Conceptos básicos de electricidad

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Published on March 11, 2014

Author: EnrikeArgueta

Source: slideshare.net

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CONCEPTOS BÁSICOS DE ELECTRICIDAD

CONCEPTOS BÁSICOS DE ELECTRICIDAD Electrostática La materia que nos rodea está formada por átomos. Los átomos a su vez están formados por partículas distribuidas en el núcleo y la corteza. En el núcleo nos encontramos con los neutrones (partículas sin carga y con masa) y protones (partículas con carga positiva y masa). En la corteza girando alrededor del núcleo nos encontramos a lo electrones (partículas con masa despreciable y carga negativa). Cuando el número de protones y electrones es el mismo tenemos átomos neutros, mientras que si el número de ambos no coincide tenemos iones, átomos cargados. Estos iones pueden ser; Iones positivos.- el número de protones es mayor que el número de electrones. Iones negativos.- el número de electrones es mayor que el número de protones. Corriente eléctrica El movimiento de los electrones a través de un conductor. Según el tipo de desplazamiento diferenciamos entre corriente continua y alterna. En la corriente continua los electrones se desplazan siempre en el mismo sentido. Gráficamente: En la corriente alterna los electrones cambian de sentido en su movimiento 50 veces por segundo en el caso europeo y 60 veces por segundo en América. El movimiento descrito por los electrones en este caso es sinusoidal.

Magnitudes básicas Por magnitud física entendemos cualquier propiedad de los cuerpos que se puede medir o cuantificar. En los circuitos eléctricos tenemos: Voltaje o tensión eléctrica.- energía por unidad de carga que hace que éstas circuln por el circuito. Se mide en voltios V. Intensidad.- Número de electrones que atraviesan la sección de un conductor en la unidad de tiempo. Se mide en amperios (A). I = (siendo q la carga y t el tiempo) El amperio es una unidad muy grande equivalente al paso de 6,24·1018 electrones por segundo. Resistencia mide la oposición que ofrece un material al paso de corriente eléctrica. Se mide en Ohmios (W). La resistencia que ofrece un material al paso de corriente eléctrica viene determinada por su longitud su sección y sus características según la ecuación: Atendiendo a esta resistencia los materiales se clasifican en dos grandes grupos: Conductores.- permiten el paso de corriente eléctrica, metales, agua,…. Aislantes.- no permiten el paso de corriente eléctrica, madera, plástico,… Ley de Ohm Ohm realizó numerosos experimentos analizando los valores de estas tres magnitudes observando que si aumentaba la resistencia manteniendo fija la intensidad, aumentaba el voltaje. Si aumentaba la intensidad manteniendo fija la resistencia, aumentaba el voltaje. Es decir la resistencia y la intensidad son directamente proporcionales al voltaje. Estos experimentos llevaron a Ohm a enunciar su ley para el cálculo de las magnitudes básicas de un circuito eléctrico de la siguiente forma: V = I · R

Instrumentos de medida Para medir las diferentes magnitudes eléctricas, existen instrumentos específicos siendo los más utilizados el voltímetro, el amperímetro y el polímetro. Ø Voltímetro.- Mide el voltaje o tensión eléctrica. El aparato se conecta en paralelo con el componente o generador cuya tensión se quiere medir. La resistencia interna del aparato es muy alta de modo que a través de él casi no circula corriente. Suele tener varias escalas, voltios o milivoltios siendo preciso elegir la escala adecuada a la tensión que se va a medir. Si trabajamos con tensiones muy elevadas debemos tener cuidado para no dañarlo. Ø Amperímetro.- Mide la intensidad de la corriente. Se conecta en serie con el circuito. La resistencia interna del aparato es muy pequeña por lo que apenas afecta a la corriente del circuito. También aquí debemos seleccionar la escala adecuada a la intensidad que vamos a trabajar. Si conectamos el aparato en paralelo podemos dañarlo. Ø Multimetro.- Es más avanzado que los anteriores, nos permite medir tensión, intensidad, resistencia,… en diferentes escalas de medida. Puede ser analógico o digital.

Circuito eléctrico Conjunto de operadores unidos de tal forma que permitan el paso de corriente eléctrica para conseguir algún efecto útil (luz, calor, movimiento,…). Los elementos básicos de un circuito eléctrico son: Elementos Función Símbolos Generadores Suministra energía eléctrica acumulada en pilas o generada dinamo Conductores Materiales que sirven de unión entre los distintos operadores del circuito y permiten el paso de corriente eléctrica. Receptores Operadores que transforman la energía eléctrica en otro tipo de energía útil: ü Resistencia (calorífica) ü Bombilla (luminosa) ü Timbre o Zumbador (sonora) ü Motor (mecánica, cinética) Elementos de maniobra y control Sin necesidad de modificar las conexiones del circuito permite gobernar a voluntad su funcionamiento. Abren y cierran el circuito a voluntad. ü Interruptores

ü Pulsadores ü Conmutadores Elementos de protección Elementos intercalados en el circuito que protegen las instalaciones ü Fusibles Generadores La obtención de energía eléctrica se puede producir de varias formas, por frotamiento, presión, luz, acción de campos magnéticos, reacciones químicas,… Los métodos más utilizados son los dos últimos. El uso de la energía química para la producción de energía eléctrica se da en las pilas. Ciertas sustancias naturales tienen la propiedad de generar corriente eléctrica en su interior gracias a la reacción química que se produce entre sus componentes. Si tomamos varios limones y unas chapas de cobre y cinc podremos fabricar una pila de voltaje muy bajo, se trata de una pila muy básica.

Las pilas y baterías comerciales son generadores químicos de energía eléctrica que utilizan elementos capaces de desarrollar un flujo de electrones más intenso. ¿Cómo funciona una pila? Para analizar su funcionamiento imaginemos que estamos en el interior de una pila, observamos que hay una zona en la que existe gran acumulación de electrones (polo negativo) y el otro extremo una menor cantidad de electrones (polo positivo). Si conectamos un receptor (motor) entre los dos terminales de la pila vemos que los electrones comienzan a circular del borne negativo al borne positivo provocando un desplazamiento de los electrones que al atravesar el motor producen su movimiento. Los electrones llegan al polo positivo donde se acumulan, la pila posee la capacidad interna de ir “desplazando” los electrones que llegan al polo positivo al polo negativo. ¿Por qué se gastan las pilas? Este transvase interno de electrones se repite muchas veces hasta que esta capacidad interna se va debilitando y ya no puede llevarse a cabo el transvase. La mayoría de las pilas están fabricadas con metales pesados y por tanto, pueden ser muy contaminantes. Las pilas de tipo botón son las más contaminantes de todas por utilizar mercurio. El mercurio es un veneno muy activo que filtra hacia las aguas subterráneas y desde aquí pasa a los animales pudiendo ser la causa de graves enfermedades, NUNCA tires las pilas a la basura recíclalas en los contenedores existentes para ello o en comercios encargados de recogerlas. Hans Christian Oesterd (1777-1851), físico danés, observó, mediante un experimento que la aguja de una brújula situada cerca de una corriente eléctrica se desviaba. Esto le llevó a una conclusión muy sencilla: La corriente eléctrica pasando a través de un conductor actúa como un imán. ¿Quieres comprobarlo? Enrolla un cable alrededor de una brújula y después conéctalo a un pila, verás cómo se mueve la aguja. Este efecto también podemos observarlo en el siguiente experimento, tomamos un papel y practicamos un orificio para el paso de un cable, en el papel situamos limaduras de hierro y conectamos el cable a una pila, podemos observar como la disposición de las limaduras ala pasar la corriente eléctrica es similar a la que formarían ante la presencia de un imán. Michael Faraday (1791-1867) se enteró del experimento de Oesterd y se le ocurrió la siguiente idea: ¿es posible que el movimiento de un imán genere corriente eléctrica? Para comprobar esta hipótesis construyó una bobina, arrollamiento de un cable conductor y situó un imán en su interior. Produjo el movimiento de uno

respecto al otro y observó que se generaba un flujo eléctrico, a este fenómeno lo denominó inducción magnética, base del funcionamiento de las dinamos. Si enrollamos un cable alrededor de un hierro (un tornillo, varillas,…) tendremos una bobina mucho más potente ya que el hierro facilita la circulación del campo magnético por el interior de la bobina. Este diseño se denomina electroimán y tiene múltiples aplicaciones, timbres, grúa industrial, … Los alternadores y las dinamos son máquinas eléctricas que transforman la energía mecánica de rotación, que reciben a través de su eje en energía eléctrica alterna y continua respectivamente.

El alternador.- Cuando un conductor se desplaza a través de un campo magnético se genera en este una corriente eléctrica inducida. Si el cable utilizado para moverlo con mayor facilidad tiene forma de espira, se inducirá en esta una tensión que irá oscilando (alternado) entre unos valores máximos y mínimo que incluso irán cambiando de giro. Se genera una corriente alterna. El alternador consta de dos partes, el rotor y el estator. El rotor es un elemento cilíndrico provisto de electroimanes situado en el interior del estator capaz de girar alrededor de su eje cuando éste es impulsado por la acción de una fuerza. El estator es la carcasa metálica fija en cuyo interior se aloja el rotor sobre el que se arrolla un hilo conductor. La dinamo y el motor.- Empleando un imán y una espira con unos anillos colectores es posible generar corriente eléctrica alterna, si sustituimos los anillos colectores por un solo anillo dividido en dos partes aisladas entre sí tendremos una dinamo. En este caso la corriente circula en un solo sentido, corriente continua.

La dinamo es una máquina reversible puede trabajar como generador o como motor. Como generador transforma la energía mecánica en energía eléctrica y como motor transforma la energía eléctrica en mecánica de rotación.

Efectos de la corriente eléctrica Efecto luminosos Efecto térmico o efecto Joule.- Cuando la corriente eléctrica atraviesa un conductor aumenta su temperatura. Este efecto no es deseado en los conductores. La cantidad de calor producida en un conductor depende de las características de éste, es decir, de su resistencia, del tiempo y de la cantidad de corriente que circula por el mismo. Efecto magnético.- Como ya vimos descubierto por Oesterd Efecto químico.- Cuando la corriente eléctrica atraviesa disoluciones electrolíticas o conductoras. Efectos fisiológicos.- Efectos que produce la corriente eléctrica sobre los seres vivos. Se pueden clasificar en: Ø Efectos beneficiosos, aparatos para tratamientos en medicina, electrocardiogramas, electrocirugía, electrodiálisis… Ø Efectos perjudiciales producen electrocución. Paradas cardiorespiratorias, quemaduras,… Tipos de circuitos eléctricos Para comprender y realizar cálculos en lso circuitos eléctricos es imprescindible conocer la Ley de Ohm. En un circuito eléctrico, hay tres formas de conexionar los generadores y los receptores: en serie, en paralelo y mixto. Serie.- Los elementos de un circuito están conectados en serie cuando se colocan uno a continuación de otro formando una cadena, de modo que la corriente que circula por un determinado elemento será la misma que para el resto. Asociación de generadores en serie.- La tensión equivalente Ve será igual a la suma de todas las pilas conectadas en el mismo sentido, con este tipo de conexión conseguimos mayor voltaje o tensión para el circuito. Asociación de resistencias en serie.- Como ya vimos en un circuito en serie la intensidad del circuito y la intensidad que atraviesa cada receptor es la misma, y el voltaje total es igual a la suma de los voltajes de cada receptor: IT = I1 = I2

Aplicamos la ley de Ohm: I · Re = I · R1 + I · R2 I · Re = I · (R1 + R2) Re = R1 + R2 La Resistencia equivalente en un circuito en serie es igual a la suma de las resistencias del circuito. Paralelo.- Los elementos de un circuito están conectados en paralelo cuando todos ellos están conectados a los mismos puntos y por tanto, a todos se les aplica el mismo voltaje o tensión. Asociación de generadores en paralelo.- Se deben conectar siempre pilas del mismo voltaje y en el mismo sentido. La tensión equivalente es la misma que la de una de las pilas. En este caso conseguimos aumentar la duración de las pilas. Ve = Vi Todos los elementos del circuito tienen el mismo voltaje, es decir: VT = V1 = V2 = V3 Asociación de resistencias en paralelo.- Como podemos observar, en un circuito en paralelo la intensidad del circuito es igual a la suma de las intensidades de cada receptor: IT = I1 + I2 + I3

Aplicamos la ley de Ohm: y por tanto: Mixto.- Los elementos de un circuito están conectados en paralelo y en serie. La resolución de este tipo de circuitos es una combinación de los dos anteriores. Energía y potencia eléctrica La energía o trabajo eléctrico, W, es el producto de la fuerza electromotriz necesaria para transportar las cargas eléctricas por el valor de estas cargas. Se mide en Julios (J). Un Julio es un watio por segundo, J = w · s E = W = fem · carga = V · q = V · I · t La potencia eléctrica podemos definirla como la cantidad de energía eléctrica generada o transformada por unidad de tiempo.

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