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TECNOLOGÍA

Tema 4. Electricidad y electromagnetismo.

Tema 4. Electricidad y electromagnetismo.

En esta pagina

podréis ver con todo detalle la mayoría de los conceptos que vienen a

continuación.

1. CIRCUITOS ELÉCTRICOS. Hay que recordar que la materia está formada por átomos, y estos a su vez por partículas más pequeñas, siendo una de ellas los electrones, que tienen carga eléctrica negativa. Algunas veces los electrones de la materia pueden moverse de un sitio a otro, dando lugar al fenómeno de la electricidad. Uno de estos fenómenos eléctricos es la corriente eléctrica, que consiste en el movimiento de electrones de un lugar a otro a través de un medio que lo permita. Estos medios que permiten el paso de los electrones a través suyo reciben el nombre de conductores, siendo los aislantes los que no dejan pasar la corriente. Si el lugar por donde se mueven los electrones es un camino cerrado, y estos se mueven ordenadamente entonces tenemos un circuito eléctrico. Para que un circuito eléctrico funcione bien debe tener una serie de elementos indispensables: Cables: son el camino por donde circulan los electrones, estan fabricados con hilos de material conductor. Generador: es el dispositivo que le da energía a los electrones para que estos se muevan. Receptor: es un dispositivo que transforma parte de la energía que llevan los electrones en otro tipo de energía. Elementos de maniobra: dispositivos para controlar el funcionamiento del circuito.

2. REPRESENTACIÓN DE CIRCUITOS ELÉCTRICOS. Para describir un circuito eléctrico la mejor manera es la realización de un dibujo, sin embargo no sirve cualquier dibujo, ya que el dibujo deberá ser simple de realizar y que no de lugar a confusiones. Para ello se realizan esquemas eléctricos de los circuitos utilizando una serie de símbolos estandarizados (los mismos para todo el mundo) que representan los distintos dispositivos que nos podemos encontrar en cualquier circuito por complejo que sea. De esta manera se consigue simplificar la representación de los circuitos y evitar confusiones de un dibujo a otro. Los símbolos básicos más utilizados son los siguientes:

Resistencia

Generador de corriente alterna

Fusible

Motor

~ M

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Interruptor

Bombilla

Pulsador

Conmutador de tres polos

Pila

Batería

3. MAGNITUDES ELÉCTRICAS. En los circuitos eléctricos hay multitud de características que se pueden medir en ellos es decir podemos medir muchas magnitudes (hay que recordar que magnitud es todo aquello que se puede medir), sin embargo hay tres de ellas que reciben el nombre de magnitudes fundamentales de los circuitos eléctricos, ya que conociéndolas podríamos calcular cualquier otra magnitud. Estas tres magnitudes son la tensión, la intensidad de la corriente y la resistencia eléctrica.

3.1. La tensión. La tensión eléctrica entre dos puntos, también llamada diferencia de potencial o voltaje, es la energía eléctrica por unidad de carga que hay entre dos puntos, y viene a representar el “empujón” que reciben los electrones para que se muevan. Esta magnitud se mide en voltios (V). Para medir la tensión entre dos puntos se

utiliza un aparato

llamado voltímetro. Para ello hay que conectarlo en

paralelo dentro del

circuito.

3.2. La corriente eléctrica. La corriente eléctrica es el número de

eléctrones que

pasan por un conductor en cada segundo, viene a representar la velocidad de la corriente eléctrica a través de un conductor. Se mide en amperios (A). La intensidad de la corriente que pasa por un conductor se mide con el amperímetro, que se coloca en serie.

3.3. La resistencia eléctrica. La resistencia eléctrica es la oposición que ofrece un circuito al paso de la corriente eléctrica, es decir mide todo aquello que pone obstáculos para impedir el paso de la corriente. Se mide en ohmios (Ω). Existen aparatos que son capaces de medir tanto la tensión como la intensidad, así como la resistencia, estos aparatos reciben el nombre de polímetros.

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4. LEY DE OHM. El nombre de esta ley se debe al científico que la descubrió en 1822 llamado Georg Ohm. Viene a decir que si en un cirquito eléctrico por el que circula una corriente eléctrica duplicamos el voltaje también se duplica la intensidad y si el voltaje se reduce a la tercera parte también lo hace la intensidad de la corriente. Se puede decir que : Para una resistencia dada , intensidad y voltaje son magnitudes directamente proporcionales. Se expresa mediante la fórmula:

V=I •R , donde V es el voltaje en

voltios, I= la intensidad en amperios y R= la resistencia en Ohmios.

EJEMPLOS de aplicación de la ley: 1-Se conecta una resistencia de 3kΩ ( k significa 1000 y Ω significa ohmio: serían 3000 ohmios) a una pila de petaca ( 4,5v).¿Cuál será la intensidad de la corriente en el circuito? I=4,5 / 3000

V=I •R

4,5=I •3000

I=0,0015 A

2-Por un circuito eléctrico al que se le aplica un voltaje de 6V circula una corriente eléctrica de 0,35 A. ¿Qué resistencia tendrá el circuito? V=I •R

6=0,35 •R

R=6/0,35

R=17,1 Ω

3-En el circuito I) que están debajo sólo conocemos el voltaje aplicado por lo cual no podemos averiguar nada más. En cambio si nos dan la intensidad (caso-II) que circula , aplicando la Ley de Ohm, podemos averiguar la resitencia: I)

II)

Ley de Ohm

V = I •R

por lo que R= V / I R= 1,5 / 0,5 = 3 Ω

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V en voltios, I en Amperios (500 miliamperios son 0,05 Amperios) y R en Ohmios (su símbolo es Ω) 4-Por un circuito eléctrico de resistencia 30 Ω circula una corriente de 200mA (mA significa miliamperio, es decir la milésima parte de un amperio). ¿Qué voltaje es el que hemos aplicado? V=I •R

V=0,2 •30

V=6 V

El 0,2 es la intensidad en Amperios. 200mA son 0,2 A Buscad en este enlace de mi página.

5. CONEXIONES EN SERIE Y EN PARALELO Y MIXTO Si disponemos de varios operadores eléctricos podemos conectarlos de varias maneras: En serie: la salida de uno de ellos es la entrada del siguiente (uniríamos la salida de uno con la entrada del siguiente y así sucesivamente) Si unimos varios receptores en serie la resistencia total se calcula sumando las resistencias de cada receptor. Rt= R1+R2+R3+.. Si conectamos generadores en serie el voltaje total se calcula sumando los voltajes que producen parciales. Vt= V1+V2+V3+.. Es la disposición típica de las luces de los árboles de navidad. Cuando se funda una de las bombillitas la corriente no pasa a las demás. No se enciende ninguna. En paralelo: todos tienen la misma entrada y la misma salida ( se unirían todas las entradas y todas las salidas) Si unimos varios receptores en paralelo la resistencia total se calcula sumando el inverso de cada resistencia de cada receptor. Rt= 1/R1 + 1/R2 + 1/R3 + … Si conectamos generadores IGUALES en paralelo el voltaje total es el mismo que el de uno de ellos. Vt=V1=V2=V3.. Sólo varia la duración. Si unimos cuatro pilas de petaca en paralelo la duración será cuatro veces lo que dura una sola. 5

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Conexión mixta: En el circuito hay elementos conectados en serie y en paralelo.

6-ENERGIA ELECTRICA Las bombillas, los motores , las estufas , etc mientras están funcionando consumen energía eléctrica y cuanto más tiempo estén funcionando mayor es la cantidad de energía que consumen. La energía consumida por un electrodoméstico se calcula así:

E= V •I •t

V es el voltaje aplicado en Voltios(V) I es la intensidad que circula en Amperios(A) t es el tiempo durante el cual esta funcionando en Segundos(s) E es la energía consumida en Julios (J) aunque también se puede utilizar la caloría (cal) Siempre que conozcamos 3 de esos valores podremos conocer el cuarto. Ejemplo1: Calcula el calor que produce un radiador eléctrico conectado durante 3 horas. En la etiqueta del fabricante pone que las características de este radiador son: 220V y 5A Aplicamos la fórmula:

E= V • I • t

E= 220 • 5 •10.800

E= 11880 Kj

( KJ significa kilojulios, es decir 1000 julios) ó E= 2842,1Kcal (Kcal. significa Kilocalorías, es decir 1000 calorías)

1caloría= 4,7 julios

Los 10800 salen de transformar 3 horas en segundos. Ejemplo 2 ¿Qué energía consume en 2 h una linterna que funciona con dos pilas de 1,5 V conectadas en serie y por la que circula una intensidad de 4 A? E=V •I • t

E=3•4 • 7.200= 86400 Kj

(Si las pilas están conectadas en serie el voltaje aplicado sera 1,5+1,5= 3 v)

6.1 Potencia eléctrica y energía. Cuando observamos las características técnicas de un electrodoméstico podemos ver que nos habla de voltios (V), Amperios(A) y Vatios(W). Sabemos que cuando un equipo de música tiene muchos vatios es que puede llegar a sonar más fuerte que otro que tiene menos vatios. Esto es la potencia eléctrica. 6

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Observando este valor podemos diferenciar el consumo de los electrodomésticos. Una estufa de 1000 vatios consume el doble que una de 500w pero también dará más calor. La potencia consumida por un aparato eléctrico por el circula una intensidad I, y cuyo voltaje de funcionamiento es V, viene dada por :

P= V•I

Ejemplo 1:¿ Calcula la corriente que circula por una bombilla de 100W y 220V. P=V•I

100=220•I

100/220=I

I=0,45 A

¿Podríamos saber la resistencia que tiene la bombilla? (aplicamos la ley de Ohm) V=I•R

;

220=0,45•R

ó

R=V/I

R= 220/0,45

R=488,8 Ω

La energía eléctrica consumida se puede expresar una vez CONOCIDA la potencia y se hace en kilovatios por hora ( kW•h). Si se conoce la potencia de cualquier receptor (puede ser cualquier receptor de corriente), la energía eléctrica que consume en kW•h se calcula multiplicando la potencia en Kilovatios por el número de segundos o por las horas pasadas a segundos. : E= P•t Ejemplo 2: ¿Qué energía consume una bombilla de 40W que está encendida durante 5h? En primer lugar, hay que convertir a kilovatios la potencia. Esto es: 40w= 0,04 kW. Según la formula anterior: E = 0,04 kW•5h= 0,2 kW por hora: 0,2 kW•h

Su equivalente en kJ (kilojulios) seria

0,02 • 3600 = 720 kJ (kilojulios)

1kw•h son 3600000 julios o 3600 kJ

7-ELEMENTOS DE MANIOBRA Y PROTECCION En un circuito no solamente hay generadores (como la pila de petaca) o receptores (como una bombilla o un motorcito) sino que necesitan otros elementos de control como interruptores, pulsadores, conmutadores y elementos de protección. Los interruptores permiten o interrumpen de modo permanente el paso de la corriente. Los pulsadores son interruptores que actúan solamente mientras dura la pulsación. Los conmutadores permiten dirigir la corriente por una rama del circuito, impidiendo que pase a la otra.

Los elementos de

protección se emplean para proteger los cables y componentes de un 7

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circuito y para evitar daños en las personas que los utilizan. Bajo vuestra mesa hay varios. Además en el armario informático que está al lado de la pizarra también hay unos cuantos que protegen los ordenadores por sectores y por receptor: son los interruptores magnetotérmicos( una especie de fusibles automáticos) y los diferenciales ( protegen de derivaciones o fugas de corriente). Además tenemos el cable de tierra que desviaría a tierra cualquier descarga.

8-MAGNETISMO Y ELECTROMAGNETISMO La palabra magnetismo procede de la ciudad de la antigua Grecia, Magnesia, en cuyos alrededores abundaban ciertos minerales (magnetita) capaces de atraer al hierro. Esta propiedad se conoce desde la Antigüedad. Sin embargo los fenómenos magnéticos se empezaron a estudiar científicamente en el siglo XIX. Los imanes

son piezas metálicas que pueden atraer a ciertos metales. Tienen dos polos, llamados

norte y sur. Los polos iguales se repelen y los polos distintos se atraen.

8.1 El electroimán

es una bobina

eléctrica enrollada en torno a una barra alargada de un material ferroso. El efecto magnético del electroimán solo se manifiesta cuando circula corriente por la bobina. Lo podemos activar cuando queramos y si invertimos el sentido de la corriente cambiando los polos también se invierten los polos del electroimán.

8.2 El descubrimiento del electromagnetismo. El científico danés Hans Christian Oersted fue el primero en demostrar que una corriente eléctrica llevaba asociado un campo magnético y por tanto era capaz mover una brújula. Posteriormente Michael Faraday demostró que moviendo un campo magnético cerca de un cable se genera en este una corriente eléctrica. Si movemos el cable cerca de un campo magnético también se genera en el una corriente eléctrica.

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9-MAQUINAS ELECTRICAS Una máquina eléctrica es cualquier aparato o mecanismo que puede convertir la corriente eléctrica en movimiento o el movimiento en corriente eléctrica.

9.1 El motor eléctrico es

una máquina que transforma la energía eléctrica en movimiento. Los

que nosotros haremos serán de corriente continua (corriente continua quiere decir que la corriente siempre circula en la misma dirección: de un polo a otro). Cuando la corriente circula por los electroimanes del rotor (el rotor en un motor es la pieza que gira) el campo magnético que estos producen son atraídos o rechazados por los imanes fijos que hay cerca (imanes de campo).

9.2 El generador eléctrico es un mecanismo que

produce energía eléctrica a partir de energía

mecánica, química o luminosa. Las pilas, por ejemplo, son generadores que transforman la energía química en eléctrica.

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9.3 La dinamo

es parecida al

motor eléctrico. Cuando gira el rotor se produce

una

corriente eléctrica. Las bicicletas usan este tipo

de

generador. La rueda mueve un imán que esta rodeado por una bobina en la cual se produce la corriente eléctrica que enciende la bombilla. Produce corriente eléctrica continua pulsante.

9.4 El alternador

es casi idéntico a la dinamo y al motor también.

La

única diferencia estriba en la forma de recoger la corriente. Produce corriente alterna.

Los tres siguientes apartados( 10, 11 y 12) me los tendréis que entregar en folios numerados y grapados. 10-OTROS MECANISMOS 10.1 El timbre. 10.2 El relé. 10.2 El transformador.

11- PRECAUCIONES QUE HAY QUE TENER CON LA CORRIENTE ELECTRICA. No os inventéis nada. Buscar en Internet todo lo relacionado con los peligros y precauciones que hay que tener con la corriente eléctrica. Y recordad: en mi página ( http://roble.pntic.mec.es/ebep0009 en el apartado TECNO 21) hay suficientes enlaces para encontrarlo todo. Usadla. 10

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12-ACTIVIDADES

1-Dibuja los símbolos eléctricos que representan el voltímetro, la resistencia, el motor y el fusible. 2-Dibuja el esquema eléctrico de un circuito que conste de una bombilla, un interruptor, una pila y un fusible. 3-Calcula la resistencia de la bombilla de la actividad anterior si la pila es de petaca (4,5 voltios) y la intensidad es de 0,5 A. 4-Calcula la resistencia equivalente del circuito:

24 Ω

12Ω

6Ω

5-Calcula la resistencia equivalente del circuito 6Ω 12 Ω 24 Ω

6-Calcula la resistencia equivalente: 6Ω

6Ω

12 Ω

12 Ω

24 Ω

24 Ω

7-Este icono que veis aquí se encuentra en mi página de TECNO 21 ( http://roble.pntic.mec.es/ebep0009). en los apartados de electricidad y electromagnetismo. Pulsando en él podréis acceder a una página en la que tendréis que hacer las actividades que vienen en ella en la sección “Actividades” y dentro de ella en el apartado “Electricidad”( en total hay 13 ejercicios de Electricidad) . En estos ejercicios ya viene la 11

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solución. Vosotros sólo tenéis que indicar como se llega a ella. Os recomiendo antes veáis el apartado “Ley de Ohm” entero (Resistencias en serie, Resistencia en paralelo, Ley de Ohm, Ejercicio de Aplicación)

En este otro enlace, en el apartado de “Índice de contenidos” y dentro de él en “Circuitos”, podréis ver también este tema en la sección “Circuitos en serie, paralelo y mixto”.

8-Cuando se gastará una pila antes, cuado conectas a ella dos bombillas en paralelo o en serie. Razona la respuesta. 9-De qué manera lucirán más dos bombillas conectadas a una pila, en serie o en paralelo. Razona la respuesta. 10-El monitor de un ordenador tiene por detrás una plaquita donde entre otras cosas pone: 220 V y 1 A. ¿Se puede saber la potencia eléctrica consumida? Calcúlala. ( P= V • I Lo que sale son W; watios) Calcula también la energía eléctrica consumida en dos horas. (recuerda que la energía se mide en Kilovatios por hora kWh)

11-Calcula la energía en kW por hora que consumen los siguientes aparatos: a-Plancha de 800 W durante una hora y media al máximo. b-Radiador de 1500 W durante 5 horas a media potencia. c-Secador de 1100 W durante 15 minutos d-Bombilla de 60 W durante 2 horas. 13-Un fluorescente del instituto que supongo que tendrá una potencia de 36 vatios se mantiene encendido durante 6 horas diarias, ¿Cuándo consumirá en un mes ( 20 días de clase)¿Y en un curso de 175 días lectivos? Si lo apagásemos durante el recreo y durante las horas de E.F, EPV, Tecnología y Música en que no estamos en ella , cuántos kWh nos ahorraríamos a la semana ? Si el kWh sale a 0,20 euros, ¿cuánto dinero nos ahorraríamos en un curso escolar de unas 37 semanas lectivas? En cada clase se pueden encender unos 8 fluorescentes y hay 9 aulas. 14- Di cuáles de estas situaciones implican peligro:

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a) Poner los dedos en el enchufe. b-Utilizar cables en buen estado. c) Jugar con un cable conectado. d) Irse de casa dejando la estufa o cocina eléctrica encendida. e-Utilizar un secador eléctrico cuando se está mojado. f- Asegurarse antes de salir de casa que no nos dejamos ningún electrodoméstico funcionando. g-Desconectar la luz de la casa cuando se va a hacer alguna reparación eléctrica. Peligro: a

b

c

e

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f

g

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