1. Propiedades eléctricas de la materia - Tema 8. Circuitos eléctricos. Cuaderno para el alumnado.

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FÍSICA Y QUÍMICA 3º ESO. TEMA 8. CIRCUITOS ELÉCTRICOS.

1. Propiedades eléctricas de la materia

1.1 Qué es la corriente eléctrica.

Algunos materiales tienen la propiedad de tener, en su estructura interna, partículas libres con carga eléctrica que se pueden mover por su interior. Un ejemplo es el de los metales; en ellos, la movilidad de sus electrones hace que se hable de «nube de electrones».

Imagina que a uno de los extremos de un hilo de cobre (elemento metálico) se acerca una carga externa positiva. Todos los electrones, que antes estaban moviéndose al azar, se dirigirán

simultáneamente hacia este extremo originando una corriente eléctrica.

Se denomina corriente eléctrica al desplazamiento conjunto y ordenado de cargas eléctricas.

1.2 Corriente continua y corriente alterna

Corriente continua es aquella en la que las cargas se desplazan siempre en el mismo sentido.

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1.3 Conductores, aislantes y semiconductores

Los materiales que observas a tu alrededor se clasifican, según sus propiedades eléctricas, en conductores, aislantes y semiconductores:

• Conductores. Son aquellos por los que puede circular la corriente eléctrica. En su interior hay partículas cargadas que se pueden mover libremente.

✗ Los metales son conductores porque en su interior hay electrones libres que pueden conducir la electricidad.

✗ No solo los metales son conductores de la electricidad. Por ejemplo, una disolución de sal común (NaCl) en agua también lo es, pues al disolver la sal se obtienen iones Na+ y Cl-, que se pueden mover en su seno.

• Aislantes. Son aquellos por los que no circula la corriente eléctrica. No pueden conducir la electricidad porque los electrones que hay en su interior no pueden moverse libremente. Es el caso del corcho, el cartón, el vidrio, o el plástico que recubre los hilos de cobre de los cables eléctricos. Se utilizan como protección eléctrica.

• Semiconductores. Son aquellos por los que puede circular la corriente eléctrica solo en determinadas condiciones de, por ejemplo, temperatura o iluminación. El silicio (Si) y el germanio (Ge) son ejemplos de semi-conductores.

2. Generadores de corriente eléctrica

El movimiento ordenado de las cargas eléctricas por el interior de un conductor se consigue mediante los generadores de corriente eléctrica.

Según el modo en que la generan, se distinguen tres tipos: Mecánicos. Transforman energía mecánica en energía eléctrica. Dentro de ellos podemos distinguir los

alternadores, que generan corriente alterna, y las dinamos, que la generan continua.

Fotovoltaicos. Transforman energía solar en eléctrica. Las células fotovoltaicas se fabrican con materiales

semiconductores en los que, cuando se iluminan, algunos electrones quedan libres.

Químicos. Transforman energía química en eléctrica. Ciertas reacciones químicas producen un flujo de electrones que, canalizados a través de un hilo

conductor, originan una corriente. Las pilas y baterías son los ejemplos más usuales.

Debes tener muy claro que los generadores no crean las cargas

eléctricas, que ya se encuentran en el interior de los materiales. Lo que hacen es proporcionar energía para que estas cargas se desplacen de modo conjunto y ordenado.

Dinamo de bicicleta

Pila

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2.1 Fuerza electromotriz.

La fuerza electromotriz (fem) es la capacidad de un generador para mover las cargas a lo largo de un hilo conductor, y se representa por la letra griega épsilon (ε). Como la fem es energía por unidad de carga (ε = E/ q), su unidad en el SI es el julio partido por culombio, que recibe el nombre de voltio y se representa por la letra V (1 V = 1 J/1 C). Las pilas que utilizamos con más frecuencia son las de 1,5 V o 4,5 V.

3. Circuito eléctrico

Para poder mantener la corriente eléctrica es necesario canalizarla a través de un circuito cerrado, que recibe el nombre de circuito eléctrico.

Un circuito eléctrico es un conjunto de componentes eléctricos unidos entre sí por materiales conductores.

En un circuito eléctrico, la corriente efectúa un recorrido cerrado. Sale del generador, y vuelve a este después de pasar por todos los componentes del circuito.

3.1.- Elementos de un circuito eléctrico. Cualquier circuito eléctrico consta de los siguientes elementos:

* Generador. Suministra la energía necesaria para que exista corriente eléctrica. Ejemplo: una pila o una batería

* Conductores. Unen los distintos elementos del circuito. Ejemplo: Cables eléctricos. * Receptores. Transforman la energía eléctrica de la corriente. Ejemplo: un motor, una bombilla, un altavoz...

* Elementos de control. Controlan el paso de la corriente eléctrica por las distintas partes del circuito. Los más habituales son los interruptores y los pulsadores.

* Elementos de protección. Protegen el circuito contra subidas excesivas de corriente. El ejemplo más común es el fusible.

Los circuitos eléctricos se representan mediante esquemas eléctricos, en los que cada uno de estos elementos tiene un símbolo particular.

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Circuito eléctrico.

Un circuito eléctrico elemental consta de un generador (pila), un receptor eléctrico (bombilla), un elemento de control (interruptor) y un elemento de protección (fusible). El fusible garantiza que no pase más corriente eléctrica de la que soporta el receptor, protegiéndolo.

Esquema eléctrico

En esta ilustración se muestra el esquema eléctrico de un circuito eléctrico elemental. El orden en que los elementos se conectan al generador es indiferente, lo importante es que la corriente eléctrica que sale del generador vuelva a él después de pasar por todos los elementos del circuito.

4. Magnitudes eléctricas

Las magnitudes físicas que se utilizan para el estudio de los circuitos eléctricos son tres: intensidad de corriente, diferencia de potencial y resistencia eléctrica.

4.1 Intensidad de corriente.

La intensidad de corriente (I) es la cantidad de carga (q) que atraviesa una sección transversal del conductor en la unidad de tiempo (t). Matemáticamente:

Se trata de una magnitud fundamental. En honor al científico francés A. M. AMPÉRE (1775-1836), su unidad en el SI es el amperio, que se representa por la letra A (1 A = 1 C/1 s). En ocasiones el amperio es una unidad muy grande, y se utiliza el miliamperio (1 mA = 1·10-3 A) o el microamperio (1 μA = 1·10-6 A).

4.2 Diferencia de potencial.

La diferencia de potencial entre dos puntos A y B de un circuito es la energía eléctrica que se consume cuando circula la unidad de carga positiva desde el punto A hasta el B.

En el SI, la ddp, también llamada voltaje o tensión eléctrica, se mide en voltios, al igual que la fem. En esta definición, la palabra «consume» no te ha de hacer pensar que la energía se pierde. Hace referencia a que la energía se ha transformado en otra de sus manifestaciones (mecánica, térmica, etc.) y ha dejado de ser energía eléctrica. El principio de conservación de la energía siempre se cumple.

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4.3 Sentido de la intensidad de corriente

Movimiento de los electrones. El sentido por convenio de la corriente eléctrica es del polo positivo al negativo. Sin embargo, los electrones salen del polo negativo del generador y entran por el positivo. Al ser el estudio de la electricidad previo al conocimiento del electrón, se asignó a la corriente el sentido contrario, lo que se mantiene por convenio.

4.4 Resistencia eléctrica.

Todos los materiales conductores presentan cierta dificultad al paso de la corriente eléctrica.

La resistencia eléctrica, R, es la magnitud física que nos indica la oposición que ofrece un material al paso de la corriente.

En el SI se mide en ohmios, que se representa con la letra griega omega (Ω).

En el caso de los metales, la resistencia se debe a que los electrones, en su movimiento, chocan con los iones positivos de la red cristalina característica del enlace metálico.

Es lógico pensar, pues, que la resistencia depende de:

La longitud. Cuanto mayor sea la longitud del conductor, L, mayor será su resistencia, pues los electrones habrán de recorrer más espacio (proporcionalidad directa).

La sección transversal. Cuanto mayor sea la sección del conductor, S, más facilidad tendrán las cargas para moverse en su interior.

El tipo de material. Las características de la estructura cristalina del material también influyen en la resistencia. Este factor queda definido por un parámetro, característico de cada material, que recibe el nombre de resistividad eléctrica. Se representa por la letra griega rho (ρ), y en el SI se expresa en Ω·m.

ddp=energía

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5. Medida de magnitudes eléctricas

5.1 Medida de tensiones. Voltímetro

La diferencia de potencial (ddp) entre dos puntos de un circuito se puede medir, de forma directa, con el uso de un voltímetro.

En el esquema eléctrico de la figura inferior se muestra el símbolo utilizado para el voltímetro y el modo de conectarlo al circuito. Este tipo de conexión en el que la corriente eléctrica, al llegar al punto P, se divide entre las dos ramas del circuito, recibe el nombre de conexión en paralelo.

5.2 Medida de intensidades. Amperímetro.

La intensidad de corriente también se puede medir de forma directa con el uso de amperímetros. En el esquema inferior se muestra su símbolo eléctrico y el modo de conectarlo al circuito para realizar la medida. Este tipo de conexión en el que la corriente eléctrica que atraviesa el aparato es la misma que circula por el resto de elementos del circuito, recibe el nombre de conexión en serie.

5.3 Medida de resistencias

Aunque existen aparatos de medida de resistencia eléctrica, denominados ohmímetros u óhmetros, es habitual que la resistencia se mida de forma indirecta utilizando la ley de Ohm, que veremos en el siguiente apartado. Además, las

resistencias comerciales vienen marcadas con anillos de colores que nos permiten determinar el valor de su resistencia eléctrica.

5.3 Medida de resistencias

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que la resistencia se mida de forma indirecta utilizando la ley de Ohm, que veremos en el siguiente apartado. Además, las resistencias comerciales vienen marcadas con anillos de colores que nos permiten determinar el valor de su resistencia eléctrica.

6. Ley de Ohm

La intensidad de corriente que recorre un elemento de un circuito eléctrico es

directamente proporcional a la diferencia de potencial aplicada sobre sus extremos e

inversamente proporcional a su resistencia eléctrica.

La expresión matemática de esta ley es

I

=

V

R

La ley de Ohm nos permite definir el ohmio como la resistencia de un conductor sometido a una ddp de 1 V por el que circula una corriente de 1 A (1 Ω = 1 V/1 A).

7. Asociación de elementos de un circuito.

Hasta el momento hemos trabajado con el circuito elemental, pero lo habitual es que los circuitos sean más complejos. En este apartado estudiarás técnicas para simplificarlos hasta llegar al elemental.

7.1 Asociación de resistencias

Resistencias en serie

Un circuito en serie es una configuración de conexión en la que los bornes o terminales de los dispositivos (generadores, resistencias, condensadores, interruptores, entre otros) se conectan secuencialmente. La terminal de salida de un dispositivo se conecta a la terminal de entrada del dispositivo siguiente.

Cuando dos o más resistencias están asociadas en serie, por todas ellas circula la misma intensidad. La resistencia equivalente, RE, de una asociación de resistencias en serie es igual a la suma de los valores de dichas resistencias:

Ventaja de esta conexión: La resistencia equivalente es muy fácil de calcular puesto que solo hay que sumarlas.

Inconveniente de esta conexión: Si se conectan, por ejemplo, dos bombillas en serie, y se funde una de ellas, interrumpirá el paso de corriente a la otra, que tampoco lucirá, como tampoco lo harán las siguientes.

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Resistencias en paralelo

Un circuito paralelo es una conexión de dispositivos (generadores, resistencias, condensadores, bobinas,etc.) en la que los bornes o terminales de entrada de todos los dispositivos conectados coinciden entre sí, al igual que sus terminales de salida.

En una asociación en paralelo, todas las resistencias están a la misma ddp.

En una asociación de resistencias en paralelo, el inverso del valor de la resistencia equivalente es igual a la suma de los valores inversos de cada una de ellas.

Ventaja de esta conexión: Si una bombilla se funde, las otras seguirán luciendo.

Inconveniente de esta conexión: Es más difícil calcular la resistencia equivalente que en el caso de resistencias en serie.

8. Estudio de circuitos eléctricos.

Con lo que has estudiado sobre asociaciones de resistencias y la ley de Ohm, los circuitos eléctricos se pueden reducir hasta el elemental. Se procede como sigue:

1. Se calculan las resistencias equivalentes de las asociaciones en paralelo, hasta conseguir un circuito en serie.

2. Se resuelven las asociaciones en serie hasta obtener el circuito elemental.

3. A partir de este se obtiene la intensidad total que recorre el circuito, lo que nos permite calcular las ddp e intensidades de los elementos individuales.

9. Componentes electrónicos. Diodo.

La electrónica es la ciencia-tecnología que estudia el paso de partículas cargadas a través de un gas, del vacío, o de un semiconductor. En este epígrafe trataremos sobre semiconductores.

Semiconductores tipo n y tipo p.

Un semiconductor es un elemento que se comporta como un conductor o como un aislante

dependiendo de diversos factores, como por ejemplo el campo eléctrico o magnético, la presión, la radiación que le incide, o la temperatura del ambiente en el que se encuentre.

A temperatura ambiente los semiconductores contienen electrones libres, en proporción muy inferior a los metales. Pero si se añaden pequeñas cantidades de otros elementos podemos cambiar sus

propiedades eléctricas.

Así, si al silicio (Si), uno de los semiconductores más utilizados, se le añade, por ejemplo, fósforo (P), se obtiene un semiconductor tipo n, que contiene más electrones libres que el silicio puro. Por el contrario, si se le añade boro (B) se obtiene un semiconductor tipo p, que presenta menos electrones libres.

1

R

e

=

Σ

1

R

i

=

1

R

1

+

1

R

2

+

1

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Distintas configuraciones de semiconductores tipo n y tipo p dan lugar a la variedad de dispositivos electrónicos. El más simple, unión de un semiconductor tipo n con uno tipo p, se conoce como diodo semiconductor.

La adición de impurezas a un semiconductor puro se conoce como dopaje. Se realiza a escala microscópica, lo que ha disminuido el tamaño de los aparatos electrónicos.

ACTIVIDADES. 1.

a) ¿A qué se denomina corriente eléctrica?

b) Haz un dibujo en el que se muestren los electrones de un conductor sin corriente eléctrica y con corriente eléctrica.

c) ¿Qué es la corriente continua? Haz un dibujo en el que se muestre el comportamiento de los electrones en este tipo de corriente.

d) ¿Qué es la corriente alterna? Haz un dibujo en el que se muestre el comportamiento de los electrones en este tipo de corriente.

2.

a) Indica el nombre de los tres tipos de materiales que hay según sus propiedades eléctricas. b) ¿Qué son los materiales conductores? Explica por qué estos materiales pueden conducir la

electricidad.

c) Explica por qué los metales son conductores.

d) Explica por qué una disolución de sal común (NaCl) en agua es un conductor. e) ¿Qué son los materiales aislantes?

f) ¿Por qué los materiales aislantes no pueden conducir la electricidad? g) Pon cuatro ejemplos de materiales aislantes.

h) ¿Para qué se utilizan estos materiales? i) ¿Qué son los materiales semiconductores?

j) Pon dos ejemplos de materiales semiconductores. 3.

a) ¿Cómo se consigue el movimiento ordenado de las cargas eléctricas por el interior de un conductor?

b) ¿Qué tres tipos de generadores hay según el modo en que generan la corriente? c) Completa la siguiente tabla:

Tipos de generadores Cómo funcionan Dibujo

Mecánicos

Fotovoltaicos

Químicos

d) ¿Por que decimos que los generadores no crean las cargas eléctricas? e) ¿Qué es lo que hacen los generadores con esas cargas eléctricas? 4.

a) ¿Qué es la fuerza electromotriz (fem) b) ¿Con qué letra griega se representa?

c) Escribe la fórmula que nos sirve para calcular la fuerza electromotriz. d) ¿Cuál es la unidad en el SI de la fuerza electromotriz?

5.

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b) ¿Qué es un circuito eléctrico?

c) Explica cómo es el recorrido que efectúa la corriente en un circuito eléctrico. d) Explica qué es un generador y pon un ejemplo.

e) Explica qué son los conductores y pon un ejemplo. f) Explica qué es un receptor y pon un ejemplo.

g) Explica qué los elementos de control y pon un ejemplo. h) Explica qué los elementos de protección y pon un ejemplo.

i) Dibuja los símbolos de los elementos que podemos encontrar en un circuito eléctrico. 6.

a) ¿De qué partes consta un circuito eléctrico elemental? b) ¿Para qué sirve el fusible?

c) Dibuja un circuito eléctrico fundamental. d) Dibuja el esquema de un circuito eléctrico.

7.

a) ¿Cuáles son las magnitudes físicas que se utilizan para el estudio de los circuitos eléctricos? b) ¿Qué es la intensidad de corriente (I)? Escribe su fórmula e indica cuál es su unidad.

c) ¿Qué es la diferencia de potencial entre dos puntos A y B de un circuito? Indica cuál es su unidad.

d) Cuando decimos que la energía se “consume” en un circuito ¿Estamos diciendo que esa energía se ha perdido?

8.

a) ¿Cuál es el sentido por convenio de la corriente eléctrica? b) Explica cómo circulan realmente los electrones por un circuito.

c) ¿Por qué se mantiene este sentido de la corriente si no es el verdadero?

d) Haz un dibujo en el que se muestre el sentido de la corriente y el flujo de electrones en un conductor.

9.

a) ¿Qué es la resistencia eléctrica, R? Indica cuál es su unidad en el SI y el símbolo de esta unidad.

b) ¿A qué se debe la resistencia en el caso de los metales? Haz un dibujo que muestre este fenómeno.

c) ¿Cuáles son los tres factores de los que depende la resistencia? d) Explica cómo influye la longitud en la resistencia de un conductor.

e) Explica cómo influye la sección transversal en la resistencia de un conductor. f) Explica cómo influye el tipo de material en la resistencia de un conductor.

g) ¿Cuál es el parámetro que tiene en cuenta la influencia de las características de la estructura cristalina del material en la resistencia? Escribe la letra griega que lo representa y su unidad SI.

h) Haz un dibujo en el que se muestren los factores de los que depende la resistencia y la fórmula que permite calcular esta magnitud.

10.

a) ¿Cómo se puede medir de forma directa la diferencia de potencial (ddp) entre dos puntos de un circuito?

b) Dibuja un esquema eléctrico en el que se muestre el símbolo utilizado para el voltímetro y el modo de conectarlo al circuito.

c) ¿Cómo se llama el tipo de conexión en el que la corriente eléctrica, al llegar al punto P, se divide entre las dos ramas del circuito?

d) ¿Cómo se puede medir de forma directa la intensidad de corriente?

e) Dibuja un esquema eléctrico en el que se muestre el símbolo utilizado para el amperímetro y el modo de conectarlo al circuito.

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11.

a) Escribe el enunciado de la ley de Ohm. b) Escribe la expresión matemática de esta ley. c) Escribe la definición de ohmio.

12.

a) ¿Qué es un circuito en serie?

b) ¿Qué le ocurre a la intensidad que circula por dos o más resistencias asociadas en serie? c) Explica cómo es la resistencia equivalente, RE, de una asociación de resistencias en serie. d) Escribe la fórmula matemática que nos sirve para calcular la RE de una asociación de

resistencias en serie.

e) Haz un dibujo en el que se muestre un ejemplo de asociación de resistencias en serie. f) Explica las ventajas e inconvenientes de este tipo de conexión.

13.

a) ¿Qué es un circuito en paralelo?

b) ¿Qué le ocurre a la diferencia de potencial en una asociación en paralelo de resistencias ? c) Explica cómo es la resistencia equivalente, RE, de una asociación en paralelo de

resistencias.

d) Escribe la fórmula matemática que nos sirve para calcular la RE de una asociación de resistencias en paralelo.

e) Haz un dibujo en el que se muestre un ejemplo de asociación de resistencias en paralelo. f) Explica las ventajas e inconvenientes de este tipo de conexión.

14. Escribe los tres puntos fundamentales que has de seguir para resolver problemas de circuitos eléctricos.

15. (No examen)

a) ¿Qué es la electrónica? b) ¿Qué son lo semiconductores?

c) Explica qué le ocurre a los semiconductores si se añaden pequeñas cantidades de otros elementos.

d) Explica cómo se puede obtener un semiconductor tipo n y explica qué es este tipo de semiconductor.

e) Explica cómo se puede obtener un semiconductor tipo p y explica qué es este tipo de semiconductor.

f) Explica cómo es el dispositivo electrónico más simple e indica su nombre. g) ¿Qué es el dopaje en electrónica ?

h) ¿A qué escala se realiza el dopaje y qué beneficios ha traído esta circunstancia?

PROBLEMAS

1. Por un circuito eléctrico pasa una corriente de 1,2 mA. Calcula la carga que circula por él al cabo de media hora. Expresamos los datos en unidades del SI.

2. Calcula la resistencia de un hilo de aluminio de 50 m de longitud y 2 mm2 de sección. ρAl=2,8·10-8 Ω·m

3. Calcula la resistencia eléctrica de un hilo de plata de sección circular que tiene 1,5 mm de radio y 15 m de longitud.

4. ¿Qué diámetro tendrá un hilo de cobre de 2,5 m de longitud para que su resistencia sea de 1,5 Ω? ρCu=1,71 x 10-8 Ω·m

5. Un hilo de plata tiene una resistencia de 20 Ω. Si lo sustituimos por uno de hierro, de la misma. longitud y sección, ¿cuánto valdrá ahora la resistencia? ρAg=1,6·10-8 Ω·m; ρFe=1,3·10-7 Ω·m 6. Una carga de 120 C tarda dos minutos en atravesar una sección de un cable eléctrico. Calcula la

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7. Experiencia de Ohm. En un circuito, al variar el valor de la fem del generador variable, se

observan valores diferentes de voltaje e intensidad. a) Representa gráficamente estos valores.

b) Comprueba que en todos los casos el cociente V» es constante.

8. En el estudio de un determinado circuito se han obtenido los siguientes valores:

a) Comprueba que el cociente V/I es constante. b) Representa gráficamente estos valores

c) ¿Qué intensidad de corriente circula por la resistencia de 6 Ω?

9. Calcula la resistencia que sería atravesada por una corriente de 20 mA al conectarse a 9 V. 10. Al realizar un montaje de la experiencia de la ley de Ohm, el amperímetro arroja una medida

de 80 mA cuando se aplica una ddp de 12 V. a) Calcula la resistencia del conductor.

b) Calcula la intensidad que la atravesaría si se conectara a una ddp de 24 V.

11. Representa un circuito formado por un generador de 220 V, una bombilla y un amperímetro. Si la intensidad que circula por la bombilla es I = 0,2 A:

a) Calcula su resistencia eléctrica.

b) ¿A qué ddp tendríamos que conectarla para que la intensidad fuera la décima parte de la anterior?

12. Calcula la intensidad de corriente que recorre el circuito en serie y la caída de tensión en cada resistencia si V = 24 V, R1 = 20 Ω R2 = 40Ω y R3 = 80 Ω

13. Con los mismos datos, para el circuito en paralelo, obtén la intensidad que recorre cada resistencia, la intensidad total y la resistencia equivalente.

14. ¿De cuántos modos se pueden conectar tres resistencias de 20 Ω? Representa los circuitos y obtén, para cada caso, RE, la ddp en cada una y la intensidad que las recorre, si se conectan a un generador de 9 V de fem.

15. Calcula las ddp e intensidades de corriente en cada una de las resistencias de los circuitos siguientes.

V (v) 6 8 10 12 14

I (A) 0 0,2 0,25 0,3 0,35

V (v) 2 5 8 12 16

I (A) 24 60 96 144 192

Figure

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