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lunes, 2 de mayo de 2016

Tecnología 2º ESO UD6.- Electricidad

TEMA 6.- ELECTRICIDAD

ÍNDICE

1.- El átomo y sus partículas.
2.- Materiales conductores, aislantes y semiconductores.
3.- Resistencia. Corriente eléctrica. Diferencia de potencial.
4.- Circuito eléctrico, Elementos del circuito eléctrico, Ley de Ohm.
5.- Circuitos básicos (serie, paralelo y mixto).
6.- Obtención de luz y calor. Otros Efectos. Receptores. Aplicaciones.
7.- Simbología normalizada.
8.- Actividades propuestas y ejercicios.

1.- El átomo y sus partículas.

     La materia está constituida por moléculas y éstas a su vez por átomos. El átomo, esta formado por un núcleo y una corteza. En el núcleo se encuentran los protones y neutrones,  mientras  que  en  la corteza  se encuentran los electrones, girando alrededor del núcleo en distintas órbitas.

     Los protones poseen carga eléctrica positiva y masa. Los neutrones no poseen carga, su función es la de mantener unidos a los protones entre si, y también poseen masa. Los electrones tienen carga eléctrica negativa, del mismo valor que la del protón, su masa es muy inferior a la del protón o neutrón, por lo que la consideraremos despreciable.

     Un átomo se considera eléctricamente neutro cuando tiene el mismo número de protones que de electrones. La masa del átomo, es la suma de las masas de protones y neutrones.

2.- Materiales conductores, aislantes y semiconductores.

     Los materiales conductores son aquellos que permiten el paso de la corriente eléctrica, por ejemplo los metales (oro, plata, cobre, bronce, etc...).
     Los materiales aislantes son aquellos que no permiten el paso de la corriente eléctrica, por ejemplo la madera, el plástico, el vídrio, etc.
     Los materiales aislantes son aquellos que unas veces se comportan como conductores y otras como aislantes, son materiales especiales como el silicio y el germanio.
    En la imagen podéis ver la estructura cristalina de un metal donde los electrones pueden circular libremente, por eso son conductores.

3.- Resistencia. Corriente eléctrica. Diferencia de potencial.

     La resistividad ( ρ ) es una propiedad intrínseca de cada material, cada material tiene la suya, indica la dificultad que encuentran los electrones a su paso.
     La resistencia al paso de electrones de un objeto depende de la resistividad de dicho material y de la forma que tiene. La resistencia se puede medir y calcular.

     Se define la corriente eléctrica como el paso ordenado de electrones a través de un conductor.

     La cantidad de carga que circula por un conductor en un segundo se denomina Intensidad de Corriente o Corriente eléctrica. Se representa por la letra I y su unidad es el Amperio (A).

     Para que los electrones realicen este movimiento ordenado debe existir una fuerza que los impulse, a esta fuerza se le llama Diferencia de Potencial o Fuerza Electromotriz. Esto lo podemos conseguir conectando cargas de distinto signo en los extremos del conductor.

4.- Circuito eléctrico, Elementos del circuito eléctrico, Ley de Ohm.

     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.LOS GENERADORES O FUENTES DE TENSIÓN

     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 las pilas y baterías y las fuentes de alimentación.


4.2.LOS RECEPTORES

    Los receptores: son los elementos encargados de convertir la energía eléctrica en otro tipo de energía útil de manera directa, como la lumínica, la mecánica (movimiento), calorífica, etc. Los receptores eléctricos más usuales en nuestro taller serán las lámparas o bombillas, timbres, resistencias eléctricas, motores....

4.3.LOS CONDUCTORES

     Los conductores son los elementos que conectan los distintos elementos del circuito permitiendo el flujo de electrones.

4.4.ELEMENTOS DE CONTROL (DE MANIOBRA)

     Son los dispositivos usados para dirigir o interrumpir el paso de corriente. Los más importantes son los interruptores, conmutadores, pulsadores y relés.

4.5.ELEMENTOS DE PROTECCIÓN

     Son los elementos encargados de proteger al resto de los elementos del circuito frente corrientes demasiado elevadas o frente a derivaciones o fugas de potencia. Son los fusibles, interruptores diferenciales y los interruptores magnetotérmicos.

4.6.- SÍMBOLOS ELÉCTRICOS

5.- CIRCUITOS BÁSICOS (SERIE,PARALELO Y MIXTO)

Un  CIRCUITO EN SERIE , es aquel que tiene conectados sus receptores uno a continuación del otro. (En el circuito de la derecha, las bombillas y la resistencia 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 si. (En el circuito de la derecha, las bombillas y la resistencia están conectadas en paralelo.)

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.


6.- LEY DE OHM

El científico George Simon Ohm, relacionó la intensidad de corriente, la diferencia de potencial y la resistencia, enunciando la ley de Ohm de la forma siguiente: 

En  un conductor, en el que tenemos aplicada una diferencia de potencial de 1 Voltio y su resistencia es de 1 Ohmio la intensidad de corriente que lo atraviesa será de 1 Amperio.


Esta ley se cumple siempre en todos los elementos sometidos a diferencia de potencial y por los que circula intensidad de corriente.

6.2.APLICACIONES DE LA LEY DE OHM

La ley de Ohm nos va permitir conocer la tensión, intensidad o resistencia en cualquier punto del circuito. Vamos a ver algunos ejemplos:

EJERCICIO RESUELTO
Se conecta una resistencia de 3 kΩ a una pila de 9 V. ¿Cuál será la intensidad que recorre el circuito?
El primer paso es expresar las magnitudes en unidades apropiadas. En nuestro caso, 3 kΩ = 3000 Ω.
A continuación, substituimos las magnitudes conocidas (en el ejemplo, la tensión y la resistencia) en la fórmula de la ley de Ohm, para calcular la magnitud desconocida (en este caso la intensidad).

Por último, expresaremos el resultado en la unidad adecuada (en este caso mA). Por tanto, por el circuito circularán 3 mA.

EJERCICIO RESUELTO
Para el circuito de la figura, calcular cuál debe ser el valor mínimo de la resistencia para que no se funda la bombilla, suponiendo que ésta soporte una tensión máxima de 3 V y que la intensidad que circula por la lámpara es de 0,2 A..

Como la lámpara soporta una tensión de 3V, y la fuente proporciona 9V, la resistencia que coloquemos deberá reducir la tensión en 6 V. Aplicando la Ley de Ohm.

Por tanto, deberemos conectar una resistencia de al menos 30 Ω

7. POTENCIA ELÉCTRICA Y ENERGÍA ELÉCTRICA

     La energía eléctrica que se consume en los circuitos eléctricos se transforma en luz, movimiento, calor... para expresar la energía consumida por unidad de tiempo se recurre a la potencia eléctrica.

     Se define la potencia (P) de un aparato eléctrico como la cantidad de trabajo que es capaz de realizar en un tiempo determinado. Su unidad en el S.I. es el vatio (W), que equivale a un julio (J) por segundo (s).

     Un múltiplo muy utilizado es el Kilovatio (kW), que equivale a 1.000 vatios. Por ejemplo, un aparato de 50 W de potencia es capaz de proporcionar una energía de 50 Julios cada segundo, o una bombilla de 100 vatios, consumirá una energía de 100 Julios cada segundo.

     La potencia está relacionada con el voltaje de la fuente de alimentación o generador y con la intensidad de corriente mediante la expresión:

Potencia (P) = Tensión (V) · Intensidad (I) = V·I

Aplicando la ley de Ohm podemos obtener fórmulas equivalentes para conocer la potencia eléctrica
Su expresión matemática es: Energía (E) = Potencia (P) · tiempo (t) = P · t

EJERCICIO RESUELTO
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 kW · 0,15 /kWh = 0,45  € €



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