Tema 1: Electricidad y electrónica

Transcripción

1 Tema 1: Electricidad y electrónica 1.- La corriente eléctrica Cualquier trozo de materia está formado por una cantidad enorme de unas partículas pequeñísimas, a las que los científicos han dado el nombre de átomos. Fíjate si son pequeños los átomos que, por ejemplo, en un vaso de agua hay aproximadamente 2, átomos Un átomo está formado por unas partículas aún más pequeñas. Se les llama partículas subatómicas: Protones. Se encuentran en el núcleo del átomo y tienen carga positiva Neutrones. Se encuentran en el núcleo y no tienen carga eléctrica Electrones. Se encuentran moviéndose por la corteza del átomo y están cargados negativamente Cada átomo es eléctricamente neutro, es decir, tienen las mismas cargas positivas (protones) que negativas (electrones). Pero en la materia los átomos no están aislados sino que se unen unos a otros. Para poder unirse a otros átomos deben perder, ganar o compartir algunos de sus electrones. Cuando esto sucede, los átomos que han perdido electrones quedan cargados positivamente. Los electrones perdidos se denominan electrones libres. No todas las sustancias poseen electrones libres. Los materiales que poseen electrones libres se llaman conductores. Los mejores son los metales. Son conductoras todas las sustancias que tienen electrones con libertad para moverse. Bloque XI. Tema 1, Página 1 de 23

2 Otras sustancias, llamadas aislantes, no tienen cargas eléctricas libres. Son aislantes la madera, el plástico, la cerámica, el aire, el vidrio, etc. Algunos materiales no son conductores ni aislantes propiamente, pero pueden ser lo uno o lo otro, dependiendo de las condiciones en las que se encuentren. Estos materiales son los semiconductores. El más utilizado es el silicio. Se utilizan mucho en componentes electrónicos (como las clavijas de los auriculares). En resumen: Una corriente eléctrica es un movimiento ordenado de electrones a través de un circuito eléctrico. Para que exista una corriente eléctrica que se mantenga en el tiempo son necesarios varios ingredientes: Un material conductor, que suele ser hilo de cobre. Un dispositivo que suministre a los electrones la energía necesaria para mantener su movimiento ordenado. Puede ser una pila, una batería, una dinamo, un alternador. En general recibe el nombre de generador. Un dispositivo que convierta la energía eléctrica en otro tipo de energía. Este, en general, se llama receptor (una bombilla, un timbre, un calefactor, etc.) Algunos elementos de control y de protección, como el interruptor. Estos cuatro elementos, conectados convenientemente, forman un circuito eléctrico, por el que puede circular una corriente eléctrica. Al contrario de lo que mucha gente piensa, los electrones se mueven desde el polo negativo hacia el positivo. Bloque XI. Tema 1, Página 2 de 23

3 Corriente continua y corriente alterna Hay dos clases de corriente eléctrica y cada electrodoméstico necesita la suya: La corriente continua (CC), en la que los electrones circulan siempre en el mismo sentido. Es la producida por pilas, baterías, dinamos y células fotovoltaicas. La corriente alterna (CA), en la que los electrones cambian constantemente su sentido de circulación. Es la producida por los alternadores. Corriente continua Corriente alterna En los enchufes de nuestras casas disponemos solo de corriente alterna. Los circuitos electrónicos necesitan corriente continua para funcionar. Por este motivo, los electrodomésticos tienen lo que llamamos fuentes de alimentación, cuya misión es la de transformar la corriente alterna en corriente continua. Hay electrodomésticos que tienen la fuente de alimentación interna, como el televisor o el ordenador. Otros, sin embargo, tienen la fuente de alimentación externa, como es el caso de los cargadores de los móviles. Representación de un circuito eléctrico Para representar un circuito eléctrico se utilizan esquemas. En los esquemas, cada componente del circuito se representa mediante un símbolo. Hay una gran variedad de símbolos eléctricos, a la derecha tienes algunos de los más sencillos. Bloque XI. Tema 1, Página 3 de 23

4 Usando estos símbolos, podemos construir nuestro primer circuito: Solo hay dos modos básicos de conectar los componentes de un circuito: En serie, si se pone un componente a continuación del otro, solo hay un camino para el paso de la corriente. En paralelo, si los componentes se conectan en ramas separadas, hay diferentes caminos para el paso de la corriente. Bloque XI. Tema 1, Página 4 de 23

5 Dos bombilas en serie Dos bombillas en paralelo Dos pilas en serie Dos pilas en paralelo Según lo que se quiera conseguir con la conexión, se debe emplear una conexión en serie o una en paralelo. En serie En paralelo Pilas Se suministra al circuito más voltaje que si solo se emplea una pila. No aumenta la duración de las pilas Se sigue suministrando al circuito el mismo voltaje que con una sola pila. Aumenta la duración de las pilas. Bombillas Por las dos circula la misma intensidad de corriente y se reparten la tensión que suministra la pila. Cada una de ellas lucirá menos que si estuviera sola y consumirá menos potencia. En los extremos de la conexión cae la misma tensión que si estuviese una sola bombilla. Cada una de ellas lucirá igual que si estuviera sola y consumirá la misma potencia. Aquí han aparecido una serie de términos: voltaje, tensión, intensidad de corriente, potencia. Más adelante las estudiaremos, no te preocupes. Contesta 1. Qué partículas subatómicas forman parte del núcleo de los átomos? o Electrones y protones o Electrones y neutrones o Protones y neutrones 2. Qué partículas subatómicas pueden escapar del átomo y quedar libres? o Los protones o Los electrones o Los neutrones Bloque XI. Tema 1, Página 5 de 23

6 3. Señala cuáles de los siguientes objetos son aislantes de la corriente eléctrica o Una cuchara de acero o Un tenedor de madera o Un recipiente de plástico o Una lámina de papel de aluminio o Un folio de papel o Un hilo de cobre o Unos guantes de goma 4. Qué tipo de materiales son fundamentales en la fabricación de los dispositivos electrónicos? o Conductores o Aislantes o Semiconductores 5. El pulsador para que funcione el claxon de un coche es un: o Receptor o Generador o Elemento de control 6. La batería de un coche es un: o Receptor o Generador o Elemento de control 7. La bocina que suena es un: o Receptor o Generador o Elemento de control Bloque XI. Tema 1, Página 6 de 23

7 8. Qué tipo de corriente circula por los dispositivos electrónicos? o Corriente continua o Corriente alterna o Cualquiera de las dos 9. Cuál de los siguientes no genera corriente continua? o Pila o Dinamo o Alternador o Célula fotovoltaica 10. Cómo debemos conectar varias pilas si queremos obtener más tensión que la suministrada por una sola de ellas? o En serie o En paralelo 11. Cómo crees que están conectados los aparatos eléctricos de tu casa? o En serie o En paralelo 2.- Magnitudes para medir la corriente eléctrica En este apartado vamos a estudiar las medidas más usuales cuando se trata de electricidad. Voltaje o diferencia de potencial Para entender lo que es la diferencia de potencial piensa en lo siguiente: Los generadores tienen dos puntos (llamados bornes o polos) que están a diferente potencial (el polo negativo tiene mayor potencial que el polo positivo). En un circuito eléctrico, los electrones salen del polo negativo del generador (mayor energía) y vuelven a entrar en él por el polo positivo (menor Bloque XI. Tema 1, Página 7 de 23

8 energía), atravesando en su camino todos los elementos del circuito que sea necesario para ello. A la diferencia de potencial entre los polos de un generador también se le llama voltaje o tensión. Se mide en voltios. Se suele representar como V. Ejemplos: 1) Si una pila es de 1,5 V significa que entre el polo positivo y el negativo hay una deferencia de potencial de 1,5 voltios. 2) Si la luz de nuestra casa es de 220 V significa que entre los dos agujeros de un enchufe hay una diferencia de potencial de 220 voltios. El generador proporciona a los electrones la energía necesaria para volver a llegar al polo negativo y así, iniciar de nuevo una vuelta al circuito. Para medir la diferencia de potencial entre dos puntos cualesquiera de un circuito se emplea un aparato que se llama voltímetro, cuyo símbolo es el de la izquierda. Ejemplo: Observa en los siguientes esquemas cómo se utiliza un voltímetro para medir la diferencia de potencial o tensión entre en cada bombilla y en el timbre: Date cuenta como los 12 V de tensión que suministra la pila del segundo dibujo se van repartiendo entre los elementos que forman el circuito. (2,73 + 2,73 +6,54 = 12) Un voltímetro siempre debe conectarse en paralelo, ya que debe medir la d.d.p. entre dos puntos. Los circuitos electrónicos son alimentados con tensiones pequeñas: 3, 5, 9 o 12 V son los valores más habituales. Bloque XI. Tema 1, Página 8 de 23

9 La intensidad de corriente Para que lo entendamos, la intensidad de corriente está relacionada con la cantidad de electrones que circulan por una sección de conductor en un segundo. La carga eléctrica que se mueve en un circuito es la que transportan los electrones que, como tienen carga negativa, se mueven desde el polo negativo del generador hacia el polo positivo. Sin embargo, por costumbre, se considera que la corriente eléctrica circula justo al contrario, es decir, del polo positivo al polo negativo. La unidad de intensidad de corriente se llama Amperio (A) y se mide con un aparato llamado amperímetro. El símbolo del amperímetro en un circuito eléctrico es: Ejemplos: A) Observa el siguiente esquema: La flecha indica el sentido de la corriente. El amperímetro debe conectarse en serie, pues mide los electrones que circulan por un punto determinado. La intensidad depende del voltaje suministrado por la pila. El valor de la intensidad es muy pequeño, se mide en miliamperios (ma). Un miliamperio es la milésima parte de un amperio. Bloque XI. Tema 1, Página 9 de 23

10 B) Observa el segundo esquema: Al aumentar el voltaje del generador, ha aumentado la intensidad de corriente. La bombilla luce con mayor luminosidad. C) Y por fin, el tercer esquema: Los 15,5 ma que atraviesan las bombillas no son suficientes para hacerlas lucir. Si sumamos las intensidades que pasan por las dos bombillas obtenemos la intensidad que circula por el timbre (los electrones no se esconden, todos los que salen de la pila vuelven a entrar en ella). Estos y otros circuitos los podrás diseñar con un programita que se llama Cocodrile clips. La resistencia eléctrica En su recorrido por un conductor, los electrones van chocando continuamente con los átomos que se encuentran a su paso. La resistencia eléctrica mide la oposición que presenta un dispositivo eléctrico al movimiento de los electrones a través de él. La resistencia eléctrica de un dispositivo depende de varios factores: El tipo de material del que esté hecho. Los aislantes tienen una resistencia muy elevada. Bloque XI. Tema 1, Página 10 de 23

11 La longitud del dispositivo. A mayor longitud, mayor resistencia. La sección del dispositivo. A menor sección (grosor), mayor resistencia. La resistencia se mide en una unidad llamada ohmio (Ω). El aparato empleado para medirla es el ohmímetro. Un ohmímetro se conecta en paralelo con el dispositivo cuya resistencia queremos medir. La potencia eléctrica La potencia eléctrica mide la energía consumida cada segundo por un dispositivo conectado a un circuito. También podemos decir que la potencia eléctrica es la energía suministrada por el generador a los electrones cada segundo. Su unidad de medida es el watio (W), aunque con mucha frecuencia se emplea su múltiplo, el kilowatio (kw). Contesta 12. Qué debe existir entre dos puntos de un circuito para que los electrones circulen por él? o Una diferencia de potencial entre los dos puntos del circuito o No tiene que haber nada en especial, ya que los electrones circulan libremente por él. 13. Por dónde salen los electrones de una pila? o Por el polo negativo o Por el polo positivo 14. Si escuchas a un electricista decir que la corriente eléctrica en un circuito sale por el polo positivo y entra por el negativo, a qué sentido de la corriente se está refiriendo? o Al sentido real del movimiento de los electrones o Al sentido convencional de la corriente eléctrica Bloque XI. Tema 1, Página 11 de 23

12 15. Si necesitamos un hilo de cobre que ofrezca mucha resistencia eléctrica, cuál de los siguientes deberíamos elegir? o Un hilo largo y grueso o Un hilo corto y grueso o Un hilo largo y delgado o Un hilo corto y delgado 16. Cuál de las siguientes unidades se emplea para medir la potencia? o Ohmio o Watio o Amperio o Voltio 3.- Relaciones entre las magnitudes eléctricas Una de las relaciones más importantes de las que se cumplen en un circuito eléctrico es la conocida como ley de Ohm, que dice lo siguiente: El voltaje entre dos puntos de un circuito es igual al producto de la intensidad de corriente que circula entre esos dos puntos por la resistencia eléctrica que haya entre ellos. La fórmula es que resume todo esto es: V = I R La ley de Ohm también se puede expresar con estas dos fórmulas, equivalentes a la anterior: I = V R R = V I Hay otra importante relación entre las magnitudes que hemos estudiado. Nos permite calcular la energía que suministra un generador (o que consume algún componente Bloque XI. Tema 1, Página 12 de 23

13 eléctrico). Nos referimos a ella como la fórmula de la potencia, y es tan sencilla como las anteriores: POTENCIA = VOLTAJE INTENSIDAD P = V I Esta fórmula nos viene muy bien para saber la potencia que debemos contratar con nuestro suministrador eléctrico, dependiendo de la cantidad de electrodomésticos que tengamos en casa. De esta fórmula se pueden deducir otras dos equivalentes: I = P V V = P I Ejemplos: A) La tensión eléctrica que llega a nuestro hogar es de 220 voltios. Tenemos contratada una potencia de 5500 watios. Qué intensidad de corriente máxima puede soportar la instalación eléctrica de mi casa? Solución: Haciendo un simple cálculo: I = = 25 amperios B) Qué resistencia ofrece una bombilla de 9 voltios de tensión por la que circula una intensidad de corriente de 90 miliamperios? Solución: Lo primero es pasar los miliamperios a la unidad fundamental de intensidad de corriente, el amperio. Para ello, basta dividir entre 1000, es decir: 90 ma = 0,09 A A continuación, aplicamos la fórmula conveniente: R = V I = 9 = 100 ohmios 0,09 Bloque XI. Tema 1, Página 13 de 23

14 Contesta 17. La resistencia del timbre del circuito se ha medido con un ohmímetro y ha resultado ser de 150 Ω. a) Qué intensidad de corriente circula por él? o 3 A o O,3 A o 0,03 A b) Qué potencia consume? o 0,15 W o 1,5 W o 150 W 18. La resistencia de la bombilla del circuito es de 3,75 Ω. a) Qué voltaje debería suministrar la pila para que por la bombilla pasara una corriente de 4 A? o 150 V o 15 V o 1,5 V b) Qué potencia suministra la pila al circuito? o 30 W o 45 W o 60 W c) Lucirá la bombilla a pleno rendimiento? o No, ya que la pila no suministra la potencia suficiente o Si, ya que la pila suministra la potencia de la bombilla Bloque XI. Tema 1, Página 14 de 23

15 19. Calcula la diferencia de potencial entre los dos puntos del siguiente circuito: o V = 5 voltios o V = 6 voltios o V = 1,5 voltios 20. Estas dos pilas están colocadas en serie. Cuál es el voltaje de la segunda pila? o X = 3 voltios o X = 3 watios o X = 9 voltios 21. Para completar los datos del siguiente circuito, recuerda que dos pilas en paralelo tienen la misma tensión y dos pilas en serie, suman sus tensiones. Sabiendo esto, calcula los datos que faltan. o V1 = 4 voltios y x = 4 voltios o V1 = 4 voltios y x = 3 voltios o V1 = 8 voltios y x = 5 voltios 22. Completa la siguiente tabla aplicando la ley de Ohm y la fórmula de la potencia. VOLTAJE (V) INTENSIDAD (I) RESISTENCIA (R) POTENCIA (P) 0, , Bloque XI. Tema 1, Página 15 de 23

16 4.- Componentes básicos de un circuito electrónico Mientras que un circuito eléctrico puede ser muy grande, como la instalación eléctrica de nuestra casa, un circuito electrónico suele ser muy pequeño. Los componentes electrónicos se conectan formando circuitos que se montan sobre una placa. La placa formará parte de un dispositivo electrónico que realizará alguna función. Los componentes electrónicos se clasifican en dos grupos: Componentes pasivos. Tienen solo dos terminales y por ellos pasa una sola corriente eléctrica. No pueden actuar en el circuito modificando la corriente que pasa por él. Entre ellos destacan los resistores (resistencias), los condensadores, las bobinas y los diodos. Resistores Condensadores Bobinas Diodos led Componentes activos. Tienen varios terminales y por ellos pueden pasar varias corrientes. Controlan el circuito decidiendo si la corriente pasa o no pasa. Entre ellos están los transistores y los circuitos integrados. Circuitos integrados Transistores Bloque XI. Tema 1, Página 16 de 23

17 4.1.- Componentes pasivos Resistencias o resistores Son los más usados en los circuitos electrónicos. Dificultan el paso de la corriente eléctrica en mayor o menor grado. Su misión es la de repartir adecuadamente las tensiones y las corrientes que necesitan los demás componentes para funcionar. Los símbolos usados para representar las resistencias son: Las hay de varios tipos: Fijas. Son pequeños cilindros fabricados de diversos materiales. Tienen más o menos resistencia (fija) dependiendo de su tamaño y grosor. Variables. Tienen un contacto móvil que se puede deslizar o girar para cambiar el valor de la resistencia que ofrecen al paso de la corriente. Se usan en los reguladores de luz, en el control de volumen de una radio, en el control de velocidad de un ventilador, etc. También reciben el nombre de potenciómetros. Especiales. El valor de estas resistencias dependen de alguna circunstancia física (temperatura, luminosidad que reciben). Se suelen utilizar en los sistemas de alumbrado público que se encienden automáticamente cuando la cantidad de luz natural disminuye (fotoresistores). Otro tipo se utiliza en los sistemas automáticos de climatización (termistores). Fotoresistor Termistores Bloque XI. Tema 1, Página 17 de 23

18 Condensadores Son dispositivos capaces de almacenar carga eléctrica que más tarde puede usarse para establecer una corriente mientras el condensador se descarga. Están formados por dos capas de un material que conduce la electricidad, separadas de una capa de otro que no la conduce y que se llama dieléctrico. Al conectarlo a una pila, la corriente circula entre sus terminales al mismo tiempo que la carga se va acumulando. La cantidad de carga que puede almacenar por cada voltio al que esté sometido se llama capacidad del condensador y su unidad de medida es el faradio (F). Cuando un condensador está completamente cargado la corriente no puede circular por él. Un condensador cargado se comporta como un interruptor abierto, impidiendo el paso de corriente. Se usan por ejemplo en el sintonizador de emisoras de radio, en el flash de una cámara de fotos, etc. Bobinas También llamadas inductores, consisten en un hilo de cobre enrollado alrededor de un aislante. Cuando la corriente eléctrica pasa por una bobina, ésta crea un campo magnético que almacena energía y que se opone a que la intensidad de corriente que la atraviesa cambie de forma brusca. Bloque XI. Tema 1, Página 18 de 23

19 Un ejemplo de su utilización está en el encendido y apagado de ciertos dispositivos, para evitar que se produzcan de forma brusca y que lo hagan con cierto retardo. Diodos Un diodo es un elemento formado por material semiconductor que permite el paso de la corriente eléctrica en un sentido pero no en el contrario. Tiene dos patas, por una entra la corriente y por la otra sale sin cambio, pero lo impide en el sentido contrario. Además, sirve para proteger elementos que se estropearían si la corriente llegase por el sentido incorrecto. Símbolo del diodo Los LED son diodos con una propiedad muy característica: Emiten luz cuando la corriente eléctrica pasa por ellos. Todas esas lucecitas rojas, verdes, etc, que se mantienen encendidas en aparatos de televisión, ordenadores, etc, son leds. También se utilizan en rótulos luminosos, linternas y cada vez más, en iluminación Componentes activos Transistores Los transistores son elementos semiconductores que sirven principalmente para amplificar la señal eléctrica, para conmutarla, para rectificarla, etcétera. Están en cualquier circuito eléctrico de cualquier electrodoméstico. A diferencia del diodo, tienen tres patas, llamadas emisor, colector y base. Su funcionamiento es complejo, y la variedad de tipos de transistores es enorme. Bloque XI. Tema 1, Página 19 de 23

20 Circuitos integrados Un circuito integrado (chip o microchip) es un pequeño bloque semiconductor en el que están fabricados y convenientemente conectados, en una sola pieza y sin cables, todos o casi todos los componentes electrónicos necesarios para realizar una función determinada. Los componentes que con más facilidad se pueden integrar son los diodos y los transistores. Los chips son tan pequeños que deben ir protegidos por una cápsula, desde la que salen conexiones (patillas) que permiten manejarlo y conectarlos en un circuito. Cada patilla va conectada interiormente a una parte del chip mediante un cable finísimo, casi microscópico. Hay chips de todo tipo y tamaño. Desde los que contienen solo unas decenas de componentes y realizan funciones electrónicas básicas, hasta los que contienen millones de transistores y realizan operaciones muy complejas, como los microprocesadores de los ordenadores. Contesta 23. Cómo es un componente incapaz de amplificar la intensidad de la corriente que lo recorre? o Pasivo o Activo 24. Cuáles de los siguientes componentes son activos? o Resistencias o resistores o Transistores o Condensadores Bloque XI. Tema 1, Página 20 de 23

21 25. Si tuvieras que usar una resistencia sensible a los cambios de temperatura, cuál de estas usarías? o Termistores o Fotoresistores 26. Qué tipo de resistencia se emplea en el control del volumen de un aparato de televisión? o Una resistencia especial o Una resistencia fija o Un potenciómetro 27. Qué unidad se utiliza para medir la capacidad de un condensador? o El amperio o El ohmio o El faradio 28. Cómo está un condensador cuando se comporta como un interruptor abierto? o Descargado o Cargándose o Cargado 29. Cuál de las siguientes frases es la correcta? o Un diodo siempre permite el paso de la corriente eléctrica, en un sentido o en el contrario o Un diodo solo permite el paso de la corriente eléctrica en un único sentido Bloque XI. Tema 1, Página 21 de 23

22 30. Qué componente se instala para conmutar la señal eléctrica en un circuito electrónico? o Diodos o Transistores o Resistores 31. Para terminar contestarás a unas preguntas relacionadas con el siguiente circuito eléctrico: 1) Cómo están las bombillas 4 y 5? o En serie o En paralelo 2) Cómo están las bombillas 1 y 2? o En serie o En paralelo 3) Cuál es la tensión que suministra la batería?: voltios Bloque XI. Tema 1, Página 22 de 23

23 4) Si el interruptor 1 está abierto, cómo están las bombillas 1 y 2? o Apagadas o Encendidas 5) El interruptor 2 está cerrado y la bombilla 3 está fundida, cómo está la bombilla 7? o Encendida o Apagada 6) De los tres interruptores, sólo el 3 está cerrado, qué bombillas estarán encendidas? 7) Qué bombillas están encendidas en el caso que sólo el interruptor 2 esté cerrado? 8) Si la bombilla 2 se funde, qué ocurrirá con la bombilla nº 1? o No tiene nada que ver o Que se funde también o Que no enciende Bloque XI. Tema 1, Página 23 de 23