capÍtulo iv fÍsica 11˚ un enfoque prÁctico · un circuito eléctrico es una interconexión de...

CAPÍTULO IV

FÍSICA 11˚ UN ENFOQUE PRÁCTICO

ELECTRICIDAD Y CIRCUITOS ELÉCTRICOS

¿Por qué se mueven los electrones?

Si los extremos de un conductor eléctrico están

sometidos a potenciales eléctricos distintos, la

carga fluye de un lado a otro, ya que esa

diferencia de potencial actúa como una “presión

eléctrica”, que empuja la carga.

Paso de electricidad

Si se tiene un conductor cilíndrico, los electrones

llevan una velocidad determinada, dependiendo de

la diferencia de potencial a la cual está sometido el

conductor.

Su medición se da en términos de la cantidad de

carga que pasa por segundo, por un área

transversal (A) del conductor

Características de la corriente

Se mide en Amperes (A)

Se denota con I.

Indica la cantidad de carga en coulombs, que

atraviesan una sección transversal del conductor por

segundo

Por ejemplo:

3 A: significa que pasan 3 coulombs de carga,

cada segundo, por un área transversal del

conductor.

Es importante recordar que 1 coulomb por

segundo implica que pasa una cantidad de 6,25

x 1018 electrones cada segundo.

Conducción de la carga, según el medio

en que transmite.

Metales: electrones en movimiento

En líquidos

Las cargas en movimiento corresponden a iones

positivos y negativos, lo cual se puede ejemplificar

en las llamadas baterías químicas, que utilizan una

solución ácida, con un par de electrodos metálicos,

que promueven la conducción eléctrica.

En gases

En el aire y en otros gases, la fuente dominante de

conducción eléctrica es a través de un relativamente

reducido número de iones móviles producidos por

gases radioactivos, luz ultravioleta, o rayos

cósmicos.

Sentido convencional de la corriente

B. Franklin supuso que la electricidad era

carga positiva en movimiento .

Actualmente se sabe que la electricidad

son electrones en movimiento.

Sin embargo la suposición, no afectó los

resultados, porque una carga positiva que

mueva en una dirección es, en casi todos

los aspectos, equivalente a una negativa

que lo haga en dirección opuesta.

¡Direcciónn real de la corriente!

En una batería, los electrones se

mueven del borne negativo que

los repele, al borne positivo que

los atrae

+ -

Dirección convencional:

Los e- viajan del polo positivo al

polo negativo.

+ -

e-

En el diseño de circuitos:

La corriente se señala en

dirección, tal que viaja del polo

positivo, al polo negativo.

Esto se denomina dirección

convencional de la corriente.

Instrumentos de medición

Galvanómetro: Para corrientes pequeñas: 2 mA

Amperímetro: Corrientes más grandes: 3A

Fórmula de la corriente:

I = q

t I = corriente eléctrica (A)

q = carga eléctrica (C)

t = tiempo (s)

Corriente directa

Corriente alterna

Ventaja corriente alterna: energía eléctrica que viaja de ésta forma se puede

transmitir a grandes distancias usando elevaciones fáciles de voltaje y reduce las

pérdidas por calentamiento.

CIRCUITOS ELÉCTRICOS

DEFINICIÓN:

Un circuito eléctrico es una interconexión de elementos

eléctricos como resistencias, inductores, capacitores, líneas de

transmisión, fuentes de voltaje, fuentes de corriente e

interruptores.

Un circuito eléctricos es una red que tiene un bucle cerrado,

dando un camino de retorno para la corriente.

Los circuitos eléctricos pueden ser analizados por métodos

algebraicos.

Circuitos eléctricos

Conjunto de elementos conectados por medio de

un alambre conductor, y que se utiliza con el

propósito de generar, transportar o modificar

señales electrónicas o eléctricas.

Variables que afectan los circuitos

Resistencia

Voltaje

Potencia

Ventajas del uso de bombillas de bajo

consumo

Son “frías”: la mayor parte de la energía que

consumen la convierten en luz que es lo que se

espera de una bombilla. En cambio prácticamente la

mitad de la energía que consume un bombilla

incandescente se transforma en calor y no en luz.

Utilizan entre un 50 y un 80% menos de energía que

una bombilla normal incandescente para producir la

misma cantidad de luz. Una lámpara de bajo

consumo de 22 vatios equivale a una bombilla

incandescente que consume 100 vatios.

Resistencia

Se origina por la oposición al paso de corriente generado

por los átomos del conductor. La resistencia se mide en

ohmios, y un ohmio se representa con la letra griega Ω.

.

Ley de Ohm:

"La intensidad de la corriente eléctrica que circula por un

conductor eléctrico es directamente proporcional a la

diferencia de potencial aplicada e inversamente proporcional a

la resistencia del mismo",

R = V/ I

Ley de Ohm

Para un conductor largo y sólido, al graficar el

voltaje contra la corriente eléctrica, se obtenía

una relación lineal, cuya pendiente corresponde

a la resistencia del conductor.

R = V

I

Donde: R = resistencia (Ω)

V = voltaje (V)

I = corriente (A)

Valor de resistencia usando código de colores

Voltaje

Esla diferencia de potencial a la cual está

sometido un circuito, y es provisto por la batería,

pila o tomacorriente.

Al equipo encargado de darle energía a un

circuito, se le llama fem.

Potencia

Es la rapidez con que un circuito o aparato eléctrico

realiza el trabajo eléctrico, al pasar las cargas de

una terminal a otra.

La potencia se mide en Watts

Relaciones matemáticas

P = I.V

P = I2. R

P = V2

R

Donde:

P = potencia (W)

I = corriente eléctrica (A)

V = voltaje (V)

Implicaciones de la corriente eléctrica

El paso de la corriente eléctrica, corresponde al resultado

de dos acciones opuestas:

Efectos en el cuerpo humano

Una corriente de 0,001 A, se puede sentir, 0,005 A

puede ser doloroso para el ser humano.

Una corriente de 0,010 A causa contracciones

musculares involuntarias o espasmos,.

Una de 0,015 A causa la pérdida del control

muscular.

Una de 0,070 A puede ser fatal, ya que el corazón

pierde su ritmo muscular y puede causar la muerte,

si dura más de un segundo.

Razone la siguiente pregunta

¿Por qué razón, los pájaros pueden posarse en uno

de los cables de alta tensión, sin que sufran una

descarga eléctrica?

Representación de circuitos eléctricos

Los circuitos poseen elementos que se pueden

representar simbólicamente .

Resistencia

Fem

Circ. Cerrado

Circ. Abierto

COMPONENTES DE LOS CIRCUITOS ELÉCTRICOS

PARTES DE UN CIRCUITO ELÉCTRICO

GENERADOR

RECEPTOR

G

LÍNEA

INTERRUPTORFUSIBLE

PARTES DE UN CIRCUITO ELÉCTRICO

BÁSICOS

CONTROL

PROTECCIÓN

GENERADOR

RECEPTOR

LÍNEA

INTERRUPTOR.

CONMUTADOR.

CRUZAMIENTO.

FUSIBLE.

INT. DIFERENCIAL (ID)

INT CONTROL POTENCIA

(ICP)

PEQUEÑO INTERRUPTOR

AUTOMÁTICO (PIA)

CIRCUITO

ELÉCTRICO

Partes de un circuito eléctrico

FUENTE O GENERADOR .- Genera el movimiento de los

electrones. Desempeña una función similar al de una bomba de

agua, no produce electrones, como la bomba de agua no

produce agua, sino que los hace circular. Circulan los

electrones libres por el conductor. Transforma cualquier tipo

de energía en energía eléctrica.

RECEPTOR: Transforma energía eléctrica en cualquier tipo

de energía.

Partes de un circuito eléctrico

CARGA . Recibe el flujo de electrones o corriente eléctrica, este flujo al paso por la carga realiza un trabajo que se manifiesta bajo la forma de luz, calor, etc.

CONDUCTORES .Son los medios a lo largo del cual fluyen los electrones que el generador hace circular.

RESISTENCIAS.

INTERRUPTOR

CAPACITORES: almacenan cargas

INDUCTORES: almacena energía en forma de campo magnético

Contador

Interruptor de control

de potencia ICP

Interruptor

diferencial

Pequeños Interruptores

Automáticos PIA

CUADRO DE MANDO Y PROTECCIÓN DE UNA VIVIENDA

CLASIFICACIÓN DE CIRCUITOSPor el tipo de señal:

A-De corriente continua B-De corriente alterna C-Mixtos

Por el tipo de régimen:

A-Periódico, B-Transitorio, C-Permanente.

Por el tipo de componentes:

A-Eléctricos: Resistivos, inductivos, capacitivos y mixtos

B-Electrónicos: digitales, analógicos y mixtos

Por su configuración:

A-Serie, B-Paralelo.

Conexión en serie

Un circuito de este tipo tiene sus resistores conectados

“uno detrás de otro”, tal que la corriente va pasando por

todas las resistencias.

Un ejemplo corresponde a las luces de los árboles de

Navidad.

Características

a) La corriente que pasa por cada uno de los resistores es la

misma, ya que al ser en serie, esta no tiene otro “camino” que

tomar.

b) Se da una caída de voltaje en cada resistor, que depende del

valor de la resistencia, y que por lo tanto, no es igual en todos

los resistores, salvo que tuvieran la misma cantidad de ohmios.

Es obvio observar que entre mayor sea el valor de la

resistencia, mayor será la caída de potencial

c) Si un resistor del circuito falla por alguna razón, impidiendo

que la corriente pase por él, este deja de funcionar del todo.

Conexión en paralelo

Este tipo de circuito tiene sus resistores paralelos entre

sí.

Por ejemplo, la conexión eléctrica de los hogares

Características

a) La corriente toma los diversos “caminos” queencuentra, tal que la mayor cantidad de ella viaja pordonde hay una menor resistencia.

b) La caída de voltaje, en cada resistor, es la mismaen cada uno de los resistores, y es equivalente a lasuministrada por la fem.

c) Por algunos de los resistores puede pasarcorriente, aunque por otros no pase. Por ejemplopodemos tener prendida la luz de dos habitaciones ylas demás apagadas. Esto presenta una enormeventaja en circuitos complejos.

Resistencia equivalente

En un circuito podemos tener varias resistencias, o una

que sea capaz de reemplazar a las demás, y que cumpla la

misma función.

Resistencia equivalente circuito en serie

Las resistencias se suman en forma aritmética

Req = 3 + 5 + 7 Re = 15Ω

Resistencia equivalente circuito en paralelo

El inverso de la resistencia equivalente, es igual a la suma

de los inversos de cada resistencia

49,1

7

1

5

1

3

11

e

e

R

R

Cuadro resumen

Observaciones

1) Cuando el circuito es en serie, cuanto mayor sea el

número de resistencias en serie, tanto mayor será la

resistencia equivalente a ellas y tanto menor será la

corriente que pasa por el circuito.

Segunda observación

En un circuito en paralelo, cuanto mayor sea el número

de resistencias en el circuito, tanto menor será la

resistencia equivalente a ellas, y tanto mayor será la

corriente que pase por el circuito.

Otras observaciones

No sería funcional tener la instalación de eléctrica de una

casa, en serie.

La conexión en paralelo es idónea en una casa. Cada vez

que se enciende un equipo en una casa, la resistencia

equivalente disminuye por lo tanto la fem, entregaría más

corriente, para que pueda funcionar.

Cuidados con la electricidad

Las instalaciones eléctricas deben poseer una “caja de breaker

Los cables deben estar entubados

Toda instalación eléctrica debe ser utilizada de acuerdo al diseño realizada por el ingeniero eléctrico y no cambiar el diseño original sin la supervisión de un profesional.

Las regletas y extensiones son para equipos electrónicos tales como teléfonos, computadoras e impresoras entre otras, cuyo consumo de potencia es bajo. No están diseñadas para equipos eléctricos como secadoras de pelo, planchas y otros de alto consumo de potencia eléctrica.

Circuitos mixtos

Son aquellos que contienen conexiones serie-

paralelo a la vez.

Ejemplo: