Download Cap. 2 Electricidad v.2

TEMA 2
ELECTRICIDAD
ELECTRICIDAD Desarrollo
Actividad Inicial
Interactiva
Actividad de inicio:
simulación virtual de una pila y su funcionamiento interno.
Ingresar a:
http://phet.colorado.edu/en/simulation/battery-voltage
y
http://phet.colorado.edu/en/simulation/circuit-construction-kit-dc
ELECTRICIDAD Desarrollo Actividad Inicial Interactiva Primera pestaña: La pila se muestra inicialmente con un medidor del voltaje a su lado. Bolitas
(que representan electrones libres) se mueven azarosamente. Unas figuras humanas representan
los portadores de carga y al mover la barra indicadora “VOLTAJE DESEADO”, se puede modificar
el valor del voltaje, haciendo que los portadores de carga desplacen electrones hacia uno de los
extremos de la pila. Cada vez que se desplaza la barra los portadores de carga van a buscar un
electrón y lo depositan en el extremo de la pila, el medidor de voltaje cambia su lectura. Se
puede invertir la polaridad de la pila desplazando la barra de control en sentido inverso.
Acompañamiento:
Observa con atención esta representación del funcionamiento de una pila.
Cuenta cuidadosamente el número de bolitas en cada extremo de la pila.
Dejar un tiempo para la exploración libre.
Mueve suavemente la barra de control del voltaje deseado hacia la derecha, y observa lo que
sucede. Las figuras humanas que mueven las cargas las llamaremos “PORTADORES DE
CARGA”. Es un nombre muy adecuado, ¿no crees?
Cuenta nuevamente el número de bolitas en cada lado de la pila, fíjate en lo que indica el
medidor de voltaje.
Haz una hipótesis:
¿Qué piensas que son las bolitas que han sido movidas a un extremo de la pila?
Si mueves suavemente la barra de control de voltaje hacia el lado izquierdo, fíjate bien en los
detalles y describe en tus propias palabras lo que observas.
¿Qué lado de la pila está marcado positivamente… y… cuál es el lado negativo?.
Dejar un tiempo para la exploración libre.
¿En cuál de ellos hay un exceso de electrones? ¿En qué lado faltan electrones?
Si inviertes el voltaje de la pila, ¿qué sucede con su polaridad?, ¿dónde queda ahora el lado
positivo? Describe lo que observas con tus propias palabras.
En una pila se produce una separación de cargas resultando con un terminal positivo
llamado ÁNODO y un terminal negativo llamado CÁTODO. Sin embargo la pila en su
totalidad sigue estando neutra, o sea, tiene el mismo número de cargas positivas y negativas.
Explora ahora la segunda pestaña para que construyas un circuito sencillo.
ELECTRICIDAD Desarrollo Actividad Inicial Interactiva Segunda pestaña: construcción interactiva de un circuito. Se despliegan los componentes más
sencillos de un circuito: pila, cables conductores, interruptor, ampolleta y resistencia. Se pueden
arrastrar al mesón de trabajo y unirse por sus extremos. Adicionalmente se pueden desplegar un
medidor de voltaje y de corriente para explorar diferentes sectores del circuito.
Acompañamiento:
Un circuito eléctrico está formado por una serie de elementos que se pueden conectar entre sí
a través de cables conductores de corriente eléctrica. Para empezar arrastra hasta la zona de
trabajo la pila y la ampolleta.
¿Cómo puedes conectar los cables para encender la ampolleta?
Hazlo… confía en tu intuición… observa lo que pasa.
Dejar tiempo para la exploración libre.
Agrega ahora el interruptor de modo que todos los elementos estén conectados unos a
continuación de otros. Este circuito se llama “CIRCUITO EN SERIE”.
Abre y cierra el interruptor.
Observa el comportamiento de los electrones en los cables y la ampolleta.
¿Qué sucede si conectas una segunda pila a continuación de la primera en tu circuito?
¡Haz tu predicción antes de realizar la conexión!
Dejar tiempo para la exploración libre.
Observa el resultado a ver si concuerda con tu hipótesis. Es muy importante que te
acostumbres a hacer hipótesis en ciencia, ya que esa es la manera de aprender cosas nuevas
y construir conocimiento científico.
Toma el medidor de voltaje y conecta sus extremos en diferentes partes del circuito.
Observa cuidadosamente las lecturas del aparato.
¿Te fijas que en algunas partes marca el voltaje de la pila y en otras marca cero volts?
¿La corriente, es mayor o menor cuando conectas una pila o cuando conectas dos pilas al
circuito?
Dejar tiempo para la exploración libre.
¿cuándo brilla más la ampolleta?
Y si agregas una resistencia al circuito en serie, ¿qué crees que pasará con la corriente y el
brillo de la ampolleta? Es muy importante que hagas tu predicción antes de probar el
circuito… piensa un momento.
ELECTRICIDAD Desarrollo Formal
del Contenido
ELECTRICIDAD Desarrollo Formal del Contenido ¿Qué es la electricidad?
Todos los objetos que vemos y sentimos están hechos de átomos, pequeñas partes de la
materia que a su vez contienen otras partículas más pequeñas llamadas electrones, protones y
neutrones. Y aún aquello que no podemos ver como partículas de polvo en el aire y el aire
mismo, todo está hecho de átomos.
Los protones y los electrones tienen la capacidad de atraerse mutuamente y a este hecho se le
llama electricidad. Entonces, la electricidad es una propiedad que tienen los protones y los
electrones.
• Los neutrones no tienen esta propiedad eléctrica.
• Los protones tienen electricidad positiva (o carga positiva).
• Los electrones tienen electricidad negativa (o carga negativa).
Cuando vemos una tormenta eléctrica, con rayos saltando desde las nubes hacia la tierra, o
bien desde una nube a otra nube, lo que en realidad estamos observando es el paso de enormes
cantidades de carga eléctrica de un lugar a otro.
Electricidad estática
¿Te das cuenta que algo similar pasa al sacarte un chaleco en una pieza oscura?
Efectivamente, cargas eléctricas (electrones) saltan desde el chaleco a tu cuerpo a través del aire.
Este fenómeno se llama electricidad estática. Entre el chaleco y tu camisa se produce roce
durante el día y esto hace que se desplacen electrones desde una prenda a la otra.
Como los átomos generalmente están neutros, o sea que tienen la misma cantidad de cargas
negativas y positivas, al acumularse electrones en un lado, faltarán en el otro y así un objeto
queda cargado negativo (el chaleco por ejemplo) mientras que el otro está positivo (tu cuerpo).
Como las cargas negativas y positivas se atraen entre sí, entonces habrá un movimiento de
electrones desde el chaleco a tu cuerpo, produciendo esas chispas que se ven en la oscuridad.
ELECTRICIDAD Desarrollo Formal del Contenido Pilas y voltaje
Una pila es un artefacto capaz de hacer que la carga eléctrica fluya a través de un cable o de un
circuito eléctrico. Fue el físico italiano Alessandro Volta quien se dio cuenta que al poner en
contacto dos discos de metales diferentes (Zinc y Cobre por ejemplo) en una solución de agua y
sal, y conectar sus extremos con un cable, fluía electricidad a través de él.
Alessandro Volta, nacido en Como, actual Italia, 1745–1827.
Cuando Volta apilaba mayor cantidad de discos vio que lograba hacer fluir mayor cantidad de
electricidad entre el extremo positivo o ánodo y el cátodo o extremo negativo. De esta forma de
“apilar” los discos viene el nombre de pila eléctrica (o pila de Volta).
ELECTRICIDAD Desarrollo Formal del Contenido La pila entrega energía
En el interior de una pila ocurre una separación de
cargas, de modo que se acumulan electrones en el
electrodo negativo y, por lo tanto, el electrodo positivo
queda con una falta de ellos. Así se establece una
diferencia de nivel de energía entre estos extremos o
bornes de la pila. Esta diferencia de energía eléctrica
se llama voltaje de la pila y se mide en volts o voltios y
su símbolo es (V).
Por tanto, un voltaje de 12 V significa una diferencia de
energía mayor que 1,5 V.
En el mercado existe una gran variedad de pilas,
capaces de entregar diversos voltajes.
Puedes construir tu propia pila de Volta si dispones de un trozo de zinc y otro de cobre. Los
introduces en una fruta ácida como un limón o una manzana y tendrás una pila capaz de
generar un voltaje de aproximadamente 0,5 V ¡suficiente para hacer funcionar un pequeño reloj
digital!
ELECTRICIDAD Desarrollo Formal del Contenido Corriente eléctrica
La corriente eléctrica es la medida de la cantidad de carga eléctrica que fluye a través de un
cuerpo (un cable, por ejemplo) en un tiempo determinado. Su unidad de medida es el ampere o
amperio y su símbolo es (A). Así una corriente de 10 A transporta el doble de carga eléctrica
cada segundo que una corriente de 5 A.
Conductores y aislantes
Para que la corriente eléctrica pueda fluir por un cuerpo, éste debe ser un buen conductor
eléctrico, o sea, facilitar el paso de los electrones a través de él. Los metales en general son
buenos conductores de la electricidad pues sus átomos contienen electrones libres, que se
ubican en las capas exteriores del átomo, y pueden pasar con cierta facilidad de un átomo a otro.
En el extremo opuesto se ubican los aislantes o dieléctricos, materiales que oponen una fuerte
resistencia al paso de la carga eléctrica a través de ellos. Un buen ejemplo son los plásticos en
general y por ello se usan para recubrir los cables metálicos con una capa aislante, ya que así la
corriente circula sólo a través del interior metálico.
Para que fluya la corriente eléctrica se necesitan básicamente dos cosas:
• Que exista un medio conductor o “camino” por donde pueda pasar con
cierta facilidad la carga eléctrica.
• Que exista una fuente de energía o voltaje que impulse a la carga eléctrica
a moverse.
Podemos hacer una metáfora con el agua
que fluye por una cañería desde una altura.
La diferencia de altura equivale a la
diferencia de energía eléctrica (voltaje),
mientras que la cañería es el medio
(conductor) por el cual pasa el flujo de
agua (corriente eléctrica).
Entonces,
¿quién sería la pila?,
pues la bomba que impulsa el agua hacia
arriba y mantiene la diferencia de altura que
permite que el agua siga fluyendo. En un circuito la pila se encarga de mantener el voltaje que
impulsa a los electrones a circular.
Fuente: curso de Electricidad Básica 2ª parte
http://www.tallerdemecanica.com/cursos/cursoselectricidad/electricidadbasica2parte.html)
ELECTRICIDAD Desarrollo Formal del Contenido Circuito eléctrico
Un circuito eléctrico está compuesto de:
• una fuente de voltaje (pila o batería)
• cables conductores eléctricos
• un artefacto por el cual pasa la corriente y
transforma la energía eléctrica en otro tipo
de energía, como una ampolleta. por
ejemplo.
Para que fluya la corriente el circuito debe estar
cerrado, es decir un extremo de la fuente de voltaje
debe estar unido al otro extremo a través de los cables y los artefactos del circuito.
Habitualmente se agrega un interruptor que permite abrir o cerrar el circuito y el paso de la
corriente interrumpiendo el flujo eléctrico y “apagando” todo.
Sólo si el circuito está cerrado, fluye la corriente eléctrica y funcionan los artefactos
conectados.
Simbología
Para dibujar un esquema de circuito eléctrico, se utilizan ciertos símbolos que representan las
diferentes partes del circuito.
Fuente:
http://www.google.cl/imgres
?q=circuito+electrico&hl=es
&sa=X&tbm=isch&prmd=ivn
s&tbnid=Xnye8twmm9OGe
M:&imgrefurl=http://www.ie
sbajoaragon.com/~tecnologi
a/Elec/Cir_elec.htm&docid=g
ZVmi9APRTFzIM&w=480&h=
480&ei=MdlJTvb6Mujk0QHP
pfnrBw&zoom=1&iact=hc&v
px=155&vpy=128&dur=62&h
ovh=225&hovw=225&tx=15
3&ty=112&page=1&tbnh=16
7&tbnw=166&start=0&ndsp
=12&ved=1t:429,r:0,s:0&biw
=1024&bih=677
ELECTRICIDAD Desarrollo Formal del Contenido Algunos circuitos eléctricos pueden llegar a ser muy complejos y su diseño requiere de un
profesional, ingeniero o técnico eléctrico.
Fuente:
http://www.google.cl/imgres?q=circuito+electrico&hl=es&sa=X&tbm=isch&tbnid=Fsc2DijwtnL7M:&imgrefurl=http://www.fortunecity.com/rainbow/lego/7/generador/oscilad.htm&docid
=qy_5ZChcdVcOQM&w=735&h=542&ei=MdlJTvb6Mujk0QHPpfnrBw&zoom=1&iact=hc&vpx=4
15&vpy=130&dur=1242&hovh=193&hovw=262&tx=129&ty=103&page=16&tbnh=157&tbnw=2
13&start=171&ndsp=9&ved=1t:429,r:7,s:171&biw=1024&bih=677
ELECTRICIDAD Desarrollo Formal del Contenido Circuito en serie y en paralelo
Circuito en serie se llama aquel en que
los artefactos se conectan uno a
continuación del otro, formando un
camino único por donde fluye la
corriente, saliendo del borne negativo de
la pila y regresando al borne positivo.
Es importante que te des cuenta que en
el circuito en serie pasa la misma
corriente eléctrica por cada uno de los
artefactos conectados al circuito. Así, si
pasa 1 A de corriente por la primera
ampolleta, también pasará 1 A por las dos
siguientes, y llegará de vuelta a la pila la
misma cantidad de carga por segundo, es decir, 1 A. De no ser así, estaría perdiéndose carga
eléctrica hacia fuera del circuito.
Si se desconecta un artefacto o se interrumpe o corta el cable en cualquier parte del
circuito en serie, se apagará completamente todo el circuito:
En un circuito en paralelo el camino de la corriente eléctrica se divide, permitiendo que cada
artefacto funcione independientemente del otro.
Así, si uno de los artefactos se desconecta del
circuito el otro seguirá funcionando
normalmente, ya que todos están conectados
directamente a la pila, o sea, al mismo voltaje. Esta
configuración presenta una gran ventaja y es una
de las razones por la que se usa este tipo de
circuito en las conexiones eléctricas de una casa.
Si la primera ampolleta se ha quebrado y ya no
pasa corriente por ella, la otra continuará
encendida y alumbrando normalmente.
Por ello, en una instalción domiciliaria a cada
ampolleta se le pone su propio interruptor el que
permite encenderla (conecta) o apagarla según la necesidad, no afectando en nada a las demás
ampolletas. La corriente que fluye por cada artefacto no necesariamente es la misma. Si por una
ampolleta fluye una corriente de 1 A y por la otra 2 A, la corriente total que sale de la pila y
retorna a ella será la suma, o sea, 3 A.
En un circuito en paralelo la corriente total del circuito será igual a la suma de las
corrientes parciales que fluyen por cada rama o “camino separado” de él.
ELECTRICIDAD Desarrollo Formal del Contenido ¿Cómo medir la corriente y el voltaje?
La corriente eléctrica se mide con un instrumento llamado amperímetro en su unidad de
medida, los amperes. Este aparato determina la cantidad de carga que pasa a través de él y,
por tanto, debe ser colocado en serie con el circuito.
El símbolo del amperímetro es
En un circuito en serie el amperímetro marcará obviamente siempre el mismo valor, en cualquier
parte del circuito donde se conecte, pues la misma corriente pasa por cada una de sus partes.
En un circuito en paralelo el amperímetro puede medir corrientes diferentes, sin embargo la
corriente total que sale o entra a la pila será igual a la suma de las corrientes parciales.
El voltímetro es el instrumento que puede medir la diferencia de energía o voltaje en un
circuito. Mide en volts y su símbolo es:
Para medir el voltaje, es necesario conectar el voltímetro en paralelo con el artefacto al que se
le quiere medir el voltaje al cual está sometido.