IntroduccióN: electricidad estática y dinámica




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fecha de publicación27.12.2015
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UNIDAD 2. ELECTRICIDAD.

INTRODUCCIÓN: ELECTRICIDAD ESTÁTICA Y DINÁMICA.
Si frotamos una barra de vidrio con un trozo de tejido de seda, la barra adquiere la curiosa propiedad de atraer cuerpos ligeros como pedacitos de papel. El mismo fenómeno se observa si frotamos una barra de plástico con un paño de lana. Se dice que ambos cuerpos, vidrio y plástico, están electrizados y a la forma de energía que es la causa de estos fenómenos se le llama electricidad.

Pero existe una diferencia. Aunque el frotamiento del vidrio y del plástico provoca los mismos fenómenos, el estado eléctrico de ambos cuerpos no es el mismo ya que un trozo de papel atraído por la barra de vidrio sería después repelido por la barra de plástico y viceversa. Cuando se estudiaron estos fenómenos se dijo arbitrariamente que la barra de vidrio queda electrizada positivamente (pasan electrones del vidrio a la seda) y la de plástico negativamente (pasan electrones de la lana al plástico).

Pero, ¿Qué ha ocurrido en realidad? Al frotar la barra de plástico con el paño de lana, pasan electrones de la lana al plástico. El plástico queda con exceso de electrones y la lana, con defecto de electrones. El plástico adquiere carga negativa. Sin embargo, al frotar la barra de vidrio con la seda, pasan electrones del vidrio a la seda. El vidrio queda con defecto de electrones y la seda con exceso de electrones. El vidrio adquiere carga positiva. Existen distintas formas de cargar un cuerpo: por frotamiento (como las barras de vidrio y plástico), por contacto y por inducción (separación en un cuerpo de las cargas positivas y negativas al acercarles otro cuerpo cargado).

Hay otros fenómenos provocados por la electricidad y de índole diferente. Por ejemplo, cuando en nuestra habitación pulsamos el interruptor, instantáneamente se enciende la luz. Lo que hemos hecho en este caso es unir los hilos de una lámpara de incandescencia a los hilos de la distribución eléctrica y, con ello, a la instalación de generadores eléctricos situados en una lejana central eléctrica. En resumen, hemos establecido una corriente eléctrica.

En los fenómenos de frotamiento del vidrio o del plástico, la electricidad permanece en reposo, no se mueve: se llama electricidad estática o electrostática. En el fenómeno de la corriente eléctrica, la electricidad se mueve a través de un hilo conductor desde la central eléctrica hasta el receptor eléctrico y retorna a la central a través de otro hilo conductor, en este caso se llama electricidad dinámica o electrodinámica. Casia todas las aplicaciones prácticas de la electricidad son de este último tipo.
CORRIENTE ELÉCTRICA.
Es un fenómeno físico que se desarrolla en determinadas condiciones, en ciertas sustancias. Consiste en el desplazamiento de electrones situados en las órbitas más alejadas de los núcleos de los átomos de que están compuestas estas sustancias.

Las sustancias que permiten el desplazamiento de cargas reciben le nombre de conductoras. Ejemplos: cobre, aluminio, bronce, acero, oro, plata…A las sustancias que no permiten el paso de corriente se las denomina sustancias aislantes. Ejemplos: vidrio, porcelana, papel, madera, plástico, seda, caucho, aceites, cera, alcoholes…

En electricidad, si tenemos dos elementos conectados entre sí por medio de un conductor, y uno de ellos tiene mayor carga negativa que el otro, decimos que tiene mayor tensión o potencial eléctrico. Debido a ello, los electrones que tiene en exceso serán atraídos, a través del conductor, hacia el cuerpo que tiene menor tensión o potencial eléctrico, hasta que las cargas de los dos cuerpos se igualen.

En resumen, una corriente eléctrica es un conjunto de cargas eléctricas que se mueven a través de un conductor. Para que este movimiento se produzca es necesario que entre los dos extremos del conductor exista una diferencia de potencial eléctrico.
CIRCUITO ELÉCTRICO.
Es un conjunto de elementos que unidos convenientemente entre sí, permiten la circulación de electrones. Estos elementos son:

  • generador: dispositivo que crea y mantiene la diferencia de potencial necesaria para que se produzca corriente eléctrica.

  • conductor: elemento por el que circulan cargas eléctricas.

  • receptores: dispositivo que consume una cierta energía eléctrica aportada por el generador, y la transforma en otra forma de energía, para producir un efecto útil, como puede ser luz, calor, movimiento, sonido…

  • elementos de maniobra y control: permiten dirigir o interrumpir el paso de corriente.

  • elementos de protección: protegen el circuito de las posibles sobrecargas que pueden presentarse de forma imprevista.


Veamos que ocurre en un circuito eléctrico.

Para mayor claridad, vamos a suponer que la corriente eléctrica está formada por gotas de agua que se encuentran en un vaso (generador) en dos compartimentos (polos del generador) separados perfectamente, siendo la única salida los grifos, que en el generador se encuentran marcados con el + y el -.

Lógicamente, en este doble vaso (generador) encontraremos que uno de ellos está prácticamente lleno de agua (electrones), siendo este vaso el marcado con el -, por lo que la diferencia de niveles de agua (diferencia de potencial) va a originar que fluya agua desde el vaso con mayor cantidad de agua (electrones) al de menor cantidad. Este proceso continuará hasta que los niveles de agua (electrones) en ambos vasos (polos del generador) sean iguales. El primer problema que se nos presenta es que el circuito montado de esta manera estará funcionando de una forma indefinida, por lo que se debe intercalar en el mismo una llave ara abrir o cerrar el paso de de la corriente según sea preciso. Estos son los elementos de maniobra y control.



GENERADORES.
Hay distintos tipos, que se diferencian entre otras características en el valor de la tensión que son capaces de proporcionar. Dicho valor se llama voltaje o tensión y se mide en voltios.

Los generadores también se diferencian en el tipo de energía que utilizan para generar la corriente (es decir, mantener la diferencia de potencial). Así por ejemplo, mientras que las pilas y baterías emplean energía química, los alternadores y dinamos utilizan energía mecánica.

Pilas, generan corrientes eléctricas a partir de las reacciones químicas que se producen entre sus elementos básicos: cátodo (electrodo negativo) y ánodo (electrodo positivo) y electrolito.

Baterías, son asociaciones de dos o más pilas en serie.

Acumuladores, pilas o baterías en las que, al agotarse las sustancias activas que producen energía eléctrica, pueden recuperarse de nuevo al pasar una corriente eléctrica de sentido contrario, proporcionada por un generador exterior.

PRECACUCIONES.

La mayoría de las pilas están fabricadas con metales pesados y son, por tanto, muy contaminantes. Las pilas de botón son las más contaminantes de todas, ya que utilizan mercurio en su fabricación. Todas las pilas en general, no deben nunca echarse a la basura, sino devolverlas una vez gastadas a los mismos establecimientos o depositarlas en recipientes especiales. Las pilas cilíndricas y de petaca no son tan contaminantes. No obstante, siempre es conveniente leer el etiquetado de las mismas en cada caso.

CONDUCTORES Y ASILANTES.
Los conductores, son aquellos materiales que dejan pasar la corriente eléctrica con facilidad o que pueden ofrecer poca resistencia a su paso. Ejemplos: cobre, plata, aluminio… Se pueden presentar en forma de hilos (Ǿ< 4mm), varillas (Ǿ> 4mm), cables (formados por hilos de poca sección) y pletinas.

Los aislantes, son materiales que no dejan pasar o que permiten el paso de muy poca cantidad de corriente eléctrica. Ejemplo: mica, porcelana, vidrio…
RECEPTORES.
Lámparas de incandescencia, consisten en una ampolla de vidrio rellena de gas (argón, nitrógeno) y un filamento de tungsteno, que se pone incandescente con el paso de corriente. Aproximadamente el 90% de la energía consumida se transforma 4en energía calorífica.

Lámparas fluorescentes, contiene un gas encerrado en un tubo, que tiene sus paredes interiores recubiertas de fósforo. Cuando se conecta la corriente, el gas se ioniza; es decir, desprende electrones que chocan contra las paredes de fósforo haciendo que se iluminen.

Timbre, es un elemento acústico que emite un sonido cuando se le aplica una tensión. Está formado por un electroimán que atrae una barra metálica, en uno de cuyos extremos se encuentra un martillo que golpea una campana. El otro extremo de la barra funciona como interruptor, cerrando el circuito cuando el timbre se encuentra en reposo y abriéndolo cuando es atraído por el electroimán.
ELEMENTOS DE MANIOBRA Y CONTROL.
Interruptores, dispositivo que sirve para permitir o cortar el paso de corriente eléctrica a través de un circuito son modificarla. Está constituido por dos láminas metálicas sujetas a una base aislante, que mediante presión o deslizamiento, se unen o separan. Se recubren con material aislante.

Pulsadores, dispositivo que cuando se oprime permite el paso de corriente, y cuando se deja de oprimir, la interrumpe (puede ser al revés). Están constituidos por un soporte aislante, donde se encuentran los bornes de conexión y una parte móvil, en la que se sitúa una lámina metálica y un muelle que permite el retorno a la posición de reposo del pulsador.


Conmutador, es un interruptor doble que actúa sobre dos circuitos, encendiendo uno y apagando el otro, o viceversa.

Llave de cruce, interruptor de cuatro contactos, conectados dos a dos, de manera que al cambiar las conexiones cambia el sentido de la corriente.
ELEMENTOS DE PROTECCIÓN.
Fusibles, conectados en serie en la instalación eléctrica. Están formados por un hilo de cobre, normalmente de sección menor que el resto de conductores. Si la corriente es excesiva, el hilo se funde.

Automáticos, elementos que limitan el paso de corriente.

Diferenciales, elementos que actúan desactivando el circuito cuando se produce una derivación de corriente eléctrica a través de una persona a tierra.

SIMBOLOGÍA.
La representación gráfica de cualquier circuito eléctrico, debe respetar la simbología asignada a cada elemento. Esto facilita su rápida comprensión y facilidad de interpretación. En la siguiente tabla se ven algunos de los elementos de uso más frecuente.



MAGNITUDES ELÉCTRICA.
Carga Eléctrica: Q, es la cantidad de electricidad. Su unidad es el culombio (c).

Intensidad: I, es la cantidad de carga que atraviesa la sección de un conductor en la unidad de tiempo, I =; el tiempo en segundos y la carga en culombios. La unidad de la intensidad es el amperio (A).

Resistencia: R, es la dificultad que opone un conductor al paso de corriente eléctrica. Esta resistencia depende de la longitud del conductor, de su sección y del material, de la siguiente forma: R = , siendo l la longitud en metros, ρ la resistividad del material y s la sección en m2. La unidad de la resistencia es el ohmio (Ω).

Voltaje o tensión: V (a veces, d.d.p), es la diferencia de energía que tiene la unidad de carga entre dos puntos. Su unidad es el voltio (V).

Ley de Ohm: R = , V en voltios, I en amperios y R en ohmios.
Es importante el concepto de energía. Si se enciende una bombilla comienza a circular una corriente eléctrica. Para que ésta se mantenga es necesario consumir energía. La energía eléctrica suministrada por el generador al circuito debe ser igual a la consumida en él, que se convierte en otras formas de energía. En un circuito esta energía es: T=E =VQ= VIt. La unidad es el Julio (J).

Efecto Joule: los electrones, al circular por los conductores, chocan con los átomos que los forman, transformando la energía eléctrica en energía interna. Los choques de los electrones liberan suficiente energía para originar un calentamiento del conductor. Por tanto la energía disipada en un conductor o resistencia R es: T=E=VIt=RI2t.

Potencia: P, es la cantidad de energía eléctrica consumida o producida por unidad de tiempo. Su expresión es: P = = = VI. En una receptor de resistencia R, podríamos tener: P = VI = IRI =RI2. Su unidad es el watio (W).
MONTAJES ELÉCTRICOS.
Conexiones en serie.

Los elementos se disponen uno a continuación del otro, unidos mediante cables conductores, de manera que el polo positivo de cada elemento se conecta con el polo negativo del siguiente.

En esta disposición, cada uno de los elementos del circuito están sometidos a una tensión diferente, y por todos y cada uno de ellos circula la misma intensidad.

Inconveniente: cuando falla uno de los componentes se interrumpe el paso de corriente por el resto.

La resistencia total que ofrecen todos los componentes conectados en serie es:

Req = R1 + R 2+ R3 + …

Conexiones en paralelo.

Los elementos se disponen de tal manera que todos y cada uno de ellos estrán conectados con el polo positivo y el polo negativo del generador de corriente. En esta disposición, todos los elementos del circuito están sometidos a la misma tensión, pero por cada uno de ellos circula una intensidad de corriente diferente. La resistencia total que ofrecen los elementos conectados en paralelo es: Req=
Circuitos mixtos.

Circuitos que tienen algunos elementos dispuestos en serie y otros conectados en paralelo.

INSTRUMENTOS DE MEDIDA ELÉCTRICA.
Galvanómetro. Instrumento de medida que detecta el paso de corriente eléctrica, determinando su sentido de flujo.

Amperímetro. Mide la intensidad de corriente. Debe conectarse en el circuito siempre en serie.

Voltímetro. Mide la diferencia de potencial entre dos puntos del circuito. El aparato debe conectarse en paralelo.

Polímetro. Instrumento que puede medir voltaje, intensidad, resistencia y otras magnitudes. Posee varias escalas, y en ellas se puede leer, tanto distintas magnitudes, como diferentes apreciaciones de cada una de ellas. Sirve tanto para corriente continua como alterna.

Normas básicas para utilizar estos aparatos.

  1. Conocer el tipo de corriente que se desea medir (continua o alterna).

  2. Saber el tipo de magnitud que se quiere medir.

  3. Elegir la escala que se debe utilizar. Si no se conoce el valor aproximado que se espera obtener, se debe empezar siempre por el valor más alto, para evitar sobrecargas que dañen el aparato.

  4. Utilizar correctamente el circuito de medida (en serie o en paralelo).

  5. Interpretar correctamente la escala.

Existen además dos tipos de aparatos: analógicos (con indicaor de aguja sobre una escala) y digitales (con indicador de cristal líquido o un indicador de siete segmentos).

SENTIDO DE LA CORRIENTE.
Existen dos tipos de corriente: corriente continua y corriente alterna. En la primera, los electrones circulan siempre en el mismo sentido, desde el polo negativo al polo positivo (aunque por convenio, el sentido de la corriente es al contrario, por motivos históricos). Sin embargo, en la segunda, las cargas no se mueven siempre en el mismo sentido.
MAGNETISMO.
La propiedad que tienen ciertos cuerpos de atraer a metales como el hierro, cobalto, níquel y a algunas de sus aleaciones se llama magnetismo. Se dice que la palabra magnetismo proviene de la siguiente leyenda: “Un pastor que se llamaba Magnus puso la punta de hierro de su bastón sobre una piedra magnética y la punta se le quedó cogida a la piedra”. Pero es más probable que proviniese de la ciudad de Magnesia en el Asia Menor, donde ya se encontraba magnetita (mezcla de varios óxidos de hierro) en abundancia en la antigüedad. Los cuerpos que tienen esa propiedad se llaman imanes. Según su origen pueden ser naturales (magnetita) o artificiales. Estos últimos pueden ser a su vez temporales (se comportan como tales por inducción de un campo magnético creado por otro imán o por la corriente eléctrica) o permanentes (conservan sus propiedades magnéticas al cesar la acción externa).

Las propiedades magnéticas de los imanes se manifiestan de forma intensa en sus extremos, denominados polos. Estos polos reciben el nombre de polo Norte y polo Sur. Además, polos del mismo nombre se repelen y polos de distinto nombre se atraen.

Todo imán origina a su alrededor una región en la cual se pone de manifiesto los efectos magnéticos. A esta región se le denomina campo magnético.
ELECTROMAGNETISMO.
El físico Danés Hans C. Oesterd descubrió en 1820 la acción de la corriente eléctrica sobre los imanes. Oesterd observó que la corriente eléctrica que pasaba por un conductor podía desviar la aguja de una brújula que se encontrase a poca distancia como si se tratase de un imán. A la conclusión que llegó fue, que cargas eléctricas en movimiento originan en sus proximidades campos magnéticos.

A partir de este importante descubrimiento, la electricidad y el magnetismo, que se consideraban hechos independientes, pasaron a ser una rama única de la física, el electromagnetismo.

La aplicación más sencilla de esto es el solenoide. Consiste básicamente en una bobina o enrrollamiento helicoidal de hilo conductor recubierto con barniz u otro material aislante. Cada vuelta se denomina espira. Cuando la corriente pasa por el conductor, el solenoide se comporta como un imán, atrayendo el hierro, pero deja de hacerlo al cortar la corriente. La intensidad de la acción magnética depende de la intensidad de la corriente que atraviesa el conductor y del número de espiras de la bobina. Si el enrrollamiento se hace sobre un núcleo de hierro dulce, al conjunto se le llama electroimán.

Aplicación en la industria y en la tecnología: interruptores, altavoces, magnetófonos, motores, aparatos de diagnóstico médico, amperímetros, voltímetros, grúas magnéticas, relés, brújulas …

Hemos visto que la corriente eléctrica es capaz de crear un imán. ¿Puede ser capaz un imán de crear corriente eléctrica? Poco después de que Oesterd hiciera su descubrimiento, Ampere y Faraday observaron que un campo magnético variable origina una corriente eléctrica en circuitos que se encuentran en sus proximidades. A este fenómeno se le conoce como inducción electromagnética. Aplicaciones: alternadores (generadores de corriente alterna) y dinamos (generadores de corriente continua).
ACTIVIDADES.


  1. La diferencia de potencial en los extremos de una lámpara es de 230V y circula por ella una intensidad de 2A. ¿Cuál es la resistencia de la lámpara? Si ahora le aplicamos una diferencia de potencial de 250V, ¿qué intensidad circulará?

  2. Un horno microondas tiene una potencia de 800W. Funciona durante 15 minutos. ¿Qué energía consume? Si está conectado a una tensión de 220V, ¿qué intensidad circula por él? ¿Cuál es su resistencia?

  3. Queremos fabricar una resistencia de 3 con un hilo de cobre, de sección 0,4mm2. ¿Cuál debe ser su longitud? Dato: (cobre)=1’7·10-8m.

  4. ¿Cuántos culombios pasarán por un cable durante 3 minutos, si circula una intensidad de 5A? ¿Y electrones? Dato: 1c=6’24·1018 e-.

  5. Durante 1 minuto, pasan por la sección de un cable 3’5·1020 electrones. ¿Qué intensidad de corriente tenemos?

  6. ¿Cuál debe ser la sección de un hilo de hierro de 5 m de longitud, para que su resistencia sea de 10? Dato: (hierro)=10-7m.

  7. La resistencia de una bombilla es de 100 y la conectamos a un voltaje de 125V. ¿Qué intensidad circula por ella? ¿Qué potencia se disipa? ¿Qué energía se pierde al cabo de 1 hora?

  8. En un cable circula una corriente de 10A. ¿Durante cuánto tiempo pasan 4 culombios?

  9. La potencia de una máquina es de 1500W. Si su resistencia es de 50, ¿qué corriente circula por ella? ¿A qué tensión está conectada?

  10. Tenemos dos trozos de material metálico de 300 mm de largo y 3 mm2 de sección, uno es de cobre y el otro de hierro. ¿Cuáles son sus resistencias? Dato: (cobre)=1’7·10-8m; (hierro)=10-7m.

  11. Se dispone de una resistencia de 40  y se conecta a 220 V. Calcula la corriente que circula por ella.

  12. Una estufa eléctrica presenta como características 220 V y 1000 W. Calcula la corriente que circula por ella y su resistencia.

  13. Resuelve los siguientes circuitos:





  1. Mantenemos conectada una lámpara de 40 W durante 6 horas. ¿Cuánta energía consume diariamente? ¿Y bimensualmente?

  2. Calcula el número de electrones que pasan en 1 s por la sección de un conductor por el que circula una corriente de intensidad 1 A. Dato: 1c=6’24·1018 e-.

  3. Si por un hilo pasan 3·107 electrones en 10 minutos, ¿qué intensidad de corriente circula?

  4. ¿Cuántos culombios y electrones pasarán por un hilo conductor, si se ha creado una intensidad de corriente de 10 A durante 20 minutos?

  5. ¿Cuánto tiempo deben circular 8000 c para crear una intensidad de 10 A?

  6. ¿Qué diferencia de potencial se creará en los extremos de una resistencia de 5  si circula por ella una intensidad de 10 A?

  7. ¿Cuál será la resistencia de un circuito, si se sabe que cuando pasa una intensidad de 30 mA, se crea una diferencia de potencial de 6 V?

  8. Se utiliza un hilo de cobre para fabricar una resistencia de 10 . Si la sección es de 0’8 mm2, ¿qué longitud de hilo habrá que utilizar? Dato: (cobre)=1’7·10-8m.

  9. Una diferencia de potencial de 10 V produce una corriente de 3 A en una resistencia. ¿Cuánto vale la resistencia? ¿Cuál será la intensidad de corriente que pase por ella si se conecta a 50 V?

  10. ¿Cuál es la resistencia de una bombilla de 100 W y 220 V? ¿Qué intensidad de corriente circula por ella si la conectamos a 125 V?

  11. Resuelve los siguientes circuitos:




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