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1. INTRODUCCIÓN. Estamos acostumbrados a utilizar aparatos eléctricos sin saber cómo funciona la electricidad. Pero, ¿por qué se enciende una bombilla cuando le damos al interruptor? ¿Por qué es más fácil que nos dé un calambrazo si estamos mojados? ¿Por qué los enchufes tienen dos agujeros en vez de uno? En este tema vamos a aprender cómo funciona la electricidad, para poder responder preguntas sobre ésta, sin sabernos la respuesta de memoria, sino razonando sobre lo que sabemos. Vamos a aprender también a diseñar circuitos eléctricos que hagan lo que nosotros queramos. Para poder entender los fenómenos eléctricos debemos conocer cómo está constituida la materia. La materia está formada por partículas muy pequeñas llamadas átomos. A su vez, los átomos están constituidos por electrones que se mueven alrededor de un núcleo, constituido por protones y neutrones. Los protones y los electrones tienen una propiedad conocida como carga eléctrica. Esta propiedad es la responsable de que ocurran los fenómenos eléctricos. Fig 1:Estructura básica de un átomo. Mientras que los neutrones no poseen carga eléctrica, la carga de un electrón es igual a la carga eléctrica de un protón, pero de distinto signo, y por convenio: Los electrones tienen carga negativa Los protones poseen carga positiva. Como la carga de un electrón es muy pequeña, en el Sistema Internacional (S.I.), para expresar la cantidad de carga se emplea como unidad la carga de 6,242· ·1018electrones (6,242 trillones de electrones), llamada Culombio o Coulomb (C). En general, los materiales son neutros; es decir existe un equilibrio entre el número de cargas negativas (electrones) y positivas (protones). Sin embargo, en ciertas ocasiones los electrones pueden moverse de un material a otro originando cuerpos con cargas positivas (con defecto en electrones) y cuerpos con carga negativa (con exceso de electrones), pudiendo actuar sobre otros cuerpos que también están cargados. Por tanto, para adquirir carga eléctrica, es decir, para electrizarse, los cuerpos tienen que ganar o perder electrones. Una característica de las cargas, es que las cargas del mismo signo se repelen, mientras que las cargas con diferente signo se atraen (tal y como muestra la figura). 2. MATERIALES AISLANTES Y CONDUCTORES. Hay materiales, como los plásticos, el papel, la madera, la lana, el vidrio, etc, en los que los electrones no se mueven de un átomo a otro. Estos materiales se llaman aislantes. En otros materiales, los electrones se pueden mover con cierta facilidad. Estos materiales se denominan conductores. Son buenos conductores los materiales que ofrecen poca resistencia al paso de los electrones, como por ejemplo los metales (plata, cobre, aluminio, etc.) 3. LA CORRIENTE ELÉCTRICA. UNIDADES ELÉCTRICAS La corriente eléctrica se puede definir como el flujo de electrones a través de un material conductor desde un cuerpo con carga negativa (exceso de electrones) a un cuerpo con carga positiva (deficitario en electrones). Fig 3: Flujo de electrones hacia el polo positivo de una pila. Por tanto, para la corriente eléctrica se produzca, es necesario que entre los extremos del conductor exista una diferencia de potencial; es decir, que en entre ambos extremos exista un desnivel eléctrico o tensión (V). Esto lo podemos conseguir conectando cargas de distinto signo en los extremos del conductor (por ejemplo colocando una pila). Piensa: ¿por qué los enchufes tienen dos agujeros? Su unidad, en el SI es el Voltio (V). La tensión entre dos puntos del circuito se mide con un voltímetro que se colocará en paralelo con el componente cuya tensión se quiere a medir. Cuanto mayor sea el voltaje, mayor será el número de electrones que circulará por un cuerpo. Y al igual que en una carretera hablamos de intensidad de tráfico, como el número de vehículos que pasan por allí en un determinado tiempo, en electricidad definimos la intensidad de corriente eléctrica (I) como el número de electrones que circulan por un conductor en la unidad de tiempo. La unidad es el amperio (A) y se mide con el amperímetro que se colocará en serie, como el contador del agua en una tubería. A la dificultad que ofrece cada material a la circulación de los electrones a través de él, se llama resistencia eléctrica (R), su unidad es el ohmio (Ω) y se mide con el ohmímetro u óhmetro. Pero si solo hablásemos de la resistencia no sabríamos que materiales son mejores conductores y cuales son peores. Por esto es necesario conocer la resistividad (ρ) de cada material, la cual nos indica la resistencia eléctrica que tiene cada material por cada metro de longitud y mm² de sección. Si queremos hallar la resistencia de un conductor de un determinado material y de una longitud y sección dada, tendremos que utilizar la fórmula: R = (ρ x L)/ S Los valores típicos de resistividad de varios materiales (en ohmios por 1m de longitud y 1mm² de sección) a 23° C son: Plata Cobre Oro Aluminio Tungsteno Níquel Hierro Acero puro Platino Plomo Mercurio Acero colado Nicrom Carbón Germanio Silicio Piel humana Vidrio 0,0159 (Ω · mm2 / m) 0,0168 (Ω · mm2 / m) 0,0220 (Ω · mm2 / m) 0,0265 (Ω · mm2 / m) 0,0560 (Ω · mm2 / m) 0,0870 (Ω · mm2 / m) 0,0971 (Ω · mm2 / m) 0,1000 (Ω · mm2 / m) 0,1100 (Ω · mm2 / m) 0,2200 (Ω · mm2 / m) 0,9410 (Ω · mm2 / m) 1 (Ω · mm2 / m) 1,5000 (Ω · mm2 / m) 35 (Ω · mm2 / m) 460.000 (Ω · mm2 / m) 640.000 (Ω · mm2 / m) 5x 10¹¹ (Ω · mm2 / m) 1G (Ω · mm2 / m) POLÍMETRO EJERCICIOS: 1º) Enumera las tres partículas que forman un átomo. En un circuito eléctrico, ¿cuál de ellas se desplaza por los conductores? 2º) Calcula la Resistencia de un hilo de cobre de 1000 m de longitud y de 10 mm² sección. 3º) Calcula la Resistencia de un hilo de hierro de 1000 m de longitud y de 10 mm² sección. 4º) Calcula la Resistencia de un hilo de plata de 1000 m de longitud y de 10 mm² sección. 5º) De los tres hilos anteriores ¿cuál escogerías para tender una línea de transporte eléctrico y por qué elegirías ese material y no los otros? 6º) Ahora disponemos de dos hilos de cobre de longitud 100 m cada uno. Si sus secciones son de 1mm² y 2,5mm² respectivamente, indicar el valor de la resistencia que ofrece cada hilo. ¿Cuál utilizarías si los dos son válidos para alimentar una lámpara? 7º) Calcula la resistencia total de un cable eléctrico formado con el empalme de uno a continuación del otro, sabiendo que uno es un hilo de cobre de 150 m de longitud y 4 mm² de sección y el otro es un hilo de aluminio de 200 m de longitud y 4 mm² de sección. 4. EL CIRCUITO ELÉCTRICO Un circuito eléctrico es un conjunto de elementos conectados entre sí, que permiten establecer una corriente entre dos puntos, para aprovechar la energía eléctrica. Todo circuito eléctrico se compone, al menos, de unos elementos mínimos (generador, receptor y conductor). Sin embargo la en la mayoría de los casos los circuitos suelen incorporar otros dispositivos, los elementos de maniobra y los de protección. 4.1. ELEMENTOS DE UN CIRCUITO ELÉCTRICO EL GENERADOR: Los generadores son los elementos que transforman cualquier forma de energía en energía eléctrica. Proveen al circuito de la necesaria diferencia de cargas entre sus dos polos o bornes (tensión), y además, son capaces de mantenerla eficazmente durante el funcionamiento del circuito. Ejemplos de ellos son: - la pila - Batería - Panel solar - Alternador La diferencia entre una pila y una batería, es que una pila cuando se agota la reacción química interna, NO puede recargarse; en cambio una batería SÍ puede recargarse. Las pilas, las baterías y los paneles solares suministran corriente continua. Los alternadores suministran corriente alterna. LOS CONDUCTORES: Los conductores son los elementos que conectan los distintos elementos del circuito permitiendo el flujo de electrones. Para transportar los electrones de un sitio a otro se utilizan cables de metal, normalmente de cobre, y recubiertos de plástico para que los electrones no salgan del cable. LOS RECEPTORES: Los receptores son los elementos encargados de convertir la energía eléctrica en otro tipo de energía útil, como la lumínica, la mecánica (movimiento), sonora, calorífica, etc. Los receptores eléctricos más usuales en nuestro taller serán: - Lámpara o bombilla - Motor - Timbre - Resistencia eléctrica ELEMENTOS DE CONTROL: Controlan, dirigen o interrumpen el paso de la corriente eléctrica. Los más habituales son: - Interruptor - Pulsador - Conmutador ELEMENTOS DE PROTECCIÓN: La misión de los elementos de protección tienen como misión proteger los aparatos, las instalaciones y a los usuarios. En este curso veremos el fusible. - Fusible 5. EL SENTIDO DE LA CORRIENTE Sentido real: En una pila los electrones siempre salen de la pila por el polo negativo, recorren todos los elementos del circuito y entran de nuevo en la pila por el polo positivo. Sentido convencional: Antes de que se descubriese que la corriente eléctrica es el resultado del movimiento de los electrones por un circuito, se pensaba las cargas circulaban del positivo al negativo (de + a -), igual que los cuerpos caían de + alto a – alto. Y este será el sentido que nosotros utilizaremos, tal como indican las flechas en la siguiente figura. 6. REPRESENTACIÓN DE CIRCUITOS SENCILLOS MEDIANTE SÍMBOLOS A continuación veremos una serie de ejemplos de circuitos reales y su representación mediante símbolos: A la derecha podemos ver un circuito formado por: una pila de 9 V una bombilla y un interruptor. A su derecha figura el esquema simbólico del mismo A la derecha podemos ver un circuito formado por: una pila de 9 V una resistencia una bombilla un pulsador A su derecha figura el esquema simbólico del mismo A la derecha podemos ver un circuito formado por: una pila de 9 V una resistencia dos bombillas y un pulsador. A su derecha figura el esquema simbólico del mismo A la derecha podemos ver un circuito formado por: una pila de 9 V una resistencia una bombilla un zumbador y un conmutador Fíjate que a diferencia del interruptor, el conmutador tiene tres contactos (en lugar de 2). A su derecha figura el esquema simbólico del mismo. A la derecha podemos ver un circuito Formado por: una pila de 9 V un interruptor tres bombillas A su derecha figura el esquema simbólico del mismo. EJERCICIOS: 8º) Dados los siguientes circuitos, dibuja su esquema eléctrico utilizando los símbolos correspondientes: 8 9º) Sobre los esquemas dibujados en el ejercicio anterior indica mediante flechas el sentido convencional de la corriente eléctrica: (considera que los pulsadores y/o los interruptores que aparecen representados están cerrados). 7. LEY DE OHM En 1822 el científico George Simon Ohm, relacionó la intensidad de corriente, la tensión y la resistencia, enunciando la ley de Ohm de la forma siguiente: Ley de Ohm: La intensidad de corriente que circula por un hilo conductor es directamente proporcional a la tensión entre sus extremos e inversamente proporcional a la resistencia V=R·I I = V/R 1voltio = 1 Ohmio x 1 Amperio De esta fórmula se deducen las otras dos: R = V/I 8. CIRCUITOS BASICOS: CONEXIÓN SERIE, PARALELO Y MIXTO. Un CIRCUITO EN SERIE, es aquel que tiene conectados sus receptores uno a continuación del otro. (En el circuito verde, las bombillas están conectadas en serie). Las características de este tipo de circuito son: ✔ Si uno de los elementos del circuito deja de funcionar el resto tampoco funcionan. ✔ El voltaje de la pila se reparte entre todos los receptores conectados en serie (por eso las bombillas brillan poco) ✔ La intensidad de la corriente que atraviesa cada receptor es la misma para todos los receptores. Un CIRCUITO PARALELO, es aquel que tiene conectados los terminales de sus receptores unidos entre sí. (En el circuito azul, las bombillas están conectadas en paralelo.) 9 Las características de este tipo de circuitos son: ✔ Si uno de los elementos deja de funcionar, el resto funciona normalmente, como si no hubiese pasado nada. ✔ Todos los receptores funcionan con la misma tensión (todas las bombillas lucen con la misma intensidad e igual a como lucirían si estuviesen ellas solas conectadas a la batería). ✔ La intensidad de la corriente que genere la pila se reparte entre todos los receptores. Cabe citar que los elementos eléctricos de nuestras viviendas están conectados en paralelo. Un CIRCUITO MIXTO, es aquel que tiene elementos en paralelo y en serie. (Por ejemplo, las bombillas 2 y 3 están conectadas en paralelo; al mismo tiempo que están conectadas en serie con la 1. Estos circuitos poseen las características de los dos circuitos, por lo que se tiene que resolver poco a poco por partes: en primer lugar se resuelven los elementos que están en paralelo, y luego los que están en serie. A continuación vamos a ver cómo resolvemos estos tipos de circuitos: Resolución de circuitos serie: En el circuito de la figura la tensión proporcionada por la batería es de 100 V y la resistencia de las bombillas es de 20 Ω cada una. Calcular la resistencia total o resistencia equivalente, la intensidad de corriente y la tensión en cada una de las bombillas. Como se trata de un circuito serie la Resistencia total será la suma de la resistencia de cada lámpara: RT = R1 + R2 = = 20 Ω + 20 Ω = 40 Ω. Aplicando la Ley de Ohm podemos calcular la Intensidad 𝑉𝑇 total: IT =𝑅𝑇 = 100 V / 40 Ω = 2,5 A Como se trata de un circuito serie la Intensidad que circula por cada lámpara es la misma y como no hay más caminos por donde ésta pueda circular, será la I1 = I2 = IT = 2,5A Ahora ya podemos calcular el voltaje (o diferencia de potencial o tensión) en cada lámpara: V1 = R1 x I1 =20 Ω x 2,5 A =50 V y V2 = R2 x I2 =20 Ω x 2,5 A =50 V Como podemos comprobar, el voltaje total se ha repartido: VT = V1 + V2 =50 V + 50 V = 100 V. 10 Resolución de circuitos paralelo: En el circuito de la figura la tensión proporcionada por la batería es de 100 V y la resistencia de las bombillas es de 20 Ω cada una. Calcular la resistencia total o resistencia equivalente, la intensidad de corriente y la tensión en cada una de las bombillas. Como se trata de un circuito en paralelo, se cumplirá: La resistencia total o resistencia equivalente se podrá obtener sabiendo que su inversa es la suma de las inversas de las resistencias que lo componen: 1/RT = 1/R1 + 1/R2 Una forma fácil de calcular la resistencia equivalente de dos resistencias conectadas en paralelo, es realizar el producto partido por la suma: RT = (R1 x R2) / (R1 + R2) = (20 Ω x 20 Ω) / (20 Ω +20 Ω) = 400 Ω / 40 Ω =10 Ω 𝑉𝑇 Aplicando la Ley de Ohm podemos calcular la Intensidad total: IT =𝑅𝑇 = 100 V / 10 Ω = 10 A Como se trata de un circuito paralelo, el voltaje de la lámpara L1 y el de la lámpara L2, serán el mismo: V1 = V2 y en éste caso como no hay nada conectado en serie, su voltaje será VT. Luego: V1 = V2 = VT = 100 V. Ahora ya podemos calcular la Intensidad que circulará por cada lámpara: 𝑉𝑇 I1 =𝑅1 = 100 V / 20 Ω = 5 A y la 𝑉𝑇 I2 =𝑅2 = 100 V / 20 Ω = 5A Como podemos observar la IT se ha repartido entre las dos lámparas ya que tiene dos caminos para poder circular, siendo la suma de las dos intensidades la Intensidad total: I1 + I2 = IT = 5A+5A = 10A Resumiendo: - En este caso la intensidad de corriente, es decir el número de electrones que atraviesa el circuito por segundo es mucho mayor que en el caso del circuito en serie. Por consiguiente la batería se agotará mucho antes. - Puesto que la tensión aplicada entre los terminales de cada bombilla es la misma, e igual a la de la fuente, las bombillas alumbrarán ambas con la misma intensidad. - Además como la intensidad en cada bombilla es mayor (5 A) que en el circuito en serie (2,5 A) las bombillas iluminarán en mayor medida que cuando están colocadas en serie. Resolución de circuitos mixto: En el circuito de la figura la tensión proporcionada por la batería es de 100 V y la resistencia de las bombillas es de 20 Ω cada una. Calcular la resistencia total o resistencia equivalente, la intensidad de corriente y la tensión en cada una de las bombillas. 11 Estos circuitos poseen las características de los dos circuitos anteriores, por lo que se tiene que resolver poco a poco por partes. En primer lugar se resuelven los elementos que están en paralelo (bombillas 2 y 3), y luego los que están en serie. La resistencia equivalente de las bombillas en paralelo (R23) será: R23 = (R2 x R3) / (R2 + R3) = (20 Ω x 20 Ω) / (20 Ω +20 Ω) = 400 Ω / 40 Ω =10 Ω Por tanto el circuito equivalente que nos queda será: Nos ha quedado un circuito serie y lo resolveremos como tal: Como se trata de un circuito serie la Resistencia total será la suma de la resistencia de cada lámpara: R T = R1 + R23 = = 20 Ω + 10 Ω = 30 Ω. Aplicando la Ley de Ohm podemos calcular la 𝑉𝑇 Intensidad total: IT =𝑅𝑇 = 100 V / 30 Ω = 3,33 A Como se trata de un circuito serie la Intensidad que circula por la lámpara L1 y por la resistencia equivalente es la misma y como no hay más caminos por donde ésta pueda circular, será la I1 = I23 = IT = 3,33 A Ahora ya podemos calcular el voltaje (o diferencia de potencial o tensión) en la lámpara y la resistencia equivalente: V1 = R1 x I1 =20 Ω x 3,33 A =66,7 V y V23 = R23 x I23 =10 Ω x 3,33 A =33,3 V Como podemos comprobar, el voltaje total se ha repartido: VT = V1+V23 =66,7V + 33,3 V = 100V La V23=33,3 V es el voltaje de la resistencia equivalente a la resistencia de las dos lámparas conectadas en paralelo (bombillas 2 y 3), por lo que ambas tendrán esa misma tensión o voltaje: V2 = V3 = V23 = 33,3 V. Ahora ya podemos calcular la Intensidad que circulará por cada lámpara: 𝑉23 I2 = 𝑅2 = 33,3 V / 20 Ω = 1,665 A y la 𝑉23 I3 = 𝑅3 = 33,3 V / 20 Ω = 1,665 A Como podemos observar, la Intensidad total que circulaba por la lámpara L1, al llegar a las lámparas L2 y L3 (conectadas en paralelo) se reparte. En este caso como las lámparas L2 y L3 son iguales, la intensidad es la misma por cada una de estas dos. 12 EJERCICIOS: 10º) Identifica los siguientes componentes y dibuja debajo su símbolo. 11º) En el siguiente circuito: a) Calcula la intensidad que circula por cada lámpara. b) El voltaje y la resistencia eléctrica de cada una. c) La potencia de cada lámpara y la total de la pila. d) ¿Qué ocurre si se funde la lámpara L1?, ¿Lucen igual el resto de lámparas? e) ¿Qué ocurre si se funde la lámpara L2?, ¿Lucen igual el resto de lámparas? f) ¿Qué ocurre si se rompe la lámpara L3?, ¿Lucen igual el resto de lámparas? Después de contestar realiza la simulación con el programa Crocodile y comprueba el resultado. 12º) En el circuito siguiente di que lámparas se encenderán en cada caso y cuales no y ¿por qué? a) Si no pulsamos ninguno. b) Si cerramos el interruptor A y B. c) Si cerramos el interruptor B y D. d) Si cerramos el interruptor A, B y C. e) Si cerramos el interruptor A, B y D. 13 f) Si pulsamos todos. Después de contestar realiza la simulación con el programa Crocodile y comprueba el resultado. 13º) Explica porque no funcionarían correctamente los siguientes circuitos: 12º) En el circuito siguiente di que lámparas se encenderán en cada caso y cuales no y ¿por qué? g) Si no pulsamos ninguno. h) Si cerramos el interruptor A y B. i) Si cerramos el interruptor A, B y D. j) Si cerramos el interruptor A, B, D y C. k) Si cerramos el interruptor A, B, C, D y E. l) Si cerramos el interruptor A, B, C, D y F. m) Si pulsamos todos. Después de contestar realiza la simulación con el programa Crocodile y comprueba el resultado. 14º) En el siguiente circuito serie: a) Poned las flechas de valoración del voltaje y de la circulación de corriente según el criterio convencional. 14 b) ¿Dónde pondrías el amperímetro y el voltímetro para medir la corriente y el voltaje en la resistencia? c) Calcula la intensidad de corriente total, la que circula por la resistencia y el voltaje en ésta. d) Calcula la potencia de la pila y la disipada en calor en la resistencia. 15º) En el siguiente circuito serie: a) Poned las flechas de valoración del voltaje y de la circulación de corriente según el criterio convencional. b) ¿Dónde pondrías el amperímetro y el voltímetro para medir la corriente y el voltaje en cada resistencia? c) Calcula la intensidad de corriente total, la que circula por cada resistencia y el voltaje en cada una. d) Calcula la potencia de la pila y la disipada en calor en cada resistencia. e) ¿Qué conclusiones sacas comparando este circuito con el anterior? 16º) En el siguiente circuito serie: a) Poned las flechas de valoración del voltaje y de la circulación de corriente según el criterio convencional. b) ¿Dónde pondrías el amperímetro y el voltímetro para medir la corriente y el voltaje en cada resistencia? c) Calcula la intensidad de corriente total, la que circula por cada resistencia y el voltaje en cada una. d) Calcula la potencia de la pila y la disipada en calor en cada resistencia. e) ¿Qué conclusiones sacas en éste circuito? 17º) En el siguiente circuito paralelo: a) Poned las flechas de valoración del voltaje y de la circulación de corriente según el criterio convencional. b) ¿Dónde pondrías el amperímetro y el voltímetro para medir la corriente y el voltaje en cada resistencia y el total? c) Calcula la resistencia total. d) Calcula la intensidad de corriente total, la que circula por cada resistencia y el voltaje en cada una. e) Calcula la potencia de la pila y la disipada en calor en cada resistencia. f) ¿Qué conclusiones sacas en éste circuito? g) ¿Qué conclusiones sacas comparando este circuito con el del ejercicio 13? 15 18º) En el siguiente circuito paralelo: a) Poned las flechas de valoración del voltaje y de la circulación de corriente según el criterio convencional. b) ¿Dónde pondrías el amperímetro y el voltímetro para medir la corriente y el voltaje en cada resistencia y el total? c) Calcula la resistencia total. d) Calcula la intensidad de corriente total, la que circula por cada resistencia y el voltaje en cada una. e) Calcula la potencia de la pila y la disipada en calor en cada resistencia. f) ¿Qué conclusiones sacas en éste circuito? 19º) En el siguiente circuito mixto: a) Poned las flechas de valoración del voltaje y de la circulación de corriente según el criterio convencional. b) ¿Dónde pondrías el amperímetro y el voltímetro para medir la corriente y el voltaje en cada resistencia y el total? c) Calcula la resistencia total. d) Calcula la intensidad de corriente total, la que circula por cada resistencia y el voltaje en cada una. e) Calcula la potencia de la pila y la disipada en calor en cada resistencia. f) ¿Qué conclusiones sacas en éste circuito? 20º) En el siguiente circuito mixto: a) Poned las flechas de valoración del voltaje y de la circulación de corriente según el criterio convencional. b) ¿Dónde pondrías el amperímetro y el voltímetro para medir la corriente y el voltaje en cada resistencia y el total? c) Calcula la resistencia total. d) Calcula la intensidad de corriente total, la que circula por cada resistencia y el voltaje en cada una. e) Calcula la potencia de la pila y la disipada en calor en cada resistencia. f) ¿Qué conclusiones sacas en éste circuito? 16 21º) En el siguiente circuito mixto: a) Poned las flechas de valoración del voltaje y de la circulación de corriente según el criterio convencional. b) ¿Dónde pondrías el amperímetro y el voltímetro para medir la corriente y el voltaje en cada resistencia y el total? c) Calcula la resistencia total. d) Calcula la intensidad de corriente total, la que circula por cada resistencia y el voltaje en cada una. e) Calcula la potencia de la pila y la disipada en calor en cada resistencia. f) ¿Qué conclusiones sacas en éste circuito? 22º) Calcula la intensidad que pasa por cada lámpara. 23º) Calcula la intensidad que pasa por cada lámpara, teniendo en cuenta que L1=L2=L3= 4Ω L4= 6 Ω L5= 3 Ω 17 24º) Calcula la intensidad que pasa por cada lámpara. 25) Fijándote en el primer circuito que ya está resuelto y pensando con lógica, di que amperímetro marcará más intensidad y por qué. 9. EFECTOS DE LA CORRIENTE ELÉCTRICA La corriente eléctrica causa diversos efectos sobre los elementos que atraviesa, transformándose en otros tipos de energía. Este año estudiaremos algunos de dichos efecto. 9.1. ENERGÍA CALORÍFICA (CALOR) Cuando los electrones circulan por un conductor, chocan contra las partículas (núcleos y electrones) del material por el que circulan. De este modo la energía que transportan se convierte en energía calorífica. Este fenómeno se conoce con el nombre de efecto Joule. Dicho efecto es por un lado un inconveniente, ya que se pierde energía eléctrica al hacer circular la corriente por cualquier conductor. Sin embargo, puede aprovecharse en equipos como planchas, hornos, secadores, cafeteras y en cualquier dispositivo eléctrico que transforma la energía eléctrica en calor. Los elementos empleados para producir calor a partir de la luz eléctrica son las resistencias. 18 9.2. ENERGÍA LUMÍNICA (LUZ) Al ser atravesados por la corriente, los cuerpos incrementan su temperatura. Si este aumento es importante, los cuerpos se vuelven incandescentes, es decir, comienzan a emitir luz. Al principio la luz es roja y a medida que sigue aumentando la temperatura la luz tiende al blanco. En este fenómeno de incandescencia se basa el funcionamiento de las bombillas convencionales, llamadas por ello, lámparas de incandescencia. En dichas lámparas, el filamento de wolframio (un metal) alcanza unas temperaturas entre 2.000ºC y 3.000ºC al pasar por él la corriente. Para evitar que se queme, el filamento se encierra en una ampolla de vidrio en la que se elimina el oxígeno (haciendo vacío o conteniendo una mezcla de argón y nitrógeno). Estas lámparas tienen un bajo rendimiento, por lo que se están sustituyendo por lámparas de bajo consumo o más modernamente por las lámparas LEDs. 19 9.3. ENERGÍA MECÁNICA (MOVIMIENTO) La conversión de energía eléctrica en mecánica se realiza a través de motores, por ejemplo, en un tren eléctrico, en una batidora, en un exprimidor, en un ventilador... Su funcionamiento se basa en el fenómeno de inducción electromagnética. En dicho efecto, la corriente que pasa por un conductor genera a su alrededor un campo electromagnético, comportándose como un imán. Este efecto se utiliza en los motores eléctricos, los cuales aprovechan las fuerzas de atracción y repulsión entre un imán y un hilo conductor enrollado colocado en su interior. Estas fuerzas provocan el movimiento del eje del motor. 10. POTENCIA ELÉCTRICA Y ENERGÍA La potencia eléctrica mide la cantidad de energía eléctrica que un receptor consume en un tiempo dado. Su unidad es el vatio (W), un múltiplo del vatio es el Kilovatio, 1 KW = 1000 W. Dado un receptor eléctrico (bombilla, motor, resistencia) sometido a un voltaje V y por el que circula una intensidad de corriente I, la potencia que consume es: P=I•V Siendo: P = Potencia (en vatios W), I= Intensidad (en amperios A), V = Voltaje (en voltios V) En nuestras casas pagamos el "recibo de la luz" dependiendo de la cantidad de energía eléctrica que hayamos consumido. Pagaremos más o menos dependiendo de que hayamos tenido más o menos electrodomésticos conectados durante un tiempo dado. Esta energía eléctrica que nosotros consumimos se ha producido en algún tipo de central de producción de energía. Allí han transformado otra forma de energía en energía eléctrica. La unidad de energía eléctrica más utilizada es el kilovatio por hora (KW·h) y se define como la energía consumida por un aparato de 1 KW de potencia funcionando durante 1 hora. La expresión matemática de la energía es: E = P • t, siendo E= Energía (KW·h), P= Potencia (Kilovatios), t= tiempo (horas) EJERCICIOS: 26º) La secadora de tu casa tiene una potencia de 1500 W, y el secado dura 2 horas. ¿Cuánta energía consumirá? ¿Cuánto me cuesta cada secado si el precio del KWh es de 15 céntimos? Energía consumida: E =1,5 kW · 2 h =3 KWh Precio: 3 KWh · 0,15 € /KWh = 0,45 € 20 27º) Calcula cuánto ahorrarías al año al substituir las 20 lámparas de 100 w de una casa, por otras tantas de bajo consumo equivalentes (20 w). Supondremos una media de 400 h de funcionamiento al año para cada lámpara y un coste del Kwh de 15 céntimos. La diferencia entre las potencias de las lámparas es de 80 w, por lo que en un año nos ahorraremos: 80 w · 400 h = 32000 wh = 32 Kwh por cada lámpara. 32 Kwh · 20 lámparas = 640 Kwh Si consideramos un precio de 0,15 /Kwh entonces€ nos ahorraremos: 640 Kwh · 0,15 €/Kwh = 96 € 28) Una lavadora indica en su placa de características: 2000 W, 230 V. Calcula la intensidad que consumirá, el coste de la energía eléctrica si está funcionando 1 hora (0,1€/Kwh). Calcula también la resistencia aparente que presenta. 29) Calcula la resistencia del elemento calefactor de un horno cuya potencia es de 1500 w a 230 V 30) Calcula la resistencia de una bombilla cuya potencia es de 60 W a 230 V. Si esa bombilla se conecta a 125 V, cuál será su nueva potencia. ¿Se fundirá la bombilla? 31) ¿Qué gasto en euros supone encender durante 1 h y 20 minutos una linterna que funciona con dos pilas de 1,5 V y por la que circula una intensidad de 3 A? ¿Y un horno eléctrico que funciona a 230 V por la que circula una intensidad de 7A durante 130 minutos? Datos: 1kW.h=10 céntimos de euro. Solucion: linterna cuesta 0,12 centimos de Euro, horno cuesta 34,8 centimos de euro. 32) Calcula la corriente que circula por una bombilla de 16 W y 230 V. Haciendo uso de la ley de Ohm, determina luego la resistencia de la bombilla. Solucion: I=14,37 A, R=16Ω 33) Observa el circuito siguiente con dos bombillas y las medidas indicadas. a) ¿Qué potencia tiene la lámpara B? b) Calcula también la potencia de la lámpara A y la potencia generada por la pila c) Comprueba que se cumple que PPILA = PA + PB d) Las dos lámparas son iguales o diferentes. 21 34) Una pila recargable de 9V (600 mA×h) alimenta a un coche de juguete que consume 0,2 A. Teniendo en cuenta que la pila está totalmente cargada, ¿cuánto tiempo tardará en agotarse? 35) Calcula el coste diario de energía de cuatro bombillas de 100 W funcionando durante 8 horas diarias y una estufa de 3000 W funcionando 4 horas diarias. El precio del kW×h es de 10 céntimos de euro. 36) Por un aparato circula una Intensidad de corriente de 5 A cuando se le aplica una d.d.p. de 380V ¿cuál será su resistencia? 37) Al realizar la experiencia correspondiente a la ley de Ohm se mide la intensidad que pasa por un conductor cuando se le aplica una d.d.p. de 20 V y resulta ser 0'025 A. Calcula la I que lo atravesará cuando la d.d.p. aplicada sea de 50 V. 38) ¿Cuántas pilas de 4'5 V habrá que conectar en serie en un circuito si disponemos de 3 bombillas en serie que requieren 3 V cada una para encenderse correctamente? 39) Si un conductor óhmico de plata es atravesado por una corriente de 50 mA al aplicarle una d.d.p. de 20 V, ¿cuál es su resistencia? Si su longitud es de 266.700 mm y su sección 0'01 mm2, cuánto vale su resistividad? De qué material se trata. 22