electricidad y electr nica

ELECTRICIDAD y ELECTRÓNICA 4º ESO-IES Yaiza Página 1

ELECTRICIDAD y ELECTRÓNICA INTRODUCCIÓN ¿Te imaginas un mundo sin electricidad? No funcionaría ningún electrodoméstico, desaparecería el teléfono móvil y el fijo, Internet, la radio y la televisión. Los medios de transporte quedarían reducidos a poco más que la bicicleta. Significaría también el adiós a las calculadoras y los ordenadores. Estamos tan familiarizados con el uso de la electricidad, que ya no nos maravilla el hecho de que, pulsando un simple interruptor, logremos iluminar una habitación. Pero ¿qué ocurre cuando pulsamos ese interruptor? Millones de diminutas partículas comienzan a circular por la bombilla formando un circuito de alta velocidad y transportando la energía necesaria para que aquella se ilumine. 1.1. ESTRUCTURA ATÓMICA y FUERZA ELECTROESTÁTICA Toda la materia de la naturaleza está formada por ÁTOMOS. Estos átomos, a su vez, están formados por un NUCLEO, compuesto de NEUTRONES y PROTONES, y rodeado de ELECTRONES girando en torno a dicho núcleo en continuo movimiento, de manera similar a un Sistema Planetario. Los PROTONES tienen carga positiva y los ELECTRONES tienen carga negativa, mientras los NEUTRONES carecen de carga. *Las cargas de DISTINTO signo se ATRAEN, mientras las de IGUAL signo se REPELEN, de manera que dos protones se repelen entre sí y dos electrones también se repelen entre sí, pero un electrón y un protón se atraen mutuamente, con una FUERZA proporcional al valor de sus cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa:

F = 9·109 · q1 · q2 / r2

La Fuerza “F” se mide en (NEWTONS)

Las Cargas “q” se mide en (CULOMBIOS) y La Distancia “r” se mide en (METROS)

1.2 ELECTRICIDAD y PROPIEDADES ELÉCTRICAS de los MA TERIALES La CORRIENTE ELÉCTRICA no es otra cosa que el movimiento de los ELECTRONES de un punto a otro de los diferentes materiales. Existen DOS FORMAS de mover los ELECTRONES: a) CORRIENTE CONTÍNUA (CC): Los electrones se mueven siempre en un mismo sentido, del polo negativo al polo positivo que los atrae. La energía necesaria para este movimiento es generada por pilas, baterías y células fotovoltaicas (energía química). Se consiguen voltajes PEQUEÑOS. b) CORRIENTE ALTERNA (CA): Los electrones cambian de sentido (“alternan”) una y otra vez. La energía se genera mediante un alternador (energía mecánica). Se consiguen voltajes GRANDES. *Los diferentes conductores y materiales presentan diferentes RESISTENCIAS a la circulación de la Corriente Eléctrica:

R = ρ · l / s La Resistencia “R” se expresa en (OHMIOS)

La Longitud “l” del conductor medida en (METROS) La Sección “s” del conductor medida en (METROS CUADRADOS) La Resistividad “ ρ” del material del que está hecho el conductor expresada en (OHMIO·METRO)

ρcobre = 0,0178 (oh·m) ρplata = 0,016 (oh·m)

ELECTRICIDAD y ELECTRÓNICA 4º ESO-IES Yaiza Página 2 *La CONDUCTIVIDAD es la Inversa de la RESISTIVIDAD:

γγγγ = 1 / ρρρρ *La CONDUCTANCIA es la Inversa de la RESISTENCIA:

G = 1 / R Según estas propiedades, los materiales se dividen en CONDUCTORES y en AISLANTES:

MATERIAL R G CONDUCTOR BAJA ALTA

AISLANTE ALTA BAJO *El paso de una Corriente Eléctrica a través de un elemento conductor genera una cantidad de CALOR:

Q = Cp · m · (tf – to)

La cantidad de calor “Q” se mide en (CALORÍAS) La masa de conductor “m” se mide en (KILOGRAMOS) La temperatura final “tf” y la temperatura inicial “to” se mide en (GRADOS CENTÍGRADOS) La constante “Cp” es el Calor Específico, propia de cada material o sustancia. Para el agua Cp = 1 1.3. CONCEPTO DE CIRCUITO ELÉCTRICO Se define un Circuito Eléctrico como un conjunto de elementos pasivos (consumidores de energía), elementos de maniobra, generadores, etc., conectados entre si por medio de conductores, que permiten el paso de la corriente eléctrica.

• Generadores: son elementos capaces de generar energía eléctrica: pilas, baterías, dinamos, alternadores, etc.

• Receptores: son elementos que consumen energía eléctrica y la transforman en calor, luz o movimiento: lámparas, motores, resistencias, timbres, radiadores, etc.

• Elementos de Maniobra: son elementos que nos permiten controlar el circuito dando paso a la corriente o desviándola por otro camino: interruptores, conmutadores, pulsadores, etc.

• Elementos de Protección: son elementos que se encargan de proteger el circuito contra los cortocircuitos y sobrecargas: fusibles, diferenciales, etc.

• Conductores: su función es la de unir todos los elementos y permitir la circulación de la corriente.

Circuito Eléctrico Cerrado: es aquel circuito por el que circula, sin interrupción, la corriente. Circuito Eléctrico Abierto: es aquel circuito en el que el paso de la corriente ha sido interrumpido. Nudo: Se denomina así a todo punto de un circuito donde confluyan más de dos conductores. Rama: Son cada uno de los conductores que parten del nudo y se reparten la Intensidad de Corriente.

Circuito Cerrado Circuito Abierto


1.4. COMPONENTES DE UN CIRCUITO ELÉCTRICO

Ya hemos citado los elementos que componen un Circuito Eléctrico y a continuación los iremos explicando con más profundidad, explicando de manera sencilla su utilidad y su aspecto, así como su simbología. Esto nos va a permitir dibujar los circuitos de una manera sencilla y nos ayudará a interpretar su funcionamiento para –más adelante- poder comenzar con la realización práctica de circuitos simples en el taller.

1.4- Componentes de un Circuito Eléctrico Los Operadores en Electrotecnia:

- Transforman otras Energías en Energía Eléctrica - Conducen la Energía Eléctrica de un punto a otro - Conectan y Desconectan los dispositivos consumidores de Energía Eléctrica - Protegen a las Personas y a los Sistemas de los riesgos derivados del uso de la Energía Eléctrica - Modifican alguna Magnitud de la que dependa la Energía Eléctrica - Transforman la Energía Eléctrica en otros tipos de Energía

Los Operadores podemos clasificarlos en cuatro tipos: *Operadores de Generación *Operadores de Conducción y Conexión *Operadores de Maniobra *Operadores de Protección *Operadores de Recepción *Operadores de Transformación

Los Operadores de Generación producen una Magnitud Eléctrica llamada DIFERENCIA de POTENCIAL o FUERZA ELECTROMOTRIZ (E), que se mide en VOLTIOS (V) Los Operadores de Maniobra y Control administran una Magnitud Eléctrica llamada INTENSIDAD de CORRIENTE (I), que se mide en AMPERIOS (A) Los Operadores de Recepción y Transformación convierten la Energía Eléctrica en otro tipo de Energía. Presentan una Magnitud Eléctrica denominada RESISTENCIA (R), que se mide en OHMIOS ( ΩΩΩΩ)

Estas tres Magnitudes Fundamentales están relacionadas entre si por la llamada LEY de OHM: La Intensidad de corriente que circula por un Circuito Eléctrico formado por resistencias puras es directamente proporcional a la Fuerza Electromotriz del Generador aplicado al circuito e inversamente proporcional a la Resistencia Total del Circuito: I = E / R

Magnitud Símbolo Unidad Símbolo Medida Intensidad de Corriente I Amperio A Amperímetro Fuerza Electromotriz o Diferencia de Potencial

E Vab

Voltio V Voltímetro

Resistencia R Ohmio ΩΩΩΩ Ohmetro

La LEY de OHM la podemos expresar, pues, de tres maneras, en función de los datos que nos den y lo que se nos esté pidiendo calcular:

I = Vab / R R = Vab / I Vab = I · R

Potencia Eléctrica:

P = Vab · I La Potencia Eléctrica “P” se mide en (WATTIOS) El Voltaje “V” se mide en (VOLTIOS) La Intensidad “I” se mide en (AMPERIOS)

ELECTRICIDAD y ELECTRÓNICA 4º ESO-IES Yaiza Página 4 Trabajo Eléctrico:

T = P · t T = Q/0,24 El Trabajo “T” se mide en (JULIOS) La Potencia “P” se mide en (WATTIOS) El Tiempo “t” se mide en (SEGUNDOS) La Cantidad de Calor “Q” se mide en (CALORÍAS)

Coste de la Energía Eléctrica:

Cee = Tee · Єkwh

El Trabajo Eléctrico “Tee” se expresa en (Kwh), donde 1 kwh = 3.600.000 Julios El Coste del Kwh “Єkwh” en España es de 0,1413 (Є /Kwh)

1.4.1- Operadores que Producen Energía Eléctrica: Generadores Según el tipo de Corriente generada: - Generadores de Corriente Continua (DC): Pilas, Baterías y Dinamos - Generadores de Corriente Alterna (AC); Centrales de producción eléctrica

- Pila: Transforman la energía química almacenada internamente mediante una reacción química - Batería: Son asociaciones de dos o más pilas en Serie. Las fuerzas electromotrices de todas ellas se suman - Acumulador: Son Pilas o Baterías agotadas que se regeneran cuando pasa por ellas una corriente eléctrica exterior. Son más caras que las Pilas o las Baterías, pero, a la larga, amortizan el coste

1.4.2- Operadores de Maniobra y Protección

- Interruptor: Permite o Impide el paso de la corriente eléctrica por el circuito, pero sin modificarla - Conmutador: Desvía la corriente eléctrica por una u otra salida - Pulsador: Permite o Impide el paso de la corriente eléctrica a voluntad del operador, cuando éste aprieta o libera el mando. También los hay que vuelven automáticamente a su posición de descanso - Fusible: Protege a los aparatos y a las instalaciones del paso de intensidades de corriente mayores a las que estos pueden soportar - Relé: Es un dispositivo que nos permite separar circuitos diferentes. Uno de los contactos es para activar un electroimán y otro/s para otro/s circuitos separados del primero


1.4.3- Operadores de Recepción y Transformación

-Resistencias: Transforman la Energía Eléctrica en Energía Calorífica: termo eléctrico, vitrocerámica, plancha, tostadora eléctrica, microondas, etc.

-Elementos Alumbrado (Lámparas): Transforman la Energía Eléctrica en Energía Luminosa *Lámparas Incandescentes: (90% Calor y 10% Luz). *Lámparas Halógenas y/o Fluorescentes: (20% Calor y 80% Luz). -Elementos Sonido: Transforman la Energía Eléctrica en Sonido. *Timbres: Electroimán que se activa al paso de la corriente y atrae una barra metálica que golpea una campana. *Zumbador: Al aplicar una tensión se genera un campo magnético que produce una vibración

-Elementos Mecánicos (Motores): Transforman la Energía Eléctrica en Movimiento: La batidora, licuadora, reloj, juguetes eléctricos, etc.

VALOR NOMINAL de una RESISTENCIA Equivalencia de colores (1ª Cifra, 2ª Cifra, nº Ceros) Negro 0

Marrón 1 Rojo 2

Naranja 3 Amarillo 4

Verde 5 Azul 6

Violeta 7 Gris 8

Blanco 9 Oro x 0,1

Plata x 0,01 ejercicios: 01.- Calcula la fuerza de repulsión existente entre una carga de 3 culombios y otra carga de 5

culombios si ambas están separadas 0,3 metros. 02.- Calcula la resistencia eléctrica y la conductancia de un hilo de plata de 2 metros de longitud y

0,2 metro2 de sección. 03.- Calcula el calor necesario para conseguir que 400 kilogramos de agua que estaban a una

temperatura inicial de 15 grados centígrados se pongan a una temperatura de 45 grados centígrados

04.- a) ¿Cual será la potencia desarrollada en un circuito alimentado por una pila de 20 voltios y por el cual circula una intensidad de 10 amperios? b) ¿Y cual será el trabajo desarrollado por ese circuito si está funcionando dos horas? c) ¿y cuantos euros costará tenerlo funcionando esas dos horas?

05.- ¿Cual será el valor nominal/código de las resistencias siguientes? verde-rojo-negro

rojo-blanco-plata azul-naranja-naranja negro-verde-rojo rojo-rojo-rojo

3300 oh

5,7 oh 0,35 oh 110 oh 95 oh


Resistencias, Condensadores, Diodos y Transistores RESISTENCIAS: Limitan la corriente que circula por el circuito. Las hay Variables (RV), Dependientes de la Luz (LDR) o Dependientes de la Temperatura (NTC)

CONDENSADORES: Almacenan carga eléctrica y la devuelven al circuito a un determinado ritmo. Los hay Fijos, Variables y Electrolíticos.

DIODOS: Permiten la circulación de la corriente en un solo sentido. El diodo LED emite luz al pasar la corriente con él.

TRANSISTORES: Controlan el paso de la corriente de un circuito a partir de una pequeña corriente auxiliar. Hay gran variedad.

1.4.4.- Operadores de Conducción y Conexión

* Elementos Conductores: Son aquellos elementos que transportan la corriente a los diferentes dispositivos del circuito: Hilos, Cordones y Cables. Hay Aislados o/y No Aislados. * Elementos Canalizadores: Son aquellos elementos por los cuales discurre el cableado de la instalación, protegiendo a este del medio (la humedad, la corrosión, los golpes, los tirones, etc.): Tubos o Cajas de Registros. Hay empotrados o/y aéreos. * Elementos de Conexión: Son aquellos elementos que sirven para unir los cables u cualquier otro elemento del circuito: Enchufes (Base y Clavija), Regletas y Soldaduras.


1.5.- Simbología y Circuitos Serie/Paralelo * La Simbología es un aspecto más de la Normalización consistente en la adopción de símbolos, definición de signos convencionales, gráficos y literales mediante los cuales se representan simplificadamente los distintos tipos de elementos, dispositivos, máquinas y características de las mismos, de manera que puedan ser identificados inequívocamente por cualquier persona conocedora de las normas correspondientes. Circuitos con Resistencias en Serie * Los elementos receptores se disponen uno a continuación del otro, unidos por el mismo tramo de conductor. * La avería de un receptor provoca el corte de corriente en todo el circuito.

Rserie = R1 + R2 + R3 Circuitos con Resistencias en Paralelo *Los elementos receptores se disponen en ramales independientes. La avería de un receptor no impide el funcionamiento de los demás.

1/Rparalelo = (1/R1) + (1/R2) + (1/R3)

Circuitos Mixtos Los circuitos que combinan asociaciones en serie con otras en paralelo se denominan Circuitos Mixtos , y su Resistencia equivalente Req se calcula calculando previamente las equivalentes de las asociaciones en serie y en paralelo y posteriormente sumándolas. (ejemplo)

Cada tipo de circuito dispone de un conjunto de símbolos que representan a sus diferentes elementos

Para realizar el montaje de un circuito eléctrico seguimos, paso a paso, las indicaciones del esquema correspondiente.

06.- ¿Cual será la Intensidad que recorre el circuito adjunto si está alimentado por una pila de 10 voltios y las resistencias son de R1= 3 oh, R2= 2 oh, R3= 6 oh, R4= 4 oh y R5= 1 oh


07.- Teniendo en cuenta que las resistencias del siguiente circuito están en ohmios: a) Calcula la resistencia equivalente del circuito. b) Calcula la intensidad que circula por el circuito. c) Calcula la caída de tensión en los extremos de cada una de las resistencias.

08.- Si en los extremos de una resistencia de 10 KΩ se produce una tensión de 10 mV ¿cual es la corriente que circula por la resistencia?

09.- Teniendo en cuenta que las resistencias del siguiente circuito están en ohmios: a) Calcula la resistencia equivalente del circuito. b) Calcula la intensidad que circula por el circuito. c) Calcula la caída de tensión en los extremos de cada una de las resistencias.

10.- ¿Qué resistencia tiene una plancha eléctrica que consume 2 A si está conectada a una tensión de 220V?

11.- Calcula la intensidad de corriente que pasa por cada bombilla del circuito y que sale del generador de 220V

12.- Calcula la resistencia equivalente de los siguientes circuitos:

13.- Si la bombilla de tu habitación es de 60W y 220V a) ¿qué intensidad circulará por ella? b) Si sales de casa y te dejas la bombilla encendida durante 6 horas ¿qué energía consumes?

14.- Una estufa tiene 3 resistencias en paralelo de 300Ω y funciona con una tensión de 220V ¿Qué potencia consume?

15.- a) Halla el coste de la energía que consume un ordenador de 200W al cabo de un mes si está funcionando una media de 3 horas diarias y la compañía factura 0,2 euros por cada KWh. b) ¿Cuanto te va a costar descargarte una película con el e-mule si tienes el aparato funcionando continuamente durante tres días sin apagarlo?

16.- Las 3 lámparas del aula, de 25W cada una, están conectadas en paralelo a una tensión de 220V. a) Dibuja el circuito equivalente. b) Calcula la resistencia equivalente. c) Calcula la intensidad de corriente que circula por cada una de ellas.


17.- En la factura eléctrica adjunta distingue: a) Nombre de la Compañía que factura b) Periodo de facturación c) Coste total d) Potencia contratada e) Energía consumida f) Coste del KWh g) ¿Cuanto se gasta en impuestos? h) ¿Cuanto cuesta alquilar los equipos de medida al mes?

18.- ¿Cual es el calor necesario para calentar un termo de agua de 60 litros desde 15ºC hasta 30ºC?

19.- Calcula la fuerza de repulsión existente entre dos cargas eléctricas de 5 culombios y 3 culombios que están separadas 0,01 metro

20.- Calcula la resistencia de un conductor de plata que mide 10 metros y tiene 0,02 m2 de sección

21.- a) Calcula la longitud de un hilo de cobre cuya sección es de 0,002 m2 si su resistencia es de 15 ohmios. b) ¿Y si el hilo fuese de plata?

22.- Indica el código de colores de las siguientes resistencias rojo-azul-negro

azul-blanco-plata rojo-marrón-marrón negro-gris-roj o blanco-blanco-blanco

1300 oh

3,2 oh 0,15 oh 2200 oh 21 oh


1.6.- Simulador de Circuitos. Crocodile A lo largo de la presente unidad aprovecharemos para utilizar en el aula Medusa uno de los múltiples programas que se utilizan para simular circuitos eléctricos y electrónicos por ordenador: el Crocodile Technology. Se trata de un programa de la familia de Windows, en el sentido de que pasando el ratón por encima de cualquier punto de la pantalla se nos ofrece una pequeña etiqueta indicando "que es" dicho componente, lo que hace al programa muy intuitivo.

Al abrir el programa nos aparece una pantalla similar a la adjunta. Encontrar las cosas resulta muy sencillo, pulsando sobre los botones indicados como 1, 2 y 3. Nos aparecen distintos botones que nos van a permitir introducir en el área de trabajo diferentes símbolos de componentes eléctricos y electrónicos (1), los mismos componentes en forma "visual" (2) y microcontroladores y puertas lógicas (3). Una vez creada cualquier simulación, el manejo del circuito es sencillo. En InterNet se pueden encontrar diferentes tutoriales e incluso algunos enlaces para descargar diferentes versiones de prueba del programa.

1.7.- Electrónica Digital La utilización reciente de circuitos digitales ha dado lugar a una revolución sin precedentes en el

campo de la tecnología, de manera que hoy día resulta imprescindible analizar el funcionamiento básico de los mismos para comprender sus posibles aplicaciones a los circuitos de control.

Estos circuitos lógicos se basan en las Teorías de Boole. Son estas una serie de proposiciones que solamente pueden adoptar dos valores: falso o verdadero. Estos valores se designan por cero o uno, que NO SON NÚMEROS, sino ESTADOS diferentes de un dispositivo. La analogía más fácil de entender es un interruptor:

Estado Resultado Dígito Abierto No pasa la Corriente 0 Cerrado Si pasa la Corriente 1


La Tabla de la Verdad y las Puertas Lógicas

El comportamiento de un circuito lógico se puede expresar mediante la denominada tabla de la verdad. En ellas figura una zona de ENTRADA , donde se representan todas las posibles combinaciones de las variables de entrada y una zona de SALIDA en la que se indica el valor de la función lógica resultante para cada combinación. Según el número de entradas “n”, el número de posibles salidas será 2n, de manera que para 1 entrada tendremos 21= 2 salidas, para 2 entradas tendremos 22 = 4 salidas, etc.

Vamos a estudiar las tablas de la verdad de las 6 puertas lógicas más importantes:

La Salida de una Puerta Lógica OR se halla en estado 1 si una o más de las entradas están en estado 1 La Salida de una Puerta Lógica NOR se halla en estado 1 todas las entradas están en estado 0 La Salida de una Puerta Lógica AND se halla en estado 1 todas las entradas están en estado 1 La Salida de una Puerta Lógica NAND se halla en estado 1 si una o más de las entradas están en estado 0 La Salida de una Puerta Lógica NOT se halla en estado 1 si la entrada está en estado 0 y viceversa. La Salida de una Puerta Lógica XOR se halla en estado 1 si las entradas no están todas en el mismo estado

EJERCICIOS 23.- Completa la secuencia de salida en los problemas (b) (c) (d) y (e) de la misma manera que se hace en el ejemplo (a):

a)

ELECTRICIDAD y ELECTRÓNICA 4º ESO-IES Yaiza Página 12 24.- Resuelve las tablas de la verdad para los siguientes circuitos lógicos:

1 A B C D F G S a 0 0 0 0 b 0 0 0 1 c 1 0 0 0 d 0 0 1 1 e 1 1 0 0 f 0 1 0 1 g 1 0 1 0 h 0 1 1 1 i 1 1 1 0 j 1 1 1 1 2 A B C D E F G H S a 0 0 0 0 1 b 0 0 0 1 0 c 1 0 0 0 1 d 0 0 1 1 0 e 1 1 0 0 1 f 0 1 0 1 0 g 1 0 1 0 1 h 0 1 1 1 0 i 1 1 1 0 1 j 1 1 1 1 0 3 A B C D E F G S a 0 0 0 0 1 b 0 0 0 1 0 c 1 0 0 0 1 d 0 0 1 1 0 e 1 1 0 0 1 f 0 1 0 1 0 g 1 0 1 0 1 h 0 1 1 1 0 i 1 1 1 0 1 j 1 1 1 1 0 4 A B C D E F G H S a 0 0 0 0 1 b 0 0 0 1 0 c 1 0 0 0 1 d 0 0 1 1 0 e 1 1 0 0 1 f 0 1 0 1 0 g 1 0 1 0 1 h 0 1 1 1 0 i 1 1 1 0 1 j 1 1 1 1 0

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