Tema 2. Electricidad: principios de corriente, circuitos y leyes

La corriente eléctrica

TEMA 2. ELECTRICIDAD.

1. La corriente eléctrica. La electricidad es una forma de energía y la corriente eléctrica se define como el movimiento ordenado de electrones a través de un medio material.

No todas las sustancias permiten la circulación de electrones libres. Podemos dividir los materiales en tres tipos, dependiendo si permiten la circulación de cargas eléctricas o no:

• Conductores: permiten la circulación de electrones libres. Los mejores conductores son los metales.
• Aislantes: no permiten la circulación de cargas eléctricas libres. Son aislantes la madera, el plástico, el aire, la cerámica y el vidrio.
• Semiconductores: algunos materiales no son ni conductores ni aislantes, pero pueden ser lo uno o lo otro dependiendo de las condiciones en las que se encuentren. Algunos de ellos son actualmente esenciales en la fabricación de componentes electrónicos. El más utilizado es el silicio (Si).

Hay dos clases de corriente eléctrica y cada aparato eléctrico o electrónico necesita la suya:

• La corriente continua (CC), en la que los electrones circulan siempre en el mismo sentido. Es la producida por pilas, baterías, dinamos y células fotovoltaicas.
• La corriente alterna (CA), en la que los electrones cambian constantemente su sentido de circulación. Es la producida por los alternadores.

V t Corriente continua Corriente alterna

En este tema sólo vamos a tratar la corriente continua.

Circuitos eléctricos

1.1 Circuitos eléctricos. Un circuito eléctrico es un recorrido cerrado de un material conductor por el que circulan las cargas libres y que consta de un generador, un receptor y elementos de control y de protección.

• el material conductor suele ser un hilo de cobre.
• el generador es un dispositivo que suministra a los electrones la energía necesaria para su movimiento ordenado. Puede ser una pila, una batería o un alternador.
• el receptor es un dispositivo que convierte la energía eléctrica, la que llevan los electrones en su movimiento, en otro tipo de energía. Por ejemplo:
• una bombilla, que convierte la energía eléctrica en luminosa.
• un timbre o zumbador, que convierte la energía eléctrica en energía sonora.
• un motor, que convierte la energía eléctrica en energía mecánica.
• una resistencia, que convierte la energía eléctrica en energía calorífica.
• el elemento de control más simple es el interruptor.

Para su representación se utilizan símbolos:

Generador (pila) Receptores Elementos de control Interruptor Resistencia Bombilla Motor Zumbador

+ = M

Un ejemplo simple sería:

+ Generador Generador Interruptor f.e.m. = 9 V O Receptor Bombilla Conductores

Magnitudes eléctricas

2. Magnitudes eléctricas. Diferencia de potencial (d. d. p.) Para que las cargas circulen por un circuito eléctrico necesitan energía para hacerlo. La energía necesaria para que las cargas circulen es suministrada por los generadores. Se conoce como diferencia de potencial, tensión o voltaje a la energía que el generador suministra a una carga para moverla entre dos puntos del circuito. Se suele representar por la letra V y se mide en voltios ( V) en el Sistema Internacional.

Interruptor +Los generadores tienen dos puntos, llamados bornes o polos, que presentan una diferencia de potencial. Son el polo positivo (+) y el polo negativo (-) del generador. Recordemos que su símbolo en un esquema eléctrico es el siguiente:

Cuando los dos polos se conectan formando un circuito eléctrico, se toma por convenio que el sentido de movimiento de las cargas es del polo positivo del generador al polo negativo.

Intensidad de corriente

Intensidad de corriente La intensidad de corriente eléctrica es la cantidad de carga eléctrica que pasa cada segundo por la sección de un conductor. Se representa por I y su unidad es el amperio (A).

Resistencia eléctrica

Resistencia La resistencia eléctrica es una medida de la oposición que presenta un dispositivo eléctrico al movimiento de los electrones a través de él. Esta oposición se debe a las colisiones de los electrones que se mueven por el conductor con los átomos que encuentran a su paso. La resistencia se mide en una unidad llamada ohmio (que se simboliza con la letra griega omega mayúscula £2). La resistencia eléctrica de un dispositivo depende de varios factores:

• El tipo de material del que esté hecho. El cobre o el aluminio tienen una resistencia muy pequeña; en cambio, los aislantes tienen una resistencia muy elevada.
• La longitud del dispositivo.
• La sección (el grosor) del dispositivo.

Esta dependencia se simboliza en la siguiente expresión:

R = p15

donde L es la longitud del conductor, S su sección y p es una constante propia de cada conductor que se denomina resistividad. En el siguiente enlace, puedes ver valores de la resistividad para algunos materiales.

A más sección menos resistencia A menos sección más resistencia Cuanta más longitud, más resistencia Cuanta menos longitud, menos resistencia

Ley de Ohm

3. Ley de Ohm "La intensidad de corriente que circula por un circuito es directamente proporcional a la tensión aplicada e inversamente proporcional a la resistencia que presenta el circuito".

I = V R

En la siguiente animación puedes ver cómo varía la intensidad cuando variamos el voltaje y la resistencia. https://www.educaplus.org/game/ley-de-ohm

Para comprender mejor los conceptos explicados en este apartado, puedes ver el siguiente video donde se explican comparando un circuito eléctrico con un circuito hidráulico. https://www.youtube.com/watch?v=0ILuCAUzNWI&feature=youtu.be

Energía eléctrica consumida

4. Energía eléctrica consumida por un circuito La energía que un generador produce para mantener una corriente es consumida por los receptores. Esta energía puede ser transformada en diferentes tipos de energía dependiendo del tipo de receptor:

• Motores: transforman la energía eléctrica en mecánica de rotación.
• Lámparas: transforman la energía eléctrica en energía luminosa.
• Radiadores: transforman la energía eléctrica en calor.

Cuando una corriente I fluye por un circuito eléctrico, bajo una tensión V, la energía consumida por el circuito en un tiempo determinado t se expresa de la siguiente manera:

ENERGÍA = TENSIÓN x INTENSIDAD x TIEMPO

E = V . I. t

Aplicando la ley de Ohm, V = I·R, podemos poner que la energía consumida por el circuito se expresa:

ENERGÍA = INTENSIDAD 2 x RESISTENCIA x TIEMPO

E=I2. R. t

La energía se mide, en el sistema internacional, en julios (J).Una unidad de medida muy utilizada para medir la energía eléctrica es el Kwh.

Potencia eléctrica

5. Potencia eléctrica Si expresamos la energía que suministra el generador por segundo tenemos la potencia eléctrica que ofrece el generador. Así, podemos definir la potencia de la siguiente manera:

"La potencia eléctrica es la energía que proporciona el generador a los electrones cada segundo o la energía que consume un dispositivo conectado a un circuito cada segundo."

Como hemos visto arriba, la energía en un circuito eléctrico se calcula E = V · I · t. Si dividimos la energía que se pone en juego en el circuito entre el tiempo que está circulando la corriente tenemos la expresión de la potencia:

Importante POTENCIA = VOLTAJE x INTENSIDAD

P = VxI

Su unidad de medida de la potencia es el watio (W), aunque se emplea con mucha frecuencia su múltiplo, el kilowatio (kW).

ATENCIÓN: No confundas el kW·h con una unidad de potencia, pues es el producto de potencia (kW) por tiempo (h), luego es una unidad de energía (recuerda que E = V · I · t = P.t)

Ley de Joule

6. Ley de Joule. Los electrones que recorren el circuito adquieren energía del generador, pero la pierden en choques con los átomos del conductor, en forma de calor irradiado al ambiente. La ley de Joule nos dice que el calor generado al atravesar una corriente I, un conductor de resistencia R durante un tiempo t :

Q = 12 . R . t

Se puede observar en la animación siguiente: https://proyectodescartes.org/EDAD/materiales didacticos/EDAD 3eso electricidad aplicaciones- JS/3q12 contenidos 1b.htm

Tipos de circuitos y conexiones

7. Tipos de circuitos: conexiones Por complicado que pueda llegar a ser un circuito eléctrico solo hay dos modos básicos de conectar componentes en un circuito: conexionado en serie o conexionado en paralelo.

C 9V 9V O OV 9V -0 2 bombillas en serie 2 bombillas en paralelo 2 pilas de 9 V en serie 2 pilas de 9 V en paralelo

• En serie, si se pone un componente detrás de otro, solo hay un único camino para el paso de la corriente.
• En paralelo, si se conectan los componentes formando ramas separadas, sí hay diferentes caminos para el paso de la corriente.

Solo estudiaremos las asociaciones en serie.

Dos o más elementos de un circuito están asociados en serie si están conectados de modo que la corriente pase por todos ellos, uno a continuación del otro.

led rojo led amarillo led verde interruptor R +

La resistencia equivalente Req en este circuito es igual a la suma de las resistencias individuales que contiene.

En un circuito serie, la resistencia total Req es igual a la suma de todas las resistencias (R1 + R2 + R3 + ... ). Si hay dos resistencias en serie, la resistencia equivalente del circuito es:

Reg= R1 + R2

La intensidad que pasa por las resistencias es la misma y se puede calcular aplicando la ley de Ohm.

En el caso de dos resistencias en serie:

I = R V eq R1 + R2 V

Por otra parte, la tensión que suministra la pila se reparte entre cada elemento del circuito:

V=V1 + V2