Electricidad CARGA ELÉCTRICA La materia está constituida por átomos. El átomo está formado por un núcleo con protones y neutrones, alrededor del cual giran los electrones. Los electrones tienen carga negativa y son los responsables de los fenómenos eléctricos.
En general la materia no está cargada eléctricamente. Pero aquellos cuerpos que se someten a un rozamiento pueden ganar electrones y transmitir la carga eléctrica. Las cargas del mismo tipo se repelen (+,+) (-,-) y las de distinto signo se atraen (+,-).
Podemos observar sucesos similares al peinar el pelo seco, al acercarse a una pantalla de televisión, al botar un balón o al bajar por un tobogán de plástico. En estos casos las cargas se quedan en reposo. Para crear una corriente eléctrica es necesario que haya un desplazamiento continuo de los electrones por el material. Distinguiremos dos tipos de materiales: • •
Conductores: permiten el paso de la electricidad. Los metales como la plata, el cobre, hierro, estaño, aluminio, … Aislantes: no permiten el paso de la electricidad. Los plásticos, madera o cerámica.
Para que se establezca dicho desplazamiento necesitamos un generador (pila) que proporcione energía a los electrones. Ejercicio Entre los contactos metálicos colocamos diferentes materiales para cerrar el circuito: clip, papel de aluminio, lápiz de madera y goma de borrar. ¿En qué casos encenderá la bombilla?
CIRCUITO ELÉCTRICO Un circuito eléctrico es un conjunto de elementos conectados entre sí por los que circula una corriente eléctrica. Se distinguen las siguientes partes: 1
Electricidad Generadores. Dispositivos que producen y mantienen de forma permanente la corriente eléctrica. Pueden ser pilas, baterías, alternadores, dinamos, placas fotovoltaicas, etc Su símbolo es el siguiente: Pila:
, Batería:
Receptores. Transforman la energía eléctrica en otro tipo de energía. Por ejemplo: o
Resistencias producen calor
o
Bombillas dan luz
o
Motores producen movimiento
o
Timbres producen sonido
,
Elementos de control y protección. Permiten dirigir la corriente eléctrica o interrumpir su paso si esta es muy elevada. Pueden ser: o
Interruptor, impide el paso de la corriente
o
Conmutador, alterna la corriente entre dos circuitos
o
Fusible, protege el circuito
o
Amperímetro, mide intensidades
o
Voltímetro, mide voltajes
Elementos que modifican las propiedades de la corriente eléctrica. Algunos de estos pueden ser: o Condensador. Componente que se conecta a la pila y es capaz de almacenar carga eléctrica. Se mide en faradios (F) o microfaradios (µF).
o
Led. Emite luz cuando la corriente pasa por él.
o
Transistor. Elemento muy útil cuya función es la de amplificar o rectificar la corriente eléctrica.
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Electricidad Ejercicio 1 Representa con símbolos los siguientes circuitos.
Ejercicio 2 Analiza los siguientes circuitos y explica si van a funcionar o no y por qué.
Ejercicio 3 Observa con detenimiento el siguiente circuito y responde a las cuestiones que se plantean:
a. Indica marcando con una “x” qué bombillas: L1, L2, L3, L4, L5 Y L6 se encenderán sin pulsar ninguno de los interruptores en el circuito anterior. b. Como ya sabes, los componentes principales de un circuito eléctrico son: generadores, receptores, elementos de control y conductores. Indica debajo de cada símbolo del circuito a qué componente del mismo corresponden.
Ejercicio 4
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Electricidad Completa la tabla con los siguientes elementos: bombilla, interruptor, voltímetro, batería, calefactor, conmutador, pulsador, pila, amperímetro, motor eléctrico. Generador de corriente
Elementos receptores
Elementos de maniobra
Aparatos de medición
MAGNITUDES ELÉCTRICAS Las magnitudes que intervienen en un circuito eléctrico son tres: la tensión o voltaje, la intensidad y la resistencia. 1. El voltaje. Indica la diferencia de energía eléctrica entre dos puntos de un circuito. Se mide en voltios (V) y se designa con la letra V. Esta energía viene suministrada por el generador. Podemos encontrar pilas de distinto voltaje: Botón: 1,5 V Botón grande: 3 V Cilíndricas: 1,5 V Pila petaca: 4,5 V Los metales y productos químicos que constituyen las pilas producen contaminación en el medio ambiente por lo que es muy importante no tirarlas a la basura sino llevarlas a centros de reciclado. Para medir el voltaje se utiliza el voltímetro. Se conecta en paralelo sobre el generador.
2. La intensidad de corriente. Es la cantidad de electrones que pasa por un punto determinado del circuito en un segundo. Se designa mediante la letra I y se mide en amperios (A). Una corriente de 1 A equivale al paso de 6,25·1018 de electrones por segundo. El amperímetro mide la intensidad de corriente y se conecta en serie con el receptor cuya intensidad queremos medir.
3. La resistencia eléctrica. Es la oposición que ejercen los elementos del circuito al paso de la corriente eléctrica. Se designa mediante la letra R y se mide en ohmios (Ω). 4
Electricidad En ocasiones es necesario utilizar múltiplos y submúltiplos de las unidades de medida.
LEY DE OHM La ley de Ohm establece una relación entre las magnitudes eléctricas que es la siguiente: V = I·R De esta expresión se deduce que para una resistencia dada, el voltaje aumenta o disminuye proporcionalmente a como lo hace la intensidad. Despejando podemos obtener otras dos fórmulas que se utilizarán según la magnitud que se quiera calcular: =
=
Para recordar estas fórmulas se puede utilizar el siguiente esquema:
Ejercicios 1.- ¿Qué corriente circula por la bombilla de una linterna alimentada a 4,5 V, si su resistencia es de 9 Ω? (Sol.: 0,5 A) 2.- ¿Qué voltaje tiene una pila que suministra una intensidad de corriente de 3 A sobre una bombilla que tiene una resistencia de 4 Ω? (Sol.: 12 V) 3.- Hallar la resistencia de una bombilla conectada a un circuito alimentada a 1,5 V por el que circula una corriente de 0,5 A? (Sol.: 3 Ω) 4.- El voltímetro conectado a un circuito eléctrico mide 6 V, mientras que el amperímetro mide unos 0,35 A. ¿Cuál será la resistencia de la bombilla? (Sol.: 17,1 Ω) 5.- Se conecta una resistencia de 3 kΩ a una pila de petaca (4,5 V). ¿Cuál será la intensidad que recorre el circuito? (Sol.: 1,5 mA) 5
Electricidad 6.- Con un polímetro se realizan las siguientes medidas: Tension (V) 1 3 5 7 9 Intensidad (A) 0,04 0,12 0,20 0,28 0,36 a. Representa los datos en una gráfica. b. ¿Se cumple la ley de Ohm? ¿Por qué?
CIRCUITOS EN SERIE Y EN PARALELO Podemos montar varios elementos en un mismo circuito de dos maneras: En serie: colocando uno a continuación de otro. En paralelo: dividiendo el conductor para colocar cada elemento en un ramal. 1.- Conexión de dos pilas. •
Para conectar dos pilas en serie, el polo positivo de una de ellas se conecta al negativo de la siguiente. El voltaje del circuito coincide con la suma de los voltajes de cada pila: = +
•
Para conectar dos pilas en paralelo los polos del mismo signo se conectan en un mismo conductor. Las pilas deben ser del mismo voltaje y suministran el mismo voltaje que una sola pila, pero durante el doble de tiempo. =
=
2.- Conexión de dos resistencias o bombillas. •
•
Al montar dos bombillas en serie, pasa la misma intensidad de corriente por todos los receptores. La resistencia total equivale a la suma de las resistencias correspondientes a cada receptor. Por tanto se tiene: = = = + Si dos bombillas están en paralelo, la intensidad de corriente se distribuye entre las distintas ramas. La resistencia total equivale a la suma de las inversas. Por tanto se tiene que:
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Electricidad =
+
=
+
Cuadro de fórmulas
EN SERIE EN PARALELO
VOLTAJE = + = =
INTENSIDAD = = = +
RESISTENCIA = +
1
1 =
1 +
Ejercicios
1.- Dado el siguiente circuito:
a. Calcula la resistencia total del circuito. b. Calcula la intensidad de corriente que circula por el circuito. c. La potencia consumida por la resistencia de 10 kΩ. 2.- El circuito de los faros de un vehículo se compone de una batería de 12 V, un interruptor y dos bombillas conectadas en paralelo de 100 Ω cada una. a. Dibuja el esquema del circuito eléctrico. b. Calcula la intensidad del circuito, así como cada una de las intensidades que pasa por cada bombilla. 3.- Dos resistencias de 12 y 36 Ω se conectan en paralelo.
a. Calcula la resistencia total del circuito. (Sol.: 9 Ω)
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Electricidad b. Determina la intensidad de corriente que circula por cada una de las resistencias cuando se aplica al conjunto una tensión de 18 V. (Sol.: 1,5 A; 0,5 A)
ENERGÍA ELÉCTRICA La energía que proporciona el generador a los electrones para mantenerlos en movimiento es consumida por los receptores. La energía que consume un aparato eléctrico se obtiene de la expresión: =
· ·
donde el tiempo se mide en segundos y la energía se mide en julios (J) o calorías (cal). (1 cal = 4,2 J) Al producto V·I también se le denomina potencia, P, y se mide en vatios (W). Generalmente la energía eléctrica se suele expresar en kilovatios-hora, por lo que hay que expresar la potencia en kW y el tiempo en horas. Ejercicios 1.- Calcula el calor que produce un radiador eléctrico conectado durante 3 horas y que tiene las siguientes características: 230 V y 5 A. (Sol.: 12 420 kJ) 2.- ¿Qué energía consume una bombilla de 40 W que está encendida durante 5 horas? (Sol.: 720 kJ) 3.- ¿Qué energía consume en 2 horas una linterna que funciona con dos pilas de 1,5 V y por la que circula una intensidad de 3 A? (Sol.: 64,8 kJ) ¿Y una plancha por la que circula una intensidad de 4 A? (Sol.: 86,4 kJ) 4.- Calcula la energía que consumen los siguientes aparatos en el tiempo indicado: • • • •
Una plancha de 800 W durante una hora y media. (Sol.: 4 320 kJ) Un radiador de 1 500 W durante 5 horas. (Sol.: 27 000 kJ) Un secador de pelo de 1 100 W durante 15 minutos. (Sol.: 990 kJ) Una bombilla de 100 W durante 6 horas. (Sol.: 2 160 kJ)
MAGNETISMO Se denomina magnetismo a la propiedad que tienen los imanes de atraer los materiales ferrosos (hierro, acero). El campo magnético es la región del espacio donde se ponen de manifiesto las fuerzas de origen magnético. Estas fuerzas se concentran en dos puntos: los polos. Si situamos limaduras de hierro cerca de un imán estas forman unas curvas llamadas líneas de fuerza que salen del polo norte del imán y se dirigen al polo sur.
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Electricidad
Las cargas eléctricas que se encuentran en movimiento en un circuito originan la aparición de un campo magnético a su alrededor, que puede desviar la aguja de una brújula que señale la dirección Norte.
La intensidad del campo magnético aumentará al incrementarse la intensidad de la corriente eléctrica y disminuirá al aumentar la distancia con respecto al conductor.
Si enrollamos una barrita de hierro a un hilo de cobre y lo conectamos a una pila, el flujo de la corriente eléctrica creará un campo magnético y la barrita queda imantada. Es lo que se conoce como electroimán. Estos aparecen en los motores eléctricos, para separar el metal en los centros de reciclaje, …
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Electricidad Actividades 1.- Completa la siguiente tabla referente a las magnitudes eléctricas:
2.- Observa con atención los siguientes diagramas y responde a las cuestiones que se plantean.
a. Identifica los componentes rodeados con un círculo en el circuito nº 1. b. Respecto al circuito nº 2: i. En la situación que indica el circuito, ¿qué marcarían los amperímetros A-2 y A3? ii. ¿En qué estado deberían estar los interruptores para que solo lucieran las bombillas B-3, B-4 y B-5? c. En la situación que indica el circuito nº 2, ¿qué marcaría el voltímetro V-1? Explica por qué. 3.- Observa con atención el siguiente circuito eléctrico y responde a las cuestiones que se plantean.
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Electricidad
a. Identifica los elementos numerados del 1 al 5. b. Realiza los c叩lculos necesarios para completar la tabla siguiente: CIRCUITOS 1 2 3 4 5
VOLTAJE (V) 4V 5V
INTENSIDAD (A) 0,2 A
RESISTENCIA (立)
POTENCIA (W)
100 立 0,5 A
4,5 W 0,12 W
12 V 1,2 A
200 立
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