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¿Qué es la electricidad estática?La palabra "estático" significa falto de movimiento. Por lo tanto,la electricidad estática es una carga eléctrica sin movimiento.Todos los materiales están hechos de átomos. Un átomo es lapartícula más pequeña de un material que todavía conservalas propiedades de dicho material. Cada átomo está formadopor un núcleo con carga positiva alrededor del cual semueven uno o más electrones negativos.

Figura 1

En reposo, la carga positiva del núcleo es igual a la suma de las cargasnegativas de todos los electrones que giran a su alrededor. Estosignifica que la carga es neutra (véase la figura 1). Si el núcleo gana opierde electrones, se produce un desequilibrio. Un átomo que pierdeuno o más electrones pasa a tener carga positiva, mientras que unátomo que gana uno o más electrones pasa a tener carga negativa, yse conoce como ión (véase la figura 2). Solo existen dos tipos decarga: positiva y negativa. Los átomos que tienen el mismo tipo decarga se repelen, mientras que los que tienen cargas opuestas seatraen.

¿Cómo se genera la electricidad estática?

Figura 2

La electricidad estática es un fenómeno de las superficies que segenera cuando dos o más cuerpos entran en contacto y seseparan de nuevo. Esta acción da lugar a una separación otransferencia de electrones negativos de un átomo a otro. El

nivel de carga (la fuerza delcampo) depende de variosfactores: el material y suspropiedades físicas yeléctricas, la temperatura,la humedad, la presión y la velocidad deseparación. Cuanto mayor es la presión o lavelocidad de separación, mayor es la carga (véase lafigura 3).

Figura 3

Figura 4

La carga electrostática es mayor durante los meses deinvierno debido a la baja humedad. Cuando la humedadrelativa es alta, algunos materiales pueden absorberla y,como consecuencia, su superficie puede volversesemiconductiva. Debido a la transformación de la superficieen (semi)conductiva, la carga electrostática permanece aniveles bajos o puede incluso llegar a desaparecer. La serietriboeléctrica contiene numerosos materiales (véase lafigura 4). Cuando se produce fricción, esos materialespasan a tener una carga positiva o negativa. La magnitud yla polaridad de la carga dependen de la posición delmaterial en la serie.

Materiales conductivos y no conductivos (aislantes)

Los materiales pueden dividirse en dos grupos básicos:conductores y aislantes. En un conductor, los electronespueden moverse libremente. En un principio, un conductorcon aislamiento puede acumular carga electrostática. Estacarga puede eliminarse fácilmente conectando elconductor a tierra (véase la figura 5). El material noconductivo puede retener la carga electrostática durantemucho tiempo, incluso con polaridades opuestas endistintos puntos. Los electrones no pueden moverselibremente. Esto explica por qué los materiales se atraen enalgunos puntos y se repelen en otros. En este caso, laconexión a tierra no funciona porque el material tienepropiedades no conductivas (véase la figura 6). Por esemotivo, la única solución es la ionización activa.

¿Qué efecto tiene?

Figura 5

Figura 6

En los procesos de producción, las cargas electrostáticas pueden ser un grave contratiempo, yaque provocan que los materiales se queden enganchados a la máquina o que se adhieran losunos con los otros. Además, existe el riesgo de descargas eléctricas para los empleados. Lacarga eléctrica atrae el polvo del entorno. En los emplazamientos con riesgo de explosión, lacarga electrostática podría provocar una chispa y, en consecuencia, un incendio o incluso unaexplosión.

¿Cómo se puede controlar la electricidad estática?

La neutralización de la carga electrostática en los materiales no conductivos se realiza medianteionización activa. En los puntos de alta tensión de estos equipos, las moléculas de aire se dividenen iones positivos y negativos. La carga electrostática del producto atrae los iones de lapolaridad opuesta, neutralizando el material. Simco dispone de una amplia gama de equipospara distintos procesos de producción y aplicaciones. Sin embargo, la electricidad estáticatambién puede ser útil. Mediante el uso de alta tensión, los materiales se pueden cargar conelectricidad estática para que se adhieran temporalmente entre sí, facilitando con ello losprocesos de producción.

En pocas palabras, electrostatica distribuye equipos para medir y controlar la electricidadestática.

Problemas que provocan las cargas electrostáticas en los procesos de producción

Conversión: la acumulación de cargas electrostáticas provoca que la bobina atraiga el polvo yla suciedad. El material debe desecharse.

Embalaje: la acumulación de cargas electrostáticas atrae la contaminación y las etiquetas nose pegan. La producción se ralentiza.

Plástico: las piezas moldeadas por inyección atraen la contaminación y provocan descargaselectrostáticas al personal durante el procesamiento. La eficiencia disminuye.

Textil: las cargas electrostáticas provocan que los hilos se enganchen y se rompan en losportabobinas y las urdidoras. Es necesario parar la máquina.

Materiales no tejidos: los sistemas de recogida de retales se atascan debido a la acumulaciónde carga electrostática en los materiales de los transportadores neumáticos. Aumenta lanecesidad de mantenimiento. • Impresión: la electricidad estática provoca problemas en lacarga y descarga de hojas en la imprenta. Se producen retrasos en la entrega.

Artes gráficas: la acumulación de electricidad estática durante el procesamiento de la películaprovoca costosos retoques o incluso refabricaciones. Clientes insatisfechos.

Fabricación de equipos médicos: la carga electrostática atrae la contaminación hacia laspiezas de plástico pequeñas antes de realizar el embalaje. Pérdida de calidad.

Electrónica: las descargas electrostáticas destructivas (ESD) provocan daños latentes en lasplacas de circuitos. Fallos de funcionamiento.

Cómo mejorar los procesos de producción con el equipo de control de electricidad estática

Conversión: el material neutralizado no atrae el polvo y la suciedad durante el rebobinado.Menos rechazos.

Embalaje: la eliminación de las cargas electrostáticas en las etiquetas y las botellas permite queel etiquetado transcurra sin contratiempos. Aumento de la producción.

Plástico: después de la neutralización, las piezas moldeadas por inyección no se adhieren lasunas a las otras durante el transporte. Aumenta la eficiencia de las líneas.

Textil: los hilos se deslizan con suavidad por los portabobinas y las urdidoras trabajan a velocidadóptima evitando la necesidad de realizar operaciones de mantenimiento imprevistas.Desaparecen las paradas innecesarias.

Materiales no tejidos: los sistemas de recogida de retales trabajan sin interrupción gracias a laeliminación de las cargas electrostáticas antes de entrar en el ciclón. Aumento de laproducción.

Impresión: la salida de hojas está limpia y las hojas se apilan con precisión y están preparadaspara la encuadernación sin necesidad de más ajustes. Entregas puntuales.

Artes gráficas: la película procesada permanece limpia de polvo, por lo que no es necesariorepetir el trabajo. Clientes satisfechos.

Fabricación de equipos médicos: las piezas de plástico pequeñas se embalan sincontaminación gracias a la eliminación de las cargas electrostáticas en las piezas y en losmateriales de embalaje. Mejora de la calidad.

Electrónica y semiconductores: la protección frente a descargas electrostáticas destructivasdurante el montaje garantiza la conformidad con las normas de calidad. Disminución de losfallos en los productos.

EDUCACIÓN SECUNDARIAÁMBITO TECNOLÓGICOTEMA 1: La energía

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Tema 1: La energía1.- Introducción

La energía está presente en todos los fenómenos que ocurren en el Universo.

La energía es una propiedad de los cuerpos. Es algo que poseen todos los cuerpos delUniverso y que tiene varias características:

Permite producir cambios en los cuerpos (como el aumento de temperatura deun vaso de leche en el microondas).

Puede ser transformada de una a otra (como la energía solar que se transformaen energía calorífica en las placas solares).

Puede ser transferida de uno a otro cuerpo (si ponemos es contacto dos barrasde hierro a diferente temperatura, la más caliente le transfiere ese calor a la másfría).

Todas las formas de energía son intercambiables entre sí.

El ser humano explota los recursos naturales (carbón, petróleo, viento, sol, agua, etc.) yobtiene de ellos energía para usarla directamente o para transformarla en otra másadecuada para su uso.

2.- Formas de energía

Energía calorífica o térmica

Es la energía asociada a la temperatura y relacionada con el calor.

La energía calorífica es la liberada por los cuerpos más calientes en forma de calor ypasa a los cuerpos más fríos.

Ejemplo…

Si tocamos un vaso de leche caliente, el calor pasa a nuestra mano, que está másfría.

Energía cinética

Es la energía asociada a la velocidad que tienen los cuerpos. Cuanto más rápido, másenergía cinética se posee.

Ejemplo…

Si una pelota de golf nos golpea en la cabeza, está claro que nos hará más dañocuánta más velocidad tenga la pelota.



Energía eléctrica

Esta es la energía más familiar para nosotros. La usamos prácticamente a todas horas yen casi todas nuestras actividades. Esta energía es tan usada por varias razones:

Es fácil de obtener a partir de otras formas de energía. Es fácil de transportar a grandes distancias. Es fácil de transformar en otros tipos de energía.

Energía eólica

Es la energía cinética del viento (el dios griego del viento era Eolo).

La energía eólica se puede usar directamente, como para impulsarbarcos de vela, y también se puede usar para transformarla enenergía eléctrica mediante aerogeneradores.

Energía geotérmica

El interior de la Tierra conserva gran cantidad de calordesde los tiempos en que se formó, los volcanes dan buenaprueba de ello. En algunas zonas de la corteza terrestre, estecalor aflora a la superficie y constituye lo que llamamosenergía geotérmica.

Se trata de una energía calorífica que constituye un interesanterecurso natural como fuente de energía.

Energía hidráulica

Llamamos así a la energía que posee el agua por el simplehecho de moverse. Tanto en saltos naturales como en saltosde agua artificiales, como los que el ser humano construye enlos embalses.

A veces se aprovecha directamente, por ejemplo para moveruna noria. Otras veces se aprovecha para transformarla enenergía eléctrica.

Energía luminosa

Es la energía asociada a la luz. El Sol desprende gran cantidad de esta energía, perotambién una bombilla o una vela encendida.

La energía luminosa es una clase de otra forma de energía más amplia, la energíaelectromagnética, que ya estudiaremos más adelante.



Energía mareomotriz

La energía mareomotriz es la asociada al movimiento delas olas, y al de las mareas.

Es una energía asociada al movimiento, por tanto se trata deuna energía cinética.

Energía nuclear

Es la energía almacenada en el núcleo de los átomos. Estaenergía se libera cuando se rompen los núcleos de los átomos,proceso al que se llama fisión nuclear.

La energía nuclear que aprovechamos los seres humanos se liberamediante reacciones nucleares de fisión provocadas artificialmente.Los átomos que suelen emplearse en estas reacciones son de uranio.

Energía potencial elástica

Es la energía asociada a la deformación de loscuerpos elásticos, los que recuperan su forma originalcuando la fuerza que los ha deformado deja de actuar.

Cuando un muelle se comprime o se estira, almacenaenergía potencial elástica, pero cuando el muelle recuperasu forma, pierde esta energía almacenada.

Energía potencial gravitatoriaLa cuerda tensa del arco tiene energía

potencial elástica.

Es la energía asociada a la altura a la que se encuentra uncuerpo respecto a la superficie de la Tierra.

Cuando un cuerpo gana altura almacena energía potencialgravitatoria, esta energía se libera cuando el cuerpo cae o pierdealtura (cuanto más alto subas, mayor es la torta que te das).

Cuando el cuerpo cae, gana velocidad, la energía potencial setransforma en energía cinética.



Energía química

Es la energía liberada en las reacciones químicas. Se producecuando los enlaces atómicos se rompen y estos se combinanformando nuevos productos.

Hay reacciones químicas cuando el motor del coche quemagasolina. En este caso la energía química del combustible setransforma en energía cinética del coche.

En el interior de nuestro organismo hay una continua utilización de la energía químicaacumulada en los alimentos, que es transformada en energía metabólica por nuestrascélulas, lo que nos permite vivir.

No todos los alimentos tienen almacenada la misma cantidad de energía química, por esono todos tienen las mismas calorías.

Energía sonora

La energía sonora está asociada a las ondas sonoras quese transmiten a través del aire, también pueden hacerlo através de cualquier sustancia, pero en el vacío. El sonidonecesita un soporte físico para poder transmitirse.

El mecanismo de transmisión de la energía sonora esaproximadamente así:

Las partículas del aire reciben un choque (por ejemplo, elproducido por la vibración de un altavoz de la radio, o el sonarde un barco). Debido al choque empiezan a vibrar, chocan con

otra partícula y le pasan la vibración, volviendo a su sitio.

Energía solar

Es la energía radiante del Sol. Llega hasta nosotros en formade ondas electromagnéticas: luz visible, microondas, rayos X,rayos ultravioleta, etc.

La energía solar es la fuente de la que emana la mayoría de laenergía de la que podemos disponer en la Tierra.

La energía solar tiene su origen en reacciones nucleares defusión, que se producen en el interior del Sol, iguales que lasque ocurren en todas las estrellas.

La energía solar se utiliza tanto directamente como para transformarla en energía eléctricao térmica.



Tantos tipos de energía y todos se resumen en dos…

Hemos visto varias formas de energía, y podríamos seguir viendo más, pero todas ellas sepueden agrupar en dos grandes formas:

La energía cinética La energía potencial

Porque, al fin y al cabo, cualquier forma de energía depende o bien de la posición delcuerpo (energía potencial) o del movimiento del cuerpo (energía cinética).

3.- Unidades de la energía

La unidad que se emplea en el Sistema Internacional para medir la energía es el julio (J).

Pero también se mide en otras unidades, dependiendo de la forma en la que se encuentre:

Caloría (cal). Se usa sobre todo para medir el contenido energético de losalimentos. Normalmente se utiliza un múltiplo suyo, la kilocaloría (Kcal).

Actividades

1. Escribe junto a cada una de las frases de la siguiente tabla la forma de energía queesté más relacionada con ella:

Forma de energíaSe puede transformar en energía eléctrica mediante aerogeneradoresSi se mueve tiene esta energía, pero si está quieto no la tieneEn un embalse, el agua almacena este tipo de energíaPasa de los cuerpos calientes a los fríosEn las zonas volcánicas de la Tierra hay mucha de esta energíaLa tiene el agua que cae por una catarata

2. La energía eólica es también una energía…

o Cinética

o Calorífica



¿Cinética o potencial?Energía caloríficaEnergía de un muelle que se comprimeEnergía nuclearEnergía eléctricaEnergía que tiene un ladrillo encima de un andamioEnergía que tiene el agua almacenada en un depósito en alturaEnergía de esa misma agua cuando abrimos el grifo

3. La energía geotérmica es también una energía…

o Cinética

o Calorífica

4. Escribe junto a cada una de las frases de la siguiente tabla la forma de energía queesté más relacionada con ella:

Forma de energíaEs la energía capaz de excitar nuestro tímpanoCuanto más alto estés, más de esta energía tienesTu organismo está preparado para obtenerla de los alimentosFuente de casi la totalidad de la energía de la TierraSale de un sitio minúsculo pero es poderosísimaCuanto más estires el muelle, más de este energía poseeCuando hay mucho oleaje, no te bañes que te puede esta energía

5. ¿De dónde sacan las estrellas la enorme cantidad de energía que irradian?

o De la fisión nuclear

o De la energía solar

o De la fusión nuclear

6. ¿De qué tipo es la energía mareomotriz?

o Calorífica

o Cinética

o Potencial elástica

7. Clasifica los siguientes tipos de energía atendiendo a si se trata de una energíacinética o potencial.



8. Imagina una pelota que cae desde el 4º piso de un edificio, comenta los tipos deenergía que posee en los siguientes puntos:

a) Justo antes de empezar a caer…………………………………………………..b) Cuando va a la altura del 2º piso…………………………………………………c) Cuando va a la altura del 1er piso…………………………………………………d) Cuando se estampa contra el suelo………………………………………………..

9. En el etiquetado de un producto alimenticio podemos leer que su contenidoenergético es de 145 kcal por cada 100 gramos de producto. Calcula:

a) Las calorías que hay en esos 100 gramos

b) El contenido energético de 100 gramos expresado en julios

c) El contenido energético (en julio) de una porción de 25 gramos

10.En el recibo de la luz puedo ver que he consumido un total de 45 kWh. ¿Cuántosjulios serán? ¿Cuántas calorías serán?



4.- Potencia y energía

La potencia es una magnitud que relaciona la energía consumida por un objeto y eltiempo empleado en ese consumo.

Como casi todo en esta vida, se puede expresar matemáticamente:E= tLa unidad de potencia en el Sistema Internacional es el vatio (W). Un múltiplo de este esmuy utilizado en la práctica. Nos referimos al kilovatio (1 kW = 1000 W).

¡No confundamos!

La potencia se mide en kilowatios, mientras que la energía consumidase mide en kilowatios-hora.

Es evidente que un electrodoméstico consumirá más energía si tiene más potencia. Unabombilla de 100 vatios consumirá más que una de 60 vatios, pero lo ideal es instalarbombillas de bajo consumo, ya que con una potencia de 12 vatios tienen un rendimientoenergético muy superior.

Ejemplo…

Un motor eléctrico desarrolla una potencia de 5 kw y está funcionando durante 4horas. ¿Qué energía ha necesitado?

Teniendo en cuenta que = X t, tenemos que:= 5 k X∙ 4 h = 20 k hActividades

11.Si tenemos funcionando durante 4 horas una lavadora de 1200 W de potencia.¿Cuánta energía ha consumido en ese tiempo?. Exprésala en kWh.

12.Calcula el gasto de electricidad de un microondas de 900 W durante 30 minutos.

13.El consumo energético de un frigorífico de 100 W funcionando todo el día.



14.El de una vitrocerámica de 1000 W durante 3 horas.

15.Un calefactor ha consumido 5 kWh funcionando durante dos horas y media. ¿Cuáles la potencia del calefactor?

5.- Tipos de centrales eléctricas

La energía eléctrica se produce, a escala industrial, en las centrales eléctricas.

La forma más habitual de producir energía eléctrica es usando un alternador.

Un alternador está formado por una bobina que puede girar y un imán que está fijo. Labobina está dentro del imán, impulsada por el giro de una turbina que, a su vez, giragracias a un fluido en movimiento.

El alternador transforma la energía cinética de la turbina en energía eléctrica.

Por último, la corriente eléctrica se modifica en un transformador, que la prepara para sertransportada.

Imagen de un alternador o generador de corriente eléctrica

Según el sistema utilizado en la central para hacer girar la turbina, hay distintos tipos decentrales:

Centrales hidroeléctricas. Centrales térmicas.



Centrales eólicas. Centrales mareomotrices. Centrales solares fotovoltaicas.

Vamos a estudiar más detenidamente cada una de ellas.

Centrales hidroeléctricas

La turbina se mueve gracias a un chorro de agua a gran velocidad, aprovechado los saltosde agua, ya sean:

Naturales: cascadas, desniveles de los ríos. Artificiales: construidos en los embalses.

Centrales térmicas

La turbina es movida gracias a un chorro de vapor a presión obtenido calentando agua.Según el método empleado para calentar el agua pueden ser:

Térmicas clásicas: obtienen la energía de la combustión de combustibles fósiles(carbón, gas natural) o sus derivados (fuel-oil)

Centrales de biomasa: obtienen la energía de la combustión de residuos forestales,agrícolas o de los llamados cultivos energéticos.

Centrales de incineración de residuos sólidos urbanos: obtienen la energía de lacombustión de la basura, una vez tratada convenientemente.

Centrales nucleares: obtienen la energía a partir de reacciones de fisión de átomosde uranio.

Centrales termosolares: calientan el agua concentrando la energía procedente delsol.

Centrales geotérmicas: aprovechan el calor procedente del interior de la Tierra.



Esquema de una central térmica

Centrales eólicas

La turbina es movida gracias a la acción del viento sobre las aspas de un aerogenerador.

Centrales mareomotrices

Funcionan de modo similar a las centrales hidroeléctricas, pero aprovechando lasdiferencias del nivel del mar entre la pleamar y la bajamar. También entran en estacategoría las centrales que aprovechan el movimiento de las olas para mover la turbina.



Esquema de una central mareomotriz

Centrales solares fotovoltaicas

Convierten directamente la energía radiante del sol en energía eléctrica. Para ello seemplean células solares fotovoltaicas, que aprovechan el efecto fotoeléctrico, es decir,la capacidad de algunos materiales para convertir la energía luminosa en corrienteeléctrica.



6.- El transporte de la energía eléctrica

Una vez producida, la energía es transportada desde las centrales hasta las viviendas y lasindustrias.

Para que ese transporte se produzca de la mejor manera, es necesario transformar lacorriente eléctrica al salir de las centrales y volver a transformarla al llegar a los centrosde consumo.

7.- Las fuentes de energía

Las fuentes de energía se clasifican en dos grandes grupos: renovables y norenovables.

Fuentes de energía renovables

Las fuentes de energía renovables son recursos que, una vez utilizados, se puedenregenerar mediante procesos naturales o artificiales.

Son fuentes de energía renovables:

Energía eólica Energía solar Energía mareomotriz Energía geotérmica Energía hidráulica Energía biomasa



Fuentes de energía no renovables

Las fuentes de energía no renovables son recursos que se encuentran de forma limitada enel planeta.

Son fuentes de energía no renovables:

Energías procedentes de los combustibles fósiles (carbón, petróleo, gas natural) Energía nuclear

Actividades

16.¿Cuál es la forma más habitual de producir energía eléctrica?

o Usando un alternador

o Usando el efecto fotoeléctrico

o Usando los tendidos eléctricos

17.¿Cómo se llama el aparato que convierte la energía cinética en energía eléctrica?

o Turbina

o Transformador

o Alternador

18.¿Qué tipo de centrales utilizan uranio como fuente de energía?

o Las centrales mareomotrices

o Las centrales nucleares

o Las centrales térmicas clásicas

19.¿Qué tipo de centrales emplean el efecto fotoeléctrico para producir electricidad?

o Las centrales hidroeléctricas

o Las centrales solares fotovoltaicas

o Las centrales geotérmicas

20.¿Cuál de las siguientes frases crees que define mejor lo que es una fuente deenergía?

o Se trata de una instalación en la que se obtiene energía eléctrica

o Se trata de un recurso natural a partir del cual podemos obtener energía

o Se trata de un conjunto de procedimientos que nos permiten obtener energíade la naturaleza



21.Clasifica las siguientes centrales eléctricas según utilicen una fuente de energíarenovable o no renovable.

Central térmica clásicaCentral termosolarCentral fotovoltaicaCentral nuclearCentral geotérmicaCentral eólica

8.- Rendimiento energético

El rendimiento energético es la relación entre la energía que suministramos a unsistema y la energía útil que obtenemos realmente.

Por ejemplo…cuando ponemos en marcha el motor del coche, la mayor parte dela energía generada por el combustible se pierde en forma de calor, sólo un 30%aproximadamente de esta energía química se transforma en energía cinética quehace andar al coche.

Sistemas eficientes

Un sistema energéticamente eficiente es aquel quetiene un rendimiento máximo, es decir, aprovecha almáximo la energía que le suministramos.

Un electrodoméstico es eficiente si ofrece lasmismas prestaciones que otros consumiendomenos energía.

Con el propósito de informar a los usuarios de laeficiencia energética de los electrodomésticos, laComisión Europea puso en marcha en 1989 el sistemade etiquetas energéticas.

Todos los electrodomésticos deben venir clasificadoscon una etiqueta energética. Son obligatorias paraelectrodomésticos como frigoríficos, congeladores,lavadoras, secadoras, lavavajillas y lámparas de usodoméstico.

A la derecha puedes ver la interpretación de unaetiqueta energética.



Actividades

22.¿Cuáles de las siguientes frases crees que son verdaderas?

o Cualquier sistema de transformación de energía convierte en energía útil todala energía que le suministramos

o Un buen motor, si está nuevo, siempre tiene un rendimiento del 100%

o Gran parte de la energía almacenada en el combustible se convierte en calor

23.¿Qué quiere decir que un electrodoméstico es más eficiente?

o Que es más barato

o Que por el mismo precio ofrece más prestaciones

o Que ofrece las mismas prestaciones pero consumiendo menos

24.¿Para qué sirve el sistema de etiquetado energético?

o Para poder aumentar el precio del electrodoméstico

o Para que el usuario sepa que el electrodoméstico cumple con todos losrequisitos legales

o Para que el usuario esté informado del nivel de eficiencia energética delelectrodoméstico

25.Si dos lavadoras ofrecen las mismas prestaciones, pero una pertenece a la claseenergética C y la otra a la clase energética F, ¿cuál de las dos consumirá menosenergía durante el mismo programa de lavado?

o La de la clase C

o La de la clase F

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1.2 El Multímetro Digital

Objetivos

• Identificar las partes de un multímetro digital.

• Conocer las ventajas de un multímetro digital.

• Identificar las diferentes escalas de medición.

• Utilizar el multímetro digital para realizar diferentes mediciones.

1.2.1 Instrumentos de mediciónLa necesidad de establecer un lenguaje universal para describir cantidades o

magnitudes físicas, llevó a la creación de unidades de medida que son tancomunes en la actualidad: el metro, para medir distancias; el grado centígrado,para medir temperatura; el gramo, para medir masa; etc. Pero la unidad, sin unamagnitud, es casi lo mismo a no tener nada. Saber que un bloque de maderamide alguna cantidad de metros no le da mayor información a nadie, pero aldecir “El bloque de madera mide 5 metros”, es más fácil hacerse una idea delbloque y clasificarlo.

En el ejemplo anterior, la unidad de medición es el metro, y la magnitud de lamisma es 5.

¿Cómo se obtiene ese valor? Hay que recordar que “medir” es comparar unamagnitud con un patrón de medida establecido. El “5” se obtuvo de comparar ellargo del bloque de madera con el largo que tiene 1 metro, dando comoresultado que el bloque equivale a 5 de esos metros. Para obtener la masa delbloque, bastaría colocarlo sobre una báscula, que está diseñada para medir(indirectamente) la masa de los cuerpos. En este último caso interviene otroelemento importante: el instrumento de medición.

Cuando se está enfermo y se siente malestar en el cuerpo, es común quealguien cercano toque la frente de la persona doliente para tratar de determinarsi tiene fiebre o no. En ese caso, lo que se hace es comparar, por medio deltacto, la temperatura corporal de alguien sano (quien toca la frente) con elcandidato a fiebre (el enfermo). Sentir la frente caliente es signo de fiebre. Pero,¿qué tanta fiebre?. La mano puede ser suficiente para determinar si es unafiebre leve o fuerte, pero nada mejor que utilizar un termómetro para conocer elvalor exacto de la temperatura corporal. Ambos, tanto la mano como el

termómetro, funcionan en este caso como instrumentos de medición detemperatura, aunque claramente uno es más preciso que el otro.

En el mundo de la electricidad, son varias las magnitudes que interesan sermedidas: la corriente, el voltaje, la resistencia, la conductancia, etc. Cada una deellas tiene su unidad estándar de medición, completamente definida. Existeninstrumentos que permiten medir cada una de ellas, de la misma forma queexiste el termómetro para medir la temperatura o que existe la báscula paramedir la masa. Así, por ejemplo, el amperímetro mide la magnitud de la corrienteeléctrica en amperios; y el voltímetro, el voltaje en voltios. Pero además, hayinstrumentos que pueden medir múltiples magnitudes físicas al seleccionardiferentes configuraciones. A estos instrumentos se les conoce comomultímetros, y pueden ser tanto analógicos como digitales.

1.2.2 El MultímetroLos multímetros, como se dijo anteriormente, pueden ser analógicos o

digitales, aunque ambos tipos sirven para lo mismo. La diferencia entre ellosradica en la forma de medir las magnitudes físicas, lo cual repercute en sudesempeño. Los analógicos tienen una aguja móvil sobre una escala demedición, y el recorrido de la misma es lo que indica la magnitud observada. Losmultímetros digitales, por otro lado, poseen una pantalla numérica que indicadirectamente la magnitud medida.

Ilustración 1.4: Multímetro Digital Ilustración 1.5: Multímetro Análogo

Los componentes electrónicos internos del multímetro digital, así como lainterfaz que posee para desplegar los resultados de las mediciones, lo hacenmás exacto y más preciso que el multímetro analógico. Por lo mismo, es másfrecuente encontrar en la actualidad multímetros digitales en los laboratorios deelectrónica, y es por ello que este manual se limitará a explicar cómo utilizar estetipo de multímetros.

1.2.3 Partes y funciones de un multímetro digital.Existe una gran variedad de multímetros digitales en el mercado, por lo que

hacer una guía completa de cómo utilizarlos carece de sentido. Sin embargo,todos ellos se apegan al estándar de unidades de medición de magnitudeseléctricas, y como el funcionamiento es similar, la forma de utilizarlos también essimilar.

A continuación se muestran las partes comunes y más importantes de losmultímetros digitales.

Ilustración 1.6: Multímetro Digital

1.- El multímetro se encenderá automáticamente cuando se gire la perilla.

2.- Display: Pantalla de cristal líquido en donde se muestran los resultados de lasmediciones.

3.- Perilla selectora del tipo y rango de medición: esta llave nos sirve paraseleccionar el tipo de magnitud a medir y el rango de la medición.

4.- Rangos y tipos de medición: Los números y símbolos que rodean la perillaselectora indican el tipo y rango que se puede escoger. En la imagen anteriorpodemos apreciar los diferentes tipos de posibles mediciones de magnitudescomo el voltaje directo y alterno, la corriente directa y alterna, la resistencia, ycontinuidad.

5.- Cables rojo y negro con punta: El cable negro siempre se conecta al borne ojack negro, mientras que el cable rojo se conecta al jack adecuado según lamagnitud que se quiera medir. A continuación vemos la forma en que se conectanestos cables al multímetro.

Ilustración 1.7: Cables del multímetro

6.- Borne de conexión o jack negativo: Aquí siempre se conecta el cable negrocon punta.

7.- Borne de conexión o jack para el cable rojo con punta para mediciones devoltaje (V), resistencia (Ω) y frecuencia (Hz). Su símbolo es el siguiente.

8.- Borne de conexión o jack para el cable rojo con punta para medición demiliamperes (mA)

9.- Borne de conexión o jack para el cable rojo con punta para medición deamperes (A)





















Actividad Práctica 2: Rangos del multímetro(Realizar como Investigar)

Objetivo

• Identificar las diferente áreas de medición del multímetro y sus respectivosrangos.

Materiales a utilizar

1 Multímetro digital

Procedimiento

Con el multímetro en cada una de las mesas de trabajo observaremos ycompletaremos la siguiente tabla:

El tipo de medición, se refiere a las diferente variables que podemos medir através del multímetro.

El rango, es el valor mínimo y el valor máximo de cada una de las mediciones.

Tipo de Medición Rango

VDC

VAC

OHM

IAC

Continuidad

Diodos

1.3 Resistencia eléctrica

Objetivos

• Definir que es una resistencia eléctrica y sus usos.

• Conocer la formula que determina el valor de una resistencia.

• Identificar aislantes, conductores y semiconductores.

• Calcular el valor de una resistencia mediante sus bandas de colores.

• Medir el valor de una resistencia mediante el multímetro.

1.3.1 Resistividad y resistencia

En los últimos años, el número de carros en las calles del mundo haaumentado considerablemente. Basta con salir en las famosas “horaspico” para comprender la magnitud del aumento en el flujo vehicular.En muchos lugares, hasta las rutas alternas son víctima decongestionamiento, y es difícil para los conductores avanzar hacia susdestino. Algunos esfuerzos por facilitar la circulación han resultado enla ampliación de calles, habilitación de rutas alternas, construcción depasos a desnivel, etc. Aun así, en redondeles, semáforos y puntos dereducción de carriles, los carros no pueden circular libremente y eltránsito es dificultoso.

Así como las condiciones de las calles, las reglas de tránsito y el altoflujo vehicular ofrecen una resistencia al paso libre de los vehículos,los materiales en general ofrecen cierta resistencia al paso de unacorriente eléctrica a través de ellos. A esta oposición se le denomina“resistencia eléctrica” y puede ser medida o cuantificada, por lo queposee su propia unidad de medida, el Ohm (Ω), en honor del físicoalemán Georg Ohm (1789-1584) quien encontró que esta resistenciaes la relación que existe entre el voltaje al que está sometido unmaterial (medido en volts) y la corriente que circula a través de él(medida en amperios):

El resultado anterior puede ser interpretado de la siguiente forma, paradarle un significado físico: si un voltaje V aplicado a un resistor2 generauna corriente eléctrica muy pequeña, entonces el resistor presenta unagran oposición al paso de corriente, que es igual a decir que poseeuna alta resistencia. También es posible interpretarlo a la luz de laanalogía con el tráfico en las calles:

2 Resistor es un término genérico para cualquier que posea unaresistencia eléctrica significativa

Primero, es necesario establecer en esta analogía qué es el voltaje yla corriente. Para empezar, se hace la observación de que existencalles que son mucho más transitadas que otras, debido a queconectan lugares más frecuentados. Por ejemplo, las calles yautopistas que llevan a centros comerciales, colegios, zonas deoficinas, etc, son mucho más transitadas que aquellas calles quellevan a colonias privadas, y que sólo visitan los que viven ahí y susinvitados. Las carreteras que conducen al aeropuerto y a zonaturísticas alejadas de las ciudades también son frecuentadas, aunquees conocido que el flujo vehicular en ellas es relativamente libre dadoque no poseen semáforos y que son generalmente amplias. Podríadecirse, entonces, que algunas calles son “más importantes” o másutilizadas que otras, y si se pudiera medir ese nivel de importancia decada una de las calles, esa medición sería el “voltaje” en la analogíacon los circuitos eléctricos. Así, por ejemplo, un pasaje privado tendríaun bajo voltaje, mientras que calles y avenidas principales dentro delas ciudades, tendrían un alto voltaje. Explicar el papel de la corrienteeléctrica es mucho más fácil. Basta recordar que esta corriente es unamedición del flujo de electrones por unidad de tiempo, paracomprender que, en la analogía del tráfico, la corriente eléctrica vienesiendo una medición del número de carros que transitan por una calle

en una unidad de tiempo. Por ejemplo, si por la calle A transitan 2carros por segundo, esto correspondería a 2 Amperscarro3.

3 La unidad Amperscarro no existe en el mundo de la física, peropuede ser creada para los fines de este manual. Un amperscarrocorresponde a un flujo de un carro transitando cada segundo en unacalle dentro de la analogía entre la electricidad y el flujo vehicular.

Establecido esto, la fórmula anterior, R = V/A, puede verse de lasiguiente forma: si por una calle de cierta importancia (voltaje fijo) hayun gran flujo de carros (una corriente alta), la resistencia para circularpor ella debe ser baja para poder mantener ese flujo; si, por elcontrario, el flujo de carros es pequeño, la resistencia al flujo vehiculardebe ser alto.

lustración 1.8: Los resistores son ampliamente utilizados en circuitoseléctricos. Son pequeños cilindros con códigos de bandas de colores

que indican su resistencia eléctrica.

Cuando una corriente eléctrica circula a través de un material, éstetiende a calentarse y puede llegar a modificar su estructura molecular,lo cual puede implicar un cambio de su resistencia eléctrica. Es unfenómeno similar a lo que ocurre cuando, en una calle, ocurre unaccidente y un carril queda deshabilitado. No obstante, algunosmateriales presentan resistencia constante para un determinado rangode voltajes. A estos materiales que exhiben resistencia constante seles denomina óhmicos, o que obedecen la Ley de Ohm. La ley fuenombrada también en honor a Ohm, quien encontró materiales queposeen esta propiedad (Buffa, W. 2003).

En el nivel atómico (de la estructura interna de los materiales), la

resistencia aparece cuando los electrones entran en colisión con losátomos que constituyen el material (Buffa, W. 2003). De esta forma seestablece que la resistencia depende de factores como el tipo dematerial y su estructura geométrica. Así como una calle con pocoscarriles ofrece más oposición al flujo vehicular que una con máscarriles, un cable eléctrico grueso ofrecerá menos resistencia al pasode corriente eléctrica que uno más delgado. La longitud del materialtambién juega un papel importante en la ecuación, pues mientras máslargo sea mayor será la resistencia que ofrecerá al paso de corriente.Uniendo estos factores, se establece que:

Donde L es la longitud del material, A es su área transversal y P es suresistividad, una propiedad atómica intrínseca de los materiales que,como se puede ve en la ecuación anterior, determina parcialmente suresistencia. Por ejemplo, un alambre de cobre de 1 metro de longitud ycon un área transversal de 1 milímetro cuadrado (1.0x10-6 metroscuadrados), que posee una resistividad de 1.70x10-8Ωm, tendrá unaresistencia eléctrica de 17 miliOhms:

Los metales presentan una baja resistencia eléctrica, aunque unosmás que otros. En los circuitos eléctricos se suele utilizar el cobrecomo conductor porque es barato, fácil de manejar y presenta muypoca resistencia. Sin embargo, el oro y la plata son mejoresconductores, por lo que dentro de circuitos muy complejos (como losmicroprocesadores) se opta por hilos conductores de oro. En lospostes con cables de tendido eléctrico se utilizan metales como elaluminio, porque además de ser buen conductor, es muy liviano y fácilde conseguir.

1.3.2 Conductores, aislantes y semiconductores

Dentro del mundo de la electricidad, se puede hablar de dos tipos demateriales: los conductores y los aislantes eléctricos. Lo que losdiferencia es su capacidad para conducir, o transmitir, las cargaseléctricas dentro de un flujo (corriente eléctrica). Como se dijoanteriormente, los metales son buenos conductores eléctricos (el oro,el aluminio, el hierro, etc.), mientras que otros materiales como elvidrio, el plástico, el hule, son aislantes eléctricos porque no permitenel paso de cargas eléctricas a través de ellos (Buffa, W. 2003).

Materiales conductores Materiales no conductores

Ilustración 1.9: Materiales conductores Ilustración 1.10: Materiales no conductores

El CobreEl Oro

La PlataEl Aluminio

PlásticoMadera

Cerámica

En los conductores, los electrones de las capas más exteriores de losátomos (electrones de valencia) están débilmente atados al núcleo.Esto permite que sean removidos fácilmente y que se desplacendentro del conductor. Sin embargo, en los aislantes, la mayoría de loselectrones de las capas exteriores están fuertemente atados a susnúcleos, y la carga eléctrica no se puede mover fácilmente (Buffa, W.2003).

Existe una tercer categoría, los semiconductores, que presentan





El CobreEl Oro

La PlataEl Aluminio

PlásticoMadera

Cerámica







El CobreEl Oro

La PlataEl Aluminio

PlásticoMadera

Cerámica



propiedades de conductores y de aislantes bajo diferentescondiciones. Se les considera en una clasificación intermedia, y sucomportamiento sólo puede entenderse bajo la luz de teorías máscomplejas como la mecánica cuántica. Sin embargo, dentro de laanalogía del tráfico es posible encontrarles un lugar: una calle principalcon semáforo puede permitir un flujo vehicular constante cuando elsemáforo está en verde, comportándose como un material conductor;cuando el semáforo está en rojo, los carros no pueden transitar, y lacalle se comporta como un aislante eléctrico. En los semiconductores,la luz del semáforo suele ser una pequeña excitación eléctrica quecambia las propiedades del material y lo mueven dentro del campo dela conductividad y la no conductividad.

Como una mayor explicación se sale de los objetivos de esta práctica,basta agregar que los semiconductores son la base de la electrónicamoderna y del desarrollo de los microchips.

1.3.3 Código de colores en resistores

Así como las cajas de cereal, las botellas de bebidas, las bolsas degolosinas y demás productos tiene etiquetas que explican sucontenido (y su precio en algunos casos), los componenteselectrónicos también tiene etiquetas o estampados que los identifican.Así es posible diferenciarlos cuando su forma física es igual a la deotros componentes (como sucede con muchos circuitos integrados) ocuando sus características eléctricas varían de un modelo a otro. En elcaso de los resistores, esta etiqueta o estampado está definido por uncódigo de colores, dado que en su mayoría son tan pequeñas que noes posible (o factible) escribir en ellas el valor de su resistencia connúmeros.

Cada franja, sin embargo, representa un dígito del 0 al 9, y lacomposición de todas las franjas, siguiendo el código de escrituradescrito en la tabla siguiente, representa el valor total de la resistenciadel elemento.

Color 1a 2a X Total

Negro 0 1

Café 1 1 10 ±1%

Rojo 2 2 102 ±2%

Naranja 3 3 103 ±3%

Amarillo 4 4 104 ±4%

Verde 5 5 105 ±0.5%

Azul 6 6 106 ±0.25%

Morado 7 7 107 ±0.1%

Gris 8 8 108

Blanco 9 9 109

Dorado 10-1 ±5%

Plateado 10-2 ±10%

Ninguno ±20%

Ilustración 1.11: Tabla con el código de colores para los resistores de cuatrofranjas

A nivel comercial, los resistores de 4 franjas son las más comunes.Como se puede ver en la ilustración anterior, las primeras dos franjascomponen un número de dos dígitos que luego es multiplicado por unfactor equivalente a la potencia de 10 referida con la tercer franja. Porejemplo:

Ilustración 1.12: Resistor de 1 kilo ohm de resistencia

En la ilustración anterior, el resistor tiene 4 franjas, de izquierda aderecha: café, negro, rojo y dorado. Las primeras dos, café y negra,representan la unión de los dígitos 1 (franja café) y 0 (franja negra),formando el número 10. La tercer franja es roja, indicando la potencia2 de 10 (102). La resistencia total, entonces, será igual a 10x102 =10x100 = 1000Ω, lo cual es equivalente a 1kΩ. La cuarta franjarepresenta el porcentaje de error de este valor, por lo que la lecturacompleta de la resistencia es “1kΩ con 5% de error”.

1.3.4 Cómo medir la resistencia eléctrica

Antes de continuar, es importante retomar la diferencia entre dosconceptos relacionados:

1) Un resistor es un elemento eléctrico que ofrece cierta oposición alpaso de la corriente eléctrica a través de él.

2) La resistencia es la medida de esta oposición al paso de la corrienteeléctrica, y es, por tanto, una magnitud física.

En algunos textos, sin embargo, frecuentemente se llama “resistencia”

a los resistores, dado que es en sí este valor el importante en losanálisis eléctricos.

Para medir la resistencia eléctrica de un resistor se utiliza unmultímetro, el cual se conecta en paralelo con el resistor, como semuestra en la siguiente figura, sin importar cuál extremo del mismo seconecte con la terminar negra o roja del multímetro. La magnitud de laresistencia se mide en ohms (Ω), como se explicó anteriormente, porlo que en el multímetro el cable rojo debe de ir conectado a la terminalque tenga el símbolo Ω (generalmente, es el mismo terminal que seutiliza para medir Voltaje, dado que la medición de la resistencia sehace a través de la medición de un voltaje dentro del multímetro).

Ilustración 1.13: Esquema de conexión para medir resistencia eléctrica

1.3.5 Cálculo matemático de la resistencia

Matemáticamente podemos calcular el valor tanto de la resistencia,como de la corriente y voltaje, mediante la ley de Ohm,

El análisis de los circuitos está basado en la Ley de Ohm, la cual sedefine así:

El flujo de corriente en ampere que circula por un circuito eléctricocerrado, es directamente proporcional a la tensión o voltaje aplicado, einversamente proporcional a la resistencia en ohm de la carga quetiene conectada.

Y matemáticamente se escribe:

Ejemplo 1

Calcular el valor de la resistencia (ohmios en R) del circuito si se leaplica un voltaje de 60V (voltios en 1) y se produce una corriente de 3A (amperios en I)

Ilustración 1.14: Ejemplo de circuito para cálculo de resistencia

Solución

Por la ley de Ohm, tenemos que: V= I*R, despejando la variable quenecesitamos encontrar tenemos que:

R = V / I

Y sustituimos los datos en la ecuación

R = (60 v) / (3 A) = 20 ohmR// La resistencia tiene un valor de 20 Ω

Ejemplo 2

Si el foco del circuito tiene una resistencia de 100 Ω y una corrientede 2 A, ¿Cuál será el voltajeque tiene que producir la batería?

Ilustración 1.15: Ejemplo 2

Solución

En este caso la incógnita es V y tenemos que:

V = I.R

Entonces:

V = (100 Ω) (2A) = 200 V

Actividad Práctica 3: Medir resistencias conmultímetro(Realizar como Investigación)

Objetivos:

• Leer el valor de resistencias por medio del código de colores.

• Medir el valor de resistencias utilizando un multímetro.

Materiales a utilizar:

5 Resistencias eléctricas de diferente resistencia eléctrica (100Ω,330Ω, 1kΩ, 10kΩ, 1MΩ).

Multímetro digital.

Procedimiento:

1. Leer el valor de cada resistencia utilizando la tabla de código decolores y anotar los resultados en la tabla 1.

2. Con el multímetro en el rango correspondiente, medir cadaresistencia y anotar los resultados en la tabla 1.

3. Antes de cada medición, es necesario asegurarse que los cablesdel multímetro estén conectados en los jacks correctos. Para medirresistencias, hay que colocar el cable negro en el jack COM, y el rojoen terminal con el símbolo Ω (omega), que representa la unidad Ohmde medición de la resistencia eléctrica.

4. Seleccionar el resistor con franjas color CAFE-NEGRO-CAFE(100Ω). Tocar los dos extremos de la resistencia con las puntas de loscables rojo y negro del multímetro, uno a cada lado, asegurándose deque el contacto sea firme en ambos puntos.

5. Leer el valor desplegado en la pantalla y anotarlo en la tabla 1. (Lapantalla del multímetro debe desplegar el valor de 100 o uno cercano,si se seleccionó el resistor correcto. El resultado significa que la escalafue correcta y que el valor de la resistencia es de 100Ω).

6. En caso de que la pantalla despliegue un número 1, será necesarioaumentar la escala, porque esa resulta muy pequeña para laresistencia. Cuando se desconoce por completo el rango de laresistencia, colocar el multímetro en la escala más grande y repetir elpaso 3. Si el multímetro despliega un 1 nuevamente, reducir la escalay repetir el paso 3 hasta que se obtenga un valor diferente. La escalase utilizará como multiplicador para el resultado. Por ejemplo, si setiene la escala de 2kΩ y la pantalla despliega un 1.009, la resistenciamedida será de 1.009kΩ ~ 1kΩ.

7. Repetir los pasos del 3 al 5 con cada una de las resistenciasproporcionadas.

8. Comparar el resultado de la lectura y de la medición de cadaresistencia y decidir si corresponden o no (recordando que losresistores tienen un margen de error especificado en la cuarta franja).

Tabla 1

R R1 R2 R3 R4 R5

Valor según franjas(L)

Medición multímetro(M)

¿L = M?

¿qué es la electricidad estática? · tema 1: la energía tema 1, página 4 de 16 energía...

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