ELECTRICIDAD Y ELECTRÓNICA
3.1Electricidad. Carga eléctrica y corriente eléctrica 3.2 Formas de transformación de la energía eléctrica. Energía eléctrica
3.3 Magnitudes eléctricas 3.4 Ley de Ohm
3.5 Circuito eléctrico
–Elementos
–Símbolos
–Tipos de circuitos eléctricos
3.6 Resolución de circuitos eléctricos 3.7 El polímetro
3.8 Generación y transporte de la energía eléctrica 3.9 Potencia eléctrica
3.10 Electrónica. Diferencia entre circuitos eléctricos y electrónicos
3.11 Componentes electrónicos básicos
¿Qué pasaría si no hubiese electricidad?
3.1 LA ELECTRICIDAD. CARGA Y CORRIENTE
Hoy en día necesitamos la electricidad para realizar casi todas nuestras actividades diarias.
¿Qué es la electricidad?
La electricidad engloba todos los fenómenos relacionados con las cargas eléctricas de los cuerpos
La materia está formada por átomos, los cuales a su vez posee unas partículas más pequeñas con carga eléctrica: los electrones, cargados negativamente que giran alrededor del núcleo y protones partículas con carga positiva están en el núcleo junto con los neutrones, partículas sin carga
electrones
Los electrones y protones que están dentro de los átomos tienen carga negativa y positiva respectivamente. En estado natural el número de electrones (partículas con carga negativa) y protones (partículas con carga positiva), es igual, por lo que un átomo tiene carga total = 0
Las cargas crean unas fuerzas entre ellas de atracción y repulsión en función del signo de la carga:
- Cargas iguales: se repelen - Cargas diferentes: se atraen
Atracción Repulsión Repulsión
Podemos producir 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 luego el 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.
Podemos definir lo que es la carga eléctrica: es la propiedad que poseen los cuerpos responsables de los fenómenos eléctricos. Y esta determinada por la diferencia entre el número de electrones y el número de protones. Se mide en culombios 6.25 x 1018 e- = 1 C
Tras electrificar el bolígrafo del ejemplo anterior las cargas se quedan en reposo: no se mueven lo largo del material electrizado; se habla entonces de
electricidad estática Y SE DA EN MATERIALES AISLANTES.
Distribución de cargas desequilibrada
Distribución de cargas equilibrada
¿ Cómo podemos mover las cargas?
Si queremos mover las cargas eléctricas tenemos que crear una descompensación entre dos elementos y conectarlos, es decir, que haya mucha cantidad de electrones en un lugar o ninguno o pocos en otro. El movimiento de electrones se detiene cuando la carga se equilibra.
¿Pero cómo se mueven los electrones?
Por ejemplo, en una batería un polo tiene más electrones (cargas negativas), por ello al conectarlo con el otro polo se inicia un trasvase de electrones hasta que se llega al equilibrio.
¿Con que material se enciende la bombilla, con la cucharilla metálica o con la regla de plástico?
¿Qué materiales permiten el paso de la corriente eléctrica?
¿Cuáles no?
¿Está cerrado el circuito?
Se denominan materiales aislantes aquellos que no permiten el paso de la corriente eléctrica. Los plásticos, la madera o la cerámica son materiales aislantes.
Se denominan materiales conductores aquellos que permiten el paso de la corriente eléctrica. Ejemplo: los metales son buenos conductores (plata, cobre...)
La corriente eléctrica es la circulación de electrones a través de un conductor
Energía magnética
y éstas a su vez pueden usarse para crear energía eléctrica
¿Para qué sirve la corriente eléctrica?
Gracias al movimiento de cargas se transforma la energía eléctricas en otras energías útiles para nosotros: Energía calorífica, luminosa, mecánica o magnética
3.2. FORMAS DE TRANSFORMACIÓN DE LA
ENERGÍA. ENERGÍA ELÉCTRICA
ENERGIA ELÉCTRICA: Es la energía que proporciona el generador a los electrones para mantenerlos en movimiento.
3.3 MAGNITUDES ELÉCTRICAS
Son 3:Voltaje, Intensidad y Resistencia
Los electrones necesitan energía para moverse por un material y ésta se llama Voltaje.
Voltaje como la energía por unidad de carga que hace que estas circulen por un material. Esta magnitud que se mide en Voltios
Intensidad eléctrica es la cantidad de carga que circula a través de un conductor por unidad de tiempo. Se mide en Amperios
Mayor intensidad
Menor
intensidad
Q
t
I=
La resistencia eléctrica es la oposición que presentan los materiales al paso de corriente. Se mide en Ohmios ΩΩΩΩ
Mayor Resistencia
Menor Resistencia
EL SÍMIL HIDRÁULICO
Para entender la corriente podemos explicarla como una corriente de agua donde las gotas son las cargas eléctricas
Aprovechamos la fuerza del
movimiento de las gotas de agua para crear energía
S
l
R
=
ρ
ρ = resistividad (Ω•m)
l = longitud (m)
Vemos que el agua tendrá mas fuerza si tiene más agua en el depósito. Lo mismo ocurre con la electricidad
Menos
presión de agua
Más presión de agua
Cuanto mayor es la tensión eléctrica o el voltaje mayor energía tendrán las cargas eléctricas en su movimiento
Menos tensión Más tensión
Si aumentase el caudal, porque la tubería ensanchase,
Ahora comparamos entre un circuito eléctrico e hidráulico
Intensidad. En el circuito hidráulico correspondería a la cantidad de agua que pasa por un punto determinado.
Tensión o voltaje. En el ejemplo hidráulico seria equivalente a la diferencia de nivel, o a la altura de la columna de agua, existente entre las superficies de los depósitos.
Resistencia. En el circuito hidráulico correspondería a la mayor o menor obstrucción que presenta las tuberías al paso del agua.
En este ejemplo
Pila = bomba
Bombilla = Turbina Cable= Conducción
3.4 LEY DE OHM
La ley de Ohm relaciona las tres magnitudes eléctricas :
R
V
I
=
A Amperios
I Intensidad
Magnitud Unidad
Nombre Símbolo Nombre Símbolo
Voltaje V Voltios V
Resistencia R Ohm Ω
R
V
I
=
Si el voltaje es alto: las cargas llevan mucha energía por lo que la Intensidad será alta
R
V
I
=
Si hay mucha
Cálculos con la ley de Ohm
Para calcular el valor que tiene una de las tres magnitudes debemos conocer el valor de las otras dos y sustituir su valor en la ecuación de Ohm:
Por ejemplo si queremos saber la I y sabemos que R=20Ω y V= 60V
A
I
I
R
V
I
4
4
20
80
=
=
=
=
3.5 CIRCUITO ELÉCTRICO
El circuito eléctrico es un conjunto de elementos que permiten controlar la corriente eléctrica
ELEMENTOS:
1. Generador2. Receptores
3. Elementos de control 4. Conductores
5. Elementos de Protección
Generador: crea la corriente eléctrica aplicando un voltaje al circuito. Pueden ser:
Pilas: Proporcionan corriente eléctrica pero de corta duración. Si se pueden recargar hablamos de
baterías
Elementos de control
Interruptores: mantienen la posición de encendido o apagado (la luz del baño)
Pulsadores: sólo cierra el circuito mientras mantenemos pulsado (el timbre de la puerta)
Conmutador: permite encender o apagar un elemento desde varios puntos de la habitación (el interruptor del pasillo)
Receptores: son los elementos que transforman la energía eléctrica en otra útil para nosotros. Por ejemplo:
– Bombillas incandescentes: al pasar corriente por el filamento este se calienta emitiendo luz
- Motores: la electricidad cera un campo de fuerzas que crea el movimiento
– Resistencias: sirven para disminuir la intensidad que circula por un circuito
Los Conductores y equipos eléctricos tienen que estar aislados para protegernos de descargas eléctricas cuando los tocamos.
• Elementos de protección: evitan que se destruyan los restantes elementos del circuito cuando hay subidas o bajadas de tensión
– Fusibles: son componentes que se destruyen en caso de subida de tensión, cortando el circuito. Se cambian con facilidad
– Interruptores automáticos: protegen instalaciones complejas como las de las casas, sin tener que cambiarlos, solo reactivando el interruptor
SIMBOLOGÍA
• La simbología eléctrica nos permite representar los circuitos
Pila o acumulador, el trazo largo indica el polo positivo
Resistencia Terminal
Interruptor normalmente abierto (NA). Cualquiera de los
dos símbolos es válido.
Punto de unión Fusible Conductor Corriente alterna Corriente continua
Descripción Símbolo
Motor de corriente continua
Bobina de relé, símbolo general. Cualquiera de los
dos símbolos es válido
Timbre, Zumbador
Lámpara, símbolo general Pulsador normalmente
abierto
Pulsador normalmente cerrado
Conmutador con
posicionamiento intermedio de corte
El comportamiento de los elementos de un circuito dependen de cómo estén estos conectados entre sí.
Existen tres configuraciones posibles: • Serie
• Paralelo • Mixto
TIPOS DE CIRCUITOS ELÉCTRICOS
Un circuito está conectado en serie si sus elementos se encuentran conectados uno a continuación de otro.
Un circuito eléctrico está conectado en
paralelo cuando todos sus elementos se encuentran conectados entre el polo positivo y el negativo del generador
¿Pero que resultado tiene las diferentes asociaciones de los elementos? Las asociaciones en paralelo y serie tienen efectos sobre la intensidad
y voltaje que llegan a los elementos conectados
CIRCUITO SERIE
V: se reparte entre los elementos, de forma
que tienen menos energía para cada bombilla, por lo que lucen poco
I: En serie todas las bombillas están en línea y por ello generan mayor resistencia, por lo que la intensidad es menor y la pila durará más tiempo
CIRCUITO PARALELO
V: El voltaje llega por igual a todos los elementos, por lo que todas la bombillas tienen la misma energía que la pila y lucen igual
CIRCUITO EN PARALELO ¿Qué pasa con el circuito?
En paralelo si se corta en algún punto, la corriente puede ir por otro camino por lo que no se corta todo el circuito
CIRCUITO EN SERIE
¿Qué pasa con el circuito?
la intensidad que circula por todos los elementos es la misma, es
común
IT=I1=I2=I3=……
el voltaje total es la suma de las tensiones o voltajes en los
extremos de cada elemento
VT=V1+V2+V3+….
la resistencia total es la suma de las resistencias
R T= R1+ R2+ R3+ ….
3.6
RESOLUCIÓN
DE
CIRCUITOS
ELÉCTRICOS
A) CIRCUITOS SERIE
R esisten cias en serie
R esisten cia eq u iv alen te
L ey d e O h m V
Req I
V = I.R
C á lcu lo d e I
R V I =
C álcu lo d e ten sio n es
V1= I.R1 V2= I.R2
V3= I.R3
C á lcu lo d e p oten cias
P1= V1.I
P2= V2.I
P3= V3.I
Pg= Vg.I
B) CIRCUITOS PARALELO
la diferencia de potencial o tensión en cada elemento
conectado en paralelo es la misma
VT=V1=V2=V3=…
la intensidad de corriente total es igual a la suma de las
intensidades que circulan por cada rama IT=I1+I2+I3+…
la resistencia equivalente será:
RT = 1/(1/R1 + 1/R2 + 1/R3 +..)
Resistencias en paralelo
Resistencia equivalente
Ley de O hm V
Req
I
V =I.R
Cálculo de I
R V I =
Cálculo de corrientes
I1=V/R1
I2=V/R2
I3=V/R3
Cálculo de potencias
P1=V1.I
P2=V2.I
P3=V3.I
Pg=Vg.I
V
EJEMPLOS DE CÁLCULO, Restencia total, Intensidad total y caída de tensión o voltaje en cada una de las resistencias:
Ω = = ⇒ Ω = + + = + +
= 5,88
17 100 100 17 10 1 20 1 50 1 1 1 1 1 eq C B A eq R R R R R
V
V
V
V
Resistencias en paralelo
Resistencia equivalente
Ley de Ohm V Req
I
V=I.R
Cálculo de I
R V
I =
Cálculo de tensiones
VAB=I·R1
VBC=I·REQ
Cálculo de intensidades
I1=VBC/R1
I2=VBC./R2
Ig=VBC./R3
V
Resistencias en serie
Resistencia equivalente
A B C
C) CIRCUITOS MIXTOS
Como su propio nombre indica se trata de una mezcla de elementos en serie y en paralelo.
En primer lugar hemos de simplificar aquellos elementos eléctricos que estén, por un lado, en serie, y aquellos otros que lo estén en paralelo, sustituyéndolos por sus correspondientes equivalentes. Una vez hecho esto, obtendremos otro u otros circuitos mas simples (en configuración serie) y por tanto también lo podremos simplificar sustituyendo por el correspondiente equivalente. Por ultimo debemos llegar al CIRCUITO ELEMENTAL.
1. Analizar qué elementos eléctricos están en serie y cuales en paralelo
paralelo serie
EJEMPLOS DE CÁLCULO, Aquí iremos paso a paso para resolver el circuito. Restencia total, Intensidad total y caída de tensión o voltaje en cada una de las resistencias:
2. Calculamos la RESISTENCIA EQUIVALENTE de las lámparas conectadas en SERIE (primero), y sustituiremos las dos lámparas por otra lámpara equivalente que tenga una resistencia en ohmios igual al valor que hemos calculado. Después haremos lo mismo con las resistencias en paralelo.
Ω = = ⇒ Ω = + + = + +
= 2,35
17 40 40 17 5 1 10 1 8 1 1 1 1 1 3 2 1 eq eq R R R R R
El circuito simplificado es un circuito SERIE. Por tanto procederemos a volver a calcular una nueva resistencia equivalente a las dos.
REQUIVALENTE=R1-2-3+R4-5=5+2.35=7.35 WWWW
3. Dado el circuito elemental, calcularemos en él, la intensidad total que proporciona la pila y que circula por el circuito, para lo cual aplicaremos la ley de Ohm
IT=VT/RT=12/7.35=1.63 A
4. Para seguir calculando el problema debemos regresar al circuito inmediatamente
5. Para calcular la tensión en cada resistencia, aplicaremos nuevamente la ley de Ohm V V V V V V R I V V R I V R R R R 12 98 , 11 83 , 3 15 , 8 83 , 3 35 , 2 63 , 1 15 , 8 5 63 , 1 3 2 1 5 4 3 2 1 3 2 1 5 4 5 4 ≈ = + = + = = ⋅ = ⋅ = = ⋅ = ⋅ = − − − − − − − − −
6. Para seguir calculando el problema debemos regresar al circuito inmediatamente anterior al circuito del paso 5; en nuestro caso sería el circuito original y más complejo.
A) Empezaremos por calcular las intensidades que pasan por las lámparas en paralelo. Y
VR1= VR2 = VR3 = VR1-2-3 =3,83 V
Entonces despejando I de la ley de Ohm
R
V
I
=
A R V I A R V I A R V I R R R 77 , 0 5 83 , 3 38 , 0 10 83 , 3 48 , 0 8 83 , 3 3 3 3 2 2 2 1 1 1 = = = = = = = = = A I I I I I I I I 63 , 1 77 , 0 38 , 0 48 , 0 3 2 1 3 2 1 = + + = + + = + + =Observa que se cumple:
6. Ahora queremos calcular las tensiones que hay en las resistencias en serie R4 y R5.
Para ello volvemos a aplicar la ley de Ohm.
V R I V V R I V R R 89 , 4 3 63 , 1 · 26 , 3 2 63 , 1 · 5 5 4 4 = ⋅ = = = ⋅ = =
3.7.EL POLÍMETRO
Un polímetro o multímetro nos permite medir o tensiones o voltajes, intensidades y resistencias en un circuito eléctrico.
1.- Primero seleccionamos función DC (corriente continua), la que utilizaremos en este curso ó función AC (alterna).
2.- Después en la rueda central la escala que más nos convenga (V, mV, A, mA, Ω).
3.- El conector negro SIEMPRE se coloca en el puerto COM (común).
4.- Si queremos medir tensiones o resistencias colocamos el conector rojo en el puerto V/Ω (a la derecha del puerto COM).
3.8 GENERACIÓN Y TRANSPORTE DE
ENERGÍA ELÉCTRICA
Alessandro Volta (1745-1820), construyó la primera batería eléctrica
Hans Christian Oersted (1771-1851) descubrió que una corriente eléctrica puede alterar una brújula (que tiene una aguja inmantada). Lo mismo pasa si ponemos un imán natural, por lo que Oersted concluyó
que un circuito cerrado es un imán articial.
Michael Faraday tuvo una idea, si una corriente eléctrica puede generar un campo magnético ¿Puede un campo magnético crear una corriente eléctrica?... SI, POR TANTO, FARADAY DESCUBRIÓ QUE PODEMOS CREAR UNA CORRIENTE ELÉCTRICA CUANDO MOVEMOS UN IMÁN CERCA DE UN CIRCUITO CERRADO
Se usan otras energías para mover una turbina que a su vez mueve el circuito que está dentro del generador
Generador
3.9 POTENCIA ELÉCTRICA
La potencia eléctrica es la energía consumida por unidad de tiempo de un equipo eléctrico, su unidad es el Watio. La potencia eléctrica es la capacidad que tiene un aparato para transformar la energía eléctrica en otro tipo de energía.
I
V
P
=
⋅
P= Potencia (Vatios W)V= Voltaje (voltios V)I= Intensidad (Amperio A)
En casa todos los enchufes tienen 230 Voltios, por lo que si sabemos la que la potencia de una bombilla de 100W podemos calcular la
Intensidad a través de la bombila
0,34A
I
230
100
I
V
P
I
I
V
P
=
=
=
La electricidad que consumimos es
medida en kwh y pagamos 0,2 €/Kwh: Un Kwh es el resultado de multiplicar la potencia por las horas de uso:
h
P
P
kWh
=
⋅
Para calcular el consumoCircuitos Eléctricos Circuitos Electrónicos
•Los componentes salvo el generador, suelen ser elementos pasivos
•Estos circuitos contienen uno o más elementos activos
•El flujo y la intensidad de la corriente se controla mediante interruptores, conmutadores y resistencias
•En los electrónicos el control se efectúa mediante señales eléctricas
•Trabajan con Intensidades de varios amperios y un amplio rango de voltajes
•Trabajan con intensidades del orden de miliamperios y con una decena de voltios
•Están relacionados con la Potencia eléctrica
•Están relacionados con el control de la Información
•Funcionan con corriente continua o alterna, depende del circuito
•La mayoría funcionan con corriente continua
La electrónica es la rama de la física y especialización de la ingeniería, que estudia y emplea sistemas cuyo funcionamiento se basa en la conducción y el control del flujo microscópico de los electrones u otras partículas cargadas eléctricamente. Vamos a ver las diferencias entre un circuito eléctrico y uno electrónico, sólo debes saber las que están en negrita:
3.11. COMPONENTES ELECTRÓNICOS BÁSICOS
Resistencia fija o resistor
Los resistores electrónicos se implementan en circuitos para limitar la corriente que atraviesa dicho circuito. A mayor resistencia, menor es la intensidad (amperios) que circula por el circuito (ver ejemplo adjunto).
El valor de cada resistencia se identifica por un código de colores.
Resistencia variable o potenciómetro
Es una resistencia cuyo valor se puede modificar entre 0 y un máximo.
Resistencias que dependen de una propiedad física
- Termistores o resistencia que varía con la temperatura: A su vez pueden ser PTC (la resistencia aumenta con la temperatura) y NTC (la resistencia disminuye con la temperatura).
La interpretación del código de colores es:
1º- colocamos la resistencia de la forma adecuada, con la tolerancia en la parte derecha. 2º- sustituimos cada color por su valor.
3º- El valor nominal será: Vn = 3900 Ω ±5%
4º- Los valores máximo y mínimo DEPENDERÁN DE LA BANDA DE TOLERANCIA Y ESTARAN ENTRE UN VALOR MÁXIMO Y MÍNIMO
Diodo:
El diodo es un componente electrónico constituido por dos terminales o patillas; el ánodo (+) y el cátodo (-). El diodo permite el paso de corriente en un sentido y lo impide en el otro. La patilla positiva es la más larga
Condensador:
Es un dispositivo formado por dos armaduras metálicas separadas por un medio aislante (dieléctrico).
Se caracteriza porque puede almacenar carga cuando está descargado y descargarse posteriormente suministrando electricidad a un circuito. Cuando el condensador está completamente cargado impide el paso de la corriente, comportándose entonces como un circuito abierto.
Transistor:
Circuitos Integrados:
Cuando muchos transistores se conectan entre sí para formar un circuito más complejo se constituye un chip o microchip (puede estar formado por millones de transistores).
