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Dirección editorial

Ma. Emilia de Lourdes Hernández Betancourt

Gerencia editorial

Enriqueta Maqueda Serrano

Corrección de estilo

Romy Pacheco, Josué Vega López

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 2 Prohibida la reproducción parcial o total del contenido de la presente obra, por cualquier medio, sin la autorización escrita del editor.

Registro en trámite 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: 978-607-95824-5-6

Impreso en México - Printed in Mexico

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Presentación Tecnología, Diseño de Circuitos Eléctricos 2, se enfoca en el estudio del comporta­ miento de los tres elementos fundamentales de la electricidad: Resistencia, Tensión y Corriente, aplicados en los tipos básicos de circuitos: serie, paralelo y complejo. Como parte del enfoque integral, el alumno aprenderá a aplicar la Ley de Ohm y las Leyes de Kirchhoff para resolver problemas en dichos circuitos, y las Leyes de Maxwell para explicar el comportamiento de la energía eléctrica en casos prácticos. Durante este curso, el estudiante también conocerá y comprenderá nuevos con­ ceptos básicos para el trabajo con la electricidad. En la parte práctica, aprenderá a utilizar correctamente diversos dispositivos de utilidad en la industria de la cons­trucción, como el multímetro, interruptores y fusibles, además de realizar ensayos relacionados con los circuitos eléctricos básicos. Al final del curso, desarrollará un proyecto de producción industrial que le permitirá 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 Educa­ ción Pública; su 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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Índice

Índice

Bloque I. Tecnología y su relación con otras áreas de conocimiento 1. Tecnología y su relación con otras áreas de conocimiento . . . . . . . . 12 1.1 La tecnología como área de conocimiento y la técnica como práctica social . . . . 14 ••Los productos de la técnica para la satisfacción de necesidades e intereses . . . . . . . . . . . ••Los circuitos eléctricos y su relación con los conocimientos de la Física . . . . . . . . . . . . . . Los electrones y la corriente eléctrica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Magnitudes y unidades de medición . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ••La tecnología en el diseño de circuitos eléctricos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Electricidad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Magnetismo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . La Ley de Ohm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Tensión, resistencia eléctrica e intensidad de la corriente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ••El cálculo de magnitudes eléctricas para el diseño de circuitos eléctricos y sus componentes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Principio de Oersted . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Solenoide . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Núcleos magnéticos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Transformadores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ••Los instrumentos de medición: el multímetro . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

14 15 15 18 21 22 24 26 27

29 30 30 32 33 37

1.2 Relación de la tecnología con las ciencias naturales y sociales: la resignificación y el uso de los conocimientos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 ••El desarrollo de artefactos e instrumentos eléctricos para la investigación científica . . . . . La lámpara incandescente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . La medición de la salinidad por la conductividad eléctrica del suelo o el agua . . . . . . . . ••Los circuitos eléctricos y la electrónica como componentes fundamentales de los aparatos electrodomésticos e industriales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ••El desarrollo de bulbos, transistores y circuitos integrados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ••Los circuitos eléctricos y las telecomunicaciones para el registro, procesamiento y transmisión de la información . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

39 40 41

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1.3 La resignificación y el uso de los conocimientos para la resolución de problemas y el trabajo por proyectos en los procesos productivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 ••Los conocimientos técnicos y científicos para mejorar las instalaciones y los componentes eléctricos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ••El trabajo por proyectos para el diseño de circuitos eléctricos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ••Retroalimentación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ••Integración de conceptos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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Bloque II. Cambio técnico y cambio social 2. Cambio técnico y cambio social . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 2.1 La influencia de la sociedad en el desarrollo técnico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54 ••Las necesidades e intereses del ser humano y cómo satisfacerlos por medio de sistemas técnicos del diseño de circuitos eléctricos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ••Las nuevas aplicaciones de los circuitos eléctricos en la industria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ••El factor temperatura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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Tecnología, Diseño de circuitos eléctricos 2

••La incorporación de los motores eléctricos en las máquinas y la reorganización de la producción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ••Interruptores eléctricos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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2.2 Cambios técnicos, articulación de técnicas y su influencia en los procesos productivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 ••Los cambios técnicos en el diseño y construcción de circuitos eléctricos . . . . . . . . . . . . . . ••La electricidad y el magnetismo en la satisfacción de las necesidades de comunicación: el desarrollo del telégrafo y la telefonía . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ••Los productos eléctricos y sus procesos de cambio técnico para la satisfacción de necesidades e intereses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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2.3 Las implicaciones de la técnica en la cultura y la sociedad . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67 ••El papel de la técnica en la transformación de las costumbres y tradiciones de la comunidad debido al uso de productos técnicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ••El uso de sensores que controlan los circuitos eléctricos para la satisfacción de necesidades . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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2.4 Los límites y posibilidades de los sistemas técnicos para el desarrollo social . . . . 70 ••Los sistemas técnicos en el desarrollo social, natural, cultural y económico-productivo . . ••Circuitos en serie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ••Circuitos en serie: Corriente (I) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ••La disponibilidad de recursos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Limitantes y posibilidades técnicas y naturales para la generación de energía eléctrica . ••Circuitos en serie: continuidad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ••Circuitos en serie: Voltaje (Segunda Ley de Kirchhoff) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

71 71 71 72 72 72 74

2.5 La sociedad tecnológica actual y del futuro: visiones de la sociedad tecnológica . 77 ••Circuitos en serie: Resistencias equivalentes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ••Visión retrospectiva y prospectiva de la sociedad tecnológica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ••Las computadoras y los sistemas de telecomunicación y su impacto en la vida cotidiana .

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2.6 El cambio técnico en la resolución de problemas y el trabajo por proyectos en los procesos productivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79 ••Circuitos en serie: división de voltaje . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ••La resolución de problemas y la integración de contenidos para el desarrollo del proyecto de diseño de circuitos eléctricos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ••Integración de conceptos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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Bloque III. La técnica y sus implicaciones en la Naturaleza 3. La técnica y sus implicaciones en la Naturaleza . . . . . . . . . . . . . . . . 86 3.1 Las implicaciones locales, regionales y globales de la operación de sistemas técnicos en la Naturaleza . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88 ••Los sistemas técnicos en el diseño de circuitos eléctricos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ••Circuitos en paralelo: introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Las implicaciones en la construcción y operación de las centrales hidroeléctricas . . . . . La quema de combustibles fósiles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Los impactos por las líneas de conducción eléctrica y las centrales . . . . . . . . . . . . . . . . El impacto por la obtención o elaboración de los insumos que requieren los circuitos eléctricos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ••Circuitos en paralelo: Tensión (E) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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3.2 Las alteraciones de los ecosistemas debido a la operación de los sistemas técnicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95 ••Los impactos generados en la Naturaleza . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . En los procesos de obtención de insumos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . En los procesos de transformación de los insumos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . En los desechos y los residuos generados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ••Circuitos paralelos: Corriente (I) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

95 95 96 96 96

3.3 El papel de la técnica en la conservación y cuidado de la Naturaleza . . . . . . . . . . 99 ••La generación de energía eléctrica mediante el empleo de fuentes no contaminantes . . . . ••Los sistemas de iluminación eficiente: sistemas naturales y artificiales . . . . . . . . . . . . . . . ••Circuitos en paralelo: Resistencia total efectiva . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ••Los circuitos eléctricos inteligentes como alternativas para disminuir impactos ambientales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ••Circuitos en paralelo: Resistencia con valor diferente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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3.4 La técnica, la sociedad del riesgo y el principio precautorio . . . . . . . . . . . . . . . . . 106 ••La sociedad del riesgo y el principio precautorio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ••Circuitos en paralelo: Resistencia total efectiva con tres o más resistencias de valor diferente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ••Las normas de seguridad en los procesos productivos para el diseño y construcción de circuitos eléctricos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ••Los riesgos de la generación de energía eléctrica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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3.5 El principio precautorio en la resolución de problemas y el trabajo por proyectos en los procesos productivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112 ••El principio precautorio como conjunto de acciones preventivas que minimizan los riesgos en los sistemas técnicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ••Las alternativas técnicas para la disminución del riesgo en la Naturaleza debido a la generación de la electricidad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ••El proyecto de producción industrial de diseño de circuitos eléctricos . . . . . . . . . . . . . . . ••Integración de conceptos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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Bloque IV. Planeación y organización técnica 4. Planeación y organización técnica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118 4.1 La gestión en los sistemas técnicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120 ••El diagnóstico de necesidades para la instalación de circuitos eléctricos . . . . . . . . . . . . . . En la construcción de casas habitación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . En los procesos de urbanización . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . En la instalación del alumbrado público . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ••El desarrollo de proyectos de electrificación: costos, riesgos, impacto ambiental y disponibilidad de los insumos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ••Circuitos paralelos: calcular valores desconocidos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

120 121 123 123

124 124

4.2 La planeación y la organización de los procesos técnicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126 ••La planeación y organización de los procesos técnicos para el diseño e instalación de circuitos eléctricos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126 ••La gestión y consecución de insumos para el desarrollo de los procesos técnicos . . . . . . . 127 ••Circuitos complejos: introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128

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4.3 La normatividad y la seguridad e higiene en los procesos técnicos . . . . . . . . . . . . 128 ••La electrificación conforme a los planes de urbanización y uso del suelo . . . . . . . . . . . . . ••Los estudios de impacto ambiental en los proyectos de electrificación . . . . . . . . . . . . . . . ••El uso de insumos en los circuitos eléctricos según las Normas Oficiales Mexicanas (nom) ••Circuitos complejos: procedimiento para simplificar el valor de las resistencias . . . . . . . .

129 130 131 131

4.4 La planeación y la organización en la resolución de problemas técnicos y el trabajo por proyectos en los procesos productivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135 ••Los procesos de planeación y organización para la resolución de problemas en el diseño y construcción de circuitos eléctricos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ••Circuitos complejos: Resistencia puente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ••El trabajo por proyectos en el diseño de circuitos eléctricos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ••Integración de conceptos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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Bloque V. Proyecto de producción industrial 5. Proyecto de producción industrial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146 5.1 Características del proyecto de producción industrial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148 5.1.1 Procesos productivos industriales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148 ••Los cambios en la organización técnica del trabajo: de los procesos artesanales a los procesos productivos industriales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149 ••Circuitos complejos: Corriente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150

5.1.2 Diseño, ergonomía y estética en el desarrollo de los proyectos . . . . . . . . . . . . . . . 150 ••El diseño de instalaciones eléctricas, considerando el diseño, las necesidades e intereses, la funcionalidad, la estética y la ergonomía. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151 ••Circuitos complejos: comportamiento de la corriente según la Primera Ley de Kirchhoff . 151

5.1.3 El diseño y el cambio técnico: criterios de diseño . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153 ••Criterios de diseño . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Necesidades e intereses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Función técnica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Estética . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ergonomía . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Aceptación cultural . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ••Circuitos complejos: Voltaje . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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5.2 El Proyecto de producción industrial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158 5.2.1 El diseño en los procesos productivos y el proyecto de producción industrial . . . . 158 ••Las fases del proyecto de producción industrial de diseño de circuitos eléctricos . . . . . . . ••Proyecto de producción: diorama . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ••Proceso de diseño . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ••Cálculo de resistencias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ••Integración de conceptos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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técnico y cambio social

Recursos pedagógicos

Recursos pedagógicos

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

2 CAMBIO TÉCNICO Y CAMBIO SOCIAL 2.1 La influencia de la sociedad en el desarrollo técnico. 2.2 Cambios técnicos, articulación de técnicas y su influencia en los procesos productivos. 2.3 Las implicaciones de la técnica en la cultura y la sociedad. 2.4 Los límites y posibilidades de los sistemas técnicos para el desarrollo social. 2.5 La sociedad tecnológica actual y del futuro: visiones de la sociedad tecnológica. 2.6 El cambio técnico en la resolución de problemas y el trabajo por proyectos en los procesos productivos.

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Propósitos Propósitos

Propósitos

• Reconocer la importancia de los sistemas técnicos para la satisfacción de necesidades e intereses propios de los grupos que los crean. • Reconocer la importancia de los sistemas técnicos • Valorar la influencia de aspectos socioculturales que para la satisfacción de necesidades e intereses propios favorecen la creación de nuevas técnicas. de los grupos que los crean. • Proponer diferentes alternativas de solución para el • Valorar la influencia de aspectos socioculturales que cambio técnico de acuerdo con diversos contextos favorecen la creación de nuevas técnicas. locales, regionales y nacionales. • Proponer diferentes alternativas de solución para el • Identificar la delegación de funciones de herramientas cambio técnico de acuerdo con diversos contextos a máquinas y de máquinas a máquinas. locales, regionales y nacionales. • Identificar la delegación de funciones de herramientas a máquinas y de máquinas a máquinas.

Propósitos

• Reconocer la importancia de los sistemas técnicos para la satisfacción de necesidades e intereses propios de los grupos que los crean. • Valorar la influencia de aspectos socioculturales que favorecen la creación de nuevas técnicas. • Proponer diferentes alternativas de solución para el cambio técnico de acuerdo con diversos contextos locales, regionales y nacionales. • Identificar la delegación de funciones de herramientas a máquinas y de máquinas a máquinas.

Se refiere a los saberes-conocimientos, habilidades-destrezas, capacidades y competencias que el alumno desarrollará y que le permitirán ser productivo en la sociedad en la que vive.

Aprendizajes esperados Aprendizajes esperados

Aprendizajes esperados

EL ALUMNO: • Emplea de manera articulada diferentes clases de técnicas para mejorar procesos y crear productos EL ALUMNO: técnicos. • Emplea de manera articulada diferentes clases de • Reconoce las implicaciones de la técnica en las formas técnicas para mejorar procesos y crear productos de vida. técnicos. • Examina las posibilidades y limitaciones de las técnicas • Reconoce las implicaciones de la técnica en las formas para la satisfacción de necesidades según su contexto. de vida. • Construye escenarios deseables como alternativas de • Examina las posibilidades y limitaciones de las técnicas mejora técnica. para la satisfacción de necesidades según su contexto. • Propone y modela alternativas de solución a posibles • Construye escenarios deseables como alternativas de necesidades futuras. mejora técnica. • Propone y modela alternativas de solución a posibles necesidades futuras.

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

En este bloque En este bloque

EL ALUMNO: • Emplea de manera articulada diferentes clases de técnicas para mejorar procesos y crear productos técnicos. • Reconoce las implicaciones de la técnica en las formas de vida. • Examina las posibilidades y limitaciones de las técnicas para la satisfacción de necesidades según su contexto. • Construye escenarios deseables como alternativas de mejora técnica. • Propone y modela alternativas de solución a posibles necesidades futuras.

En este bloque

Analizarás los factores económicos, sociales y culturales que llevan a la adopción y operación de determinados sistemas técnicos, así como a la elección de sus Analizarás los factores económicos, sociales y culturales componentes; reflexionarás sobre cómo las técnicas que llevan a la adopción y operación de determinados constituyen la respuesta a las necesidades apremiantes sistemas técnicos, así como a la elección de sus de un tiempo y contexto determinados. componentes; reflexionarás sobre cómo las técnicas En materia de electricidad, aprenderás el constituyen la respuesta a las necesidades apremiantes funcionamiento y la naturaleza de la resistencia, las de un tiempo y contexto determinados. bases de los interruptores y su clasificación, y estudiarás En materia de electricidad, aprenderás el el comportamiento de corriente, voltaje y resistencia en funcionamiento y la naturaleza de la resistencia, las los circuitos en serie. bases de los interruptores y su clasificación, y estudiarás el comportamiento de corriente, voltaje y resistencia en 53 los circuitos en serie.

En este bloque

Analizarás los factores económicos, sociales y culturales que llevan a la adopción y operación de determinados sistemas técnicos, así como a la elección de sus componentes; reflexionarás sobre cómo las técnicas constituyen la respuesta a las necesidades apremiantes de un tiempo y contexto determinados. En materia de electricidad, aprenderás el funcionamiento y la naturaleza de la resistencia, las bases de los interruptores y su clasificación, y estudiarás el comportamiento de corriente, voltaje y resistencia en los circuitos en serie.

Representa una referencia rápida del contenido.

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corriente y el voltaje, antes y después de cada componente, y anoten los resultados en su libreta de trabajo.

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Tecnología, Diseño de circuitos eléctricos 2 R2 100K

R4 330

B1 9V

TECNOLOGÍA, DISEÑO DE CIRCUITOS ELÉCTRICOS 2 TECNOLOGÍA, DISEÑO DE CIRCUITOS ELÉCTRICOS 2

Actividad individual

Actividad grupal

El potenciómetro tiene tres terminales, marcadas en el ejemplo como A, B y C. Las Q1 R3 2N2222A terminales A y B son los extremos del material que opone la resistencia al flujo de El alumno pone en práctica lo aprendido en la lección El alumno colabora con sus compañeros de clase 2.2K QUE II CAMBIO TÉCNICO Y CAMBIO SOCIAL R1 inmediata anterior con el objetivo corriente. La terminal C es el control de la resistencia y funciona de acuerdo con de reforzar el en la solución de LDR un problema con el propósito de la Primera Ley de Maxwell, que estipula: la superficie del conductor es proporcional a la conocimiento adquirido. desarrollar habilidades de cooperación, delegación de corriente que puede fluir a través de él. Pero en este caso se trata de material resistente en vez de conductor; por lo tanto, mientras mayor sea la superficie, mayor será la responsabilidades y trabajo en equipo. resistencia que presenta. Esta es precisamente la función de la aguja de control: si se desliza hacia la terminal donde ingresa la corriente, disminuye la superficie Actividad 2 del material y con ello la resistencia, por lo que el flujo se incrementa; por el Determina el valor de las siguientes resistencias por su código de color, sigue el ejemplo: Actividad 11 contrario, si se desliza hacia el extremo opuesto, la superficie resistente aumenta Rojo­Amarillo­Azul­Dorado: 24MΩ con ±5% de tolerancia. En grupo, y con ayuda del profesor, dibujen en el pizarrón el diagrama de la Actividad y el flujo disminuye. o y apoyados por el maestro, Café­Negro­Rojo­Plata:

ógica ones gica

10 y anoten las medidas de corriente y voltaje. Determinen cuál es la dirección de la

Café­Negro­Negro­Plata:

nica?

Naranja­Negro­Café­Dorado:

sarrollo social?

Amarillo­Verde­Negro­Plata:

corriente, cuál es el comporta iento del voltaje y a partir de esos datos deduzcan cuál La terminal C será siempre por donde la corriente salga del m potenciómetro y es la función de cada componente. Finalmente, concluyan cuáles son las ventajas de los puede ingresar por las terminales A o B; dependiendo de ello, el potenciómetro sensores y escríbanlas en su libreta. aumentará o disminuirá la corriente en el sentido de las manecillas del reloj.

Los cambios técnicos en Dada la importancia de las resistencias es conveniente que practiques por tu el diseño y construcción depueden circuitos eléctricos cuenta la lectura del código de color. En equipo, hacer una lista más cnología moldea la sociedad El diseño y la fabricación de circuitos eléctricos se modifican de acuerdo con los o su misma idiosincrasia. En la grande que la de la actividad e intercambiarla para practicar. avances de la ciencia y la tecnología, en busca de incrementar la eficacia y eficiencia a velocidades sin precedente, Los simuladores te permiten asignar prácticamente cualquier valor a las resis­ de los nuevos dispositivos. Sin embargo, existen aspectos que son comunes a todas ta característica determinará tencias, pero en el mundo real sólo se fabrica una cantidad limitada. La siguiente idiosincrasia. Rasgos, las generaciones tecnológicas; uno de ellos —de gran importancia en el diseño tes y la electricidad tendrá un tabla muestra los valores de las resistencias existentes en el mercado: temperamento, carácter, Aporta de todo tipo de circuitos— es la seguridad. Siempre debes tomar precauciones el significado específico de un término poco sociedades. pensamiento, etcétera, para que los dispositivos con no sufrirán de las resistencias comerciales común en elasegurar lenguaje coloquial el finun dedaño quecomo consecuencia de distintivosValores de un individuo o de un grupo social. variaciones involuntarias en el flujo de la corriente. es x 1.000 x 10.000 x 100.000 x 1.000.000 el alumno comprenda todos los términos que se Costumbres de una x1 x 10 x 100 s en serie implica una carac­ (K) (10K) Cuando la corriente fluye a través de una resistencia, parte de la energía eléctrica (100K) (M) sociedad. s los circuitos complejos. utilizan en la   lección.           se transforma en calor, lo cual incrementa su temperatura. Si el calor aumenta 1Ω 10 Ω 100 Ω 1 KΩ 10 KΩ 100 KΩ 1MΩ demasiado, la resistencia se daña e interrumpe el flujo eléctrico. Este efecto es el tencia total del circuito (Rt) 1,2 Ω 12 Ω 120 Ω 1K2 Ω 12 KΩ 120 KΩ 1M2 Ω que se aprovecha para la construcción de fusibles que son resistencias que utilizan él presentes (R1+R2+R3…). 1,5 Ω 15 Ω 150 Ω 1K5 Ω 15 KΩ 150 KΩ 1M5 Ω un filamento fabricado de cierto material con muy poca resistencia y un punto 1,8 Ω 18 Ω 180 Ω 1K8 Ω 18 KΩ 180 KΩ 1M8 Ω de fusión también muy bajo; por lo general, el material del filamento es un metal. 45

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Definición

Complemento

2,2 Ω

22 Ω

220 Ω

2K2 Ω

22 KΩ

2,7 Ω

27 Ω

270 Ω

2K7 Ω

27 KΩ

3,3 Ω

33 Ω

330 Ω

3K3 Ω

33 KΩ

39 Ω

390 Ω

3K9 Ω

39 KΩ

4,7 Ω

47 Ω

470 Ω

4K7 Ω

47 KΩ

5,1 Ω

51 Ω

510 Ω

5K1 Ω

51 KΩ

ntidad de resistencias conec­ 3,9 Ω una sola resistencia. Observa

5,6 Ω 6,8 Ω 8,2 Ω

510 KΩ

5M1 Ω

Todos los fusibles tienen los mismos elementos: un par de terminales para conectarse al circuito y un filamento, cuyo punto de fusión determina el máximo de corriente que puede circular por el circuito. Es importante recordar que se debe desconectar el circuito antes de cambiar los fusibles.

Biografía

Carl 56 Sagan York,ΩEstados Unidos, de dispositivos es muy sencillo: cuando la potencia Ω (Nueva560 5K6 Ω1934-1996). Fue 56 astrónomo, KΩ El funcionamiento 560 KΩ 5M6estos Ω astrofísico, cosmólogo y escritor. Publicó numerosos artículos científicos consumida por el fusible eleva la temperatura del filamento más allá de su punto 68veintena Ω 680 ΩEn 1978 ganó 6K8elΩPremio Pulitzer 68 de KΩLiteratura 680 KΩ 6M8 Ω y una de libros. General de No Ficción por su libro Los Dragones del Edén. Escribió dirigió el metal del que está hecho se derrite y el fusible se funde, lo que de yfusión, 82 Ω 820 Ω 8K2 Ω 82 KΩ 820 KΩ 8M2 Ω la serie documental de televisión Cosmos: un viaje personal y el libro del identificamos por su filamento roto o su cristal oscurecido. mismo nombre publicado como complemento. Entre sus  novelas más       10M Ω leídas están El mundo y sus demonios y Contacto; en esta última se basó de fusibles, entre los que destacan dos: los convencionales que la película homónima de 1997. Participó en el proyecto Apolo 11Existen varios tipos en 1969, y lideró proyectos como el SETI (Búsqueda de inteligencia extraterrestre). se queman de inmediato cuando el circuito recibe una sobrecarga y los de fusión Está considerado uno de los divulgadores de la ciencia más carismáticos retrasada, que toleran sobrecargas momentáneas y se funden si la sobre carga e influyentes, gracias a su capacidad de transmitir las ideas científicas y los Recuerda que a través de la resistencia fluye la corriente eléctrica y que su principal aspectos culturales al público no especializado con gran sencillez. continúa durante cierto lapso; los de este tipo son utilizados en aquellos circuitos

Profundiza en el conocimiento de algunas personalidades cuyas aportaciones fueron decisivas para El factor temperatura la ciencia y los fundamentos de la función es presentar cierta oposición al flujo. Esta oposición hace que parte de electricidad. BLOQUE II CAMBIO TÉCNICO Y CAMBIO SOCIAL Foto: Wikipedia.

Ra 12

Incorpora información de utilidad y cultura general 220 KΩ 2M2 Ω

Los fusibles están diseñados para fundirse y abrir el circuito cuando la corriente 270el KΩpropósito 2M7 Ω de incrementar los conocimientos con excede cierto valor, que es proporcional a la tolerancia del filamento en el fusible; 330 KΩ 3M3 Ω del alumno sobre el temaELÉCTRICOS que se está estudiando. es decir, la tolerancia a la corriente del fusible y del circuito entero es proporcional. TECNOLOGÍA, DISEÑO DE CIRCUITOS 2 390 KΩ 3M9 Ω Por tal razón, los fusibles se clasifican de acuerdo con la cantidad de corriente que 470 KΩ 4M7 Ω pueden conducir sin alcanzar el punto de fusión.

Filamento

Terminales

la corriente se transforme en calor alrededor del cuerpo de la resistencia; es decir,

Circuitos en paralelo: esistencia total efectiva con incrementa su temperatura. La capacidad máxima de la resistencia para expulsar tres o más resistencias de valor diferente

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o disipar calor sin sufrir daño físico se conoce como grado de disipación y cuando EDICIONES ® 77 Recuerda que una resistencia es cualquier componente que se opone al flujo de la se rebasa el límite, la resistencia se funde y deja de funcionar. Integración de conceptos. Bloque II. Cambio técnico y cambio social corriente y esto incluye las resistencias físicas que utilizan los aparatos eléctricos y electrónicos, los focos en una casa, todos los aparatos electrodomésticos, los

Integración de conceptos Componentes motores en una fábrica y demás. Por tal razón, no resulta extraño encontrar en eleléctricos EDICIONES

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mundo real circuitos que contienen combinaciones con decenas de resistencias

Activos: aportan ganancia o control de la

conectadas en paralelo. Constituye un repaso al final energía dentro del circuito a partir de la que reciben de la fuente. En tales casos, resulta poco práctico aplicar la fórmula paracorriente dos resistencias de cada bloque que resume los Pasivos: realizan la conexión entre los paralelas sucesivamente y por ello se utiliza un método que combina la Primera diferentes componentes activos. Ley de Kirchhoff con la Ley de Ohm. Para usarlo se recurre a técnicas elementales conceptos estudiados.

de álgebra, como la descomposición de números enteros en susResistencia factores primos y la suma de fracciones —si tienes dudas sobre esos temas, consulta con tu profesor Componente pasivo cuya principal o busca un tutorial por Internet; en estaciones como YouTube encontrarás muchos característica es su oposición al flujo de ejemplos. Presta atención, porque este método es una parte importante para el corriente. control de energía eléctrica.

Para comprender el funcionamiento de este método es necesario recordar tres conceptos básicos que ya conoces: 1. La primera Ley de Kirchhoff establece que la corriente total en unde circuito Código color paralelo es igual a la suma de las corrientes parciales que atraviesan cada Representa el valor en ohmios de la resistencia: It=I1+I2+I3 … resistencia. 2. En los circuitos paralelos, la tensión que circula a través de cada resistencia es siempre la misma: 3. Los circuitos paralelos pueden reducirse a su equivalente virtual con un solo valor, de tal forma que sea posible aplicar la Ley de Ohm sin alterar los resultados: Electricidad_2 00_PRE_JUL_17.indd 9

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1a 2a 3a Bandas

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Amperio El movimiento de 1 Culombio por un punto fijo del conductor cada segundo (1C/s = A). La corriente eléctrica (I) siempre se mide en Amperios

Los Culombios en movimiento se miden en Amperios

Culombio Conjunto de aproximadamente 6.28 trillones de electrones

Para su mejor comprensión, los electrones se agrupan convencionalmente en unidades llamadas

Neutrones

La diferencia de potencial ordena el movimiento de electrones para crear

Electrones

Carga negativa

Átomo

Las leyes de Maxwell dividen los materiales en

Relación Materiales - Energía

Responden a

Carga positiva

Corriente alterna El flujo de electrones se invierte en intervalos regulares

Por su proceso de generación, la corriente se divide en dos tipos:

Corriente eléctrica Movimiento ordenado de electrones libres a través de un conductor. Se requiere 1 Voltio de Tensión para mover 1 Amperio de Corriente que genera 1 Joule de Calor

Corriente continua El flujo de electrones sigue siempre una y la misma dirección

Se utiliza para medir

Carga neutra

Las leyes de Maxwell determinan la

Diferencia de potencial (Tensión) Fuerza que pone en movimiento a los electrones. La diferencia de potencial o Tensión (E) se expresa y se mide en Voltios

La diferencia de magnitud entre cargas contrarias crea

Ley de las cargas eléctricas Cargas contrarias se atraen, cargas iguales se repelen

Responden a

Protones

Leyes de Maxwell 1. Ley de Gauss 2. Ley de Gauss para el campo magnético 3. Ley de Faraday 4. Ley de Ampere generalizada

El comportamiento de la corriente eléctrica se explica con las

Integración de conceptos. Tecnología, Diseño de Circuitos Eléctricos 1

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Se aplican en

Leyes de Kirchhoff Calculan la magnitud de la corriente en puntos específicos del circuito y la tensión total del mismo en diferentes secciones

De las leyes de Maxwell se derivan las

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Diagramas eléctricos Uso y aplicación de símbolos convencionales para representar los elementos que forman el circuito: los delgados materiales de la Tensión, Corriente y Resistencia, así como sus respectivos valores y las relaciones que guarden entre sí para realizar un trabajo determinado

Se representan con

Circuitos en paralelo La corriente circula por diferentes caminos paralelos

Existen dos tipos básicos de circuitos eléctricos

Circuuitos en serie La corriente circula por un solo y único camino

Unidad de medida La Tensión siempre se mide en Voltios. La Corriente siempre se mide en Amperes. La Resistencia siempre se mide en Ohmios

La relación entre Tensión, Corriente y Resistencia aparece siempre en un

Resistencia Capacidad de los materiales para frenar el flujo de electrones

Todos los materiales tienen cierta

Aislantes Materiales que oponen resistencia al flujo de la corriente

Circuito eléctrico Camino que recorren los electrones desde su punto de origen en la fuente de energía hasta su regreso a la misma, pasando por una o más cargas que ejecutan un trabajo. En el circuito siempre existen Tensión (E), Corriente (I) y Resistencia (R)

Ley de Ohm Explica la relación entre Tensión (E), Corriente (I) y Resistencia (R) E = I*R

Para medir la capacidad de conducción y resistencia de los materiales se utiliza la

Semiconductores Materiales que oponen cierta resistencia al flujo de la corriente

Cada elemento tiene su propia

Conductores Materiales que permiten el libre flujo de la corriente

Tecnología, Diseño de circuitos eléctricos 2

Integración de conceptos. Tecnología, Diseño de Circuitos Eléctricos 1

El propósito de este mapa es apoyar a profesores y alumnos para que, con un rápido repaso, puedan ubicar y resolver cualquier duda con respecto al contenido del primer curso.

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BLOQUE

I

Tecnología y su relación con otras áreas de conocimiento C ontenido 1 Tecnología y su relación con otras áreas de conocimiento 1.1 La tecnología como área de conocimiento y la técnica como práctica social. 1.2 Relación de la tecnología con las ciencias naturales y sociales: la resignificación y el uso de los conocimientos. 1.3 La resignificación y el uso de los conocimientos para la resolución de problemas y el trabajo por proyectos en los procesos productivos.

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Propósitos •• Reconocer las diferencias entre el conocimiento tecnológico y el conocimiento científico, así como sus fines y métodos. •• Describir la interacción de la tecnología con las diferentes ciencias, tanto naturales como sociales. •• Distinguir la forma en que los conocimientos científicos se resignifican en la operación de los sistemas técnicos.

Aprendizajes esperados El alumno: •• Compara las finalidades de las ciencias y de la tecnología para establecer sus diferencias. •• Describe la forma en que los conocimientos técnicos y los conocimientos de las ciencias se resignifican en el desarrollo de los procesos técnicos. •• Utiliza conocimientos técnicos y de las ciencias para proponer alternativas de solución a problemas técnicos, así como mejorar procesos y productos.

En este bloque Estudiarás la relación entre tecnología y ciencia, y analizarás cómo los conocimientos previos se transforman y resignifican para aplicarlos a la resolución de nuevos problemas sociales. En este curso pondrás en práctica las acciones estratégicas e instrumentales que derivan en la creación de bienes y servicios. Estudiarás el comportamiento de los tres elementos fundamentales de la electricidad: Resistencia, Tensión y Corriente, aplicados en los tipos básicos de circuito: serie, paralelo y complejo.

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tecnología y su relación con otras Áreas de conocimiento

Bloque I

1.1 La tecnología como área de conocimiento y la técnica como práctica social Activación de conocimientos Antes de iniciar el estudio de este apartado, en grupo y apoyados por el maestro, reflexionen y contesten:

A. Expliquen con sus palabras, ¿qué es la ciencia? B. ¿Cuál es la diferencia entre técnica y tecnología? C. ¿Qué estudia la Física?

El conocimiento humano se crea con base en la inteligencia: nuestra capacidad de entender cómo funciona todo lo que nos rodea y resolver problemas. La ciencia es la encargada de desentrañar el funcionamiento de los fenómenos naturales, como el comportamiento del calor, los fluidos, los átomos, entre muchos otros, bajo determinadas circunstancias. La tecnología, por su parte, crea un conjunto de teorías y técnicas encaminado a desarrollar aparatos que aprovechen de forma práctica el conocimiento científico; en tanto que la técnica aplica los conocimientos generados por la tecnología en procedimientos y recursos enfocados a realizar una tarea específica para facilitar la ejecución de cierta actividad. El curso anterior comprobaste que los conocimientos teóricos son indispensables para poner en práctica las acciones estratégicas e instrumentales que derivan en la creación de bienes y servicios socialmente útiles. Las Leyes de Maxwell, por ejemplo, explican el comportamiento de la corriente eléctrica en prácticamente cualquier situación; sin ellas sería casi imposible la generación, transmisión y control de la energía eléctrica que hace funcionar la sociedad tal y como la conocemos.

Foto: Wikipedia.

Los productos de la técnica para la satisfacción de necesidades e intereses

Nikola Tesla (1856-1943). Inventor, ingenierio mecánico e ingeniero eléctrico y padre de la industria eléctrica.

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Cuando se comprende el principio teórico, el siguiente paso consiste en aplicarlo en el mundo real para solucionar algún problema social; es el caso de la corriente alterna que estudiaste en el curso anterior. Los inventos de Nikola Tesla para generar y transportar electricidad utilizando la corriente alterna probaron ser muy superiores teórica y técnicamente a los propuestos por Tomás Alva Edison con la corriente directa. Esto se debe a que Tesla era un científico y, por lo mismo, buscaba la eficacia y eficiencia en sus inventos; mientras que Edison era un comerciante que sólo buscaba la mayor ganancia posible. Por fortuna, en el caso de la generación y transporte de la energía eléctrica pública se impuso el bienestar

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Tecnología, Diseño de circuitos eléctricos 2

de la mayoría sobre los intereses particulares y, gracias a ello, actualmente gozamos de los beneficios de la electricidad en nues­tros hogares, la escuela y el trabajo.

Actividad 1 Investiga en Internet el episodio histórico conocido como La Guerra de las Corrientes. Escribe un resumen en tu libreta de trabajo.

Los circuitos eléctricos y su relación con los conocimientos de la Física En este segundo curso estudiarás el comportamiento de los tres elementos funda­mentales de la electricidad resistencia, tensión y corriente, aplicados en los tipos básicos de circuito: serie, paralelo y complejo. Para ello, emplearás algunas her­ramientas propias de la Física, como fórmulas, diagramas, principios y leyes científicas.

eficacia es la capacidad de lograr con exactitud y precisión el efecto que se espera. Por ejemplo, para hacer una operación aritmética, una calculadora electrónica es más eficaz que el lápiz y el papel, porque la calculadora no se equivoca y cuando hacemos una operación a mano siempre existe la posibilidad de error. eficiencia es la capacidad de realizar las mismas o más acciones en menos tiempo. Siguiendo el mismo ejemplo, una hoja de cálculo es más eficiente que una calculadora electrónica, porque realiza muchas más operaciones matemáticas al mismo tiempo, contrariamente a la calculadora, en la que sólo podemos ejecutar una operación a la vez.

La Física es la ciencia que aplica la matemática para estudiar, explicar y predecir fenómenos naturales. Los campos de estudio más generales de la Física son el espacio-tiempo, el movimiento y la materia-energía, así como las relaciones que existen entre ellos. La ingeniería eléctrica es una rama del campo materia-energía que estudia la generación, transporte y comportamiento de la corriente eléctrica en circuitos, que pueden ser tan grandes como países enteros o tan pequeños como el microprocesador de una computadora. Como en la Física, en electricidad utilizamos modelos matemáticos para explicar y predecir el comportamiento de la corriente eléctrica; dichos modelos se expresan gráficamente en forma de diagramas y matemáticamente en ecuaciones, como las que estudiaste el curso anterior: E = IR (Ley de Ohm). Por otra parte, la Física también es una ciencia experimental, lo cual significa que pone a prueba en el mundo real los modelos teóricos que crea. Lo mismo sucede con la electricidad: construimos con materiales reales los circuitos que diseñamos de manera virtual y ponemos a prueba los cálculos relacionados con ellos. El uso de modelos matemáticos (diagramas y ecuaciones) es indispensable para el diseño y la construcción de cualquier circuito eléctrico, ya sea de grandes magni­ tudes, como las líneas de alimentación eléctrica para una ciudad; circuitos medianos, como la instalación eléctrica de una vivienda, o microcircuitos, como los que contiene el microprocesador de una computadora. •• Los electrones y la corriente eléctrica En el curso anterior aprendiste que los electrones libres que circulan por un conductor forman la corriente eléctrica y que ésta se mide en amperios. Ahora

La palabra ecuación significa igualdad y eso es precisamente lo que hacemos cada vez que las utilizamos: igualamos el término de la derecha del signo igual a (=) con el término de la izquierda. Por ello, es posible y debemos leerlas o expresarlas en prosa, con la terminología propia de la materia. Por ejemplo, la Ley de Ohm se lee: La tensión en un circuito es igual a la corriente multiplicada por la resistencia existentes en el mismo (E = IR).

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tecnología y su relación con otras Áreas de conocimiento

Bloque I

pondrás en práctica los conceptos que ya conoces. Como sabes, la electricidad —como parte de la Física— es teórica y práctica, lo cual significa que primero creamos un modelo que presente el problema con su respectiva solución y des­ pués comprobamos en el mundo real que la respuesta es correcta. Durante el curso anterior utilizamos dibujos (segundo grado de abstracción, Diseño de circuitos eléctricos 1, Bloque IV) para representar nuestros experimentos. A partir de este curso, utilizaremos sólo símbolos convencionales (tercer grado de abstracción), porque son los que se emplean en el ámbito académico y profesional, y conviene que te familiarices con ellos desde ahora.

El uso de modelos matemáticos (diagramas y ecuaciones) es indispensable para el diseño y la construcción de cualquier circuito eléctrico.

Además, utilizaremos el siguiente método para resolver los problemas más complejos, al que llamaremos Método universal para la resolución de problemas: 1. Escribir el objetivo del problema o experimento, el cual debe responder a la pregunta: ¿Qué resultado se espera obtener? 2. Descubrir y redactar la incógnita del problema: ¿Cuál es la incógnita? ¿Qué se está buscando? ¿Qué está solicitando el objetivo del problema? 3. Describir a grandes pasos el plan general: ¿Qué voy a hacer para conseguir el resultado esperado y despejar la incógnita? 4. Siempre dibujar el diagrama del circuito. En este punto, es re­ comendable utilizar un software simulador de circuitos eléctricos; primero, porque es la herramienta que se utiliza en el ámbito académico y laboral; segundo, porque nos ahorra tiempo y esfuerzo que podemos dedicar a comprender los principios teóricos de lo que estamos haciendo. 5. Finalmente, construimos el circuito con herramientas, materiales y dispo­ sitivos reales o, bien, hacemos prácticas en la cabina, para comprobar en el mundo real la precisión de la teoría. Comencemos con un ejemplo sobre la corriente eléctrica: ¿Cómo saber, sin utilizar el multímetro, cuál es la corriente en un circuito que tiene 12 voltios de tensión y una resistencia de 6 ohmios? 1. ¿Qué resultado se espera obtener? Conocer la corriente en un circuito con las características descritas. 2. ¿Cuál es la incógnita? ¿Qué se está buscando? Determinar el factor corriente en el circuito sin usar el multímetro. 3. Pasos a seguir: utilizar la Ley de Ohm para determinar la cantidad de co­ rriente circulante y construir un circuito con una fuente de poder de 12 voltios y una resistencia de 6 ohmios para comprobar el resultado. Utiliza el Triángulo Mágico para determinar qué operación debes aplicar para calcular la cantidad de corriente que corre por el circuito.

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Tecnología, Diseño de circuitos eléctricos 2

La fórmula es , que se lee: la cantidad de corriente en un circuito es igual a la tensión dividida entre la resistencia. Y formalmente se expresa con el siguiente principio: el flujo de corriente es directamente proporcional a la tensión que se aplica en el circuito e inversamente proporcional a la resistencia que presente en el mismo. Ahora simplemente sustituimos las literales con los valores del problema: La respuesta es dos amperios (2A).

En el mercado existen transformadores de corriente alterna a corriente directa (AC-DC), de precio accesible, con selector de voltaje que va desde 1.5 hasta 12 volts DC. Es recomendable tener uno para realizar los experimentos de corriente directa en lugar de las pilas. Puedes modificarlo para que se adapte a tu circuito universal y a cualquier experimento. Sólo corta el extremo del

6 12V

Multímetro (Amperes)

Resistencia

5. Para construir el circuito de este ejemplo puedes uti­ lizar el circuito universal que fabricaste el curso anterior, así ahorrarás valioso tiempo. El dibujo mues­tra una posible distribución de los componentes: pila en la parte inferior, seguida por la resistencia de acuerdo con el flujo de corriente; posteriormente se ubica el multímetro configurado para medir miliam­ perios (si aún no dominas el aparato pide ayuda a tu maestro) y finalmente un cable de cobre a manera de puente para cerrar el circuito en el último par de cai­ manes. La ubicación de los componentes puede ser distinta, siempre y cuando respete la ubicación de los componentes, de acuerdo con el flujo de co­ rriente, primero la resistencia y después el multímetro.

R1

B1

Cable puente para cerrar el circuito

4. Dibujar el diagrama del circuito: aunque sencillo, este diagrama muestra la manera correcta de plasmar los componentes del circuito. Los elementos van numerados y con su respectivo valor debajo: B1 significa Batería 1 y su fuerza electromagnética es de 12 voltios (12V); observa que se utiliza el signo de suma (+) para indicar el punto de partida de la corriente y, por lo mismo, su dirección. Se emplea el polo positivo, porque es un diagrama generado con un software simulador y por ello utiliza la convención industrial en lugar de la académica (Diseño de circuitos eléctricos 1, Bloque II). Por su parte, R1 se refiere a la Resistencia 1, con un valor de 6 ohmios (la resistencia siempre se mide en ohmios). Aunque en este ejemplo pueda parecer innecesaria, la numeración resulta de gran utilidad cuando se tiene un circuito con muchos componentes.

.

Fuente

cable donde se localiza el adaptador y sustitúyelo por un par de caimanes, une los cables con el amarre más adecuado. Utiliza un caimán rojo para el cable que transporta la corriente (marcado con una línea blanca) y un caimán negro para la tierra (el cable completamente negro). De esta manera no tendrás que utilizar varias pilas para obtener diferentes voltajes.

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tecnología y su relación con otras Áreas de conocimiento

Bloque I

Actividad 2 Sigue el ejemplo anterior para desarrollar los siguientes ejercicios: ¿Cuál es la corriente en un circuito que tiene:

• • • • •

9 voltios de tensión y una resistencia de 90 ohmios? 12 voltios de tensión y una resistencia de 1200 ohmios? 12 voltios de tensión y una resistencia de 2 ohmios? 9 voltios de tensión y una resistencia de 18 ohmios? 9 voltios de tensión y una resistencia de 180 ohmios?

Consulta con tu maestro cuáles de estos ejercicios puedes reproducir físicamente. ¿Qué concluyes a partir de los resultados obtenidos? Toma nota en tu cuaderno.

•• Magnitudes y unidades de medición Como sabes, la unidad de medición de la corriente (I) es el amperio. Mientras la corriente sea superior a 1A, podemos utilizar sin ningún problema los núme­ ros naturales para representar su magnitud en un circuito dado. Pero cuando las magnitudes son menores a 1A debes utilizar una nomenclatura especial, que divi­ de la unidad en mil y en un millón de partes; tales fracciones reciben el nombre de miliamperios y microamperios, respectivamente. En el Bloque III de Diseño de circuitos eléctricos 1 estudiaste la tabla de equiva­lencias de medidas universales; en ella se presentan las divisiones de la unidad o, bien, los valores menores a 1, entre las cuales se cuentan la división entre mil y un millón:

10n

Prefijo

Símbolo

Escala corta (EU)

Escala larga (México)

10−3

mili

m

Milésimo

10−6

micro

µ

Millonésimo

Equivalencia decimal 0.001 (1/1000) 0.000 001 (1/1000,000)

En este sentido, el flujo de corriente entre 1 amperio y 1 milésimo de amperio (1/1000) se mide en miliamperios y se representa así: mA; la m es el símbolo del prefijo mili y la A de amperio. Por su parte, el flujo de corriente entre un milésimo (1/1000) y un millonésimo (1/1000,000) de amperio se mide en microamperios y se representa así: µA; donde µ representa el prefijo micro y A al amperio.

1000 miliamperios (mA) 1 Amperio

o 1000,000 microamperios (µA)

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Tecnología, Diseño de circuitos eléctricos 2

El trabajo con electricidad implica la conversión entre diferentes magnitudes de corriente, tensión y resistencia, así como la representación decimal de las canti­ dades identificadas con su respectivo prefijo. Para hacerlo, puedes utilizar dos métodos: 1. Aplicar operaciones aritméticas directamente. Con el fin de convertir de la unidad a sus fracciones se utiliza la división. Para obtener los milis se divide entre mil y para los micro entre un millón: De amperios a miliamperios

De amperios a microamperios

También puedes convertir miliamperios en microamperios dividiéndolos entre 1000: De miliamperios a microamperios

Para convertir de la fracción a la unidad se utiliza la operación inversa: la

multiplicación: De miliamperios a amperios

De microamperios a amperios

35mA x 1000 = 35A

35µA x 1000,000 = 35A

(0.035 x 1000 = 35)

(0.000035 x 1000,000 = 35)

De microamperios a miliamperios 35µA x 1000,000 = 35mA (0.000035 x 1000 = 0.035)

2. Como puedes ver, se trata de múltiplos de mil, por lo cual la conversión se puede simplificar, desplazando el punto decimal tres posiciones a la vez: hacia la derecha para disminuir la magnitud y hacia la izquierda para incre­ mentarla. Lo importante es ubicar correctamente la posición del punto decimal. Cuando el punto no se indica de manera explícita en la cantidad, se da por hecho que se localiza a la derecha del último dígito; por ejemplo, en la cantidad 120, el punto se localiza a la derecha del cero (120.); además, los espacios en blanco que resulten al mover el punto decimal se sustituyen con cero. Estudia los siguientes diagramas. Mover el punto decimal hacia la derecha para disminuir la magnitud Unidad 1

Mili (m) 3 posiciones

1

0.001

.0 0 0

Micro (µ) 3 posiciones

.001

000 001 .0 0 0

6 posiciones

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tecnología y su relación con otras Áreas de conocimiento

Bloque I

Mover el punto decimal hacia la izquierda para incrementar la magnitud Unidad

Mili (m) 3 posiciones

1 0 0 0.

Micro (µ) 3 posiciones

0.001 0 0 0.

1

000 001

001

6 posiciones

La siguiente tabla muestra las conversiones más utilizadas. En los ejemplos aparece explícito el punto decimal con el fin de que comprendas mejor su desplazamiento: Conversión de magnitudes

Operación

Resultado

Microamperios a amperios

Desplazar el punto decimal seis posiciones a la izquierda

120.µA = 000120A

Microamperios a miliamperios

Desplazar el punto decimal tres posiciones a la izquierda

120.µA = .120mA

Miliamperios a microamperios

Desplazar el punto decimal tres posiciones a la derecha

120.mA = 120 000.µA

Amperios a Microamperios

Desplazar el punto decimal seis posiciones a la derecha

120. A = 120 000 000.µA

Amperios a miliamperios

Desplazar el punto decimal tres posiciones a la derecha

120. A = 120 000.mA

Actividad 3 Realiza las siguientes conversiones: 0.4A = ____________ µA

200mA =_____________ µA

2.15A =____________ µA

35000µA =__________ A

0.3A =_______________mA

135000µA =_________ mA

4900mA =__________µA

0.5ª =______________mA

0.5ª =______________µA

Realiza las siguientes conversiones en tu libreta de trabajo:

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Convertir a Ohmios

Convierte a kilo-ohmios

Convierte a mega-ohmios

6.2 kilo-ohmios 4.7 mega-ohmios 6.2 mega-ohmios 3.3 kilo-ohmios 9.1 kilo-ohmios 270 mili-ohmios

0.39 mega-ohmios 100,000 ohmios 24,000 ohmios 0.1 mega-ohmios 8.2 mega-ohmios 6,700 ohmios

1,000 kilo­-ohmios 120,000 ohmios 92,000 ohmios 68 kilo-ohmios 470,000 ohmios 330 kilo­-ohmios

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Tecnología, Diseño de circuitos eléctricos 2

La tecnología en el diseño de circuitos eléctricos En el curso anterior aprendiste que existen dos tipos básicos de circuitos: en serie y paralelo. Incluso el diseño de circuitos más complejo está cimentado en la combinación de estos dos tipos básicos. Cuando los circuitos sencillos se com­ binan en circuitos más grandes, al conjunto de resistencias ligadas entre sí lo llamamos conexión, y se considera elemento del circuito total. Tipo

Diagrama

Circuito sencillo Consta de una fuente de energía eléctrica, una carga y cables conductores. Cuando el circuito tienen dos o más resistencias (llamadas también cargas), éstas se conectan en cierta modalidad que puede ser: serie, paralelo o complejo (combinación de serie y paralelo).

R1 20

B1 12V

Conexión en serie Las resistencias se conectan secuencialmente: la terminal de salida de una se conecta a la entrada de la siguiente, de tal manera que existe sólo un camino por el que fluye la corriente. Por ello, cada resistencia depende de la anterior para recibir el suministro de energía eléctrica, hasta llegar a la primera, que depende de la fuente.

B1

R1 20

R2 15

12V

Conexión en paralelo Las terminales de entrada de las resistencias están conectadas una al lado de la otra, por lo que existe más de un camino por donde fluye la corriente. Por tal razón, las resistencias son independientes entre sí y cada una depende directamente de la fuente para recibir el suministro de energía.

B1

R1 20

12V

R2 15

Circuito complejo Es aquel que combina conexiones en serie y en paralelo dentro del mismo circuito. En los circuitos complejos, ambos tipos de conexiones se comportan exactamente igual que como fueron descritos anteriormente.

R2 15 B1

R1 20

R3 10

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12V

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tecnología y su relación con otras Áreas de conocimiento

Bloque I

•• Electricidad La electricidad, o fenómeno eléctrico, está integrado por tres factores primordiales: Corriente (I), Tensión (E) y Resistencia (R), que existen en todo circuito. Tensión

Corriente

La razón por la que existen alrededor de 13 tipos diferentes de enchufes y tomas de corriente de pared es porque la mayoría de los países prefiere desarrollar su propio modelo en vez de adoptar el estándar americano.

Resistencia

Tensión, Resistencia y Corriente actúan siempre en conjunto, porque son partes inseparables de un todo. Si se modifica el valor de un elemento, se modifica el conjunto entero. La magnitud de la Tensión depende de la diferencia de potencial que existe entre los extremos del circuito. En la corriente alterna, la diferencia de potencial está determinada por 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. Al incrementar cualquiera de los tres factores, se incrementa la diferencia de potencial y por lo tanto la fuerza electromagnética (FEM). La magnitud de la Resistencia depende del material con que está fabricado el dispositivo. Recuerda que resistencia es todo aquello que se opone al flujo de electrones. La magnitud de la Corriente depende de las magnitudes de la Tensión y la Resistencia dentro de un circuito: a mayor tensión, mayor corriente; a mayor resistencia, menor corriente. La exposición correcta de este principio es la siguiente:

La magnitud de la Corriente es proporcional a la Tensión que se aplica en el circuito e inversamente proporcional a la Resistencia que presenta el mismo. 22

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Tecnología, Diseño de circuitos eléctricos 2

Actividad 4 Construye los circuitos que se muestran a continuación. Utiliza tu circuito universal.

A

R3 10

R2 25 R1 25

A

B1 9V

B1 9V

Circuito con una sola resistencia.

R1 25

A

Dos resistencias en serie de la misma magnitud o valor.

R2 15

R1 25

B1 9V

Tres resistencias, una en serie y dos en paralelo. Las resistencias en paralelo deben sumar la misma magnitud que la primera.

Utiliza el multímetro para registrar la corriente y anota las mediciones en tu cuaderno. Cuando hayas terminado, incrementa la potencia de la fuente. En el ejemplo, la primera es de 9V y puedes incrementarla a 12V. Responde las siguientes preguntas: ¿Qué sucede con la corriente en cada caso? ¿Qué sucede cuando se incrementa la resistencia y se conserva la misma tensión? Pon mucha atención: ¿La corriente en el tercer circuito es igual que en el segundo? En apariencia tienen la misma magnitud de resistencia: la segunda tiene dos resistencias de 25 ohmios cada una, que sumadas dan un total de 50Ω; la tercera tiene tres resistencias: 25, 15 y 10 ohmios, que sumadas dan un total de 50Ω también. Pero las medidas son diferentes. ¿Qué es lo que varía? La diferencia es el tipo de conexión, dos resistencias del tercer circuito están conectadas en paralelo y la corriente eléctrica se comporta de manera diferente en ese tipo de conexiones. Más adelante estudiaremos con detalle esta característica fundamental de los circuitos. Por el momento, debes tener presente que Tensión, Corriente y Resistencia siempre actúan en conjunto y el valor de una está relacionado con los valores de las otras.

Siempre debes tener presente:

La Corriente (I) se mide en amperios (A) La Tensión (E) se mide en voltios (V) La Resistencia (R) se mide en ohmios (Ω)

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tecnología y su relación con otras Áreas de conocimiento

Bloque I

Foto: Wikipedia.

•• Magnetismo Se define como la capacidad de ciertos materiales para ejercer fuerzas de atracción o repulsión sobre otros. Michael Faraday fue el primero en deducir y comprobar experimentalmente que el magnetismo y la electricidad son dos aspectos del mismo fenómeno, esto es: el magnetismo produce electricidad y la electricidad magnetiza los cuerpos. Es lo que conocemos como el Principio de los Inversos Equivalentes (el magnetismo produce electricidad y la electricidad genera magnetismo, lo mismo aplica para el calor, la presión, luz y acción química).

Michael Faraday (1791-1867). Físico y químico británico que estudió el electromagnetismo y la electroquímica.

La relación entre electricidad y magnetismo, el electromagnetismo, es uno de los efectos más importantes del fenómeno eléctrico, entre otras razones porque permite modificar la tensión y la corriente dentro de un circuito dado, sin importar la fuerza electromotriz inicial. Antes de explicar sus aplicaciones, debes comprender las bases físicas de este fenómeno. Existen dos principios fundamentales que lo explican: 1. Cuando la corriente circula por un conductor, siempre crea un campo electromagnético a su alrededor. 2. La dirección del campo electromagnético depende de la dirección de la corriente.

I

Conductor

Cuando la corriente corre de izquierda a derecha, las líneas de fuerza del campo electromagnético a su alrededor se mueven en sentido contrario a las manecillas del reloj. Para identificarla se utiliza un círculo con una cruz en su interior.

Flujo de izquierda a derecha

Desde esta perspectiva, la corriente corre desde el lector hacia el libro.

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Cuando la corriente corre de derecha a izquierda, las líneas de fuerza del campo electromagnético a su alrededor se mueven en el mismo sentido que las manecillas del reloj. Para identificarla se utilizan dos círculos concéntricos.

Flujo de derecha a izquierda

En esta perspectiva, la corriente corre desde el libro hacia el lector.

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Tecnología, Diseño de circuitos eléctricos 2

Dado que izquierda y derecha son términos relativos que dependen de la posición del sujeto, existe una regla para conocer con exactitud el movimiento de las líneas de fuerza electromagnéticas alrededor del conductor. La regla de la mano izquierda estipula que si ésta se coloca alrededor del conductor con el dedo pulgar apuntando hacia la misma dirección de la Corriente, el arco que forman el resto de los dedos, de la palma a la punta, indica la dirección de las líneas de fuerza electromagnética, como se muestra en la imagen. Cuando el alambre se enrolla sobre sí, formando espirales o bucles, recibe el nombre de bobina, inductor o solenoide, que estudiaremos más adelante.

Actividad 5 Objetivo: Comprobar la relación entre magnetismo y corriente eléctrica mediante un electroimán.

Materiales: 1 tornillo de hierro de dos o tres pulgadas. 1 metro de alambre o cable de cobre calibre 12 o 14 (consulta con tu maestro). 1 fuente de poder de 9 voltios (utiliza tu transformador AC-DC de diferentes voltajes). Con estos datos, desarrolla los cinco pasos del Método universal para la resolución de problemas antes de comenzar a construir el electroimán. Para construir el electroimán sigue estos pasos: 1. Consigue un tornillo de hierro con su tuerca. Asegúrate de que sea de hierro, porque el electroimán no funcionará con acero.

2. Enrolla el alambre alrededor del cuerpo del tornillo. Puedes hacerlo sin quitar el recubrimiento, pero la fuerza del electroimán será menor. Lo mejor es pelar el cable por completo y enrollar directamente el cobre en el hierro.

3. Asegúrate de que las espiras (vueltas del alambre) estén lo más unidas y apriétalas lo más posible. Puedes poner dos o tres capas de alambre, todas las que te permita su longitud, sólo recuerda que cada nueva capa debe cubrir la misma superficie que las anteriores. 4. Por último, une los extremos del alambre a la fuente de poder y prueba tu electroimán atrayendo objetos metálicos como clips, clavos o tornillos pequeños. Si cuentas con una brújula, acércale el electroimán y observa los resultados.

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tecnología y su relación con otras Áreas de conocimiento

Bloque I

•• La Ley de Ohm Como ya te habrás percatado, la Ley de Ohm es indispensable para la comprensión del fenómeno eléctrico y para realizar cálculos en aplicaciones prácticas. Es por ello que debes repasarla hasta comprenderla a la perfección y aplicarla correctamente para resolver cualquier problema. Recuerda que la Ley de Ohm estipula:

La Corriente que fluye en un circuito es directamente proporcional al Voltaje aplicado e inversamente proporcional a la Resistencia existente en el mismo. Expresado de otra manera:

El flujo de Corriente en un circuito se incrementa conforme aumenta el Voltaje y disminuye conforme aumenta la Resistencia. La Ley de Ohm se expresa con su fórmula general y dos variantes: E=IR La Corriente (I) se obtiene dividiendo la Tensión (E) entre la Resistencia (I) y da como resultado amperios (A)

La Resistencia (R) se calcula dividiendo la Tensión (E) entre la Corriente (I) y da como resultado ohmios (Ω)

La Tensión (E) se obtiene multiplicando la Corriente (I) por la Resistencia (R) y da como resultado voltios (V)

En caso de que surjan dudas, siempre puedes consultar el Triángulo Mágico del que conviene que tengas un dibujo a la mano. Para aplicar de forma correcta la Ley de Ohm debes considerar las magnitudes y unidades de medición de los valores que se están calculando. Las magnitudes y unidades ya fueron explicadas en este mismo bloque. Veamos un ejemplo: debemos encontrar la Tensión en un circuito con Resistencia de 10 ohmios y una Corriente de 300 miliamperios (300mA). Si alguien utiliza ciegamente la Ley de Ohm, sin razonar el problema, sin seguir el método para resolverlo, lo más probable es que multiplique la Corriente por la Resistencia: E= I*R = 300*10=3,000V, y la respuesta es incorrecta por un factor de 1000. Para evitar este tipo de errores, sigue estas dos reglas: 1. Siempre hacer los cálculos con magnitudes equivalentes:

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Unidades

Kilos:

Milis:

Amperios - Voltios - Ohmios

kA - kV - kΩ

mA - mV - mΩ

Micros: µA - µV - µΩ

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Tecnología, Diseño de circuitos eléctricos 2

Las magnitudes deben ser uniformadas aritméticamente por su expresión deci­ mal, de la cual el prefijo es sólo su expresión verbal, no matemática. Para ello, se utilizan las reglas de conversión ya estudiadas, que expresan de manera correcta las magnitudes en decimales. Siguiendo el ejemplo, para transformar miliamperios a amperios se recorre el punto decimal tres posiciones a la izquierda (si el punto decimal no se muestra explícitamente, se sobreentiende que está colocado después del último dígito de la cantidad): 300mA = .300 = 0.3A De esta manera podemos aplicar de manera correcta la Ley de Ohm: E= I*R = 0.3*10 = 3V. Esta es la respuesta correcta. 2. Siempre dibujar el circuito antes de hacer los cálculos. En el diagrama debemos anotar los valores conocidos y señalar los que buscamos. Ver la representación gráfica del problema nos ayuda a encontrar la solución con mayor eficacia y eficiencia.

Actividad 6 Resuelve los siguientes ejercicios utilizando la Ley de Ohm y las reglas de conversión de magnitudes. 1. En un circuito con una sola Resistencia que recibe 12V y tiene una Corriente de 0.000003µA, ¿cuál es el valor de la Resistencia? 2. ¿Cuál es el voltaje que atraviesa una Resistencia de 25Ω cuando por el circuito fluye una Corriente de 200mA? 3. Si a un circuito se aplica una Tensión de 60kV con una sola Resistencia de 12MΩ (12 megaohmios), ¿cuál es el valor de la Corriente?

•• Tensión, Resistencia eléctrica e intensidad de la Corriente Circuitos en serie Recuerda que los circuitos en serie son aquellos en los que la Corriente sigue sólo un camino. Para calcular la magnitud de cada uno de los elementos de la electricidad en cualquier circuito (Tensión, Corriente y Resistencia) se utiliza la Ley de Ohm; ahora bien, para aplicarla de forma correcta en los circuitos en serie debes tener en cuenta los siguientes principios, a los que llamaremos Principios de la Ley de Ohm para circuitos en serie: 1. La Corriente (I) es siempre la misma en cualquier parte del circuito (deriva­ ción de la Cuarta Ley de Maxwell: Ley de Ampère Generalizada). Se expresa con la siguiente ecuación: It = I1 = I2 = I3... 2. La Tensión (E) total aplicada en el circuito es igual a la suma de las caídas de voltaje a través de todas las resistencias (derivación de la Segunda Ley de Kirchhoff). Se expresa con la ecuación: Et = E1+E2+E3… 3. La Resistencia (R) total del circuito es igual a la suma de las resistencias individuales. Se expresa con la ecuación: Rt= R1+ R 2+ R 3…

En ciencia se llama principio a un conoci­ miento verdadero y comprobado, sobre el cual podemos fundar con toda confianza nuestras investiga­ ciones, experimentos y proyectos. Los principios nos indican el comportamiento preciso de un fenómeno.

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Bloque I

Para leer correctamente las ecuaciones sólo debes interpretar el significado de los subíndices (las letras y números pequeños que aparecen a un lado de los símbo­ los). Analicemos la fórmula de la Resistencia: en Rt el subíndice (t) significa “total” y se lee como la resistencia total; los subíndices numéricos en R1, R2, R3 representan cada una de las resistencias existentes en el circuito y se leen Resistencia 1, Resistencia 2, Resistencia 3; finalmente, los puntos suspensivos significan “y así sucesivamente hasta el último elemento”. La misma interpretación la aplicamos para leer las ecuaciones de la Corriente y la Tensión. Veamos ahora cómo se aplican estos principios para el cálculo de magnitudes de un circuito, que es una parte fundamental de su diseño. Una manera más sencilla de estipular la Segunda Ley de Kirchhoff es la siguiente: La suma total de las caídas de voltaje a través de las resistencias en un circuito cerrado es igual al voltaje total aplicado en el mismo.

Tienes un circuito con una Tensión de 120 voltios y tres resistencias conectadas en serie: Resistencia 1 de 20 ohmios, Resistencia 2 de 10 ohmios y Resistencia 3 de 30 ohmios. Con estos datos debes calcular la Corriente total del circuito (It) y en cada una de las resistencias; las caídas de voltaje (que se explican con detalle en el siguiente bloque) en cada una de las resistencias (E1, E2, E3) y la Resistencia total (Rt) del circuito. Sigue el proceso que se anota:

R1 20 B1 120V

R2 10

1. Dibuja el diagrama con los datos que conoces. 2. Formula la pregunta básica: ¿Cuál es la incógnita? Que también se puede expresar como: ¿Qué se está buscando? o bien: ¿Qué está soli­ citando el objetivo del problema? Debes encontrar la Corriente total del circuito y en cada Resistencia, la caída de voltaje en cada Resistencia y la Resistencia total. Puedes listar las incógnitas para tener muy claro lo que buscas:

R3 30

Corriente

Tensión

Resistencia

It = ?

Et= 120

Rt= ?

I1 = ?

E1 = ?

R1 = 20Ω

I2 = ?

E2 = ?

R2 = 10Ω

I3 = ?

E3 = ?

R3 = 30Ω

3. ¿Qué debes hacer para conseguir el resultado esperado y despejar las incógnitas? Debes aplicar la Ley de Ohm y los principios que acabas de estudiar. En este sentido, sabes que la Resistencia total del circuito es igual a la suma de las Resistencias individuales: Rt = R1+R 2+R 3... Sustituye los símbolos por los

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valores del ejercicio: 20+10+30= 60. La Resistencia total del circuito es de 60Ω. Ya está resuelta una incógnita, anótala en la tabla. El siguiente paso consiste en calcular correctamente las magnitudes eléctricas involucradas en el circuito.

El cálculo de magnitudes eléctricas para el diseño de circuitos eléctricos y sus componentes Con los datos que tienes puedes utilizar la Ley de Ohm para encontrar el valor total de la Corriente, porque conoces los totales de la Tensión y la Resistencia. Para encontrar el valor de la Corriente puedes utilizar el Triángulo Mágico: cubre el símbolo correspondiente a la Corriente (I) y nos proporciona la fórmula , sustituyendo los valores tienes lo siguiente: . La Corriente total del circuito (It) es de 2 amperios (2A). Como sabes por el Principio 1 de la Ley de Ohm para circuitos en serie, la Corriente es siempre la misma en cualquier parte del circuito (It=I1=I2=I3...), entonces los valores de I1, I2 e I3 son también 2A. Está resuelta otra incógnita, anota los re­ sultados en la tabla. Dado que ya conoces la Corriente que fluye a través de la Resistencia R1, puedes obtener su caída de voltaje particular utilizando también la Ley de Ohm: cubre el símbolo correspondiente a la Tensión y tienes la fórmula E = I x R, en este caso E1 = I1 x R1, porque vas a obtener la caída de voltaje en R1. Sustituyendo los valores se tiene: E1 = 2A x 20Ω = 40V. La caída de voltaje de la primera Resistencia es de 40V. Obtén las caídas de Corriente restantes. La suma total de ellas debe ser 120, porque de acuerdo con la Segunda Ley de Kirchhoff la Tensión total aplicada en el circuito es igual a la suma de las caídas de voltaje a través de todas las resistencias.

Actividad 7 Realiza los siguientes ejercicios con el método anterior. Calcula la corriente total y en cada una de las resistencias; las caídas de voltaje en cada una de las resistencias y la Resistencia total (Rt) en los casos que se presentan a continuación: 1 Un circuito con una tensión de 40 voltios y cuatro resistencias conectadas en serie: R1 = 100Ω; R2 = 250Ω; R3 = 150 Ω y R4= 300Ω. 2. Un circuito con una tensión de 120 voltios y cuatro resistencias conectadas en serie: R1 = 1000Ω; R2 = 1800Ω; R3 = 2000 Ω y R4 = 1200Ω. 2. Un circuito con una tensión de 120 voltios y cuatro resistencias conectadas en serie: R1 = 1000Ω; R2 = 1800Ω; R3 = 2000 Ω y R4 = 1200Ω. 3. Un circuito con una tensión de 220 voltios y cuatro resistencias conectadas en serie: R1 = 1000Ω; R2 = 10Ω; R3 = 2000 Ω y R4 = 800Ω.

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Bloque I

•• Principio de Oersted Hans Christian Oersted fue un físico y químico danés. En 1813 preparaba su clase de Física para la Universidad de Copenhague, donde era catedrático, cuando colocó por mera casualidad una brújula cerca de un cable que conducía electricidad y notó que las agujas de la brújula se acomodaban perpendicularmente con respecto al cable. Repitió la misma operación con diferentes cables, corrientes y brújulas hasta estar seguro de su hallazgo: la existencia de un campo magnético alrededor de todo conductor por el que atraviesa una corriente eléctrica, como ya lo estudiaste en este bloque. Poco después, André-Marie Ampère formalizó este importante descubrimiento en términos matemáticos y creó la Ley que lleva su nombre, la misma que fue corregida por James Clerck Maxwell y que ahora conocemos como Cuarta Ley de Maxwell o Ley de Ampère Generalizada (Diseño de circuitos eléctricos 1).

Actividad 8 Objetivo: reproducir el experimento de Oersted. Creen un circuito como el que se muestra en la imagen, el cable conductor debe pasar por encima de la brújula. Cuando el circuito se cierra y la corriente comienza a fluir, las agujas de la brújula se colocan en posición perpendicular con respecto al cable conductor que tiene encima. El efecto termina cuando se desconecta la corriente con el interruptor, lo cual significa que es la corriente eléctrica la que genera este fenómeno magnético. Respondan las siguientes preguntas: ¿A qué se debe el comportamiento de la brújula en presencia de corriente eléctrica? ¿Qué relación tiene el campo magnético de la Tierra con el experimento? ¿Sucede lo mismo cuando se coloca un imán permanente? Escriban las conclusiones en su libreta.

Símbolo eléctrico del inductor o bobina.

•• Solenoide Como ya mencionamos, cuando el conductor se enrolla sobre sí formando espirales o bucles (llamadas espiras) recibe el nombre de bobina o inductor o solenoide, que es de gran importancia en los aparatos eléctricos y electrónicos debido a los fenómenos de autoinducción e inducción mutua, ambos relacionados con la bobina e implican que bajo ciertas condiciones este dispositivo es capaz de almacenar energía en forma de campo magnético.

Para comprender la autoinducción y la inducción mutua, primero se debe analizar el comportamiento del campo magnético que circunda al conductor en presencia de corriente, fenómeno que ya comprobamos experimentalmente. Cuando el cable conductor forma espiras y se le aplica una corriente eléctrica, todas las líneas de fuerza electromagnéticas a su alrededor entran por un lado y salen por el otro, siguiendo la dirección de la corriente eléctrica. 30

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Es por ello que el cable actúa como un imán cuando recibe la corriente, con sus correspondientes polos Norte y Sur, exactamente igual que un imán permanente y obedece las mismas leyes de atracción y repulsión que estudiaste en el primer curso. El polo Norte del conductor se localiza en el lado donde las líneas de fuerza electromagnética abandonan la espira y el polo Sur en el extremo opuesto, donde las líneas de fuerza ingresan a la espira, siempre siguiendo la dirección de la corriente.

S

N

Cuando se incrementa la cantidad de espiras, se incrementan también las líneas de fuerza y, por lo mismo, la potencia electromagnética del cable (Tercera Ley de Maxwell o Ley de Faraday, Diseño de circuitos eléctricos 1). Esto se debe a que los campos individuales de cada espira se combinan entre sí y forman un campo electromagnético mucho más fuerte, tanto al interior de la espiral como en su exterior. Sin embargo, su polaridad (la ubicación de los polos) no varía; como se muestra en la ilustración, el polo Sur se localiza en el extremo donde entra la corriente y con ella las líneas de fuerza, y el polo Norte en el extremo opuesto, donde corriente y líneas de fuerza abandonan la espiral.

S

N

Existe también una Ley de la Mano Izquierda para las bobinas. Se utiliza para determinar la dirección del campo magnético y estipula lo siguiente: Cuando se coloca la mano izquierda alrededor de la bobina for­ mando un arco con los dedos en la misma dirección que la corriente —de la palma a la punta—, el dedo pulgar apuntará hacia el polo Norte de la bobina, como se muestra en la imagen.

S

N

Así pues, la autoinducción es el fenómeno que se presenta cuando la corriente que circula por la bobina genera otra fuerza electromotriz llamada fuerza electromotriz autoinducida o voltaje inducido, en sentido inverso al flujo de la corriente inicial o inductora. Antes de continuar, razona el nombre del fenómeno: autoinducción es una palabra compuesta por dos raíces: auto que significa a sí mismo e inducción (del latín inductionis), que significa poner algo en movimiento, sinónimo de ocasionar y producir. En electricidad, particularmente, la inducción se define como la producción de una fuerza electromotriz (FEM) en un conductor por influencia de un campo magnético. El curso anterior estudiaste el funcionamiento y construiste la Dínamo de Faraday, donde un disco de cobre accionado por energía mecánica rompe las líneas de fuerza de un imán permanente y produce electricidad. Esa es precisamente electricidad producida por inducción electromagnética. En el caso de la bobina, la energía mecánica no está presente o mejor dicho, se localiza un paso atrás: en el generador que alimenta la toma del laboratorio o de casa a la que está conectada la bobina y de donde proviene, precisamente, la corriente inicial o inductora. EDICIONES

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tecnología y su relación con otras Áreas de conocimiento

Bloque I

Como la bobina prescinde de la energía me­ cánica para crear una nueva fuerza electro­ motriz (en forma de magnetismo), se dice que se autoinduce; es decir, que genera por sí Fuerza electromotriz misma la nueva fuerza electromotriz que re­ Estado de autoinducida, equilibrio cibe el nombre de fuerza electromotriz autoin­ en forma de ducida. La FEM autoinducida se opone al flujo I magnetismo I de la corriente inductora; es decir, su dirección es inversa, lo que ocasiona un estado de equi­ librio en el circuito y, por lo mismo, los elec­ Dirección de la corriente inicial o inductora trones acumulados no se mueven, permanecen en un estado de reposo como fuerza electro­ magnética. ¿Cómo lo sabemos? Por las características magnéticas que adquiere el conductor en estas circunstancias, lo cual nos lleva al siguiente punto: ¿Cuánta fuerza electromotriz nueva se produce? Dirección de la FEM autoinducida

A este fenómeno se le conoce también como inductancia y se define formalmente como la oposición de un elemento conductor (bobina) a cambios en la corriente que circula a través de ella. O, bien, como la relación que hay entre el flujo magnético (Øb) y la corriente, y que fluye a través de una bobina. El valor de la inductancia está determinado por las características de la bobina y por la permeabilidad magnética (μ) del medio en el que se localiza; su unidad de medida es el henrio y se representa por la letra ele mayúscula (L). Matemáticamente se define por la fórmula: que se lee: la inductancia de una bobina es igual al flujo del campo magnético dividido entre la corriente que fluye por el circuito. Sin embargo, los cálculos de la inductancia son un tema avanzado de electricidad que no abordaremos en este curso.

Bobina con núcleo de aire

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Bobina con núcleo de acero eléctrico

La magnitud de la FEM inducida depende de tres factores: 1. La cantidad de espiras: entre más espiras, más líneas de fuerza y más potencia electromagnética. Dicho de manera apropiada: la cantidad de espiras es proporcional a la potencia electromagnética. (Tercera Ley de Maxwell, Ley de Faraday). 2. La intensidad de la corriente inicial o inductora: entre mayor sea el amperaje inicial, mayor será la fuerza electromagnética autoinducida. (Cuarta Ley de Maxwell, Ley de Ampère generalizada). 3. El núcleo de la bobina (Primera Ley de Maxwell, Ley de Gauss); consulta el complemento. •• Núcleos magnéticos El núcleo magnético de un inductor (bobina) es la parte interna de las espiras, donde se concentra gran parte del flujo electromagnético inducido. Cuando este espacio no es ocupado por un cuerpo físico, se dice que el núcleo es de aire. Para incrementar la densidad o concentración del flujo electromagnético en la bobina se inserta, por lo general, un núcleo de acero eléctrico entre las espiras. A este fenómeno se le conoce como reluctancia, que se simboliza con una erre mayúscula (R) y se define como la resistencia que oponen los materiales al paso de un flujo magnético inducido. El acero eléctrico presenta poca reluctancia y eso permite que la concentración del flujo magnético sea superior en comparación con el núcleo de aire (consulta el complemento).

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No podemos decir que un núcleo magnético es mejor que otro, simplemente tienen características diferentes y dependiendo del efecto que se busca se utiliza uno u otro. En los generadores eléctricos (Diseño de circuitos eléctricos 1), por ejemplo, se requiere un enorme flujo magnético inducido para poner en movimiento el rotor. Por ello, el núcleo de acero se dobla en forma de herradura y se divide una misma bobina entre los dos extremos de la herradura. De esta manera, la fuerza electromagnética corre a través de todo el núcleo y se transforma en un poderoso electroimán, con sus respectivos polos Norte y Sur en los extremos de la herradura, que imprime movimiento al rotor y genera grandes cantidades de electricidad.

El núcleo en forma de herradura y una bobina dividida entre los dos extremos.

El acero eléctrico es una aleación de hierro con silicio; se fabrica especialmente para facilitar el flujo de fuerzas electromagnéticas.

Al aplicar corriente, el núcleo se convierte en un electroimán que hace funcionar el generador.

Comprobaste este fenómeno en la Actividad 6 de este bloque, con la construcción de un electroimán. •• Transformadores Es un dispositivo eléctrico que transforma o modifica el voltaje inicial a otro menor o mayor, pero conservando la misma frecuencia, medida en Hertz (el tema de la frecuencia en la corriente alterna lo estudiaste en Diseño de circuitos eléctricos 1, Bloque III).

Este es el símbolo del transfor­ mador. Advierte que representa dos bobinas y un núcleo (las líneas verticales) entre ellas, que son todos los componentes de este dispositivo.

Cuando se colocan dos bobinas en paralelo, unidas por un mismo núcleo de material ferroso (como el hierro o el acero eléctrico), se presenta un fenómeno físico conocido como acoplamiento magnético o inducción mutua, que provoca una diferencia de potencial (Diseño de circuitos eléctricos 1). Veamos cómo funciona. 1. La primera bobina, llamada bobina primaria, recibe la corriente inductora, lo que produce —como ya estudiaste y comprobaste— el efecto de autoinducción y genera una fuerza electromotriz autoinducida. 2. La fuerza electromotriz inducida, en forma de líneas de fuerza electromag­ nética, se transmite a la segunda bobina, llamada bobina secundaria. 3. Se crea así una nueva fuerza electromotriz, producida por el acoplamiento de las dos bobinas, que combinan e intercambian líneas de fuerza electro­ magnética; es decir, se inducen mutuamente. 4. El resultado es una transformación de voltaje (conservando la misma fre­ cuencia), que puede ser superior o inferior al voltaje inicial, dependiendo de la configuración de las bobinas primaria y secundaria.

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tecnología y su relación con otras Áreas de conocimiento

Bloque I

Analicemos la composición y funcionamiento de los transformadores paso a paso: 1. El núcleo del transformador está compuesto por varias láminas concéntricas hechas de material ferroso y separadas entre sí por un material aislante, con el fin de disminuir la reluctancia; es decir, para permitir mayor flujo magnético inducido.

2. En los extremos laterales del núcleo se localizan las bobinas, aisladas eléctricamente (sin tocarse). La bobina Primaria se abrevia con una P y la Secundaria con una S. La cantidad de espiras de la primaria se identifica como Np y la de la secundaria como Ns. De la misma manera, la tensión de la bobina primaria se abrevia como Ep y la de la secundaria como Es.

Nucleo de hierro formado por láminas Aislante entre las láminas

S P Ns Np

3. Cuando la corriente inicial llega a la bobina primaria, se genera el efecto de autoinducción.

Ep Fuente de poder (AC)

4. La fuerza electromagnética inducida en la bobina primaria induce, a su vez, una nueva fuerza electromagnética en la secundaria y crea, como consecuencia, una diferencia de potencial (voltaje) que puede ser mayor o menor al inicial, y es precisamente el voltaje de salida: Es.

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Ep Fuente de poder (AC)

Es

Es

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Existen dos tipos de transformadores: de incremento y de reducción. En los primeros, el voltaje de salida (Es) es superior al voltaje de entrada (Ep); en los segundos ocurre exactamente lo contrario. Para comprender el funcionamiento de ambos, debemos considerar que el voltaje inducido en la bobina secundaria —que es el voltaje de salida del transformador— está determinado por la proporción entre la cantidad de espiras en ambas bobinas: Np y Ns. Para encontrar esta proporción se utiliza la siguiente ecuación:

Que se lee: La proporción entre la tensión secundaria (de salida) y la tensión primaria (de entrada) es equivalente a la proporción entre la cantidad de espiras en la bobina secundaria y la cantidad de espiras de la bobina primaria. El concepto queda muy claro cuando utilizamos cantidades. Supon­ gamos que tenemos un transformador con una bobina primaria de 600 espiras y una secundaria de 300, al que se aplica un voltaje inicial de 120V, pero desconocemos el voltaje de salida, así que lo identificamos con una x. Ep= 120V Np=600

Es= ? Ns=300

La proporción es un concepto matemático (su nombre correcto es razón geométrica); se utiliza para determinar cuántas veces una cantidad contiene en sí otra inferior, o cuántas veces una cantidad inferior está contenida en una superior. La proporción o razón geométrica se expresa con las dos cantidades separadas por dos puntos: 18:6 y se lee 18 a 6. Para conocer la proporción se utiliza la división, con la primera cantidad como numerador y la segunda como denominador: 18/6=3. La proporción de este ejemplo es 3 y para que el resultado tenga sentido se iguala con la unidad (1), de manera que la resultante se lee como 3 a 1. En el ejemplo, la lectura completa sería: 18 es a 6 como 3 es a 1; es decir, 18 contiene 3 veces a 6: 18=6+6+6, o bien 6 está contenido 3 veces en 18: 6*3=18.

120V

En la fórmula sustituimos los valores conocidos para encontrar los desconocidos:

Encontramos así que el voltaje de salida (Es) es de 60 voltios. Entonces, tenemos un transformador de reducción, donde el voltaje de salida (Es) es inferior al de entrada (Ep).

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Bloque I

Actividad 9 Desarrolla la fórmula de los transformadores invirtiendo el valor de Np y Ns; es decir, un transformador donde la bobina primaria tiene 300 espiras y la secundaria 600. Es indispensable que realices esta actividad antes de continuar con la lección; de lo contrario, no comprenderás lo que sigue.

Ahora podemos sintetizar el comportamiento de los transformadores. Llamaremos K a la proporción de la transformación. Transformadores de incremento

Transformadores de reducción

Ns

Ns

Np

Np Es

Ep

Es Ep

1. La cantidad de espiras en la bobina secundaria es superior a la cantidad de espiras en la bobina primaria: Ns > Np.

1. La cantidad de espiras en la bobina primaria es superior a la cantidad de espiras en la bobina secundaria: Np > Ns.

2. La tensión de salida es superior a la de entrada; entonces, la proporción de transformación es mayor que 1: Es > Ep K>1

2. La tensión de entrada es superior a la de salida; entonces, la proporción de transformación es menor que 1: Ep > Es K<1

Los transformadores de reducción son muy utilizados en la vida cotidiana. Se emplean en prácticamente todos los dispositivos digitales: computadoras, telé­ fonos celulares, videojuegos, equipos de sonido, radios, televisores. Algunos son externos, como en las computadoras y teléfonos celulares; otros son internos y se colocan dentro del dispositivo mismo.

Actividad 10 Utiliza la fórmula para identificar los transformadores que cumplan los siguientes requisitos:

• 120V de entrada y 9V de salida • 9V de entrada y 3mV de salida • 3kV de entrada 120V de salida • 30kV de entrada 380kV de salida • 380kV de entrada 130kV de salida • 240V de entrada 1.5V de salida

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Los instrumentos de medición: el multímetro Display

En Diseño de circuitos eléctricos 1 estudiaste las partes fun­ damentales del multímetro. Ahora aprenderás la manera correcta de conectarlo en un circuito. El multímetro se utiliza para obtener mediciones sobre los tres elementos fundamentales de la electricidad: Tensión, Corriente y Resistencia. En cada caso debes seleccionar la función correspondiente en el aparato, como ya lo sabes; y debes memorizarla:

Óhmetro Voltímetro de continua Amperímetro de continua

Selector Voltímetro de alterna

Amperímetro de alterna

La Tensión se mide en voltios (V) La Corriente se mide en amperios (A) La Resistencia se mide en ohmios (Ω)

Terminal amperímetro Terminal común

Si contamos con un multímetro de selección manual, de­ bemos comenzar con los valores más altos e irlos disminu­ yendo hasta obtener la medición correcta; si contamos con uno de rango automático, el aparato realiza por sí solo la selección. Sólo recuerda la simbología:

Interruptor

Terminal Voltios/ohmios

V~

V- - -

A~

A- - -

Voltios en corriente alterna

Voltios en corriente directa

Amperios en corriente alterna

Amperios en corriente directa

Ohmios

Medición de Tensión Cuando se mide la Tensión, el circuito debe estar cerrado; es decir, con la Corriente circulando. El multímetro se conecta en paralelo con respecto al dispositivo que se esté midiendo. Si quieres encontrar la Tensión total del circuito, conecta el multímetro en paralelo como un elemento más del mismo. Cuando mides Corriente directa, el multímetro debe acoplarse a la polaridad: el borne rojo debe ir conectado al polo positivo (donde entra la corriente al dispositivo) y el borne negro al negativo (donde sale la corriente del dispositivo).

V

Recuerda que los símbolos de los polos son arbitrarios. En el ámbito académico se considera que la corriente fluye del polo negativo al positivo, mientras que la norma industrial considera lo contrario: del positivo al negativo. Por esa razón, cuando realices mediciones en aparatos reales, debes seguir la norma industrial.

R2

R1 1

Vcc

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tecnología y su relación con otras Áreas de conocimiento

Bloque I

Medición de Corriente A

Para medir Corriente, conecta el multímetro en serie con la rama donde quieres realizar la medición. Es necesario abrir el circuito e integrar el multímetro como un elemento más en serie.

R1

R2 1

Muy importante: si conectas el multímetro en paralelo para medir corriente (en modalidad de amperios), su fusible interno se destruirá y el aparato dejará de funcionar. Como en el caso de los voltios, los amperios en Corriente directa también tienen polaridad, por lo que es indispensable seguir la norma industrial y conectar el borne rojo al polo positivo.

Vcc

Medición de Resistencia Para medir la Resistencia, coloca los bornes del multímetro en las terminales de la resistencia fuera del circuito. Por lo regular, resulta absurdo desmontar la pieza, tomar la medición y luego volver a montarla; una posible solución es tomar la medición de una pieza idéntica.

Como puedes apreciar, la medición de la Corriente y la Resistencia presentan varios inconvenientes físicos: romper el circuito, desmontar piezas o encontrar piezas idénticas. En estos casos es donde se aprecia la utilidad e importancia de las fórmulas que ya estudiaste y otras que estudiarás más adelante: la Ley de Ohm, las Leyes de Kirchhoff, las Leyes de Maxwell; la aplicación de fórmulas y principios físicos permiten obtener mediciones exactas sin necesidad de interactuar de forma directa con los materiales.

R

Actividad 11 Hoy los multímetros tienen muchas más funciones además de las básicas; una de ellas, de gran importancia para la electricidad, es la continuidad. Investiga en Internet en qué consiste la continuidad en un circuito y cómo se prueba con ayuda del multímetro.

Actividad 12 Utiliza el multímetro para realizar mediciones de Tensión, Corriente y Resistencia en el laboratorio. Consulta con tu maestro para determinar los dispositivos más convenientes para ser medidos en un ambiente seguro.

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1.2 Relación de la tecnología con las ciencias naturales y sociales: la resignificación y el uso de los conocimientos Activación de conocimientos Antes de iniciar el estudio de este apartado, en grupo y apoyados por el maestro, reflexionen y contesten:

A. Expliquen qué son los siguientes dispositivos: • Bulbo • Transistor • Microprocesador

El conocimiento es un sistema integral, lo que significa que todos los saberes están vinculados de una forma u otra, y el desarrollo de cierta área del conoci­ miento científico produce un impacto en las demás, dándoles un nuevo significado (resignificación). Es de gran importancia comprender que las creaciones téc­nicas no sólo desarrollan la industria y la producción de mercancías, también sirven de apoyo para el perfeccionamiento y progreso de la ciencia que les da so­porte teórico. Es por ello que el contexto social influye de muchas maneras sobre la tecnología, ya que cada época histórica tiene una serie de necesidades características que son satisfechas por las creaciones tecnológicas. Por su parte, las ciencias naturales aprovechan el desarrollo de la tecnología para resolver los problemas propios de su especialidad o para ofrecer soluciones más eficientes y eficaces a problemas antiguos.

El desarrollo de artefactos e instrumentos eléctricos para la investigación científica Dado que el fin último de la tecnología y sus creaciones prácticas es incrementar hasta el límite de lo posible las potencialidades del ser humano —fuerza, capacidad de movimiento y percepción de la realidad a través de los sentidos, incluso su facultad de abstracción numérica— resulta obvio que la ciencia es la principal fuente de contribución para su progreso. En la actualidad, la punta del desarrollo tecnológico está enfo­cada en la informática, el perfeccionamiento y la aplicación de las computadoras a todas las actividades humanas. Como sabes, las computado­ ras con­tienen un microprocesador que utiliza la energía eléctrica para realizar tareas complejas que implican la interacción lógica con el usuario. Sin embargo, sea un cálculo exacto o probabilístico, la utilidad de las computadoras reside en su “fuerza bruta” para realizar operaciones, pero hasta la fecha no son capaces de tomar una decisión lógica que vaya más allá de un sí o un no. EDICIONES

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Bloque I

Actividad 13 Reúnanse en grupos de cuatro personas y analicen el siguiente mapa mental; después, expliquen por escrito la relación que existe entre los diferentes inventos que se muestran.

Electricidad Nikola Tesla. Desarrollo de los medios Desarrolló la teoría y puso de comunicación actuales en práctica la generación y distribución de electricidad mediante la corriente alterna, que es la manera como se sigue haciendo hoy.

Telégrafo

Teléfono

Alexander Lee De Forest 1903

Bulbo

Samuel Morse 1838

Antonio Meucci 1860

Telégrafo inalámbrico Medios de comunicación electrónicos Radio –1920 Televisión–1937

Guillermo Marconi 1901

INTERNET Transistor –1947

Microchip 1971

Circuito integrado –1949

Foto: Wikipedia.

•• La lámpara incandescente El principio de la lámpara incandescente (foco común) consiste en hacer fluir corriente eléctrica a través de un semiconductor; es decir, un material que opone poca resistencia. El flujo lento de electrones tiende a incrementar la temperatura del semiconductor y como consecuencia emite luz y calor.

Joseph Wilson Swan (1828-1914). Físico y químico inglés, famoso por la invención de la lámpara incandescente.

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Computadora personal 1977

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El primero en desarrollar tal dispositivo fue el físico y químico inglés Joseph Wilson Swan; se basó en las Leyes de Maxwell y, en 1860, realizó varios experimentos aplicando una corriente eléctrica a un filamento de papel carbonizado dentro de una bombilla a la que intentó sacar todo el aire posible. Sus trabajos tuvieron

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fallas técnicas de origen: falta de un medio adecuado para crear vacío dentro de la bombilla, carencia de una fuente eléctrica adecuada y del filamento correcto; sólo consiguió construir bombillas de escasa duración y poca capacidad de iluminación. Thomas Alva Edison retomó el experimento de Swan y lo reprodujo con mejores condiciones técnicas, gracias al dinero de los inversionistas J.P. Morgan y la familia Vanderbilt, que hasta la fecha manejan empresas financieras en Nueva York, Estados Unidos. Con esos recursos económicos montó un laboratorio (la Compañía de Luz Eléctrica Edison) y contrató ingenieros que realizaran las investigaciones necesarias. Para 1880, su equipo de trabajo ya había encontrado la manera de crear vacío total en las bombillas y descubrieron que el bambú carbonizado era un buen semiconductor para el propósito que buscaban.

Bombilla al vacío Filamento I

I

El funcionamiento del foco es muy sencillo: la corriente llega a través del conductor a una bombilla de cristal al vacío (sin aire dentro) que contiene un filamento. La corriente circula por el filamento y provoca que éste aumente su temperatura, con lo que se genera luz y calor.

Después de dos años de litigios y guerra comercial con las empresas gaseras encargadas de la iluminación pública, la empresa de Edison colocó la primera red de suministro eléctrico público en Manhattan, Nueva York, en septiembre de 1882. •• La medición de la salinidad por la conductividad eléctrica del suelo o el agua La composición de los suelos incluye de manera natural cloruro de sodio (NaCl), conocido como sal. Cuando en una región se presentan sequías (aumento de calor y escasez de agua), el suelo tiende a acumular NaCl en la superficie, que resulta perjudicial para la agricultura, porque la tierra disminuye su capacidad de cosecha. El proceso completo para determinar la salinidad de los suelos escapa a los objetivos de este curso, lo importante es comprender que la electricidad se utiliza para deter­ minar la salinidad de los suelos (la cantidad de sal que contienen), por un sencillo fenómeno de conductividad: la sal por sí sola (NaCl) no es un conductor de electricidad; el agua pura (H2O) tampoco lo es, pero al combinarse y formar agua salada (NaCl+H2O) se genera un proceso químico llamado ionización que produce iones (partículas neutras que por acción química se cargan eléctricamente).

Con la electricidad se puede determinar la salinidad de los suelos por un sencillo fenómeno de conductividad.

En la ionización, uno de los elementos combinados cede electrones al otro (Diseño de circuitos eléctricos 1); en el caso del agua salada, el NaCl se separa en dos iones: el catión sodio y el anión cloruro. El anión tiene carga eléctrica negativa y el catión carga eléctrica positiva. Al igual que en una pila, los aniones son atraídos por el ánodo y los cationes por el cátodo, lo cual permite crear un circuito por donde fluya corriente y determinar de esta manera cuánta sal se necesita para que exista cierto voltaje.

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Bloque I

Actividad 14 Objetivo: Comprobar el fenómeno de la ionización y la conducción del agua salada.

Vaso con agua destilada

En equipo realicen la actividad

y al final presenten un reporte con sus observaciones. Empleen su circuito universal para crear uno como el de la imagen. Utilicen una pila de 9V o menor y un foco que soporte el voltaje de la pila. Lo importante en este caso es el vaso con agua (que debe ser destilada o lo más pura posible). Introduzcan los cables en el vaso, como se muestra en la imagen, y sigan este procedimiento: 1. Al principio el vaso debe contener sólo el agua destilada. Viertan aproximadamente 150 mililitros. 2. Añadan sal por cucharadas, una a la vez y lleven la cuenta. 3. Cuando encienda el foco, dejen de añadir sal.

Con este experimento han comprobado que el agua salada es un conductor.

Ahora coloquen en un papel la misma cantidad de cucharadas de sal que utilizaron

en el experimento y midan su peso. Supongamos arbitrariamente que utilizaron 50 gramos de sal en 150 mililitros de agua para encender un foco de 3V. A partir de tales datos determinamos que se requieren 333 gramos de sal por litro de agua para permitir el paso de una corriente que genera 3V.

Ese es el principio de la medición de la salinidad del suelo por conductividad

eléctrica: determinar cuánta sal se requiere para permitir el paso de cierta corriente eléctrica. Por supuesto, los aparatos y métodos que utilizan los ingenieros de suelos son más complejos que nuestro experimento, pero el principio es el mismo.

Los circuitos eléctricos y la electrónica como componentes fundamentales de los aparatos electrodomésticos e industriales El circuito eléctrico en sí no genera ningún trabajo, sólo transporta la energía de un punto a otro. Para obtener provecho de la electricidad es necesario controlarla, regularla y dirigirla. De esta manera, podemos utilizar máquinas que transforman la energía eléctrica en otro tipo de energía para realizar una tarea práctica. Como aprendiste en el primer curso, los dispositivos que utilizan electricidad para su funcionamiento se dividen en tres grupos:

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Eléctricos Transforman la electricidad en otro tipo de energía, principalmente lumínica y calorífica.

Electromecánicos

Digitales

Utilizan un motor eléctrico para realizar cierto trabajo (convierten energía eléctrica en mecánica).

Contienen un microprocesador que utiliza la energía eléctrica para realizar tareas complejas que implican la interacción lógica con el usuario.

La sociedad entera funciona gracias a estos dispositivos.

El desarrollo de bulbos, transistores y circuitos integrados Como ya viste, la ciencia y la tecnología se desarrollan a partir de conocimientos previos, que han sido comprobados con la experimentación. En este sentido, algunos historiadores consideran que la electrónica nació con la válvula Fleming (inventada por John Ambrose Fleming) y otros con el triodo de Alexander Lee De Forest. Ambos inventos datan de principios del siglo xx —separados por un par de años— y también están basados en un efecto secundario de la bombilla incandescente, conocido como Efecto Edison o efecto de emisión termoiónica; es decir, iones formados por efecto del calor Ampolla de vidrio

Dicho efecto se presenta cuando la lámpara incandescente (foco) se polariza al agregarle un electrodo plano en forma de placa, que hace las funciones de ánodo, y el filamento actúa como cátodo.

Placa (ánodo)

Cuando el filamento se calienta, se produce una agitación de los áto­ mos que lo forman y los electrones en las órbitas de valencia son acelerados hasta alcanzar su velocidad de escape (Diseño de circuitos eléctricos 1); se forma así una nube de electrones por encima del fila­ mento (llamada nube termoiónica) que es atraída por la placa debido a que está cargada positivamente. Esto genera una corriente eléctrica que circula por la válvula, entre el filamento y la placa o bien, el cátodo y el ánodo.

Filamento (cátodo)

Al resultado se le llama oficialmente válvula termoiónica y se conoce comúnmente como bulbo; se utiliza para amplificar, conmutar o modificar una señal eléctrica mediante el control del movimiento de los electrones en su interior al vacío o me­diante el uso de gases especialmente seleccionados. El bulbo fue la base tecnológica para desarrollar la radiodifusión, la televisión, los sistemas de audio, las redes telefónicas y finalmente las computadoras analógicas y digitales. El bulbo dio origen también al diodo que, como sabes, es un componente elec­ trónico que permite la circulación de la corriente en un sentido, transforma corriente alterna en directa y dirige el flujo eléctrico a un punto específico dentro de circuitos complejos. A partir del bulbo —o mejor dicho, del efecto de emisión termoiónica— se de­ sarrolló el transistor, dispositivo que realiza la misma función que el bulbo y el diodo juntos: funciona como amplificador, oscilador, conmutador y rectificador de las señales eléctricas (diodo).

La palabra transistor proviene de dos palabras inglesas: transfer (transmisión) y resistor (resistencia): transfiere corriente de un punto a otro y sirve como resistencia por sus cualidades de semiconductor.

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Bloque I

La utilidad del transistor reside en su capacidad para utilizar una pequeña señal eléctrica aplicada a un par de sus terminales, para controlar una señal mucho mayor en otro par de sus terminales; esta propiedad se llama ganancia, y es por ello que funciona como un amplificador de la señal original. Además, el transistor corta o permite el flujo de la corriente; es decir, funciona como un interruptor, accionado por la intensidad de la corriente que fluye a través de él. El transistor reproduce el efecto de emisión termoiónica, pero se diferencia de los bulbos porque no produce tanto calor y es pequeño. Los circuitos integrados constan de grandes cantidades (millones) de transistores que comparten tareas dentro del circuito electrónico. De acuerdo con la configuración del circuito, un mismo transistor funciona como amplificador, oscilador, diodo o conmutador, por eso son tan eficientes y pueden realizar una gran cantidad de operaciones por segundo.

Los circuitos eléctricos y las telecomunicaciones para el registro, procesamiento y transmisión de la información

Foto: Wikipedia.

Del bulbo al circuito integrado, la tecnología electrónica realizó grandes avances en poco tiempo. El mayor logro de estos avances fue, sin duda, la incorporación de la rama de la matemática llamada álgebra booleana al funcionamiento de los circuitos integrados. Esto hizo posible el desarrollo de los dispositivos digitales —máquinas inteligentes que ofrecen diferentes respuestas a diversas solicitudes del usuario—, como la computadora, los teléfonos inteligentes, los reproductores de música, los dispositivos de ubicación geográfica y demás. Actualmente, la microelectrónica permite crear circuitos integrados muy pequeños y eficientes que reciben el nombre de microprocesadores.

George Boole (1815- 1864). Matemático y filósofo británico inventor del Álgebra Booleana.

Los microprocesadores están revolucionando las telecomunicaciones —como el claro caso de Internet—, así como el registro y el procesamiento de la información, a tal grado que a nuestra época se le conoce como la Era de la información, y con justificada razón, porque hoy en día prácticamente todas las instituciones públicas y privadas, administrativas y de investigación, dependen de las computadoras para poder funcionar.

El Álgebra booleana es un sistema matemático inventado por el inglés George Boole a mediados del siglo xix. El sistema permite expresar, manipular y simplificar problemas lógicos y filosóficos por procedimientos matemáticos, cuyos argumentos admiten dos estados: verdadero o falso. Este sistema es la principal herramienta que se usa hasta la fecha para el diseño de programas de cómputo y microprocesadores.

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Tecnología, Diseño de circuitos eléctricos 2

1.3 La resignificación y el uso de los conocimientos para la resolución de problemas y el trabajo por proyectos en los procesos productivos Activación de conocimientos Antes de iniciar el estudio de este apartado, en grupo y apoyados por el maestro, reflexionen y contesten:

A. ¿Qué entienden por energías verdes? B. ¿Qué tienen en común la bombilla eléctrica, el bulbo, el transistor, el circuito integrado y el microprocesador?

C. ¿Saben qué es un diorama?

Los conocimientos previos adquieren un nuevo significado, se transforman y se aplican para resolver nuevos problemas sociales, como se explicó en el apartado anterior: de la bombilla eléctrica surge el bulbo, del bulbo el transistor, del transistor el circuito integrado y, al fin, el microprocesador. Todos estos dispositivos tienen algo en común: transforman la energía eléctrica para realizar un trabajo; por ello, todos responden a las mismas leyes que has estudiado y otras que estudiarás más adelante.

Bombilla eléctrica

Bulbo

Transistor

Circuito integrado

Microprocesador

Los conocimientos técnicos y científicos para mejorar las instalaciones y los componentes eléctricos En la actualidad, el reto al que nos enfrentamos es la construcción de dispositivos cada vez más eficientes que consuman menos energía eléctrica y que la gene­ ración de ésta sea respetuosa del medio ambiente. La energía verde —como se le llama a las fuentes

energéticas no contaminantes— y la nanotecnología son la punta de lanza para la creación de nuevos dispositivos eléctricos, electrónicos y digitales. En el futuro cercano veremos cada vez más aparatos que desafían la imaginación humana.

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Bloque I

El trabajo por proyectos para el diseño de circuitos eléctricos El objetivo práctico de este curso consiste en comprender el funcionamiento de los circuitos en serie, paralelos y complejos, así como aprender a diseñarlos correctamente. Para ello, vas a aplicar tus conocimientos elaborando un trabajo a escala, que te permitirá tener una visión panorámica de la distribución y aplicación de la energía eléctrica en la sociedad. El proyecto final será grupal, por lo que debes formar tu equipo de trabajo desde este bloque y conservarlo hasta el final del curso. El proyecto que desarrollarán será la construcción de un diorama que represente la alimentación eléctrica de una calle con siete edificaciones, dos aceras con seis postes de alumbrado público y, como complemento, automóviles y autobuses. Puedes seleccionar el tipo de edificaciones que tendrá tu calle, pero no deben exceder de siete; la cantidad de vehículos complementarios es libre, la única limitación es que no congestionen el diorama.

El diorama es una representación en tres dimensiones (alto, ancho y profundidad) de una figura cualquiera.

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En esta primera etapa debes obtener los elementos del diorama en la estación web de Editorial ECA (http://edicioneseca.com). Selecciona los tipos de edificios y el transporte que aparecerá en tu trabajo final. Obsérvalos, analízalos y comprende la manera en que se arman, pero aún no los imprimas; puedes guardar una copia electrónica en un lugar seguro.

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Tecnología, Diseño de circuitos eléctricos 2

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

1. Nombre del personaje que unificó las ideas de Charles-Augustin de Coulomb, Carl Friedrich Gauss, André-Marie Ampère y Michael Faraday en una sola teoría que reunió las nociones de campo eléctrico y campo magnético en un solo concepto. 2. Rama de la matemática que se aplica al funcio­ namiento de los circuitos integrados. Hizo posible el desarrollo de los dispositivos digitales, como la computadora, los teléfonos inteligentes, los repro­ ductores de música, los dispositivos de ubicación geográfica, etcétera. 3. Se utiliza para medir amperes, voltios u ohmios en un circuito dado. 4. Ciencia que aplica la matemática para estudiar, explicar y predecir fenómenos naturales. 5. La corriente eléctrica se mide en…

Verticales

6. Se define como la capacidad de ciertos materiales para ejercer fuerzas de atracción o repulsión sobre otros. 7. Manera sencilla para manejar las relaciones entre los factores de la Ley de Ohm. 8. Ley que dice que “la tensión en un circuito es igual a la corriente multiplicada por la resistencia existente en el mismo (E = IR)”. 9. Apellido del personaje que colocó la primera red de suministro eléctrico público en Manhattan, Nueva York, en septiembre de 1882. 10. La electricidad está integrada por tres factores primordiales: Corriente, Tensión y…

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tecnología y su relación con otras Áreas de conocimiento

Bloque I

Integración de conceptos. Bloque 1. Tecnología y su relación con otras áreas de conocimiento Método universal para la resolución de problemas aplicado a la electricidad

1. Escribir el objetivo del problema o experimento. 2. Descubrir y redactar la incógnita del problema. 3. Describir a grandes pasos el plan general. 4. Siempre dibujar el diagrama del circuito. 5. Construir el circuito.

Conversión de magnitudes Desplazar el punto decimal hacia la derecha para disminuir la magnitud y hacia la izquierda para incrementarla.

Mover el punto decimal hacia la derecha para disminuir la magnitud Unidad 1

Mili (m) 3 posiciones

1

0.001

Micro (µ) 3 posiciones

.0 0 0

.001

000 001 .0 0 0

6 posiciones

Conexión en serie La Corriente fluye por un solo camino.

B1

R1 20

R2 15

12V

Conexión en paralelo La Corriente fluye por varios caminos.

B1

R1 20

12V

R2 15

Circuito complejo Combina conexiones en serie y en paralelo.

R2 15 B1

R1 20

R3 10

12V

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Tecnología, Diseño de circuitos eléctricos 2

Campo magnético en conductores

I

Cuando una corriente fluye por un conductor, crea siempre un campo electromagnético.

Conductor

Regla de la mano izquierda Determina la dirección de la Corriente.

Electroimán Comprueba la relación entre magnetismo y corriente eléctrica.

Ley de Ohm

Tensión

El flujo de Corriente en un circuito se incrementa conforme aumenta el voltaje y disminuye conforme aumenta la resistencia.

Corriente

Principios de la Ley de Ohm para circuitos en serie: 1. La Corriente (I) es siempre la misma en cualquier parte del circuito. 2. La Tensión (E) total aplicada en el circuito es igual a la suma de las caídas de voltaje a través de todas las resistencias. 3. La Resistencia (R) total del circuito es igual a la suma de las resistencias individuales

Resistencia

It=I1=I2=I3 … Et=E1+E2+E3 … Rt=R1+R2+R3 … EDICIONES

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tecnología y su relación con otras Áreas de conocimiento

Bloque I

Bobina Cuando el cable conductor forma espiras y se le aplica una corriente eléctrica, todas las líneas de fuerza electromagnéticas a su alrededor entran por un lado y salen por el otro, siguiendo la dirección de la corriente eléctrica.

S

N

Ley de la mano izquierda para las bobinas Determina la dirección del campo magnético en una bobina.

S

Autoinducción La corriente que circula por la bobina genera otra fuerza electromotriz llamada fuerza electromotriz autoinducida o voltaje inducido, en sentido inverso al flujo de la corriente inicial o inductora.

N

Dirección de la FEM autoinducida

Estado de equilibrio I

I

Fuerza electromotriz autoinducida, en forma de magnetismo

Dirección de la corriente inicial o inductora Transformadores Dispositivos que transforman o modifican el voltaje inicial a otro menor o mayor, pero conservando la misma frecuencia. Cuando se colocan dos bobinas en paralelo unidas por un mismo núcleo se presenta un fenómeno físico conocido como acoplamiento magnético o inducción mutua, que provoca una diferencia de potencial.

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Ep Fuente de poder (AC)

Es

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Conexión correcta del multímetro

Tensión: el multímetro se conecta en paralelo respecto al dispositivo que se esté midiendo. Corriente: el multímetro debe conectarse en serie con la rama donde queremos realizar la medición.

Resistencia: los bornes del multímetro se colocan en las terminales de la resistencia fuera del circuito.

Display Óhmetro Voltímetro de continua Amperímetro de continua

Selector Voltímetro de alterna

Amperímetro de alterna

Terminal amperímetro Terminal común

Interruptor

Terminal Voltios/ohmios

Bulbo Se utiliza para amplificar, conmutar, o modificar una señal eléctrica mediante el control del movimiento de los electrones en su interior al vacío o mediante el uso de gases especialmente seleccionados.

Ampolla de vidrio Placa (ánodo) Filamento (cátodo)

Transistor Dispositivo que realiza la misma función que el bulbo y el diodo juntos: funciona como amplificador, oscilador, conmutador y rectificador de las señales eléctricas.

Circuitos integrados Constan de millones de transistores que comparten tareas dentro del circuito electrónico.

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Diseño de Circuitos Eléctricos 2  
Diseño de Circuitos Eléctricos 2  
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