3ES O
PROPUESTA DIDÁCTICA TECNOLOGÍA Y DIGITALIZACIÓN
M. Blázquez, J. Santos, R. Arroyo, M. S. Rodríguez, C. Esteban, I. Hoyos
ANDALUCÍA
ÍNDICE
4 PRESENTACIÓN
LAS CLAVES DEL PROYECTO
MATERIAL PARA EL ALUMNADO
MATERIAL PARA EL PROFESORADO
PROYECTO DIGITAL
UNIDADES
1. TECNOLOGÍA SOSTENIBLE
2. IMPRESIÓN 3D
3. MATERIALES TÉCNICOS. PLÁSTICOS Y MATERIALES DE CONSTRUCCIÓN
4. SISTEMAS MECÁNICOS
5. ELECTRICIDAD Y ELECTRÓNICA
6. CONTROL Y ROBÓTICA
7. SOFTWARE: SISTEMAS OPERATIVOS Y SEGURIDAD INFORMÁTICA
8. OFIMÁTICA AVANZADA
9. COMUNICACIONES Y USO SEGURO DE INTERNET
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65
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Electricidad y electrónica 5
Situación de aprendizaje
Motivación
APERTURA DE LA UNIDAD
Activación
Exploración
Estructuración
DESARROLLO DE LA UNIDAD
En esta situación de aprendizaje profundizaremos en la incidencia y consecuencias de la contaminación acústica. La construcción de un dispositivo que detecte el nivel de ruido en una habitación será el punto de partida para analizar su incidencia en el centro, ubicando los espacios y momentos del día más afectados. Para ello, dividiremos el centro en sectores, dependiendo de la tipología y la edificación, y mediremos los decibelios de las distintas estancias: taller de tecnología, pabellón de educación física, en clase trabajando de forma individual, en el patio durante el recreo, en las zonas comunes en la entrada y en la salida del centro, etc. A partir de estos datos, podemos extraer conclusiones e indicar propuestas para reducir la contaminación acústica encontrada, no solo dirigidas a la convivencia en el centro, sino también a nuestros hábitos de vida en general.
Aunque lo ideal sería trabajar con Arduino, la resolución del problema se puede llevar a cabo a través de varios soportes; por ejemplo, utilizando la placa micro:bit, o añadiendo un micrófono de aula a modo de sensor de sonido, abordando el desafío con la plataforma Scratch.
Utilizando Arduino y otros sensores, también podemos medir diferentes variables del entorno y crear sistemas con los que controlar y reducir el gasto energético:
• Control de luminosidad ambiental
• Control del nivel de contaminación con sensor de CO2
Aplicación
SECCIONES ESPECIALES
Conclusión
CIERRE DE LA UNIDAD
Evaluación MATERIAL DEL PROFESORADO
• Control de la temperatura ambiente
La reflexión sobre cómo la tecnología puede ayudar a mejorar nuestra calidad de vida es una oportunidad para centrar la atención en las competencias y en los saberes asociados a la solución creativa y sostenible de problemas tecnológicos. Esta conexión permitirá interrelacionar los elementos del currículo con actividades, tareas competenciales y con la construcción de un medidor de ruido ambiental.
Podemos relacionar la situación de aprendizaje con los objetivos de desarrollo sostenible 7, energía asequible y no contaminante, y 11, ciudades y comunidades sostenibles, ya que a través de las actividades, consejos y estrategias que se proponen en la secuencia didáctica de la unidad se contribuye a garantizar y reducir el impacto de la contaminación acústica en el centro y en nuestras actividades diarias.
En cada apartado, la sección «En situación», presenta un texto breve y motivador que permite al alumnado conectar directamente el contenido del apartado con el contexto inicial y el producto final propuesto, facilitando el seguimiento del hilo conductor de la situación de aprendizaje.
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99 98 Electricidad y electrónica ¿Conoces término «contaminación acústica»? Se refiereciones, de cualquier origen, que provocan molestias incluso muchas veces el ruido de una obra cercana, de un gran atasco Los institutos no son ajenos a este problema y, en muchas ocasiones, se juntan muchas personas hablando alto y moviendo todas las clases través de los pasillos. plazo. En general, la contaminación acústica provoca la pérdida de concentración, episodios de aturdimiento y, en casos muy extremos, una reducción importante de la capacidad auditiva. ¿Cómo podríamos controlar el nivel de ruido que generamos?5 Situación de aprendizaje día día en cualquier instituto puede ser bastante ruidoso. algo para que el sonido de clase sea agradable, sin que se convierta en ruido perjudicial contaminante? día se pueden evitar? Tú qué ¿piensas¿ simbología en paralelo Para lograrlo, sigue esta ruta: Estudia la contaminación un dispositivo electrónico que ¡ACTÚA! La relación entre música la del siglo incluye desde su Las primeras referencias históricas la electricidad están estática con cómo conseguirla frotando fragmentos de ámbar.
Componentes eléctricos y simbología
SUGERENCIAS METODOLÓGICAS
La mayoría de los componentes presentes en esta unidad se pueden encontrar fácilmente en los hogares y en el taller de tecnología. Una buena solución didáctica sería revisar los contenidos que aparecen en las tablas, mostrando a su vez los materiales físicos, como enchufes, interruptores, conmutadores, pulsadores o las lámparas. De esa forma, el alumnado podrá fijarse en las dimensiones de cada uno de los objetos y entender sus accionamientos a partir de sus partes móviles.
SOLUCIONES
1 GCRD. El alumnado puede buscar la información en internet, por ejemplo, en Wikipedia, que dispone de la página https://es.wikipedia.org/wiki/Pila_el%C3%A9ctrica con un link posterior a https://es.wikipedia.org/wiki/Anexo:Tipos_de_pila, en la que podrán observar, primero de forma gráfica y, en la segunda página, mediante una tabla de características técnicas, todos los tipos de pilas disponibles.
La enorme variedad de baterías disponibles en el mercado nos lleva a sugerir que esta actividad se lleve a cabo en parejas.
2 Las baterías y pilas tienen en su interior sustancias químicas que, en caso de diluirse en agua, pueden pasar al medioambiente como agentes altamente contaminantes, razón por la cual han de ser tratadas para su recuperación o destrucción.
El Ayuntamiento pone a disposición de la ciudadanía contenedores específicos, colocados en distintos sitios de la vía pública o en los puntos limpios, para depositar materiales de desecho.
3 En este circuito aparecen una pila, un fusible, un conmutador, un timbre, una lámpara y un motor.
a) Si el conmutador se encuentra en la posición de la imagen, funcionará el motor. Si cambia de posición, funcionarán el timbre y la lámpara en paralelo.
b) Cuando se haya roto el filamento del fusible, porque se haya superado la corriente que puede soportar. Así, se protegerá el resto de los componentes.
4 Normalmente, en la entrada de la vivienda hay un panel de mandos con los elementos de protección.
5 Un PIA es un interruptor que puede accionarse manualmente y que desconecta un circuito cuando el consumo de potencia en los aparatos de dicho circuito excede de un valor dado. Por otra parte, un interruptor diferencial detecta cuándo existe una derivación, es decir, un cortocircuito a tierra. Esta es la principal medida de protección para evitar electrocuciones, por ejemplo, al tocar un cable o cuando un electrodoméstico está defectuoso y tiene alguna parte eléctrica en contacto con la carcasa.
6 Los circuitos electrónicos funcionan con corriente continua. Los enchufes de nuestros hogares disponen solo de corriente alterna. Para poder conectar los circuitos electrónicos a la red eléctrica, necesitamos una fuente de alimentación. Si la fuente de alimentación no está integrada en el dispositivo electrónico, tendremos que utilizar una externa, es decir, un transformador.
Las corrientes eléctricas
SOLUCIONES
7 El espejo. Al realizar la lista, el alumnado podrá comprobar que todos los aparatos que funcionan con corriente alterna se enchufan a la red (nevera, impresora, equipo de sonido, etcétera), mientras que aquellos que funcionan con corriente continua disponen internamente de baterías (ordenador portátil, smartphone, linterna...).
8 Veo, pienso, me pregunto. La corriente alterna es el tipo de corriente de alimentación más utilizada por su sencillez y facilidad en la generación, y por la posibilidad de ser distribuida mediante infraestructuras de bajo coste y con pérdidas de transporte mínimas.
9 Antes pensaba, ahora pienso. La corriente continua, o directa, es aquella que circula entre dos puntos sin cambiar de sentido en el tiempo. La corriente alterna es la que circula entre dos puntos y cambia de sentido y de valor a lo largo del tiempo.
En la definición de corriente alterna habría que añadir, además, que es un tipo de onda que carece de valor medio, pero este concepto no ha sido todavía estudiado por el alumnado y su asimilación puede resultar compleja.
2
1.2 Elementos de mando y control Permiten conectar desconectar el circuito alguna de sus partes. 1.3 Componentes de protección de circuitos Están pensados para proteger el circuito en caso de sobrecarga personas en caso de contacto eléctrico. 1 Componentes eléctricos y simbologíagas eléctricas. Está formado por los siguientes componentes: fuente protección, receptores de energía conductores. 1.1 Generadores de energía Para dotar de energía los circuitos de corriente continua, se utilizan Disponen de dos terminales llamados cátodo (polo positivo) ánodomicas en su interior. Si los compuestos químicos dejan de reaccionar, voltaje varía en forma de onda. En las centrales eléctricas se generatribuye mediante líneas de transporte hasta los enchufes de hogares grupo electrógeno. Este es una especie de miniempleando combustible fósil, normalmente diésel o gasoil. GCRD Haz una lista de las diferentes pilas que puedes encontrar en un supermercado. Anota sus modelos haz una pequeña ficha de cada dimensiones, voltaje compuestos químicos que Seguro que has oído que las pilas usadas no se tiran la basura porque hay lugares específicos para deshacerse de ellas. ¿Cuáles son estos sitios?sechos domésticos habituales? ¿Ocurre lo mismo móviles? Convierte energía eléctrica de corriente alterna en corriente continua son muy habituales en el interior de ordenadores aparatos eléctricos. Batería Corriente continua como generador eléctrico. Acceso a la energía en viviendaseje. Corriente alterna G Generadores Interruptor Abre cierra el paso de la corriente hasta que se actúa Pulsador Dispone de un muelle que devuelve al mecanismo su posición de reposo. Al accionarlo abrimos (o cerramos) el paso de la corriente al soltarlo se vuelve a cerrar (o abrir) paso de electricidad. Conmutador Dirige el paso de corriente por distintos circuitos. El posiciones. Interruptor automático Dispositivo que abre circuito de forma automática en caso de que reemplazarlo como los fusibles. Interruptor diferencial Corta el paso de corriente eléctrica si se produce una derivación por contacto con un 5 simbología 1.4 Receptores de energía efecto que deseamos. Los ejemplos más comunes son: 1.5 Conductores Son elementos de metal, normalmente cobre aluminio, que transun material plástico que actúa como aislante para evitar accidentes emite luz cuando es excitado por una descarga eléctrica. Calor Que emplea medios térmicos como una resistencia emisora de calor, para calentar el agua en el depósito. Sonido Timbre, que empleando medios electromagnéticos, provoca la rápida oscilación de una pieza metálica que golpea sobre otra pieza metálica. Motor, que utiliza la electricidad el magnetismo para mover una pieza interior llamada rotor que se encuentra M El espejo Busca en casa difecon corriente alterna y otros que Veo, pienso, me pregunto... Investiga qué tipo de corrientecuentra razones de por qué es así..Identifica qué componentes se han incluido en el responde las siguientes preguntas: –a) Si el componente A encuentra en la posición de la figura, ¿qué dispositivo estará funcionando? ¿Y si cambia de posición? ¿Dónde se encuentran los elementos de protecInvestiga cuál es la diferencia entre un interruptor automático (PIA) y un interruptor diferensirve cada uno de ellos dónde se instalan. las tomas de corriente que tenemos en las vialimentación o un cargador para el teléfono móvil el ordenador portátil? Las corrientes eléctricas 2 es un fenómeno físico que se debe al paso de eléctricas, cuya unidad de medida es el culombio (C), que atraviesancional se mide en segundos (s). Por tanto, la corriente eléctrica se renombrado esta unidad en honor al físico francés André-Marie Amamperio (A). Ampère realizó numerosos descubrimientos sobre elecde corriente que dio lugar al amperímetro, con el que actualmente exista entre ellos una diferencia de energía, llamada potencial eléctri-trica o voltaje su unidad de medida es el voltio (V), es la diferencia un culombio de uno a otro, se consume un julio de energía. Para entender mejor el concepto de diferencia de potencial, piensa eléctrica, la cantidad de energía que tiene en el punto de partida es 2.1 Corriente continua y corriente alterna Existen dos tipos de corriente eléctrica: la corriente continua o corriente directa (DC) la corriente alterna (AC) oscilante: cambiar su sentido lo largo del tiempo. La corriente alterna es la que circula en un circuito impulsada durante la mitad del tiempo en un sentido durante la otra mitad en el sentido contrario.de ellas. Magnitudes fundamentales Magnitud Unidad ––En situación Un sonido es una medio, el aire, el agua, etc. Por define el tono del sonido; su volumen quedará determinado por su amplitud. grave (baja frecuencia) A mayor amplitud, mayor volumen Componentes eléctricos 1 1.4 Receptores de energía Transforman la electricidad en otras formas de energía logran el efecto que deseamos. Los ejemplos más comunes son: 1.5 Conductores Son elementos de metal, normalmente cobre aluminio, que transun material plástico que actúa como aislante para evitar accidentes y Lámpara, que puede ser halógena, de bajo consumo, fluorescente o incandescente, aunque estas Calor Que emplea medios térmicos como una resistencia emisora de calor, para calentar el agua en el depósito. Sonido Timbre, que empleando medios electromagnéticos, provoca la rápida oscilación de una pieza metálica que golpea sobre otra pieza metálica. Movimiento Motor, que utiliza la electricidad el magnetismo para mover una pieza interior llamada rotor que se encuentra influida por campos electromagnéticos. M El espejo Busca en casa diferentes dispositivos que funcionen con corriente alterna otros que Haz una tabla en tu cuaderno de Veo, pienso, me pregunto... eléctrica es la más utilizada encuentra razones de por qué es así..Describe las diferencias entre alterna. Identifica qué componentes se han incluido en el responde a las siguientes preguntas: –de la figura, ¿qué dispositivo estará funcionanb) ¿Cuándo no funcionará ningún dispositivo? 4 ¿Dónde se encuentran los elementos de protecInvestiga cuál es la diferencia entre un inte-cial. Explica, con tus propias palabras, para qué las tomas de corriente que tenemos en las vialimentación un cargador para el teléfono móvil Las corrientes eléctricas 2 La corriente eléctrica es un fenómeno físico que se debe al paso de Si observas la definición, la corriente eléctrica es la cantidad de cargas un conductor en un tiempo determinado, que en el sistema internacional se mide en segundos (s). Por tanto, la corriente eléctrica se debería medir en culombios por segundo (C/s). No obstante, se ha renombrado esta unidad en honor al físico francés André-Marie Amamperio (A). Ampère realizó numerosos descubrimientos sobre elecde corriente que dio lugar amperímetro, con el que actualmente Para que circule corriente eléctrica entre dos puntos, es necesario que exista entre ellos una diferencia de energía, llamada potencial eléctrico. Esta diferencia de potencial se conoce también como tensión eléctrica voltaje y su unidad de medida es el voltio (V), es la diferencia un culombio de uno otro, se consume un julio de energía. que para que una carga transporte desde un punto a otro energía mayor que la que tendrá en el punto de llegada. 2.1 Corriente continua corriente alterna Existen dos tipos de corriente eléctrica: la corriente continua codirecta es la que circula en un circuito sin cambiar su sentido a lo largo del tiempo.rante la mitad del tiempo en un sentido y durante la otra mitad envadas. La corriente eléctrica es una Magnitudes kilogramo Tiempo segundo luminosa ––En situación Un sonido es una medio, el aire, el agua, etc. Por como una onda. La frecuencialumen quedará determinado por grave (baja frecuencia) A mayor amplitud, mayor volumen
La ley de Ohm
SOLUCIONES
10 a) El cable de cobre tiene una resistividad de 1,68 · 10–8 Ω · m. Considerando 400 metros de longitud y una sección de 1,5 cm2, es decir, 1,5 · 10–4 m2, al aplicar la fórmula se obtiene:
R = 1,68 · 10–8 Ω · m · 400 m 1,5 · 10–4 m2 = 1,68 · 400 · 10–4 1,5 Ω · m · m m2 = 0,0448 Ω
b) Repitiendo los cálculos para una resistividad de 2,6 · 10–8 Ω · m, el valor aumenta a 0,07 Ω
11 El cable constará de dos conductores, por lo que la distancia habrá de ser el doble; es decir, 40 metros. A partir del dato de la resistividad del cobre de 1,68 · 10–8 Ω · m, y considerando el valor límite de resistencia final, empleando la fórmula se despejará la sección:
A = 1,68 · 10–8 Ω · m · 40 m 0,001 Ω = 1,68 · 10–8 Ω · m · 40000 m Ω = 672 · 10–6 m2 = 6,72 cm2
12 Las soluciones a los supuestos son las siguientes:
a) La resistencia aumentará si la resistividad del material nuevo es mayor.
b) La resistencia será la mitad.
c) La resistencia será tres veces mayor.
13 La tabla quedará como se indica a continuación. La conductancia se mide en siemens (símbolo: S), se representa con el símbolo G y es inversa a la resistencia: G = 1 R
14 El conductor tiene una resistencia de
Por lo tanto, si sumáramos el valor del resistor de 2,5 Ω al valor de la resistencia del conductor de 0,83 Ω, tendríamos una resistencia en el circuito de 3,33 Ω
Aplicando la ley de Ohm se obtendría una corriente de I = 5 V 3,33 Ω = 1,5 A
15 a) El más largo. En la fórmula de la resistividad, ese dato se sitúa en el numerador. Por lo tanto, la resistividad será mayor cuanto más largo sea el conductor.
b) El de menor diámetro. En la fórmula de la resistividad, ese dato se sitúa en el denominador. Por lo tanto, la resistividad será mayor cuanto menor diámetro tenga el conductor.
3
Material Resistividad Conductividad Plata 1,59 · 10–8 6,29 · 107 Cobre 1,68 · 10–8 5,95 · 107 Oro 2,35 · 10–8 4,26 · 107 Aluminio 2,60 · 10–8 3,85 · 107 Wolframio 5,65 · 10–8 1,77 · 107 Níquel 6,40 · 10–8 1,56 · 107 Hierro 9,71 · 10–8 1,03 · 107 Platino 10,6 · 10–8 0,943 · 107 Estaño 11,5 · 10–8 0,87 · 107 Plomo 22 · 10–8 0,455 · 107 Acero 72 · 10–8 0,139 · 107
= 5 · 10–8 Ω · m · m 100 m 6 · 10–6 m = 0,83 Ω
R
por medio de experimentos en su laboratorio la relación existente en-rriente, voltaje resistencia. La ley de Ohm enuncia que la intensidad de corriente eléctrica que inversamente proporcional la resistencia del circuito. Su expresióntaje o tensión medido en voltios (V), es la resistencia medida enriales que puede definirse como la oposición que presentan al paso Ohm, se representa con la letra griega omega, Ω características físicas y del material del que está fabricado. Elciente de resistividad, característico de cada material, expresa la resistencia que presenta un conductor de ese material con una longitud sección dadas. De esta forma, es posible calcular la resistencia que ρ ρ es el coeficiente de resistividad (expresado en longitud del conductor (expresada en m) y es el área sección del para diferentes materiales puedes encontrarlo en la siguiente tabla: 3 La ley de Ohmmateriales semiconductores, en rojo, gráficamente en forma de triángulo. Como puedes ver, aíslas una de las magnitudes, la posición de las otras dos indica la operación matemática que se debe aplicar. anayaeducacion.es dispones de un simulador de la ley de Ohm.bitualmen que permite interpretar su significado de forma longitud y mm cuadrado de sección (sección más habitual que m Unidades m de longitud se fabrica con una sección de 1,5 ¿Cuál sería lacia del conductor si fuera de aluminio? que se va instalar en un montaje eléctrico que donde el receptor se encuentra a la distancia de 20 metros de la fuente de alimentación, si se quiea 0,001 Ωsistencia de un conductor en cada uno de los simaterial. Como magnitud inversa de la resistividad se emplea la conductividad. Por tanto, partiendo de laductividad de los valores de la tabla de la páginadad que circula a través del conductor si el re-taran mediante un cable de wolframio de resistividad longitud total de 100 metrosb) ¿El de mayor el de menor diámetro? –Ejemplos resuelto Tenemos un circuito alimentado con una batería de 12 ysidad que circula por él? Por tanto, 12 Ω A 2 Calcula la resistencia que presenta un conductor de cobre de 10 km de longitud mm de sección. La resistividad del co1,68 10 10pondientes conversiones de unidades: ρ = 1,68 10 5 10 = 33,6 Material Notación científica Cifras comparables 1,59 0,0000000159 Níquel Hierro 9,71 10 0,0000000971 Resistividad 22 °C Ω m) Material Notación científica Cifras comparables Vidrio 10 10 000 000 000 Resistividad 22 °C Ω m)
La resistencia eléctrica
SOLUCIONES
16 Los valores de resistencia son:
Franja 1 Franja 2 Franja 3 Franja 4 Valor
Marrón Verde Naranja Plata 15 kΩ ± 10 %
Rojo Rojo Marrón Oro 220 Ω ± 5 %
Verde Azul Negro Oro 56 Ω ± 5 %
Amarillo Violeta Verde Oro 4,7 MΩ ± 5 %
17 Los valores incluidos tendrán los siguientes colores:
47 kΩ ± 10 % → Amarillo - Violeta - Naranja - Plata
33 Ω ± 5 % → Naranja - Naranja - Negro - Oro
2200 Ω ± 10 % → Rojo - Rojo - Rojo - Plata
6,8 MΩ ± 5 % → Azul - Gris - Verde - Oro
390 kΩ ± 10 % → Naranja - Blanco - Amarillo - Plata
0,1 MΩ ± 5 % → Marrón - Negro - Amarillo - Oro
18 La codificación de cinco bandas se utiliza para los resistores de precisión (aquellos con tolerancia inferior a ± 5 %). Así, el valor de la resistencia tiene tres dígitos, el cuarto es la banda multiplicadora, y el quinto, la tolerancia.
En la codificación a seis bandas, la sexta banda indica el coeficiente de la temperatura; es decir, cuánto cambia el valor de la resistencia en base a la temperatura.
Circuito en serie y en paralelo
SOLUCIONES
19 En este circuito se pide al alumnado que dibuje un esquema eléctrico similar al que aparece en la sección lateral del libro, con los componentes propuestos en el enunciado:
20 El esquema del circuito sería:
4
1,5 V 1,5 V 1,5 V 1,5 V + –1 X 1 X 1 X + – + – + –
1,5 V 1,5 V 1,5 V 1,5 V + –1 X 1,2 X 1,5 X + – + – + –Y la solución al problema propuesto es: V = 1,5 V · 4 = 6 V R = R1 + R2 + R3 = 1 + 1,2 + 1,5 = 3,7 Ω I = 6 V 3,7 Ω = 1,621 A VR1 = 1,621 A · 1 Ω = 1,621 V VR2 = 1,621 A · 1,2 Ω = 1,945 V VR3 = 1,621 A · 1,5 Ω = 2,432 V son componentes empleados en circuitos eléctricosvés de las ramas de un circuito dado. En algunos casos, estos componentes se emplean para generar calor debido a la circulación de corriente, es lo que se conoce como efecto Joule, se aprovecha en calefactores planchas. muy reducido. Se trata de pequeños cilindros, hechos con película de una capa protectora de cerámica con una capacidad de disipación de calor no superior a vatio. Sobre el recubrimiento se graban unas bandas de color que indican el valor de la resistencia de ese resistor. 4.1 El código de colores Para conocer el valor de un resistor, debes fijarte en los colores de próximas entre sí y una cuarta más alejada inexistente. Debes coLa resistencia eléctrica 4yéndolas de izquierda derecha: 2. banda: corresponden a las dos cifras que determinan el valor banda multiplicador: determina la potencia de 10 por que se multiplicará el valor obtenido de las primeras bandas. Su valor estará comprendido entre –2 y 6, o lo que es lo mismo, 0,01 y 1 000 000. banda: corresponde a la tolerancia. Indica el porcentaje de variareal. Nos permite calcular sus valores máximo y mínimo. Así, en el ejemplo que acompaña a la figura, podremos decir que el las resistencias variables, que permihay componentes cuya resistencia varía en función de otras magnitudes emplean como sensores que activan Termistor, resistencia que varía LDR, resistencia que varía con la luz Resistencia variable tolerancia del 10 %.tor estará comprendido entre el valor nominal más la toleranR 3 300 Ω ± 10 %. El valor máximo puede ser calculado añadiendo un 10 % al R = 3 300 + 10 % 3 300 Ω 3 300 Ω 330 Ω 3 630 Ω El mínimo, restando al valor nominal un 10 % del mismo, de R 3 300 Ω 10 % 3 300 Ω = 3 300 Ω − 330 = 2 970 Ω El valor real del resistor estará comprendido entre 2 970 ¿Cuál es el código de colores de un resistor de 3,3 Ω y toleSolución: Para calcularlo a partir del valor del resistor, es conveniente correspondiente del código de colores directamente de la tauna potencia de 10 lo conseguirás fácilmente. 3,3 k Una vez has expresado el valor de esta forma, solo tienes que 3.ª banda 2, por ser 10 elevado a 2 ROJO 4.ª banda 5 % DORADO 16 Calcula el valor nominal y la tolerancia de los re- 17 Indica los colores de las franjas de los siguientes ± 10 %; 33 ± 5 %; 2 200 ± 10 %; 6,8 ± 5 %; 390 10 %; 0,1 bandas de colores para indicar sus valores. Buscadas adicionales averigua qué ventajas aportan 108 109 un receptor, un elemento de control los conductores, como el de la Es el típico circuito que es posible montar en el taller con una pila de clips y chinchetas. En función de cómo estén unidos los elementos de un circuito, estos 5.1 Asociación de elementos en serie es el que solo ofrece un camino para el paso de la corriente. Los elementos se encuentran conectados uno continuaSe puede conectar en serie cualquier tipo de componente de un circui-tén en serie, deberán dejar un único camino para el paso de la corriente. En la imagen izquierda se puede comprobar que hay tres baterías en Cada una de las lámparas tiene una resistencia que se puede medir. La todas las resistencias del circuito, en este caso la resistencia de cada lámpara. en cuenta la polaridad. Si se une el polo positivo de una batería con eldo se conecten dos polos de la misma polaridad provocarán que losres en serie con los polos opuestos unidos permite obtener, por tanto, 5 Circuitos en serie y en paralelo Magnitud Explicación Fórmula voltaje proporcionado por serie. A continuación del polo positivo de la primera pila, llevará Después del interruptor, tendrá tres resistores de último resistor se debe conectar al polo negativo de la última pila. –V R –V V ––Calcula la intensidad que recorre cada el voltaje Solución: Calculada la resistencia total y el voltaje de la pila, podemos calcular la intensidad del circuito: 10 resistores, por tratarse de un circuito en serie. Luego: Para calcular el voltaje, de acuerdo con la ley de Ohm, es necesario lo acabas de calcular, y el valor de cada uno de ellos. De esta forma, La suma de las caídas de voltaje en ambos resistores tiene que –1,5 V montadas en serie. A continuación del polo positivo de la primera pila llevará un fusible un interruptor en serie. Después del interruptor, tres resistores en serie de los siguientes valores: 1,5 Los resistores se conectarán por el otro extremo al polo negativo de la última pila.tes por cada resistor del circuito. circuito de la figura para que la intensidad proporcircula por los resistores R Rpágina anterior.tros en el circuito de la figura y determina el valor el voltaje proporcionado por la batería. –4,5 V 10 R = X R –Circuitos en serie en paralelo 5 5.2 Asociación de elementos en paralelo Circuito en paralelo es el que dispone de varios caminos posibles para tienen unidos entre sí ambos extremos, permitiendo así que existan –Como cada lámpara tiene una resistencia medible, también es posible La resistencia total de un circuito en paralelo se obtiene por medio de la siguiente fórmula: R R en cuyo caso, la resistencia equivalente en paralelo es consecuencia expone en la siguiente fórmula: R En el caso de la conexión de dos o más generadores en paralelo hay tratarse de componentes con polaridad, queden unidos todos los polos positivos por un lado y los negativos por el otro. mantiene el voltaje aumentan la carga y la intensidad que se puede Magnitud Explicación Fórmula se puede emplear fórmula del pila, será la suma de todas las intensidades circulantes por las Ejemplo resuelto Conocido voltaje en cada resistor y el valor de cada uno de ellos, puedes calcular el valor de la intensidad que circula por cada rama: R R 3 A ; R 6 A por el primer resistor A por el segundo, luego: 4 A 2 A 6 A la pila entre la resistencia total: La resistencia total se ha calculado partir de: R / R (3 6) (3 6) = 18 / 9 = Ω –lo, podemos emplear una fórmula alternativa para el cálculo de la resistencia equivalente: R fórmula partiendo de la expresión general: tienen errores que harán que no funcionen. Señáresistencia equivalente de dos resistores de igual valor conectados en paralelo. total las corrientes que circulan por ellos. ––––––1,5 V 1,5 V –––1,5 V = 4,7 En situación El nivel de sonido se mide en decibelios (dB) su correspondencia con la percepción Nivel 0. Ruido muy bajo: entre bajos, como el que se puede escuchar en una biblioteca y en lugares aislados del exterior. Nivel Ruido bajo: entretado corresponde con el de va-po en un día tranquilo. Nivel 2. Ruido medio: entremos un nivel de ruido conpor una batidora el tráfico de 60 dB 75 dB. Los sonidos un teléfono sonando cerca abarrotada de gente, hablando de 75 dB. El nivel sonoro es de daños en el oído. Un tren circu-tros de distancia produce un
21 Utilizando la ley de Ohm, se calcula R , teniendo en cuenta que I = 250 mA = 250 · 10–3 A y V = 4,5 V:
R = V I = 4,5 V 250 · 10–3 A = 18 Ω
R es la suma de las resistencias que se encuentran en serie y, por tanto:
R = R1 + R2 + R3 → 18 Ω = 10 Ω + 5 Ω + R3 → R3 = 3 Ω
Como los resistores están conectados en serie, la intensidad que circula por R1, R2 y R3 es la misma e igual a la del circuito: I = 250 mA.
22 Se trata de un circuito sencillo con una resistencia total de 3 Ω y un conjunto generador de 6 V. Así, cada resistor tendrá un voltaje de 2 V y una corriente común de 2 A.
23 El resistor R3 tiene una corriente común a las demás de 300 mA. Esto significa que, aplicando la ley de Ohm, tendrá un valor de R3 = 1,8 V / 0,3 A = 6 Ω
Por otro lado, multiplicando el valor de la corriente común de 300 mA por el valor del resistor R2 de 3 Ω, tendrá un voltaje de 0,9 V. Esto significa que, sumando los voltajes de cada resistor, se obtendrá el valor que genera la pila:
V = 6 V + 3 V + 6 V = 15 V
24 El alumnado partirá de la fórmula genérica de la asociación en paralelo de dos resistores al aplicar al denominador el mínimo común múltiplo. Una vez que se dispone del denominador común (R1 · R2), se suman los numeradores y se invierte la fórmula obteniendo el resultado esperado.
25 Intuyo y deduzco.
• En el circuito superior izquierdo, la posición de las pilas y el valor idéntico de sus voltajes hacen que estas se anulen entre sí, sin posibilidad de generar corriente.
• El circuito superior derecho no dispone de receptor alguno.
• En la parte inferior izquierda, se ha configurado un circuito con ambos terminales conectados al mismo polo de la pila, de forma que el circuito serie no dispone de generador, está desconectado.
• Finalmente, el circuito en posición inferior derecha aparentemente funciona, pero cuando se conecta el interruptor, el receptor se cortocircuita.
26 Partiendo de una de las formas de cálculo, concretamente la del producto partido de la suma, se puede observar que, para dos resistencias iguales, de valor R , al sustituir se obtiene:
R t = R2 (2 · R) ; con un factor común (R) en el numerador y en el denominador, que al reducir resulta: Rt = R 2
27 • En el circuito superior:
Rt = f 1 1Ω + 1 10Ω + 1 100Ω p–1 = #(1 + 0,1 + 0,01) Ω–1&–1 = 1 1,11 Ω–1 = 0,9 Ω
La corriente que circula por cada resistor se obtiene al dividir la suma del voltaje proporcionado por las pilas entre cada valor de R, es decir:
IR1 = 3 V / 1 Ω = 3 A
IR2 = 3 V / 10 Ω = 0,3 A
IR3 = 3 V / 100 Ω = 0,03 A
Por lo tanto, la corriente total que cede la pila corresponde a la suma de las tres corrientes calculadas, es decir: It = 3,33 A.
• El circuito inferior es un circuito serie. El valor de la corriente lo obtenemos dividiendo el voltaje de la pila por la suma de los valores de los resistores, es decir:
It = 4,5 V (1 + 3,3 + 4,7) Ω = 0,5 A
Para obtener el voltaje de cada resistor, multiplicaremos su valor por la intensidad total del circuito:
V1 = 0,5 A · 1 Ω = 0,5 V
V2 = 0,5 A · 3,3 Ω = 1,65 V
V3 = 0,5 A · 4,7 Ω = 2,35 V
5
La medida de magnitudes eléctricas
SUGERENCIAS METODOLÓGICAS
Se presenta el multímetro digital como el aparato de medida más habitual en un laboratorio de electricidad. Se sugiere hacer hincapié en dos cuestiones importantes: la primera es siempre comprobar la correcta conexión del aparato de medida, ya que es posible que un error en la conexión ofrezca una mala lectura, incluso la rotura del aparato; la segunda es preocuparse por seleccionar la escala de medida más adecuada para cada valor esperado.
Este epígrafe de la unidad es eminentemente práctico. El alumnado no podrá llegar a entender bien el funcionamiento del aparato de medida y de su configuración como óhmetro, amperímetro o voltímetro, si no efectúa algún tipo de práctica con él. Se recomienda adquirir algún multímetro, además de resistores de diferentes valores, para que el alumnado pueda realizar físicamente el montaje de circuitos sencillos sobre los que tomar medidas eléctricas concretas, como las propuestas en el ejemplo resuelto. Empleando una pila de bajo voltaje, las experiencias no conllevarán riesgo alguno y podrán ensayar medidas eléctricas y percatarse de las dificultades que encuentran, como, por ejemplo, malas lecturas, conexiones defectuosas o una selección inadecuada de la escala.
Circuitos mixtos
SUGERENCIAS METODOLÓGICAS
Una vez que el docente haya detectado que los estudiantes son capaces de distinguir y resolver circuitos en serie y en paralelo, se puede abordar la resolución de los dos circuitos propuestos en este apartado para que encuentren la forma de resolverlos. Se trata de dos circuitos muy habituales en montajes mixtos con tres resistores. Hay que tener en cuenta que en este tipo de resoluciones es muy aconsejable que dibujen diversas viñetas de los esquemas equivalentes simplificados, empezando por el esquema del circuito propuesto y terminando por el esquema sencillo más simplificado, en el que aparezca la batería conectada directamente a la resistencia equivalente del circuito. Es muy posible que en esa sucesión de viñetas tengan que dibujar dos o tres esquemas intermedios en los que se deberán identificar los elementos equivalentes que surjan según se vayan asociando partes concretas de cada circuito. También será necesario identificar, en cada uno de los componentes equivalentes que aparezcan en cada viñeta, las magnitudes eléctricas de voltaje e intensidad.
El condensador
SOLUCIONES
28 Utilizando la notación científica mediante el empleo de prefijos del sistema decimal, 4 700 microfaradios corresponden con 4,7 milifaradios.
29 220 nF = 0,22 μF.
30 Con esta actividad se pretende que el alumnado asimile y sea capaz de explicar la información que se aporta en la sección lateral del libro «El comportamiento del condensador».
31 Aplicando la fórmula asociada al condensador Q = C · V, se obtiene:
Q = 22 · 10–3 · 250 = 5,5 C
32 El alumnado puede realizar una sencilla búsqueda en la web empleando las palabras clave «condensador» y «no polarizado». Encontrará diversas páginas de tiendas que comercializan estos dispositivos. Por ejemplo, la tienda Electrónica Embajadores de Madrid: https://www. electronicaembajadores.com/es/Subfamilias/Productos/COEL/condensadores/ condensadores-electroliticos, en la que encontrarán precios para un condensador electrolítico que oscilan entre los 0,2 y los 3 euros, dependiendo de la capacidad de este.
6
112 113 6.1 Amperímetro, voltímetro y óhmetro Para medir las magnitudes eléctricas se necesitan aparatos especímedida eléctrica fue el galvanómetro, aunque en realidad, más quetrica. Su cuadro de medición se empleó posteriormente en el resto Actualmente, todos ellos se han integrado en un solo aparato, el multerminales de conexión, el multímetro consta de un display visuamagnitud medir y la escala apropiada. Antes de medir alguna magnitud eléctrica es necesario comprobar siempre las conexiones para no estropear el aparato. Se deben seguir las siguientes pautas: 6 La medida de magnitudes eléctricas Común valor sin protección Función ganancia de corriente eléctrica. Dispone de un cuaproporcionalmente la magnitud de la corriente circulante. Galvanómetro analógico –todos los puntos de un circuito. Es un aparato de medida delicado, a pesar emplearlo adecuadamente Multímetro Práctica guiada de resistencias frente tu resolución teórica. Considera el circuito de la imagen de la derecha conectado Extrae de los colores de los códigos los valores de resistencia ilustración. Comprueba que obtienes los siguientes valores: equiv 3 Ahora comprueba de forma práctica los datos obtenidos. 4 Copia la siguiente tabla en tu cuaderno anota los resultados 100/ Utilizando una protoboard, monta ahora el circuito conecta –Copia de nuevo en tu cuaderno la siguiente tabla calcula los errores obtenidos en la medida. ¿Es alguno de los errores relativos obtenidos en las tablas mayor del 5 %? En caso afirmativo, trata de justificar por qué el ––V Xmedida. En la figura, puedes observar cocodrilo, que se sujetan a los puntos Terminales deres de sonido que puedas utilizar ruido. ¿Cuáles son sus caracterís7 Circuitos mixtos 7.1 Circuito mixto. Asociación mixta de resistores es aquel que combina las características de los circuitos en serie y en paralelo.delos más sencillos que ya conocemos, el circuito en serie el circuito de aquellos resistores que conforman el circuito hasta obtener una Ejemplo resuelto que proporciona la pila en cada caso? a) –V 100 X Solución a) Habría que empezar por calcular el valor equiva-lo continuar como si fuera un circuito en seriedemos dibujar la siguiente sucesión de circuitos ––R R // R Finalmente, la resistencia equivalente se encuentrado la ley de Ohm, la corriente que pasa por el geneb) –Solución b) Primero, habrá que sumar las dos resistencias en En segundo lugar, habrá que calcular la resistencia que da lugar una resistencia de 66,66 ––66,66 Comprueba que el valor final de la corriente quedo, igual que en el ejemplo anterior, utiliza la ley de Ejemplo resuelto Observa el siguiente circuito compuesto de resistores b) Realiza el montaje con una placa de prototipado o Posteriormente, conecta en la placa de prototipado el valor de la resistencia equivalente calculada en el conectarías dónde si quisieras saber cuánta corriente entrega la batería al resto del circuito? Solución a) Si realizas el cálculo de la resistencia equivalente, puedes seguir estos pasos: 3. Finalmente, valor obtenido se calculará en paralelo con la resistencia de R Así, = (1 1,5 k (1 + 1,5 0,6 sería similar al de la imagen, donde la línea hoA y línea horizontal inferior con el terminal B. Observa como en este montaje se reduce mínimo el empleo de cables de conexión, ya que estos están incorporados en el interior de la placa de prototipado. que situar en serie con la batería un amperímeComprueba que, si la pila tiene un valor de voltencia de 600 Ω es decir, de 0,6 k = 9 V 0,6 k B 8 El condensador El condensador, también llamado capacitor, es un componente eléccapacidad de un condensador se forma cuando dos materiales con-léctrico. En cada material conductor placa se acumula carga elécplaca cargada con polaridad positiva y negativa, respectivamente. La capacidad se mide en faradios (F) determina la cantidad de carga un condensador es de faradio cuando al someterlo un voltaje de mediante la fórmula:dades del orden de faradios. Lo habitual es que en los circuitos elecmilifaradios nanofaradios. Aunque se emplean multitud de materiales dieléctricos en los capacilos no polarizados. Los valores de capacidad de los condensadores una vida más corta. emplea un símbolo diferente. condensador polarizado no polarizado Un condensador se comporta comoes sometido a corriente alterna, actúa – –Condensadores según el tipo de dieléctrico Condensadores no polarizados Condensadores polarizados Cerámico de lenteja ¿Qué capacidad en milifaradios se corresponde con un valor de 4 700 microfaradios? 29 Convierte una capacidad de 220 nanofaradios en microfaradios. 30 Explica con tus propias palabras lo que es un condensador comparte tu explicación con el resto de la clase. 31 Calcula qué carga eléctrica es capaz de alma-cenar un condensaprecio tienen.tribución de la energía eléctrica? Trata de encontrar informacióntes». Escribe un texto que resuma lo que encuentres. El relé electromagnético 9 Un relé es un dispositivo que se emplea en los circuitos eléctricostor o de un conmutador, consta de dos partes aisladas y diferenciadas,bina electromagnética electroimán. Basta hacer pasar una corriente eléctrica través de ella para que se genere un campo magnético convierta el núcleo de la bobina en un imán. circuito de potencia dispone de tres láminas metálicas que actúan como los bornes de un interruptor, donde una de ellas, la lámina intermedia, es un elemento que bascula contacta con una otra lámina externa, dependiendo de si está en situación de reposo o si su posición ha de cambiar por efecto del campo magnético. Control de señales de diferente magnitud Es habitual utilizar circuitos con consumos de tensión y corriente muynes corrientes elevadas. En estas instalaciones, el relé actúa como que se encuentre en el circuito de potencia. Observa en el ejemplo el El relé es un elemento muy adecuado cuando las señales eléctricas son de diferente naturaleza, es decir, corrientes continuas corrientes un esquema de un circuito en el que el relé activa un circuito de coNúcleo de en atracción magnética dispositivos que no emplean la acción de conmutación, sino electromagnéticos necesitan una tensión fija de trabajo para alimentar Relés de – ––Interruptor manual Lámparas
El relé electromagnético
SUGERENCIAS METODOLÓGICAS
Aunque el relé no es específicamente un componente electrónico, es un dispositivo ampliamente utilizado en los circuitos de conmutación de potencia. Se sugiere que se trate como un elemento sobre el que se actúa mediante una corriente directamente aplicada a la bobina que provoca una acción mecánica, que cambia el estado de conexión de una serie de contactos asociados. Este dispositivo tiene la ventaja de aislar físicamente la corriente del circuito de control (bobina) de las corrientes circulantes en el circuito de potencia (contactos asociados).
Además de este dispositivo electromecánico de acción magnética, se presentan en la sección lateral los relés de estado sólido, unos dispositivos semiconductores que cumplen la misma función que los relés electromagnéticos, con la ventaja de no utilizar bobinas en su interior, lo que permite evitar los picos de sobreintensidad provocados en las conmutaciones.
SOLUCIONES
33 La famosa guerra de las corrientes sucedió al final del siglo xix cuando las compañías eléctricas General Electric, cuyo fundador era Edison, y Westinghouse Electric Co., en cuya plantilla tenían como científico a Nicola Tesla, pugnaban por conseguir el contrato de electrificación de la ciudad de Nueva York. La primera pretendía imponer el sistema de corriente continua, mientras que la compañía de Tesla abogaba por la corriente alterna, aduciendo mayores eficiencias y rendimiento, así como la posibilidad de generarla y transportarla de forma simple mediante el empleo de dispositivos sencillos de fabricar y mantener.
Energía y potencia eléctrica
SOLUCIONES
Ejemplo resuelto
El alumnado utilizará los valores de potencia nominal de la segunda columna para acumular consumos desde los 0,8 kW constantes hasta llegar a los 4,4 kW.
Si se suman los valores de la tercera columna, se obtiene un valor de consumo de 42,14 kWh diarios y un consumo mensual de 1264 kWh al sumar la cuarta columna.
Al multiplicar el consumo mensual por el precio del kWh, obtenemos:
Coste mensual = 1264 kWh · 0,20 € = 252,8 €.
34 Mediante una búsqueda sencilla, el alumnado sabrá que la energía se mide en GWh.
35 El alumnado tendrá que revisar todos los ejercicios de los epígrafes anteriores y calcular mediante la fórmula P = V · I el valor de potencia en cada resistor partiendo de valores de voltaje (V) y de corriente (I).
36 P = 230 V · 0,25 A = 57,5 W
37 I = 2 000 V 230 V = 8,69 A
38 El valor de 1 W determina un límite que no se puede superar. En este caso, el resistor está disipando:
P = 5 V · 0,01 A = 0,05 W
Este valor corresponde con la energía por unidad de tiempo en segundos. Por lo tanto, la energía es igual a:
E = 0,05 W · 10 min · 60 s/min = 30 J
39 El consumo en funcionamiento corresponde a:
E1 = 100 W · 4 horas = 400 Wh = 0,4 kWh
Por otro lado, en stand-by el consumo es:
E2 = 0,04 · 100 W · 20 horas = 80 Wh = 0,08 kWh
Sumando ambos valores y multiplicando el resultado por el coste de la energía, se obtiene:
Coste = (0,4 + 0,08) · 0,20 € = 0,096 € diarios
Coste que, extendido a un mes, sería de 2,88 euros.
7
8 El condensadortrico que almacena carga por efecto de la capacidad eléctrica. Laductores están separados por un aislante, denominadoléctrico. En cada material conductor placa se acumula carga eléctrica cuando se conecta la fuente de alimentación, quedando cada placa cargada con polaridad positiva y negativa, respectivamente. eléctrica por unidad de voltaje. Esto significa que la capacidad voltio acumula una carga de culombio. Esto se puede representar Por lo general, no es habitual encontrar condensadores con capacidades del orden de faradios. Lo habitual es que en los circuitos electrónicos se utilicen condensadores con órdenes de magnitud entre milifaradios nanofaradios.tores, existen básicamente dos tipos, los condensadores polarizados polarizados son más elevados, pero tienen el inconveniente de tener Para cada tipo de condensador se emplea un símbolo diferente. El símbolo del polarizado no polarizadorriente continua, mientras que, cuando El comportamiento del condensador Fuente de Circuito abierto – –28 ¿Qué capacidad en milifaradios se corresponde con un valor de 4 700 microfaradios? 29 Convierte una capacidad de 220 nanofaradios en microfaradios. 30 Explica con tus propias palabras lo que es un condensador com-una lista de algunos tipos de condensadores polarizados y qué precio tienen. ¿Conoces la disputa entre Edison y Tesla por controlar la distribución de la energía eléctrica? Trata de encontrar información en internet escribiendo en el buscador «la guerra de las corrientes». Escribe un texto que resuma lo que encuentres. El relé electromagnético 9 como elemento conmutador de la señal. A diferencia de un interrupel circuito de control el circuito de potencia. El circuito de control consta de dos terminales conectados a una boeléctrica través de ella para que se genere un campo magnético El circuito de potencia dispone de tres láminas metálicas que actúanmedia, es un elemento que bascula contacta con una u otra láminación ha de cambiar por efecto del campo magnético. Control de señales de diferente magnitud Es habitual utilizar circuitos con consumos de tensión y corriente muy baja para controlar determinados sistemas que funcionan con tensiones y corrientes elevadas. En estas instalaciones, el relé actúa como elemento controlador intermedio para activar desconectar todo lo que se encuentre en el circuito de potencia. Observa en el ejemplo Control de señales de diferente naturaleza El relé es un elemento muy adecuado cuando las señales eléctricas alternas. Cada una se emplea para diferentes fines. En la figura vemosAlimentación de Terminal de conexión electromagnética dispositivos que no como medio de Tienen como ventaja que la alimentación del circuito de control admite un V 40 V, mientras que los relés electromagnéticos necesitan una – ––para los circuitos de potencia Interruptor manual 118 119 la materia para realizar un trabajo. En el caso de los circuitos eléctripuntos, lo que identifica la diferencia de potencial voltaje entre diDonde la energía es la diferencia de potencial entre los puntos transporten entre el punto trasladando una energía La unidad de energía en el Sistema Internacional es el julio (J). No obssuele usar esta unidad sino una más práctica, el vatio-hora (Wh). Esta para medir la energía consumida en las instalaciones. Se dice entonces de 125 kilovatios-hora (KWh). Por otro lado, potencia eléctrica es la cantidad de energía absorbi-cia la energía se relacionan según: P No obstante, de forma específica en los circuitos eléctricos (dado que eléctrica debida dicho voltaje es la medida de carga por unidad detencia desarrollada en ese tiempo. Así, la potencia eléctrica relaciona aplicado su unidad es el vatio (W). Matemáticamente: eléctrico en voltios es la intensidad de corriente medida en ampeCombinando la expresión anterior con la ley de Ohm, se obtienen fórmulas que permiten el cálculo de la potencia en función del voltaje Para medir el consumo eléctrico producido lo largo de un períodoña, en los recibos de las compañías eléctricas se puede ver el consu10 Energía y potencia eléctrica contador para controlar que no se sobrepase la potencia máxima que se ICPW = julio = voltio · amperio La potencia eléctrica V gigavatiogo de un mes en un hogar. placa de características de cada aparato y el tiempo diario de funcionamiento es una estimación del tiempo que está funcionando de forma acumulada lo largo del día. Para calcular la energía consumida, se debe multiplicar cada dato de la columna de potencia por el tiempo de funcionamiento correspondiente. Como las unidades han sido escritas en kW y en horas, respectivamente, el dato de la enermensual, bastará con multiplicar por 30 días. Ahora reflexiona sobre las siguientes preguntas. aparatos pueden funcionar simultáneamente si hemos contratac) ¿Cuánto nos gastamos en la familia al mes si se paga el kWh Aparato Potencia nominal Tiempo de Energía consumida en kWh/día Energía consumida Consumo constanteducción de una central de energía eléctrica. las actividades desde el epígrafe en adelante. 36 Calcula la potencia de una bombilla por la que cirvoltaje de 230 V. ¿Qué intensidad circula por un secador de pelo de W de potencia al conectarlo a la red eléctrica de corriente alterna de 230 V? de potencia máxima de W por la que circula una de V en un período de tiempo de 10 minutos? stand-by el consumo es un 4 % de su potencia. Calcula la energía consumida lo largo de un día en funcionamiento. Calcula el coste diario mensual de funcionamiento si el precio sin impuestos del kWh es de 0,20 €.
Máquinas eléctricas
SUGERENCIAS METODOLÓGICAS
En este epígrafe dedicado a las máquinas eléctricas se explican de forma secuencial los efectos de carácter eléctrico y magnético que se combinan en el interior de la máquina. Tras presentar el experimento de Faraday, se describen los generadores eléctricos distinguiendo entre la dinamo, o generador de corriente continua, y el alternador, o generador de corriente alterna. Se sugiere que el alumnado realice en su cuaderno la reproducción de las figuras.
A continuación, se describen los motores eléctricos con la diferenciación entre el motor de corriente continua y el de corriente alterna. La constitución de ambas máquinas es similar, pero disponen de componentes distintos. A la hora de distinguir unos de otros, hay que poner especial énfasis en que, si bien los rotores de ambos motores son aparentemente iguales, el del motor de corriente alterna posee una pequeña corriente excitatriz en un devanado en cortocircuito, por lo que el rotor y el estator son partes aisladas eléctricamente, pero vinculadas por el campo magnético del estator.
En el caso del motor de corriente continua, existe una corriente que circula por ambos, rotor y estator, procedentes de la fuente externa. La forma de alimentar el rotor se lleva a cabo mediante unas escobillas en conexión directa con un solo par de devanados de los múltiples pares de que dispone.
Efectos de la corriente eléctrica
SUGERENCIAS METODOLÓGICAS
El alumnado ya sabe que la electricidad es la fuente de energía final que más empleamos para cubrir nuestras necesidades. Sin embargo, no podemos emplear la corriente eléctrica si no la transformamos en otro tipo de energía útil. Así, se presentan los diversos fenómenos y efectos energéticos en los que la energía eléctrica es capaz de convertirse y las particularidades de cada uno de ellos.
• En primer lugar, se expone el efecto calorífico, proveniente fundamentalmente del efecto Joule.
• En segundo lugar, se expone el efecto luminoso que se produce en las lámparas y en los receptores luminosos.
• En cuanto a los efectos químicos y magnéticos, se sugiere transmitir al alumnado la naturaleza común de la electricidad y el magnetismo como una de las cinco fuerzas universales, la fuerza electromagnética.
• Finalmente, se presenta el efecto fisiológico de la electricidad en los seres vivos y de cómo la mayoría de los seres humanos utilizan señales electroquímicas para transmitir impulsos a través de su sistema nervioso.
Puede resultar interesante establecer un debate con el alumnado, en el que asocien diferentes aparatos domésticos con los efectos que produce la corriente eléctrica en estos. Por ejemplo, en la placa vitrocerámica se produce un cambio de energía eléctrica a energía calorífica; la lavadora dispone de un motor que hace girar el tambor produciendo un fenómeno mecánico de generación de movimiento; en las lámparas se produce el intercambio de energía eléctrica a energía luminosa, etc.
8
120 121terial conductor se mueve dentro de un campo magnético es capaz medio de imanes o haciendo que circule corriente por otro conductor en esta idea: una parte móvil otra fija. 11.1 Los generadores eléctricos La dinamo es una máquina capaz de generar corriente continua. Sus Imanes permanentes para generar el campo magnético. Una bobina de material conductor que al girar dentro del campo sobre los que apoyan los extremos de la bobina. Aquí es donde se recoge la energía alternador, por otra parte, es una máquina muy parecida la dina-bién dos partes principales: El inductor, formado por imanes permanentes o por una serie de una corriente eléctrica con el fin de crear un campo magnético. El en su interior, girando de forma que el campo magnético que emiinterior el inductor. El inducido está compuesto por una serie demiento giratorio del campo magnético sobre las que se induce Dado que las bobinas no están en movimiento, no es necesario que haya dos colectores, sino unos simples contactos metálicos través de los que llega la energía eléctrica. 11.2 Los motores eléctricos Frente las dinamos los alternadores que aprovechan la energíacos, que realizan el trabajo contrario transforman la electricidad en hacen con corriente alterna. En general, los motores eléctricos tienenbajo efectivo el 75 % o más de la energía suministrada.carán el movimiento de la parte móvil del motor. El número de Es la parte móvil del motor. El rotor está construido alrededor de un eje metálico que es la pieza que transferirá el movimiento circular producido por el paso de la corriente eléctrica. Como se puede observar en las ilustraciones, construcción de un alconstitutivas significativas. Máquinas eléctricas 11 La corriente que proviene de la fuente de alimen-formas de conexión entre rotor y estator son en serie, en paralelo de forma compuesta. Para dirigir la corriente hacia las bobinas del rotor, tantos pares de pletinas diametralmente situadas en el colector como bobinados haya en rotor. Únicamente circulará corriente por una bobina La corriente de alimentación del motor únicamen-En los motores de corriente alterna, la corriente del rotor será una corriente inducida espontánea, como ocurre en motor de jaula de ardilla, o se 5 12.2 El efecto luminosobricar su bombilla. Dentro de un bulbo de cristal en el que se practicó el vacío, dispuso un filamento de carbono por el que circulaba desprendiendo luz y calor. tienen que ver con el calor, como sucede en las lámparas led. Estas emisores de luz, cuya composición hecha base de arsenio galio las partículas que transportan radiaciones luminosas. 12.3 El efecto químico La corriente eléctrica produce reacciones químicas atravesar los que consiste en sumergir un par de electrodos en una disolución haes la galvanización. La electrólisis se aprovecha para descomponer el para tratamientos anticorrosión. 12.4 El efecto magnético El paso de corriente través de conductores produce campos magpor el que circula corriente y verificando que la aguja deja de señalarto se pueden construir electroimanes para timbres, cerrojos de puerelectromagnetismo ya que ambos efectos tienen una íntima relacióntromagnético hemos podido controlar las comunicaciones mediante teléfonos móviles o las comunicaciones por satélite. 12.5 El efecto fisiológico Las células de los seres vivos están protegidas del exterior por una electrolito que es justo lo contrario, un buen conductor de la eleccon impulsos eléctricos. Con esta información, es fácil deducir que la Se ha aprovechado la corriente eléctrica para desarrollar tratamientos contra enfermedades, en la exterminación de virus perjudiciales en la rehabilitación de lesiones músculo-esqueléticas. Existe una enorme diversidad de dispositivos médicos y quirúrgicos que se benefician de los efectos que se han revisado anteriormente. En la parte negativa de los usos de la electricidad está la posibilidad de electrocución o 12 Efectos de la corriente eléctrica planchas calentadores eléctricos por medio del uso de resistencias de protección mediante fusibles de dispositivos que se funden ante una Aplicaciones del Una de las primeras referencias científicas los efectos de la corrien eléctrica data de 1775, cuando Luigi Galvani conectó mediante hilos de cobre una placa de estaño una moneda de plata, respectivamente, músculo al nervio del anca de una rana. vital se tratara, por lo que Galvani concluyó que lo que mueve losnó bioelectrogénesis. Acababa de dar una utilidad al acumulador de apilamiento de metales formando una pila eléctrica. Hoy en día, conocemos mucho más fondo el fenómeno eléctricovos que transforman la energía eléctrica según nuestras necesidades. 12.1 El efecto calorífico La relación del calor con la electricidad fue propuesta por Joule, cienconductor cuando lo atraviesa una corriente eléctrica. El efecto calorífico, también llamado efecto Joule, es la razón por lanerar potencia eléctrica en las centrales hay que tratar de que existanta los lugares de consumo y, normalmente, la distancia entre ambos niveles muy altos de tensión provoca que la corriente eléctrica sea menor y, en consecuencia, las colisiones entre ellas y el calentamiento
Receptores electrónicos. El diodo led
Configuración de los cuatro terminales de un led RGB
Con esta actividad competencial se aborda la competencia específica 1, buscar y seleccionar la información adecuada proveniente de diversas fuentes, de manera crítica y segura, aplicando procesos de investigación, métodos de análisis de productos y experimentando con herramientas de simulación, para definir problemas tecnológicos e iniciar procesos de creación de soluciones a partir de la información obtenida.
Al alumnado le resultará sencillo encontrar información sobre los diodos de ánodo común y llegarán a la conclusión de que el esquema para este tipo de diodos RGB será el de la figura, en el que se unen los ánodos de cada terminal correspondiente a cada color y en el que cada uno tiene su propio cátodo independiente:
SOLUCIONES
40 El esquema del circuito solicitado será como aparece abajo, donde cada diodo representa el terminal correspondiente al color que se desea controlar. Cada uno de estos terminales se conecta a un resistor de valor fijo, que protege la unión semiconductora y que se conectará en serie con una resistencia variable, con la que se controlará la intensidad lumínica de cada color del diodo RGB.
Rv R Rv R Rv R
+ –V
Un elemento especial. El transistor
SUGERENCIAS METODOLÓGICAS
Una dificultad que se suele dar entre el alumnado que estudia por primera vez el transistor es la identificación de los terminales, por lo que una buena práctica es escribir sus nombres al lado de cada terminal correspondiente para que se acostumbre a distinguirlos. NPN PNP
N P N
Colector C E
Base
Es oportuno advertir que los tres terminales del transistor no siempre están colocados de la misma manera, sino que su disposición depende del modelo de transistor utilizado. Por ejemplo, la disposición de los terminales en el transistor MC140 y en el transistor 2N 3055 es diferente.
Base
B Emisor Colector C E
B Emisor
9
P N P Base Colector C E B Emisor Colector C E B Emisor Base N P N P N P
124 125 13.1 El diodo led un diodo led es usado en todas sus aplicaciones como elemento lumies decir, si el voltaje en su ánodo es mayor que el voltaje del cátodo, parte de los electrones que lo atraviesan emitan energía en forma demente se utilizan para iluminación doméstica en forma de bombillas,rios, en pantallas de vídeo de alta resolución, y en los semáforos de antiguas bombillas incandescentes. Aunque actúan como un semiconductor, no están fabricados concos para conformarlos. Así, un led que emite en color rojo se fabrica partir de nitruro de galio-indio (InGaN). En el caso de que una señal tenga una longitud de onda ligeramente inferior 400 nanómetros, será una señal de luz ultravioleta, mientras que si su longitud es mayor de 700 nanómetros, estaremos hablando de luz infrarroja no visible como las señales que emiten los mandoscas de algunos de los diodos más empleados: 13.2. El led RGB Este tipo de diodo led se utiliza de forma versátil en multitud de aplies debido las iniciales de los colores primarios en inglés, Rojo-Verde-minal para controlar intensidad cromática de cada uno de los tres 13 Receptores electrónicos. El diodo led En realidad, el color que despide un diodo led se debe a la longitud existe un rango de señales que se extienden desde 400 hasta 570 nm–555 nm V Hay tres maneras para distinguir losción, observarás que uno es mayor los terminales no tienen la longitud de origen, tienes que mirar a través yunque. El primero está conectado Una tercera forma de distinguirlos es partir de un pequeño chaflán presente Terminales de un led Práctica guiada RGB. Observa en el montaje que cada terminal activo R, G y forma que se pueden modificar el valor del voltaje la corriente conectado al polo negativo de la pila través de un resistor de conectará un voltaje determinado. Para evitar que la pila alimense regula a un valor nulo de resistencia, se conecta en serie con 330 ohmios. Con esto evitaremos estropear el diodo por conecutilizar una pila o una batería que no exceda de 5 voltios. Una vez que hayas realizado el montaje anterior, mueve cada uno de los tres potenciómetros entre su valor máximo su valor mínimo para comprobar que el diodo led se ilumina con colores dife-cia, Máx. = máxima resistencia) de los potenciómetros y después Posición de potenciómetro Rojo A partir del circuito creado en la tu cuaderno el esquema eléctrico Para entender mejor el led RGB pensaremos que funciona como si tuviera tres ledes integrados. Este tipo de ledes RGB se denorojo azul ánodo común, dibuja su esqueConfiguración de Sin lugar duda, el transistor ha marcado un antes un después en la electrónica. El transistor sustituyó rápidamente las válvulas de vacío que componían los sistemas electrónicos hasta entonces, aumentando la vida útil de los equipos, así como su fiabilidad rapidez de respuesta. Aunque lo más importante fue que se abrió paso la era de la Para profundizar en estos dos usos, es necesario primero entender 14.1 Tipos de transistor bipolar Un transistor bipolar dispone de tres terminales: la base, lo constituyen, existen dos tipos de dispositivos: el el transistor PNP. Son exactamente iguales en su función, ambos son capaces de actuar como interruptor como amplificador. Para un funcionamiento correcto el transistor NPN debe recibir el voltaje positivo en los terminales base colector, y negativo en el emisor, al contrario que en el transistor PNP. En la siguiente figura puedes observar cómo alimentados exteriormente y qué voltajes pueden aparecer entre sus 14.2 Estados del transistor NPN Nos centraremos en el estudio del transistor NPN, más utilizado que el PNP. Como has visto en el gráfico anterior, el NPN admite una corriente por el terminal de base. Esta corriente de pequeña intensidad es la que controla el paso de la corriente entre el colector el emisor, de forma que ambas corrientes se suman y son conducidas hacia el terminal del emisor, en el transistor se cumple siempre que Cuando la alimentación de la base es muy baja o inexistente, el transistor se encuentra en un estado de bloqueo que Estado activo: Cuando la alimentación externa es suficientemente colector por el emisor.porcional a amplificación y este factor se nombra como de forma que: = 50, se hace circular una intensidad β (50 mA), la intensidad de emisor será la suma de ambas (51 mA): Cuando la corriente través de la base es elevada, el transistorcionalidad entre la corriente de base de colector. El transistor ende base, la corriente de colector no aumenta, manteniéndose prácti-lor es conocido como Icsat, corriente de colector en saturación. el estado de saturación, podrían circular 100 mA por el terminal de la el valor que obtienes es mucho menor que el valor de Para aprender a simular calcular los parámetros de un circuito 14 Un elemento especial. El transistor Este dispositivo semiconductor, que revolucionó la electrónica, fue inven-Bell, en 1947. Fueron galardonados El primer transistor Un transistor se construye a partir de tres cristales semiconductointerruptor controlado por una pequeña corriente de mando como amplificador. V ––––––Consulta el documento «Terminales de la base corresponde estado deltensidad por la base es 0, el grifo estará cerrado. Si circula intensidad por la base, el agua que circula por la base aumenta, Si la cantidad de agua que sale por más que se abra el grifo, no aumentará, el caudal permanecerá constante. Por mucho que aumente intensiEstados del transistor. Analogía hidráulica B B B e e b b c c
Para conocer el patillaje de cada componente, se puede proporcionar al alumnado la hoja de características (data sheet) del transistor correspondiente, lo que permitirá también explicarle otras características de este, pudiendo resultar útil como actividad de ampliación para el alumnado de nivel más avanzado.
Los principales usos del transistor son dos:
• Como interruptor, funcionando entre corte y saturación.
• Como amplificador, funcionando en conducción lineal. Resulta interesante comparar el transistor con un grifo. En el caso de un grifo, la cantidad de agua que sale viene determinada por su grado de apertura. En el transistor, la cantidad de corriente que circula por el colector depende de la cantidad de intensidad que circula por la base, que sería el equivalente al grifo.
• Cuando la intensidad que circula por la base es nula, el transistor se encuentra en corte, no circulando tampoco intensidad por el colector y el emisor. De la misma forma que por una tubería no sale agua cuando el grifo está cerrado.
• Cuando la intensidad que circula por la base, aunque pequeña, no es nula, el transistor entra en zona activa, conduciendo en la zona lineal. Es decir, que una variación en la corriente de base hará que la corriente de colector circule de forma proporcional. Esto es similar a cuando abrimos el grifo y comienza a salir agua y cuanto más abramos el grifo, mayor caudal saldrá.
• Siguiendo en la zona activa, llega un momento en que por más que suba la corriente de base, la corriente de colector queda fijada en un valor máximo, sin posibilidad de que aumente. Esto equivale, en la analogía del grifo, a cuando por más que manipulamos el mando el caudal de agua sigue siendo el mismo, sin posibilidad de que aumente porque se ha llegado a la máxima presión y porque el tubo de salida es limitado.
Otros aspectos en los que suele ser necesario insistir es en cómo la resistencia de base es clave para el cálculo de la intensidad de base y en la protección del dispositivo semiconductor. Por último, no hay que olvidar que en el transistor no se acumula carga, y que se debe cumplir siempre que:
STEAM Power
SUGERENCIAS METODOLÓGICAS
STEAM Power es una sección pensada para reforzar y ampliar los contenidos de cada unidad a través de la lectura, pilar fundamental del aprendizaje en todas las materias. Los textos propuestos presentan uno o varios perfiles científicos relacionado con lo estudiado en la unidad, un centro de investigación y una profesión vinculada también a los contenidos. El hilo conductor de la sección son las Power Skills que necesitamos poner en juego en los distintos ámbitos de la actividad científica. Conocer el modo concreto en que estas habilidades han contribuido a hacer avanzar el conocimiento y cómo se utilizan en cada profesión motivará al alumnado para intentar desarrollarlas y tomar conciencia de su importancia.
Protagonistas – Joan Clarke y Alan Turing
El objetivo de este apartado es acercar al alumnado algunas de las figuras científicas más relevantes de la historia relacionadas con los contenidos que han estudiado en la unidad, tanto por sus contribuciones profesionales como por las Power Skills que desplegaron a lo largo de su carrera. En este caso, los elegidos han sido Joan Clarke y Alan Turing, dos figuras clave en la historia de la criptografía, que sentaron, además, las bases de lo que más tarde sería la informática. Conocer su labor nos permitirá explorar la importancia de la capacidad de resolver problemas y de trabajar bajo presión a la hora de aplicar las matemáticas a la seguridad y la utilización de códigos en las comunicaciones.
• Propuesta
Antes de la lectura
Podemos preguntar al alumnado qué sabe acerca de la utilización de mensajes cifrados por los servicios de inteligencia y espionaje de diversos países y épocas a lo largo de la historia. También podemos explorar las posibilidades de algún código de cifrado muy sencillo, como el código murciélago.
Durante la lectura
Buscamos el significado de las palabras o expresiones que no entendamos y apuntamos en un guion las ideas principales del texto.
También podemos investigar sobre la máquina enigma, su uso por Alemania durante la II Guerra Mundial, y sobre la máquina universal de Turing.
10
IE = I
C + IB
STEAMPower PROTAGONISTA JOAN CLARKE Y ALAN TURING En una época marcada por la Segunda Guerra Mundial y los en dos figuras clave en la historia de la tecnología y la cripto-dos obstáculos personales profesionales: el trabajo de Joan Turing sufrió una persecución implacable por su orientación donde conoció Turing. Alan Turing, nacido en 1912, también interés por las matemáticas la lógica, y juntos trabajaron en Enigma alemana. Turing es conocido por la «máquina univerJoan Clarke, especialista en criptografía, tuvo que vencer una un equipo dominado por hombres, pero su capacidad para lado, diseñó la máquina Bombe que automatizócepcional capacidad de liderazgo. Ambos destacaban por sus dotes para trabajar bajo presión pensar de formación no solo cambió el sino que dejó un legacada ordenador acCIU3A Universitario de Andalucía, aún en construcción, es entre las universidades de Sevilla, Évora y Algarve. Este centro, cuyos pilares fundamentales interuniversitaria y la empresa, está destinado conocimiento, investigación Con un enfoque en la innovación, el CIU3A estará especializado en la industria 4.0, la transporte de mercancías, procesos de fabricación, los en el acero los dirigidos al sostenibilidad industrial, navegación. CENTRO DE INVESTIGACIÓN PENSAMIENTO CRÍTICO LIDERAZGOTRABAJARBAJOPRESIÓN SKILLS! MI PROFESIÓN INGENIERO DE AUTOMATIZACIÓNción. Mi trabajo consiste en diseñar y desarromecánicos, lo que mejora productividad la sostenibilidad de las fábricas otros Para ser ingeniero de automatización, hemás de especializarme con cursos demas. También he aprendido prografundamentales en mi campo. Dentro de mi profesión, hay distintos trabajo en una fábrica de electrodomés-je para que se fabriquen de forma más industriales, sensores un software esdecisiones pensar de forma crítica bueno organizando tareas priori-de costar mucho tiempo y recursos. Yne la perfección.bilidad de crear «orquestas mecánicas» que bailan al como un director de orquesta, pero, en lugar de violines flautas, manejo robots y sistemas. lo mejor es que cada «concierto» que dirijo contribuye a hacer el mundo un poquito más eficiente y sostenible. DISEÑA UN RIEGO INTELIGENTE Imagina que trabajas en el campo de la ingeniería de automatización y debes diseñar un sistema de riego inteligente para un jardín comunitario, capaz de decidir cuándo debe regar y la cantidad de agua que necesita cada zona.carías los sensores de humedad temperatura, de forma eficiente según los datos aportados Elabora un diagrama de flujo que defina qué decisiones deben regular el comporComparte tu diseño y tu diagrama habéis escogido decidid cuáles per-poradlas un nuevo diagrama de flujo más complejo, que recoja todas vuestras aportaciones. Henry Ford introdujo la primera línea de montaje en movimiento en 1913 en su planta de Highland Park, Míchigan. de lujo complejo de fabricar, pero grala ingeniería de automatización y cambió para siempre la producción industrial. ¿SABÍAS QUE...? TOMARTRABAJOENEQUIPO DECISIONES PRIORIZAR ACTITUDCRÍTICAORGANIZARTAREAS POWER
Después de la lectura
– Buscamos la relación entre el cifrado de mensajes y la seguridad en las comunicaciones. Intentamos explicarla de manera clara y razonada.
– Reflexionamos sobre la relación entre las Power Skills de Joan Clarke y Alan Turing y sus aportaciones a la tecnología. ¿Por qué crees que la capacidad de trabajar bajo presión pudo tener importancia en el desarrollo de sus investigaciones?
– Imaginamos una realidad alternativa en la que la máquina enigma no hubiese sido descifrada. ¿Cómo sería el mundo ahora?
Mi profesión, ingeniero de automatización
El objetivo de este apartado es familiarizar a los estudiantes con una profesión ligada a los contenidos científicos de la unidad y resaltar las habilidades necesarias para ejercerla. Con ello, estamos contribuyendo a la orientación académica y profesional del alumnado, tal y como exige el marco legal vigente para este nivel educativo.
En este caso, hemos elegido a Alberto, que trabaja como ingeniero de automatización desarrollando sistemas que automatizan los procesos mecánicos.
• Propuesta
Antes de la lectura
Podemos preguntar si conocen esta profesión y en qué creen que consiste.
Durante la lectura
Buscamos el significado de las palabras o expresiones que no entendamos y apuntamos en un guion las ideas principales del texto.
Después de la lectura
– Relacionamos lo que hemos leído con los contenidos de la unidad.
– Reflexionamos sobre las Power Skills de Alberto. ¿Para qué crees que las necesita en su trabajo?
– Conectamos con la profesión descrita. ¿Qué aspectos de esta profesión te parecen más atractivos y por qué?
Diseña un riego inteligente – Orientaciones metodológicas para realizar la actividad
Esta actividad permitirá al alumnado reflexionar sobre los pasos que debería seguir para automatizar un proceso; en este caso, el riego de un jardín.
Como complemento de la actividad, podemos proponer que aplique de manera sencilla lo que ha aprendido a la automatización de un proceso aún más simple, como el riego de una maceta con una planta de interior durante las vacaciones. Para ello, deberán investigar qué sistemas existen en el mercado con esta finalidad y cómo utilizarlos.
Porfolio
SOLUCIONES
Componentes eléctricos y simbología
1 Encontrarán los símbolos en el primer epígrafe de la unidad.
2 Un interruptor automático es un dispositivo que abre el circuito automáticamente cuando la corriente eléctrica supera un valor. En cambio, el interruptor diferencial abre el circuito cuando se produce una derivación.
3 Un fusible es un dispositivo que consta de una cápsula de cristal en cuyo interior se encuentra, conectado entre sus dos terminales, un hilo metálico. Este hilo se funde al superar determinada temperatura. La empresa fabricante ya ha probado la corriente eléctrica que provoca que el metal alcance dicha temperatura, por lo que el fusible se calibra como un limitador de intensidad; es decir, si la intensidad es mayor que la que provoca la temperatura de fusión, el fusible hará que la corriente eléctrica no circule por el circuito.
4 a) Conmutador
b) Pulsador
c) Interruptor
5 Las mezclas químicas más habituales son:
• Plomo-ácido
• Níquel-cadmio
11
130 131 PORFOLIO Componentes eléctricos y simbolog Dibuja los símbolos eléctricos de los siguientes dispositivos: generador, pulsador (normalmente abierto), timbre, lámpara, batería fusible.co y un interruptor diferencial? 3 ¿Cómo actúa un fusible cuando existe excesiva in4 Identifica qué dispositivos como elementos dea) Un circuito mantiene iluminada una lámpara la luz roja se ilumina una verde.tras se mantenga activo el dispositivo luz en una habitación. diferentes tipos de compuestos químicos que se hay algunos tipos de combinaciones de elementos tarde más en agotarse? carga» en una batería recargable? ¿Cuál es la resistencia de un cable de cobre de aumenta la resistencia si se utiliza un cable de la Si se dispone de una batería de 12 voltios y un recorriente circulará por el circuito? Expresa el valor ¿Qué voltaje habrá de tener una pila que alimenta de 80 kΩ de resistencia eléctrica, si se quiere quedas de colores son amarillo-violeta-rojo. Calcula cuál es el rango de valores aceptables si su banda de tolerancia indica el 5 %. un resistor y su valor es de 182 por aceptable dicho resistor si se ha fabricado contivos de los siguientes resistores bandas. Circuitos en serie, en paralelo y mixtos Preparar la tarea. En el siguiente circuito: circulan por cada rama. b) Si en el circuito, el resistor R se cortocircuitara, ¿qué valores obtendríamos entonces? 100 R 100 X –14 En el siguiente circuito, el interruptor está inicial–¿Qué has aprendido? a) Resistencia equivalente conectada a la pila. b) Intensidad eléctrica que cede la pila. c) Voltaje en el resistor –tes corrientes en este circuito calcula el valor de –b) Intensidad que cede la batería. c) Voltaje en el resistor R –Resistor 1. banda 2. banda 3. banda GRIS ROJO ROJO MARRÓN 18 Asamblea de ideas. Teniendo en cuenta la fóres el voltaje que acumula un condensador, C es el valor de su capacidad y Q condensador, calcula: 100 mF al almacenar 400 culombios? de 10 F sometido un voltaje de 120 voltios?co si acumula 10 culombios cuando se conecta 19 Identifica cuál de los siguientes dieléctricos se uti-do, electrolítico, poliéster, tantalio, material cerámiEl relé electromagnético que contiene un relé electromagnético, teniendotor manual. ¿Qué elemento funciona cuando no se interruptor manual? – ––La medida de magnitudes eléctricas Dibuja el esquema que se emplea para medir corriente eléctrica en un circuito en serie compuesto de dos resistores iguales. para medir correctamente una corriente eléctrica de 12,4 miliamperios? PORFOLIOpuesta incluye un amperímetro para medir corriente a través del resistor corriente marcará el amperímetro si entre A B se conecta una pila de 3 voltios? Energía potencia eléctrica Calcula el coste mensual de cocinar con una placa de inducción de consumo medio 1,5 si cada día se utiliza un tiempo medio de 1 hora se pagan los €. Expresa el resultado en J y kWh. 25 Piensa y comparte en pareja. Un microondas 30 días una energía de 46,8Máquinas eléctricas Dibuja un esquema eléctrico de la configuración de un motor de corriente continua de otro de corriente alterna. ¿Cuál es su principal diferencia? 27 ¿Qué función tiene el inducido en un alternador? 28 Describe qué indica el fenómeno físico pro¿Qué efecto se produce a partir del fenómeno eléctrico si se quiere hacer que un timbre funcione?tir del cual se producen daños en el cuerpo humavoltaje eléctrico?cluye un diodo led RGB donde cada terminal se la tabla con los valores de voltaje que activan cada voltios, el color verde es de voltios y el del azul cada resistor para que circulara la misma corrienteplea una pila de 6 voltios. Realiza este esquema en Tinkercad. –Un elemento especial. El transistor base de un transistor es 0 mA su 100. ¿En qué intensidades de colector y emisor?des de base y colector de un transistor que se enrespectivamente. ¿Cuál es su ganancia? y la indica el estado en el que se encuentra 9 V ––Reflexiona cómo has aprendido electrónica has aprendido diseñar un dispositivo capaz de medir la cuestionario y la rúbrica disponibles en anayaeducacion.es Situación de aprendizajeferentes zonas del instituto y crear un mapa de ruidos con el que identificar en qué zonas el volumen es más alto dónde ocurre con mayor frecuencia, el primer paso es construir Organizad equipos de trabajo y recopilad Detector de sonido Sparkfun 5 resistores de 330 Ω led rojo Placa de prototipadototipado (macho-macho). Cables para placa de prototipado (maledes.mentación de Arduino. (como se puede ver en la imagen, utilizad uno rojo para la alimentación Vcc, uno negro para la conexión GND y uno violeta para el puerto ENVELOPE). de forma que el terminal de la izquierda vuestro dispositivo, acceded al IDE de Aranayaeducacion.es detección de la controladora Arduino latar vuestro profesorado. 4 Dividid el centro en sectores, dependiendo de la tipología y la edificación, y anotad los decibelios registrados en cada zona: elción física, en clase trabajando en equipo,nas comunes en la entrada en la salida Analizad los resultados y preparad una lista con vuestras propuestas para reducir la 6 Elaborad una presentación utilizando heGenially. Explicad en ella cómo habéis¡ACTÚA ! Construye un medidor
• Níquel-hidruro metálico
• Ion-litio
• Litio y fosfato de hierro Específicamente, para baterías de vehículos eléctricos, las tecnologías empleadas tienen esta composición química:
• Litio-cobalto-óxido (LiCoO2)
• Litio-manganeso-óxido (LiMn2O4)
• Litio-ferro-fosfato (LiFePO4)
• Níquel-manganeso-cobalto (LiNixMnyCozO2)
• Níquel-cobalto-aluminio (LiNiCoAlO2)
• Litio-titanato (Li4Ti5O12)
6 Según Wikipedia, «un ciclo de carga es el proceso de cargar y descargar una batería recargable y según sea necesario durante su uso. El término se suele utilizar para especificar la vida útil esperada de una batería, ya que el número de ciclos de carga afecta a la vida útil más que el paso del tiempo».
La ley de Ohm
7 Utilizando la fórmula propuesta en el epígrafe 3, y contando con que la resistividad del cobre medida en Ω · m es 1,68 · 10–8; la longitud, 5 000 metros; el diámetro, 0,003 metros, y considerando que se ha de calcular la sección del cable como si de un círculo se tratara, la resistencia buscada es:
Calculamos la sección: S = 3,141592 · (0,0015)2 = 7,068 · 10–6 m2
Calculamos la resistencia: R = L S = 1,68 · 10–8 Ω · m · 5 000 m 7,068 · 10–6 m2 = 11,88 Ω
Si su diámetro fuera la mitad:
Calculamos la sección: S = 3,141592 · (0,00075)2 = 1,76 · 10–6 m2
Calculamos la resistencia: R = L S = 1,68 · 10–8 Ω · m · 5 000 m 1,76 · 10–6 m2 = 47,72 Ω
Si el cable inicial fuera de aluminio:
Calculamos la resistencia: R = L S = 2,8 · 10–8 Ω · m · 5 000 m 7,068 · 10–6 m2 = 18,39 Ω
8 Al aplicar la ley de Ohm:
I = 12 V 0,12 kΩ
I = 100 mA
9 Al aplicar la ley de Ohm:
V = 0,2 mA · 80 kΩ
V = 16 voltios
La resistencia eléctrica
10 El resistor propuesto corresponde a una resistencia de 4 700 Ω. Los valores máximo y mínimo
son:
• Valor máximo: 4 700 + 4 700 · 0,05 = 4 700 · 1,05 = 4 935 Ω
• Valor mínimo: 4 700 – 4 700 · 0,05 = 4 700 · 0,95 = 4 465 Ω
11 El valor teórico del resistor correspondiente a los colores marrón-verde-marrón es de 150 Ω Aplicando la tolerancia del 5 %, el rango aceptable será 142,5 - 157,5 Ω por lo que la medida realizada no es aceptable.
12
• Resistencia con bandas roja-naranja-verde: 23 · 105 Ω = 2,3 MΩ
• Resistencia con bandas gris-naranja-roja: 83 · 102 Ω = 8,3 kΩ
• Resistencia con bandas azul-verde-violeta: 65 · 107 Ω = 650 MΩ
12
Circuitos en serie, en paralelo y mixtos
13 Preparar la tarea. En el circuito, el alumnado ha de indicar que no habrá corriente mientras el interruptor se mantenga abierto.
a) Una vez que se cierra el interruptor, cada rama tendrá una R = 200 Ω y, al estar en paralelo, ofrecerán una resistencia equivalente de 100 Ω. Finalmente, al aplicar la ley de Ohm, la corrien-
te total será de I = 9 100 Ω = 90 mA. Al ser las dos ramas iguales, la corriente que circulará por cada una de ellas será de 45 mA.
b) En el caso de cortocircuitar el resistor R2, su rama ofrecería una resistencia de 100 Ω y estaría en paralelo con una resistencia de 200 Ω. Esto supone que:
I1 = 9 V 100 Ω = 90 mA
I2 = 9 V 200 Ω = 45 mA
Intensidad total que entregaría la batería:
I = 90 mA + 45 mA = 135 mA.
14 Mientras el interruptor abra el circuito, no habrá ninguna circulación de corriente por el circuito ni por ninguno de sus componentes. Cuando el interruptor cierra el circuito, comienza a circular una corriente cuyo valor se calculará en función de la conexión de los resistores. En el caso de la figura, observamos que está conectado un resistor R1 en serie con el paralelo de R2 y R3. De esta forma, la resistencia equivalente será:
R = R1 + R2 · R3 R2 + R3 = 10 kΩ + 1,5 kΩ · 4,3 kΩ 1,5 kΩ + 4,3 kΩ
R = 11,11 kΩ
Como consecuencia, al aplicar la ley de Ohm, la corriente que se obtiene cuando el interruptor se cierra es de:
I = V R = 4,5 V 11,11 kΩ = 0,405 mA
15 En este circuito se observa que se ha conectado una pila con un conjunto de dos resistores en paralelo y con un tercer resistor en serie.
a) R = 1,2 kΩ · 4,7 kΩ 1,2 kΩ + 4,7 kΩ + 0,3 kΩ = 1,256 kΩ
b) I = 5V 1,256 kΩ = 3,98 mA
c) VR3 = 3,98 mA · 0,3 KΩ = 1,194 V
16 En este gráfico se han representado las diferentes corrientes que circulan por este circuito.
Para calcular el valor de la corriente que cede la pila de 9 V, se habrán de calcular primero los pares de resistores en paralelo:
R12 = 1,2 kΩ · 3,3 kΩ 1,2 kΩ + 3,3 kΩ = 0,88 kΩ
R34 = 5,6 kΩ · 4,7 kΩ 5,6 kΩ + 4,7 kΩ = 2,555 kΩ
Al encontrarse conectados en serie, ambos valores han de sumarse:
R = R12 + R34 = 0,88 + 2,555 = 3,435 kΩ
De esta forma, al aplicar la ley de Ohm, se obtendrá el valor de la corriente que circula por la batería:
I = 9 V 3,435 Ω = 2,6198 mA
13
R1 = 1,2
X I1 R2 = 3,3 kX R3 = 5,6
X R4 = 4,7 kX 9 V + –I I I2 I3 I4
k
k
17 Los valores resistivos que se interpretan del código de colores son:
R1 = 56 000 Ω = 56 kΩ
R2 = 47 000 Ω = 47 kΩ
R3 = 8 200 Ω = 8,2 kΩ
R4 = 10 000 Ω = 10 kΩ
a) La resistencia equivalente del circuito será:
R = R1 + R2 · (R3 + R4) R2 + R3 + R4
R = 56 kΩ + 47 kΩ · (8,2 kΩ + 10 kΩ) 47 kΩ + 8,2 kΩ + 10 kΩ = 69,12 kΩ
b) Intensidad de la batería: I = 6 V 69,12 kΩ = 0,0868 mA.
c) Voltaje en el resistor R1: V1 = I · R1 = 0,0868 mA · 56 kΩ = 4,861 V.
El condensador
18 Asamblea de ideas
a) V = Q C = 400 C 0,1 F = 4 000 V
b) Q = V C = 120 V · 10 · 10–6 F = 0,0012 C
c) C = Q V = 10 C 48 V = 0,2083 F
19 Los dieléctricos habituales son el papel, el poliéster, el material cerámico y el aire.
El relé electromagnético
20 El montaje consta de dos circuitos que comparten el relé electromagnético. El circuito de la izquierda dispone de una pila, un resistor que limita la corriente y un interruptor. Todos ellos se encuentran conectados con la bobina de un relé. De esta forma, cada vez que se pulsa el interruptor la bobina del relé se excitará magnéticamente. Por otro lado, el circuito de la derecha consta de dos ramas en paralelo, cada una de ellas conectada a uno de los terminales de un conmutador. En situación de reposo se encuentra conectada una pila de 14 voltios sin otro elemento en este circuito, por lo que se puede considerar que la pila se encuentra en cortocircuito y posiblemente se estropee. Cuando la bobina del relé se encuentre excitada, el conmutador cambiará de posición, cerrando el circuito correspondiente al montaje serie de la batería de 12 voltios, que alimentará cuatro lámparas en paralelo.
La medida de magnitudes eléctricas
21 El esquema solicitado constará de un circuito serie dotado de una batería, un amperímetro y dos resistores en serie, tal y como se ha representado en la siguiente figura:
22 La escala correcta sería la de 20 mA.
23
A
+ –
14
Energía y potencia eléctrica
24 Energía consumida:
E = P · t = 1 500 W · 1 h · 30 días = 45 000 Wh = 45 kWh
El coste económico se calcularía multiplicando esta energía por el precio del kWh:
Coste mensual = 45 kWh · 0,20 € = 9 €
En julios, esta cantidad se calcula convirtiendo los vatios por su equivalencia en julios por segundos y, por tanto, exige convertir las horas a segundos:
E = 45 000 J/s h = 45 000 J/s h · 3 600 s/h = 162 000 000 J = 162 MJ
25 Piensa y comparte en pareja
• Potencia: P = 1 200 W.
• Energía: E = 46 800 Wh.
• Tiempo total: T = E P = 468 000 1 200 = 390 horas.
• Tiempo medio diario: t = 390 horas 30 días = 13 horas.
Máquinas eléctricas
26 Los siguientes esquemas corresponden con las conexiones eléctricas de un motor de corriente continua (a la izquierda) y de corriente alterna (a la derecha). + –
Escobillas de conexión del colector de delgas
Inducción magnética de voltaje
Estator Estator Rotor Rotor
Un motor de corriente continua tiene varias configuraciones. La que se ha representado ha sido la de un motor de corriente continua en configuración serie. Cada una de las partes del motor, rotor y estator se pueden asociar con una resistencia eléctrica y ambas se conectan por medio del colector de delgas. Es decir, que ambos, rotor y estator, tienen que estar físicamente conectados para que el rotor gire. Por otro lado, en el caso de un motor de corriente alterna dicha conexión entre ambas partes no existe. Una batería externa hará circular corriente por el estator en el que se inducirá un campo magnético que afectará a la bobina del rotor. Dicha inducción magnética será la responsable del giro del rotor.
27 El inductor en un alternador será la parte móvil de la máquina que gira al ritmo de frecuencia del campo magnético. Por otro lado, el inducido es la parte fija y exterior de la máquina o estator, y sobre él inducirá el campo magnético del inductor de forma que se genera un voltaje. Obsérvese que en este caso al tratarse de un alternador, o generador, de energía eléctrica, los roles del inductor e inducido se intercambian al tratarse de una máquina reversible.
Efectos de la corriente eléctrica
28 Se pretende que el alumnado amplíe la información que aparece en el libro sobre el efecto Joule y sea capaz de describirlo con sus propias palabras.
29 Efecto magnético
30 A partir de 10 mA se nota un cosquilleo. A partir de 25 mA se puede notar dolor y, si aumenta, se pueden experimentar convulsiones y pérdida de conocimiento.
15
+
–
Receptores electrónicos. El diodo led
31 Cada rama R, G y B es independiente y se comporta como un circuito en paralelo. Pero la corriente en cada rama tiene que ser la misma, es decir, IR = IG = IB = 20 mA
• Rama R:
6 V = IR · RR + 1,8 V
RR = 6 V – 1,8 V 2 mA = 2,1 kΩ
• Rama G:
6 V = IG · RG + 3
RG = 6 V – 3 V 2 mA = 1,5 kΩ
• Rama B:
6 V = IB · RB + 3,2 V
RB = 6 V – 3,3 V 2 mA = 1,4 kΩ
Un elemento especial. El transistor
32 En estado de corte. Al no circular intensidad por la base, tampoco lo hace por el colector.
33 Sabiendo que el transistor está en estado activo, se cumple que: IC = β · IB
Despejando: β = 210 mA 3 mA = 70.
Insistir en la magnitud adimensional de la ganancia del transistor.
34 En primer lugar, se calcula IB, a partir del voltaje de la pila, la caída de voltaje base-emisor y la resistencia de base.
IB = 9V – 0,7V 20 kΩ = 0,415 mA
Suponiendo que el transistor esté en activa, la intensidad de colector será:
Ic = β · IB = 100 · 0,415 mA = 41,5 mA
Comprobamos que, efectivamente, el transistor está en activa. Para ello, la intensidad de colector calculada debe ser inferior a la intensidad de colector en saturación, que calculamos a partir del voltaje de la pila, de la resistencia de colector y del voltaje colector-emisor en saturación.
Icsat = 9V – 0,2 V 100 Ω = 88 mA
Como Ic < Icsat, el transistor se encuentra en activa.
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17 ANOTACIONES
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