Electricidad y electrónica

INTRODUCCIÓN• El término electricidad

procede del griego elektrón, que significa ámbar (el ámbar es una resina fósil de color amarillo que se emplea desde la antigüedad para fabricar collares y objetos ornamentales).

• El filósofo y matemático Tales de Mileto (siglos VII y VI a.C.) observó que, cuado frotaba ámbar con seda lana o piel y lo acercaba a materiales ligeros como plumas, éstos eran atraídos por una fuerza desconocida.

Otros fenómenos naturales, como los rayos y los relámpagos, que se producen durante las tormentas, o el fuego de Santelmo, que es una luminosidad que aparece alrededor de los mástiles de los barcos o de los campanarios, están relacionados con la electricidad y son conocidos desde la antigüedad. Igualmente se conocen las descargas eléctricas que algunos peces, como las anguilas, producen para aturdir a sus presas o como medio de defensa.

Benjamín Franklin descubre que las nubes que lanzaban rayos estaban cargados de electricidad e invento el pararrayos.

Pero hasta finales del siglo XVIII no se empezaron a tener conocimientos científicos sobre la electricidad: Galvani descubrió casualmente, mientras hacía la disección de una rana, que la corriente eléctrica provocaba la contracción muscular de las patas del animal.

• A principios del siglo XIX Volta construyo el primer generador eléctrico (la pila) y desde entonces, la electricidad se ha desarrollado rápidamente gracias a los trabajos de científicos como Coulomb, Oersted, Ohm, Tesla, Faraday, Ampere, Edison, Bell, etc y se ha convertido en la principal fuente de energía del mundo desarrollado.

p

George Simon Ohm

P Pila de Volta

• Actualmente la electricidad se encuentra en todos los ámbitos y la energía eléctrica es un elemento imprescindible para el funcionamiento de la sociedad actual debido a sus múltiples aplicaciones: las máquinas en las industrias, los ascensores, los electrodomésticos en las viviendas, los aparatos de los hospitales, los ordenadores, las telecomunicaciones, la iluminación de viviendas, calles y lugares públicos, el funcionamiento de motores y bombas que impulsan el agua, etc.

•La corriente eléctrica se genera en centrales hidroeléctricas, térmicas, nucleares, eólicas, geotérmica, etc. y se transporta hasta los lugares de consumo (ciudades, fabricas, etc) gracias a la red eléctrica. También se puede obtener corriente eléctrica a partir de pilas, baterías y placas solares.

DEFINICIÓN DE ELECTRICIDAD

• La electricidad es un fenómeno físico cuyo origen son las cargas eléctricas y cuya energía se manifiesta en fenómenos mecánicos, luminosos, térmicos y químicos entre otros.

COMPORTAMIENTO ELÉCTRICO DE LA MATERIA

Los protones son partículas con carga positiva, los neutrones no tienen carga y los electrones, que giran alrededor del núcleo describiendo órbitas, tienen carga negativa.

Cuando un átomo tiene el mismo número de protones que de electrones se encuentra en estado neutro, siendo éste su estado natural.

• La materia está constituida por pequeñas partículas denominadas ÁTOMOS, que a su vez están formados por:

• PROTONES• NEUTRONES• ELECTRONES

Electricidad estática

En ocasiones, sin embargo se produce un movimiento de electrones, que pasan de unos materiales a otros. Por ejemplo, al frotar un bolígrafo contra un trapo, los electrones son arrancados de este ultimo y pasan al bolígrafo, que, de esta forma, queda cargado negativamente.

Si acercamos un bolígrafo cargado a un trocito de papel, los electrones del extremo del papel mas próximos al bolígrafo son repelidos al lado contrario, con lo que dicho extremo queda cargado positivamente. Esta es la razón por la que el bolígrafo atrae el papel.

Dos cuerpos con el mismo tipo de carga se repelen, mientras que se atraen cuando tienen diferente tipo de carga

Podemos definir lo que es la carga eléctrica:La carga eléctrica es la propiedad que poseen los cuerpos responsables de los fenómenos eléctricos.

Y está determinada por la diferencia entre el número de electrones y el numero de protones.

• Si el átomo gana o pierde electrones se le denomina ION, distinguiéndose dos tipos de iones:

• ANION: átomo que gana e- y por tanto está cargado negativamente.

• CATION: átomo que pierde e- y por tanto está cargado positivamente.

• La carga eléctrica de un ión se determina por la diferencia entre el nº de protones y de electrones. (Un átomo neutro tiene carga cero)

• Se comprobó que 2 partículas con carga de igual signo se repelen, mientras que 2 partículas con carga de distinto signo se atraen, siendo esta atracción o repulsión mayor cuanto más próximas estén.

MATERIALES CONDUCTORES Y AISLANTES

De aquí se deduce que los electrones próximos al núcleo son más atraídos por él que los más alejados. A su vez, estos últimos son repelidos por los electrones de las capas más internas, pudiendo trasladarse de átomo en átomo a lo largo de un cuerpo.

• Si en un elemento los electrones situados en la órbita más externa (electrones de valencia) pueden moverse libremente de un átomo a otro se dice que es buen CONDUCTOR de la electricidad (Ej. metales).

• Si los e- tienden a permanecer en sus órbitas, son malos conductores de la electricidad y se denominan AISLANTES (Ej. plástico, madera, porcelana...)

LA CORRIENTE ELÉCTRICA: TIPOS

• Corriente continua (CC/ DC): Los electrones se mueven siempre en el mismo sentido, del polo – al polo + que los atrae. La energía necesaria para que se muevan es generada por pilas y baterías (transforman energía química en eléctrica) , por células fotovoltaicas (transforman luz en electricidad), dinamos (transforma movimiento en electricidad). Los voltajes que proporcionan son constantes en el tiempo y pequeños: 1,5V; 4,5 V; 9 V…. Se utiliza en linternas, CD portátiles, móviles, cámaras fotográficas y de vídeo, ordenadores ….

La corriente eléctrica es el desplazamiento continuo y ordenado de e- a lo largo de un conductor.

LA CORRIENTE ELÉCTRICA: TIPOS

• Corriente alterna (CA/ AC): Los electrones cambian continuamente su sentido de movimiento y su valor de voltaje no se mantiene constante en el tiempo. La ca más usada es la senoidal y en las viviendas los valores característicos son 230V de tensión y 50 Hz de frecuencia.

LA CORRIENTE ELÉCTRICA: TIPOS

• La ca se genera mediante alternadores en las centrales eléctricas aunque también se puede obtener a partir de grupos electrógenos. Es la que se utiliza en las viviendas e industrias ya que presenta una ventaja frente a la corriente continua y es que su valor de tensión se puede aumentar o reducir mediante el uso de transformadores, permitiendo así transportar la energía eléctrica a tensiones muy altas a lo largo de cientos de kilómetros sin que se pierda parte de ella debido al calentamiento de los cables.

4.-El circuito eléctrico Un circuito eléctrico es un conjunto de elementos

conectados entre sí por los que circula una corriente eléctrica.

Elementos de un circuito eléctrico :

Imprescindibles (generador, conductores, receptores)Complementario(elementos de maniobra y protección)

Para que los electrones atraviesen un circuito, este debe estar cerrado, es decir los electrones han de llegar de un polo a otro del generador, atravesando todos los elementos del circuito sin ser interrumpidos.

MAGNITUDES ELÉCTRICAS

• Son 3 las magnitudes eléctricas básicas:

• Intensidad de corriente

• Tensión o voltaje• Resistencia eléctrica

Ejemplo de circuitoEjemplo de circuito

Circuito eléctrico constituido por: Generador de electricidad (pila) Conductor (cables) Receptores (bombilla y motor) Elemento de maniobra (interruptor)

)

MAGNITUDES ELÉCTRICAS: INTENSIDAD DE CORRIENTE

Es el nº de electrones expresado en culombios que circula por un conductor en un segundo.

tQI

I : intensidad de corriente (Amperios)Q: carga que circula por un conductor (Culombios)t: tiempo (segundos)

El instrumento usado para medir intensidades es el AMPERÍMETRO.

Cabe resaltar que el Amperio es una unidad tan grande que a menudo se utilizan submúltiplos:El miliamperio ( 1 mA = 10-3 A) El microamperio ( 1μA = 10-6 A)El nanoamperio (1nA = 10-9 A)

MAGNITUDES ELÉCTRICAS: TENSIÓN O VOLTAJE

• Indica la diferencia de energía entre dos puntos de un circuito. La carga siempre circula desde los puntos de energía más alta hasta los puntos en los que es más baja. El voltaje es producido por el generador y se define como la energía que éste proporciona a cada unidad de carga que pone en movimiento.

• Se mide en voltios ( V ).• El instrumento que me permite medir tensiones eléctricas es el

VOLTÍMETRO.

MAGNITUDES ELÉCTRICAS: RESISTENCIA ELÉCTRICA

Es la oposición que ofrece un material al paso de la corriente eléctrica.

La resistencia de un conductor depende de:

• Tipo de material.• Longitud del conductor (a

mayor longitud mayor resistencia)

• Sección del conductor ( a mayor sección, menor resistencia)

• Temperatura

R: resistencia eléctrica (ohmios)ρ : resistividad (Ω mm2/m)l : longitud del conductor (m)s: sección del conductor (mm2)

La resistividad (ρ) es característica de cada material.

Magnitudes: ley de Ohm Intensidad: La intensidad de corriente eléctrica es la cantidad de electrones que pasa por un punto determinado del circuito en un segundo (el caudal de electrones en ese punto). Una intensidad de 1 A significa que en un segundo pasa un culombio de carga.

Tensión o voltaje: Indica la diferencia de energía entre dos puntos de un circuito. El voltaje es producido por el generador y se define como la energía que este proporciona a cada unidad de carga que pone en movimiento.

Resistencia: Indica la oposición que ejerce los elementos del circuito al paso de la corriente.. Los materiales conductores tienen poca resistencia, y los aislantes, tanta que no permiten el paso de los electrones.

Esquema de magnitudes elEsquema de magnitudes elééctricasctricas

MAGNITUDES SÍMBOLO UNIDAD

RESISTENCIA R OHMIOS (Ω)

INTENSIDAD I AMPERIOS (A)

TENSIÓN O VOLTAJE V VOLTIOS (V)

MAGNITUDES ELÉCTRICAS: RESISTENCIA ELÉCTRICA

LEY DE OHM

Las tres magnitudes están relacionadas entre sí mediante la Ley de Ohm, que establece que la intensidad de corriente que recorre un circuito es directamente proporcional a la tensión aplicada e inversamente proporcional a la resistencia.

I=VR

I= Intensidad de corriente (A)

V= Tensión o voltaje (V)

R= Resistencia eléctrica (Ω)

Ejemplo ¿Cual seria la intensidad de la corriente que circula por un

circuito si el voltaje de la pila es de 4,5 V y la resistencia de la bombilla es de 17,5 ?

V = R x I

I = 4,5 V ∕ 17,5 = 0,2 A0,2 A

→ 4,5 V= 17,5 x I

Circuitos serie y paralelo

Disponen de dos o más operadores seguidos, en el mismo cable. Para pasar de un punto a otro la corriente eléctrica debe atravesar todos los operadores

Los circuitos en serie son aquellos que disponen de dos o más operadores conectados seguidos, es decir, en el mismo cable o conductor. Dicho de otra forma, en este tipo de circuitos, para pasar de un punto a otro ( del polo – al polo +), la corriente eléctrica se ve en la necesidad de atravesar todos los operadores

Si vamos conectando mas receptores (bombillas, motores....) estos funcionarán con menos energía..

Cuando por cualquier causa uno de ellos deja de funcionar ( por avería, desconexión. Etc,,) los elementos restantes también dejaran de funcionar, es decir cada uno de ellos se comporta como si fuera un interruptor

En los circuitos en serie podemos observar los siguientes efectos :

Los circuitos en paralelo disponen de dos o más operadores conectados en distintos cables. En ellos, para pasar de un punto a otro del circuito la corriente eléctrica dispone de varios caminos alternativos, por lo que ésta sólo atravesará aquellos operadores que se encuentren en su recorrido.

En los circuitos conectados en paralelo podemos observar:

Los operadores funcionan con la misma luminosa.

· La desconexión o avería de un operador no influye en el funcionamiento del resto.

MAGNITUDES ELÉCTRICAS: POTENCIA Y ENERGÍA ELÉCTRICA

POTENCIA ELÉCTRICA• Se define potencia como la capacidad

de producir un trabajo.• En electricidad la potencia eléctrica de

un receptor determina la capacidad de ese receptor para transformar la energía eléctrica en otro tipo de energía.

• La potencia eléctrica también representa la energía consumida por unidad de tiempo.

• La unidad de medida en el SI es el vatio (W).

ENERGÍA ELÉCTRICALa energía eléctrica es el producto de

la potencia por el tiempo:

E = P . t

• Dado que el Julio es una unidad muy pequeña se suele usar como unidad de energía en la práctica el kilovatio. hora (kW.h)

• El instrumento que sirve para medir la energía eléctrica es el contador eléctrico, aparato del que todos disponemos en nuestra vivienda, y que a través de un mecanismo interno va mostrando el consumo de energía eléctrica en kW.h.

ENERGÍA ELÉCTRICA TRANSFORMACÓN DE LA ENERGÍA EN UN CIRCUITO. EFECTO JOULE

El EFECTO JOULE es el fenómeno por el cual la energía eléctrica se transforma en calor cuando la corriente atraviesa un conductor.

Este efecto se produce en todos los aparatos eléctricos (ya que al estar encendidos se calientan) pero existen algunos especialmente diseñados para transforma la energía eléctrica en calor (estufa, plancha, horno, termo de agua…) y que van provistos de una resistencia apropiada para tal fin. A la hora de calcular el calor disipado usaremos la fórmula de la energía en función de la resistencia:

• La unidad de energía en el sistema internacional es el Julio pero cuando se habla de calor disipado se suele expresar en calorías.

• Para pasar de julios a calorías se multiplica por 0,24 con lo cual la expresión anterior podemos transformarla para que dé el resultado directamente en calorías:

• Q = 0,24. R . I2 . t

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