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Fisicoquímica 2º SB
Guía de estudio y actividades (Julio`09)
Colegio Federal
Prof. Ariel G. Menéndez
[email protected]
Guía de estudio y actividades
TEMA:
“Electricidad y circuitos eléctricos”
PAUTAS DE TRABAJO:
1. LECTURA COMPRENSIVA. Lee el siguiente texto, subraya y anota las palabras que no comprendas.
Busca y escribe su significado en el diccionario, Internet o libros especializados. En caso de no
encontrarlas, consulta su significado con el profesor.
2. Consulta con el profesor aquellos conceptos que no comprendas.
3. Realiza las actividades que aparecen en el cuerpo del texto y al final del mismo.
CONTENIDOS:





La electricidad estática.
Campos eléctricos.
La corriente eléctrica: potencial eléctrico y pilas.
Circuitos eléctricos.
Actividades finales de integración.
IMPORTANTE:
 Se podrán efectuar consultas al profesor a través de correo electrónico a la
dirección: [email protected]
 En caso de ser necesario, se podrá acordar una tutoría virtual (a través de MSN
messenger agregando la dirección [email protected]) en días y horarios a
convenir (en caso de ser posible, dentro de los días y horarios propios de la
asignatura).
 Fecha de entrega: 1º clase luego del receso escolar
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Guía de estudio y actividades (Julio`09)
Electricidad: ayer y hoy...
En 1751, durante una tormenta, Benjamin Franklin (1706-1790) hizo
volar un barrilete, el cual estaba provisto de una punta metálica y un
largo hilo de seda que tenía cerca de uno de sus extremos una llave
de metal. Franklin sujetaba este hilo con otro, que permanecía
seco. Cuando las nubes de tormenta se concentraron, el hilo de
seda se cargó eléctricamente. Al acercar el nudillo de su mano a la
llave de metal, Franklin sintió un "chisporroteo". Esta experiencia
fue el puntapié inicial para la creación del pararrayos, una larga
varilla metálica situada en las torres o cúpulas más elevadas de los
edificios y conectada adecuadamente con el suelo, a fin de atraer
las cargas eléctricas de los rayos y descargarlas rápida y
silenciosamente sin ocasionar mayores problemas.
Para quienes viven en sociedades tecnológicamente desarrolladas,
la electricidad es algo habitual. Aporta la energía necesaria para el
funcionamiento de incontables dispositivos, desde trenes
subterráneos hasta relojes digitales. Es importante recordar que el
paso de una corriente eléctrica es una manera de transferir energía,
que debe ser generada por algún medio, por ejemplo, usando
generadores o mediante productos químicos en las baterías.
Actividad nº 1: Realiza las siguientes experiencias.
Nota: las experiencias deben ser realizadas en días secos, es decir, con poca humedad ambiente.
Objetivo
Poner en evidencia la existencia de cargas eléctricas de diferente signo y algunos mecanismos mediante los cuales se
cargan algunos cuerpos.
Materiales
Una lapicera gruesa o un marcador de plástico; una varilla de
vidrio de unos 10 cm de largo; un tejido de lana; sal y pimienta;
papel de seda; hilo de algodón; agua de la canilla; dos globos.
Procedimiento
1. Tomen la lapicera o la varilla de vidrio y, con el tejido de lana,
frótenla varias veces enérgicamente de un extremo al otro.
Tanto el plástico como el vidrio se cargan así eléctricamente:
han conseguido una "varita mágica".
2. Corten varios pedacitos pequeños de papel de seda y formen
con ellos un montoncito. Mantengan la "varita" durante tres o
cuatro minutos cerca del montón, ¿qué sucede?
3. Formen un montoncito con un poco de sal y otro poco de
pimienta, mezclando ambas. Mantengan la "varita" durante
tres o cuatro minutos cerca de él. ¿Qué ocurre?
4. Hagan una bolita de papel de seda y suspéndanla en la punta
del hilo. ¿Qué sucede cuando acercan la "varita"?
5. Abran la canilla de manera que salga de ella un chorrito bien
delgado y hagan que éste se curve acercándole la "varita". Si
practican un poco, podrán lograr que el chorrito se desvíe
notoriamente. ¿Se desvía el chorrito?
6. Inflen los globos. Aten a cada uno un pedazo de hilo y
cuélguenlos, de manera que disten unos 5 cm entre sí.
¿Sucede algo?
7. Carguen ambos globos frotándolos con el tejido de lana y
vuelvan a colgarlos de la misma manera. ¿Qué ocurre?
8. Si toman cada globo entre las manos durante un instante y
repiten el último paso, ¿vuelven a observar lo mismo?
9. Froten con la lana uno de los globos suspendidos del hilo, el
marcador y la varita de vidrio, para que se carguen.
Acerquen el marcador cargado al globo. ¿Qué ocurre? 10.
Hagan lo mismo con la varita de vidrio cargada. ¿Qué
sucede?
11. Cuelguen de un hilo el marcador, cárguenlo por frotación
con la lana y acérquenle la varilla de vidrio cargada. ¿Qué
ocurre?
12. Toma nota de todos los resultados del procedimiento.
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Para reflexionar y responder:
1. Las propiedades de atracción de las "varitas mágicas" residen en la carga eléctrica que adquieren cuando se las frota
con la lana. ¿En cuáles de las experiencias anteriores observan fuerzas atractivas entre los objetos? ¿En cuáles se ponen
de manifiesto fuerzas repulsivas?
2. La convención que se usa para el signo de las cargas es la siguiente: el marcador frotado con la lana tiene carga
negativa; el vidrio, en cambio, se carga positivamente cuando se lo frota. ¿En cuál de las experiencias anteriores se
confirma que estos dos objetos tienen cargas de signo opuesto? ¿Qué signo tiene la carga de un globo después de ser
frotado?
3. ¿Cómo pueden explicar que los papelitos de seda se adhieran al marcador cargado negativamente? ¿Y por qué se
adhieren también al vidrio cargado positivamente?
4. ¿Por qué los globos cargados dejan de repelerse después de estar un rato en contacto con las manos?
LA ELECTRICIDAD ESTÁTICA
CUERPOS CARGADOS: una cuestión de átomos y electrones...
Hace unos 2.600 años, los griegos conocían la existencia de un fenómeno singular: la capacidad
de ciertos cuerpos de atraer a otros más livianos luego de haberlos frotado con un tejido. Esta
propiedad se observaba, por ejemplo, en el ámbar, y por eso, mucho tiempo después, se la
denominó electricidad, palabra derivada del término griego elektron, que significa, justamente,
ámbar.
Este fenómeno tiene su explicación en la estructura atómica de la materia. Los cuerpos se cargan
porque ganan o pierden electrones. Los electrones son partículas subatómicas con carga
negativa, que giran alrededor de un núcleo cargado positivamente. La carga negativa de todos
los electrones de un átomo es exactamente igual a la carga positiva del núcleo: esto hace que la
carga de un átomo sea cero. Se dice que el átomo aislado es eléctilcamente neutro.
Si un cuerpo que no tiene carga eléctrica gana electrones, quedará
cargado negativamente, y si los pierde, adquirirá una carga eléctrica
positiva. Cuando frotamos el plástico del marcador con la lana, algunos
de los electrones exteriores de los átomos de la lana son arrancados y
pasan al plástico. Esto significa que el plástico adquiere un número extra
de electrones y, por lo tanto, queda cargado negativamente. A causa de la pérdida de esos
electrones, la lana, en cambio, adquiere carga eléctrica positiva. Si a medida que pasa el tiempo
esta situación se mantiene sin cambios, se dice que
es estática. La electrostática se ocupa de estudiar
este tipo de situaciones.
Es importante destacar dos hechos:
 los núcleos de los átomos no pasan de un
material al otro, sólo se mueven los electrones, y
 el frotamiento no crea cargas eléctricas, sólo las
separa.
Las cargas eléctricas se miden en Coulombs
(usualmente abreviado C).
Observen ahora las ilustraciones a y b:
La carga eléctrica hace que los cuerpos cargados ejerzan fuerza los
unos sobre los otros. Cuanto más cerca están dos cargas, más
intensa es la fuerza eléctrica entre ellas. ¿Cómo explicar, entonces,
que los papeles de seda resulten atraídos tanto por cargas
negativas (el plástico) como por cargas positivas (el vidrio)?
¿Cambia el signo de la carga de los papeles según qué objeto se les
acerca?
En realidad, la carga de los papeles es inducida por el objeto
cargado que se les acerca. Éste es un caso de inducción
electrostática. ¿Cómo es esto?:
Cuando el marcador
de plástico cargado
negativamente se acerca al papel, repele algunos de sus electrones. Esto
hace que esa parte del papel quede cargada positivamente y, pueda ser
atraída por el marcador. En el caso del vidrio (cargado positivamente),
vuelve a observarse una fuerza atractiva cuando se induce una carga
negativa en el papel.
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EL ELECTROSCOPIO
Existe un aparato muy sencillo que sirve para saber si un cuerpo está cargado eléctricamente y cuál es el signo de su
carga: el electroscopio.
Pueden construir uno rudimentario que funciona de maravillas. Para ello necesitarás: una botella de vidrio transparente o
plástico con un tapón de corcho o de goma; unos 20 cm de alambre de cobre; un trozo de plástico; una varilla de vidrio; una
tira de 0,5 x 3 cm de papel de aluminio bien delgado (como el de los envoltorios de chocolate); papel de aluminio más
grueso (como el de los rollos para cocinar). Para construirlo, sigue el siguiente procedimiento:
1. Arma el dispositivo tal como se muestra en la fotografía. El papel de aluminio
delgado cuelga, doblado en dos hojas, de la "percha" de alambre de cobre, en
cuyo extremo superior deben colocar una pelotita del papel de aluminio grueso.
Ten cuidado de que la botella esté perfectamente seca por dentro: cualquier
rastro de humedad hará que el electroscopio no funcione.
2. Carga un plástico por frotamiento y pónlo en contacto con la pelotita de papel.
¿Qué ocurre con las hojas de papel de aluminio dentro de la botella? ¿Qué sucede cuando retiran el plástico? En estas condiciones, acerca a la pelotita de aluminio una varilla de vidrio cargada positivamente. ¿Qué observas?
Cuando el plástico cargado con exceso de electrones toca la pelotita de aluminio,
parte de esos electrones pasan al metal y se desparraman por todas las zonas
metálicas del electroscopio. Las dos hojas de aluminio quedan cargadas
negativamente, lo que hace que se repelan. Lo mismo ocurre cuando se utiliza la
varilla con carga positiva: las hojitas se separan por la repulsión de cargas de
igual signo.
3. Carga el electroscopio por contacto con el plástico o el vidrio y, a continuación,
toca con los dedos la pelotita de metal. Verás que las hojas vuelven a juntarse.
¿Qué sucedió con los electrones que había en exceso en ellas?
La piel es un material conductor, es decir que permite que los electrones se muevan a través de
ella. Cuando esto sucede, se dice que circula una corriente eléctrica. Cuando las manos tocan el
metal del electroscopio, las cargas circulan y las hojas de aluminio se descargan, desaparece la
fuerza eléctrica que las separa y vuelven a juntarse.
Los metales son excelentes conductores de la electricidad, y el agua, si tiene sales disueltas,
también lo es.
En los conductores, las cargas pueden moverse sin dificultad. Por esta razón, si se quiere evitar
que un conductor se cargue, basta conectarlo a tierra mediante un cable.
4. Carga el electroscopio nuevamente y toca la pelotita de aluminio con un
objeto de plástico. ¿Se juntan las hojas?
El plástico es un aislante, es decir, no permite el paso de los electrones.
Por eso nada cambia cuando el plástico toca el metal del electroscopio,
pues las cargas permanecen en la misma disposición en que se
encontraban. Otros materiales aislantes son la madera, la mayoría de los
plásticos, la goma y el aire.
Un material puede, en determinadas circunstancias, pasar de aislante a
conductor de la electricidad. Muchas veces vemos que saltan chispas
entre las patas de un enchufe y el tomacorriente. Las chispas son
producidas por una intensa corriente eléctrica que circula entre estos dos
puntos a través del aire: en este caso, el aire se ha vuelto conductor.
CARGAS, CAMPOS, LÍNEAS...
El generador de Van der Graaf es un aparato que sirve para cargar
eléctricamente otros cuerpos. Cuando se lo hace funcionar, las cargas
se van acumulando en su cúpula, a medida que una cinta
transportadora de goma o cuero las lleva desde el cuerpo que las
provee, ubicado más abajo. Si se conecta cualquier cuerpo aislado a
la cúpula del generador, también se cargará. Cuando se acumula mucha carga en la cúpula, puede producirse una descarga en forma de
chispas que saltan hacia los objetos vecinos.
Si cargamos el generador y acercamos a su cúpula cualquier otro
objeto cargado, observaremos que entre ambos se produce una
fuerza. Se dice que el generador crea un campo eléctrico alrededor
de él.
Un cuerpo cargado que esté dentro del campo eléctrico experimentará
una fuerza. Ésta puede representarse mediante líneas de campo (o
líneas de fuerza), que indican las trayectorias que seguirían las
cargas positivas libres en dicho campo.
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En las zonas donde las líneas están concentradas, la fuerza eléctrica sobre las cargas resulta más intensa.
CARGAS EN LA ATMÓSFERA
Al nivel de la superficie terrestre, el aire no es conductor, pues no hay cargas libres en él. Pero a partir de una altura de 50
km, gran parte de las moléculas del aire están ionizadas, es decir,
han perdido algunos de sus electrones. Esto hace que haya cargas
negativas libres (los electrones) y cargas positivas (las moléculas que
los han perdido). Los electrones son arrancados de los átomos y
moléculas por los rayos cósmicos y por la radiación (principalmente
los rayos X) provenientes del espacio exterior y del Sol.
La zona superior de la atmósfera (de unos 50 km hacia arriba) recibe
por este motivo el nombre de ionosfera. Debido a la presencia de
cargas libres, las ondas de radio o de televisión (que no son otra cosa
que campos electromagnéticos y que, por lo tanto, interactúan con las
cargas) se reflejan en ella, lo cual es aprovechado para la
comunicación entre distintas localidades.
TORMENTAS, RELÁMPAGOS Y PARARRAYOS
Por motivos que aún no se ha logrado comprender, en la atmósfera existe un exceso de iones positivos en relación con los
negativos, como si la Tierra hubiese absorbido iones negativos del aire. Como resultado de esta diferencia de cargas, se
crea un fuerte campo eléctrico dirigido verticalmente hacia abajo. Este campo es análogo al que se crea dentro de un
alambre conductor y produce en él el movimiento de los electrones.
El campo eléctrico atmosférico hace que los iones positivos se
muevan hacia abajo y los electrones hacia arriba. Este proceso haría
que la atmósfera se descargara rápidamente, pero esto no es así.
¿Cuál es la razón?
Las tormentas son las responsables, ya que causan el movimiento
ascendente de iones positivos hacia la ionosfera y de cargas negativas
hacia el suelo.
A lo largo del día se desencadenan unas 40.000 tormentas en
diferentes puntos de la superficie de la Tierra, que aportan al suelo unos
1.800 coulombs por segundo.
Los fenómenos que genera una tormenta eléctrica son muy complejos.
Se sabe que existen corrientes ascendentes
y descendentes de vapor de agua, que se
condensa para formar gotas o nieve en
nubes de hasta 20 km de altura. En este
proceso, las moléculas de agua se van ionizando y las cargas se separan verticalmente: las
positivas son transportadas hacia la parte superior de la nube, y las negativas, hacia la parte
inferior.
Cuando la concentración de cargas en una región de la nube es suficientemente elevada, puede
producirse una descarga, que a veces resulta visible: un relámpago.
Cuando una nube de tormenta está sobre una zona de la superficie terrestre, se crea un campo
eléctrico casi uniforme dirigido hacia arriba (figura a). Este campo se modifica por completo si se
coloca un conductor delgado conectado al suelo, y se torna especialmente intenso en la punta
(figura b). Este campo tan intenso da origen a un flujo de cargas conocido con el nombre de
descarga de puntas, la cual puede ser invisible, puede tener el aspecto de un halo luminoso
alrededor del conductor o formar un relámpago.
Los pararrayos fueron ideados por Benjamin Franklin, quien descubrió la propiedad que tienen
las puntas conductoras de atraer lo que él llamaba "fluido eléctrico". Con su famoso
experimento con un barrilete (comentado anteriormente en este texto), Franklin demostró que
las nubes están cargadas negativamente en su parte más baja y positivamente en la zona
superior. Confirmó, así, la naturaleza eléctrica de los relámpagos e inventó el pararrayos.
LA CORRIENTE ELÉCTRICA:
ELECTRONES EN MOVIMIENTO
Imagina la siguiente situación: cargamos dos cuerpos A y B, uno positiva y otro negativamente.
Entre ellos colocamos un alambre conductor, a lo largo del cual los electrones se pueden mover
atraídos por el cuerpo de carga positiva y rechazados por el de carga negativa. Cuando los
electrones se mueven, se dice que circula una corriente eléctrica a lo largo del cable.
La corriente eléctrica (I) se define corno la cantidad de caiga (Q) que atraviesa una sección del
conductor por unidad de tiempo (t), y su unidad de medida es el ampère o amperio (A).
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I=Q/t.
Si levantamos un objeto y lo soltamos, caerá hacia el suelo. El objeto experimenta una fuerza de atracción que ejerce la
Tierra sobre él: la fuerza gravitatoria. A medida que el cuerpo desciende, su energía potencial gravitatoria disminuye y su
velocidad aumenta: el cuerpo se acelera desde zonas de mayor potencial gravitatorio hacia zonas
donde éste es menor.
Si cargamos un cuerpo (por ejemplo, una esfera), otras cargas que estén en sus inmediaciones se
moverán a causa de la fuerza eléctrica que aparece entre ellas y el cuerpo. De manera similar a
un cuerpo que cae hacia la Tierra por efecto de la atracción gravitatoria, una carga negativa caerá
hacia una esfera que esté cargada positivamente. A medida que las cargas se mueven, su
energía potencial eléctrica disminuye. Las cargas se mueven en los campos eléctricos de zonas
de mayor potencial a zonas donde éste es menor.
Si abrimos la llave en el conducto que comunica los
dos depósitos de agua de la figura a (ver abajo), el que
tiene el nivel más alto desagota en el otro, hasta que la
altura del líquido en ambos se iguala. El agua fluirá
mientras exista una diferencia en los niveles de los dos
depósitos. A medida que el nivel superior baja, la
energía potencial gravitatoria disminuye, hasta que se
iguala en los niveles de ambos lados. Si deseáramos
mantener el flujo del agua, deberíamos usar un
dispositivo externo que llevara agua desde abajo hacia
arriba (una bomba, por ejemplo), con el
correspondiente gasto de energía (figura b).
De manera similar, entonces, cuando los extremos de una barra
conductora (en ella, los electrones pueden moverse) se conectan
a zonas de diferente potencial eléctrico, los electrones se
moverán a lo largo del conductor de manera que el potencial en
ambos extremos se vaya igualando. La corriente eléctrica
circulará, cada vez más débilmente, hasta que los extremos de la
barra alcancen el mismo potencial: si no hay diferencia de
potencial eléctrico, las cargas no se mueven.
Si queremos que la corriente eléctrica no decaiga, debemos usar
algún mecanismo que cumpla el papel de la bomba con el agua:
llevar carga de la zona de menor potencial eléctrico a la zona
donde éste es mayor. Estas "bombas eléctricas" reciben el
nombre de fuentes de potencial o fuentes de voltaje, y son
dispositivos que convierten algún tipo de energía en energía
eléctrica. Las pilas y las baterías convierten energía química en
eléctrica. Los generadores, energía mecánica en eléctrica.
PONETE LAS PILAS
¿Cuántos aparatos tienes en tu casa que funcionen con pilas o baterías? Calculadoras, relojes
digitales, cámaras de fotos, radios, grabadores, timbres, etc. También se usan baterías en los
autos, los audífonos, las linternas, ciertos juguetes, los grupos electrógenos y muchos otros
dispositivos. Su tamaño varía desde las pequeñas, empleadas en los relojes, hasta las grandes,
utilizadas en los automóviles. ¿De dónde proviene la energía eléctrica que suministran?
En 1794, el científico italiano Alessandro Volta (1745-1827) -en honor de quien se denominó
"voltio" a la unidad de potencial eléctrico- descubrió que una reacción química puede
producir una corriente eléctrica. Sumergió parcialmente una tira de cobre y otra de cinc en
una solución de ácido sulfúrico. Al conectar entre sí los extremos secos de las tiras mediante un
cable, en éste comenzaba a circular la corriente eléctrica.
Ésta fue la primera pila húmeda que se creó. Las pilas secas que se usan comúnmente no son
realmente secas, sino que presentan muchas similitudes con la pila de Volta. El cinc es uno de
los metales que aún se usan en las pilas, y forma parte de sus paredes. En vez de cobre, se
utiliza un cilindro de grafito colocado verticalmente en el centro de ella. La solución de ácido en
agua es sustituida por una pasta de cloruro de amonio, dióxido de manganeso y grafito en
polvo, que llena casi todo el interior de la pila.
Entre los terminales o polos de una pila existe una diferencia de potencial eléctrico. Si se
conecta la pila a un cable que tiene una lamparita, los electrones se moverán a lo largo del
cable, y esto hará que la lamparita se encienda. Como la pila transfiere energía a los electrones,
éstos se mueven desde el terminal negativo hacia el positivo.
Los primeros científicos que estudiaron la electricidad ignoraban la existencia de los electrones y supusieron que las cargas
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se movían en sentido contrario. Por esta razón, en los circuitos -como el de la figura a-, se sigue indicando la corriente
eléctrica desde el terminal positivo hacia el negativo, como se señala en la figura b.
¿QUÉ ES UN CIRCUITO ELÉCTRICO?
Para analizar este concepto, podemos armar una conexión sencilla con una pila, una lamparita de linterna y un pedacito de
cable conductor. Si en algún punto del cable colocamos un interruptor (por ejemplo, con dos clips metálicos que giren),
podemos abrir y cerrar el circuito a voluntad. Si el interruptor abre el circuito, la lamparita no se enciende. En cambio,
cuando el circuito está cerrado, los electrones circulan por el cable y encienden la lamparita.
Para que circule una corriente eléctrica, el circuito debe
estar cerrado.
En nuestro ejemplo, la corriente eléctrica circula en un
mismo sentido todo el tiempo, por esto se dice que es
una corriente continua.
La energía necesaria para empujar a los electrones a lo
largo del cable es proporcionada por la pila. Los
electrones van cediendo esta energía a los diferentes
componentes del circuito: a los cables (que se calientan
como consecuencia de esto) y a la lamparita (que emite
luz y calor). Esto es consecuencia del choque de los
electrones con los átomos que forman el material de cada componente. Distintos materiales
ofrecerán, entonces, diferente resistencia al paso de la corriente.
Para comprobar esto, analiza la siguiente experiencia:
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El cable que "puentea" la lamparita ofrece menor resistencia al
paso de los electrones, que toman ese camino, en vez de atravesar
el filamento de la lamparita, lo cual dificulta más su movimiento.
La corriente eléctrica siempre torna el camino más fácil, que no es,
necesariamente, el más corto.
Si bien los circuitos suelen ser una complicada red de cables y
componentes, existe un par de conexiones fundamentales que
deben ser comprendidas para abordar otras más complejas: la
conexión en serie y la conexión en paralelo.
CIRCUITOS EN SERIE
Si se conecta una pila a dos lámparas, como se muestra en la
fotografía de abajo, todos los electrones que atraviesan una
lamparita deben también pasar por la otra: decimos que las
lámparas están conectadas en serie. Si se desconecta una de las
lámparas, la otra también quedará desconectada, pues el circuito
se abre.
El amperímetro es un aparato que sirve para medir la corriente eléctrica que circula
por un cable. Tiene dos terminales, que deben ser conectados al cable de manera que
el positivo esté más cerca del polo positivo de la pila (en caso contrario, el indicador se
moverá en sentido equivocado). Si usan un amperímetro para medir la corriente en un
circuito en serie, comprobarán que es la misma en cualquier segmento de él.
Cada componente de un circuito en serie es atravesado por la misma corriente
eléctrica.
Actividad nº 2: Responde:
¿Qué ocurre si se usan dos pilas en vez de una para alimentar la lamparita? ¿Por
qué?
CIRCUITOS EN PARALELO
Observa ahora, en la figura de abajo, el circuito formado por dos lamparitas y una pila: se dice que las dos lámparas están
conectadas en paralelo. Si se abre uno de los interruptores, la otra lámpara permanece encendida. Para apagar ambas
lámparas, hay que abrir ambos interruptores.
Ésta es la manera en que se conectan las Iámparas en una instalación hogareña,
ya que permite controlar los artefactos independientemente uno de otro.
Si usáramos tres amperímetros, A1, A2 y A3, como se indica en la figura de abajo,
encontraríamos que las corrientes que los atraviesan (I1, I2 e I3, respectivamente)
cumplen la relación:
I1 = I2 + I3 .
Esto se debe a que los
electrones no se acumulan en
ningún punto; los que llegan al
punto Q (provenientes del
terminal negativo de la pila), se dividen entre las dos ramas, para juntarse nuevamente al llegar al punto P.
DIFERENCIA DE POTENCIAL EN UN CIRCUITO
El voltímetro se usa para medir la diferencia de potencial que hay entre dos puntos de un
circuito (esto sería como medir la diferencia de altura entre dos puntos de una cañería por la
que circula el agua que cae). Se lo conecta en paralelo con el circuito entre esos dos puntos.
En la figura de la derecha se muestra cómo se lo conecta para medir el voltaje (V 1) entre las
patas de una lamparita.
Si en este mismo circuito medimos la diferencia de potencial sobre la otra lamparita (V2) y la
diferencia entre los polos de la pila (que será de unos 1,5 voltios para una pila común),
encontraremos que V1 + V2 = 1,5 voltios. La caída de potencial entre las dos lámparas es la
misma que entre los extremos de la pila. Si las lámparas son idénticas, en cada una la caída
será de 0,75 voltios. Si son diferentes, lo único que podemos decir por ahora es que la suma
de las dos caídas será de 1,5 voltios.
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En el circuito en paralelo, en cambio, la caída de potencial entre las patas de cada lámpara es la misma, y es igual a la que
hay entre los extremos de la pila, pues los únicos dispositivos que disipan energía en este circuito son las lámparas.
Podemos resumir estos dos ejemplos diciendo que:
1. En el circuito en serie, la corriente que atraviesa las lámparas es la misma, pero la diferencia de potencial de la pila se
divide entre las dos lamparitas.
2. En el circuito en paralelo, la corriente que atraviesa la pila se divide entre las dos lamparitas, pero la caída de potencial
en ambas es la misma que en la pila.
Actividad nº 3:
Existen muchas formas de dibujar un circuito en paralelo. Analiza si las que se muestran son equivalentes. Justifica tus
respuestas.
LA LEY DE OHM
Hemos visto que una lámpara conectada a una pila se enciende como consecuencia de la corriente
que la atraviesa. Cuando los electrones pasan por el filamento, encuentran resistencia, como si
rozaran con él. En consecuencia, el filamento se calienta y emite luz. ¿Qué ocurre si conectamos
ahora dos pilas en serie, duplicando la diferencia de potencial que alimenta el circuito?
Puedes hacer la experiencia tu mismo y verificar que el brillo de la lámpara aumenta, lo que
significa que la corriente que circula en el circuito es mayor que cuando se lo alimentaba con una
sola pila.
Si medimos con un amperímetro la corriente en cada caso, veremos que, cuando la diferencia de
potencial (V) se duplica, también se duplica la corriente (I). El cociente entre estas cantidades toma
el mismo valor en ambos casos.
Se define como resistencia (R) de la lamparita a la cantidad:
R = V / I.
Esta relación se conoce corno la ley de Ohm.
Deducimos de esta ley que, por ejemplo, si una pila alimenta una lámpara, cuanto mayor sea la
resistencia de ésta, menor será la corriente que la atraviesa. Existen elementos fabricados
especialmente para usar en los circuitos cuando se necesita reducir la cantidad de corriente que
pasa por una de sus ramas. A estos elementos se los llama resistencias o resistores.
Si V se mide en voltios (V) e I en amperios (A), la unidad de resistencia correspondiente es el ohm
u ohmio (Ω):
1Ω = 1V / 1A.
Veamos un ejemplo: Una batería de 12V se conecta a un alambre de resistencia igual a 20Ω. ¿Qué corriente circulará en el
circuito?
Sabemos que
por lo tanto:
de donde deducimos que:
V=I.R
12V = I . 20Ω
I = 12V / 20Ω = 0,6A
La resistencia de la componente de un circuito depende de diversos factores. Algunos son puramente geométricos: un
alambre delgado de cobre ofrece más resistencia que un alambre grueso del mismo material. De la misma manera, un
alambre largo tendrá un valor de resistencia mayor que un alambre corto del mismo material y del mismo grosor. Pero
además influyen factores que son característicos de cada material en particular y que tienen que ver con su estructura
interna: un alambre de platino ofrecerá menos resistencia a la corriente que un alambre de hierro de igual forma y tamaño.
También la temperatura afecta a la resistencia eléctrica. A medida que un material se calienta, las vibraciones de las
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partículas (átomos) que lo constituyen se hacen más amplias. Cuando los electrones viajan, los choques con estas
partículas serán más frecuentes si están muy agitadas. Por este motivo, la resistencia eléctrica aumenta con la temperatura
(y por esto es importante que las computadoras estén refrigeradas si se quiere mejorar su velocidad de funcionamiento).
CONEXIONES HOGAREÑAS
La energía eléctrica llega desde la red de distribución hasta
nuestro hogar a través de dos cables: el vivo y el neutro. El
vivo está conectado a un potencial eléctrico que oscila
periódicamente (60 veces por segundo) entre 220V y -220V;
el neutro está conectado a tierra (0V) en la estación
generadora.
Cuando encendemos un aparato o una lámpara en casa,
esto no afecta al resto de los aparatos ya que las bocas
están conectadas en paralelo unas con otras. Los
tomacorrientes (o enchufes) forman parte de un circuito
llamado anillo principal. La figura de la derecha muestra
parte del anillo principal de una casa tipo. Las bocas para la
iluminación pertenecen al circuito de iluminación, que está
separado del anillo principal.
En una instalación hogareño encontramos:
a) El medidor. Está conectado a la entrada de los cables de
la red en la casa. Mide la cantidad de energía eléctrica
consumida por los aparatos y las luces de la casa.
b) El interruptor principal. Está en serie con toda la instalación de la casa; si se lo abre, desconecta todos los circuitos
de la red de distribución. Esto debe hacerse cada vez que se
repara, se extiende o verifica el funcionamiento de alguna de
las partes principales de la instalación.
c) La caja de distribución. En ella se conectan todos los circuitos de la casa. Cada circuito está protegido por un fusible o
una llave térmica en el cable vivo, que abre el circuito en caso de que el consumo de corriente sea excesivo.
d) El anillo principal. Está formado por el vivo, el neutro y otro tercer cable, conectado a tierra en la misma casa. La
corriente circula a través de los aparatos, conectados entre el vivo y el neutro. El cable a tierra se usa para evitar los
accidentes que pueden causar la electrocución de los usuarios.
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Guía de estudio y actividades (Julio`09)
¡PELIGRO DE ELECTROCUCIÓN!
La conexión a tierra se hace para que todo aparato con
carcasa metálica (heladera, lavarropas, plancha, etc.) no
constituya un peligro mortal. Si se produce una avería en
el interior de alguno de estos aparatos, de manera que el
vivo toque la carcasa, una persona que entre en contacto
con esa pieza ofrecerá un camino para que la electricidad
circule hacia la tierra. Esta corriente será mayor si la
persona está descalza o tiene la piel húmeda, y puede
llegar a ocasionarle la muerte. Para asegurarse contra
estas descargas, es necesario conectar los aparatos a
tierra, lo que se consigue con enchufes de tres patas: una para el vivo, otra para el
neutro, y la tercera, a tierra. De esta manera, la corriente se desvía hacia la tierra en caso
de avería.
LLAVES TÉRMICAS Y DISYUNTORES DIFERENCIALES
Los fusibles son tramos de alambre delgado, que se funden cuando la corriente que se
consume en la casa es muy elevada. En la actualidad, se los sustituye por llaves
térmicas, que cumplen la misma función: evitar que se dañe la instalación y los aparatos
conectados a ella. Sin embargo, no protegen a los usuarios contra la electrocución, ya que
ésta puede producirse con corrientes sumamente pequeñas (de hasta 50 mA), las cuales
no son detectados por este tipo de dispositivo.
Los disyuntores diferenciales se colocan en la caja de distribución y sirven para evitar
la electrocución. Son unos sofisticados interruptores que se abren en caso de que la
corriente que entra por el vivo difiera de la que sale por el neutro. Esto puede ocurrir
cuando hay alguna pérdida de corriente (aunque sea muy pequeña) hacia la tierra en
algún punto de la instalación.
Actividad nº 4: Copia en tu carpeta las siguientes frases y complétalas.
a) Un cuerpo cargado negativamente atrae a pequeños pedazos de papel porque
algunos electrones de la
superficie del papel. Esto deja a la superficie del papel cargada
lo que hace que sea
por el objeto. La carga en la superficie del papel ha sido
.
b) En un electroscopio, las hojas se separan porque
.
se muevan a través de ellos.
c) Los conductores (a diferencia de los
) permiten que los
d) Una corriente eléctrica es un flujo de
. Para que esto suceda, debe haber un circuito
e) La corriente se mide en
usando un
f) La diferencia de potencial se mide en
circuito.
mediante un
.
conectado en al circuito.
conectado en
al
g) La ley de Ohm dice que
entre sus extremos, siempre que
que fluye en un conductor es
sea constante.
a la diferencia de potencial
h) La resistencia se mide en
que la temperatura
. La resistencia de un alambre se incrementa a medida que su longitud se
y que el área de la sección
.
Actividad nº 5: Explica los siguientes fenómenos:
a) Las prendas de nailon producen pequeños ruidos cuando nos desvestimos.
b) En los días secos, una persona que camina sobre una alfombra de nailon puede sentir una descarga cuando toca un
radiador o el marco metálico de una puerta.
c) Los camiones que transportan combustibles tienen una tira metálica que cuelga hasta el suelo.
d) Como algunos gases anestésicos son muy explosivos, los pisos de los quirófanos se hacen con materiales conductores.
e) Durante una tormenta, puede ser peligroso usar un paraguas.
f) La cúpula de un generador de Van der Graaf es esférica, sin bordes ni puntas en el exterior.
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Guía de estudio y actividades (Julio`09)
Actividad nº 6: En la figura de abajo se muestra el circuito de dos vías que se usa para encender y apagar una misma luz
desde dos posiciones diferentes (por ejemplo, desde abajo y arriba de una escalera). En el diagrama, el punto C puede ser
conectado al A o al B mediante un interruptor. ¿Pueden controlar separadamente la lámpara con cada uno de los
interruptores? En la disposición que muestra el diagrama, ¿está encendida la lámpara? Muestren qué ocurriría con cada
una de las posibles combinaciones para las posiciones de los interruptores.
Actividad nº 7: Un avión vuela por debajo de una nube cargada negativamente en su
parte inferior, la cual genera en él cargas inducidas (ver dibujo).
a) Copia en tu carpeta el diagrama e indica en él la posición y el signo de las cargas
inducidas en el avión.
c) ¿Que podría ocurrir con las cargas inducidas cuando el avión se aleja de la nube?
Actividad nº 8: En los siguientes circuitos:
a) Indica cuáles son los generadores, los conductores, los aparatos y las resistencias.
b) ¿Se encienden las lamparitas? ¿Por qué?
c) ¿Todas las lamparitas ofrecen resistencia dentro del circuito? ¿Por qué?
Actividad nº 9: Si una radio utiliza dos o más pilas, ¿cómo se conectan entre sí? ¿En serie o en paralelo? ¿Qué efecto
produce la conexión de pilas del mismo voltaje en paralelo para alimentar un aparato?
Actividad nº 10: Construye un electroscopio según se indica en la página 4.
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