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Tecnología Diseño de Circuitos Eléctricos 1

Luis Antonio Magaña Pineda

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Dirección editorial

Ma. Emilia de Lourdes Hernández Betancourt

Gerencia editorial

Enriqueta Maqueda Serrano

Corrección de estilo

Romi Pacheco Quintana, Clara Hernández Rosas

Diseño y diagramación Factor:02 Diseño de portada

Factor:02 / Eleazar Maldonado San Germán

Fotografía

iStockphoto, Latinstock

Ilustración

Factor:02 / Ricardo Quezada Magaña

Tecnología, Diseño de Circuitos Eléctricos 1 Prohibida la reproducción parcial o total del contenido de la presente obra, por cualquier medio, sin la autorización escrita del editor.

Registro Núm. 03-2012-021309553900-01, marzo de 2012 ante el Instituto Nacional del Derecho de Autor. DERECHOS RESERVADOS © 2012, respecto a la primera edición por: Ediciones ECA, S. A. de C. V. http://edicioneseca.com Los Juárez núm. 3, Col. Insurgentes Mixcoac, 03920 México, D. F.

ISBN: 978-607-95824-0-1

Impreso en México - Printed in Mexico

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Tecnología, Diseño de circuitos eléctricos 1

Presentación Tecnología, Diseño de Circuitos Eléctricos 1, tiene como propósito sentar las bases sobre el funcionamiento de la electricidad para que el alumno avance en la com­ prensión y aplicación de la técnica en el diseño de circuitos eléctricos aplicados a diversos sistemas, desde una sencilla lámpara de pie hasta el manejo de una instalación eléctrica más compleja. De esta manera, en el libro se estudia la construcción y uso de herramientas, má­ quinas e instrumentos en correspondencia con las características de los materiales conductores de la electricidad, empleados en la instalación de circuitos eléctricos y los tipos de energía. Se exponen los principios científicos que explican la naturaleza y el funcionamiento del fenómeno eléctrico, y se promueve el reconocimiento de los materiales y la energía como insumos en los procesos técnicos y la obtención de productos. Contiene ejercicios y actividades que capacitan al alumno para diseñar y ejecutar proyectos, y resolver problemas técnicos de su contexto. Asimismo, propone la ejecución de un proyecto de producción artesanal, que permita articular y analizar todos los contenidos desde una perspectiva sistémica y con énfasis en los procesos productivos. El texto cumple puntualmente con el plan de estudios de la Secretaría de Educación Pública, y presenta diversos recursos pedagógicos que ayudan a la comprensión de los conceptos propios del laboratorio de diseño de circuitos eléctricos. El objetivo es fomentar el desarrollo de competencias para la vida y los valores actitudinales que los alumnos requieren para formarse como los ciudadanos comprometidos que exige el presente siglo.

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Bloque I. Técnica y tecnología 1.1 Técnica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 1.1.1 La técnica en la vida cotidiana . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 ••Los objetos técnicos de uso cotidiano como productos de la técnica. . . . . . . . . . . . . . . . ••Las técnicas en la vida cotidiana para la satisfacción de necesidades e intereses. . . . . . . . ••La técnica en el diseño de circuitos eléctricos y sus implicaciones en la vida cotidiana para la satisfacción de necesidades e intereses. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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1.1.2 La técnica como sistema, clases de técnicas y sus elementos comunes . . . . . . . . . 22 ••Los componentes de las técnicas como conjunto de acciones estratégicas, instrumentales y de control. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ••Las operaciones puestas en práctica en el diseño de circuitos eléctricos: la toma de decisiones, la selección de materiales y la ejecución de las acciones. . . . . . . . . ••La instalación y operación de circuitos en paralelo y en serie como clases de técnicas. . . .

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1.1.3 La técnica como práctica sociocultural e histórica y su interacción con la naturaleza . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 ••Los procesos de producción de bienes y servicios para la satisfacción de necesidades e intereses. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ••La participación social organizada y dirigida de la producción mediante la técnica. . . . . . ••La técnica como medio de relación con la naturaleza. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ••El uso de circuitos eléctricos en diversos ámbitos de la vida cotidiana para la satisfacción de necesidades e intereses. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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1.1.4 Las técnicas y los procesos productivos artesanales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 ••Los procesos técnicos artesanales en la comunidad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ••Las características de los procesos técnicos artesanales en el diseño y construcción de circuitos eléctricos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ••El proceso artesanal en el diseño de circuitos eléctricos: empleo de herramientas e intervención del ser humano en las fases del proceso técnico. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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1.2 Tecnología . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 1.2.1 La tecnología como campo de conocimiento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 ••La tecnología como campo de estudio y reflexión de la técnica. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ••Las diversas acepciones de Tecnología. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ••El estudio de las técnicas en el diseño de circuitos eléctricos para entender y mejorar sus prácticas: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Funciones y acciones técnicas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Recursos naturales como fuentes de insumos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Funcionalidad. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Infraestructura y los equipos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Preferencias del consumidor. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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1.2.2 El papel de la tecnología en la sociedad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 ••La tecnología para la satisfacción de necesidades e intereses y para la mejora de procesos y productos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ••El diseño de circuitos eléctricos para la seguridad y el confort. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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1.2.3 La resolución de problemas técnicos y el trabajo por proyectos en los procesos productivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 ••La tecnología y sus métodos de trabajo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Trabajo por proyectos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Resolución de problemas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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••Los problemas técnicos en la vida cotidiana. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ••El proyecto productivo artesanal. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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Integración de conceptos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

Bloque II. Medios técnicos 2.1 Herramientas, máquinas e instrumentos como extensión de las capacidades humanas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 ••Los procesos de creación de herramientas y máquinas según sus funciones en las sociedades antiguas y sus procesos de cambio: las acciones y los gestos técnicos. . . . ••La delegación de funciones en herramientas y máquinas empleadas en la instalación de circuitos eléctricos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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2.2 Herramientas, máquinas e instrumentos: sus funciones y su mantenimiento . . . . 51 ••Los componentes de una máquina: fuentes de energía, motor, transmisión, actuador, sistemas de regulación y control. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ••Las herramientas, máquinas e instrumentos empleados en el diseño y construcción de circuitos eléctricos: definición conceptual, morfología y función. . . . . . . . . . . . . . . . . . ••El mantenimiento preventivo y correctivo de herramientas y máquinas utilizadas en el laboratorio de tecnología de diseño de circuitos eléctricos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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2.3 Las acciones técnicas en los procesos artesanales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 ••Los procesos artesanales para el diseño y construcción de circuitos eléctricos. . . . . . . . . . ••El proceso artesanal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . El empleo de herramientas y máquinas e intervención del ser humano en las fases del proceso técnico. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Las acciones de regulación y control en el uso de herramientas y máquinas para la instalación de circuitos eléctricos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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2.4 Conocimiento, uso y manejo de las herramientas, máquinas e instrumentos en los procesos artesanales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 ••Los conocimientos para el manejo de herramientas, máquinas e instrumentos en los procesos técnicos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ••La descripción de las acciones estratégicas e instrumentales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . La toma de decisiones para alcanzar los fines deseados en las fases del proceso. . . . . . . Las acciones instrumentales para el manejo de herramientas y máquinas. . . . . . . . . . . . Los procesos de regulación y control en el uso de herramientas y máquinas. . . . . . . . . . ••Introducción a las técnicas en la construcción de circuitos eléctricos: el uso del multímetro en los circuitos eléctricos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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2.5 Aplicaciones de las herramientas y máquinas en nuevos procesos según el contexto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69 ••El origen y adecuación de las funciones de herramientas y máquinas. . . . . . . . . . . . . . . . . ••La aplicación de motores eléctricos a las máquinas: la refrigeración y las computadoras. ••El empleo de nuevos medios técnicos en el diseño de circuitos eléctricos. . . . . . . . . . . . . .

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2.6 Herramientas, máquinas e instrumentos en la resolución de problemas técnicos y el trabajo por proyectos en los procesos productivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 ••Las herramientas, máquinas e instrumentos empleados en el proceso de instalación y mantenimiento de circuitos eléctricos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ••El trabajo por proyectos en el diseño de circuitos eléctricos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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Integración de conceptos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74

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Bloque III. Transformación de materiales y energía 3.1 Materiales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80 3.1.1 Origen, características y clasificación de los materiales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80 ••Los materiales en los procesos y productos técnicos: en la casa, la oficina y en el laboratorio de tecnología. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ••Los materiales con que están hechas las herramientas y su relación con los materiales sobre los que actúan. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ••Los materiales, propiedades y usos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Materiales aislantes y conductores de la electricidad en los circuitos eléctricos. Resistencia al paso de la corriente eléctrica. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Aislantes naturales y sintéticos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Reacciones químicas y la electricidad. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ••La pila de hidrógeno. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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3.1.2 Uso, procesamiento y aplicaciones de los materiales naturales y sintéticos . . . . . 87 ••Los nuevos materiales y sus aplicaciones. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ••Los metales como conductores de la electricidad. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ••Los conductores de cobre y su función según el calibre. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ••Las aleaciones de plomo y estaño para la unión de componentes en los circuitos eléctricos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ••Los materiales inflamables y resistentes al calor. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ••Los nuevos materiales para el aislamiento de cables. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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3.1.3 Previsión del impacto ambiental derivado de la extracción, el uso y procesamiento de los materiales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99 ••Los problemas que genera en los ecosistemas la extracción, y el uso y procesamiento de los materiales empleados en el diseño de circuitos eléctricos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99 ••La previsión de los impactos ambientales por medio de nuevas técnicas en la construcción de circuitos eléctricos: el empleo de materiales de última generación. . . . . . . . . . . . . . . . 100

3.2 Energía . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100 3.2.1 Fuentes y tipos de energía y su transformación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100 ••Los tipos y fuentes de energía empleados en los procesos técnicos para el diseño y construcción de circuitos eléctricos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101 ••La energía eléctrica y sus usos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102

3.2.2 Funciones de la energía en los procesos técnicos y su transformación . . . . . . . . . 103 ••Las funciones de la energía en los procesos técnicos: activación de mecanismos y transformación de materiales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ••La función de los conversores de energía. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ••Las funciones técnicas de la energía eléctrica y el magnetismo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ••La relación entre la corriente eléctrica, su conducción y usos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ••El circuito eléctrico: voltaje, resistencia e intensidad de la corriente, sus relaciones y usos (Ley de Ohm). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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3.2.3 Previsión del impacto ambiental derivado del uso de la energía . . . . . . . . . . . . . . 112 ••Los problemas que generan en los ecosistemas el uso de la energía y su previsión. . . . . . . ••Las corrientes de agua y el viento como fuentes de energía . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . La rueda hidráulica y el molino de viento como antecedente de los conversores de energía. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Los dinamos, alternadores y generadores. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ••Las corrientes directa y alterna y sus usos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ••Las baterías de materiales no contaminantes como fuente de energía. . . . . . . . . . . . . . . .

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••El sol, el viento y las mareas como fuentes para la generación de energía eléctrica no contaminante; conversores: fotoceldas y turbinas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116

3.2.4 Los materiales y la energía en la resolución de problemas técnicos y el trabajo por proyectos en los procesos productivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116 ••Selección de los materiales y la energía para el desarrollo del proyecto. . . . . . . . . . . . . . . 117 ••El trabajo por proyectos en el énfasis de diseño de circuitos eléctricos. . . . . . . . . . . . . . . 117

Integración de conceptos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118

Bloque IV. Comunicación y representación técnica 4.1 La importancia de la comunicación técnica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122 ••La importancia de la comunicación técnica en el diseño y construcción de circuitos eléctricos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123 ••Los medios de comunicación técnica: oral, gestual, escrita, gráfica y señales. . . . . . . . . . 124

4.2 La representación técnica a lo largo de la historia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125 ••Los medios de representación y comunicación técnica en diferentes culturas y tiempos. . ••La representación de los circuitos eléctricos enfocada en su comunicación y reproducción. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ••Las funciones de la representación técnica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Transmisión de los conocimientos técnicos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Reproducción de técnicas y procesos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Difundir la operación de los productos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Diseñar y proyectar procesos y productos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ••Los símbolos y códigos en las representaciones de circuitos eléctricos. . . . . . . . . . . . . . . .

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4.3 Lenguajes y representación técnica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137 ••El uso de lenguajes para la representación de los circuitos eléctricos. . . . . . . . . . . . . . . . . 137 ••Los manuales para el uso y mantenimiento de los aparatos electrodomésticos. . . . . . . . . 138

4.4 El lenguaje y la representación técnica en la resolución de problemas técnicos y el trabajo por proyectos en los procesos productivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139 ••Los conocimientos e información técnica como insumos para la resolución de problemas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140 ••El trabajo por proyectos en el diseño de circuitos eléctricos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140

Integración de conceptos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142

Bloque V. Proyecto de producción artesanal 5.1 El proyecto como estrategia de trabajo en Tecnología . . . . . . . . . 146 5.1.1 Procesos productivos artesanales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146 ••Características de un proceso productivo artesanal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148 El sistema técnico persona - producto. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149 La intervención del ser humano en cada fase del proceso. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149

5.1.2 Los proyectos en tecnología . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151 ••El proyecto de producción artesanal en el diseño de circuitos eléctricos. . . . . . . . . . . . . . 151

5.2 El proyecto de producción artesanal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154 5.2.1 Acercamiento al trabajo por proyectos: fases del proyecto de producción artesanal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154 ••Las fases del proyecto de producción artesanal de diseño de circuitos eléctricos. . . . . . . . 155

Integración de conceptos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157

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Transformación de materiales y energía

Recursos pedagógicos

Recursos pedagógicos

C ontenido

3.1 MATERIALES 3.1.1 Origen, características y clasificación de los materiales. 3.1.2 Uso, procesamiento y aplicaciones de los materiales naturales y sintéticos. 3.1.3 Previsión del impacto ambiental derivado de la extracción, uso y procesamiento de los materiales.

Contenido Presenta la información desglosada del programa de estudio de la Secretaría de Educación Pública.

3.2 ENERGÍA 3.2.1 Fuentes y tipos de energía y su transformación. 3.2.2 Funciones de la energía en los procesos técnicos y su transformación. 3.2.3 Previsión del impacto ambiental derivado del uso de la energía. 3.2.4 Los materiales y la energía en la resolución de problemas técnicos y el trabajo por proyectos en los procesos productivos.

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P ropósitos

Propósitos ropósitos

P

Distinguir el origen, la diversidad y las posibles transformaciones de los materiales según la finalidad. • Clasificar a los materiales de acuerdo a sus características y su función en diversos procesos técnicos. • Distinguir el origen, la diversidad y las posibles • Identificar el uso de los materiales y de la energía transformaciones de los materiales según la en los procesos técnicos. finalidad. • Prever los posibles efectos derivados del uso y • Clasificar a los materiales de acuerdo a sus transformación de materiales y energía en la características y su función en diversos procesos naturaleza y la sociedad. técnicos. • Identificar el uso de los materiales y de la energía en los procesos técnicos. • Prever los posibles efectos derivados del uso y transformación de materiales y energía en la naturaleza y la sociedad. EL ALUMNO:

P ropósitos

• Distinguir el origen, la diversidad y las posibles Se refiere a los saberes-conocimientos, habilidadestransformaciones de los materiales según la finalidad. destrezas, capacidades y competencias que el alumno • Clasificar a los materiales de acuerdo a sus características y su función en diversos procesos técnicos. desarrollará •y que le permitirá ser productivo en la Identificar el uso de los materiales y de la energía en los procesos técnicos. sociedad en •la que vive. Prever los posibles efectos derivados del uso y transformación de materiales y energía en la naturaleza y la sociedad.

Aprendizajes esperados

• Identifica los materiales de acuerdo a su origen y aplicación en los procesos técnicos. • Distingue la función de los materiales y la energía en los procesos técnicos. • Valora y toma decisiones referentes al uso adecuado EL ALUMNO: de materiales y energía en la operación de sistemas • Identifica los materiales de acuerdo a su origen y técnicos para minimizar el impacto ambiental. aplicación en los procesos técnicos. • Emplea herramientas y máquinas para transformar • Distingue la función de los materiales y la energía en los y aprovechar de manera eficiente los materiales y la procesos técnicos. energía en la resolución de problemas técnicos. • Valora y toma decisiones referentes al uso adecuado de materiales y energía en la operación de sistemas técnicos para minimizar el impacto ambiental. • Emplea herramientas y máquinas para transformar y aprovechar de manera eficiente los materiales y la energía en la resolución de problemas técnicos.

Aprendizajes esperados Aprendizajes esperados Son aquellos expresados en objetivos o competencias, que se espera que el estudiante logre durante, como al final de proceso de capacitación.

En este bloque

Aprendizajes esperados EL ALUMNO: • Identifica los materiales de acuerdo a su origen y aplicación en los procesos técnicos. • Distingue la función de los materiales y la energía en los procesos técnicos. • Valora y toma decisiones referentes al uso adecuado de materiales y energía en la operación de sistemas técnicos para minimizar el impacto ambiental. • Emplea herramientas y máquinas para transformar y aprovechar de manera eficiente los materiales y la energía en la resolución de problemas técnicos.

En este bloque

Se retoman y articulan los contenidos de los Bloques I y II para analizar los materiales desde dos perspectivas: la primera considera el origen, las carac­ Se retoman y articulan los contenidos de los Bloques I y II para analizar los terísticas y la clasificación de los materiales; hace énfasis en la relación de materiales desde dos perspectivas: la primera considera el origen, las carac­ sus características con la función que cumplen; la segunda propone el estudio terísticas y la clasificación de los materiales; hace énfasis en la relación de de los materiales, tanto naturales como sintéticos. Asimismo, se revisan las sus características con la función que cumplen; la segunda propone el estudio implicaciones en el entorno por la extracción, uso y transformación de mate­ Se retoman y articulan los contenidos de los Bloques I y II para analizar los de los materiales, tanto naturales como sintéticos. Asimismo, se revisan las riales y energía, así como la manera de prever riesgos ambientales. materiales desde dos perspectivas: la primera considera el origen, las carac­ implicaciones en el entorno por la extracción, uso y transformación de mate­ Finalmente, la energía se analiza a partir de su transfor mación para la terísticas y la clasificación de los materiales; hace énfasis en la relación de riales y energía, así como la manera de prever riesgos ambientales. generación de la fuerza, el movimiento y el calor que posibilitan el funcio­ sus características con la función que cumplen; la segunda propone el estudio Finalmente, la energía se analiza a partir de su transfor mación para la namiento de los procesos o la elaboración de productos. de los materiales, tanto naturales como sintéticos. Asimismo, se revisan las generación de la fuerza, el movimiento y el calor que posibilitan el funcio­ implicaciones en el entorno por la extracción, uso y transformación de mate­ namiento de los procesos o la elaboración de productos. riales y energía, así como la manera de prever riesgos ambientales. 79 Finalmente, la energía se analiza a partir de su transfor mación para la 79 generación de la fuerza, el movimiento y el calor que posibilitan el funcio­ namiento de los procesos o la elaboración de productos.

En este bloque

En este bloque

Representa una referencia rápida del contenido.

Bloque I

Técnica y Tecnología

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Actividad individual El alumno pone en práctica lo aprendido en la lección inmediata anterior con el objetivo de reforzar el conocimiento adquirido.

Actividad 6 Dibuja un cuadro comparativo con dos columnas. En la primera anota el nombre de un aparato eléctrico que conozcas y una breve descripción de la tarea que realiza; en la segunda, escribe el antecedente del aparato y su funcionalidad. Sigue el ejemplo. Aparato eléctrico

Antecedente

Bomba de agua.

Acueducto de piedra.

Se utiliza para mover el líquido

Utiliza la gravedad para

a grandes distancias.

mover el agua.

Banda de conducción

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EDICIONES

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®

Los electrones giran alrededor del núcleo en diferentes órbitas (cuyo nombre correcto es niveles energéticos). En cada nivel, los electrones se alejan más del núcleo y la fuerza de atracción disminuye. Como es lógico, en el último nivel energético la atracción del núcleo sobre los electrones es más débil. A este último nivel se le conoce como banda de conducción y los electrones que

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Tecnología, Diseño De circuiTos elécTricos i

ación técnica en el diseño ctricos

esentar el proceso dad para nuestra codificador, deco-

Las primeras formas de comunicación del hombre fueron las expresiones gráficas, representaciones por medio de figuras o signos plasmados mediante las técnicas del dibujo o la pintura. Un dibujo se define como la delineación, figura o imagen, ejecutada en claro y oscuro, que toma nombre del material con que se hace, mientras que pintar es la representación de un objeto en una superficie con las líneas y los colores convenientes. Ambas expresiones son un lenguaje universal ya que de modo gráfico, sin mediar palabras, transmiten ideas que todos entienden, rompiendo con ello las barreras del idioma. Hay gráficos reconocidos universalmente denominados símbolos o signos. Ejemplos de éstos son las señalizaciones que prohíben fumar, los signos que diferencian géneros o advertencias de peligro en los que se utiliza el lenguaje gráfico como un modo más directo y eficiente de transmitir el mensaje. Asimismo, la comunicación y representación técnicas constituyen una forma de transmitir y conservar los conocimientos, así como una invaluable herramienta de aprendizaje que permite usar e incluso construir nuevas herramientas y máquinas.

Tecnología, Diseño de circuitos eléctricos 1

Tecnología, Diseño De circuiTos elécTrico

Actividad grupal

Actividad 4

El alumno colabora con sus compañeros de clase en la solución de un problema con el propósito de desarrollar habilidades de cooperación, delegación de responsabilidades y trabajo en equipo.

En grupos de trabajo, hagan una tabla de grados de abstracción para los siguientes objetos: foco, motor eléctrico, interruptor eléctrico, pila, voltímetro y timbre. En la primera columna escriban el nombre del objeto real; en la segunda coloquen una fotografía del mismo (pueden obtenerla en Internet); en la tercera hagan un dibujo y, en la última, ilustren su símbolo. Sigan el ejemplo. Nombre

Los signos convencionales son aquellas representaciones gráficas que carecen de un significado intuitivo o natural; son producto de cierta cultura en la que sus miembros han convenido o acordado que cierta figura arbitraria represente un concepto dado. Por ejemplo, en nuestra cultura, un círculo cruzado por una diagonal representa el concepto de prohibición.

proceso inverso: relacionar el esenta.

e, es el conjunto de términos, es conocido y aceptado por cativo. Si alguno de los partide referencia que los demás, no o mismo no formará parte del

idioma español no el objeto material , si desconocemos ados con la electrique intenta trans-

Fotografía

Dibujo

Símbolo

Electrón

para representar ioma español acordamos que ce referencia a una edificación cas. En el Bloque III aprendiste ra oponerse a la corriente elécque presentan tal característica .

nvencionales

Comparen los dibujos que realizaron los diferentes equipos y dialoguen en grupo sobre las siguientes cuestiones: ¿son iguales? ¿Se puede seleccionar Tecnología, Diseño De circuiTos elécTricos i cualquiera de ellos y afirmar que representa el objeto cuyo nombre aparece Aporta el significado específico de uncolumna? término en la primera ¿Cualquiera de ellos puede ser interpretado correcta­ mente por una persona que tiene conocimientos de electricidad? ¿Se pueden poco común en el lenguaje coloquial con el combinar todos para armar un diagrama y esperar que alguien pueda construir importancia de la comunicación técnica en el diseño un sistema eléctrico que tenga una lámpara, un timbre y que mida los voltios? fin deLa que el alumno comprenda todos los

Definición

y construcción de circuitos eléctricos

términos que se utilizan en la lección. Existen diferentes diagramas para representar el proceso

Las primeras formas de comunicación hombre fueron La representación de los circuitos eléctricos paradelsu

Técnica y Tecnología

Bloque I

comunicativo. Uno de ellos —de utilidad para nuestra las expresiones gráficas, representaciones por medio de comunicación y reproducción figuras o signos plasmados mediante las técnicas del dibujo materia— incluye otros tres elementos: codificador, decoo la pintura. dibujo se define como la delineación, los Un sistemas eléctricos y sus elementos con dificador y marco de referencia. Hasta ahora hemos representado figura o imagen, ejecutada en claro y oscuro, que toma dibujos (segundo nivel de abstracción); sin embargo, éstos no forman parte de nombre del material con que se hace, mientras que pintar Actividad 2 Campo electromagnético un sistema convencional estandarizado por ser técnicas artesanales (Bloque I). es la representación de un objeto en una superficie con las En grupos de trabajo investiguen un sistema de signos M convenlíneas y los colores convenientes. expresiones ichael Faraday fue el primero en deducir y comprobar el magnetismo Porque lo mismo, dependeny de la habilidad de quien aplica laAmbas técnica y puede son pres­ lenguaje universal ya que de modo gráfico, sin mediar cionales que se utilice para transmitir información. Expliquen la electricidad son dos aspectos del mismo fenómeno,tarse esto aes:confusiones el magnetismo y malasun interpretaciones, en términos de comunicación: la palabras, transmiten ideas que todos entienden, rompiendo algunos de sus elementos y los conceptos que representan. produce electricidad y la información electricidad magnetiza cuerpos, como loy estudiarás codificación decodificación del podrían ser diferentes el resultado Añade de los utilidad y cultura con ellomensaje las barreras del idioma. Hay gráficosy reconocidos con detalle en lecciones posteriores. Por el momento, lono importante es saber sería el espe rado. que universalmente denominados símbolos o signos. Ejemplos general con el propósito de incrementar los experimentos de Faraday demostraron que la fuerza que ejercen entre sí las de éstos son las señalizaciones que prohíben fumar, los Para evitar confusiones, los sistemas eléctricos segéneros presentan como diagramas con signos que diferencian o advertencias de peligro respectivas cargas y negativas de generales un cuerpo creadel un campo de fuerza los positivas conocimientos alumno en los que se utiliza el lenguaje gráfico como modo más símbolos convencionales estandarizados, es decir, símbolos que son un reconocidos electromagnético a su alrededor. directo y eficiente de transmitir el mensaje. Asimismo, la y aceptados por las instituciones nacionales e internacionales que regulan el uso sobre el tema que se está estudiando. comunicación y representación técnicas constituyen una eDiciones ® 123 y aplicación de dispositivos eléctricos. forma de transmitir y conservar los conocimientos, así como

Complemento

En México, los aspectos técnicos relacionados con la energía eléctric —su correcto uso en casas, edificio y alumbrado público—, están regulados por la Norma Oficial Mexicana, que estudiaremos en cursos posteriores.

una invaluable herramienta de aprendizaje que permite usar

Actividad 5

Antes de conocer los símbolos estandarizados que utilizarás en el resto de las e incluso construir nuevas herramientas y máquinas. lecciones, es indispensable comprender la función de un diagrama:

Para comprobar la existencia del campo de fuerza electromagnético y las

El diagrama de un circuito eléctrico representa el camino que siguen La codificación es el uso de signos convencionales para representar los electrones el punto sujetos u objetos; por ejemplo, en el idioma español desde acordamos quede origen hasta su regreso a la fuente, pasando por las cargas que consumen energía para realizar un trabajo. la combinación de las letras “c-a-s-a” hace referencia a una edificación Materiales: imanes rectangulares, una hoja de papel o un pedazo de con ciertas características arquitectónicas. En el Bloque III aprendiste cristal, rebaba metálica. que la característica de los materiales para oponerse a la corriente elécProcedimiento: coloca los imanes debajo del papel o el cristal. Esparce la Los signos convencionales son trica se llama “resistencia” y los objetos que tal característica Profundiza el conocimiento depresentan algunas rebaba metálica sobreen el lugar donde se encuentran los imanes. aquellas representaciones gráficas se representan con el símbolo . que carecen de un significado líneas de fuerza electrostática que produce, realiza el siguiente experimento.

Objetivo: visualizar las líneas de fuerza electrostática.

Biografía

personalidades cuyas aportaciones fueron decisivas para ciencia y que losrepresenta. fundamentos superficie de papel o con cristal. símbolo ellasujeto u objeto de la electricidad. El marco de referencia, por otra parte, es el conjunto de términos, Resultado: las rebabas metálicas son atraídas por el campo de fuerza

Michael Faraday Fue un físico y químico británico del siglo xix. Es reconocido por haber descubierto la inducción electromagnética, fenómeno que permitió la construcción de generadores y motores eléctricos. Faraday también planteó las leyes de la electrólisis, por lo que es considerado como el verdadero fundador del electromagnetismo y de la electroquímica.

que formanLa losdecodificación, imanes y dibujan por las líneas de fuerza sobre la relacionar el supuesto, es electrostática el proceso inverso:

eDiciones

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intuitivo o natural; son producto de cierta cultura en la que sus miembros han convenido o acordado que cierta figura arbitraria represente un concepto dado. Por ejemplo, en nuestra cultura, un círculo cruzado por una diagonal representa el concepto de prohibición.

Bloque I Técnica y Tecnología Todos los conceptos objetos están cargados electrostáticamente en mayor o y símbolos cuyo significado es conocido y aceptado por menor medida (incluyendo el humano) con cargas positivas los participantes encuerpo el proceso comunicativo. Si alguno de los partiy negativas cipantes repartidas toda suelsuperficie. Los de imanes son objetos nopor comparte mismo marco referencia que los demás, no especiales que tienen sus cargas electrostáticas polarizadas, decir, parte del podrá decodificar los mensajes y por lo mismo noesformará concentradas en doscomunicativo. polos opuestos: uno completamente negativo y proceso Actividad 6 otro completamente positivo. En este sentido, alguien que no conoce el idioma español no comparativo con dos columnas. En la primera anota el nombre de Dibuja un cuadro Michael Faradaylautilizó esta“casa” característica peculiar de los que conozcas y una breve descripción de la tarea que realiza; en la podrá relacionar palabra con el objeto material un aparato eléctrico Actividad 2 para demostrar lasmanera, alteraciones en el campo alimanes que hace referencia. Deque igual si desconocemos segunda, escribe el antecedente del aparato y su funcionalidad. Sigue el ejemplo. En grupos de trabajo investiguen un sistema de signos convenmagnético provocadas por ciertos metalescon sonla capaces los términos, conceptos y símbolos relacionados electriAparato eléctrico Antecedente cionales que se utilice para transmitir información. Expliquen de producir una corriente eléctrica. Al método de Faraday cidad no comprenderemos los mensajes que intenta transAcueducto de piedra. que representan. Bomba de agua. algunos de sus elementos y los conceptos se le conoce como de inducción electromagnética, porqueSe las mitirnos el diagrama un circuito. Utiliza la gravedad para utiliza para mover el líquido mover el agua. a grandes distancias. alteraciones en el campo inducen o provocan el movimiento de electrones que da como resultado la corriente.

Integración de conceptos

Constituye un repaso al final de cada bloque Al final de este bloque demostraremos la exactitud de las de conducción que resume los conceptos estudiados. conclusiones de Faraday, pero antes debesBanda comprender la eDiciones ® 123 Los electrones giran alrededor del núcleo en diferentes órbitas (cuyo nombre naturaleza y el funcionamiento del campo electromag­ correcto es niveles energéticos). En cada nivel, los electrones se alejan más del núcleo nético y sus componentes. y la fuerza de atracción disminuye. Como es lógico, en el último nivel energético la atracción del núcleo sobre los electrones es más débil.

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eDicioneS

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® A este último nivel se leEDICIONES conoce como banda de conducción y los electrones que se encuentran en ella reciben el nombre de electrones libres, porque pueden saltar de dicha banda y desplazarse de un átomo a otro dentro del cuerpo que los contiene. Este fenómeno ocurre cuando el átomo es excitado por medio de calor, luz o electricidad, de manera que algunos de sus electrones absorben 1/22/13 11:06 AM energía en exceso y eso provoca el salto.


BLOQUE

I

Técnica y Tecnología C ontenido 1.1 Técnica 1.1.1 Las técnicas en la vida cotidiana. 1.1.2 L a técnica como sistema, clases de técnicas y sus elementos comunes. 1.1.3 L a técnica como práctica sociocultural e histórica y su interacción con la naturaleza. 1.2 Tecnología 1.2.1 L a tecnología como campo de estudio y como reflexión sobre la técnica. 1.2.2 El papel de la tecnología en la sociedad. 1.2.3 L a resolución de problemas técnicos y el trabajo por proyectos en los procesos productivos. 1.1.4 L as técnicas y los procesos productivos artesanales.

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P ropósitos •• Reconocer a la técnica como objeto de estudio de la tecnología. •• Distinguir a la técnica como un sistema constituido por un conjunto de acciones para la satisfacción de necesidades e intereses. •• Identificar a los sistemas técnicos como el conjunto que integra a las acciones humanas, los materiales, la energía, las herramientas y las máquinas. •• Demostrar la relación que existe entre las necesidades sociales y la creación de técnicas que las satisfacen.

Aprendizajes esperados El alumno: •• Caracteriza a la tecnología como campo de conocimiento que estudia la técnica. •• Reconoce la importancia de la técnica como práctica social para la satisfacción de necesidades e intereses. •• Identifica las acciones estratégicas, instrumentales y de control como componentes de la técnica. •• Reconoce la importancia de las necesidades e intereses de los grupos sociales para la creación y el uso de técnicas en diferentes contextos sociales e históricos. •• Utiliza la estrategia de resolución de problemas para satisfacer necesidades e intereses.

En este bloque Se posibilita un primer acercamiento de la tecnología como estudio de la técnica, la cual se caracteriza desde una perspectiva sistémica como la unidad básica de estudio de la Tecnología. Promueve el reconocimiento del ser humano como creador de técnicas, que desarrolla una serie de actividades de carácter estratégico, instrumental y de control, para actuar sobre el medio y satisfacer sus necesidades conforme a su contexto e intereses.

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Técnica y tecnología

Bloque I

1.1 Técnica 1.1.1 La técnica en la vida cotidiana

Activación de conocimientos En grupo, y con ayuda de su maestro, reflexionen y respondan las siguientes preguntas:

A. Expliquen qué entienden por técnica. B. Mencionen tres actividades en las que, para desarrollarlas, necesiten de alguna técnica.

C. ¿De qué nos sirve seguir una técnica?

La técnica surge del deseo del hombre de producir objetos para satisfacer sus necesidades, y es el procedimiento o conjunto de procedimientos destinados a obtener un resultado determinado, como fabricar bienes o proveer servicios. La técnica nos rodea en todos los aspectos de nuestra vida y muchas de las actividades que realizamos integran diferentes técnicas: eléctrica, electrónica, hidráulica, ciber­nética, automotriz, etc. Empecemos por conocer qué es la electricidad. Electricidad es el nombre que damos a la energía que

proviene de una de las partículas más pequeñas de la Naturaleza: el electrón. Su tamaño exacto es todavía un enigma, se calcula que tiene una masa de 9.10 × 10–31 kg; es un número muy pequeño y se representa con el punto decimal seguido por 31 ceros, un nueve (9) y la unidad (1). Para trasladarlo a una escala visible, imagina una plaza pública cuyas dimensiones sean 320 m de longitud por 240 m de anchura, capaz de albergar 300 mil per­ sonas. En esas dimensiones, el núcleo del átomo sería del La Plaza de San Pedro, situada en la Ciudad del Vaticano, tamaño de un balón de basquetbol y el electrón sería dentro de la ciudad y capital italiana de Roma, precede a la del tamaño de una mota de polvo, ubicada en cualquier Basílica de San Pedro, el magno templo de la cristiandad. parte de la plaza. La Plaza de San Pedro, en Ciudad del Vaticano (Italia), tiene dimensiones semejantes a las descritas. Si trasladamos un átomo de hidrógeno (que contiene un solo electrón) a estas dimensiones, el núcleo sería un balón de basquetbol en el centro y el electrón sería una mota de polvo en cualquier lugar de la plaza. Miles de millones de estas pequeñas partículas en movimiento hacen funcionar todas las computadoras del mundo, los medios de comunicación, la industria, el comercio. El electrón es una partícula minúscula, pero sobre ella se sientan las bases de nuestra civilización.

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Los objetos técnicos de uso cotidiano como productos de la técnica El hogar es el primer lugar donde se manifiesta la presencia de la tecnología: aparatos eléctricos, agua potable, drenaje, utensilios y muebles que proporcionan comodidad. Los objetos que utilizan electricidad para su funcionamiento se dividen en tres grandes grupos: 1. Eléctricos: transforman la electricidad en otro tipo de energía, principalmente lumínica y calorífica. 2. Electromecánicos: utilizan un motor eléctrico para realizar cierto trabajo (convierten energía eléctrica en mecánica). 3. Digitales: contienen un microprocesador que utiliza la energía eléctrica para realizar tareas complejas que implican la interacción lógica con el usuario.

Actividad 1 Dibuja un cuadro en tu cuaderno e incluye los aparatos de cada categoría que más utilices en la escuela y en el hogar. Tipo de aparatos

Casa

El microprocesador es un dispositivo electrónico que utiliza millones de transis­tores para convertir señales eléctricas en instrucciones lógicas. Se le conoce también como microchip, y está inte­grado a todos los productos digitales como computadoras, teléfonos celulares, reproduc­tores de música y demás.

Escuela

Eléctricos Electromecánicos Digitales

El átomo Para comprender el funcionamiento de la electricidad es indispen­ sable estudiar la naturaleza del átomo. Seguramente has visto en algún lugar la famosa ecuación de Albert Einstein E=mc2. Significa que la cantidad de energía (E) que contiene un objeto cualquiera es igual a su masa (m) multiplicada por el cuadrado de la velocidad de la luz (c2); la velocidad de la luz en el vacío es de 300 mil km por segundo. La ecuación de Einstein tiene muchas implicaciones de gran importancia para la ciencia que no es posible abordar aquí; lo importante para nuestra materia es que la ecuación demuestra sin lugar a dudas lo siguiente: 1. Incluso los objetos más pequeños contienen una gran cantidad de energía. 2. La materia y la energía son dos caras de la misma moneda, o bien: son dos manifestaciones del mismo fenómeno y ambas están relacionadas con el átomo. Actualmente sabemos con certeza que el átomo está integrado por dos partes fundamentales: a) Un núcleo, circundado por b) una nube de electrones que traza órbitas muy precisas alrededor del primero.

Albert Einstein Físico alemán, nacionalizado suizo y posteriormente estadounidense. Publicó en 1905 un artículo sobre la relatividad espacial, del cual dedujo su fórmula física sobre la equivalencia de la masa y la energía en un cuerpo (E=mc²), que lo hizo mundialmente famoso. Sus trabajos revolucionaron el mundo de la física y sentaron las bases para la mecánica cuántica (el estudio de las partículas más pequeñas que el átomo), que es una importante rama de la física contemporánea.

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Técnica y tecnología

Bloque I

El núcleo es la parte más grande y pesada del átomo; está constituido por dos diminutas partículas llamadas protones y neutrones. El electrón, como lo explicamos al principio del bloque, es más pequeño con relación al núcleo. El átomo es la parte fundamental de toda la materia y la energía del Universo. Todo lo que conocemos está hecho de estas diminutas partículas. Los átomos individuales reciben el nombre de elementos en química, y tienden a combinarse entre sí de manera natural para formar estructuras más complejas llamadas moléculas. Por ejemplo, un átomo de oxígeno que se combina con dos de hidrógeno forman una molécula de agua, y una gota de agua contiene millones de moléculas. A su vez, las moléculas se combinan entre sí para dar forma a estructuras más complejas, incluyendo a todos los seres vivos y objetos inanimados.

Electrones Protones Neutrones

Cabe preguntarnos: ¿cómo se mantienen unidas estas tres partículas (protones, electrones y neutrones)? ¿Por qué no salen disparados los electrones? ¿Por qué no se desintegra el núcleo del átomo? La respuesta es sencilla: porque están cargados de energía, como lo indica la fórmula de Einstein. La esencia de este fenómeno radica en que son cargas de energía contrarias, pero en equilibrio: los electrones tienen una carga predominante negativa, los protones positiva y en los neutrones no predomina ninguna, por eso se dice que son neutros. Ambas cargas energéticas reciben el nombre de cargas electrostáticas y la fuerza que une a las tres partículas se conoce como fuerza atómica. Las cargas electrostáticas son el principio básico de la electricidad: su naturaleza, funcionamiento y control. De hecho, la electricidad es un fenómeno natural que sucede cuando los electrones se mueven libremente por el espacio. Un rayo, por ejemplo, es una fuerte descarga eléctrica natural que se mueve libremente a través del aire. El estudio de la electricidad consiste en aprender las técnicas para generar, transmitir, controlar y transformar esta poderosa fuerza natural.

Las técnicas en la vida cotidiana para la satisfacción de necesidades e intereses

Los nombres de las cargas electrostáticas positivo y negativo son meramente convencionales, es decir, no responden a ninguna característica distintiva de pro­tones ni electrones. El primero en darles ese nombre fue Benjamín Franklin en la década de 1760 y desde entonces se han conservado los nombres por costumbre; pero bien podríamos llamar a las cargas norte y sur (como sucede con los polos de los imanes), alto y bajo, blanco y negro o cualquier otra combinación para indicar que son cargas contrarias.

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Entendemos por técnica un conjunto de acciones que se ejecutan en pasos su­cesivos con el fin de realizar una tarea determinada; intervienen máquinas y herramientas. En tu vida cotidiana ejecutas muchas técnicas para obtener un satisfactor: en la cocina, al preparar los alimentos; en la casa, al hacer una repara­ción o mejora; por las mañanas, cuando te levantas y apagas el despertador, prendes el calentador y tomas una ducha, te preparas un café y ves las noticias por la televisión; cuando sales de casa y tomas el camión a la escuela; todas estas ac­tividades forman parte de una técnica (eléctrica, elec­ trónica, hidráulica, ciber­nética, automotriz, etc.).

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Actividad 2 Escribe y explica cinco técnicas que realizas en el hogar y en las que intervenga la energía eléctrica. Las actividades que describiste son posibles gracias a la forma particular en que se comporta el átomo, como lo verás a continuación.

Cargas electrostáticas Como sabes, el átomo está constituido por protones con carga posi­ tiva (+), electrones con carga negativa (-) y neutrones, unidos por la fuerza atómica. La fuerza que ejercen las respectivas cargas de protones y electrones se representa gráficamente con líneas de fuerza electrostática, como se muestra a continuación:

Se trata de líneas imaginarias que muestran la dirección y potencia del campo; por convención y para evitar confusiones, las líneas de fuerza de la carga positiva se representan siempre saliendo de ella y las negativas entrando a la suya.

Atracción y repulsión entre cargas Las cargas electrostáticas interactúan entre sí —de manera natural— por medio de dos fuerzas: atracción y repulsión siempre en el mismo sentido: cargas iguales se repelen y cargas contrarias se atraen, como se muestra en el diagrama.

En la gran mayoría de las actividades que realizamos en el hogar —planchar, ver T.V., aspirar la alfombra, cocinar etc.— interviene la energía eléctrica.

Para comprobar este fenómeno natural realizarás un sencillo experimento.

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Bloque I

Actividad 3 Objetivo: demostrar las fuerzas de atracción y repulsión entre dos objetos con cargas electrostáticas. Materiales: globos de plástico; nailon, lana o cabello; hilo. Procedimiento: 1) Infla dos globos hasta que el plástico quede tenso. 2) Corta dos hilos de 10 cm y uno de 30 cm. 3) Amarra la punta de cada hilo de 10 cm al nudo de cada globo, con la otra punta haz un pequeño lazo de manera que pueda entrar y moverse libremente por el cordel de 30 cm. 4) Frota ambos globos con un trozo de nailon, lana o sobre tu cabello (debe estar seco y libre de ungüentos). 5) Acerca los globos desde el lazo, arrastrándolos por el cordel tenso. Los globos tienen la misma carga electrostática, por lo que tenderán a separarse (repulsión).

Toma un nuevo globo y antes de colgarlo del cordel toca con él alguna pieza de metal y repite el paso 5. Ahora los globos tienen carga electrostática distinta, por lo que tenderán a juntarse (atracción).

Conclusión: el material con el que se frotó el globo le transmitió una sobrecarga de electrones; por tal razón, el globo obtuvo una carga negativa predominante. Al acercar otro globo con la misma carga, los globos tendieron a rechazarse (repulsión). Cuando se tocó un tercer globo con metal, el globo transmitió parte de sus electrones, por lo que obtuvo una carga positiva predominante. Al acercarlo al globo con carga negativa, ambos tendieron a unirse (atracción). En resumen: los globos con cargas iguales se rechazan y los globos con cargas distintas se atraen. Este fenómeno recibe el nombre de magnetismo y se define como la capacidad de ciertos materiales para ejercer fuerzas de atracción o repulsión sobre otros. El magnetismo es esencial para generar energía eléctrica, como lo estudiarás más adelante.

Actividad 4 Ahora construirás un electroscopio, aparato que permite detectar la presencia de cargas eléctricas en un cuerpo.

Objetivo: construir un aparato que detecte la presencia de cargas eléctricas en reposo. Materiales: un vaso de cristal, un clip, una tapa desechable de plástico, papel alu­minio, un globo, nailon, lana o cabello.

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Procedimiento: 1. Desdobla el clip como aparece en la imagen.

2. Inserta el clip en la tapa. El extremo más ancho debe ir hacia abajo. Elabora una bola con papel aluminio y colócala en la parte superior.

3. Elabora una tira con papel aluminio y colócala doblada a la mitad en el extremo ancho del clip, e introduce el conjunto en el vaso de cristal.

4. Frota el globo con el nailon, lana o el cabello.

Acércalo lentamente a la bola de papel aluminio con un movimiento vertical (de arriba hacia abajo).

Los extremos del papel aluminio tenderán a separarse.

Ahora quita el globo y toca con un dedo la bola de aluminio; los extremos de la tira volverán a unirse.

5. Escribe las conclusiones en tu cuaderno. a) ¿Qué sucede con la tira de papel aluminio? b) ¿A qué se debe la separación de sus extremos cuando acercas el globo? c) ¿Por qué se vuelven a unir al colocar un dedo en la bola de aluminio?

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Bloque I

Campo electromagnético Michael Faraday fue el primero en deducir y comprobar que el magnetismo y la electricidad son dos aspectos del mismo fenómeno, esto es: el magnetismo produce electricidad y la electricidad magnetiza los cuerpos, como lo estudiarás con detalle en lecciones posteriores. Por el momento, lo importante es saber que los experimentos de Faraday demostraron que la fuerza que ejercen entre sí las respectivas cargas positivas y negativas de un cuerpo crea un campo de fuerza electromagnético a su alrededor.

Actividad 5 Para comprobar la existencia del campo de fuerza electromagnético y las líneas de fuerza electrostática que produce, realiza el siguiente experimento.

Objetivo: visualizar las líneas de fuerza electrostática. Materiales: imanes rectangulares, una hoja de papel o un pedazo de cristal, rebaba metálica.

Procedimiento: coloca los imanes debajo del papel o el cristal. Esparce la rebaba metálica sobre el lugar donde se encuentran los imanes.

Resultado: las rebabas metálicas son atraídas por el campo de fuerza Michael Faraday Fue un físico y químico británico del siglo xix. Es reconocido por haber descubierto la inducción electromagnética, fenómeno que permitió la construcción de generadores y motores eléctricos. Faraday también planteó las leyes de la electrólisis, por lo que es consi­derado como el verdadero fundador del electromagnetismo y de la electroquímica.

que forman los imanes y dibujan las líneas de fuerza electrostática sobre la superficie de papel o cristal.

Todos los objetos están cargados electrostáticamente en mayor o menor medida (incluyendo el cuerpo humano) con cargas positivas y negativas repartidas por toda su superficie. Los imanes son objetos especiales que tienen sus cargas electrostáticas polarizadas, es decir, concentradas en dos polos opuestos: uno completamente negativo y otro completamente positivo. Michael Faraday utilizó esta característica peculiar de los imanes para demostrar que las alteraciones en el campo magnético provocadas por ciertos metales son capaces de producir una corriente eléctrica. Al método de Faraday se le conoce como inducción electromagnética, porque las alteraciones en el campo inducen o provocan el movimiento de electrones que da como resultado la corriente. Al final de este bloque demostraremos la exactitud de las conclusiones de Faraday, pero antes debes comprender la naturaleza y el funcionamiento del campo electromag­ nético y sus componentes.

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Ley de Culombo En el átomo, las cargas electromagnéticas corres­ponden a partículas específicas: protones, po­sitiva (+) y electrones, negativa (-). Si el átomo está constituido por un núcleo de carga positiva predo­minante (protones y neu­trones), rodeado de una nube de electrones con carga negativa, y los objetos con cargas distintas se atraen, en­tonces ¿por qué los electrones no se precipitan sobre el núcleo? La explicación es sencilla: sus fuerzas electrostáticas están en equilibrio, como lo explica la Ley de Culombo, que estipula: La fuerza de atracción o repulsión entre dos cuerpos con cargas electrostáticas es proporcional a la intensidad de la carga presente en cada uno de ellos, dividida por el cuadrado de la distancia que los separa. En cargas contrarias significa que mientras mayor sea la magnitud de cada una, mayor será la fuerza de atracción entre ellas y mientras más cerca esté una de otra, la atracción se incrementará. Lo mismo aplica a cargas iguales, pero con repulsión. Dentro del átomo, por cada protón en el núcleo existe un electrón en la nube circundante, de tal manera que el total de sus cargas se anula, es decir, queda en equilibrio. Por ejemplo, el átomo de Boro tiene en su núcleo 5 pro­tones (+5) con 5 neutrones y es circundado por 5 electrones (-5), de modo que 5 – 5 = 0, es decir, no predomina ninguna carga electromagnética y el átomo está en equilibrio. Además, la distancia a la que se encuentran las órbitas de los electrones es la exacta para permitir la estabilidad. La Ley de Culombo es fundamental para nuestra materia, ya que explica cómo se genera la corriente eléctrica como consecuencia de la distancia entre los electrones de la última órbita y el núcleo.

Charles-augustin

de coulomb

Físico e ingeniero francés del siglo xviii. En su honor, la unidad de medida de los electrones lleva su nombre: culombio que se simboliza con la letra C. Dado que el electrón es una partícula extremadamente pequeña no es posible medirlo por unidad (uno por uno) por lo cual, el culombio representa un enorme conjunto de electrones, aproximadamente 6.28 trillones. Es decir: un culombio equivale a 6.28 trillones de electrones.

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Técnica y tecnología

Bloque I

Actividad 6 Dibuja un cuadro comparativo con dos columnas. En la primera anota el nombre de un aparato eléctrico que conozcas y una breve descripción de la tarea que realiza; en la segunda, escribe el antecedente del aparato y su funcionalidad. Sigue el ejemplo. Aparato eléctrico

Antecedente

Bomba de agua.

Acueducto de piedra.

Se utiliza para mover el líquido

Utiliza la gravedad para

a grandes distancias.

mover el agua.

Banda de conducción Los electrones giran alrededor del núcleo en diferentes órbitas (cuyo nombre correcto es niveles energéticos). En cada nivel, los electrones se alejan más del núcleo y la fuerza de atracción disminuye. Como es lógico, en el último nivel energético la atracción del núcleo sobre los electro­nes es más débil. A este último nivel se le conoce como banda de conducción y los electrones que se encuentran en ella reciben el nombre de electrones libres, porque pueden saltar de dicha banda y desplazarse de un átomo a otro dentro del cuerpo que los contiene. Este fenómeno ocurre cuando el átomo es excitado por medio de calor, luz o electricidad, de manera que algunos de sus electrones absorben energía en exceso y eso provoca el salto. El movimiento de electrones libres es lo que crea la corriente eléctrica, pues al saltar de la banda de conducción liberan un poco de su energía negativa, que vuelven a recuperar cuando llegan al siguiente átomo. El proceso se repite millones y millones de veces. Entre más electrones vaguen libremente por el cuerpo que los contiene, mayor será la energía que se genere. Este proceso no es desorganizado, de hecho está regu­ lado de manera natural por la estructura misma de los átomos. Tal mecanismo regulador es llamado regla del octeto y consiste en lo siguiente: En todo átomo, la última órbita (banda de conducción) admite un máximo de ocho electrones para completar su estructura y todos los átomos tienden a llenarla. Los átomos que tienen entre uno y tres electrones en la última órbita tiende a cederlos a otros que los requieran para completar el octeto (ocho electrones). La exactitud del funcionamiento de la banda de conducción y la regla del octeto son fundamentales para comprender la generación de la corriente eléctrica, como lo estudiarás en el siguiente apartado.

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La técnica en el diseño de circuitos eléctricos y sus implicaciones en la vida cotidiana para la satisfacción de necesidades e intereses El término circuito es una derivación de la palabra círculo y designa todo recorrido o trayectoria cuyo punto de origen es el mismo que el destino. En el caso de la electricidad, origen y destino se ubican en la fuente de energía (que estudiarás en el Bloque III). El circuito eléctrico es, por lo tanto, el recorrido que hace la electricidad desde su punto de origen en la fuente hasta su regreso a la misma. El recorrido puede ser tan grande como una ciudad, muy pequeño como en el interior de un microchip o de tamaño medio como una casa o una fábrica. Es durante tal recorrido cuando aprovechamos las características de este ener­ gético: lo utilizamos para crear iluminación artificial en calles, residencias, fábricas; producimos calor con la calefacción y frío con los sistemas de refrigeración; hace­ mos funcionar aparatos eléctricos, electromecánicos y digitales que nos facilitan enormemente la existencia.

La electricidad ha cambiado nuestra forma de vivir, de trabajar, de comunicarnos y hasta de disfrutar del tiempo libre. La electricidad mueve el mundo, por eso es difícil imaginar nuestra vida sin electricidad.

Valencia Como explicamos en el apartado anterior, todos los átomos tienden a llenar su última órbita con ocho electrones que se conoce como regla del octeto. La cantidad de electrones que un átomo puede ceder o requiere para completar el octeto se representa por un valor conocido como valencia. Por ejemplo, un átomo con siete electrones en su última órbita tiene una valencia de -1, porque necesita un electrón para completar el octeto. Otro átomo que tenga un electrón en la banda de conducción tendrá una valencia de +1, porque puede cederlo a otro para completar el octeto. En apartados anteriores representamos la molécula del agua (ver pág. 14) formada por un átomo de oxígeno (valencia -2) y dos átomos de hidrógeno (valencia +1). En este caso, dos átomos de hidrógeno ceden su electrón al oxígeno para completar el octeto de la última órbita y se genera así el agua. Para la electricidad, la valencia es de suma importancia porque deter­mina la capacidad que tiene un material determinado para conducir corriente eléctrica. Por ejemplo, los metales que tienen mayor capacidad para conducir la electricidad son el oro, la plata y el cobre, en ese orden. Todos ellos tienen valencia +1, lo cual significa que en su última órbita sólo existe un electrón que puede convertirse en electrón libre y vagar por el cuerpo que lo contiene. Sin embargo, el oro es mejor conductor que la plata, porque el electrón ubicado en la banda de conducción está más alejado del núcleo y de acuerdo con la Ley de Culombo, la atracción es menor, por lo que puede desprenderse con mayor

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Bloque I

facilidad y moverse libremente por el material. Lo mismo sucede con la plata respecto al cobre y con el cobre respecto al aluminio. En bloques posteriores estudiaremos con detenimiento esta cualidad de los ma­ teriales. Por el momento, sólo debes comprender que el libre movimiento de los electrones por la banda de conducción responde a la Ley de Culombo y es lo que genera la corriente eléctrica. En el siguiente apartado conocerás las características más importantes de este fenómeno.

1.1.2 La técnica como sistema, clases de técnicas y sus elementos comunes Activación de conocimientos En grupo, y con ayuda de su maestro, reflexionen y respondan las siguientes preguntas:

A. La técnica es un conjunto de procedimientos para obtener un resultado. Mencionen un ejemplo en electricidad.

B. Expliquen qué entienden por sistema. C. Ahora concluyan, ¿qué entienden por técnica como sistema?

Entendemos por sistema un conjunto de elementos que interactúan adecuada­ mente entre sí para conseguir un fin predeterminado. El cuerpo humano es un sistema biológico, porque todos los órganos que lo conforman cumplen una tarea específica e interactúan entre sí: los dientes muelen el alimento, el estómago digiere los nutrientes, la sangre los transporta a los órganos que lo necesitan, el corazón bombea la sangre, el cerebro controla los latidos del corazón, etc. Al examinar a la técnica como sistema se ha de considerar al conjunto de sus com­ ponentes y la relación que existe entre ellos para determinar las característi­cas de todo el agregado. Por tanto, la técnica como sistema abarca aspectos materiales como las herramientas, pero también incluye la organización, la planea­ción, los pro­ cedimientos y aspectos más abstractos como el conocimiento y la información.

Los componentes de las técnicas como conjunto de acciones estratégicas, instrumentales y de control Toda técnica se divide en dos grandes segmentos: acciones estraté­gicas, con las que se planea qué se va a hacer, y acciones instrumentales y de control, que son la puesta en práctica de lo planeado y mantener control sobre el proceso. Las acciones estratégicas se aplican en el periodo de planeación, que estudiaremos con detalle más adelante cuando se planeen los circuitos eléctricos. Por su parte, las acciones instrumentales incluyen los siguientes elementos: 22

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•• Energía: capacidad de realizar un trabajo. Los energéticos son todas aquellas entidades, naturales o artificiales, con potencial para producir energía. •• Fuerza de trabajo: capacidad de una persona para realizar una acción, es decir, un trabajo. •• Medios técnicos: herramientas y máquinas con que se aplica la energía, a través de la fuerza de trabajo para conseguir un fin determinado. •• Conocimiento: saber aplicar la fuerza de trabajo a través de los medios técni­cos para realizar las acciones. •• Habilidades: destreza del individuo para utilizar los medios técnicos.

Actividad 7 Dibuja un cuadro comparativo con dos columnas. En la primera, escribe el nombre de la acción instrumental y en la segunda, explica cómo se aplica en la técnica eléctrica. Sigue el ejemplo. Acción instrumental

Aplicación en la técnica eléctrica

Cambiar el interruptor de

Energía: proviene de la toma o enchufe de la pared.

una lámpara.

Fuerza de trabajo: la proporciona la persona que cambiará el interruptor. Medios técnicos: desarmador y pinzas. Conocimiento: requiere saber cómo funciona el circuito eléctrico y la función que desempeña el interruptor, las partes del mismo y su ubicación dentro del circuito.

Corriente eléctrica Ya sabes que la corriente eléctrica es generada por el movimiento de los electrones libres dentro de un cuerpo, que saltan de la banda de conducción de un átomo a otro cuando se les aplica energía (calor, luz o electricidad). Ahora verás cómo ocurre este fenómeno y sus consecuencias. Imagina un cable de cobre al que se le aplica una carga negativa en un extremo y una positiva en el otro.

Todos los electrones libres del cobre serán repelidos por la carga negativa porque las cargas iguales se repelen; y más importante aún: serán atraídos por la carga positiva, porque cargas contrarias se atraen. Como consecuencia, los electrones libres comenzarán a moverse en una misma dirección y todos al mismo tiempo. Al movimiento continuo de electrones desde la carga negativa hacia la carga EDICIONES

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Técnica y tecnología

Bloque I

posi­tiva se le conoce como flujo de corriente, y la corriente eléctrica siempre fluye en la misma dirección: desde el punto donde existe un exceso de electrones (-) hacia el punto donde hay escasez de los mismos (+). Dado que el flujo de corriente está determinado por la cantidad de electrones libres en movimiento, se miden con la unidad culombio (C). Como recordarás, un culombio equivale aproximadamente a 6.28 trillones de electrones; con esa base decimos que un culombio que pasa por un punto fijo cada segundo equivale a un amperio (representado por la letra A), y esta relación la expresamos con una sencilla fórmula: 1C/s = 1A.

André-Marie Ampère Fue un matemático y físico francés del siglo xix, reconocido por sus aportaciones al estudio de la corriente eléctrica y el magne­tismo. Ampère descubrió las causas físicas del movimiento de un metal magnetizado (una aguja) al aplicarle una corriente eléctrica, y con ello sentó las bases para el funciona­miento de los aparatos de medición de corriente eléctrica, los amperímetros que actualmente forman parte del multímetro (Bloque II: Los medios técnicos para la medición: el multímetro). También descubrió la interacción entre la corriente eléctrica y el campo magnético: demostró que dos con­ductores paralelos por los que circula una corriente en el mismo sentido se atraen; mientras que las corrientes en sentido opuesto se repelen, con lo cual no queda duda de que la corriente eléctrica produce un campo magnético.

No es importante calcular la cantidad exacta de electrones que corren por un cuerpo. Lo importante es comprender que el flujo de corriente eléctrica se mide en amperios o bien, que el amperio es la unidad de medida de la corriente eléctrica, y un amperio representa la cantidad de electrones que pasan por un punto fijo cada segundo: mientras más electrones pasen por un punto dado cada segundo, mayor será el amperaje y viceversa. Finalmente, el flujo de corriente (o corriente para abreviar), se representa en diagramas y fórmulas con la letra i mayúscula (I). Puedes recordarlo poniendo en mayúscula la “i” de corrIente.

Las operaciones puestas en práctica en el diseño de circuitos eléctricos: la toma de decisiones, la selección de materiales y la ejecución de las acciones A lo largo de estos tres cursos aprenderás métodos y técnicas para poner en práctica la eficacia y la eficiencia en circuitos eléctricos de diferente magnitud aplicados a diversos sistemas, desde una sencilla lámpara de pie hasta la instalación eléctrica de una casa habitación. Por ello, es importante que aprendas y comprendas los principios fun­ damentales de la energía eléctrica, porque son exactamente los mismos para cualquier circuito, lo que varía es la intensidad de la corriente y con ella, los materiales y dispositivos que debes utilizar para que tu trabajo sea eficaz y eficiente.

Componentes de un circuito Como ya estudiaste, el circuito eléctrico es el recorrido que hace la electricidad desde su punto de origen en la fuente de energía hasta su regreso al mismo. Es durante ese recorrido cuando sacamos provecho de sus características, al incluir en el circuito dispositivos eléctricos, 24

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elec­tromecánicos o digitales (estudiados al inicio del bloque) con el fin de realizar una tarea determinada. Un circuito eléctrico funcional sencillo consta de los siguientes elementos: 1. Fuente de poder (pila). 2. Dispositivo para controlar el flujo de corriente (interruptor). 3. Dispositivo para transformar la energía eléctrica en otro tipo de energía para realizar una tarea (foco). 4. Canal material para conducir la energía eléctrica (cables de cobre).

Actividad 8 Objetivo: construir un circuito eléctrico sencillo. Materiales: fuente de poder, interruptor, foco, cables conductores. Procedimiento: conecta los componentes como se sugiere en el diagrama. La fuente de poder puede ser una pila o la toma de corriente del aulalaboratorio; la decisión la toma el maestro.

En el circuito, la electricidad está realizando un trabajo. En mecánica clásica, el trabajo se define como la energía necesaria para desplazar un cuerpo, y se mide en unidades llamadas julios o JOULES (se pronuncia yuls) y se representa con la letra J; en el Sistema Métrico Internacional el joule se utiliza como unidad para medir energía, trabajo y calor. En los siguientes apartados estudiarás con detalle lo que sucede en el circuito eléctrico que enciende el foco (ver James-Prescott Joule, pág.26).

Si eliminaras el interruptor y el foco del ejemplo, aún tendrías un circuito eléctrico, porque la electricidad sigue fluyendo por los cables; sólo que no obtendrías ningún provecho de ella.

La instalación y operación de circuitos en paralelo y en serie como clases de técnicas Sólo existen dos tipos de circuitos eléctricos: en serie y en paralelo, que se diferencian por la manera como se conectan las terminales de los dispositivos dentro del circuito. Circuitos en serie: las terminales de los dispositivos se conectan se­ cuencialmente: la terminal de salida de un dispositivo se conecta a la entrada del siguiente, de tal manera que existe sólo un camino por el que fluye la corriente. Por ello, el segundo dispositivo depende del primero para recibir energía, el tercero del segundo y así sucesi­vamente. Circuitos en paralelo: las terminales de entrada de todos los dispo­ sitivos conec­tados al circuito coinciden entre sí, lo mismo que sus terminales de salida; es decir, las terminales están conectadas una al lado de la otra, por lo que existe más de un camino por donde fluye la corriente. Por tal razón, los dispositivos son independientes entre sí.

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Bloque I

James Prescott Joule Físico inglés, uno de los más notables de su época. Estudió el magnetismo y descubrió la relación de éste con el trabajo mecánico; sus estudios en este campo lo condujeron a la teoría de la energía. Por tal razón, la unidad internacional de energía, calor y trabajo lleva su nombre.

El diseño, la planeación y construcción de circuitos en serie, en paralelo y la com­ binación de ambos son el objeto de estudio de nuestra materia, por lo que retomaremos constantemente el tema y lo estu­diaremos a profundidad a lo largo de los tres cursos. Por el momento sólo debes tener presente que en los circuitos en serie la corriente fluye por un solo camino y por los circuitos en paralelo por varios.

1.1.3 La técnica como práctica sociocultural e histórica y su interacción con la naturaleza Activación de conocimientos En grupo, y con ayuda de su maestro, reflexionen y respondan las siguientes preguntas:

A. ¿Cómo han beneficiado las técnicas a la sociedad? B. ¿Cómo creen que cambió la vida sobre la faz de la tierra con la invención de la luz?

C. ¿Se puede culpar a la tecnología por la contaminación ambiental?

La ingeniería eléctrica es una ciencia relativa­ mente nueva que comenzó a impartirse en las universidades durante el siglo xix y sienta sus bases en los experimentos cientí­ficos de Alejandro Volta, quien inventó la primera pila en 1800, llamada pila voltaica, que transforma energía química en eléctrica. Desde entonces, varios científicos e inge­nieros dedicaron su talento al estudio de la energía eléctrica y su aplicación en la industria.

La técnica no existe por sí misma, sino en un contexto social que la condiciona por particularidades económicas, culturales e históricas. Sabemos que surge con el fin de satisfacer necesidades y que varía según el entorno; por ejemplo, las técnicas agrícolas cambian según el tipo de tierra, los hábitos alimenticios y el momento histórico; primero se usó la coa, luego el arado, le siguió el tractor y ahora las trilladoras. El automóvil, por ejemplo, desplazó a la carreta y los viajes se acortaron de días a horas, beneficiando y modificando todas las actividades socioculturales. El descubrimiento de la luz eléctrica no sólo cambió la vida de las personas, sino al mundo entero en todos los quehaceres de la humanidad.

A lo largo de la historia, el desarrollo tecnológico ha sido la mejor oportunidad del hombre para satisfacer sus necesidades básicas y no básicas; sin embargo, su abuso indiscriminado ha puesto en peligro el equilibrio natural del planeta. Por supuesto, no debemos culpar a la tecnología por los excesos en el consumo y transformación de recursos naturales y la consiguiente contaminación ambiental. El hombre es quien ha incurrido en los excesos y el reto ahora es tomar acciones para detener la contaminación y el desequilibrio ecológico. 26

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Los procesos de producción de bienes y servicios para la satisfacción de necesidades e intereses El estudio de la electricidad cobró importancia cuando se descubrió su potencial industrial, es decir, que podía utilizarse en la industria para crear mercancías que satisficieran necesidades sociales y al mismo tiempo dar un valor al capital invertido para crear objetos. Entre las personalidades más importantes que participaron en el desarrollo de la ingeniería eléctrica cabe mencionar a Georg Ohm, quien midió la relación entre corriente eléctrica y la diferencia de potenciales en un conductor (1827); Michael Faraday descubrió la inducción electro­magnética (1831); James Clerk Maxwell publicó la teoría unificada de la electricidad y magnetismo (1873); Nikola Tesla, inventor de la corriente alterna (1887), creó el método de distribución de energía eléc­trica que se utiliza actualmente en todo el mundo.

Diferencia de potencial o tensión En apartados anteriores explicamos que en el circuito, la electricidad realiza un trabajo que se define como la energía necesaria para desplazar un cuerpo y se mide en unidades llamadas joules. Los cuerpos que se mueven en el circuito son los electro­ nes. Como lo vimos anteriormente, si aplicamos energía eléctrica (-) con una fuente externa en el extremo de un cable de cobre, los electrones del metal comenzarán a moverse —a separarse— repelidos por la sobrecarga nega­ tiva y atraídos hacia la carga positiva. A esta separación de cargas eléctricas la llamamos tensión o dife­rencia de potencial, porque existe una diferencia entre la cantidad de electro­nes en un extremo del circuito en comparación con la cantidad de electrones en el otro extremo (Ilustración 1).

Ilustración 1: Con diferencia de potencial

La tensión es lo que genera el movimiento de electrones en el circuito, por lo tanto, para mantener la corriente es necesario que la tensión sea constante. Cuando la tensión disminuye, también lo hace el movimiento de electrones —lo que sucede cuando la pila se agota— hasta llegar al punto en que la diferencia de potencial es igual a cero. En ese punto deja de existir la corriente eléctrica (Ilustración 2). La tensión es un elemento indispensable en el estudio de la electricidad y se rela­ciona con otras instancias de igual importancia, como lo veremos en el siguiente apartado.

Ilustración 2: Sin diferencia de potencial

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Bloque I

La participación social organizada y dirigida de la producción mediante la técnica El uso de la energía eléctrica a nivel social —en la industria, el comercio, la administración pública y el hogar— requiere la participación de diferentes profesionistas, cada uno aplicando diversas técnicas: el científico descubre el comportamiento del electrón en la Naturaleza; el ingeniero eléctrico aplica ese conocimiento para controlar y aprovechar la energía; los industriales la utilizan para crear bienes de consumo que distribuyen los comerciantes, y la población utiliza la energía controlada para realizar sus tareas cotidianas.

Voltios y voltaje Sabemos que la tensión es la fuerza que mueve los electrones en el circuito. Ahora cabe preguntar, ¿cuántos electrones puede mover? Como cualquier otro trabajo, depende de la cantidad de energía que se aplique: la unidad de medida de la tensión es el voltio y se requiere 1 voltio para mover 1 culombio (6.28 trillones de electrones) a través del circuito, lo cual representa 1 joule de trabajo.

Así pues, la tensión eléctrica se mide en voltios (representados con la letra V); y el conjunto de voltios que se aplica a un circuito dado recibe el nombre de voltaje o fuerza electromotriz, ya que es la fuerza que se requiere para mover cierta cantidad de electrones. Esta categoría resulta de gran utilidad para hacer una distinción general de la cantidad de energía que requieren diferentes trabajos: Alta tensión o alto voltaje: es la que se utiliza para transportar la energía eléctrica a grandes distancias (cientos de kilómetros) y tiene un rango que va de los 110 mil voltios y alcanza hasta 380 mil. Tensión media o voltaje mediano: se utiliza para transportar la electricidad a decenas de kilómetros y va de los 3000 a los 30 mil voltios de tensión. Baja tensión o voltaje ligero: es la que se utiliza en la industria, el alumbrado público y el hogar, por lo regular va de los 125 a los 220 voltios. 28

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Existen más categorías para medir la tensión que estudiaremos en futuras leccio­ nes, por el momento es suficiente con que conozcas las tres mencionadas y, sobre todo, que comprendas que la tensión eléctrica se mide en voltios.

La técnica como medio de relación con la Naturaleza La ciencia, la tecnología y la técnica tienen como fin último entender, transformar y controlar los materiales y la energía que ya existen en la Naturaleza, con el fin de crear diversos satisfactores sociales. En el caso de la electricidad, estudiamos su comportamiento en la Natu­raleza para comprenderla y poder controlarla; una vez controlada, la aplicamos a dispositivos eléctricos, electromecánicos y digitales que nos facilitan el trabajo cotidiano. De esta manera, el bienestar social depende de la relación que establecemos con la Naturaleza a través de diversas técnicas.

El uso de circuitos eléctricos en diversos ámbitos de la vida cotidiana para la satisfacción de necesidades e intereses Todos los dispositivos de uso cotidiano que utilizan electricidad (computadora, televisor, radio, teléfono, licuadoras y demás) lo hacen a través de un circuito y emplean los elementos que hemos estudiado hasta ahora y otros que estudiaremos más adelante. Seguramente has escuchado que el consumo de energía eléctrica en el hogar se mide en watts, importante unidad de medida derivada de las anteriores.

El watt Ya sabemos que existe una relación proporcional entre el culombio (C), el voltio (V) y el joule (J) en la fuerza electromotriz o voltaje, es decir, cuando los electrones están en movimiento, que es igual a decir: cuando existe la corriente eléctrica (I). Ahora debemos añadir la dimensión del tiempo para obtener la potencia eléctrica. Para comprender correctamente este fenómeno, recor­ demos que el trabajo en la corriente eléctrica consiste en mover electrones a lo largo del circuito, lo cual realiza por medio de la fuerza electromotriz o voltaje: 1 voltio mueve 1 culombio y aplica 1 joule de trabajo. Cuando esto ocurre en el lapso de un segundo, el circuito tiene una potencia eléctrica igual a 1 watt. Si incremen­ tamos el voltaje (la fuerza electromotriz) 15 veces, tendre­ mos una ca­pacidad de trabajo de 15 joules y, por lo tanto, una energía igual a 15 watts reco­rriendo el circuito, lo suficiente para encender un foco ahorrador, pero no uno convencional.

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En resumen: los watts son voltios medidos en el tiempo y se expresan con una sencilla fórmula: 1 watt = 1J/s, porque un joule es el trabajo que requiere de un voltio para mover un culombio. El watt se representa con la letra doble v mayúscula: W. El watt es la unidad de medida de la potencia eléctrica, que se representa con la letra p mayúscula: P. A su vez, la potencia eléctrica es el ritmo al que se ejecuta el trabajo. Recuerda que la energía eléctrica se convierte en otro tipo de energía para realizar cierta tarea utilizando un dispositivo. Un ejemplo muy claro es un motor eléctrico capaz de desarrollar 1000 revoluciones por minuto, con una potencia de 110 watts. Si reducimos la potencia a 55 watts, el ritmo de trabajo del motor disminuirá a la mitad: 500 revoluciones por minuto. Esta característica resulta de utilidad cuando queremos controlar el trabajo que realiza el dispositivo, como en una licuadora o un ventilador. Tradicionalmente, el watt se utiliza para medir el consumo de energía de un dispositivo (la energía que utiliza para realizar su trabajo) y el voltio para medir la cantidad de energía que fluye por el circuito, aunque es común que ambos términos se intercambien, a causa de la relación 1 a 1 que existe entre ellos: 1V = 1W y 110V = 110W.

Actividad 9 Objetivo: controlar la tensión en un circuito eléctrico. Materiales: fuente de poder, potenciómetro, foco, cables conductores. Procedimiento: retoma el circuito sencillo que construiste en la Actividad 8 y sustituye el interruptor por un potenciómetro. Este componente regula la potencia eléctrica del circuito. Los dispositivos de control de corriente tienen características que aún no has aprendido; para colocar el potenciómetro adecuado a tu circuito solicita ayuda del maestro. Responde las siguientes preguntas: ¿Qué sucede cuando manipulas el potenciómetro? ¿A qué se deben los cambios que experimenta el circuito?

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1.1.4 Las técnicas y los procesos productivos artesanales Activación de conocimientos En grupo, y con ayuda de su maestro, reflexionen y respondan las siguientes preguntas:

A. ¿Qué es una artesanía? B. ¿Qué es un proceso artesanal? C. ¿Cuál es la diferencia entre un proceso artesanal y uno industrial?

La artesanía es un objeto producido en forma predominantemente manual con poca intervención de herramientas y máquinas, empleando materias primas loca­les y procesos de transformación y elaboración transmitidos de generación en generación, con las variaciones que le imprime la creatividad individual del arte­sano. La técnica aplicada es aprendida y se adquiere experiencia con el tiempo. Se caracteriza por tener una producción limitada, gran parte de su fabricación es manual, cada pieza es única y el tiempo que se invierte es mayor que en un pro­ducto industrial.

Los procesos técnicos artesanales en la comunidad Los artesanos se organizan de manera diferente; en México, cuatro son las formas de producción artesanal: Familiar: el producto es elaborado por la unidad familiar; el trabajo se asigna por sexo y edad y se hace en casa, sin horarios rígidos y al ritmo personal. Taller individual: el productor es maestro del oficio y conoce todo el proceso de trabajo; lo ayuda un aprendiz. La cantidad de la producción depende de la habilidad del artesano y del ritmo de trabajo que le imprima. Taller con obreros: por el tipo de equipo y herramientas, requiere de una inver­ sión financiera mayor. El proceso lo dirige el dueño quien es maestro del oficio, y aunque laboran varios artesanos y las tareas se dividen, cada artesano sabe el proceso en su totalidad. Manufactura: reúne en el taller a obreros especialistas en operaciones deter­ minadas del proceso de trabajo. Este tipo de producción (vidrio, tejido, cerámica, confección de ropa o de calzado) se organiza con el trabajo de obreros asalariados, y están a las órdenes de un patrón quien ya no es un artesano.

Los artesanos mexicanos son reconocidos como artistas plásticos de profunda sensibilidad y creatividad; las artesanías son consideradas como objetos de identidad, porque reúnen arte y conocimiento, expresión y técnica.

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Las características de los procesos técnicos artesanales en el diseño y construcción de circuitos eléctricos Como ya vimos, los procesos artesanales compren­ den una serie de actividades manuales y de carácter creador que implican la fabricación de objetos de uso doméstico en los que ha quedado impreso el se­llo personal del autor; la estética del producto tiene un papel destacado que lo coloca entre el diseño y el arte, pero sobre todo, son piezas únicas cuya pro­ducción nunca competiría con la industrial. En el aula-laboratorio utilizamos técnicas artesana­ les para realizar las actividades y construir nuestros modelos, pero no es un proceso productivo porque no crea­mos bienes materiales que vayan a comercia­ lizarse; se trata de prácticas académicas que refuerzan los conocimientos teóricos.

Por tanto, en el diseño y construcción de un circuito la planeación es una etapa importante que responde a las siguientes preguntas básicas: •• ¿Qué se va a hacer? Definir el objetivo del pro­ yecto. La expresión escrita de lo que se pretende conseguir ayuda a clarificar la idea y define la base de la estrategia. •• ¿Cómo se va a hacer? Identificar todas las tareas que deben realizarse. El plan debe contener to­ dos los pasos del proceso sin omitir ninguno. •• ¿Qué recursos se necesitan? Realizar una lista de los requerimientos materiales y virtuales nece­ sarios para concretar el proyecto.

Actividad 10 Objetivo: construir un circuito eléctrico modelo. Como práctica de planeación básica construirás un modelo de circuito general que te permita utilizar diferentes tipos de fuentes de poder, controladores de corriente y dispositivos de trabajo (los elementos básicos del circuito), con el fin de ocuparlo en diferentes experimentos sin necesidad de construir un nuevo circuito cada vez. Con esto ahorrarás recursos y tiempo.

Materiales: cables conductores, caimanes, triplay. Procedimiento: sustituye los elementos básicos del circuito por cables con terminal de agarre llamados “caimanes” (por su estructura dentada) con el fin de poder conectar diferentes tipos de dispositivos en el lugar que les corresponde dentro del circuito, como se sugiere en la imagen. Fija los cables en una tabla de triplay, para que puedas transportarla. Con la información anterior, responde las preguntas básicas planteadas al inicio de este apartado y construye el modelo de circuito siguiendo las instrucciones y sugerencias del maestro.

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El proceso artesanal en el diseño de circuitos eléctricos: empleo de herramientas e intervención del ser humano en las fases del proceso técnico En electricidad, los procesos productivos artesanales se limitan a la fabricación de algunos dispositivos de iluminación, como lámparas hechas a mano. Fuera de ello, todos los componentes son resultado de un proceso industrial regulado por estándares precisos; de otra manera no sería posible obtener provecho de la energía eléctrica.

1.2 Tecnología 1.2.1 La tecnología como campo de conocimiento

Activación de conocimientos En grupo, y con ayuda de su maestro, reflexionen y respondan las siguientes preguntas:

A. ¿Qué entienden por tecnología? B. ¿Cuál es la diferencia entre técnica y tecnología? C. ¿Cuál es el papel de la tecnología en la sociedad?

La tecnología es la suma total de conocimientos, capacidades y habilidades para resolver problemas técnico-sociales, y abarca a los medios de que dispone el hombre para controlar y transformar su entorno físico, así como para convertir los materiales que le ofrece la naturaleza en elementos capaces de satisfacer necesidades. En suma: tecnología es la aplicación sistemática del conocimiento científico a tareas prácticas. La diferencia entre técnica y tecnología consiste en que la técnica abarca los co­nocimientos técnicos y las herramientas, mientras que la tecnología considera tam­bién los conocimientos científicos, la estructura sociocultural, la infraestructura productiva y las relaciones mutuas que surgen. En la técnica está el “cómo” hacer, mientras que en la tecnología están los fundamentos del “porqué” hacerlo así.

La tecnología como campo de estudio y reflexión de la técnica Sabemos que la técnica es un conjunto de acciones sucesivas con el fin de realizar una tarea determinada. En el caso de la electricidad, la técnica consiste en ejecutar las acciones necesarias para crear una corriente eléctrica que fluya a través de un circuito.

Muchas tecnologías actuales fueron originalmente técnicas. Por ejemplo, la ganadería y la agricultura surgieron del ensayo (prueba y error); luego se fueron tecnificando a través de la ciencia, para llegar a ser tecnologías.

Técnica. Actividad que se centra en el saber hacer. Es un sistema simple integrado por un conjunto de acciones, ejercidas por las personas para la transformación de materiales y energía en un producto.

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Bloque I

En nuestra materia, entendemos la tecnología como el estudio o razonamiento sobre la técnica cuyo objetivo fundamental es incrementar su eficacia y su eficiencia. La eficacia es la capacidad de lograr con exactitud y precisión el efecto que se espera. Un ejemplo en la técnica eléctrica sería controlar la tensión exacta para crear la corriente necesaria en un circuito.

Los focos de led usan una décima parte de lo que usa un foco normal y son 80% más eficientes que los comunes; están libres de metales pesados y no producen rayos ultravioleta.

La eficiencia es la capacidad de realizar las mismas o más acciones en menos tiempo y con menos recursos. En este sentido, las lámparas fluorescentes (focos ahorra­ dores) son más eficientes que las bombillas incandescentes porque producen la misma cantidad de luz artificial con menos energía.

Las diversas acepciones de tecnología La tecnología, por otra parte, tiene diversas acepciones o significados; veamos algunos: •• Área del conocimiento que estudia a la técnica, sus funciones, los insumos y los medios que la conforman, sus procesos de cambio, así como su interacción con el contexto sociocultural y natural. •• Conjunto de teorías y técnicas que permiten el aprovechamiento práctico del conocimiento científico. •• Conjunto ordenado de instrumentos, conocimientos, procedimientos y métodos aplicados en las distintas ramas industriales. •• Conjunto organizado de conocimientos aplicados para alcanzar un objetivo específico, generalmente el de producir y distribuir un bien o servicio.

El estudio de las técnicas en el diseño de circuitos eléctricos para entender y mejorar sus prácticas: •• Funciones y acciones técnicas Como ya estudiaste anteriormente, para que el circuito funcione es necesario man­ tener una tensión constante. La fuerza electromotriz se consigue aplicando alguna de las siguientes fuerzas: fricción; calor (o frío); presión; luz; acción química y magnetismo apoyado con trabajo mecánico. Cada una de estas técnicas se utiliza en diferentes contextos, dependiendo de la solución que se está buscando a un problema determinado. •• Recursos naturales como fuentes de insumos Cualquiera que sea la fuerza externa aplicada para generar fuerza electromotriz, siempre utiliza recursos naturales que se transforman para generar electricidad. Fricción. En el experimento realizado con globos utilizamos la fricción para generar electricidad estática (en reposo); en ella, a diferencia de la corriente eléctrica, los electrones se acumulan en un solo punto sin moverse. La ley de atracción y repul­sión entre cargas electromagnéticas que surge de la electricidad estática tiene varios usos prácticos: algunas industrias la utilizan para atraer partículas pesadas contaminantes y evitar que se propaguen por el aire; las impresoras láser y las fo­ tocopiadoras la utilizan para estampar figuras en el papel; la industria automotriz la ocupa para aplicar pintura en las unidades; en investigación atómica se emplean 34

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generadores Van de Graff para producir pequeñas chispas eléctricas; en este mismo curso construirás uno de estos generadores. Calor. Cuando se aplica calor a la mayoría de los metales, sus elec­trones tienden a desplazarse desde el punto más caliente hacia el más frío; en algunos casos excepcionales, como el hierro, ocurre lo contrario: los electrones se desplazan de lo frío hacia lo caliente. Si se trenza un cable de cobre con uno de hierro se crea una diferencia de potencial, porque los electrones del cobre se alejan del calor y los del hierro se acercan al mismo. Dado que la corriente es proporcional a la temperatura, es posible deducir esta última por el voltaje que se produce; esta característica de la electricidad se utiliza en los sistemas de control térmico de muchas máquinas, como el motor de un automóvil. Cabe des­tacar que lo mismo sucede con el frío, pero en sentido inverso: los electrones del cobre se acercan al frío y los del hierro se alejan, lo cual es útil para controlar los sistemas de refrigeración. Presión. La energía producida por presión recibe el nombre de piezoelectricidad (del griego piezein, que significa estrujar o apretar) y se debe a la constitución ató­ mica regular de los cristales. Cuando algunos de ellos como el cuarzo, rubidio, cerámica técnica y piezoeléctrica, son colocados entre dos placas de metal y se aplica presión, producen una pequeña carga eléctrica cuya intensidad depende de la presión ejercida. Este tipo de electricidad se utiliza en micrófonos, audífonos, guitarras eléctricas, donde la presión proviene de las ondas sonoras. Dado que el pulso electromag­ nético generado es de baja densidad, se debe transmitir a un amplificador para poder ser captado por el oído humano. Luz. Algunos materiales como el potasio, sodio, germanio, cadmio, cesio, selenio y silicón liberan electrones cuando reciben luz en las condiciones adecuadas. Tal fenómeno es llamado efecto fotoeléctrico. Existen tres variantes de este efecto: Fotoemisión: los rayos de luz provocan que una superficie cristalina emita electrones, los cuales son acumulados para formar una corriente eléctrica. Fotoconductividad: la luz altera la capacidad de conducción de los cristales. Efecto fotovoltaico: la energía proveniente de los rayos de luz es convertida directa­ mente en corriente eléctrica. Este último es el más difundido por el uso de celdas solares aplicadas a calculadoras electrónicas, relojes de pulso y actualmente están ganando popularidad con los calentadores de agua para casas habitación. La acción química es la que utilizan las pilas y se explica ampliamente en el Bloque III Las reacciones químicas y la electricidad.

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Bloque I

•• Funcionalidad La funcionalidad de un sistema se mide de acuerdo con su eficacia y eficiencia. En lo concerniente a la generación de grandes cantidades de energía eléctrica, el sistema de mayor funcionalidad es el que la genera por magnetismo. Este sistema es el que alimenta hogares, industria, empresas, transporte y alumbrado público en todas las comunidades. El principio con el que funciona es muy sencillo: cuando un material conductor como el cobre o el aluminio pasa a través del campo de fuerza electromagnético de un imán permanente (Actividad 5), los electrones libres del metal comienzan a moverse, creando una corriente eléctrica.

Este fenómeno recibe el nombre de inducción electromagnética porque el magne­ tismo induce o provoca el movimiento de los electrones, y los aparatos que aplican esta técnica llevan el nombre de generadores eléctricos. Básicamente existen dos tipos de generadores eléctricos: aquellos donde el movi­ miento de rotación está a cargo de la bobina, es decir, la bobina rota dentro del campo electromagnético del imán; y aquellos donde el movimiento está a cargo del imán: este último rota alrededor de la bobina. El efecto es prácticamente el mismo y el diseño depende de la ingeniería de construcción del generador. La cantidad de electricidad que puede crear un generador eléctrico depende de tres factores: 1. La longitud del cable inductor, o lo que es igual: la cantidad de espirales de la bobina (mientras más espirales tiene la bobina, mayor es la longitud del cable). 2. La potencia del imán. 3. La velocidad a la que gira la bobina alrededor del campo electromagnético del imán o viceversa.

La bobina o inductor es un componente eléctrico que consiste en un cable de cobre doblado en espirales sobre un eje.

Al incrementar cualquiera de los tres factores, aumenta la corriente que produ­ cen. Esto nos lleva a una conclusión muy importante: toda la energía eléctrica creada por inducción proviene del movimiento de la bobina en el campo electromagnético o viceversa. Lo que varía es el energético que se utiliza para generar el movimiento, que puede ser petróleo, gas, caídas de agua (presas, cascadas naturales) o energía atómica, pero el mecanismo es siempre el mismo: una bobina, un campo elec­ tromagnético y movimiento. 36

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La inducción electromagnética es básica para el estudio de la electricidad, por lo que retomaremos constantemente el tema y ahondaremos en él a lo largo del curso. •• Infraestructura y los equipos Para generar la energía eléctrica por inducción para satisfacer las necesidades de la población se requiere una gran infraestructura que consta de una estación gene­ radora, estación elevadora, red de transporte, subestaciones de transfor­mación, red de reparto, estaciones transformadoras de distribución, red de distribución de tensión media, y centros de transformación para baja tensión. En el apartado siguiente encontrarás un diagrama que explica claramente este proceso. •• Preferencias del consumidor Al final de la cadena de generación eléctrica se encuentran los aparatos que selecciona el consumidor para satisfacer sus necesidades. En la actualidad es muy importante seleccionar aparatos ahorradores de energía, aquellos que consumen menos electricidad para realizar el mismo trabajo. Un claro ejemplo de ello son los focos ahorradores, los refrigeradores de bajo consumo, los monitores de cristal líquido y en general todo aparato eléctrico que sea considerado ecológico.

Las centrales hidroeléctricas toman la energía del flujo de agua en el cauce natural de un desnivel conocido como salto geodésico, donde una turbina transmite la energía a un alternador que la convierte en energía eléctrica. Esta forma de aprovechar la fuerza de la Naturaleza genera una energía limpia, renovable y de bajo riesgo.

1.2.2 El papel de la tecnología en la sociedad Activación de conocimientos En grupo, y con ayuda de su maestro, reflexionen y respondan las siguientes preguntas:

A. ¿Por qué se dice que la tecnología satisface necesidades? B. Mencionen cómo se ha beneficiado la humanidad con el descubrimiento de la electricidad.

C. ¿Qué entienden por proyecto técnico?

La tecnología, como actividad humana, busca resolver problemas y satis­ facer necesidades individuales y sociales, transformando el entorno y la naturaleza me­diante la utilización racional, crítica y creativa de recursos y conocimientos. Sin embargo, en el mundo globalizado de hoy se en­ fatizan más el valor económico y de mercado de la tecnología que su valor social; pero la tecnología puede con­tribuir aún más a la satisfac­ción de demandas sociales, a la resolución de desigual­dades, a la inclusión social y a la solución de aspectos como el cambio climático, el incremento de la esperanza de vida y la extensión de las fronteras del conocimiento. En lo referente al abastecimiento de electricidad, en las centrales eléctricas se produce energía de alta tensión que llega a la comunidad a través de grandes generadores. En México, la Comisión Federal de Electricidad produce anualmente un promedio de 163 TWh (terawatts por hora). Un terawatt equivale a un billón de watts; en nuestro país se consumen aproximadamente 163 billones de watts cada hora.

Hoy en día, la ciencia y la tecnología están proporcionando a la sociedad una amplia variedad de opciones en cuanto a lo que podría ser el destino de la humanidad.

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Bloque I

La tecnología para la satisfacción de necesidades e intereses y para la mejora de procesos y productos La humanidad comienza a crear tecnología convirtiendo los recursos naturales en herramientas simples para satisfacer necesidades básicas como alimentarse y vestirse, iniciando así los procesos productivos para la elaboración de bienes y servicios. Hoy, lo procesos productivos están completamente automatizados y contemplan una serie de operaciones de diseño, producción y de distribución que involucra un despliegue de tecnología que ha eficientado los procesos, haciéndolos más rápidos, confiables y económicos (con sus relativas consecuencias como contaminación). Las tecnologías de prestación de servicios, como el sistema de suministro eléc­ trico que es el que nos ocupa, hacen uso de instalaciones complejas a cargo de personal especializado. Como la demanda de energía eléctrica aumenta cada año, los procesos de gene­ ración y distribución deben incrementar su eficacia y eficiencia con el fin de atender las crecientes necesidades sociales. Para repartir tanta energía se utiliza el proceso que se muestra en la gráfica: Se trata de un proceso gigantesco que implica la participación de miles de profe­ sionales téc­nicos y administrativos para crear nuevas centrales generadoras, dar man­tenimiento a las existentes, a la red de distri­bución y a las estaciones trans­ formadoras, además de llevar la administración del con­sumo por cada cliente.

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El diseño de circuitos eléctricos para la seguridad y el confort La función básica de la energía radica en que tiene la capacidad de llevar a cabo un trabajo. La energía eléctrica, en particular, es fuente indispensable para casi todas las actividades en la industria, comercio, casa y oficina, tan importante que no podríamos imaginar siquiera vivir sin ella. Utilizamos la energía eléctrica para generar luz artificial y poder ver de noche, escuchar la radio y ver el televisor; se convierte en energía cinética a través de motores para bombear agua de la cisterna a los tinacos, activar la compresora de gas que hace funcio­ nar al refrigerador, moler los alimentos en la licuadora. Se convierte en energía térmica en la cafetera, tostadora y la plancha. La energía eléctrica es utilizada también en los procesos de comu­ nicación; las redes computacionales funcionan con la transmisión de datos transformados en impulsos eléctricos de baja intensidad, y casi todas las actividades humanas ac­tuales están basadas en el uso de la computadora.

En México, la infraestructura de la Comisión Federal de Electricidad cuenta con 187 centrales generadolas, con una capacidad instalada de 52,506 megawatts (MW). Estas centrales utilizan diferentes tecno­logías y fuentes de energético primario para crear el movimiento (como lo explicamos anterior­mente): centrales termoeléctricas (petróleo y gas); hidroeléctricas (caídas de agua); carboeléctricas (carbón); geo­termoeléctricas (calor pro­veniente del subsuelo); eolo­eléctricas (viento) y una nucleoeléc­trica (energía nuclear). Cabe destacar que se está exten­diendo el uso de módulos solares (electricidad gene­rada por luz) para pequeñas comunidades muy ale­ja­das de los grandes centros de po­blación. Se considera que esta tecnología será la de mayor aplicación en el futuro.

Sin la electricidad desaparecería la civilización humana como la cono­ ce­mos actual­mente y nuestra vida sería mucho más difícil, ardua e insegura.

1.2.3 La resolución de problemas técnicos y el trabajo por proyectos en los procesos productivos Activación de conocimientos En grupo, y con ayuda de su maestro, reflexionen y respondan las siguientes preguntas:

A. ¿Cuál sería un problema técnico en electricidad? B. Mencionen cómo se ha beneficiado la humanidad con el descubrimiento de la electricidad.

C. ¿Por qué el desarrollo de un proyecto técnico debe seguir una secuencia de pasos?

La solución de problemas técnicos requiere, en el trabajo, de un procedimiento creativo, ordenado y sistemático, así como de las destrezas para analizar y com­ prender las características, el funcionamiento y la finalidad del proceso técnico. El método para elaborar un plan de trabajo que dará solución a un problema con ayuda de la tecnología se denomina proyecto técnico. En electricidad, los problemas que se presentan se clasifican en cuatro categorías globales: generación, conducción, control y transformación de energía eléctrica. Para resolver un problema en cualquiera de esas categorías, es necesario hacer un proyecto técnico que contemple la aplicación armónica de varias técnicas EDICIONES

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Bloque I

interre­lacionadas, así como el uso de materiales, herramientas, máquinas y nuestro co­nocimiento para encontrar la solución más eficaz y eficiente posible.

La tecnología y sus métodos de trabajo •• Trabajo por proyectos. El proyecto técnico es un método para elaborar un plan de trabajo que dará solución a un problema con la ayuda de la tecno­logía. Está cons­ truido por un conjunto de conocimientos, estrategias, procesos y recursos orientados a resolver el problema, optimizar procesos o satisfacer una necesidad con la creación de un objeto técnico. En cualquier tipo de industria, el proyecto técnico consi­dera todos los as­ pectos para la elaboración de un objeto técnico nuevo. En el recuadro revisa los pasos del proyecto técnico.

El trabajo por proyectos permite el logro de objetivos por medio de un conjunto de acciones, interacciones y recursos, planeados y orientados a la resolución de un problema y a la elaboración de una producción concreta.

•• Resolución de problemas. El proceso productivo es el conjunto de opera­ciones que se realizan para trans­ formar las materias primas en productos o ser­vicios. Durante cualquier proceso productivo pueden presen­ tarse dife­rentes problemas técnicos relacio­nados con alguna de las personas, tareas o herramientas que in­ tervienen en dicho proceso. Por tanto, es indispensable contar con soluciones y proce­dimientos, generales y particulares, que se apliquen a la resolución de los problemas técnicos, es decir, tener un plan de acción emergente.

Pasos del proyecto técnico El proyecto técnico sigue una serie de pasos secuen­ ciales que nos ayudan a conseguir nuestro objetivo con la menor cantidad de errores y demoras posibles: 1. Identificación de una necesidad. Se relacio­na con alguna o varias de las cuatro categorías glo­ bales: generación, conducción, control y trans­ formación. 2. Delimitación del problema. A partir de las cate­ ­gorías generales se extraen objetos particulares. Si se tratara de un problema de conducción,

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debemos preguntar ¿dónde se aplicará la solu­ ción? ¿Una casa? ¿Una oficina? ¿Una fábrica? ¿Una escuela? La deli­mitación señala el ob­jeto particular sobre el que debes enfocarte. 3. Búsqueda de información. Es posible que ya exista una o varias soluciones semejantes a la que estás planteando, lo cual es natural porque existen muchas personas que se dedican a la misma actividad. Investiga en Internet cuáles son las soluciones ya existentes, compáralas con tu proyecto y busca la manera de enriquecerlo.

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4. Alternativas de solución. En tu investigación encontraste que existen varias alternativas de solución para satisfacer la nece­sidad que plan­ teaste: diversos materiales, herramientas y má­quinas. Para seleccionar la mejor opción toma en cuenta los siguientes aspectos: las acciones instrumentales que puedes ejecutar efectiva­mente; el costo del proyecto y el tiempo con el que cuentas para realizarlo. 5. Planeación. Presenta una visión panorámica del proyecto como un todo integrado por dife­ rentes partes. En la planeación, res­ponde las siguien­tes interrogantes: ¿Qué vas a hacer? Define claramente y por escrito el objetivo del proyecto. ¿Cómo lo vas a hacer? Identifica todas las tareas que deben realizarse. ¿Qué recursos necesitas? Realiza una lista de los requerimientos ma­teriales y virtuales. ¿Dónde obtendrás los recursos? Identifica las fuen­ tes de infor­mación y los proveedores de los re­ cursos que necesitas. ¿Quién es responsable de cada tarea? Nombra un solo responsable por cada tarea, pues de no

hacerlo, la tarea nunca será concluida; tener más de uno, diluye las responsabilidades y crea conflictos personales. ¿Cuánto tiempo tomará cada tarea? Toda etapa debe tener un límite y coordinarse cronológi­ camente con la siguiente hasta el final. 6. Preparación. En esta etapa, recopila los objetos materiales y virtuales necesarios para realizar el proyecto y haz un modelo prototipo del pro­ducto final (representación a escala del producto final). 7. Producción. Consiste en llevar a la práctica las tareas definidas en la planeación en el orden pre­establecido. 8. Ejecución. Es la aplicación de las acciones ins­ tru­mentales nece­sarias para materializar el pro­ yecto en un producto que satisfaga la necesidad detectada. 9. Evaluación. Concluido el proyecto, revisa el pro­­ ducto resultante, pruébalo en diferentes con­di­ ciones para determinar si satisface la necesidad; también establece si es posible incrementar su eficacia y eficiencia con algunos cambios, modi­ ficaciones o mejoras.

Los problemas técnicos en la vida cotidiana En la vida diaria nos encontramos rutinariamente con problemas relacionados con la electricidad. Un ejemplo sencillo y muy común es cuando no enciende un foco. Puede tratarse de un problema de gene­ ración: el suministro de corriente eléctrica está interrumpido; con­ ducción: el circuito al que pertenece el foco está abierto a causa de un cable suelto o roto; control: el interruptor que controla el foco está descompuesto; transformación: el filamento del foco está roto o fundido. Aunque en casos tan sencillos no hacemos un proyecto en forma, sí seguimos una serie de pasos lógicos para descartar las posibles causas del problema, es decir, aplicamos una técnica de verificación y eliminación de causas.

El foco eléctrico fue inventado por el americano Thomas Alva Edison el 21 de octubre de 1879.

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Bloque I

Retroalimentación Resuelve el siguiente crucigrama; contiene los conceptos estudiados en este bloque. Horizontales

Verticales

1. Es el recorrido que hace la electricidad desde su punto de origen en la fuente de energía hasta su regreso a la misma. 4. Unidad de medida de la tensión eléctrica. 5. Afirma que la fuerza de atracción o repulsión entre dos cuerpos es proporcional a la intensidad de sus cargas, dividida por el cuadrado de la distancia que los separa. 8. Nombre de la fuerza que se ejerce al acercarse dos cargas diferentes. 11. Nombre de la fuerza que se ejerce al acercarse dos cargas iguales. 13. Está integrado por dos partes fundamentales: un núcleo, circundado por una nube de electrones. 14. Es el conjunto de voltios que se aplica a un circuito dado, también conocido como fuerza electromotriz. 15. Son voltios medidos en el tiempo, se representan por la letra W. 16. Unidad de medida de la corriente eléctrica, equiva­lente a un culombio que pasa por un punto fijo cada segundo. 17. Capacidad de ciertos materiales para ejercer fuerzas de atracción o repulsión sobre otros, en especial metales. 18. Nombre que recibe la última órbita del átomo, que contiene los electrones libres.

2. Partículas del átomo con carga negativa. 3. Es generada por el movimiento de los electrones libres dentro de un cuerpo. 6. Nombre genérico de las dos cargas contrarias que contienen los átomos. 7. Energía necesaria para poner en movimiento a los electrones y crear así una corriente eléctrica. 9. Es la técnica de generación de electricidad por mag­netismo con ayuda de la energía mecánica. 10. Partículas del átomo con carga positiva. 12. Conjunto de aproximadamente 6.28 trillones de electrones.

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El proyecto productivo artesanal Para concluir esta unidad vamos a reproducir —en equipos de trabajo— el experimento que utilizó Michael Faraday para comprobar la generación de ener­ gía eléctrica por inducción magnética, que se conoce como Dínamo de Faraday. Para ello, seguiremos los pasos del proyecto técnico que acabas de estudiar. 1. Identificación de una necesidad. Producir electricidad por inducción magnética. 2. Delimitación del problema. Utilizar el dínamo de Faraday. 3. Búsqueda de información. En Internet recaba información relacionada con el dínamo de Faraday, su funcionamiento, las partes que lo integran, su construcción, los principios físicos que utiliza.

Resumen de apoyo Esencialmente consta de un disco metálico (cobre o aluminio) que gira dentro del campo magnético producido por los polos contrarios de un imán per­manente. Cuando los extremos de un alambre con­duc­tor se apoyan sobre el eje y la periferia del disco, una corriente continua fluye a través del alambre, llega al dispositivo eléctrico (foco, led o multímetro) y lo hace funcionar. La parte que se apoya sobre la periferia del disco se conoce como cepillo y de pre­ferencia debe ser del mismo material que el disco para que la potencia eléctrica sea constante. Al invertir el sentido de la rotación, la corriente gene­rada también cambia su sentido; lo mismo ocurre cuando se invierte la polaridad del imán.

4. Alternativas de solución. La máquina consiste, pues, en un disco de metal que gira entre los polos de un imán accionado por una manivela, como se muestra en el esquema. Como alternativa al disco de metal, puedes utilizar un disco de unicel forrado de papel aluminio. También puedes construir el eje y la manivela con trozos cilíndricos de madera; los soportes y la estructura general, con cartón. En caso de no contar con un imán en forma de herradura, puedes utilizar dos imanes rectangulares o EDICIONES

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Bloque I

circulares, sólo debes asegurarte de que los polos que quedan frente a frente sean contrarios: uno positivo y otro negativo. Como dispositivo de iluminación puedes utilizar un led de bajo voltaje o el multímetro del taller, el objetivo es comprobar que se está generando corriente eléctrica. 5. Planeación. ¿Qué se va a hacer? Reproducir el dínamo de Faraday para generar electricidad por inducción magnética. ¿Cómo se va a hacer? Construir una máquina simple, donde un disco de metal gire dentro del campo magnético del imán por acción de una manivela. Tanto el disco como el imán deben sostenerse sólidamente en sus respectivos soportes. El cepillo debe estar en contacto permanente con el disco para que la corriente fluya. El cable conductor parte del cepillo, llega al dispositivo eléctrico y cierra el circuito en el eje del disco.

¿Qué recursos se necesitan? Un disco de metal, una manivela, imanes, soportes para el disco y los imanes, cables conductores, un cepillo y un dispositivo eléctrico. ¿Dónde se obtendrán los recursos? Ubica los proveedores de los recursos mencionados en el punto anterior dentro de tu comunidad. ¿Quién es responsable de cada tarea? Como se trata de un trabajo en equipo, las tareas deben repartirse equitativamente. ¿Cuánto tiempo tomará cada tarea? Calculen en equipo el tiempo que tomará cada tarea y pongan un límite razonable de acuerdo con su calendario escolar. 6. Preparación. Una vez terminada la planificación, deben recopilar los mate­ riales determinados. 7. Producción. Cada miembro del equipo realiza la actividad que le corres­ponde. 8. Ejecución. En esta etapa se unen las actividades realizadas por cada miem­ bro del equipo y se arma la máquina planeada. 9. Evaluación. Realicen la estimación del resultado: ¿la máquina produce ener­ gía eléctrica? ¿Cuánta energía produce? ¿Puede mejorar su funcionamiento? ¿Qué mejoras propone cada miembro del equipo? Compartan sus experien­ cias y conclusiones con el grupo. 44

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Integración de conceptos. Bloque I. Técnica y tecnología

Átomo Está integrado por dos partes fundamentales: un núcleo, circundado por una nube de electrones que trazan órbitas muy precisas alrededor del primero.

Electrones Protones Neutrones

Cargas electrostáticas Los protones tiene carga positiva (+), los electrones carga negativa (-).

Atracción y repulsión entre cargas eléctricas Cargas iguales se repelen y cargas contrarias se atraen.

Magnetismo La capacidad de ciertos materiales para ejercer fuerzas de atracción o repulsión sobre otros.

Campo electromagnético La fuerza que ejercen entre sí las cargas positivas y negativas de un cuerpo crea un campo de fuerza electromagnético a su alrededor.

Culombio Conjunto de aproximadamente 6.28 trillones de electrones.

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Bloque I

Ley de Culombo La fuerza de atracción o repulsión entre dos cuerpos con cargas electrostáticas es proporcional a la intensidad de la carga presente en cada uno de ellos, dividida por el cuadrado de la distancia que los separa.

Banda de conducción Última órbita del átomo que contiene los electrones libres, aquellos que pueden desplazarse de un átomo a otro dentro del cuerpo que los contiene y generan la corriente eléctrica.

Corriente eléctrica Es generada por el movimiento de los electrones libres dentro de un cuerpo cuando saltan de la banda de conducción de un átomo a otro al aplicarles energía (calor, luz o electricidad).

Amperio (A) Unidad de medida de la corriente eléctrica, equivalente de un culombio que pasa por un punto fijo cada segundo

(1C/s = 1A).

Circuito eléctrico Es el recorrido que hace la electricidad desde su punto de origen en la fuente de energía hasta su regreso al mismo.

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Diferencia de potencial o tensión Energía necesaria para poner en movimiento a los electrones y crear así una corriente eléctrica.

Voltios (V) Unidad de medida de la tensión. Se requiere 1 voltio para mover 1 culombio a través del circuito, lo cual representa 1 joule de trabajo.

Voltaje El conjunto de voltios que se aplica a un circuito dado. También se le conoce como fuerza electromotriz porque es la fuerza que se requiere para mover cierta cantidad de electrones.

Watts (W) Son voltios medidos en el tiempo y se expresan con la fórmula: 1 watt = 1J/s, porque un joule es el trabajo que requiere de un voltio para mover un culombio.

Inducción magnética Es la técnica de generación de electricidad por magnetismo con ayuda de la energía mecánica. Cuando un material conductor rota dentro del campo de fuerza magnético de un imán permanente, los electrones libres del metal comienzan a moverse, creando una corriente eléctrica.

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