Conceptos básicos de electricidad
Electrostática
La materia que nos
rodea está formada por átomos. Los átomos a su vez están formados por
partículas distribuidas en el núcleo y la corteza. En el núcleo nos encontramos
con los neutrones (partículas sin carga y con masa) y protones (partículas con
carga positiva y masa). En la corteza girando alrededor del núcleo nos
encontramos a lo electrones (partículas con masa despreciable y carga
negativa).
Cuando el número de protones y electrones es el mismo tenemos átomos neutros,
mientras que si el número de ambos no coincide tenemos iones, átomos cargados.
Estos iones pueden ser;
Iones positivos.- el número de protones es mayor que el número de
electrones.
Iones negativos.- el número de electrones es mayor que el número de
protones.
Corriente eléctrica
El movimiento de los electrones a través de un conductor. Según el tipo de
desplazamiento diferenciamos entre corriente continua y alterna.
En la corriente continua los electrones se desplazan siempre en el mismo
sentido. Gráficamente:
En la corriente alterna los electrones cambian de sentido en su movimiento 50
veces por segundo en el caso europeo y 60 veces por segundo en América. El
movimiento descrito por los electrones en este caso es sinusoidal.
Magnitudes básicas
Por magnitud
física entendemos cualquier propiedad de los cuerpos que se puede medir o
cuantificar. En los circuitos eléctricos tenemos:
Voltaje o tensión
eléctrica.- energía por unidad de carga que hace que éstas circuln por el
circuito. Se mide en voltios V.
Intensidad.- Número de
electrones que atraviesan la sección de un conductor en la unidad de tiempo. Se
mide en amperios (A).
I = (siendo q la carga y t el
tiempo)
El amperio es una
unidad muy grande equivalente al paso de 6,24·1018 electrones por segundo.
Resistencia mide la oposición que ofrece un material al paso de corriente
eléctrica. Se mide en Ohmios (W).
La resistencia que
ofrece un material al paso de corriente eléctrica viene determinada por su
longitud su sección y sus características según la ecuación:
Atendiendo a esta
resistencia los materiales se clasifican en dos grandes grupos:
Conductores.- permiten el paso de corriente eléctrica, metales,
agua,….
Aislantes.- no permiten el paso de corriente eléctrica, madera,
plástico,…
Ley de Ohm
Ohm realizó
numerosos experimentos analizando los valores de estas tres magnitudes
observando que si aumentaba la resistencia manteniendo fija la intensidad,
aumentaba el voltaje. Si aumentaba la intensidad manteniendo fija la
resistencia, aumentaba el voltaje. Es decir la resistencia y la intensidad son
directamente proporcionales al voltaje.
Estos experimentos
llevaron a Ohm a enunciar su ley para el cálculo de las magnitudes básicas de
un circuito eléctrico de la siguiente forma:
V = I · R
Instrumentos de medida
Para medir las diferentes magnitudes eléctricas, existen instrumentos
específicos siendo los más utilizados el voltímetro, el amperímetro y el
polímetro.
Ø Voltímetro.- Mide el voltaje o tensión eléctrica. El
aparato se conecta en paralelo con el componente o generador cuya tensión se
quiere medir. La resistencia interna del aparato es muy alta de modo que a
través de él casi no circula corriente. Suele tener varias escalas, voltios o
milivoltios siendo preciso elegir la escala adecuada a la tensión que se va a
medir. Si trabajamos con tensiones muy elevadas debemos tener cuidado para no
dañarlo.
Ø Amperímetro.- Mide la intensidad de la
corriente. Se conecta en serie con el circuito. La resistencia interna del
aparato es muy pequeña por lo que apenas afecta a la corriente del circuito.
También aquí debemos seleccionar la escala adecuada a la intensidad que vamos a
trabajar. Si conectamos el aparato en paralelo podemos dañarlo.
Ø Polímetro.- Es más avanzado que los anteriores, nos permite
medir tensión, intensidad, resistencia,… en diferentes escalas de medida. Puede
ser analógico o digital.
Circuito eléctrico
Conjunto de operadores unidos de tal forma que permitan el paso de corriente
eléctrica para conseguir algún efecto útil (luz, calor, movimiento,…). Los
elementos básicos de un circuito eléctrico son:
Elementos
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Función
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Símbolos
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Generadores
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Suministra energía eléctrica
acumulada en pilas o generada dinamo
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Conductores
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Materiales que sirven de
unión entre los distintos operadores del circuito y permiten el paso de
corriente eléctrica.
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Receptores
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Operadores que transforman la
energía eléctrica en otro tipo de energía útil:
ü Resistencia (calorífica)
ü Bombilla (luminosa)
ü Timbre o Zumbador (sonora)
ü Motor (mecánica, cinética)
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Elementos
de maniobra y control
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Sin necesidad de modificar
las conexiones del circuito permite gobernar a voluntad su funcionamiento.
Abren y cierran el circuito a voluntad.
ü Interruptores
ü Pulsadores
ü Conmutadores
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Elementos
de protección
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Elementos intercalados en el
circuito que protegen las instalaciones
ü Fusibles
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Generadores
La obtención de
energía eléctrica se puede producir de varias formas, por frotamiento, presión,
luz, acción de campos magnéticos, reacciones químicas,… Los métodos más
utilizados son los dos últimos.
El uso de la energía química para la producción
de energía eléctrica se da en las pilas.
Ciertas sustancias
naturales tienen la propiedad de generar corriente eléctrica en su interior
gracias a la reacción química que se produce entre sus componentes. Si tomamos
varios limones y unas chapas de cobre y cinc podremos fabricar una pila de
voltaje muy bajo, se trata de una pila muy básica.
Las pilas y baterías comerciales son generadores químicos de energía eléctrica
que utilizan elementos capaces de desarrollar un flujo de electrones más
intenso.
¿Cómo funciona una pila? Para analizar su funcionamiento imaginemos que estamos
en el interior de una pila, observamos que hay una zona en la que existe gran
acumulación deelectrones (polo negativo) y el otro extremo una menor cantidad de
electrones (polo positivo). Si conectamos un receptor (motor) entre los dos
terminales de la pila vemos que los electrones comienzan a circular del borne
negativo al borne positivo provocando un desplazamiento de los electrones que
al atravesar el motor producen su movimiento. Los electrones llegan al polo
positivo donde se acumulan, la pila posee la capacidad interna de ir
“desplazando” los electrones que llegan al polo positivo al polo negativo. ¿Por
qué se gastan las pilas? Este transvase interno de electrones se repite muchas
veces hasta que esta capacidad interna se va debilitando y ya no puede llevarse
a cabo el transvase.
La mayoría de las pilas están fabricadas con metales pesados y por tanto,
pueden ser muy contaminantes. Las pilas de tipo botón son las más contaminantes
de todas por utilizar mercurio. El mercurio es un veneno muy activo que filtra
hacia las aguas subterráneas y desde aquí pasa a los animales pudiendo ser la
causa de graves enfermedades, NUNCA tires las pilas a la basura recíclalas en
los contenedores existentes para ello o en comercios encargados de recogerlas.
Hans Christian Oesterd (1777-1851), físico danés, observó, mediante un
experimento que la aguja de una brújula situada cerca de una corriente
eléctrica se desviaba. Esto le llevó a una conclusión muy sencilla:
La corriente
eléctrica pasando a través de un conductor actúa como un imán.
¿Quieres comprobarlo? Enrolla un
cable alrededor de una brújula y después conéctalo a un pila, verás cómo se
mueve la aguja.
Este efecto también podemos observarlo en el siguiente experimento, tomamos un
papel y practicamos un orificio para el paso de un cable, en el papel situamos
limaduras de hierro y conectamos el cable a una pila, podemos observar como la
disposición de las limaduras ala pasar la corriente eléctrica es similar a la
que formarían ante la presencia de un imán.
Michael Faraday (1791-1867) se enteró del experimento de Oesterd y se le
ocurrió la siguiente idea: ¿es posible que el movimiento de un imán genere
corriente eléctrica? Para comprobar esta hipótesis construyó una bobina,
arrollamiento de un cable conductor y situó un imán en su interior. Produjo el
movimiento de uno respecto al otro y observó que se generaba un flujo
eléctrico, a este fenómeno lo denominó inducción magnética, base del
funcionamiento de las dinamos.
Si
enrollamos un cable alrededor de un hierro (un tornillo, varillas,…) tendremos
una bobina mucho más potente ya que el hierro facilita la circulación del campo
magnético por el interior de la bobina. Este diseño se denomina electroimán y
tiene múltiples aplicaciones, timbres, grúa industrial, …
Los alternadores y las dinamos son máquinas eléctricas que transforman la
energía mecánica de rotación, que reciben a través de su eje en energía
eléctrica alterna y continua respectivamente.
El alternador.- Cuando un conductor se desplaza a
través de un campo magnético se genera en este una corriente eléctrica
inducida. Si el cable utilizado para moverlo con mayor facilidad tiene forma de
espira, se inducirá en esta una tensión que irá oscilando (alternado) entre
unos valores máximos y mínimo que incluso irán cambiando de giro. Se genera una
corriente alterna.
El alternador consta de dos partes, el rotor y el estator.
El rotor es un elemento cilíndrico provisto de electroimanes situado en el
interior del estator capaz de girar alrededor de su eje cuando éste es
impulsado por la acción de una fuerza.
El estator es la carcasa metálica fija en cuyo interior se aloja el rotor sobre
el que se arrolla un hilo conductor.
La dinamo es una máquina reversible puede trabajar como generador o como motor.
Como generador transforma la energía mecánica en energía eléctrica y como motor
transforma la energía eléctrica en mecánica de rotación.
Efectos
de la corriente eléctrica
Efecto luminosos
Efecto químico.-
Cuando la corriente eléctrica atraviesa disoluciones electrolíticas o
conductoras.
Ø Efectos
beneficiosos, aparatos para tratamientos en medicina, electrocardiogramas,
electrocirugía, electrodiálisis…
Ø Efectos
perjudiciales producen electrocución. Paradas cardiorespiratorias, quemaduras,…
Tipos
de circuitos eléctricos
Para comprender y realizar cálculos en lso circuitos eléctricos es
imprescindible conocer la Ley de Ohm.
En un circuito eléctrico, hay tres formas de conexionar los generadores y los
receptores: en serie, en paralelo y mixto.
Serie.- Los elementos de un circuito están conectados
en serie cuando se colocan uno a continuación de otro formando
una cadena, de modo que la corriente que circula por un determinado elemento
será la misma que para el resto.
Asociación de generadores en serie.- La tensión equivalente Ve será igual a la suma de todas las pilas conectadas en el mismo
sentido, con este tipo de conexión conseguimos mayor voltaje o tensión para el
circuito.
Asociación de resistencias en serie.- Como ya vimos en un circuito en
serie la intensidad del circuito y la intensidad que atraviesa cada receptor es
la misma, y el voltaje total es igual a la suma de los voltajes de cada
receptor:
IT = I1 = I2
Aplicamos la ley de
Ohm:
I · Re = I · R1 + I · R2
La Resistencia equivalente en un
circuito en serie es igual a la suma de las resistencias del circuito.
Paralelo.- Los elementos de un circuito están conectados en paralelo cuando todos
ellos están conectados a los mismos puntos y por tanto, a todos se les aplica el
mismo voltaje o tensión.
Asociación de
generadores en paralelo.- Se deben conectar siempre pilas del mismo
voltaje y en el mismo sentido. La tensión equivalente es la misma que la de una
de las pilas. En este caso conseguimos aumentar la duración de las pilas.
Ve = Vi
Todos los elementos del circuito tienen el mismo voltaje, es
decir: VT = V1 = V2 = V3
Asociación de resistencias en paralelo.- Como podemos
observar, en un circuito en paralelo la intensidad del circuito es igual a la
suma de las intensidades de cada receptor:
IT = I1 + I2 + I3
Aplicamos la ley de Ohm: y por tanto:
Mixto.- Los elementos de un circuito están conectados en paralelo y en serie.
La resolución de este tipo de circuitos es una combinación de los dos
anteriores.
Energía y potencia
eléctrica
La energía o trabajo eléctrico, W, es el producto de la fuerza electromotriz
necesaria para transportar las cargas eléctricas por el valor de estas cargas.
Se mide en Julios (J). Un Julio es un watio por segundo, J = w · s
E = W = fem · carga
= V · q = V · I · t
La potencia eléctrica podemos definirla como la cantidad de energía eléctrica
generada o transformada por unidad de tiempo.
