Electricidad Y Circuitos Eléctricos Básicos

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Electricidad ycircuitos eléctricosbásicosUnidad 9. - Electricidad y circuitos eléctricos básicosTECNOLOGIAS 1º ESOcurso 2007-2008Andrés J. Rubio Espinosa1curso 2007-2008Andrés J. Rubio Espinosa2Indice1.- Mapa conceptual.2.- La electricidad en nuestras vidas.3.- Estructura de la materia. Modelo de Bohr.4.- Algo de historia de la electricidad.5.- Generación, distribución y consumo de electricidad.6.- La corriente eléctrica.7.- Magnitudes fundamentales de un circuito eléctrico.8.- Componentes de un circuito eléctrico.9.- Ley de Ohm.10. - Ley de Ohm generalizada.11.- Energ ía y potencia eléctrica.12. - Tipos de circuitos eléctricos. Serie y paralelo.13. - Conexiones de los elementos de un circuito eléctrico14. - Magnetismo.14.1.- Efecto magnético de la corriente eléctrica.14.2. - Electroimanes y sus aplicaciones.14.3. - Generadores de electricidad.14.4. - Motor eléctrico de corriente continua.Unidad 9. - Electricidad y circuitos eléctricos básicosTECNOLOGIAS 1º ESO1

1.1.- Mapa conceptual.ELECTRICIDADPara comprender la electricidaddebemos conocer la estructura dela materia y los fenómenosasociados a las cargas el éctricas(eléctricos y magnéticos)FundamentosEstructura dela materiaLa electricidad se utilizasobremanera por: energía limpia transportable grandes distancias interconvertible en otrasGeneración deelectricidadDistribución deelectricidadConsumo deelectricidadAlternadoresy dinamosConductores yaislantesCircuitos el éctricosElectrostáticaElementos activos, pasivos,de maniobra y de protecci ónMagnitudes: tensión, intensidad,Resistencia, potencia y energíaConexionado de loselementos del circuitoLey de Ohm y Leyde FaradayCircuitos serie,paralelo y mixtoMagnetismoUnidad 9. - Electricidad y circuitos eléctricos básicosTECNOLOGIAS 1º ESOcurso 2007-2008Andrés J. Rubio Espinosa32.2.- La electricidad en nuestras vidas.En la sociedad actual, es fundamental disponer de electricidad para poder desarrollarnuestra vida cotidiana con normalidad.Serí a difí cil imaginar todas las actividades que realizamos al cabo del dí a sin los aparatos yelectrodomésticos que funcionan con energí a eléctrica.Líneas de alta tensi ón aéreaspara transportar la electricidad.La electricidad es un fenómeno físico originado por cargas eléctricas en reposo omovimiento. Existen cargas eléctricas de dos tipos: cargas positivas y negativas. Lascargas del mismo signo se repelen y las cargas de diferente signo se atraen.Para comprender bien la electricidad debemos antes estudiar la estructura de la materia.Unidad 9. - Electricidad y circuitos eléctricos básicosTECNOLOGIAS 1º ESOcurso 2007-2008Andrés J. Rubio Espinosa42

3.3.- Estructura de la materia. Modelo atóatómico de BohrBohr.El fí sico danés Niels Bohrintentó dar una explicaciónsencilla de la constitución de lamateriadesarrollandoestemodelo que lleva su nombre. Esun modelo antiguo (1922), hoydí a sabemos que la estructurade la materiaes algo máscompleja.N Los elementos de la naturalezaestán formados por átomos. Losátomos se dividen en corteza ynúcleo.NEn el núcleo se disponen losnucleones, que son los protoneso cargas y los neutrones(exentos de carga).En la corteza se encuentran loselectrones o cargas – queorbitan alrededor del núcleo.Unidad 9. - Electricidad y circuitos eléctricos básicosTECNOLOGIAS 1º ESOcurso 2007-2008Andrés J. Rubio Espinosa54.4.- Algo de la historia de la electricidad.600 AC: el griego Tales de Mileto descubre que el ámbar al serfrotado intensamente es capaz de producir la atracci ón dealgunos cuerpos. En griego ámbar se traduce como “elektron”,de ahí el origen del término “electricidad”.1752: El científico estadounidense Benjamín Franklindescubrió la naturaleza eléctrica de los rayos de lastormentas y posteriormente inventó el PARARRAYOS.1800: El ingeniero militar francés Charles Coulomb descubrió lafórmula matemática que explicaba correctamente los procesos deatracci ón y repulsión entre cargas eléctricas (Ley de Coulomb).1879: Thomas Alva Edison, hombre de negociosestadounidense, consigui ó fabricar una lá mparade incandescencia capaz de permanecerencendida durante 48 horas ininterrumpidas.Utilizó un filamento de bambú carbonizado.Unidad 9. - Electricidad y circuitos eléctricos básicosTECNOLOGIAS 1º ESOcurso 2007-2008Andrés J. Rubio Espinosa63

5.-- Generaci5.Generacióón, distribuciódistribución y consumo de electricidad.1.- La electricidad se genera mediante unasmáquinas llamadas alternadores en las centralestérmicas, hidráulicas, eólicas, nucleares, etc.2.- La electricidad se transporta desde los centrosde producción hasta los centros de consumo.3.- En la industria se consume electricidad enalumbrado y grandes maquinarias. En las viviendasse utiliza para alumbrado y los aparatosdomésticos.Unidad 9. - Electricidad y circuitos eléctricos básicosTECNOLOGIAS 1º ESOcurso 2007-2008Andrés J. Rubio Espinosa76.6.- La corriente eléeléctrica.Existen materiales conductores y materiales aislantes de la electricidad. Los materialesconductores permiten el paso de la electricidad mientras que los aislantes no.La corriente eléctrica es el movimiento de los electrones a lo largo de toda la longitud de unmaterial conductor.Para que se produzca la circulación eléctrica a trav és de un material conductor se necesita losiguiente:- un circuito cerrado por el que puedan circular los electrones continuamente.- un dispositivo que suministre la energ ía necesaria para producir el movimiento de los electronesa travé s del circuito. Estos dispositivos son los generadores, pilas o baterías.Unidad 9. - Electricidad y circuitos eléctricos básicosTECNOLOGIAS 1º ESOcurso 2007-2008Andrés J. Rubio Espinosa84

7.7.- Magnitudes fundamentales de un circuito eléeléctrico. Cargas ( ): semueven del polo( ) al polo (-) .GENERADOR(voltios) Cargas (-): semueven del polo(-) al polo ( ).- Voltaje, Tensi ón ó Diferencia de potencial (ddp): es la energ ía que debemos suministrar alcircuito para provocar el movimiento de electrones a travé s de él. Se expresa en voltios (V).- Intensidad de corriente: cantidad de carga (electrones) que atraviesan una sección deconductor por unidad de tiempo. Se expresa en amperios (A).- Resistencia eléctrica: es la oposición que presenta un material a ser atravesado por laelectricidad. Se expresa en Ohmios ( O).* Convenio: supondremos por tradición que el flujo de corriente es debido al movimiento de lascargas positivas (del polo al polo -), aunque en realidad es debido al movimiento de loselectrones.Unidad 9. - Electricidad y circuitos eléctricos básicosTECNOLOGIAS 1º ESOcurso 2007-2008Andrés J. Rubio Espinosa98.8.- Componentes de un circuito eléel éctrico.En general podemos clasificar los componentes de los circuitos eléctricos en :- elementos activos: suministran energ ía eléctrica (tensi ón) al circuito. Son los generadoreseléctricos, má s conocidos como pilas y baterías.- elementos pasivos: consumen energ ía eléctrica del circuito. Son los receptores, que puedenser resistencias, bombillas, motores, timbres, etc.- conductores: son los cables que conectan los diferentes elementos de un circ uito.- elementos de maniobra: activan y desactivan los circuitos a voluntad. Son los interru ptores,pulsadores, conmutadores, etc.- elementos de protección: empleados para proteger a determinados elementos de un circuitode elevadas tensiones e intensidades. Los fusibles son un ejemplo.PilaCruce sinconexiónBaterí aCruce conconexiónResistenciaInterruptorUnidad 9. - Electricidad y circuitos eléctricos básicosBombillaPulsadorTECNOLOGIAS 1º ESOMotorTimbreConmutadorcurso 2007-2008ConductorFusibleAndrés J. Rubio Espinosa105

Ahora vamos a intentar identificar los componentes el éctricos siguientes:Unidad 9. - Electricidad y circuitos eléctricos básicosTECNOLOGIAS 1º ESOcurso 2007-2008Andrés J. Rubio Espinosa119.9.- Ley de OhmOhm.El físico alem án Georg Simon Ohm encontró la relación existente entre las tresmagnitudes fundamentales de un circuito eléctrico:Es decir, que la tensión es igual al producto de laintensidad por la resistencia.V I·RLa intensidad generada a través de un circuito dependede la tensión aplicada y de la resistencia delconductor.La resistencia de un conductor se mide en Ohmios (O)en honor a Georg Simon Ohm .La intensidad de corriente se expresaen amperios (A) en honor al físicofrancésAndréMarieAmpére,considerado como uno de los padresdel electromagnetismo.La tensión se expresa en voltios (V)en honor al físico italiano AlessandroVolta, inventor de la pila eléctrica ópila voltaica.Unidad 9. - Electricidad y circuitos eléctricos básicosTECNOLOGIAS 1º ESOcurso 2007-2008Andrés J. Rubio Espinosa126

Para recordar la ley de Ohm y có mo se calculan las diferentes variables querelaciona (V, I, R), aplicaremos el tri ángulo de la ley de Ohm. Có mo tenemos tresposibles variables (V, I, R) siempre conoceremos dos y nos pedirán calcular latercera. El tri ángulo de la ley de Ohm nos permite recordar fácilmente lasexpresiones para calcular la V, I y R de un circuito eléctrico.V I· RVII VRVRR Unidad 9. - Electricidad y circuitos eléctricos básicosIVIRTECNOLOGIAS 1º ESOcurso 2007-2008Andrés J. Rubio Espinosa1310.10.- Ley de Ohm generalizada.En un circuito el éctrico cerrado, se cumple que la suma de las tensiones de pilas (ó baterías) esigual a la suma de las caí das de tensión en las resistencias.V 12 VV1 6 VIR 2 OV 2 2 VIR1 1 OR2 3 OV I ·RV1 V2 I ·R1 I ·R2 I ·(R 1 R 2)12 I ·26 2 I ·1 II ·3 I ·(1 3)I 6 (A)8 I ·4I 2 (A)Unidad 9. - Electricidad y circuitos eléctricos básicosTECNOLOGIAS 1º ESOcurso 2007-2008Andrés J. Rubio Espinosa147

11.11.- EnergEnergíía y Potencia eléel éctrica.Energ ía es la cantidad de trabajo que un sistema es capaz de producir. La energ ía ni se crea nise destruye, se transforma. Los aparatos eléctricos consumen energ ía eléctrica y la transformanen energ ía luminosa (bombilla, ál mpara, diodo LED), en calor (calentador de resistencia) ó enenergía mecánica (motores) por ejemplo.Energía ó Trabajo Potencia·TiempoEn el Sistema Internacional de medidas (S.I ), la energía se expresa en Julios,(Joule en inglé s), en honor al físico británico James Prescott Joule, queencontró la relación entre la intensidad que recorre una resistencia y el calorque disipa (ley de Joule).Otra unidad muy utilizada para medir el consumo de energ ía es elKILOWATIO·HORA, sobre todo en las facturas de las compañías el éctricas.Potencia es la cantidad de energ ía que suministra o consume un sistema porunidad de tiempo. En el S.Ila potencia se expresa en Watios óJulios/Segundo.El Watio procede del ingeniero escocés James Watt, padre de la primeramáquina de vapor industrial que funcionó eficazmente (primera revoluciónindustrial en 1800).Otras unidades de potencia son el caballo de vapor (CV 735 W) y el caballode fuerza ó potencia (HP 745 W).La potencia en componentes eléctricos se calcula como:Unidad 9. - Electricidad y circuitos eléctricos básicosTECNOLOGIAS 1º ESOPotencia V·I Tensi ón·Intensidadcurso 2007-2008Andrés J. Rubio Espinosa1512.12.- Tipos de circuitos eléeléctricos: serie y paralelo.Los elementos de un circuito eléctrico pueden conectarse en serie o en paralelo con respecto ala fuente de tensi ón (pila, batería, etc). Veá moslo con ejemplos:En el circuito os. La corrienteque recorre cadauno de los elementoses la misma.La tensi ón de lafuente se reparteentre los diferenteselementos y por lotanto no funcionaneficazmente.Ademá s, si algunode los elementos seavería, la corrientese interrumpe y elcircuitodejadefuncionar.Unidad 9. - Electricidad y circuitos eléctricos básicosTECNOLOGIAS 1º ESOcurso 2007-2008Andrés J. Rubio Espinosa168

En el circuito paralelotodos los elementos seconectan a los terminales y – de la fuente detensión. La corriente queproporciona la fuente noes la misma que la quecircula por los diferenteselementos.La tensión que proporcionalafuentesobrecadaelemento es la misma, porlo que pueden funcionareficazmente.Si alguno de los elementosse estropea no impide elfuncionamiento del restodeloselementosdelcircuito .Unidad 9. - Electricidad y circuitos eléctricos básicosLos motores en un circuitocon la fuente de tensi ón.TECNOLOGIAS 1º ESOcurso 2007-2008Andrés J. Rubio Espinosa17Andrés J. Rubio Espinosa18se deben conectar SIEMPRE en paraleloSegún las conexiones de los terminales del motor a los bornes de lafuente, girará en un sentido (horario) ó en otro (antihorario).Incluso debemos colocar un interruptor para cada motor para quefuncionen de forma independiente con respecto al resto del circuito.CONCEPTO DE CORTOCIRCUITO: consiste en conectar dos puntos deun circuito eléctrico mediante un cable que idealmente presentaresistencia nula (o que su resistencia es mínima en comparación conlas otras resistencias del circuito).¡OJO! debemos analizar el funcionamiento del circuito porque podemosprovocar la explosi ón de la fuente.Unidad 9. - Electricidad y circuitos eléctricos básicosTECNOLOGIAS 1º ESOcurso 2007-20089

13.13.- Conexiones de los elementos de un circuito eléeléctrico.Todos los elementos de un circuito tienen dos contactos o terminales, por uno entra y por otrosale la electricidad. Estos contactos se conectan a cada uno de los polos de la fuente detensión (pila, batería, etc).Los motores pueden girar en sentido horario o en sentidoantihorario según como se conecten a la fuente de tensión.Debemos tener cuidado al conectar losportalámparas y bombillas, ya que existenvarios modelos y cada uno requiere unadeterminada forma de conexión.Unidad 9. - Electricidad y circuitos eléctricos básicosTECNOLOGIAS 1º ESOcurso 2007-2008Andrés J. Rubio Espinosa19Los elementos se pueden conectar con losconductores mediante:- clips.- pinzas.- tornillos.- soldadura.- nudos.Los conductores se pueden sujetar alsoporte mediante:- cinta adhesiva.- cartulina pegada ó grapada.- sujetacables.Los empalmes pueden ser medianteclemas ó clavos.Unidad 9. - Electricidad y circuitos eléctricos básicosTECNOLOGIAS 1º ESOcurso 2007-2008Andrés J. Rubio Espinosa2010

La sujeción de las pilas al soportepuede ser mediante:- clavos y goma elá stica.- cartulina grapada ó pegada.- cinta adhesiva.La sujeción de motores al soportepuede ser mediante:- clavos y goma elá stica.- cartulina grapada ó pegada.- cinta adhesiva.- bridas.- pinzas.Unidad 9. - Electricidad y circuitos eléctricos básicosTECNOLOGIAS 1º ESOcurso 2007-2008Andrés J. Rubio Espinosa2114.14.- Magnetismo.El magnetismo es la propiedad que tienen algunos materiales (imanes) de atraera los materiales magnéticos. Los materiales magnéticos son aquellos quepresentan contenido en metales como el hierro, níquel y cobalto.Según cuenta la leyenda, este fenómeno fue observado por primera vez en laregión de Magnesia (Asia) por un pastor de ovejas griego llamado Magnus (hace2000 años). De la región de Magnesia proceden por tanto los té rminos magnetitay magnetismo.De forma coloquial, a los materiales que pueden atraer materiale smagnéticos se les denomina imanes. Los imanes pueden ser naturales oartificiales:- naturales: son ciertos minerales de hierro que se encuentran en lanaturaleza. La magnetita es el más conocido y sus propiedades magné ticasson indefinidas. Existen otros imanes naturales que no son minerales dehierro (por ejemplo el neodimio).- artificiales: son materiales que adquieren temporalmente propiedadesmagnéticas por distintos procedimientos, como por ejemplo al ser frotadoscon otro imán (imantación).Las propiedades de los imanes son las siguientes:- Los imanes só lo son capaces de atraer a los materiales magnéticos,como pueden ser el hierro, níquel, cobalto y sus aleaciones.- Polos del mismo nombre se repelen y de distinto nombre se atraen.- A día de hoy, no se han conseguido aislar polos magnéticos.Unidad 9. - Electricidad y circuitos eléctricos básicosTECNOLOGIAS 1º ESOcurso 2007-2008Andrés J. Rubio Espinosa2211

14.1.14.1.- Efecto magnémagn ético de la corriente eléel éctrica.En 1820, el físico-químico danés Hans Christian Oersteddemostró que la corriente eléctrica tenía un efectomagnético mediante un experimento que llevó a cabo antesus alumn@s. Verificó que cuando una corriente eléctricarecorre un conductor, éste se comporta como un imán,generando un campo magn ético en sus alrededores. Además,cuanto mayor sea la intensidad de corriente mayor es elefecto magnético generado por el conductor.SwfSwfBasándose en estas investigaciones, el británico WilliamSturgeon construyó en 1825 el primer electroimán de lahistoria. Enrolló 18 espiras de alambre conductor alrededorde una herradura de caballo. Cuando el alambre seconectaba a una batería la herradura se magnetizaba ypodía atraer pequeñas piezas de hierro.Varios años despué s del descubrimiento deOersted, e l físico inglés Michael Faradaydescubri ó la inducción electromagnética(década de 1830). Si el flujo magnético através de un conductor o circuito varía porcualquier medio, se induce una corrienteeléctrica sobre dicho conductor o circuito.Unidad 9. - Electricidad y circuitos eléctricos básicosTECNOLOGIAS 1º ESOcurso 2007-2008Andrés J. Rubio Espinosa2314.2.14.2.- Electroimanes y sus aplicaciones.Un electroimán es un dispositivo que se compone de 3 elementos:- un n úcleo de material magnético (p.ej. hierro ó acero).- un arrollamiento de hilo conductor (p.ej. de cobre) llamado solenoide.- una fuente de tensión (p.ej. una pila de petaca).El hilo conductor se enrolla alrededor del núcleo magnético y se conecta a los bornes de la fuente detensión. Cuando la corriente circula por el conductor, se generará un campo magnético alrededor delsolenoide. El efecto magnético obtenido es directamente proporcional al número de vueltas del solenoidey a la intensidad que circula por el circuito.Las ventajas de los electroimanes con respecto a los imanes naturales es que generan un campomagnético mucho más intenso y que al depender de una fuente de tensi ón, podemos controlar el efectomagnético producido a nuestra voluntad.Los electroimanes se utilizan en grúas magnéticas, vehículos de levitación magnética, en ciertasaplicaciones de circuitos eléctricos (timbres, sistema Morse, relés, altavoces), etc.Unidad 9. - Electricidad y circuitos eléctricos básicosTECNOLOGIAS 1º ESOcurso 2007-2008Andrés J. Rubio Espinosa2412

14.3.14.3.- Generadores de electricidad.Un generador de electricidad es un aparato capaz de transformar la energ ía mecánica(movimiento) en energ ía eléctrica (corriente el éctrica ó electricidad).Se basan principalmente en el fenómeno de la inducción electromagné tica descubierto porMichael Faraday: si el flujo magné tico a travé s de un conductor o circuito varía por cualquiercausa, se induce una corriente eléctrica sobre dicho conductor o circuito.Se clasifican en dos grandes grupos:- Dinamos: producen corriente eléctrica continua (CC), es decir, corriente que no cambia desentido.- Alternadores: producen corriente eléctrica alterna (CA), que cambia de sentido cada ciertotiempo. Tanto Dinamos como Alternadores están constituidos básicamente por los mismoselementos: un sistema para proporcionar un campo magnético (imán), un arrollamiento dematerial conductor, las delgas ó anillos rozantes y las escobillas estacionarias de grafito.La diferencia entre ambos sistemas consisteen la forma de las delgas. En el alternadorson dos anillos completos y en la dinamo esun anillo partido por la mitad. Con cadamedia vuelta del arrollamiento la corrienteinducida cambia de sentido, por lo que segúnla disposición de las delgas obtendremos CAó CC.Unidad 9. - Electricidad y circuitos eléctricos básicosTECNOLOGIAS 1º ESOcurso 2007-2008Andrés J. Rubio Espinosa2514.4.14.4.- Motor eléel éctrico de corriente continua (cc(cc).).Los motores eléctricos realizan el proceso inverso a los generadores de corriente:- los generadores transforman energ ía mecánica (movimiento) en energ ía eléctrica.- un motor de cc transforma la energ ía eléctrica en energ ía mecánica (movimiento). Esta energ íamecánica puede ser aprovechada para realizar trabajo, por ejemplo mo ver una máquina (ascensor,émbolo, etc ).Presentan una serie de ventajas con respecto a los motores de combusti ón (gasolina y gasoil):- Para igual potencia su tamaño es menor.- Su rendimiento en la transformación de energ ía es superior.- S o n máquinas REVERSIBLES, es decir, pueden funcionar como motor y como generadoreléctrico. Empezaron a usarse en 1837 sustituyendo a las máquinas de vapor y ruedas hidráulicasde las grandes factorías. En 1890 Nikola Tesla desarrollaría el motor eléctrico de CA.Unidad 9. - Electricidad y circuitos eléctricos básicosTECNOLOGIAS 1º ESOcurso 2007-2008Andrés J. Rubio Espinosa2613

Unidad 9.- Electricidad y circuitos el éctricos básicos TECNOLOGIAS 1º ESO curso 2007-2008 Andrés J. Rubio Espinosa 2 Indice 1.- Mapa conceptual. 2.- La electricidad en nuestras vidas. 3.- Estructura de la materia. Modelo de Bohr. 4.- Algo de historia de la electricidad. 5.-Generación, distribución y consumo de electricidad. 6.-

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