se alimenta la central térmica. Centrales de cogeneración Centrales térmicas en que se aprovecha tanto la energía eléctrica que se genera como la energía térmica que se desprende del proceso. Son energéticamente mucho más eficientes ya que también se le da un uso a la energía térmica. ! Conoce más detalles sobre el funcionamiento de las centrales térmicas en la página web del Proyecto Thales [ver] de la Sociedad Andaluza de Educación Matemática Thales. ! http://thales.cica.es/rd/Recursos/rd99/ed99-0226-01/capitulo7.html ! 26 ACTIVIDAD 25 ACTIVIDAD 26 ACTIVIDAD 27 ACTIVIDAD 28 ACTIVIDAD 29 27 ! ! ! ! ! ! ! 6. EL AHORRO ENERGÉTICO.! ! Vivimos en una sociedad que depende totalmente de la energía eléctrica. Casi todos los aparatos que usamos diariamente funcionan con electricidad, como los electrodomésticos, el teléfono móvil, el ordenador, el televisor, el alumbrado doméstico y público, etc. Esto hace que cada día se consuma muchísima energía eléctrica. ! Gran parte de esta electricidad se genera a partir de energías no renovables, es decir, de energías obtenidas a partir de recursos no renovables, como los combustibles fósiles (carbón, petróleo, gas). Esto significa que en un futuro cercano las reservas de estos recursos pueden agotarse. ! Por otro lado, aunque cada vez son más las centrales que obtienen electricidad a partir de energías renovables, como la solar o la eólica, estas no pueden cubrir la gran demanda de electricidad existente. Por este motivo, si queremos conservar las reservas energéticas, debemos hacer un consumo responsable de la electricidad. ! Las lámparas de bajo consumo Las lámparas de bajo consumo tienen en su interior gases y un material fluorescente que se ilumina al paso de la corriente eléctrica. Con este sistema se consume menos energía que con una bombilla común de filamento. ! El ahorro energético no solo reduce el consumo de electricidad, sino también la contaminación derivada de la producción de electricidad mediante combustibles fósiles. Por otra parte, ahorrar energía también nos beneficia por el ahorro económico que comporta en la factura de la luz. Apagar las luces que no se están usando, no dejar los aparatos eléctricos en stand-by o usar bombillas y electrodomésticos de bajo consumo, son hábitos que hacen descender el gasto eléctrico doméstico y ahorran energía. ! El ahorro energético no se limita solo a la electricidad, sino que se extiende a todo tipo de energías que podamos usar. Visita el siguiente enlace para conocer 50 retos para ahorrar energía [ver]. ! http://twenergy.com/a/50-consejos-para-ahorrar-energia-791 ! 28 La etiqueta de eficiencia energética informa de los valores de consumo de energía y agua del aparato (eficiencia), así como de las prestaciones del mismo, permitiendo conocer de forma rápida las características energéticas de un electrodoméstico. La “A” indica la mayor eficiencia y la “G”, la menor. ! ! ! ACTIVIDAD 30 ACTIVIDAD 31 ACTIVIDAD 32 ACTIVIDAD 33 29 ! ! ! ! ! ! ! ! ! ACTIVIDAD 34 ! ACTIVIDAD 35 ACTIVIDAD 36 ! ! ACTIVIDAD 37 ACTIVIDAD 38 30 ACTIVIDAD 39 ACTIVIDAD 40 (EN GRUPO) ! Construye un motor eléctrico simple. ! http://es.wikihow.com/construir-un-motor-eléctrico-simple ! http://ficus.pntic.mec.es/grov0002/materiales/motorelectrico.pdf ! ! ! ! ! Webs de referencia ! Página sobre la corriente eléctrica de la web del Proyecto Newton, del Ministerio de Educación, Cultura y Deporte. http://recursostic.educacion.es/newton/web/materiales_didacticos/ electricidad3E/quees.htm ! Actividades sobre la electricidad desarrolladas por el IES Alquibla de Murcia. ! http://www.linalquibla.com/TecnoWeb/electricidad/actividades/actividad_1.htm ! Unidad didáctica Conceptos básicos de electricidad de la página del Instituto Nacional de Tecnologías Educativas y Formación del Profesorado (INTEF). ! http://ntic.educacion.es/w3//recursos/fp/electricidad/ud1/inicio_elect_1.html ! Página dedicada a la electricidad de UNESA. ! http://www.unesa.net/unesa/html/sabereinvestigar.htm ! ! ! ! 31 MAPA CONCEPTUAL ! ! ! 32
