PROGRAMACIÓN DIDÁCTICA 2º E.S.O. FISICA Y QUIMICA
Aranzazu Gasca Andréu
8. LA ELECTRICIDAD ¿Has pensado alguna vez la importancia que tiene la electricidad en nuestra civilización? ¿En como serán nuestros modos de vida si nos viéramos privados de ella? Imagina que tuviésemos que desplazarnos en coches tirados por animales en lugar de nuestros actuales trenes, o cómo serían nuestras casas iluminadas con velar en lugar de con bombillas, o si no dispusiéramos de aparatos tan comunes como la televisión, el microondas, la nevera, la cafetera…Si lejanas quedan ya la edad de piedra o la de los metales, la nuestra es sin duda la “edad de la electricidad”. Pero, como ocurre con todo, el consumo desmedido de la electricidad empieza a plantear graves problemas de abastecimiento.
Las centrales eléctricas necesitan otras fuentes de energía para
alimentarse, dado que los recursos escasean. Por todo esto es importante que prestes atención al estudio de esta unidad. Comprenderás mejor el funcionamiento de muchos de nuestros aparatos eléctricos de uso diario y entenderás qué implicaciones tiene el consumo de la electricidad en nuestra vida.
Sabrías contestar estas preguntas iniciales en tu cuaderno de clase. ADELANTE…
1.- ¿Qué es la electricidad y cuántos tipos hay? 2.- ¿Cómo se genera la electricidad? 3.- ¿Cuáles son los componentes generales de un circuito eléctrico? 4.- ¿Por qué se utiliza el circuito paralelo en las viviendas? 5.- ¿Cuál es la ley de Ohm? 6.- ¿Sabrías diseñar un circuito eléctrico que se encienda una luz desde dos posiciones? 7.- ¿Para qué se utiliza un polímetro? 8.- ¿Sabes cómo funciona un frigorífico? 9.- ¿Cómo funciona una bombilla o un tubo fluorescente?
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0. INTRODUCCIÓN. (Me lo contaron y lo olvidé, lo vi y lo entendí, lo construí y lo aprendí. Confucio) ¿Para qué ha servido la electricidad? La electricidad es la forma de energía más utilizada, debido a que puede transmitirse a gran distancia, se puede almacenar, y sobre todo, se puede transformar en otras energías y viceversa. Todo esto ha influido en la mejora de nuestra calidad de vida con avances tecnológicos como son: iluminación de viviendas, la TV., ordenadores, móviles, relojes, coches, industrias, y multitud de factores de nuestra vida que se pueden saber simplemente comparándolo con el modo de vida de hace 100 años. Un poco de historia. Hace más de 2000 años que los griegos descubrieron la electricidad, al frotar ámbar* con un trozo de tela, atrayendo pequeños trozos plumas, etc., de hecho la palabra “electricidad” deriva de la palabra griega “ámbar”. En 1749 se dio el primer gran paso cuando Benjamín Franklin analizó diminutas chispas de cuerpos cargados y gigantescas chispas de los rayos, hablando de flujo eléctrico y cómo se podía transferir de un lugar a otro, es decir, la corriente eléctrica. A partir de ahí hubo grandes descubrimientos, uno tras otro, hasta nuestros días, y sus diferentes aplicaciones, sobre todo en la electrónica. ¡Electricidad! ¿Cómo? Al frotar un globo o boli de plástico con una tela, se dice que se ha cargado de electricidad, es decir, que con el rozamiento se ha perdido o ganado electrones, y por tanto al acercarlo a un cuerpo en equilibrio de cargas, por ejemplo un trocito de papel, es atraído por el boli, o también puede hacerlo ¡la tela! La materia está constituida de átomos, y éstos a su vez de electrones (-), protones (+) y neutrones (neutro), estableciéndose diversos tipos de cargas en los cuerpos: negativas (más electrones que protones), cargas positivas (menos electrones que protones), y sin carga (mismo nº de electrones que de protones), por lo que los átomos se atraen (diferente carga) o repelen (misma carga) entre sí. Los únicos que se mueven en un átomo son los electrones, y el flujo de estos electrones de un átomo a otro, es la electricidad. Cuando podemos extraer los electrones y transportarlo de un lado a otro por medio de un conductor (cable eléctrico) se produce la corriente eléctrica, siendo los electrones atraídos por un cuerpo cargado positivamente o neutro, estableciéndose una diferencia de potencial o voltaje (V) entre las cargas (Ej.: 220 voltios), es decir, “el poder de atracción entre las cargas”, que junto a la resistencia (R) que tenga el conductor, así será la intensidad (I) con la que circule los electrones, es decir la corriente eléctrica. Tres magnitudes eléctricas a tener muy en cuenta V, R e I. Sabías que…, que ciertos elementos llamados semimetales (SEMICONDUCTORES), como el silicio, germanio, boro, etc., se utilizan en la electrónica porque son semiconductores de la electricidad, es decir, que conducen electricidad pero sólo bajo ciertas condiciones (fríos no conducen, calientes sí). (Son utilizados en diodos, transistores, etc.…)
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PRÁCTICA EN CASA…. Fabrica chispas caseras: Un papel te bastará para producir una chispa eléctrica. Para ello toma una gran hoja como las de dibujo, que sea fuerte, ponla sobre una mesa de madera, frotándola enseguida con la mano bien seca o con una tela de lana, que se adhiera perfectamente a la mesa, hasta que se caliente lo máximo posible. Hecho esto pon unas llaves en medio de la hoja de papel y levanta la hoja cogiéndola por las esquinas. Si en ese momento una persona cualquiera aproxima un dedo al manojo de llaves, salta una chispa eléctrica, por haberse acumulado en el metal la electricidad que el frotamiento desarrolló el papel. Cuando el tiempo es seco, y si el papel se calentó bien y repetidas veces, la chispa puede alcanzar hasta 2 cm de longitud. ¿Te gustaría poder atraer el agua?: Necesitas una regla de plástico y un chaleco de lana para este experimento. Coge la regla y la frotas con energía sobre el chaleco durante un minuto aproximadamente, y a continuación la acercas a un grifo con un chorrito de agua muy suave ¡y ya verás!, el chorro se desvía hacia la regla. Esto es posible porque se ha cargado de electricidad negativa la regla (es decir le hemos quitado electrones al chaleco), que atrae a un cuerpo en equilibrio de cargas, el agua. Las cargas de diferente signo se atraen. ¿Podrá el chaleco atraer el agua? ¿Por qué? Truco de magia: Necesitas una cañita de plástico en un vaso lleno de agua. Si te frotas las manos generas electricidad electrostática en tus manos y al pasar las manos cerca de la cañita la atraerás y podrás moverla.
1. DEFINICIÓN DE ELECTRICIDAD. Definición: Forma de energía basada en que la materia posee cargas positivas (protones) y cargas negativas (electrones), que puede manifestarse en reposo, como electricidad estática, o en movimiento, como corriente eléctrica, y que da lugar a la luz, el calor, los campos magnéticos, los movimientos y aplicaciones químicas. LA ELECTRICIDAD ES ELECTRONES EN MOVIMIENTO. ¿Cómo se manifiesta la electricidad? Se manifiesta de tres formas fundamentalmente: Electrostática: cuando un cuerpo posee carga positiva o negativa, pero no se traslada a ningún sitio. Por ejemplo frotar un bolígrafo de plástico con una tela para atraer trozos de papel. Corriente continua (CC): Cuando los electrones se mueven siempre en el mismo sentido, del polo negativo al positivo. Las pilas, las baterías de teléfonos móviles y de los coches producen CC, y también la utilizan pero transformada de CA a CC, los televisores, ordenadores, aparatos electrónicos, etc. Corriente alterna (CA): No es una corriente verdadera, por que los electrones no circulan en un sentido único, sino alterno, es decir cambiando de sentido unas 50 veces por segundo (frecuencia), por lo que
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más bien oscilan, y por eso se produce un cambio de polos en el enchufe. Este tipo de corriente es la utilizada en viviendas, industrias, etc., por ser más fácil de transportar. Ejemplos de utilización de los tipos de corrientes: Hay elementos como las bombillas de casa, motor eléctrico de la lavadora, etc., que funcionan directamente con la corriente alterna (CA). Las bombillas de casa en realidad no iluminan constantemente sino que se encienden y apagan 50 (60 en EEUU) veces en un segundo debido a la alternancia de la polaridad, solo que nuestros ojos no lo perciben. En cambio las bombillas de una linterna iluminan constantemente al ser alimentada por unas pilas de corriente continua (CC), o como los aparatos electrónicos como la televisión, ordenadores, que aunque se conecten a CA, transforman esa corriente a CC, mediante un transformador o fuente de alimentación para funcionar. Cuando se cargan los teléfonos móviles también se utiliza un transformador (voltaje) + rectificador (polaridad) para pasar la CA a CC. ¿Qué efectos puede tener la corriente eléctrica? Los efectos de la corriente eléctrica se pueden clasificar en: Luminosos // Caloríficos // Magnéticos // Dinámicos // Químicos. Los efectos luminosos y caloríficos suelen aparecer relacionados entre sí. Por ejemplo: una lámpara desprende luz y también calor, y un calefactor eléctrico desprende calor y también luz. Al circular la corriente, los electrones que la componen chocan con los átomos del conductor y pierden energía, que se transforma y se pierde en forma de calor. De estos hechos podemos deducir que, si conseguimos que un conductor eléctrico (cable) se caliente mucho sin que se queme, ese filamento podría llegar a darnos luz; en esto se fundamenta la lámpara. ¿Hay aire dentro de una bombilla de filamento? ¿Y en el tubo de un fluorescente? ACTIVIDADES 1. Busca en el texto de la unidad el significado y origen de la palabra electricidad. 2. Busca en libros de ciencias qué son las neuronas y qué elación tienen con lo tratado. 3. Busca en Internet un cuadro resumen de los nombres de los científicos: Faraday, Edison, Morse, Hertz, Galvani, Volta, Franklin… ¿Por qué los descubrimientos de Franklin permitieron el desarrollo del pararrayos? Investiga cuál es el fundamento y utilidad de los pararrayos. 4. ¿Cuáles son los medios de comunicación con hilos que hacen uso de la electricidad? 5. ¿Cuáles son los medios de comunicación inalámbricos? 6. Indica las ventajas e inconvenientes que tienen los medios de comunicación mencionados en las actividades 4 y 5.
as2. LA S CARGAS ELECTRICAS. LEY DE COULOMB.
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2. CARGAS ELECTRICAS. LEY DE COULOMB Ya sabes que un cuerpo electrizado estĂĄ cargado positiva o negativamente porque ha perdido o ganado electrones. Por consiguiente, la cantidad de electricidad de ese cuerpo serĂĄ un nĂşmero entero de veces la carga del electrĂłn. En el SI, la unidad de carga elĂŠctrica es el culombio (C), que equivale a la carga elĂŠctrica de unos seis trillones de electrones, es decir: 1C = 6,24*10 carga del electrĂłn, en culombios, serĂĄ qe= 1,602*10
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electrones. Por tanto, la
C. Otra unidad de carga muy usada en fĂsica es el
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microculombio (ÂľC): 1 ÂľC = 10 C 2.1 La Ley de Coulomb TambiĂŠn concluimos en el apartado anterior que las cargas del mismo signo se repelen y las de diferente signo se atraen. Para estudiar la fuerza con que se repelen y las de diferente signo se atraen. Para estudiar la fuerza con que dos cuerpos se atraen o se repelen se utiliza la ley de Coulomb, deducida por ĂŠl, que dice: Dos cargas elĂŠctricas se atraen o se repelen con una fuerza que es directamente proporcional al producto de las cargas e inversamente proporcional al producto de las cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa, y depende ademĂĄs del medio en el que estĂŠn dichas cargas. đ??š=đ?‘˜
đ?‘„! Ă—đ?‘„! đ?‘&#x;!
Donde: F es la fuerza en Newton, Q`s son las cargas en culombios, r es la distancia que separa las 9
2
2
cargas en metros y K constante que depende del medio (en el vacĂo, 9*10 N*m /C ) 7. Una carga positiva se sitĂşa justo en medio de dos cargas positivas e iguales separadas una distancia de 10m observa la ilustraciĂłn y dibuja todas las fuerzas sobre la carga q (a) ÂżHacia donde esta dirigida la fuerza que sufre la carga q debido a la presencia de Q1? (b) ÂżHacia donde estĂĄ dirigida la fuerza que sufre la carga q debido a la presencia de Q2? (c) ÂżHacia donde se moverĂĄ? 8. ÂżCrees que tus respuestas variarĂan si las dos cargas iguales Q1 y Q2 son negativas en vez de positivas? 3. LA CORRIENTE ELECTRICA Acabamos de ver que cuando una carga se coloca en las inmediaciones de otras cargas, sufre una fuerza que puede desplazarlas. Cuando existe un desplazamiento ordenado de cargas elĂŠctricas decimos que se produce una corriente elĂŠctrica. Para que se produzca una corriente elĂŠctrica son necesarias cargas elĂŠctricas que puedan desplazarse.
En los aparatos elĂŠctricos que manejamos habitualmente, las cargas elĂŠctricas que se
desplazan son electrones.
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En los materiales llamados conductores existen partículas con carga eléctrica que pueden desplazarse. Los metales son buenos conductores de la corriente eléctrica, pues disponen de electrones que pueden moverse con libertad a lo largo del metal. Los mejores conductores son la plata, el cobre, el oro y el aluminio. Otros materiales, llamados aislantes, las cargas no pueden moverse con libertad, por lo que no transmiten la corriente eléctrica. La madera o la goma son buenos aislantes, pues en ellos no hay cargas eléctricas que tengan libertad para moverse a lo largo del material. ACTIVIDADES 9. Piensa en diez objetos que uses en tu vida cotidiana y clasifícalos como aislantes o conductores. 10. Busca información sobre los consejos de seguridad que se deben seguir cuando se maneja cables eléctricos. ¿por qué conviene usar guantes a la hora de manipular cables? 4.1 Circuitos eléctricos Ya hemos visto en qué consiste la corriente eléctrica: en el desplazamiento de cargas eléctricas por un material conductor. Cuando el recorrido de las cargas eléctricas se cierra, decimos que existe un circuito eléctrico. ¿Di aquellos circuitos en los que crees que la bombilla lucirá?
Un circuito eléctrico está formado por distintos elementos conectados entre si: generadores, hilos conductores, receptores. también se pueden incorporar elementos de control. Permiten controlar el paso de la corriente de un circuito. Por ejemplo, para crear un dispositivo sencillo para iluminar tenemos que disponer de una serie de elementos: •
Una pila, que proporciona la energía necesaria para producir la corriente.
•
Un cable, que conduce esta corriente hasta la bombilla.
•
El interruptor, que nos permite encender o apagar la bombilla a voluntad.
•
La bombilla, que aprovecha esta corriente para producir luz. 3.1.1 Circuitos Serie y Circuitos paralelos.
En un circuito, los elementos que lo componen se pueden disponer de dos maneras básicas:
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3.2 La conservación de la carga eléctrica de un circuito. Debido al principio de conservación de la carga, los electrones no pueden desaparecer en su recorrido por el circuito. Todos los electrones que salen de un borne del generador llegan al otro borne tras completar el recorrido por el circuito. Este es el sentido real de circulación de los electrones.
ACTIVIDADES 11. Piensa en un tostador que está conectado a un enchufe de casa. Dibuja un esquema y explica los diferentes elementos que tiene y como funciona. 12. Repite la actividad anterior para un radiocasete que funciona con pilar en lugar de estar enchufado a la red eléctrica. 13. Dibuja un circuito que contenga una lámpara y un motor dispuestos en paralelo. 14. A la derecha está representado un circuito sencillo con tres elementos: (a) ¿Qué elementos representa cada uno de los símbolos? (b) ¿Esta el circuito abierto o cerrado? (c) ¿Según está el esquema, funcionaría el receptor? (d) Indica con flechas el sentido de la corriente cuando se cierra el interruptor.
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4. MAGNITUDES ELECTRICAS Para estudiar el funcionamiento de los circuitos es necesario conocer algunas magnitudes eléctricas, como intensidad de corriente, diferencia de potencial, resistencia, energía eléctrica y potencia eléctrica. 4.1 Intensidad de corriente. Ya sabemos que, cuando circula la corriente eléctrica, existe un flujo de cargas. En el caso de un circuito eléctrico, los electrones se desplazan desde un borne del generador hasta el otro. Para cuantificar el número de cargas que circulan en la unidad de tiempo se utiliza una magnitud denominada intensidad de corriente. La intensidad de corriente es la cantidad de carga eléctrica que atraviesa un conductor en un tiempo determinado. Matemáticamente se expresa con la siguiente fórmula: I = Q / t
La unidad de la intensidad de corriente en el SI es el Amperio (A): un amperio corresponde a la intensidad de corriente que circula por un conductor cuando por éste pasa una carga de un culombio en un segundo.
4.2 Diferencia de potencial. Imagina que sueltas una carga q en una región en la que existe un capo eléctrico. Come hemos visto antes, la carga comenzará a moverse y, por tanto, irá perdiendo energía potencial, que se convertirá en energía cinética.
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Se llama diferencia de potencial, voltaje o tensiĂłn entre dos puntos A y B, a la energĂa potencial, Ep, que adquiere o que pierde una carga cuando se traslada desde A hasta B, dividida por el valor de dicha carga. Va-Vb= đ?›Ľđ??¸ p/ q En la expresiĂłn anterior: Va-Vb: es la diferencia de potencial entre los puntos A y B. đ?›Ľđ??¸ p: es la energĂa ganada o perdida por la carga q q: es la carga elĂŠctrica que adquiera o pierde energĂa potencial. 4.3 Resistencia elĂŠctrica Cuando la corriente elĂŠctrica circula por un circuito las cargas elĂŠctricas que se mueven pueden chocar con las partĂculas que constituyen el material al paso de la corriente elĂŠctrica se le denomina resistencia.
đ?‘…=đ?œŒ
! !
ACTIVIDADES -4
15. Calcula la intensidad de corriente que corresponde al desplazamiento de una carga de 0,5*10 C durante 10s. 16. Calcula la energĂa que adquiere una carga de 0,0002C que se desplaza entre dos puntos de un conductor cuya diferencia de potencial es de 12V.
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4.4 La ley de Ohm Si tenemos un circuito con una bombillita E-10 alimentada por una pila de 4,5V y sustituimos la pila por una de mayor voltaje, transportarĂĄ las cargas desde el poso positivo hasta el negativo con una mayor rapidez. Por tanto el ritmo al que saldrĂĄn las cargas del generador serĂĄ mayor y, por consiguiente, el valor de la intensidad de corriente en el circuito tambiĂŠn serĂĄ mayor. Las tras magnitudes presentes en el circuito anterior: diferencia de potencial, resistencia e intensidad de corriente, estĂĄn relacionadas a travĂŠs de una expresiĂłn descubierta a partir de las experiencias del fĂsico alemĂĄn OHm. La ley es conocida como la ley de Ohm y se expresa como: La relaciĂłn entre la tensiĂłn, la resistencia y la intensidad de corriente en un circuito es la siguiente: đ??ź = đ?›Ľđ?‘‰R Una mayor diferencia de potencial implica una intensidad mayor. Y una resistencia mayor en el circuito harĂĄ que la intensidad de corriente se reduzca. A partir de la ley de OHM podemos definir el ohmio como la resistencia de un conductor por el que circula una corriente de un amperio cuando entre sus extremos se establece una diferencia de potencial de un voltio. Utilizando la ley de Ohm es fĂĄcil calcular I, đ?›Ľđ?‘‰, R a partir de las otras dos. ACTIVIDADES 17. Calcula la diferencia de potencial entre los extremos de un conductor de 10Ί de resistencia por el que circula una corriente de 7,5A 18. Entre los extremos de un hilo de plata de de 30 metros de largo y con una secciĂłn de 2mm
2
aparece una diferencia de potencial de 7V. Calcula la intensidad de corriente que circulara por este conductor. 5. Cà LCULOS EN CIRCUITOS ELÉCTRICOS La Ley de Ohm resulta muy útil para predecir el valor de algunas magnitudes elÊctricas en un circuito a partir de otras. Ahora vamos a estudiar mås detenidamente distintos casos: agrupación de elementas en serie, en paralelo o agrupación de circuitos mixta. 5.1 Circuitos con resistencia agrupadas en serie. Los elementos estån conectados uno a continuación de otro. Observa el dibujo de abajo. En este caso, todas las cargas que salen del primer receptor pasan por el segundo receptor. Por tanto, la intensidad que pasa por cada resistencia es la misma. I1=I2 La diferencia de potencial en cada receptor dependerå entonces del valor de la resistencia de cada uno. Pero el voltaje proporcionado serå igual a la suma de la diferencia de potencial de cada receptor. El conjunto de resistencias se puede sustituir por otra, llamada resistencia equivalente (Req), que puede calcularse sumando el valor de todas las resistencias del circuito. Req= R1+R2
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5.2 Circuitos con resistencias agrupadas en paralelo En estos elementos estån conectados de la siguiente forma. Observa el dibujo: Ahora no ocurre lo mismo que en el circuito anterior, puesto que cuando las cargas llegan al punto A se reparten: •
•
Unas circulan por la rama superior, en la que estĂĄ la resistencia R1 Otras circulan por la rama inferior, donde se encuentra la resistencia R2
Por tanto, podemos decir que la intensidad se divide por cada una de las ramas. Pero, cuando la carga elĂŠctrica se conserva, el nĂşmero de cargas que circulan por la rama superior mas el nĂşmero de cargas que circulan por la rama inferior es igual al nĂşmero de cargas que salen y que entran al generador. Es decir:
IT=I1+I2.
Pero las cargas no se reparten por las diferentes ramas de forma aleatoria.
Se
desplazarån mås cargas, es decir habrå mayor intensidad de corriente, hacia la rama del circuito en la que la resistencia sea menor. Y la intensidad serå menor por la rama del circuito en la que la resistencia sea mayor. Por tanto, el producto I*R circuito serå igual, es decir: ��! = ��! . Con elementos agrupados en paralelo, la resistencia equivalente se calcula de la siguiente forma:
! !EQ
=
! !!
+
! !!
Esto quiere decir que la resistencia equivalente puede ser menor que alguna o que ambas resistencias.
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6. ENERGÍA Y POTENCIA ELÉCTRICAS. 6.1 Energía eléctrica En las páginas anteriores hemos visto que un circuito está formado básicamente por un generador, que es el elemento encargado de producir y mantener la corriente, por los receptores (bombillas, motores, resistencias), que reciben la energía de la corriente eléctrica y la transforman en otros tipos de energía. En este circuito, las bombillas reciben la energía eléctrica suministrada por el generador y la transforma en luz y calor. ¿Cómo obtienen la energía los receptores en un circuito eléctrico? Evidentemente, de las cargas que circulan por el circuito. Todas las cargas que salen del generador vuelven al mismo tras recorrer el circuito, pero las cargas vuelven al generador con menos energía de la que tenían al salir: han cedido energía en su recorrido por el circuito.
La energía de la carga eléctrica que se desplaza entre dos puntos de un conductor que se encuentra a distinto potencial viene dada por la expresión: Energía = (VA – VB) x Q Y a partir de la definición de intensidad, obtenemos Q = I x t, Energía = (VA – VB) x I x t. Esta energía es aportada por el generador y consumida por la bombilla de resistencia R. Por la expresión de la ley de ohm, tenemos que (VA – VB) = I x R, con lo que sustituyendo en la expresión de la energía 2
nos queda: Energía = I R t. EFECTO CALORIFICO DE LA CORRIENTE ELÉCTRICA. LEY DE JOULE Cuando por un conductor circula corriente eléctrica, parte de la energía eléctrica se transforma en calor. Esto es así por que los electrones en su movimiento chocan con las partículas del conductor, les transmiten parte de su energía y el conductor se calienta. Esta energía, según hemos visto, viene dada por: 2
2
Energía (julios) = I R t
Energía (calorías) = 0,24 I R t
Esta expresión matemática se conoce con el nombre de ley de Joule. El efecto calorífico de la corriente eléctrica se aprovecha en aparatos eléctricos, como estufas, planchas…elaborados con conductores de la electricidad y que, en algunos casos, son de gran longitud (arrollados en espiral). 7.2 Potencia eléctrica La potencia es la rapidez con la que un aparato eléctrico consume o transforma la energía eléctrica que recibe. Viene dada por la siguiente expresión: 2
P= E/t= ((VA – VB) x I x t)/t = (VA – VB) x I = I R. Su unidad es el vatio (W), que se define como 1julio/1segundo.
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En la siguiente unidad veremos como la electricidad llega a nuestras casas en forma de Corriente Alterna, los dispositivos y aparatos necesarios para ello así como la seguridad en el manejo de los mismos. Aprenderemos a leer la factura de la luz además de saber cuanta energía consumimos y lo que cuesta.
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ACTIVIDADES 19. Halla la equivalencia entre el kWh y el kJ. 20. Un local tiene, además de luz, un televisor y un frigorífico. ¿Qué potencia y energía consumirá en 1 hora? Utiliza los datos de la tabla anterior 21. ¿Cuánto cuesta secarte el pelo todos los días, si usas un secador de 1500W durante 20 minutos? El precio del kWh es de 0,008 €. 22. Averigua la potencia de algunos aparatos de tu casa y calcula el consumo diario de energía eléctrica. (hazlo al menos de 3 aparatos) 23. Explica que sucede y porque cuando un aparato eléctrico se conecta a un determinado voltaje distinto al que indica su inscripción. 24. ¿Qué calor desprende una estufa de 1,500W en una hora? Expresa el resultado en calorías.
IDEAS CLARAS. ¿Qué hemos aprendido?
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Ud10.
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TRABAJA CON DOCUMENTOS
1.
¿Por
peligrosa
qué la
era
muy
experiencia
realizada por Franklin? 2.
Indica cuales son los
inventos de los que se habla en los documentos.
Busca
en la Wikipedia la definición y escríbela en tu el glosario de tu cuaderno. 3.
Pon un titulo a los
párrafos.
Cuando hayas
leído los dos documentos, pon un titulo a cada párrafo que describa brevemente el contenido. 4.
Responde:
¿Por
qué
trabajaron las acciones de las compañía de gas cuando Edison anuncio su propósito de
producir
bombillas
eléctricas? ¿Trabajo Edison solo o con equipo? 5.
¿Por qué se hace el
vacío en el interior de las bombillas?
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“VAMOS AL LABORATORIO� 6. UNIDAD 8. LA ELECTRICIDAD
LA POTENCIA DE UN RECEPTOR El objetivo de esta prĂĄctica es utilizar el voltĂmetro y el amperĂmetro para llegar a deducir cual es la potencia elĂŠctrica de un receptor. MATERIAL •
Un generador. Fuente de alimentaciĂłn.
•
Varias lĂĄmparas del mismo valor.
•
Hilos conductores, cocodrilos
•
AmperĂmetro. Multimetro en funciĂłn de amperĂmetro.
•
VoltĂmetro. Ă?dem
•
Interruptores para controlar el paso de la corriente.
PROCEDIMIENTO. Montar un circuito elĂŠctrico con varias lĂĄmparas, amperĂmetros y voltĂmetros. 1. Primero monta un circuito sencillo con un generador una sola lĂĄmpara, un amperĂmetro conectado en serie y un voltĂmetro conectado en paralelo. Dibuja en tu cuaderno el circuito que te ha salido. 2. A continuaciĂłn aĂąade una segunda lĂĄmpara en serie con la primera. De nuevo, anota la lectura del voltĂmetro y el amperĂmetro. - ÂżHa variado la lectura ofrecida por el amperĂmetro? - ÂżY la ofrecida por el voltĂmetro? - ÂżHa variado la intensidad luminosa emitida por las lĂĄmparas respecto al primer circuito? 3.
Ahora aĂąade una tercera lĂĄmpara en paralelo con una de las lĂĄmparas.
Vuelve a observar las
lĂĄmparas y anota nuevamente la lectura del amperĂmetro y del voltĂmetro. 4. Recoge todos los resultados del experimento en una tabla como la que tienes a continuaciĂłn. RESISTENCIA 1 I (A)
RESISTENCIA 2 ��(�)
I (A)
RESITENCIA 3 ��(�)
I (A)
��(�)
Circuito 1 Circuito 2 Circuito 3 CONCLUSIONES 1. Para cada uno de los circuitos montados en esta experiencia, calcula la potencia para cada receptor. En este caso se puede emplear la expresiĂłn: P (w) = đ?›Ľđ?‘‰(đ?‘‰)x I(A) 2. Cuando conectamos una lĂĄmpara en paralelo con otra, la intensidad de corriente por ellas aumenta, lo que se deja notar por el aumento de la intensidad luminosa emitida. En este caso, Âżcrees que la energĂa consumida por las lĂĄmparas aumentarĂĄ tambiĂŠn? 3. Entonces, ÂżquĂŠ ocurrirĂĄ con el generador? Si fuera una pila, ÂżTardarĂa mĂĄs o menos tiempo en agotarse?
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UNIDAD 8. ACTIVIDADES DE AMPLIACION y AFIANCIAMIENTO 1. Si dos cargas eléctricas se atraen con una fuerza F cuando se encuentran a una distancia d, cuando se encuentren a una distancia 2d, la fuerza con que se atraerán será… La solución no es F/2 ni 2F 2. Para duplicar la fuerza con que se repelen dos cargas separadas una distancia d, hay que reducir la distancia entre ellas a…. La solución no es d/2 3. Un cuerpo cargado positivamente, ¿Tiene cargas negativas? La solución no es “no” 4. La fuerza con que se repelen dos cargas de 1C a 1cm de distancia es… 9
La solución no es 9*10 C 5. Señala en el circuito de la figura qué bombilla luce más. La solución no es “la primera porque la electricidad se gasta” 6. ¿Por qué es erróneo el siguiente razonamiento?: Una bombilla sen enciende porque salen caras de la pila, que van a parar a la bombilla. 7. Si por un circuito circula una carga de 1 culombio por hora, la intensidad que lo recorre es… La solución no es 1 amperio. 8. Si por un circuito circula un electrón cada segundo, la intensidad que lo recorre es… La solución no es 1 amperios. 9. Por un circuito cuya resistencia es 10 ohmios, conectado a una pila de 20V, circula una intensidad de… La solución no es 0,5A ni 200A 10. La resistencia equivalente de dos resistencias en paralelo de 5 ohmios es… La solución no es 0,4Ω, ni 10 Ω
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I. ELECTROSTÁTICA Observar, identificar e interpretar fenómenos electrostáticos 1. ¿Qué sucede al acercar una barra de plástico, previamente frotada con piel de gato, a la cabeza de un electrómetro sin tocarla? Si ahora alejamos la barra del electrómetro, ¿qué observas? Sabiendo que la barra está cargada negativamente, ¿cómo explicas el comportamiento del electrómetro? ¿Se ha cargado? 2. ¿Qué sucede si la barra toca al electrómetro? ¿Y si separamos después la barra? Explica también el hecho con el modelo de cargas. 3. Clasifica las siguientes sustancias en conductoras y aislantes: – Clavo de hierro
– Regla de plástico
– Piel de gato
– Lana
– Madera
– Vidrio
– Papel de aluminio
– Seda
4. Al acercar una placa de plástico cargada a unos trocitos pequeños de papel éstos se ven atraídos y quedan pegados un buen espacio de tiempo. Esto se debe a que: a) Los papelitos también están cargados. b) La barra induce una carga en el papel. c) Hay una fuerza de atracción gravitatoria entre la regla y los papeles. 5. La bolita de un péndulo electrostático se toca con una barra de plástico que se ha frotado con una piel de gato. Si se toca la bolita de otro péndulo electrostático con la piel de gato, ¿Qué ocurrirá si: a) se acercan los dos péndulos? b) se acerca la barra de plástico al segundo péndulo? c) si se acerca la barra de plástico al primer péndulo? d) si se ponen en contacto los dos péndulos? 6. Explica con el modelo de cargas las experiencias anteriores. 7. De entre las acciones a distancia que se presentan a continuación, indica las que son de carácter electrostático: a) La caída libre de un cuerpo desde lo alto de una torre. b) Un imán atrae a unos clavos de hierro. c) Dos globos hinchados se frotan con un paño de lana y luego se atraen. d) Un peine atrae los pelos de la cabeza después de peinarlos. e) Una barra frotada hace desviarse un chorro de agua al acercarse a él.
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8. Indica con un “Sí” en qué situaciones atraerá una barra de vidrio cargada positivamente si se acerca a un pequeño cilindro hueco que descansa encima de una mesa: a) El cilindro es metálico y está cargado negativamente. b) El cilindro es no metálico y está cargado negativamente. c) El cilindro es neutro y metálico. d) El cilindro es neutro y no metálico. 9. La unidad de carga en el Sistema Internacional es: a) La del electrón
b) La del protón
c) El culombio d) El Amperio.
10. Contesta Verdadero o Falso a cada una de las frases siguientes: a) Cuando un cuerpo se carga lo que hace es ganar o perder protones. b) Un cuerpo cargado negativamente solamente tiene electrones. c) Un cuerpo neutro tiene tantos protones como electrones. d) Un cuerpo puede tener una carga de 3,4 electrones. e) Todos los cuerpos tienen protones y electrones, luego todos conducen bien la electricidad. 11. Pon un ejemplo de cada uno de los distintos tipos de electrización: por contacto, por frotamiento y por inducción. Dibujar fuerzas de interacción entre cuerpos cargados. 1. Se tienen dos partículas con cargas positivas, q1 y q2, separadas una distancia r. Dibuja en rojo la fuerza que soporta la carga q1 y en azul la fuerza que soporta la carga q2. a) Repite la operación si q1es positiva y q2 es negativa. b) Idem si q1 es negativa y q2 positiva. c) Ídem si las dos cargas son negativas. 2. ¿De qué factores depende la fuerza con que dos cuerpos cargados se atraen o repelen? 3. En caso de tormenta, ¿en qué lugar encontrarías mayor seguridad? a) En el interior de un automóvil. b) Debajo de un árbol. c) En pleno campo, lejos de los árboles 4. Si frotamos dos cuerpos neutros, moviendo uno y manteniendo fijo el otro. Indicar si son verdaderas o falsas las siguientes afirmaciones: a) Los dos cuerpos siguen neutros porque no tenían cargas ninguno de los dos. b) Solamente se carga el cuerpo que se mueve. c) Se carga solamente el cuerpo fijo.
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5. Busca en la Biblioteca información sobre las tormentas y responde a las siguientes preguntas: a) ¿Qué son? b) ¿Qué es el rayo, el trueno y el relámpago? c) ¿Qué medidas preventivas es preciso tomar en las tormentas? 6. Se tienen 3 cuerpos A, B y C cargados. Si A atrae a B, B repele a C y C está cargado positivamente, ¿qué tipos de carga tienen A y B? 7. ¿Qué harías para saber si un péndulo electrostático está o no está cargado? II. CIRCUITOS ELÉCTRICOS Montar y representar circuitos eléctricos sencillos y aplicar las condiciones para su funcionamiento. 1. Indicar qué bombillas lucirán en cada caso:
2. Indicar en qué casos lucirá la bombilla:
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3. ¿En qué circuito se indica correctamente el sentido de la corriente eléctrica?
4. Sabiendo que las dos bombillas del circuito son iguales, indicar cuál de las siguientes afirmaciones es correcta: a) A y B lucirán con la misma intensidad. b) A brillará más que B. c) B brillará más que A. d) A no brillará. e) B no brillará. 5. En el circuito de la figura, indicar: el polo positivo y el negativo de la pila y el sentido de la corriente. Si se suprime uno de los dos cables, ¿seguirá encendida la bombilla?
6. Estudio de la conductividad de disoluciones. Realizar el montaje siguiente: a) Clasifica los líquidos siguientes en buenos y malos conductores, una vez comprobado en la práctica: – Agua destilada. – Disolución de sal en agua destilada – Agua del grifo – Alcohol – Disolución de azúcar en agua destilada. b) Describe lo que sucede en una de las disoluciones conductoras si acercamos los electrodos. c) En la disolución de sal en agua, ¿qué ocurre si vamos añadiendo más sal a la disolución?
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Utilizar correctamente los amperímetros y voltímetros y aplicar los conceptos de intensidad y voltaje en la resolución de ejercicios sencillos 1. Si una pila tiene 3V, ¿qué energía ha comunicado al circuito si ha circulado una corriente de 0,4 A en el tiempo de 5 segundos? 2. Señala las afirmaciones correctas acerca de una pila: a) Es una fuente de cargas que se gasta cuando se acaban las cargas almacenadas en ella. b) Es un dispositivo que transforma la energía química en energía eléctrica. c) Una pila solamente proporciona una diferencia de potencial si se conecta a un circuito. 3. Cuánto tiempo debe transcurrir para que circulen 3 culombios por un conductor si la intensidad de la corriente es de 2 A. 4. La siguiente tabla contiene datos de la carga que circula por la sección de un conductor en función del tiempo transcurrido. Suponiendo constante la intensidad de la corriente, completar la tabla, calcular la intensidad y representar la gráfica Q-t.
5. Para que estén bien conectados los amperímetros y los voltímetros, indicar con la letra V cuáles deben ser voltímetros y con A los amperímetros.
6. Hallar la intensidad que circulará por los amperímetros “mudos” en el circuito de la figura.
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Aplicar la ley de Ohm para el cálculo de una de las magnitudes, conocidas las otras dos 1. Por una resistencia circula una corriente eléctrica que podemos variar a voluntad. Al medir la intensidad de la corriente y el voltaje de la resistencia obtenemos unos datos que vienen dados en la siguiente tabla:
Completar los datos de la tabla y calcular el valor de la resistencia. 2. La gráfica representa los valores de la diferencia de potencial entre los extremos de una resistencia en función de la intensidad que circula por ella. Hallar la resistencia y el valor de la intensidad para una diferencia de potencial de 35 voltios.
3. El voltaje en los extremos de una resistencia es de 5 V cuando circula por la misma una intensidad de 0,2 A. Determinar el valor de la resistencia, así como el voltaje de la misma cuando la intensidad sea de 1,4 A. Realizar conexiones de resistencias y bombillas en serie y en paralelo y calcular las intensidades, aplicando el principio de conservación de la carga 1. En el circuito representado en la figura, calcular: a) La intensidad que marcará el amperímetro mudo. b) El voltaje de la pila. c) La resistencia R2.
2. ¿Qué ocurrirá si eliminamos la bombilla C en cada uno de los circuitos siguientes?:
3. Dibuja un circuito con los siguientes elementos: dos pilas conectadas en paralelo, tres bombillas iguales, una bombilla en serie y las otras dos en paralelo, un interruptor que permita o no el paso de la corriente a una de las bombillas en paralelo y un voltímetro que mida el voltaje de la primera bombilla. 4. Con tres resistencias iguales de 20 Ω, ¿qué combinaciones de resistencias se pueden obtener?
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5. Conectamos tres bombillas iguales en paralelo y el conjunto se conecta a los polos de una pila, tal y como se indica en la figura; si desconectamos una de las bombillas, indicar qué sucede con el brillo de las otras bombillas (será mayor, menor o igual que antes), así como el valor de la intensidad que marcará el amperímetro (mayor, menor o igual).
Interpretar cualitativamente las transformaciones energéticas que tienen lugar en un circuito eléctrico y realizar cálculos sencillos de energías aplicando las fórmulas de la potencia 1. Una bombilla de 40 w y 220 V se conecta a la red de 220V. Hallar: a) La intensidad que circula por la bombilla, así como su resistencia. b) La energía eléctrica “consumida” por la bombilla en un tiempo de 15 minutos. c) El gasto en pesetas si el kw/h cuesta 30cts de euro. 2. Un hornillo tiene las siguientes especificaciones: 520 W-125 V. Si se conecta a 125 V, determinar: a) La intensidad que circula por el hornillo. b) Su resistencia. c) La energía calorífica desprendida en el hornillo en 25 segundos. 3. ¿Qué ocurrirá si conectamos una bombilla de 220V-100W a una tensión de 125V?: a) brillará igual
b) brillará menos
c) se fundirá.
4. ¿Qué ocurrirá si conectamos una bombilla de 12 V a la red de 220 V?: a) brillará igual
b) brillará menos
c) se fundirá.
5. Al conectar una bombilla de 220V-60W a una tensión de 125 V, disminuirá: a) La intensidad V
F
b) La resistencia V
F
c) La potencia
F
V
6. Una estufa de 1200 W se conecta a 220 V y está funcionando 3 horas. ¿Qué cantidad de energía se ha desprendido? Expresarla en julios y en kw/h. 7. Una bombilla de ahorro de 25 W produce la misma luminosidad que una de incandescencia de 100 W. Comparar las energías transformadas en cada una de ellas al cabo de 150 horas, que es el tiempo que estarían funcionando en un mes. Si el k.o. cuesta 30cts., ¿cuánto dinero se ahorra con la bombilla de 25 W?
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8. Si el fusible que protege una instalación doméstica es de 10 A, podrá funcionar un lavavajillas de 2800 w si la red es de 220 V? 9. Un televisor de 125 W de potencia se quedó encendido por la noche un total de 9 horas. Si el Kw./h cuesta 30cts, ¿cuánto nos ha costado el descuido? Conocer y respetar las normas de seguridad en el manejo de la corriente eléctrica 1. La misión de un fusible en un aparato eléctrico es: – Mejorar la entrada de corriente eléctrica. – Controlar el voltaje suministrado al aparato. – Proteger el aparato de sobrecargas. 2. Cita 5 normas de seguridad que es preciso observar en el uso de la corriente eléctrica. 3. Por cuestión de seguridad, ¿en qué parte de una casa no se permiten fusibles de 13 A?: – En la cocina – En el baño – En el dormitorio – En el comedor. 4. Si tienes dudas acerca del valor del voltaje que vas a medir con un voltímetro que tiene varias escalas, ¿qué escala utilizarías para realizar la primera medida? ¿Por qué? 5. ¿Por qué se pueden posar los pájaros sobre cables de alta tensión sin que sufran ningún daño? 6. ¿De qué factores depende el efecto que produce que el paso de la corriente a través del cuerpo humano? 7. Explica para qué sirve cada una de las siguientes medidas preventivas: a) Los fusibles de cada aparato eléctrico o de una instalación. b) La conexión a tierra. c) El plástico que recubre a los cables eléctricos. 8. Explica por qué son peligrosas cada una de las situaciones siguientes: a) Se produce un cortocircuito en una instalación eléctrica. b) Manejar aparatos eléctricos o tocar cables estando mojados. c) Bañarse con la música en el movíl enchufado y colocado junto a la bañera.
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