LA CORRIENTE ELÉCTRICA CIRCUITOS Juan P.R.
ENGRANAJES Y PROTONES LAS TELECOMUNICACIONES
1.- LA CORRIENTE ELÉCTRICA La corriente eléctrica es el movimiento ordenado de cargas eléctricas a través de un conductor. (3) (1) (2)
(1) CARGAS ELÉCTRICAS: Estas cargas pueden ser electrones, protones o iones. Aunque dada la dificultad que conlleva arrancar protones de un átomo (las reacciones nucleares requieren muchísima energía), en realidad nunca veremos corrientes de protones. Así pues, las corrientes eléctricas estarán formadas por electrones y/o iones. (2) CONDUCTOR: el medio conductor puede estar en estado sólido, líquido o gaseoso. Dependiendo del estado en que se encuentre el conductor, la corriente estará formada por unas u otras partículas: SÓLIDO Cuando el material conductor está en estado sólido, sus átomos están tan juntos que solo permitirán el paso de los electrones. Los iones son demasiado grandes (tamaño atómico) y no encontrarán manera de pasar.
LÍQUIDO
En el caso de conductores líquidos, la corriente eléctrica está formada por un flujo de iones. Del estudio de los conductores líquidos se encarga la electroquímica.
GASESOSO
Cuando el material conductor está en estado gaseoso, sus átomos están tan dispersos que a través de ellos pueden pasar electrones e iones sin problemas.
FIG. 1
En este tema nos vamos a centrar en corrientes de electrones a través de un medio sólido.
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(3) MOVIMIENTO ORDENADO: Los electrones siempre están en movimiento, orbitan de manera incansable en torno a los núcleos atómicos, nunca guardan inmóviles una posición. En los materiales conductores los electrones se mueven libre y caóticamente entre los átomos. Este movimiento no es una corriente eléctrica. Para que podamos hablar de corrientes es necesario que haya un movimiento ordenado. MOVIMIENTO CAÓTICO No es una corriente eléctrica
MOVIMIENTO ORDENADO Es una corriente eléctrica
FIG. 2 Movimiento caótico vs. Movimiento ordenado
-
Según el tipo de movimiento ordenado que sigan los e distinguimos entre: • Corriente continua: Los electrones se mueven siempre en el mismo sentido. La cantidad de electrones que pasan por un punto de un circuito en un determinado tiempo es constante. Ej. Pilas, baterías. • Corriente alterna: Los electrones oscilan alternativamente en uno y otro sentido. La cantidad de electrones que pasan por un determinado punto en un tiempo determinado es variable. Ej. Alternadores, enchufes. La corriente continua se obtiene por transformación de la Energía Química en pilas y baterías, y se producen grandes pérdidas si se desplaza mucha distancia. Para los casos en que se quiera utilizar la Energía Eléctrica en un punto muy distante del punto donde se obtiene, se utiliza la corriente alterna, que se obtiene a partir de la Energía Mecánica en los alternadores (se verá más adelante) y con la cual se minimizan las pérdidas en el transporte.
2.- LOS CIRCUITOS ELÉCTRICOS Un circuito eléctrico es el conjunto de dispositivos unidos entre sí, a través de un conductor, que constituye el camino por el cual circula la corriente eléctrica.
En todo circuito eléctrico hay, como mínimo, una serie de dispositivos, denominados Imprescindibles: •
Generador: Suministra energía eléctrica a las cargas para que recorran el circuito.
•
Receptor: Transforman la Energía Eléctrica en otra forma de energía útil (luz, calor, movimiento, sonido...)
•
Conductor: Permite el paso de las cargas de un componente a otro del circuito.
Además de estos componentes básicos, en los circuitos suelen aparecer también: elementos de control (interruptores, conmutadores, etc.), elementos de conexión (enchufes, pinzas…), elementos de seguridad (fusibles…), etc.
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3.- MAGNITUDES ELÉCTRICAS 3.1 Carga eléctrica: La carga eléctrica de un conductor se debe al desequilibrio existente entre el nº de electrones y de + + protones de sus átomos (más e que p , carga negativa, menos e que p , carga positiva). La carga mínima existente es la carga de un electrón. Como en un conductor hay trillones de átomos, cuando adquiere carga eléctrica por la perdida o adquisición de electrones de sus átomos, consigue una carga de muchos trillones de electrones. Para poder trabajar con cantidades más manejables, se define: 18
1 Culombio = 1 C = 6,25 · 10 e -
1 e = 1,6 · 10
-19
-
C
3.2 Intensidad de corriente eléctrica: Es la cantidad de carga eléctrica que pasa por la sección del conductor por unidad de tiempo: Unidad: Amperios (A) t = tiempo
I=
Q t
Q = carga eléctrica
3.3 Diferencia de potencial (Voltaje o Tensión): La diferencia de potencial entre dos puntos es la energía necesaria para transportar una unidad de carga de uno al otro. Si entre dos puntos del circuito no existe una diferencia de potencial, no se establecerá una corriente entre ellos. Se mide en Voltios (V).
A
1C
B
VAB = energía necesaria para mover 1 Culombio desde A hasta B
A
q = 7C
B
EAB = energía necesaria para mover una carga desde A hasta B EAB = q VAB = 7C VAB
El generador de un circuito es el encargado de suministrar a este la energía necesaria para que funcione, como entre sus bornes existe una diferencia de potencial, se establece una corriente de cargas eléctricas que va de uno al otro. Ej: si una pila es de 9 V, esto indica que cada unidad de carga dispone de esta energía para recorrer el circuito.
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3.4 Resistencia eléctrica: Es la dificultad que ofrece un material al paso de la corriente eléctrica. Se mide en Ohmios (Ω). La resistencia de un conductor depende de su longitud (L), de su sección (S), y del material con que esté fabricado (ρ).
L S
R=ρ⋅
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La resistividad de un material (ρ) puede medirse en Ω m ó en Ω mm /m
Todos los materiales presentan una cierta resistencia, pero los conductores tienen una R muy pequeña y los aislantes muy grande.
3.5 La ley de Ohm: Relaciona las tres magnitudes: I, V y R:
I=
V R
4.- LOS CIRCUITOS ELÉCTRICOS Como ya se vio en 1º de ESO, podemos distinguir diferentes tipos de circuitos eléctricos según la colocación de los elementos que los forman. De esta manera se distingue entre:
4.1 Circuitos en serie: Están formados por 2 ó más operadores conectados seguidos, es decir, en el mismo cable conductor. La corriente tendrá que pasar por todos los operadores que estén conectados si quiere circular de un extremo a otro del circuito, de forma que si alguno falla, no habrá corriente en el circuito. V = d.d.p. que suministra la pila al circuito “Energía” que tiene cada carga para recorrer el circuito
I
V
V1 = caída de potencial que se produce en R1
R3
R1
R2 I2
I1
“Energía” que cada carga debe gastar para atravesar R1
V2 = caída de potencial en R2
I3
V3 = caída de potencial en R3 I = intensidad de corriente que circula por el circuito Cantidad de cargas que salen de la pila por segundo
I1 = intensidad de corriente que pasa por R1 FIG. 3 Circuito en Serie
Cargas que atraviesan R1 cada segundo
I2 = intensidad de corriente por R2
I3 = intensidad de corriente por R3
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CARACTERÍSTICAS 1)
Pasa la misma intensidad de corriente por todos los puntos del circuito. La corriente solo tiene un camino por el que ir.
OJO: En un circuito, todas las cargas que salen de la pila vuelven a ella,
I = I1 = I2 = I3 2)
ninguna se pierde en el camino
La suma de las caídas de potencial en cada resistencia es igual a la diferencia de potencial que da la pila.
V = V1 + V2 + V3
3)
OJO: La “Energía” que la pila da a cada carga, la gasta en recorrer el circuito, de tal manera, que al volver a la pila, no le queda “Energía”
En determinadas ocasiones será útil sustituir nuestro circuito por uno equivalente más sencillo.
Veq = V Ieq = I Req = R1 + R2 + R3
Dos circuitos son EQUIVALENTES, cuando, pese a tener una configuración diferente, presentan las mismas magnitudes eléctricas.
4.2 Circuitos en paralelo: Los operadores están conectados en distintos cables, de forma que la corriente tiene varios caminos alternativos para ir de un extremo a otro del circuito. La corriente que sale de la pila se dividirá en varias corrientes que se irán por las diferentes ramas del circuito, de manera que: V
R1
R2 R3
I
I1 I2
I3
V
I
R1
I1
R2
I2
R3 I3
FIG. 4 Circuito en Paralelo
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CARACTERÍSTICAS 1)
La intensidad de corriente que sale de la pila, es igual a la suma de las corrientes que se van por cada una de las “ramas” del circuito.
I = I1 + I2 + I3 2)
La caída de potencial en cada rama es la misma, las cargas gastarán la misma “energía”, vayan por el camino que vayan.
V = V1 = V2 = V3 3)
En determinadas ocasiones será útil sustituir nuestro circuito por uno equivalente más sencillo.
Veq = V Ieq = I
4.3 Circuitos mixtos: Son circuitos que presentan las características tanto de un circuito mixto como de uno en paralelo: V
V
I
R2
R1
I
R2
R1
I1 I1
I2 R3
I3
I
R3
I3
FIG. 5 Circuitos Mixtos
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5.- ENERGÍA ELÉCTRICA: LA LEY DE JOULE.
MAGNITUD: JULIO (J)
El generador de un circuito es el elemento encargado de suministrar la energía necesaria para el funcionamiento del mismo y sin la cual no habría corriente eléctrica. Los receptores consumen esta energía eléctrica y la transforman en otro tipo de energía (movimiento, luz, calor, sonido…). Pero no toda la energía eléctrica suministrada se transforma en energía útil en los receptores, parte se disipa en forma de calor. Esto se debe a la resistencia que oponen tanto los conductores como los receptores y otros componentes eléctricos.
ENERGÍA ELÉCTRICA SUMINISTRADA POR EL GENERADOR
ENERGÍA ELÉCTRICA SUMINISTRADA POR EL GENERADOR
Esuministrada
Esuministrada DISIPACIÓN CALORÍFICA EN LOS CONDUCTORES Y RECEPTORES
ENERGÍA TRANSFORMADA EN LOS RECEPTORES
ENERGÍA TRANSFORMADA EN LOS RECEPTORES
Eútil
Edisipada
Eútil
CASO IDEAL Eficiencia = 100%
CASO REAL Eficiencia < 100%
Esuministrada = Eútil
Esuministrada = Eútil + Edisipada
FIG. 6 Conservación de la energía en un circuito
PRINCIPIO DE CONSERVACIÓN DE LA ENERGÍA: La energía suministrada por el generador es igual a la suma de la energía transformada en cada receptor más la energía disipada caloríficamente
Esuministrada = Eútil + Edisipada
EFICIENCIA: cociente entre la energía útil obtenida y la energía suministrada, expresada en %
EFICIENCIA =
EÚTIL ESUMINISTRADA
100
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Como ya vimos en apartados anteriores, la diferencia de potencial entre dos puntos es la energía necesaria para que la unidad de carga (1 Culombio) vaya de uno al otro. Si en un receptor eléctrico se produce una caída de potencial V, esto nos indica que 1 Culombio necesitará esa energía para atravesarlo. Si en lugar de la unidad de carga tenemos una carga q, entonces la energía necesaria para que lo atraviese será: V= caída de potencial en el receptor E = V·q
donde q = la carga que lo atraviesa
Ahora bien, teniendo en cuenta la definición de la intensidad de corriente eléctrica que atraviesa un conductor, o en este caso un receptor: q = la carga que lo atraviesa I = q/t
donde t = tiempo que tarda la carga en atravesar el receptor
Si combinamos ambas expresiones:
ENERGÍA CONSUMIDA EN UN RECEPTOR ELÉCTRICO
I = q/t è q = I t è E = V·q =V·(I·t) è
OJO: parte de la energía se transforma en energía útil y parte se disipa en forma de calor
Si el receptor es una Resistencia, toda la energía que le suministremos se disipará en forma de calor. Teniendo en cuenta la ley de Ohm y la definición de la Intensidad de corriente: E = V·q
V = I·R I = q/t
aplicando la ley de ohm q = I·t
por la definición de intensidad
ENERGÍA DISIPADA EN UNA RESISTENCIA
E = V·q = (I·R)·q = (I·R) ·(I·t)
LEY DE JOULE: la energía eléctrica disipada mediante calor en una resistencia es directamente proporcional al cuadrado de la intensidad que la recorre, al valor de la resistencia, y al tiempo de paso de la corriente.
obs: Muchos dispositivos basan su funcionamiento en el efecto Joule, como los calentadores de agua, las teteras eléctricas o las tostadoras, pero no siempre es así, el efecto Joule en los conductores (cables) y en los dispositivos que no buscan desprender calor supone una gran pérdida de eficiencia energética.
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5.- POTENCIA ELÉCTRICA.
MAGNITUD: JULIO (J) / SEGUNDO = WATIO (W)
La potencia es la energía transformada o utilizada por unidad de tiempo, es una magnitud que mide la rapidez con la que se consume o transforma la energía.
P=
E t
Hemos visto que la energía consumida en un receptor es: E = V·q =V·I·t Si ahora la dividimos por el tiempo que tarda en consumir esa energía, obtenemos la potencia:
POTENCIA ELÉCTRICA CONSUMIDA EN UN RECEPTOR
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Y en el caso particular de una resistencia, hemos visto que: E = I ·R·t
POTENCIA ELÉCTRICA DISIPADA EN UNA RESISTENCIA
Estas dos expresiones nos puede ayudar a entender por qué cuando hay que transportar electricidad grandes distancias se utilizan líneas de alta tensión. Si observamos la primera expresión veremos que el factor que más hace aumentar las pérdidas energéticas por efecto Joule es la Intensidad (que está al cuadrado). Por tanto la mejor manera de disminuir las pérdidas es disminuyendo la intensidad de corriente. Pero si queremos mantener la potencia eléctrica de la red, la segunda expresión nos demuestra que para poder bajar la intensidad (I) hay que subir la tensión (V)
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