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OPTATIVA 4º ESO.
Tema 2
EL MUNDO DE LA ELECTRICIDAD
TEMA 2
INSTALACIONES ELECTRICAS Y DOMÓTICAS
Introducción.
TEMA
2.- El Mundo de la Electricidad.
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EL MUNDO DE LA ELECTRICIDAD
UNIDAD DE TRABAJO 2
EL MUNDO DE LA ELECTRICIDAD
1. CONCEPTOS BASICOS DE ELECTRICIDAD
1.1-
Conductividad
1.2-
Carga eléctrica
1.3-
Corriente eléctrica
2. CIRCUITO ELECTRICO ELEMENTAL(SIMIL HIDRAULICO)
3. MAGNITUDES Y MEDIDAS (POLIMETRO)
3.1.
RESISTENCIA
3.2.
LEY DE OHM
3.3.
TENSION CONTINUA Y ALTERNA
3.4.
FRECUENCIA
3.5.
CORTOCIRCUITO
3.6.
RESUMEN DE MAGNITUDES
3.7.
EL POLIMETRO
4. TIPOS DE CIRCUITOS
5.1. CIRCUITO SERIE
5.2. CIRCUITO PARALELO
5.3. CIRCUITO MIXTO
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EL MUNDO DE LA ELECTRICIDAD
1. CONCEPTOS BASICOS DE ELECTICIDAD
1.1 CONDUCTIVIDAD
En la naturaleza hay sustancias que tienen más electrones en la banda
de conducción que otras, es más, si en un mismo material las condiciones
externas cambian éste se comporta de diferentes maneras.
La propiedad que poseen algunas sustancias de tener electrones libres,
en la banda de conducción, se llama conductividad. Estos materiales serán
capaces, bajo la acción de fuerzas exteriores, de conducir la electricidad. Se
pueden clasificar los materiales en tres grupos:
- Conductores: estos materiales poseen un gran número de electrones en la
banda de conducción, por lo tanto tienen facilidad para conducir la comente
eléctrica. Buenos conductores son: la plata, el cobre, el aluminio, el estaño.
CONDUCTORES ELECTRICOS DE COBRE
- Aislantes: son aquellos en los cuales los electrones están fuertemente
ligados a sus núcleos, siendo éstos incapaces de desplazarse por el interior
material y, en consecuencia conducir. Buenos aislantes son: el aire, la
porcelana, lana de vidrio, telgopor, etc.
DIFERENTES TIPOS DE AISLAMIENTOS
- Semiconductores: son sustancias que bajo condiciones normales se las
podría clasificar como malos conductores, pero si se les comunica energía
exterior, los electrones podrían saltar de la banda de valencia a la de
conducción, convirtiéndose en un buen conductor. Ejemplos de estos son: el
silicio y el germanio, entre otros.
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1.2 CARGA ELECTRICA
Hemos visto que existen dos tipos de carga: positiva y negativa, y que la
unidad mínima de carga es la del electrón (igual que la del protón pero
positiva).
Estructura atómica
La menor cantidad de carga eléctrica que puede existir es la del electrón,
pero esta unidad es extremadamente pequeña para aplicaciones prácticas y
para evitar el tener que hablar de billones de unidades de carga, se ha definido
en el Sistema internacional de Unidades el culombio.
1 culombio [C] = 6.23 x 10e18 electrones
Diferencia de potencial, tensión o voltaje
Por todo lo visto hasta ahora podemos pensar que la corriente eléctrica es un
flujo de electrones que circula por un material conductor de un extremo hacia el
otro, debemos aclarar que esta no es la definición correcta, de todos modos
sirve para entender el fenómeno eléctrico.
Tal vez en este momento se estará preguntando: ¿Qué genera este flujo? Para
responder esta pregunta hagamos un resumen de alguno de los puntos de las
secciones anteriores.
- "Dos cargas iguales se repelen".
- "Dos cargas opuestas se atraen."
- Determinados materiales tienen mayor cantidad de electrones en la banda
de conducción (conductores) que otros (aislantes).
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Ahora bien, si tenemos un conductor en el cual hay muchos electrones libres.
¿Qué se podría hacer para que ellos se muevan en la misma dirección
formando un flujo de electrones?
Sí ponemos una carga positiva en un extremo del cable, los electrones se
verán atraídos y empezarán a moverse hacia el extremo del cable, generando
el flujo eléctrico.
En realidad lo que se hace es poner en los extremos del cable una fuente de
tensión, o, dicho en forma común, "se aplica un voltaje o diferencia de
potencial".
Podríamos decir que la tensión, deferencia de potencial o el voltaje "es la
fuerza que pone en movimiento a los electrones".
La tensión en el Sistema Internacional de Unidades se expresa en VOLTIOS
[V]. Por ejemplo una pila tiene una tensión de 1.5V (voltios) y una batería de
automóvil 12V.
Submúltiplos más usuales del voltio:
El múltiplo más usual es el Kilovoltio. 1 KV = 1 .000 V.
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El símbolo de una fuente de tensión continua es el siguiente:
En este símbolo, el terminal o polo negativo (-) indica por donde salen los
electrones, mientras que por el positivo (+) es por donde ingresan los
electrones.
Al polo positivo se lo define como un punto o potencial positivo, ya que es el
que ejerce una "fuerza" sobre los electrones, y el negativo como un punto o
potencia de referencia en el cual no hay tensión (0 V).
1.3 CORRIENTE ELECTRICA
La corriente eléctrica es el efecto de aplicar una tensión a un circuito eléctrico.
Se define como la cantidad de carga que atraviesa una sección del conductor
en un segundo. La corriente eléctrica se mide en AMPERIOS [A].
Los submúltiplos más usuales del amperio son: El miliamperio (ma.) que es la
milésima parte del amperio, por lo que:
1 A. = 1 .000 ma.
El microamperio (µA) que es la millonésima parte del amperio, por lo que: 1 A.
= 1.000.000 ma.
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3. CIRCUITO ELECTRICO ELEMENTAL
Circuito eléctrico: Es el camino por el cual se desplazan los electrones.
Para su mejor comprensión se establece un símil entre circuito hidráulico y
circuito eléctrico.
3.1 Símil hidráulico
Circuito hidráulico: Son dos recipientes que se encuentran a distinto nivel y
unidos por medio de un tubo
Entre ellos se establece una corriente de agua desde el depósito mas alto
hacia el que se encuentra mas bajo y hasta que queda eliminado el desnivel H.
Así como la corriente de agua se ha producido por la diferencia de desnivel
existente, la corriente eléctrica se establece por la diferencia de potencial
eléctrico (electrones) entre dos puntos unidos por un conductor
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Circuito hidráulico cerrado y circuito eléctrico
4. MAGNITUDES Y MEDIDAS
4.1
Resistencia
Es la propiedad de un elemento que hace que se oponga al paso de la corriente.
Todos los materiales ofrecen resistencia al paso de la corriente. En el caso de un
conductor ésta es pequeña, en cambio la que presenta un aislante es "muy grande".
Por otra parte se fabrican resistores o resistencias, con el objetivo de proporcionar
diferentes valores de resistencia.
La unidad de medida es el ohm. El símbolo de una resistencia es:
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Hay resistores de varios tipos. Los más usuales son:
4.2 Ley de ohm
Ohm encontró que existe una relación proporcional entre la tensión aplicada a un
conductor y la corriente que circula por ese conductor.
Dicha relación es:
V=IxR
Donde:
- V es la tensión aplicada al conductor.
- I es la corriente que circula por el conductor.
- R es la resistencia al paso de la corriente ofrecida por el
conductor.
Observando esta relación notamos que para un material dado con cierto valor de
resistencia (R), cuando se triplica la tensión (V) aplicada, se triplica la corriente (I) que
circula por él.
Analicemos ahora un circuito simple como el de la figura:
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En el circuito anterior, dibujamos la circulación de corriente desde el polo positivo de la
fuente hacia el negativo. Pero, ¿cómo se explica esto, sí hemos aprendido que los
electrones son los que se están moviendo, la corriente debería circular en el sentido
opuesto?
Cuando se descubrió el fenómeno electricidad, realmente no se sabía de la existencia del
electrón, esta se describía como un flujo dc fluido de positivo a negativo.
Con el descubrimiento del átomo aparecieron las nuevas teorías eléctricas y por acuerdo
entre los científicos se mantuvo el sentido histórico de la corriente (de positivo a
negativo). Cabe aclarar que es indistinto el sentido de la corriente, lo que nos debe
interesar es el fenómeno en sí.
Antes de comenzar, debemos tener en cuenta, que si bien el cable tiene una resistencia,
como esta es muy pequeña la podemos despreciar, es decir imaginamos que es un cable
ideal sin ningún tipo de resistencia al paso de los electrones.
Si estamos frente a una situación, en la cual la resistencia del cable no se puede
despreciar, esta se sumará a la resistencia dcl circuito, en nuestro case Rl, y se
considerará nuevamente un cable ideal.
En este circuito los 15V que proporciona la fuente de alimentación, están aplicados o
"caen" sobre la resistencia R1, es decir los 15V permiten vencer la oposición de la
resistencia al paso de la corriente, ya que hemos supuesto un cable ideal en el cual no
hace falta aplicar ninguna fuerza (no cae ninguna tensión) para que los electrones se
muevan en él.
Cuando decimos que los 15V "caen" en la resistencia, significa que los 15V aplicados
por el polo positivo de la fuente se agotan en el extremo de la resistencia por el cual sale
la corriente. Por lo tanto, entre este extremo y el terminal negativo la tensión es cero, lo
cual es lógico ya que supusimos un cable sin resistencia en el cual no hace falta gastar
tensión.
Hallemos ahora la corriente I que circula por este circuito. Según la ley de Ohm:
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4.3 Tensión continúa y alterna
Cuando nos referimos a Tensión continua queremos decir que el valor de tensión no
varía a medida que va pasando el tiempo, en otras palabras si en un momento dado
medimos el valor que tiene y después de un tiempo volvemos a medirlo obtendremos el
mismo valor. Ejemplo de esto son las pilas y baterías.
Ahora bien, cuando nos referimos a una Tensión Alterna queremos expresar que el valor
de la tensión cambia de un instante de tiempo a otro.
Veremos dos tipos de tensión altema:
- Tensión triangular
- Tensión senoidal
Analicemos el comportamiento de un caso particular de tensión alterna (senoidal).
En un momento dado la tensión tiene un valor cero, luego comienza a crecer hasta llegar
a un máximo, en ese momento comienza a decrecer hasta llegar a cero. Cuando llega a
cero vemos que la tensión se hace negativa. Pero:
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¿Qué significa una tensión negativa?.
Que la tensión sea negativa, implica un cambio de polaridad de la tensión, es decir el
polo positivo pasa ser negativo y viceversa.
En la figura siguiente podemos observar que el cambio de polaridad, trae como
consecuencia un cambio es el sentido de la circulación de la corriente.
El ejemplo más cercano de tensión alterna es la del tomacorriente de nuestros hogares.
Hablando de la tensión que proporcionan los tomacorriente, la gran mayoría de las
personas han escuchado que ésta es de 220V(voltios). Pero: ¿qué valor es este?. ¿Será el
valor máximo?. Los 220V se denominan valor eficaz, éste es el valor máximo dividido
2. El valor eficaz, aunque a simple vista parezca lo contrario, es mucho más práctico de
utilizar que el valor máximo
.
4.4 FRECUENCIA
Para definir qué es la frecuencia primero definiremos qué es un ciclo, el diccionario nos
dice que un ciclo es un "Período después del cual se repiten los mismos fenómenos en el
mismo orden". Un ejemplo que conocemos es el ciclo lunar que esta compuesto de 4
fases: 1) luna nueva, 2) cuarto creciente, 3) luna llena y 4) cuarto menguante. Este ciclo
dura 28 días, es decir desde la presencia de una luna nueva hasta la siguiente,
transcurren 28 días.
Ahora lo definiremos con la electricidad, diremos que "un ciclo es el período después
del cual la señal (de corriente o tensión, por ejemplo) vuelve a tener el mismo valor y
sentido".
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Como vemos en las figuras tenernos los puntos A, B y C los cuales tienen el mismo
valor de tensión, pero solo los puntos A y C tienen el mismo sentido, en ambos puntos
la tensión está creciendo, mientras que en el punto B la tensión esta disminuyendo. Por
lo tanto el ciclo se extiende desde el punto A hasta el C.
En estos momentos estamos en condiciones de definir frecuencia como la cantidad de
ciclos que realiza la señal en un segundo. La frecuencia se mide en Hertzios [Hz.].
La tensión de la red domiciliaria es de 50Hz, es decir realiza 50 ciclos en un segundo
4.4 CORTOCIRCUITO
Un cortocircuito se produce cuando la resistencia de un circuito eléctrico es muy
pequeña, provocando que el valor de la corriente que circula sea excesivamente grande,
debido a esto se puede llegar a producir la rotura de la fuente o la destrucción de los
cables.
Veamos con un ejemplo:
Utilizando la ley de ohm veamos el valor de la corriente:
Para hacernos una idea de lo grande que es este valor, es bueno saber que la corriente
que circula por una lámpara común 100 W (como las de nuestras casas) es de 0.45 A.
Ahora cabe aclarar que una resistencia tan pequeña bien puede ser un cable.
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4.6 RESUMEN DE MAGNITUDES
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4.7 EL POLIMETRO
EL POLIMETRO (El tester o multímetro)
El tester o polímetro es un instrumento de medición. Con él podemos medir
tensión corriente y resistencia entre otras.
Existen instrumentos que tienen la capacidad dc realizar otros tipos de
mediciones, tales como: temperatura frecuencia. etc.
En el mercado encontramos dos tipos de tester: el analógico y el digital.
Nosotros basaremos nuestro estudio en el tester digital ya que es el más fácil
de utilizar.
En este curso sólo aprenderemos a utilizar las funciones necesarias para
reparar una computadora.
Uso del tester
El tester posee una perrilla que nos permite seleccionar el tipo de medición que
querernos realizar. Podemos dividir a éste en cinco zonas principales:
ACV: tensión alterna.
DCV: tensión continúa.
Q: resistencia.
0FF: apagado.
DCA: corriente continúa.
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Diferentes Escalas
En cada zona del tester encontramos diferentes escalas. Veamos la zona que
nos permite medir tensión continua (DCV). En ella encontramos los siguientes
valores: 1000V, 200V, 20V, 2000mV y 200mV, que son los máximos valores
que podemos medir si colocamos la perrilla sobre ellos. Si tenemos que medir
una batería común de 9V, debemos elegir una escala que sea mayor y que
esté lo más cercana posible a este valor, por lo tanto la perrilla del tester se
debe posicionar en la zona DCV en el valor 20V.
En la figura del tester, podemos observar, que existen tres clavijas para
conectar las puntas de medición:
- Clavija de corriente hasta l0 A: en él conectamos la punta de color rojo, solo
para medir corriente hasta 10 A. Esta clavija no la utilizaremos nunca.
- Clavija de V, Ohms, A: aquí conectamos la punta de color rojo, cuando
queremos medir tensión, resistencia o corriente.
- Clavija de masa: en él, se conecta la punta de color negro.
Cuanto más cerca se seleccione la escala respecto medir, más precisa será la
medición.
Si no conocemos el valor a medir, para no correr con el riesgo de quemar el
tester, debemos elegir la escala máxima y realizar la medición. Luego, si esta
escala es grande o no nos permite obtener la precisión deseada, elegiremos
otra menor y así sucesivamente.
Si utilizamos diferentes escalas para medir una tensión continua de 12,23V,
obtendremos:
El 1 que leemos en la escala de 2000mV, indica que se fue de rango, es decir
que el valor que estamos midiendo es mayor al máximo permitido en dicha
escala. Debemos prestar mucha atención de no sobrepasar. el valor máximo,
ya que de lo contrario corremos el riesgo de destruir el instrumento
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Medición de Tensión
Para realizar la medición debemos someter al tester a la misma tensión que
queremos medir, por lo tanto concluimos que el tester debe estar en paralelo
con el elemento (resistencia, pila, etc.).
1. Colocar las puntas: la de color negro en la clavija de masa y la de color rojo
en la de tensión (V).
2. Seleccionar la zona DCV (tensión continua) o ACV (tensión alterna) y la
escala con la perrilla selectora.
3. Conectar las puntas en paralelo con el elemento. En este punto debemos
tener en cuenta si la tensión a medir es continua o alterna
Si es continua debemos conectar la punta de color rojo en el terminal positivo y
la punta de color negro en el negativo, de lo contrario obtendremos un valor
negativo.
Este valor negativo indica que los polos reales (+ y -) son opuestos a la
posición de nuestras puntas.
Advertencia: los tester analógicos, poseen una aguja para indicar la medición,
si en estos tester se invirtieran la puntas, la aguja tenderla a girar para el lado
contrario a las agujas de un reloj, arruinando al instrumento.
- En el caso de la tensión alterna, es indiferente como se coloquen las puntas
ya que medimos su valor eficaz.
Medición de Resistencia
Para medir la resistencia de un elemento dado, debemos colocar las puntas en
los extremos del elemento.
Potencia
Al circular a través de la materia, la corriente eléctrica produce una gran
variedad de efectos útiles interesantes, incluyendo luz, calor, sonido,
magnetismo, etc.
Al trabajo realizado por una corriente se le denomina potencia. La potencia se
representa con el símbolo P y su unidad de medida es el watt o vatio (W).
Analíticamente, la potencia eléctrica es el producto del voltaje (V) por la
corriente (1). Esto es:
P=I x V
En el caso de una resistencia, toda la energía eléctrica suministrada a la misma
se convierte en calor. Analíticamente se puede demostrar que, para el caso de
una resistencia pura, la potencia está dada por:
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P = I^2 x R
Por ejemplo, si se aplican 120 y a una resistencia de 10 Q, la misma produce
1440 W de energía calórica.
Línea de 220 V
Como hemos visto en cl toma-corriente de nuestros hogares tenemos una
tensión alterna de 220 V. Uno de los cables recibe el nombre dc "neutro" éste
no tiene tensión y posibilita cl retorno de corriente hacia nuestro proveedor de
energía eléctrica.
Magnitudes Unidades y Símbolos eléctricos necesarios
para el uso del polímetro
Relación entre magnitudes
Múltiplos y submúltiplos
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Diferentes tipos de polímetros
-
polímetro analógico
Es el polímetro más antiguo, se caracteriza por la aguja de marcación
-
Polímetro digital
El polímetro digital se caracteriza por darnos medidas en un display
digital
-
Pinza amperimetrica
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La pinza amperimetrica es un tipo especial de amperímetro que permite
obviar el inconveniente de tener que abrir el circuito en el que se quiere medir
la corriente para colocar un amperímetro clásico.
El funcionamiento de la pinza se basa en la medida indirecta de la corriente
circulante por un conductor a partir del campo magnético o de los campos que
dicha circulación de corriente que genera. Recibe el nombre de pinza porque
consta de un sensor, en forma de pinza, que se abre y abraza el cable cuya
corriente queremos medir.
Este método evita abrir el circuito para efectuar la medida, así como las caídas
de tensión que podría producir un instrumento clásico. Por otra parte, es
sumamente seguro para el operario que realiza la medición, por cuanto no es
necesario un contacto eléctrico con el circuito bajo medida ya que, en el caso
de cables aislados, ni siquiera es necesario levantar el aislante.
Pinza amperimetrica
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5. TIPOS DE CIRCUITOS
Existen diferentes formas de representar un circuito eléctrico:
Esquema: Vamos a definir esquema como la representación grafica de un
trabajo a realizar.
Conocemos diferentes tipos de esquemas.
Esquema de situación: representa mediante un dibujo donde están situados
los elementos en un plano de trabajo.
Esquema de trabajo: representa los pasos a seguir de un trabajo, ciclos o
secuencias de trabajo
Representación topográfica: representa mediante un dibujo, primero el lugar
donde vamos a colocar los elementos y después donde colocar cada elemento.
Representación topográfica completa: es la unión de la representación
topográfica más el conexionado eléctrico
Esta representación es muy similar al esquema de montaje aunque mas
completo.
Los esquemas más utilizados en electricidad son los conocidos como:
1. Esquema de montaje:
2. Esquema unifilar:
3. Esquema eléctrico:
Esquema de montaje: dibujamos todo el elemento a copia real dibujando
todo incluso el cableado de interconexión. En principio podemos tan solo
dibujar lo elementos que queremos interconectar.
Esquema unifilar: Es una representación simplificada de un esquema
eléctrico, como su nombre indica, lo representamos con una sola fila o línea.
Esquema eléctrico: Es la representación mediante un dibujo, de un circuito
eléctrico, su principal característica son los símbolos que utiliza,
Símbolos: Son dibujos de los elementos eléctricos utilizados, su principal
característica es que están normalizados. (Normalización)
Normalización: Es la forma de unificar criterios de diferentes materias, esto
quiere decir que los símbolos eléctricos al igual que otros, son representados o
dibujados en todos los países de igual forma.
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- Circuito básico
La figura representa el circuito básico de una lámpara incandescente al que se
ha aplicado una tensión alterna de 220 v. el circuito lleva incorporado un
pequeño interruptor automático (pía) para protegerlo de contra sobre
intensidades y cortocircuitos, así como su correspondiente interruptor(s).
Leyenda:
L1: Fase
N: Neutro
U: Tensión de alimentación = 220v
PIA: Pequeño interruptor automático
S: Interruptor
E: Lámpara
El funcionamiento del circuito es el siguiente:
Estando cerrado el interruptor automático (PIA), al cerrar el interruptor (S),
circula corriente por el circuito debido a la diferencia de potencial existente.
Esta corriente hace que el filamento de la lámpara se ponga incandescente y
emita luz.
En caso de cortocircuito o sobre intensidad, el interruptor automático (PIA) abre
sus contactos quedando el circuito protegido.
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5.1 CIRCUITO SERIE
Varios receptores están conectados en serie cuando el final de uno esta unido
con el principio del siguiente, como muestra la figura
Todos ellos están recorridos por la misma intensidad
La resistencia total es la suma de las resistencias parciales
Rt = R1+ R2+ R3+……….. Rn
La tensión total es la suma de las tensiones parciales
Ut = U1 + U2 + U3 +………Un
La potencia total es igual a la suma de las potencias
Pt = P1 + P2 + P3 +…………Pn
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5.2 CIRCUITO PARALELO
Características del circuito paralelo.
El circuito paralelo permite que solo se encuentren conectados aquellos
receptores cuyo funcionamiento sea necesario, quedando el resto
desconectados sin modificar las características de tensión del circuito.
Varias resistencias están acopladas en paralelo cuando los extremos de todas
ellas se encuentran unidos eléctricamente a dos puntos; los principios a un
punto y los finales a otro.
Puesto que los extremos están unidos a dos puntos, solo hay una tensión en el
circuito igual para todos los receptores.
la intensidad total It se reparte en tres corrientes parciales. El valor de cada
una de ellas va a depender del valor de la resistencia que tenga que atravesar,
siendo inversamente proporcional a esta. La suma de todas ellas es igual a la
total
It = I 1 + I2 + I3 +………….In
El valor de la resistencia total, es menor que la mas pequeña de todas ellas. La
formula para el cálculo es la siguiente:
Existen dos formulas mas, las utilizadas cuando todas las resistencias son iguales y
las utilizadas solo con dos resistencias
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5.3 CIRCUITO MIXTO
Muchos de los circuitos eléctricos existentes están formados por acoplamientos
mixtos.
Para su resolución se deben simplificar sucesivamente hasta conseguir un
circuito elemental.
- Características del circuito mixto.
El circuito mixto esta formado por asociaciones de resistencias conectadas,
bien en serie o en paralelo, éstas a su vez, se encuentran conectadas con otras
asociaciones en paralelo o en serie.
Para su resolución se han de descomponer en circuitos elementales
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Para la resolución del ejercicio anterior primero se hallan las resistencias
equivalentes de los circuitos elementales, quedando estos circuitos conectados
en serie.
Como muestra la figura. A continuación se resuelve el circuito serie
obteniéndose la Resistencia total.
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