La Electricidad
ÍNDICE
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La Carga Eléctrica ………………………….. La Corriente Eléctrica …………………….. El Circuito Eléctrico ………………………. Representación de un Circuito …………. Magnitudes Eléctricas ……………………. Asociación de Receptores ………………. Aparatos de Medida ………………………. Ley de Ohm ………………………………… La Energía Eléctrica ………………………. Potencia Eléctrica …………………………. Electromagnetismo ………………………..
Juan Lara Espinosa
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La Carga Eléctrica La materia está constituida por átomos, y estos, a su vez, por otras partículas más pequeñas que poseen carga eléctrica: los electrones, que tienen carga eléctrica negativa y son los responsables de los fenómenos eléctricos, y los protones, que tienen carga positiva. Otras partículas que forman el átomo, pero que no tienen carga eléctrica, son los protones. Por lo general la materia es neutra, no por que no tenga carga eléctrica, sino por que el número de cargas negativas (electrones) y positivas (protones) es el mismo y de este modo se compensan. Sin embargo, en ocasiones, los cuerpos se pueden electrificar mediante la reordenación de las cargas que los forman (los electrones se pueden mover) esto ocurre por frotamiento, contacto e inducción.
Por ejemplo, si frotamos un bolígrafo (normalmente fabricado de plástico) contra un trapo, los electrones son arrancados de este último y pasan al bolígrafo, que de esta forma queda cargado negativamente. Si ahora lo acercamos a un trocito de papel, los electrones del extremo del papel más próximo al bolígrafo son repelidos al lado contrario, con lo que dicho extremo queda cargado positivamente, por esta razón el bolígrafo atrae a los trocitos de papel.
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Sabemos por lo tanto que existen dos tipos de carga eléctrica (negativa y positiva) y que cargas de distinto signo se atraen y del mismo signo se repelen:
Una vez las cargas de los cuerpos se electrifican permanecen en reposo, no se mueven, por lo que hablamos de electricidad estática o electrostática. Sin embargo las cargas eléctricas (los electrones) se pueden mover, dando lugar a la corriente eléctrica.
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La Corriente Eléctrica Podemos definir la corriente eléctrica como:
Para entender la definición anterior debemos definir que es un conductor:
Son buenos materiales conductores los metales, entre ellos destacan el Cobre, el Aluminio y la Plata. Definimos a los materiales que no permiten el paso de la corriente eléctrica como aislantes, entre ellos se encuentran los plásticos, la madera y la cerámica. Para que se produzca una corriente eléctrica es necesario que exista un desequilibrio de cargas entre dos puntos de un conductor, es decir, que en un lugar del conductor existan muchos electrones (polo negativo -) y en otro lugar pocos o ninguno (polo positivo +), de este modo, los electrones pasarán desde el polo negativo al positivo, dando lugar al flujo de electrones que generan la corriente eléctrica, cuando el número de electrones se iguale en los dos polos del conductor los electrones dejaran de fluir y la corriente se terminará.
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La corriente eléctrica puede ser de dos tipos: corriente alterna o corriente continúa. La corriente alterna es la que utilizamos diariamente a través de nuestra instalación eléctrica. La corriente continua es la que nos proveen las pilas y las baterías, la utilizamos en los automóviles, las linternas, etc. Ambas corrientes se pueden transformar de alterna a continua o viceversa. Corriente Eléctrica Alterna: El flujo de corriente en un circuito que varía periódicamente de sentido. Se le identifica como corriente A.C. (Altern current) o C.A. (Corriente alterna).
Corriente Eléctrica Continua: El flujo de corriente en un circuito producido siempre en una dirección. Se le identifica como corriente D.C. (Direct current) o C.C. (Corriente continua).
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El Circuito Eléctrico Los circuitos eléctricos se pueden definir como un conjunto de operadores unidos de tal forma que permiten el paso o circulación de la corriente eléctrica con objeto de producir algún efecto útil (luz, calor, movimiento, etc.). Todos los circuitos eléctricos deben estar formados por una serie de operadores eléctricos o elementos imprescindibles (generador, conductor y receptor) y otra serie de operadores opcionales (elementos de maniobra y de protección).
Elementos básicos de un circuito •
Generadores: son los operadores que producen y suministran el fluido de electrones que circula por el circuito. o De corriente continua: pilas y baterías. o De corriente alterna: alternador.
Los generadores de corriente continua son las pilas y baterías, que transforman la energía química de algunas reacciones químicas (reacciones REDOX, de reducción-oxidación) en energía eléctrica.
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También la dinamo convierte la energía mecánica en eléctrica, por ejemplo en una bicicleta, la luz que se enciende es gracias a nuestra energía mecánica al mover los pedales y que la dinamo convierte en energía eléctrica.
El generador de corriente alterna se llama alternador y transforma la energía mecánica en energía eléctrica.
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Conductores: son los elementos que sirven para conectar todos los elementos que forman el circuito. Con ellos establecemos el camino que deben recorrer los electrones desde el polo negativo hasta el positivo del generador. Son los cables que forman el circuito.
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Receptores: son los elementos encargados de recibir y convertir la energía eléctrica en otro tipo de energía útil de manera directa. Según el tipo de energía a la que conviertan la eléctrica tenemos los siguientes receptores: o Lámpara o bombilla: convierte la energía eléctrica a energía luminosa.
o Motor: convierte la energía eléctrica a energía mecánica (movimiento).
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o Resistencia: convierte la energía eléctrica a energía calorífica.
o Zumbador: convierte la energía eléctrica a energía sonora.
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Elementos de Maniobra: permiten manipular el paso de la corriente, se ocupan del cierre y apertura de los circuitos. o Interruptor. o Pulsador. Los interruptores sirven para interrumpir el paso de la corriente eléctrica y controlar aparatos eléctricos. Se instalan en los cables de los circuitos eléctricos, entre la pila o la fuente de alimentación y el aparato del circuito que queremos controlar. En todos los interruptores podemos distinguir dos partes polo, que es por donde entra la corriente, y el contacto, que es por donde sale.
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Dependiendo del número de polos y contactos podemos distinguir varios tipos de interruptores: Un Polo Una Dirección (UPUD): se trata del interruptor más simple y el se suele emplear en nuestras casa.
Un Polo Dos Direcciones (UPDP) también llamado conmutador:
Este tipo de interruptor se usa cuando se quiere hacer funcionar dos receptores, pero no a la vez, si no que cuando uno funcione el otro este apagado y viceversa. También lo utilizamos en nuestras casas para poder encender y apagar una lámpara desde dos posiciones distintas, por ejemplo en un pasillo o en nuestra habitación. Dos Polos Dos Direcciones (DPDD): se puede utilizar para cambiar el sentido de giro de un motor.
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Los pulsadores, como su nombre indica, sólo funcionan cuando están pulsados. Es el caso de un timbre, mientras lo tenemos pulsado, la corriente eléctrica pasa y el timbre suena, en el momento que dejamos de pulsar el timbre deja de sonar ya que la corriente eléctrica deja de pasar, este tipo de pulsador se usa en pequeños electrodomésticos como la batidora, hablamos de pulsadores normalmente cerrados. Puede ocurrir al contrario, por ejemplo en nuestro frigorífico, cuando la puerta está cerrada el pulsador abre el circuito y no pasa corriente, la luz estará apagada, cuando abrimos la puerta el pulsador hace que se cierre el circuito y la luz se enciende, en este caso tenemos un pulsador normalmente abierto.
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Elementos de Protección: sirven para proteger a las personas o a los elementos del circuito del riesgo de manipulaciones inadecuadas o variaciones imprevistas de la corriente eléctrica.
o Fusible: cuando la corriente es superior a la que soporta el receptor, se funde, pero con ello lo protege de un daño superior. o Pequeños Interruptores Automáticos (Pia´s): protegen la instalación eléctrica de las viviendas de subidas de la corriente eléctrica.
Cuadro de Mando y Protección
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Representación de un Circuito Eléctrico Cuando se representa un circuito eléctrico se debe hacer para que todas las personas que lo vean lo puedan entender independientemente del lugar donde se encuentren, por ello es necesario usar una serie de símbolos que sean universales y no emplear dibujos subjetivos. Estos símbolos están Normalizados, es decir, siguen unas reglas comunes para todas las personas que lo emplean, de modo que todos los entendamos.
Simbología Eléctrica
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Magnitudes Eléctricas Las magnitudes fundamentales, es decir las propiedades que podemos medir, de la corriente eléctrica son tres Intensidad, Potencial y Resistencia. INTENSIDAD La intensidad de corriente expresa la cantidad de electrones que atraviesa un conductor por unidad de tiempo. Su unidad es el Amperio (A) y el aparato que mide la intensidad se llama amperímetro.
Por lo tanto, según sea la sección (grosor) del conductor, circulará más o menos electricidad. Cuanto más grueso podrá pasar un mayor número de electrones. DIFERENCIA DE POTENCIAL, tensión o voltaje. Indica la diferencia de potencial (de electrones) que hay entre dos conductores o cuerpos cargados eléctricamente. Su unidad es el Voltio (V) y el aparato que mide la diferencia de potencial se llama voltímetro.
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Si hiciéramos una comparación con la hidráulica (estudio del movimiento del agua) podríamos ver la diferencia de potencial como la diferencia de alturas entre dos depósitos de agua, el agua iría fluyendo hasta que se igualaran las alturas:
RESISTENCIA Se denomina resistencia a la mayor o menor dificultad que presenta un conductor al paso de la corriente eléctrica. A mayor dificultad, mayor resistencia y, por lo tanto, peor conductor. Su unidad de medida es el Ohmio (Ω). El aparato que se usa se llama ohmímetro. La resistencia de un conductor depende de tres causas: o Tipo de material: todos los materiales no presentan la misma oposición al paso de los electrones, así sabemos que plásticos, madera y cerámica oponen una gran dificultad (por lo que los consideramos aislantes) mientras que los metales oponen poca dificultad (los llamamos conductores). Dentro de los conductores también existe distintos grados de dificultad, así elemento como el cobre, aluminio y la plata oponen poca resistencia, mientras otros metales como el wolframio, tugsteno o nicrom presentan una mayor resistencia y por lo tanto son peores conductores. o Sección del conductor: es decir el grosor del conductor, cuanto mayor sea, menor dificultad habrá para el paso de los electrones; y por lo tanto menor resistencia.
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o Longitud del conductor: cuanto mayor sea la longitud del conductor mayor resistencia habrá al paso de la corriente eléctrica.
Estas tres causas se pueden reflejar en una formula para calcular la resistencia de un conductor: R=ρ·L/S Donde ρ es la resistividad (que tiene distinto valor para cada material), L la longitud del conductor y S la sección o grosor.
A demás de la resistencia que opone el conductor al paso de la corriente se pueden colocar receptores que se oponen a este paso, son las resistencias, cuya misión es dificultar el paso de la corriente y por lo tanto disminuir la intensidad de corriente. Estas resistencias son pequeños cilindros de carbón (grafito), pintador con cuatro colores para indicar su valor en ohmios y, que tienen dos terminales para conectarlas a los circuitos. Código de colores
Colores
1ª Cifra
Negro Marrón
1
2ª Cifra
Multiplicador
0
0
1
x 10
Rojo
2
2
x 10
Naranja
3
3
x 103
Amarillo
4
4
x 104
Verde
5
5
x 105
Azul
6
6
x 106
Violeta
7
7
x 107
Gris
8
8
x 108
Blanco
9
9
x 109
2
Tolerancia
1% 2%
0.5%
Oro
x 10-1
5%
Plata
x 10-2
10%
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Ejemplo: Si los colores son: Marrón - Negro - Rojo – Oro Su valor en ohmios es: 1 0 · 100 5% es decir 1000 Ω (margen de error de la magnitud medida).
5% de tolerancia
Asociación de Receptores Cuando en un circuito tenemos varios receptores tendremos varias posibilidades de colocarlos, según su situación, estos tendrán un comportamiento diferente: Asociación en Serie Los receptores están colocados seguidos, uno tras otro, en el mismo cable o conductor. Dicho de otro modo, para pasar de un punto a otro del circuito (polo – al polo +), la corriente eléctrica se verá en la necesidad de atravesar todos los receptores.
La intensidad de corriente en todos los puntos del circuito, de modo, que el número de electrones que pasa por el circuito es igual al que pasa por la resistencia y por la lámpara del ejemplo anterior: I = I1 = I2 La diferencia de potencial entre los polos del generador es la suma de los diferentes potenciales aplicados a cada receptor: V = V1 + V2 El cálculo de la resistencia total o equivalente (resistencia a la equivaldría una solo resistencia formada por los receptores) del circuito sería la suma de todas las resistencias (todos los receptores dificultan en alguna medida el paso de la corriente, luego son resistencias). R = R1 + R2
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Cuando tenemos lámparas o bombillas asociadas en serie, se reparte la tensión del generador y lucen con baja intensidad. Si la bombilla se quita o se funde, la corriente se interrumpe y todas dejan de lucir. Asociación en Paralelo o Derivación Los receptores están colocados en distintos cables, de modo que la corriente eléctrica, los electrones, tendrán varios caminos para ir desde el polo negativo al positivo.
La intensidad total del circuito será igual a la suma de las intensidades que pasan por lo receptores, ya que al tomar varios caminos el número de electrones se dividen entre esos caminos (no siempre en igual número): I = I1 + I2 Las diferencias de potencial aplicadas a cada uno de los receptores son iguales: V = V1 = V2 La resistencia equivalente se calcula mediante la fórmula:
Si las lámparas son iguales todas lucen con la misma intensidad. Cuando una lámpara se quita o se funde, el resto continúan luciendo, ya que la corriente puede tomar un camino alternativo.
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Circuitos Mixtos Estos circuitos son una combinaci贸n de los anteriores, es decir, hay receptores asociados en serie y en paralelo
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Aparatos de Medida de las Magnitudes Eléctrica: Hemos vistos los distintos aparatos para medir las magnitudes eléctricas, aunque existe un aparato que sirve para medir todas estas magnitudes, es el polímetro.
Para medir intensidades el polímetro se deberá colocar en serie con el circuito, de manera que toda la corriente que circule por el circuito pase a través del polímetro. Para medir la diferencia de potencial el polímetro se deberá colocar en paralelo con el circuito. Para medir la resistencia de un elemento es necesario desconectarlo del circuito. Los cables del polímetro se ponen en los extremos del elemento a medir.
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La Ley de OHM A principios del siglo XIX, Georg Simon Ohm, descubrió que las tres magnitudes fundamentales de la corriente eléctrica estaban relacionadas entre si. Comprobó que un aumento de la diferencia de potencial (diferencia de electrones entre dos puntos de un conductor) suponía un aumento de la intensidad (número de electrones que circula por segundo), y que un aumento en la resistencia (oposición al paso de electrones por el conductor) suponía por el contrario una disminución de la diferencia de potencial. Basándose en estos hechos, concluyó que la diferencia de potencial y la intensidad eran directamente proporcionales (cuando aumenta uno también lo hace el otro) mientras que diferencia de potencial y resistencia eran inversamente proporcionales (cuando una aumenta la otra disminuye y viceversa). De este modo estableció una ley, conocida como la ley de Ohm:
Siendo I la intensidad medida en amperios, V la diferencia de potencial o voltaje medida en voltios y R la resistencia medida en ohmios. Esta fórmula se puede expresar en otras dos formas:
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Podemos aplicar la ley de Ohm al cálculo de las magnitudes eléctricas en un circuito: Ejemplo 1: Conectamos una pila de 4,5 voltios y vemos que pasa una intensidad de 0,75. ¿Qué resistencia tendrá el filamento de la bombilla?. R = V/I = 4,5V/0,75 A = 6 Ω Ejemplo 2: Supongamos que tenemos un motor eléctrico que posee una resistencia de 100 Ω y se conecta a una pila de 4,5 voltios. ¿Qué intensidad circulará por el circuito?. I = V / R = 4,5 V/100 A = 0,045 Ω Ejemplo 3: Tenemos una bombilla que tiene una resistencia de 4 Ω y por la que circula una intensidad de corriente de 12 A. ¿Cuál será el valor de la tensión del circuito?. V = I · R = 12 A · 4 Ω = 48 V
La Energía Eléctrica La energía es la magnitud que indica la capacidad de un cuerpo para realizar un trabajo, y se manifiesta cuando se producen transformaciones de la misma. La energía, aun siendo única se puede presentar en la naturaleza bajo diversas formas, capaces de transformarse unas en otras cumpliendo una ley fundamental, la ley de la conservación de la energía. La electricidad es la energía de más consumo en nuestro mundo, gracias a ella podemos ver la televisión, utilizar el ordenador, arrancar un automóvil, jugar a la video consola y hacer funcionar multitud de electrodomésticos y maquinaria industrial. Existe una serie de ventajas que la hacen la más utilizada: • • •
•
Es fácil de transformar en otras energías: calorífica, sonora, mecánica, luminosa. Es utilizable en cualquier rango de potencia: se puede usar desde un pequeño electrodoméstico hasta una locomotora. Es fácil de distribuir hasta cualquier punto donde se necesite: a través de una red de cables, la electricidad viaja hasta cualquier lugar donde se necesite. Es limpia y silenciosa.
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La electricidad es siempre la misma pero tiene muchos orígenes y formas de obtenerse. Para obtener electricidad necesitamos un dispositivo que sea capaz de crear dos zonas con carga eléctrica opuesta, es decir, provocar una diferencia de potencial. Hay distintas formas de hacerlo: •
Por acción magnética. Se emplea para producir electricidad el alternador:
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Central Hidroeléctrica. (Movimiento del Agua) Central Térmica. (Solar, Nuclear, Petróleo) Central Eólica. (Viento) Centrales Oceánicas. (Mareas, Olas)
Por reacción química. (Pilas, Baterías) Por acción de la luz. (Placas Solares Fotovoltaicas)
La energía eléctrica no se puede almacenar en grandes cantidades, por ello una vez producida en las centrales, debe ser transportada hasta los centros de consumo mediante una red de tendido eléctrico formado por cables conductores.
Potencia Eléctrica La potencia eléctrica es el trabajo que produce el paso de la corriente eléctrica por unidad de tiempo. Los aparatos eléctricos transforman la corriente eléctrica en otros tipos de energía: • • •
En energía mecánica, al pasar por un motor eléctrico. En calor, al pasar por una resistencia. En luz, al pasar por una bombilla.
La cantidad de cada uno de estos tipos de energía que produce la corriente eléctrica en un segundo es lo que se llama potencia. La unidad de medida es el vatio (W). La potencia eléctrica se calcula mediante la fórmula: P=V·I
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Electromagnetismo Es un fenómeno físico que combina la corriente eléctrica y el magnetismo. Algunos materiales tienen la propiedad de atraer a los metales cuando están cerca de ellos, a esta propiedad se le llama magnetismo, y conocemos a estos materiales como imanes. En la naturaleza existe un material metálica llamado magnetita que posee esta propiedad. Sin embargo el hombre puede crear imanes artificiales. Para ello se necesitan cargas eléctricas (electrones) en movimiento, es decir, una corriente eléctrica. Si enrollamos un cable de cobre esmaltado (barnizado) sobre un trozo de metal y hacemos pasar una corriente eléctrica por el cable mediante una pila, conseguimos que se convierta en un electroimán, es decir, atraerá a los metales mientras la corriente eléctrica este en circulación, cuando deje de circular, el electroimán dejará de tener propiedades magnéticas. Esta posibilidad de tener propiedades magnéticas a nuestra voluntad es muy útil para algunas aplicaciones: •
Un timbre lleva un electroimán que atrae una chapa que golpea una campana. Cuando toca la campana, desconecta el electroimán y la chapa vuelve a su estado inicial.
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Un motor eléctrico, tiene una parte fija llamada estator (formada por imanes naturales) y otra que se mueve llamada rotor, donde se encuentra un electroimán. La dinamo, construida igual que el motor, con la diferencia que ahora movemos mecánicamente el rotor y este movimiento produce electricidad. El relé, que es un tipo de interruptor que se acciona mediante un electroimán. Grúa, en las chatarrerías se utiliza un electroimán para separar las piezas metálicas del resto de materiales, se mueven estas piezas y al dejar de pasar corriente por el electroimán, este deja de tener propiedades magnéticas y las piezas metálicas caen en otro lugar.
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