unidad didactica electricidad 1eso

5/24/2018 Unidad Didactica Electricidad 1eso

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Tecnologa Antonio Bueno

Electricidad y Electrnica - 1

Unidad didctica:Electricidad y Electrnica

CURSO 1 ESO versin 1.0


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NDICE1.- El tomo y sus partculas.2.- Materiales conductores, aislantes y semiconductores.3.- Resistencia. Corriente elctrica. Diferencia de potencial.4.- Circuito elctrico, Elementos del circuito elctrico, Ley de Ohm.5.- Circuitos bsicos (serie, paralelo y mixto).6.- Obtencin de luz y calor. Otros Efectos. Receptores. Aplicaciones.7.- Simbologa normalizada.8.- Actividades propuestas y ejercicios.

1.- El tomo y sus partculas.

La materia est constituida por molculas y stas asu vez por tomos.

El tomo, esta formado por un ncleo y unacorteza. En el ncleo se encuentran los protones yneutrones, mientras que en la corteza seencuentran los electrones, girando alrededor delncleo en distintas rbitas.

Partculas del tomo

Los protones poseen carga elctrica positiva ymasa. Los neutrones no poseen carga, su funcin

es la de mantener unidos a los protones entre si, ytambin poseen masa. Los electrones tienen cargaelctrica negativa, del mismo valor que la delprotn, su masa es muy inferior a la del protn oneutrn, por lo que la consideraremos despreciable.

Un tomo se considera elctricamente neutrocuando tiene el mismo nmero de protones que deelectrones.

La masa del tomo, es la suma de las masas deprotones y neutrones.

2.- Materiales conductores,aislantes y semiconductores.

Las propiedades del tomo dependen de comoestn distribuidos sus electrones en la corteza.Aquellos que tienen pocos electrones en su ltimacapa y est incompleta, los pueden perder confacilidad, quedando cargados positivamente (+).Estos tomos reciben el nombre de metales.

tomo de Mg2+

Los tomos a los que les faltan pocos electronespara completar su ltima capa, los ganan confacilidad, quedando cargados negativamente (-).Son los no metales.

tomo de F-

Unidad didctica:Electricidad y Electrnica


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Si tienen completa la ltima capa, se quedan comoestn y quedarn neutros. Estos son los gasesnobles o inertes.

Cuando los tomos metlicos se unen entre si loselectrones de su ltima capa circulan por laestructura con gran libertad, y por ello se les

conoce como conductores.

Red cristalina de un metal

Cuando un material no permite la circulacin de loselectrones entre sus tomos, se le conoce comoaislante.

Existen un grupo especial de materiales (Silicio yGermanio) que en determinadas circunstanciaspermiten la circulacin de sus electrones y en otrasno, se les conoce como semiconductores.

3.- Resistencia. Corrienteelctrica. Diferencia de potencial.

La resistividad ( ) es una propiedad intrnseca

de cada material, cada material tiene la suya, indicala dificultad que encuentran los electrones a supaso.

Material resistividad ( ) Unidades

Cobre 0,0172

m

mm2

Aluminio 0,0283m

mm2

Hierro 0,1

m

mm2

Madera De 108 x 106a1.014 x 106

m

mm2

Vidrio 1.010.000.000

m

mm2

La resistencia al paso de electrones de un objeto

depende de la resistividad de dicho material y de laforma que tiene. La resistencia se puede medir ycalcular.

La formula que calcula la resistencia de una barra ode un hilo es:

S

LR =

Donde:Res el valor de la resistencia en ohmios ()

es la resistividad del materia (m

mm2

)

Lla longitud del elemento.Sla seccin del elemento.

Por ejemplo:Una barra de cobrede 12 m de longitud y 20 mm2de seccin tiene una resistencia de

=== 01032,020

120172,0

2

2

mm

m

m

mm

S

LR

Si la barra es de maderade 12 m de longitud y 20mm2de seccin su resistencia ser de

===5

2

26

1064820

1210108 x

mm

m

m

mmx

S

LR

Se define la corriente elctrica como el pasoordenado de electrones a travs de un conductor.

Corriente de electrones a travs un conductor

De manera que estos electrones pasan de untomo al siguiente y as sucesivamente avanzandomuy poco pero lo hacen muy rpidamente.

La cantidad de carga que circula por un conductoren un segundo se denomina Intensidad deCorriente oCorriente elctrica. Se representa porla letra Iy su unidad es el Amperio (A).

Para que los electrones realicen este movimientoordenado debe existir una fuerza que los impulse, aesta fuerza se le llama Diferencia de PotencialoFuerza Electromotriz. Esto lo podemos conseguirconectando cargas de distinto signo en losextremos del conductor.

Fuerza electromotriz que impulsa la corriente de electrones atravs un conductor


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En la prctica se puede conseguir con una pila, conuna batera o conectndolo a la red elctrica.

Obtencin de la Fuerza electromotriz de una pila

La diferencia de potencial (voltaje) se representapor la letra Vy su unidad es el Voltio (V).

Aunque son los electrones los que circulan del polonegativo al positivo , siempre se haconsiderado la circulacin de la corriente desde elpolo positivo hasta el polo negativo .

4.- Circuito elctrico, Elementosdel circuito elctrico, Ley de Ohm.

Un circuito elctrico es todo conjunto deelementos conectados entre s, por los que circulacorriente elctrica.

Como mnimo debe estar compuesto de doscomponentes:

Generador: Es el encargado de crear la diferenciade potencial para que circulen los electrones.

Conductor: Es el material a travs del cualpasarn los electrones.

Cortocircuito, no deseable

Este tipo de circuito no es til, sino justo locontrario, puede incluso causar una desgracia yaque las altas corrientes que circulan por el

conductor pueden llegar a derretirlo y generar unfuego. A este circuito se le conoce comocortocircuito.

El circuito bsicotil es aquel que adems incluyeun receptor, y un elemento de control o maniobra.

Receptor: Es el encargado de transformar lacorriente elctrica en otro tipo de energa. Porejemplo, una bombilla la transforma en luz.

Elemento de control: Se encarga de permitir ointerrumpir el paso de electrones. Un interruptor esuno de ellos. Cuando interrumpimos el circuito loselectrones que parten del polo negativo delgenerador no pueden circular hasta el polo positivoy por lo tanto no hay circulacin de corriente.

Circuito bsico

Adicionalmente se puede incluir un elemento deproteccin.

Elemento de Proteccin: Se trata de un elementoque interrumpe el paso de electrones en caso decortocircuito, por ejemplo un cortacircuito fusible.Un cortacircuito fusible se destruye cuando seproduce un cortocircuito.

Circuito bsico con elemento de proteccin


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El cientfico George Simon Ohm, relacion laintensidad de corriente, la diferencia de potencial yla resistencia, enunciando la ley de Ohm de laforma siguiente:

En un conductor, en el que tenemos aplicada unadiferencia de potencial de 1 Voltio y su resistencia

es de 1 Ohmio la intensidad de corriente que loatraviesa ser de 1 Amperio.

R

VI=

Esta ley se cumple siempre en todos los elementossometidos a diferencia de potencial y por los quecircula intensidad de corriente.

Por ejemplo:

En el circuito anterior la pila tiene una diferencia depotencial de 9 Voltios, la resistencia de la bombillaes de 100 . Qu intensidad de corriente saldrde la pila y atravesar la bombilla?

Solucin:

AR

VI 09,0

100

9===

Luego circularn 0,09 A por la bombilla.

5.- Circuitos bsicos (serie,

paralelo y mixto).Un circuito serie, es aquel que tiene conectadossus receptores uno a continuacin del otro.

Por ejemplo, estas bombillas estn conectadas enserie.

Circuito Serie

El circuito serie se caracteriza por:

La resistencia total del circuito es lasuma de las resistencias que locomponen. 21

RRRT +=

La corriente que circula es la mismapor todos los elementos. 21 IIIT ==

La fuerza electromotriz generada porel generador se reparte entre losdistintos elementos.

21 VVV +=

Por ejemplo:

En el circuito serie anterior la pila tiene unadiferencia de potencial de 9 Voltios y la resistenciade las bombillas es de 100 . Calcular todos los

valores de este circuito?

Solucin:La resistencia total ser:

=+=+= 20010010021 RRRT

De la ley de Ohm podemos obtener la corrientetotal:

AV

R

VI

T

T 045,0200

9=

==

La corriente que circula por cada elemento es igual:AIIIT 045,021 ===

De la ley de Ohm podemos obtener la tensin encada elemento:

VAIRV 5,4045,0*100* 111 === VAIRV 5,4045,0*100* 222 ===

Como comprobacin tenemos que:

VVVVVV 95,45,421 =+=+=

Como conclusin, se puede observar que alrepartirse la tensin entre las bombillas esto serefleja con una disminucin de la luminosidad decada una de ellas.

Otra observacin interesante de este circuito esque si se rompe una de las bombillas, seinterrumpe el circuito y deja de lucir la otra bombilla.

Un circuito paralelo, es aquel que tiene

conectados los terminales de sus receptores unidosentre si.


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Por ejemplo, estas bombillas estn conectadas enparalelo.

Circuito Paralelo

El circuito paralelo se caracteriza por:

La inversa de la resistencia total delcircuito es la suma de las inversasde las resistencias que locomponen. 21

111

RRRT

+=

Otra forma de expresar laresistencia total cuando son dos loselementos es: 21

21 *

RR

RRRT

+=

La corriente total que sale delgenerador se reparte por todos loselementos. 21

IIIT +=

La fuerza electromotriz generada porel generador llega por igual a todoslos elementos.

21 VVV ==

Por ejemplo:

En el circuito paralelo anterior la pila tiene unadiferencia de potencial de 9 Voltios y la resistencia delas bombillas es de 100 . Calcular todos los valoresde este circuito?

Solucin:

La resistencia total ser:

=

+

=

+

= 50

100100

100*100*

21

21

RR

RRRT

De la ley de Ohm podemos obtener la corriente total:

AV

R

VI

T

T 18,050

9=

==

La tensin que tiene cada bombilla es igual a la delgenerador:

VVVV 921 ===

De la ley de Ohm podemos obtener la corriente en cadaelemento:

AV

R

VI 09,0

100

9

1

11 =

==

AV

R

VI 09,0

100

9

2

22 =

==


AAAIIIT 18,009,009,021 =+=+=

Como conclusin, se puede observar que la tensinen las bombillas es la misma y esto se refleja con lamisma luminosidad que si estuviesen solas cadauna de ellas.

Otra observacin interesante de este circuito esque aunque se rompa una de las bombillas, noafecta a la otra y sigue luciendo con normalidad.

Los elementos de nuestras viviendas estnconectados en paralelo.

Un circuito mixto, es aquel que tiene elementosen paralelo y en serie.

Por ejemplo, las bombillas 2 y 3 estn conectadasen paralelo y a la vez las dos en serie con la 1.

Circuito mixto


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Este circuito aglutina las caractersticas de los doscircuitos, por lo que se tiene que resolver poco apoco por partes, en primer lugar se resuelven loselementos que estn en paralelo, y luego los queestn en serie.

Las bombillas 2 y 3 estn en paralelo luego

tendremos:Las bombillas 2 y 3 se caracterizan por:

La resistencia total de las bombillas2 y 3 ser:

32

32 *

RR

RRRP

+=

La corriente total que circula por lasdos bombillas es: 32 IIIP +=

La diferencia de potencia en las dosbombillas ser la misma. 21 VVVP ==

Circuito con resistencia equivalente del paralelo RP

La bombilla 1 esta en serie con la resistencia

equivalente del paralelo de las bombillas 2 y 3.El circuito serie se caracteriza por:

La resistencia total del circuito es lasuma de las resistencias que locomponen. PT

RRR += 1

La corriente que circula es la mismapor los dos elementos. PT III == 1

La fuerza electromotriz generada porel generador se reparte entre los

distintos elementos.

PVVV += 1

Por ejemplo:

En el circuito mixto anterior la pila tiene unadiferencia de potencial de 9 Voltios y la resistenciade las bombillas es de 100 . Calcular todos losvalores de este circuito?

Solucin:La resistencia de las bombillas en paralelo ser:

=+

=

+= 50

100100

100*100*

32

32

RR

RRRP

La resistencia total ser la suma de RP y R1

=+=+= 150501001 PT RRR

De la ley de Ohm podemos obtener la corrientetotal:

AV

R

VI

T

T 06,0150

9=

==

La corriente que circula tanto por la bombilla 1como por la resistencia equivalente del paralelo,ser igual a la total.

AIII PT 06,01 ===

De la ley de Ohm podemos obtener la tensin quehay tanto en la bombilla 1 como en la resistenciaequivalente del paralelo de las bombillas 2 y 3.

VAIRV 606,0*100* 111 === VAIRV PPP 306,0*50* ===

La tensin que tienen las bombillas 2 y 3 es igual ala del paralelo:

VVVVP 321 ===

De la ley de Ohm podemos obtener la corriente enlas bombillas 2 y 3:

AV

R

VI 03,01003

2

22 =

==

AV

R

VI 03,0

100

3

3

33 =

==


AAAIIIP 06,003,003,032 =+=+=

Este circuito tiene propiedades de los dos circuitosserie y paralelo.


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6.- Obtencin de luz y calor apartir de la corriente elctrica.Otros Efectos. Receptores.

El paso de electrones a travs de los cuerposproduce un efecto de excitacin sobre los tomos.

Esta excitacin crea un aumento de la temperaturadel cuerpo y la emisin de luz.

Si el objeto es un filamento fino de un materialcomo el tungsteno, carbn, etc. el resultado es unhilo muy radiante, que es capaz de iluminar todo loque se encuentra a su alrededor. As como unaelevada temperatura junto al hilo.

Fenmeno de incandescencia

Un ejemplo de estos dos fenmenos luz y calor,son la bombilla incandescente y la estufa elctrica.

Luz y calor

En el primer caso se aprovecha la potencialumnica, y se desaprovecha el calor emitido por labombilla, mientras que en el segundo caso seaprovecha la potencia calorfica, y no importa lailuminacin que emite.

Otro efecto que produce el paso de la corriente esel electromagntico. Es decir, un conductor por elque hay variacin de corriente elctrica crea a sualrededor un campo magntico, que lo envuelve,comportndose como un imn con polo norte y sur.

Fenmeno magntico

Receptores que se basan en este efecto son losmotores, timbres, zumbadores, dnamos,alternadores, transformadores, rels y un sinfn deaparatos. Una aplicacin muy extendida es laemisin de ondas electromagnticas en la radio y eltelfono mvil, con ayuda de una antena.

Motor, zumbador, transformador y rel

Una aplicacin del motor es el taladro.

Taladro

En numerosas ocasiones se combinan variosefectos en un mismo aparato, por ejemplo unsecador del pelo combina un motor con unventilador y una resistencia que genera el calor.


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Secador de pelo

7.- Simbologa normalizada.

A continuacin pueden verse algunos de lossmbolos normalizados utilizados en electricidad.

Smbolo Descripcin

Corriente continua

Corriente alterna

Conductor

Fusible

Punto de unin

Terminal

Pila o acumulador, el trazo largoindica el positivo

Resistencia

Interruptor normalmente abierto(NA). Cualquiera de los dos

smbolos es vlido

Conmutador

Conmutador con posicionamientointermedio de corte

Pulsador normalmente cerrado

Pulsador normalmente abierto

Motor de corriente continua

Bobina de rel, smbolo general.Cualquiera de los dos smbolos

es vlido.

Timbre, Zumbador

Lmpara, smbolo general

Veamos cual ser el esquema normalizado de loscircuitos anteriores.

Circuito en cortocircuito, generador y conductor.

Cortocircuito, no deseado

Circuito bsico, con generador, interruptor yreceptor (una lmpara).

Circuito bsico

Circuito bsico con proteccin fusible, loselementos son generador, fusible, interruptor yreceptor (una lmpara).

Circuito bsico con proteccin


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Circuito serie con dos lmparas.

Circuito serie

Circuito paralelo con dos lmparas.

Circuito paralelo

Circuito mixto con tres lmparas.

Circuito mixto

8.- Actividades propuestas yejercicios.

1.- Pon el tipo de elemento de que se trata en elcircuito siguiente: Generador, Receptor, Conductor,Elemento de proteccin, Elemento de Control.

2.- Teniendo en cuenta que los electrones puedenmoverse libremente por el interior de losconductores, indica la direccin hacia donde loharn en las figuras siguientes.

3.- Los dibujos siguientes, representan esquemascon smbolos que no estn normalizados. Dibujalos esquemas de nuevo con los smbolosnormalizados.


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4.- Obtn el valor de la resistencia equivalente enlos circuitos siguientes.


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VOCABULARIO TCNICO

Castellano ValenciElectrn ElectrProtn Prot

Neutrn Neutr

Conductor ConductorAislante Allador, isolador

Resistencia ResistnciaDiferencia de potencial, Fuerza

electromotriz, VoltajeDiferncia de potencial, Fora

electromotriu, VoltatgeIntensidad de corriente Intensitat de corrent

Generador GeneradorReceptor Receptor

Elemento de control Element de controlElemento de proteccin Element de protecci

Smbolo Descripcin Descripci

Corriente continua Corrent continua

Corriente alterna Corrent alterna

Conductor Conductor

Fusible Fusible

Punto de unin Punt de uni

Terminal Terminal

Pila o acumulador, el trazo largoindica el positivo

Pila o acumulador, el tra llargindica el positiu

Resistencia Resistncia

Interruptor normalmente abierto(NA). Cualquiera de los dos

smbolos es vlido

Interruptor normalment obert(NA). Qualsevol dels dues

smbols es vlid

Conmutador Commutador

Conmutador con posicionamientointermedio de corte

Commutador ambposicionamment intermitj de tall

Pulsador normalmente cerrado Polsador normalment tancat

Pulsador normalmente abierto Polsador normalment obert

Motor de corriente continua Motor de corrent continua

Bobina de rel, smbolo general.Cualquiera de los dos smbolos

es vlido.

Bobina de rel, smbol general.Qualsevol dels dues smbols es

vlid.

Timbre, Zumbador Timbre, Brunzent

Lmpara, smbolo general Llntia, smbol general

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