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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. “aniones”
Iones negativos.- el número de electrones es mayor que el
número de protones. “cationes”
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:
V
t
en este gráfico el eje vertical se simboliza con V porque en el están los
valores de voltaje y en el eje horizontal
En la corriente alterna los electrones cambian de sentido en su
movimiento 50 veces por segundo en el caso europeo y parte de
América incluido Argentina y 60 veces por segundo enEEUU. 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 circulen 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 = 𝑞/𝑡 (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 Ohm u Ohmios que se representa con
la letra griega omega (Ω).
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 Polímetro.- 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 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:
“Investigar sobre el Efecto luminosos”
Ø Efectos beneficiosos: aparatos para tratamientos en medicina,
electrocardiogramas, electrocirugía, electrodiálisis…
Ø Efectos perjudiciales: producen electrocución. Paradas
cardiorrespiratorias, 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.
el símbolo ∑ significa sumatoria, en este caso de los
voltajes conectados en serie
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 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 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.
