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TECNOLOGÍA SECUNDARIA 3
Electricidad
TEMA 4: ELECTRICIDAD.
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INTRODUCCIÓN.
CORRIENTE ELÉCTRICA.
MAGNITUDES ELÉCTRICAS.
RELACIÓN ENTRE LAS MAGNITUDES, LEY DE
OHM.
POTENCIA Y ENERGÍA ELÉCTRICA.
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CIRCUITOS
BÁSICOS.
CONEXIÓN
DE
COMPONENTES ELÉCTRICOS.
RECEPTORES Y ELEMENTOS DE MANIOBRA.
DISEÑO DE CIRCUITOS CON EL ORDENADOR:
CROCODILE CLIPS.
1. INTRODUCCIÓN.
La sociedad actual se ha convertido en una sociedad dependiente de la
electricidad.
Si miramos a nuestro alrededor la cantidad de aparatos que depende directa
o indirectamente de ella es tal, que no podemos imaginarnos un solo día sin ella.
Iluminación de viviendas, electrodomésticos, relojes, ordenadores, móviles, motores
de vehículos, semáforos, bombas de agua y un sinfín de aparatos que dependen de
la electricidad.
Sin embargo no necesitan el mismo tipo de corriente eléctrica todos los
aparatos. Unos necesitan pequeñas corrientes continuas, como las que entregan
las pilas y otros necesitan grandes corrientes alternas, como la que entrega la red
eléctrica.
Podemos decir que la electricidad mueve el mundo. Por eso es difícil imaginar
nuestra vida sin electridad. La electricidad ofrece tantas ventajas porque se puede
transformar en otras formas de energía con relativa facilidad.
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2. CORRIENTE ELÉCTRICA.
Se llama corriente eléctrica, al paso ordenado de electrones a través de un
conductor.
Pero se puede hacer que estos electrones pasen siempre en la misma
dirección (corriente continua) o que cambien el sentido de paso e incluso que varíe
la cantidad de electrones que pasan cada vez (corriente alterna).
Según sea el receptor que queremos alimentar debemos utilizar una u otra.
La conversión de corriente alterna en continua o viceversa es muy fácil con los
sistemas electrónicos actuales.
La inmensa mayoría de aparatos electrónicos utilizan la corriente continua
ya que deben controlar el paso de los electrones de una forma muy selectiva. Sin
embargo la mayor parte de la producción y transporte de la corriente es alterna,
por lo que se debe transformar la corriente alterna en continua.
2.1
CORRIENTE CONTINUA.
La corriente continua se puede obtener por medio de métodos químicos,
como lo hacen las pilas y baterías, por métodos mecánicos como lo hace una
dinamo, o por otros métodos, fotovoltaico, par térmico, etc.
Por tratarse de un valor de tensión que permanece constante en el tiempo,
dificulta la interrupción de la misma cuando los valores son elevados, por lo que se
utiliza en aparatos de muy baja tensión, hasta 24 Voltios.
Antiguamente también se utilizaba en motores de gran potencia en los que
deseábamos controlar la su velocidad, pero hoy en día esto está casi en desuso.
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El valor que caracteriza a la corriente continua es el voltaje (Vcc), que
permanece invariante en el tiempo. El aparato que convierte la corriente alterna en
corriente continua se llama fuente de alimentación. Una de sus aplicaciones es
cargar los teléfonos móviles.
2.2
CORRIENTE ALTERNA.
La corriente alterna se puede obtener por métodos mecánicos como lo hace
un alternador, o por conversión de la corriente continua en alterna, el aparato que
hace esto se llama inversor.
Se trata de un valor de tensión que varia constantemente en el tiempo,
tomando valores positivos, cero y negativos.
Los valores que caracterizan a la corriente alterna son:
Valor máximo (Vmax): Es el valor de cresta que alcanza la corriente alterna,
puede ser positivo o negativo, también se le conoce como valor de pico (Vp). Para la
tensión de la red es de ± 325 V.
Valor instantáneo (Vi): Es el valor que toma la corriente en un momento
determinado. Las ventajas frente la corriente continua son:
- Permite aumentar o disminuir el voltaje por medio de transformadores.
- Se transporta a grandes distancias con poca pérdida de energía.
- Es posible convertirla en corriente continua con facilidad.
3. MAGNITUDES ELÉCTRICAS.
Como se recordará, la materia está constituida por
moléculas, que a su vez están constituidas por átomos.
El átomo, lo forman un núcleo que contiene
protones y neutrones, y alrededor de dicho núcleo giran
los electrones.
- Cuando el número de protones y de electrones
coincide en un átomo, se dice que es neutro.
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- Cuando el número de electrones es menor que el de protones, se dice que
el átomo está cargado positivamente.
- Y cuando el número de electrones es mayor que el de protones, se dice que
está cargado negativamente.
3.1
CARGA ELÉCTRICA (Q).
Expresa el exceso o defecto de electrones que hay en sus átomos. Su unidad
es el Culombio (C).
1 Culombio equivale a 6,25 x1018 electrones.
3.2
INTENSIDAD (I).
Es la cantidad de carga eléctrica que circula por un conductor en una unidad
de tiempo.
I = q /t
Las unidades son:
Amperios = Culombios /segundo.
Para que los electrones se desplacen por un conductor es necesaria una
diferencia de potencial o fuerza electromotriz (V) entre sus extremos. Su unidad es
el Voltio. Esto se consigue conectando cargas de distinto signo en sus extremos.
3.3
RESISTENCIA (R).
No todos los cuerpos permiten que pasen los electrones con la misma
facilidad. Por tanto podemos definirla como “la dificultad
que opone un cuerpo al paso de los electrones”. Su
unidad es el Ohmio (Ω), y depende del material del
cuerpo, y de sus dimensiones.
Cuando su valor es alto decimos que un material
es aislante, si por el contrario es pequeña decimos que
es conductor.
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3.4
Electricidad
APARATOS DE MEDIDAS.
Para medir las magnitudes eléctricas, deben utilizarse los aparatos
correspondientes, aunque en la actualidad se utiliza uno que los contiene a todos: el
polímetro.
El Polímetro. También se le conoce con el nombre de Tester o Multímetro.
Existen dos tipos de polímetros, los analógicos y los digitales. En los últimos
años los digitales se han extendido mucho más llegando a ser casi los únicos que se
utilizan hoy en día.
El aspecto de un polímetro digital es este:
Como puede observarse este polímetro consta de dos voltímetros, dos
amperímetros, un óhmetro y un apartado para calcular la hfe de los transistores.
Las partes en las que está divido son:
Para realizar una medida debemos seguir siempre los siguientes pasos:
1).- Encender el polímetro.
2).- Seleccionar la parte en la que queremos realizar la medición (Voltímetro,
Amperímetro, Óhmetro).
3).- Comprobar que las puntas están en los terminales correctos, en caso
contrario colocarlas.
Es muy importante fijarse bien en el conexionado de las puntas, si se conectan
unas puntas en un terminal equivocado se puede destruir el polímetro.
El terminal negro siempre se conecta en el común y el rojo es que se conecta
en V/ Ω para resistencias y voltajes, o en 2A o 10A para intensidades que alcanzan
como valor máximo 2 o 10 Amperios.
4).- Seleccionar el valor más alto de la escala que queremos medir, con el
selector.
5).- Conectar las puntas en el lugar adecuado del circuito o resistencia.
6).- Mover el selector bajando de escala hasta que la lectura sea posible en el
display.
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4. RELACIÓN ENTRE LAS MAGNITUDES, LEY DE OHM.
A principios del siglo XIX, Georg Simon Ohm descubrió la relación que existía
entre la corriente, la tensión y la resistencia de los circuitos eléctricos y lo enunció
con la llamada Ley de Ohm, de la siguiente manera:
“La Intensidad que circula por un circuito es proporcional a la tensión que
aplicamos en él e inversamente proporcional a la resistencia que opone a dicha
corriente”.
Esto se expresa con la fórmula:
V
I=
R
Donde I se mide en Amperios, V en Voltios y R en ohmios.
Ejemplo: En el circuito de la figura, la pila tiene una diferencia de potencial
de 9 Voltios, la resistencia de la bombilla es de 150 Ω. ¿Qué intensidad de
corriente saldrá de la pila y atravesará la bombilla?
I=
V
9
=
= 0,06 A Luego circularán 0,06 A por la bombilla.
R 150
Cuando hablamos de corrientes alternas los valores que debemos tener en
cuenta son los eficaces.
Ejemplo: En el circuito siguiente la corriente eficaz será:
I ef =
Vef
R
=
230
= 1,533 A
150
Luego circularán 1,533 A eficaces por la bombilla.
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5. POTENCIA Y ENERGÍA ELÉCTRICA.
5.1
POTENCIA.
La potencia eléctrica que puede desarrollar un receptor eléctrico se puede
calcular con la fórmula:
P=V*I
- P es la potencia en vatios (W).
- V es el voltaje (V).
- I es la intensidad (A).
Ahora bien, cuando se trata de corriente alterna los valores de voltaje e
intensidad deben ser los eficaces.
Pef = Vef * Ief
Si nos ayudamos de la Ley de Ohm, podemos expresar la
potencia en función de otros parámetros.
P = V ⋅ I
2


V
I=

Donde la potencia depende de la corriente al cuadrado  R
⇒P=
V
R
que circula por el receptor y de la resistencia.
La resistencia es una característica constructiva, que hace a los receptores
capaces de entregar mayor o menor potencia. Pero dependiendo de la tensión que
aplicamos a dicho receptor el valor de la potencia variará.
Para que se entienda mejor que es la potencia, podemos pensar en una
bombilla que tiene una potencia de 25 W luce poco, resistencia de 2116 Ω, mientras
que una bombilla de 100 W, resistencia de 529 Ω, luce mucho más. La cantidad que
lucirá cada una de ellas dependerá de la tensión que le apliquemos en sus extremos.
Ejemplo: Calcula la potencia con la que luce una bombilla de 529 Ω, si la
conectamos a una tensión de 110 V.
V 2 110 2
P=
=
= 22,87 W
R
529
Ejemplo: Si una bombilla tiene los siguientes datos nominales 230V, 60W.
Indica que potencia entregará cuando la conectamos a una tensión de 390 V.
Primero calculamos cuál es su resistencia.
Después cuál es la potencia que entrega en las
condiciones de trabajo.
R=
P=
V 2 230 2
=
= 881,66 Ω
P
60
V2
3902
=
= 172,51 W
R 881,66
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TECNOLOGÍA SECUNDARIA 3
5.2
Electricidad
ENERGÍA.
Cuando tenemos el receptor conectado durante un tiempo lo que
necesitamos conocer es la energía que consume. La fórmula que lo calcula es:
E=P*t
Donde:
- E es la energía en Julios (J).
- P es la potencia en vatios (W).
- t es el tiempo en segundos (s).
En el caso de corriente alterna se tratará de valores eficaces.
Ejemplo: Calcula la energía que se consume cuando tenemos encendida una
bombilla de 100 vatios durante 10 horas.
Pasamos las horas a segundos: t = 10 h * 3600 s = 36000 s
Luego la energía será: E = P * t = 100W * 36000s = 3600000 J = 3,6MJ
Como los julios son una unidad muy pequeña normalmente la energía se
expresa en KW·h (kilo vatios hora) unidad que no pertenece al Sistema
Internacional. La energía expresada en KW·h del ejercicio anterior será:
E = P * t = 0,1KW * 10h = 1KW * h
6. CIRCUITOS BÁSICOS. CONEXIÓN DE COMPONENTES ELÉCTRICOS.
6.1
CIRCUITO ELÉCTRICO.
Un circuito eléctrico es un conjunto de operadores o
elementos que unidos entre sí permiten que por ellos circule
la corriente eléctrica, es decir, haya un flujo de electrones.
En todo circuito eléctrico habrá como mínimo los
siguientes elementos: un generador, un conductor y uno o
varios receptores.
El generador es el elemento que proporciona la energía eléctrica (pilas,
baterías, etc.), los conductores son los operadores por los que circulan los
electrones (cables o hilos) y los receptores son operadores de diversos tipos que
sirven para transformar la energía eléctrica recibida en otro tipo de energía.
Además de los anteriores, en las instalaciones eléctricas también puede haber
elementos de maniobra (interruptores, pulsadores, conmutadores, etc.) y
elementos de protección (diferenciales, magnetotérmicos, etc.).
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TECNOLOGÍA SECUNDARIA 3
6.2
Electricidad
ESQUEMAS ELÉCTRICOS.
Un esquema eléctrico es una representación que muestra
cómo se conectan entre sí los elementos de un circuito.
Los símbolos de algunos de estos elementos son:
6.3
CIRCUITO EN SERIE.
Un circuito serie, es aquel que tiene
conectados sus receptores uno a
continuación del otro. Solo hay un camino
por el que pasa la corriente eléctrica. La
conexión en serie es poco frecuente.
Se caracteriza por:
- La resistencia total del circuito es la
suma de las resistencias que lo componen.
RT = R1 + R2
- La corriente que circula es la misma por todos los elementos. IT = I1 = I2
- La fuerza electromotriz o tensión del generador se reparte entre los
distintos elementos.
V = V1 +V2
Ejemplo: En un circuito serie, el generador tiene una diferencia de potencial
de 230 Voltios y la resistencia de las bombillas es de 260 Ω y 330 Ω. Calcular todos
los valores de este circuito.
Solución:
La resistencia total será:
RT = R1 + R2 = 260 Ω + 330 Ω = 590 Ω.
De la ley de Ohm podemos obtener la corriente total:
IT =
VT
230V
=
= 0,3898 A
RT 590 Ω
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Electricidad
La corriente que circula por cada elemento es igual:
IT = I1 = I2 = 0,3898 A.
De la ley de Ohm podemos obtener la tensión en cada elemento:
V1 = R1 * I1 = 260 Ω * 0,3898 A = 101,35 V.
V2 = R2 * I 2 = 330 Ω * 0,3898 A = 128,64 V.
Como comprobación tenemos que:
VT = V1 +V2 = 101,35 V + 128,64 V = 229,99 V.
Como conclusión, se puede observar que
al repartirse la tensión entre las bombillas esto
se refleja con una disminución de la
luminosidad de cada una de ellas. Otra
observación interesante de este circuito es que
si se rompe una de las bombillas, se interrumpe
el circuito y deja de lucir la otra bombilla.
6.4
CIRCUITO PARALELO.
Cuando se conectan en paralelo los
elementos de un circuito, éstos se disponen de
tal manera que todos y cada uno de ellos están
conectados con el polo positivo y el polo
negativo del generador de corriente.
En esta disposición, todos los elementos
del circuito están sometidos a la misma
tensión, pero por cada uno de ellos circula una
intensidad de corriente diferente.
Se caracteriza por:
- La inversa de la resistencia total del circuito es la suma de las inversas de
las resistencias que lo componen.
1
1
1
=
+
RT R1 R2
Otra forma de expresar la resistencia total cuando son dos los elementos es:
RT =
R1 ⋅ R2
R1 + R2
- La corriente total que sale del generador se reparte por todos los
elementos.
IT = I1 + I 2
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La fuerza electromotriz generada por el generador llega por igual a todos los
elementos.
VT = V1 = V2
Como conclusión, se puede observar que la tensión en las bombillas es la
misma y lo que hace que presenten la misma luminosidad que si estuviesen solas
cada una de ellas.
Otra observación interesante de este circuito es que aunque se rompa una de
las bombillas, no afecta a la otra y sigue luciendo con normalidad. Los aparatos de
nuestras viviendas están conectados en paralelo.
6.5
CIRCUITO MIXTO.
Un circuito mixto, es aquel que tiene elementos en paralelo y en serie.
Por ejemplo, las bombillas 2 y 3, de la figura, están conectadas en paralelo y a
la vez las dos en serie con la 1.
Este circuito aglutina las características de los dos circuitos, por lo que se
tiene que resolver por partes, en primer lugar se resuelven los elementos que
están en paralelo, y luego los que están en serie.
Las bombillas 2 y 3 están en paralelo luego tendremos:
- La resistencia total de las bombillas 2 y 3 será:
RP =
R2 ⋅ R3
R2 + R3
- La corriente total que circula por las dos bombillas es:
I P = I 2 + I3
- La diferencia de potencial en las dos bombillas será la misma.
VP = V1 =V2
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Electricidad
La bombilla 1 esta en serie con la resistencia equivalente del paralelo de las
bombillas 2 y 3, luego tendremos:
- La resistencia total del circuito es la suma de las resistencias que lo
componen.
RT = R1 + RP
- La corriente que circula es la misma por los dos elementos.
IT = I1 = I P
- La fuerza electromotriz generada por el generador se reparte entre los
distintos elementos.
VT = V1 +VP
Ejemplo: En el circuito mixto anterior el generador tiene una diferencia de
potencial de 230 Voltios y la resistencia de las bombillas es de 260 Ω, 330 Ω y 130
Ω. Calcular todos los valores de este circuito
Solución: La resistencia de las bombillas en paralelo será:
RP =
R2 ⋅ R3
330 ⋅ 130
=
= 93,26 Ω
R2 + R3 330 + 130
- La resistencia total será la suma de RP y R1:
RT = R1 + RP = 260Ω + 93,26Ω = 353,26Ω
- De la ley de Ohm podemos obtener la corriente total:
IT =
VT
230
=
= 0,65 A
RT 353,26
- La corriente que circula tanto por la bombilla 1 como por la resistencia
equivalente del paralelo, será igual a la total.
IT = I1 = I P = 0,65A
- De la ley de Ohm podemos obtener la tensión que hay tanto en la bombilla
1 como en la resistencia equivalente del paralelo de las bombillas 2 y 3.
V1 = R1 * I1 = 260Ω * 0,65A = 169V
VP = RP * I P = 93,26Ω * 0,65A = 60.62V
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- La tensión que tienen las bombillas 2 y 3 es igual a la del paralelo:
VP = V1 = V2 = 60,62V
- De la ley de Ohm podemos obtener la corriente en las bombillas 2 y 3:
V2 60,62

I 2 = R = 330 = 0,18 A

2

I = V3 = 60,62 = 0,466 A
 3 R3
130
- Como comprobación tenemos que:
I P = I 2 + I3 = 0,184A + 0,466A = 0,65A
7. RECEPTORES Y ELEMENTOS DE MANIOBRA.
Los receptores transforman la energía eléctrica que pasa a través de ellos en
luz, calor, movimiento o sonido. El paso de la corriente eléctrica se controla
mediante los elementos de maniobra.
7.1
RECEPTORES.
La bombilla es un receptor. Al paso de la corriente su filamento se pone
incandescente y produce luz y calor.
En el caso de los motores influye la forma en que se conectan. La corriente
puede circular en ambos sentidos; al cambiar el sentido de la corriente, cambia el
del giro del motor.
7.2
ELEMENTOS DE MANIOBRA.
Son dispositivos que tienen como objetivo regular y gobernar el paso de la
corriente eléctrica por el circuito.
Existen varias clases, los más comunes son:
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Electricidad
- Pulsador. Es un aparato utilizado para activar alguna función. Un pulsador
permite el paso o interrupción de la corriente mientras es accionado. Cuando ya no
se actúa sobre él vuelve a su posición de reposo.
- Interruptor. Es un dispositivo utilizado para desviar o interrumpir el curso
de una corriente eléctrica.
- Conmutador. Es un dispositivo utilizado para desviar o cambiar la corriente
eléctrica de una rama del circuito a otra rama distinta.
7.3
CONMUTADORES. APLICACIONES.
Las escaleras mecánicas funcionan como conmutadores, por que para
ponerla en marcha para subir un piso y una vez arriba pararla, por tanto es
necesario controlar el motor desde dos sitios distintos. Uno en la base de la
escalera y el otro arriba. Para ello se utiliza dos conmutadores.
Este sistema también se utiliza para poder apagar/encender las luces desde
dos puntos diferentes en un pasillo. Este solo necesita un conmutador simple, pero
también existen más complejos capaces de manejar dos o más circuitos.
- Conmutador de cambio de giro. Para cambiar el giro del conmutador se
utiliza uno de seis patillas. Montamos el circuito, para que cuando se cierran las
patillas 1 y 1' el motor gira hacia la derecha, y al accionar las patillas 2 y 2' cambia la
polaridad y por tanto el sentido de este.
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TECNOLOGÍA SECUNDARIA 3
7.4
Electricidad
RELÉ.
Es una combinación de un electroimán y un interruptor. Consta de dos
circuitos: el de mando y el de potencia.
En el circuito de potencia hay un interruptor, con sus contactos disponibles.
El circuito de mando es el electroimán que mediante un mecanismo cuando
circula corriente por él, hace que se cierre el contacto del interruptor de potencia.
Cuando deja de circular corriente por el electroimán el mecanismo hace que se abra
el contacto de potencia.
En resumen, un relé puede actuar como un interruptor o como un
conmutador.
8. DISEÑO DE CIRCUITOS CON EL ORDENADOR: CROCODILE CLIPS.
8.1
INICIO DEL PROGRAMA.
Crocodile Clips es un programa didáctico de simulación de
circuitos, especialmente útil para los alumnos de secundaria. Con él
podemos aprender tanto los elementos que forman un circuito, cómo su
funcionamiento y diseño. Para iniciar el programa basta con hacer doble clic sobre
su icono, apareciendo un cuadro que nos informa sobre la versión, el cual podemos
cerrar pulsando en el botón OK.
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TECNOLOGÍA SECUNDARIA 3
8.2
Electricidad
LA PANTALLA DEL PROGRAMA.
Los elementos a destacar son los siguientes:
Barra de Título
Barra de Menús
Botones
de Control
Barra de
Desplazamiento
Barra de Herramientas
Principal
Área de Diseño del Circuito
8.3
BARRA DE HERRAMIENTAS PRINCIPAL.
En este apartado, vamos a describir los botones más importantes del
programa, para poder construir nuestros circuitos. Estos botones se
encuentran en la barra de herramientas Principal.
Al pulsar sobre uno de ellos, la barra de herramientas cambia,
mostrando una barra de herramientas nueva, con las opciones del botón
seleccionado.
Para poder volver a la barra Principal, basta con pulsar sobre la
“Flecha Arriba”.
Si queremos “ELIMINAR” o “REPARAR” un componente del
circuito, debemos pulsar sobre el “Cocodrilo”.
73
TECNOLOGÍA SECUNDARIA 3
8.4
Electricidad
SUMINISTROS DE ENERGÍA.
Este botón nos permite situar una fuente de
energía o de electrones, sobre nuestro circuito. Al pulsar
sobre él nos aparece una barra nueva cuya opción más
importante es la de “Pila”.
8.5
INTERRUPTORES.
Este botón nos permite situar interruptores de corriente, sobre
nuestro circuito. Al pulsar sobre él nos aparece una barra nueva cuyas
opciones más importante son:
Interruptores unipolares de una vía.
Interruptores unipolares de dos vías.
8.6
COMPONENTES PASIVOS.
Este botón nos permite situar elementos de protección,
sobre nuestro circuito. Al pulsar sobre él nos aparece una barra
nueva cuya opción más importante es la de “Resistor”.
8.7
SALIDAS DE LUZ.
Este botón nos permite situar puntos de luz, sobre nuestro circuito. Al
pulsar sobre él nos aparece una barra nueva cuyas opciones más importantes
son:
Luz de señal.
Lámpara de filamento.
8.8
MEDIDA DE MAGNITUDES.
- Para medir tensiones, el
voltímetro se coloca en paralelo con el
elemento cuya tensión se desea medir.
-Para medir intensidades, el
amperímetro se coloca en el miso cable
donde se quiere medir la corriente
circulante.
74
TECNOLOGÍA SECUNDARIA 3
8.9
Electricidad
CONSTRUCCIÓN DE UN CIRCUITO ELÉCTRICO.
Para crear un circuto, primero
debemos ir situando cada elemento sobre
el “Área de diseño”. Seleccionamos un
elemento y lo arrastramos, con el ratón, a
la zona que nos interese. Esto se repite
para cada elemento.
A continuación, debemos unir con los
“cables de conexión”, todos los elementos
del circuito. Esta operación la realizaremos de la siguiente forma:
• Hacemos clic sobre un extremo de
un elemento. El puntero del ratón
se muestra como una bobina de
cable. Activada la bobina podemos
llevar la conexión a todos los
elementos que nos interesen,
completando el circuito.
• Si queremos probar el circuito, basta con pulsar sobre los interruptores
que hayamos puesto en él.
Para modificar el valor de algún
componente, basta con hacer clic sobre el
número que indica dicho valor. Nos aparece
entonces, un cuadro de diálogo donde
podemos elegir un nuevo valor.
75
TECNOLOGÍA SECUNDARIA 3
Electricidad
8.10 GUARDAR EL DISEÑO DEL CIRCUITO.
Un vez completado el circuito, podemos guardarlo como un archivo de
cualquier otro programa. Activamos el Menú Archivo y elegimos la opción
“Guardar Como”.
76