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C. M. MIGUEL CASTILLEJO
Fundación “Vera-Cruz”
JAÉN
TECNOLOGÍA
2º ESO
Departamento de
Ciencias Experimentales
y Tecnología
C. M. MIGUEL CASTILLEJO
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Departamento de Ciencias Experimentales
y Tecnología
TECNOLOGÍA 2º ESO
ÍNDICE
1. Naturaleza eléctrica de la materia.
2. Corriente eléctrica y electricidad.
3. Magnitudes eléctricas elementales.
4. Ley de Ohm.
5. Circuitos eléctricos.
6. Teoría de circuitos.
6.1. Conexión en serie de receptores.
6.2. Conexión en paralelo de receptores.
6.3. Conexión mixta de receptores.
Actividades de repaso
7. Efectos de la corriente eléctrica.
8. Energía y potencia eléctrica.
8.1. La energía
8.2. Potencia eléctrica
Actividades de repaso
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1.
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TECNOLOGÍA 2º ESO
NATURALEZA ELÉCTRICA DE LA MATERIA.
Para poder entender los fenómenos eléctricos debemos conocer cómo está constituida
la materia.
La materia está formada por partículas muy pequeñas llamadas átomos, que es la
unidad básica de la materia. 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, que es la responsable de que
ocurran los fenómenos eléctricos.
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, es decir, los electrones tienen carga
negativa y los protones la misma pero positiva. Los responsables de todos los fenómenos
eléctricos son los electrones, ya que pueden escapar del átomo y, al ser más ligeros que las
otras partículas, pueden desplazarse libremente.
En general, los materiales son neutros; es decir, cualquier material contiene el mismo
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 de 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. En resumen,
-
Si un cuerpo está cargado negativamente es porque ha ganado electrones.
Si un cuerpo está cargado positivamente es porque ha perdido electrones.
Una característica de las cargas, es que las cargas del mismo signo se repelen, mientras
que las cargas con diferente signo se atraen.
2.
CORRIENTE ELÉCTRICA Y ELECTRICIDAD
Si dos cuerpos de carga igual y opuesta se conectan por medio de un conductor
metálico, se produce un flujo de electrones a través del conductor, desde el cuerpo cargado
negativamente al cargado positivamente (se considera, por convenio, que la corriente fluye de la
carga positiva a la negativa). A este movimiento ordenado de electrones en el interior de un
conductor es a lo que llamaremos corriente eléctrica.
No debemos confundir corriente eléctrica con electricidad. La electricidad es, como
hemos visto al principio, una propiedad fundamental de la materia originada por la existencia
de electrones y protones. También es una forma de energía basada en esta propiedad, que
puede manifestarse como corriente eléctrica, y que da lugar a luz, calor, a movimiento, etc.
Además la parte de la física que estudia todos los fenómenos eléctricos también se denomina
electricidad.
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MAGNITUDES ELÉCTRICAS ELEMENTALES.
Las características y los efectos de una corriente eléctrica están determinados por tres
magnitudes.
-
-
-
4.
VOLTAJE (también se denomina, tensión eléctrica o fuerza electromotriz [f.e.m.]). Se define
como la energía por unidad de carga y representa el trabajo que se necesita para
desplazarla. Su símbolo es V y se mide en voltios (V). (Su nombre se debe al físico italiano
Alessandro Volta).
=
1
=
1
1
INTENSIDAD de corriente: representa la cantidad de carga que circula a través de una
sección determinada de un conductor por unidad de tiempo. Su símbolo es I, y se mide en
amperios (A). (Su nombre se debe al físico francés André Marie Ampère).
=
1
=
1
1
RESISTENCIA: propiedad de un material que hace que este se oponga al paso de una
corriente eléctrica. La unidad de resistencia es el ohmio, que es la resistencia de un
conductor si es recorrido por una corriente de un amperio cuando se le aplica una tensión
de 1 voltio. Su símbolo es R, y se mide en ohmios (Ω). (Su nombre se debe al físico alemán
Georg Simon Ohm).
El valor de la resistencia eléctrica de un conductor depende de una característica propia
del material llamada resistividad ( ), su longitud (l) y su sección (S).
LEY DE OHM.
=
Georg Simon Ohm formuló su ley estudiando los circuitos eléctricos, comprobando el
principio de conservación de la energía, por lo que la Ley de Ohm es un caso particular de
ésta para los circuitos eléctricos.
En realidad, la resistencia de un circuito expresa la energía que se pone en juego. Ohm
demostró que “la energía que suministra la fuente es igual al producto de la
intensidad de corriente por la resistencia del circuito”
= 
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CIRCUITOS ELÉCTRICOS
Un circuito eléctrico es un conjunto de elementos conectados entre sí, por los que circula
una corriente eléctrica que sigue un camino cerrado, para aprovechar la energía eléctrica.
Todo circuito eléctrico se compone, al menos, de unos elementos mínimos (generador,
receptor y conductor). Sin embargo, en la mayoría de los casos los circuitos suelen
incorporar otros dispositivos como elementos de control y de protección.
-
Generadores: Los generadores son los elementos que transforman cualquier forma de
energía en energía eléctrica, es decir, los generadores suministran energía eléctrica al
circuito.
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 tiempo suficiente,
permitiendo el flujo de electrones. Ejemplos de ellos son las pilas y baterías y las fuentes
de alimentación.
Un generador consta de dos polos, uno negativo (cátodo) y uno positivo (ánodo).
No basta con conectar un extremo del conductor al polo negativo del que salen los
electrones. Hay que conectar el polo positivo, al que vuelven los electrones. Si cortamos
los cables de metal los electrones se detienen en todo. Cuando ambos polos se unen
mediante el hilo conductor, los electrones se mueven a través de él, desde el polo
negativo al polo positivo.
-
Receptores: Los receptores son los elementos encargados de convertir la energía
eléctrica en otro tipo de energía útil de manera directa, como la luminosa, la mecánica
(movimiento). En base a eso tenemos:
• Receptores luminosos: como bombillas y LED´s.
• Receptores sonoros: como timbres y altavoces.
• Receptores térmicos: como las resistencias eléctricas que llevan planchas, hornos,....
• Receptores mecánicos: como los motores eléctricos.
-
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.
-
Elementos de control: Son los dispositivos usados para dirigir o interrumpir el paso de la
corriente. Los más importantes son los interruptores, conmutadores y pulsadores.
-
Elementos de protección: Son los elementos encargados de proteger al resto de los
elementos del circuito de corrientes elevadas o fugas. Los más importantes son los
fusibles, interruptores diferenciales y los interruptores magnetotérmicos.
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TEORIA DE CIRCUITOS. TIPOS.
El circuito eléctrico más simple consiste en un generador, un interruptor y un receptor,
unidos por un conductor eléctrico. La energía eléctrica que se produce en el generador se
transmite por el conductor hasta llegar al receptor, donde se transforma en otro tipo de
energía que es útil para nosotros.
Si queremos obtener mayor beneficio energético, necesitaremos más elementos. Existen
dos configuraciones básicas para aprovechar la energía del generador en nuestro beneficio.
Estas son la conexión en serie y la conexión en paralelo. La combinación de ambas, la
conexión mixta, es la más frecuente en los dispositivos eléctricos.
6.1. Conexión en serie de receptores.
Los elementos están conectados uno detrás del otro, de forma que el polo positivo de
uno está conectado al negativo del siguiente en un solo hilo conductor.
Cuando tenemos, al menos, dos receptores conectados en serie en un circuito con un
generador que suministra un voltaje determinado V, se cumple:
-
El voltaje total Vt se “reparte” entre los elementos conectados, dicho de otra manera, la
suma de los voltajes individuales es igual al voltaje total que suministra el
generador.
Vt  V1  V2
-
La intensidad de corriente It que atraviesa todos los elementos es la misma que
suministra el generador.
It  I1  I2
-
Se define resistencia equivalente de un circuito como
una resistencia única que funcionase como todas las que
están asociadas, es un elemento “ficticio”. Cuando
encontramos en un circuito elementos asociados en serie,
la resistencia equivalente Req es igual a la suma de los
valores de las resistencias asociadas.
Req  R1  R2  R3
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6.2. Conexión en paralelo de receptores.
Los elementos están conectados de forma que el polo positivo del generador está
conectado a los positivos de cada elemento y los negativos igual. Es decir, los diferentes
elementos se colocan de forman que tienen la misma entrada y la misma salida, de modo
que los cables de un lado se unen entre si y los del otro lado se unen entre sí. En esta
disposición se forman en el conductor derivaciones que dan lugar a mallas.
Cuando tenemos, al menos, dos receptores conectados en serie en un circuito con un
generador que suministra un voltaje determinado V, se cumple:
-
El voltaje total Vt del generador es el mismo en todos los elementos conectados, dicho
de otra manera, los voltajes individuales son iguales al voltaje total que suministra
el generador.
Vt  V1  V2
-
La intensidad de corriente It que suministra el generador se “reparte” por cada uno de
los hilos o derivaciones, es decir, la suma de las intensidades de línea es igual a la
intensidad que llega del generador.
It  I1  I2
-
-
Cuando encontramos en un circuito elementos asociados
en paralelo, la inversa de la resistencia equivalente Req
es igual a la suma de los valores inversos de las
resistencias asociadas.
=
+
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6.3. Conexión mixta de receptores.
Nos encontramos elementos asociados en serie y en paralelo indistintamente. También
se forman en el circuito derivaciones y mallas. Para resolver este tipo de circuitos, se
comienza resolviendo las asociaciones en paralelo y, luego, en serie.
En cada uno de los pasos se van creando circuitos
“ficticios” hasta que lleguemos a una configuración simple
compuesta por el generador y la resistencia equivalente
total del circuito. En este circuito final equivalente se debe
calcular la intensidad total del circuito aplicando la Ley de
Ohm con los valores calculados.
A partir de este cálculo, y en riguroso orden inverso, se van
resolviendo cada uno de los circuitos ficticios anteriores, en
los cuales van apareciendo los valores de intensidad de
corriente y voltaje (también la potencia) de cada uno de los
elementos asociados, quedando resuelto el circuito original.
Diferentes tipos de asociaciones mixtas
Circuito
original
Circuito
ficticio
Circuito final
equivalente
A modo de resumen, los 3 pasos que debemos dar para resolver cualquier circuito eléctrico
de conexión mixta son:
1º. Cálculo de la resistencia total equivalente del circuito. Se hará resolviendo las
asociaciones parciales en serie y/o paralelo a partir del circuito original, lo que dará lugar
a diferentes circuitos ficticios, hasta el circuito final equivalente.
2º. Cálculo de la intensidad total que recorre el circuito. Se obtendrá aplicando la Ley de
Ohm en el circuito final equivalente.
3º. Cálculo de los valores individuales de intensidad y voltaje de cada elemento asociado.
Se obtendrán aplicando la Ley de Ohm en cada circuito ficticio.
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ACTIVIDADES DE REPASO.
1. En el siguiente ejercicio, halla la intensidad de la
corriente que pasa por una bombilla cuya resistencia es
de 5 ohmios, sabiendo que la pila tiene una tensión de
20 V.
2.
En el circuito de la figura, halla la tensión de la pila que
necesitas para que pase una corriente cuya intensidad es
de 3 A por una bombilla que tiene dos ohmios de
resistencia.
3.
30 (*). En el circuito de la figura, halla la resistencia
eléctrica que posee una bombilla por el que pasa una
corriente cuya intensidad es de 0,5 A y es generada por
una pila que tiene 4,5 V de tensión.
4.
Dados los siguientes circuitos, calcula las magnitudes incógnita aplicando la ley de Ohm .
a)
b)
c)
d)
e)
f)
g)
h)
5.
Conectamos una resistencia de 5 Ω una pila de 1,5 V, calcular la intensidad I que circula por
el circuito.
6.
¿Qué resistencia debemos de conectar a una pila de 4,5 V para que la Intensidad de
corriente I que circule sea de 0,050 A?
7.
Por una resistencia R=15 Ω circula una corriente de 1 A, calcular que voltaje hay entre los
extremos de la resistencia.
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7.
EFECTOS DE LA CORRIENTE ELÉCTRICA.
La electricidad es una fuente de energía que el ser humano ha sido capaz, en los últimas
décadas, de conocer, producir y utilizar. Además, gracias a las aportaciones de la ciencia y la
propia actividad tecnológica, hemos podido observar cómo se podía transformar en otros
tipos de energía.
A continuación se relacionan las transformaciones más conocidas:
-
-
-
-
8.
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Energía calorífico: También llamado efecto Joule. Los electrones en movimiento (en
una corriente eléctrica) chocan con los átomos del metal del conductor y, como
consecuencia, producen calor. Este calor se puede aprovechar en aparatos de uso
cotidiano (secadores, braseros, tostadoras, etc...) pero también produce un efecto
negativo ya que este calor es energía perdida.
Energía luminosa: Si el conductor eléctrico es muy delgado (filamento de la bombilla) al
calentarse produce luz. Sin embargo, aquí se produce una pérdida de más del 80% de la
energía eléctrica en forma de calor. Las nuevas bombillas de bajo consumo tratan de
paliar este efecto.
Energía mecánica: Probablemente es la transformación más importante y conocida.
Multitud de máquinas, dispositivos y aparatos que usamos disponen de un motor
eléctrico. En esencia, la electricidad produce un movimiento en el motor, que con ayuda
de otros mecanismos, podemos aprovechar de multitud de formas.
Energía química: Esta transformación es la responsable de que se puedan separar
sustancias y se puedan depositar metales en la superficie de otros materiales. Este
proceso se denomina electrolisis.
Energía magnética: Cuando una corriente eléctrica se hace circular un cable enrollado
alrededor de un trozo de hierro se produce un imán, esto se denomina electroimán.
Este efecto se usa en timbres, altavoces, grúas, etc.…
ENERGIA Y POTENCIA ELECTRICA.
8.1. La energía
La energía que consumimos en casa, en el trabajo, en las ciudades, en las fábricas, se ha
producido en algún tipo de central eléctrica. Allí han transformado otra forma de energía en
energía eléctrica.
La unidad de energía eléctrica más utilizada es el Kilovatio-hora (KWh), y se define
como la energía consumida por un aparato de potencia 1 KW durante una hora.
E P  t
8.2. Potencia eléctrica
Se define como la energía eléctrica que circula por un circuito en un tiempo dado. La
potencia eléctrica mide la cantidad que un receptor consume en un tiempo dado. Su unidad es
el vatio (W), un múltiplo del vatio es el Kilowatio (1 KW = 1000 W).
En cualquier receptor eléctrico (bombilla, motor, resistencia) conocido el voltaje V y la
corriente I, la potencia que consume es igual a P:
P V I
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ACTIVIDADES DE REPASO.
8.
9.
Una bombilla consume 1 W cuando la conectamos a 1,5 V. Calcular:
a) La intensidad de corriente I que circula.
b) La resistencia eléctrica del filamento.
Calcular la Intensidad que circula por tres bombillas de 40 W, 60 W, 100 W. Todas funcionan
con un voltaje de 220 V.
10. Una resistencia de 10 ohmios la conectamos a 10 V. Calcular la Intensidad que circula, la
potencia y calcular la energía consumida si la resistencia la dejamos conectada durante 24
horas.
11. Calcular cuánto nos dinero nos cuesta mantener encendida una bombilla de P=60W
durante 100 horas, si el coste de la energía es de 0,15 €/Kwh
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