15.1. El circuito eléctrico A Concepto de energía eléctrica

Presentación del tema: "15.1. El circuito eléctrico A Concepto de energía eléctrica"— Transcripción de la presentación:

0 Circuitos eléctricos de corriente continua
Unidad 15 Circuitos eléctricos de corriente continua

1 15.1. El circuito eléctrico A Concepto de energía eléctrica
Existen dos tipos de corriente eléctrica: continua (c.c.) y alterna (c.a.). En esta Unidad se va a estudiar la corriente continua, que es la que proporciona las dinamos, baterías y pilas. A Concepto de energía eléctrica La materia está formada por elementos químicos denominados átomos. Cada átomo consta de varios tipos de partículas. Las más importantes son: ► Núcleo: está formado por protones (con carga eléctrica positiva) y neutrones (partículas sin carga eléctrica). ► Electrones: son partículas con carga negativa que giran alrededor del núcleo, ocupando diferentes órbitas o niveles energéticos. Composición de un átomo.

2 En estado natural, todos los átomos son neutros; es decir, el número de protones es igual al número de electrones. Si por cualquier causa un átomo pierde un electrón, quedará cargado positivamente, denominándose ion positivo o catión. Si lo gana, el átomo quedará cargado negativamente, llamándose ion negativo o anión. Este proceso de pérdida y adquisición de electrones se está realizando constantemente en la naturaleza y no supone modificación alguna en la constitución del átomo. Imagínate que se dispone de un grupo de cationes, cuya tendencia va a ser la captación de electrones con objeto de quedar en estado neutro, y que, por otro lado, se tienen un grupo de aniones, que tratarán de desprenderse de los electrones sobrantes. Si los unimos mediante un cable (conductor), habrá una transferencia de electrones, del anión (cuerpo con iones negativos) hacia el catión (cuerpo con iones positivos o sin electrones), hasta que los dos cuerpos queden con la misma carga eléctrica. Esta transferencia o movimiento de electrones a través del conductor se denomina corriente eléctrica. Cationes y aniones.

3 Diferentes métodos para producir electricidad:
Generador de corriente continua o dinamo. Si se mueve rápidamente un cable en un campo magnético (próximo a un imán permanente), se establece una corriente de electrones a través del cable. Mediante frotación. Al frotar una barra de ámbar contra un trozo de lana, uno de ellos robará los electrones del otro, quedando los dos cargados eléctricamente. Pilas de hidrógeno o pilas de combustible (se hace reaccionar químicamente hidrógeno líquido y oxígeno). Placas fotovoltaicas. Cuando inciden fotones (energía electromagnética) sobre ciertos semiconductores se origina corriente eléctrica. Conversores termoeléctricos. Cuando se calienta la zona de contacto entre dos metales distintos, se produce un voltaje entre ambos. De momento, su eficiencia todavía es muy pequeña (alrededor del 7%). Diferentes métodos de producir electricidad.

4 B Características de un circuito de corriente continua.
Para que un receptor (bombilla, motor, resistencia, etc.) pueda funcionar es necesario que la corriente eléctrica generada (corriente de electrones) llegue a ese receptor a través de un conductor (cable). Luego tendrá que atravesarlo, cediendo su energía, y regresar de nuevo al generador. Por tanto, será necesario que tanto el generador como el receptor posean dos tomas de corriente. Tal y como se puede observar en la figura, se necesitará una energía externa, generalmente mecánica, que se transforme en energía eléctrica a través del generador (arrastrando electrones de un borne al otro). Estos electrones, que tienen un “nivel de energía” determinado, se dirigen por el cable hasta el receptor, donde ceden su energía (transformándola en otro tipo de energía). Finalmente, los electrones regresan al borne positivo del generador. Atendiendo a esto, los circuitos pueden encontrarse en dos estados: ► Circuitos cerrados. La corriente de electrones circula a lo largo del circuito, atravesando el receptor y regresando al generador. ► Circuitos abiertos. No hay circulación de electrones (corriente eléctrica); por tanto, no hay transmisión ni conversión de energías. El receptor no funciona. E1 > E2 debido a las pérdidas en el transporte. Estados de un circuito.

5 C Símil hidráulico El comportamiento de la electricidad es muy parecido al del agua en un circuito hidráulico. Por ello, con objeto de que resulte más fácil entender el funcionamiento de un circuito eléctrico, conviene establecer una analogía entre ambos tipos de circuito. Símil hidráulico de un circuito eléctrico de corriente continua.

6 15.2. Magnitudes eléctricas
A Intensidad de corriente Submúltiplos del amperio más utilizados.

7 La intensidad de corriente se mide con un aparato denominado amperímetro. El amperímetro siempre se coloca en serie en el circuito, de manera que toda la corriente pase por él. Su símbolo se muestra en la Figura. Conexión de un amperímetro en un circuito. EJEMPLOS. 1º. Determina qué carga habrá pasado durante 2 horas por una bombilla si la intensidad ha sido de 0,5 A. (Sol.: 3.600C) 2º. Calcula qué intensidad de corriente habrá circulado por un cable si por él han pasado 20 C en 10 segundos. (Sol.: 2A) 3º. ¿A cuántos miliamperios y microamperios equivalen 0,27 A? (Sol.: 270mA; 2,7·105μA) 4º. ¿Cuánto tiempo tardarán en pasar 36 culombios si la intensidad es de 3A? (Sol.: 12 s) 5º. ¿Qué cantidad de electrones habrá atravesado un radiador si la intensidad ha sido de 8 A y ha estado funcionando durante 2 horas?. (Sol.: 3,59·1023 electrones)

8 B Resistencia eléctrica

9 Resistividad de algunos materiales.

10 C Voltaje, tensión o diferencia de potencial

11 Medición del voltaje en un circuito.

12 EJERCICIOS. 6º. Determina la resistencia total que ofrece un cable de cobre cuya distancia entre el generador y el receptor es de 250 m y tiene un diámetro de 4mm. (Sol.: 0,68Ω) 7º. Determina la resistencia que ofrece una barra de grafito de 2,5m de larga y 3 cm2 de sección. (Sol.: 0,0004Ω) 8º. ¿Qué longitud deberá tener un hilo de cobre si su diámetro es de 0,3mm y queremos que ofrezca una resistencia de 7Ω? (Sol.: 28,77m). 9º. Determina la intensidad de corriente que atraviesa una bombilla si su resistencia es de 4 Ω y el voltaje de 6V. Se desprecia la resistencia del conductor. (Sol.: 1,5 A) 10º. Calcula la resistencia que tendrá un radiador eléctrico que al conectarle una tensión de 220 V deja pasar una intensidad de 8 A. (Sol.: 27,5Ω)

13 D Ley de Ohm E Energía y potencia eléctrica. Efecto Joule

14 Contadores de energía eléctrica (en kWh).

15 Algunos ejemplos de máquinas reales que funcionan mediante el efecto Joule.
EJERCICIO. 11º. Calcula la energía consumida, en Wh, por un brasero eléctrico que se conecta a una tensión de 220 V si su resistencia es de 17 Ω y está funcionando durante 8 horas. Averigua también la energía calorífica producida en kcal. (Sol.: Wh; ,10 kcal)

16 Codificación de los valores de las resistencias fijas.

17 I = V1 / R1; I = V2 / R2;… V1 = I · R1; V2 = I · R2
Acoplamiento de receptores. En corriente continua (c.c.), todos los receptores pueden ser considerados, a efectos de cálculos, como resistencias eléctricas. Los receptores se pueden acoplar o conectar de las siguientes maneras: en serie, en paralelo y mediante acoplamiento mixto (serie- paralelo). Acoplamiento en serie. Dos receptores están acoplados en serie cuando la corriente que sale de uno de ellos pasa íntegramente por el otro. Los métodos para determinar las magnitudes estudiadas anteriormente son: Cálculo de la intensidad total que atraviesa el circuito. Todas las resistencias se pueden hacer equivalentes a una, denominada resistencia equivalente. Cuyo valor es: Req = R1 + R2 + … De esta manera, el circuito se transforma en uno que solamente tiene un receptor, al que se le puede aplicar la ley de Ohm. I = V / Req Cálculo de la tensión entre los bornes de cada receptor. Se aplica la ley de Ohm a ese tramo del circuito. I = V1 / R1; I = V2 / R2;… V1 = I · R1; V2 = I · R2 Al despreciar las pérdidas por efecto Joule, la suma de los voltajes o diferencias de potencial en los extremos de cada receptor es igual a la fem del generador y, por tanto, se considera que no tiene resistencia interna. Circuito en serie y su equivalente.

18 Acoplamiento en paralelo
Acoplamiento en paralelo. Aquí, la corriente que atraviesa uno de los receptores ya no pasa por ningún otro. Cálculo de la resistencia equivalente. Viene dado por la expresión: Donde R1, R2, R3,… son cada una de las resistencias en paralelo de que consta el circuito. Intensidad total que atraviesa el circuito e intensidades parciales: I = V / Req Las diferencias de potencial en los extremos de cada receptor son las mismas e iguales a la fuerza electromotriz que tiene el generador (despreciando su resistencia interna). Por tanto, V1 = V2 = V3 = … = V. Luego, I1 = V/R1; I2 = V/R2; I3 = V/R3. Y la intensidad total: I = I1 + I2 + I3 + … Acoplamiento de dos lámparas en paralelo.

19 Acoplamiento mixto de receptores.
Se da cuando hay receptores acoplados en serie y en paralelo. Para determinar la resistencia equivalente, se hace por partes. En nuestro ejemplo, primero se calcula la resistencia equivalente de los dos receptores que están acoplados en serie y luego se determina la resistencia equivalente total en el circuito en paralelo. La intensidad total se calcula mediante la ley de Ohm. Por último, quedará por resolver las intensidades y tensiones en cada uno de los elementos. Acoplamiento de receptores en serie-paralelo (mixto).

20 EJERCICIOS. 15º. Un circuito eléctrico que alimenta las luces de un árbol de Navidad dispone de 35 lámparas iguales de 5 Ω cada una, conectadas en serie. Sabiendo que se conectan a 220 V, calcula: a.) intensidad total que atraviesa el circuito; b.) potencia de cada lámpara; c.) energía consumida si están conectadas 8 horas. (Sol.: I = 1,26A; P=7,90W; E=2,2 kWh.). 16º. Un circuito en serie dispone de dos lámparas y un motor de 8,4 y 3Ω, respectivamente. Sabiendo que se encuentra conectado a una batería de 12 V, calcula: a.) Intensidad de corriente que atraviesa el circuito; b.) Voltaje o tensión en cada uno de los receptores; c.) Energía consumida por cada receptor al cabo de 10 horas. (Sol.: a.) 0,8A: b.) 6,4 V; 3,2V y 2,4V; c.) 51,20 Wh, 25,60 Wh y 19,20 Wh). 17º. Un circuito eléctrico está formado por tres bombillas y un motor de c.c. acoplado en paralelo. Sabiendo que las resistencias tienen un valor de 3, 5 y 7Ω y que la del motor es de 4Ω, determina: a.) intensidad que atraviesa todo el circuito; b.) intensidades que circulan por cada receptor; c.) energía total consumida al cabo de cinco horas. El generador es de 12 voltios. (Sol.: a.) 11,11A: b.) 4A; 2,4A y 1,71A y 3A; c.) 666,86 Wh). 18º. Determina la intensidad total en el circuito de la figura. (Sol.: 2,80A). 19º. Hay cuatro receptores en paralelo en un circuito, de valores resistivos: 7,3, 9 y 6Ω. Si la tensión de alimentación es de 6V, determina la energía total consumida al cabo de 24 horas y la diferencia de potencial en los extremos del receptor de resistencia 9Ω. (Sol.: E=651,42Wh; V3=6V).