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