La existencia de la electricidad es conocida desde tiempos inmemoriales, pero fue en el siglo XXVIII cuando grandes físicos de la época empezaron con su estudio. Uno de los primero fue Coulomb que empezó a experimentar con cargas estáticas.

Pero a la pregunta de que es la electricidad vamos a intentar darle respuesta: Podemos partir de un Catión (átomo al que le faltan electrones para ser estable) de hidrógeno. Este carece de electrones, al perder el único que tenia. También vamos a necesitar de un Anión (átomo al que le sobran electrones para ser estable) también de hidrógeno.

En primer lugar tenemos un catión con carga negativa y un anión con carga negativa. El catión atrae a el electrón que le sobra al anión. Además, la materia tiende a la estabilidad de ser eléctricamente neutra; todo ello repercute en que el electrón tiende a saltar del anión al catión.

Si facilitamos el proceso colocando un conductor entre ambos átomos, el electrón se mueve de uno a otro. Ya tengo la electricidad.

Por ello y simplificando, podemos decir que la electricidad es "la circulación de cargas eléctricas destinado a transportar energía".

Carga eléctrica

Hemos visto que la electricidad se basa en el movimiento de partículas cargadas por acción del campo eléctrico. Primero vamos a considerar que tenemos dos tipos de cargas: las cargas positivas (protones) que designamos con el signo "+" y las negativas (electrones) que designamos con el signo "-". Ambas tienen la misma cantidad de carga, pero su signo es opuesto.

Las cargas eléctricas generan un campo a su alrededor. Si tenemos varias cargas, sus campos interactúan siguiendo la siguiente relación:

+ + se repelen

- + se atraen

+ - se atraen

- - se repelen

Estas fuerzas son las causantes de que los electrones salgan de un Anión (carga negativa con negativa; se repelen) y que circulen hasta el Catión (carga negativa y positiva; se atraen).

La carga de un electrón (y al del protón) es muy pequeña, por lo que debemos utilizar múltiplos:

1 Culombio = 6.24 +10^18 electrones

En las expresiones matemáticas, la carga se suele expresar con la letra "q"

Con esta animación de Scratch puedes observar en que se basa la circulación de cargas eléctricas (electricidad) haciendo una similitud con otro tipo de circuitos que conocemos mucho más: los circuitos hidráulicos:

https://scratch.mit.edu/projects/113640934/

Componentes de un circuito eléctrico

Esquema de componentes

Lo primero que vamos a utilizar es un mapa conceptual a modo de esquema para reflejar los diferentes componentes de un circuito

Receptores:

Son elementos que transforman la energía eléctrica en otro tipo de energía (mecánica, lumínica, calorífica,...) Son los encargados de consumir energía y aportar el trabajo que necesitamos. Dependiendo de la transformación que necesitemos, vamos a utilizar un tipo u otro de receptor.

Los receptores se caracterizan por tener una resistencia que es la que realiza la transformación de energía.

El primer tipo de receptor es la resistencia. Este elemento se opone al paso de la corriente. Esta oposición hace que la energía eléctrica se convierta en calor

Su símbolo es:

Otro tipo de receptor es el motor. Un motor consume energía eléctrica y la convierte en energía mecánica en forma de giro en un eje. Este aparato se basa en el principio de electromagnetismo que descubrió Oerested en 1820 y la interacción entre campos magnéticos. En este video puedes conocer como funciona un motor eléctrico.

Por último decir que el símbolo de un motor es:

Seguimos ahora con las lámparas. Existen diferentes tipos, pero al más conocida es la Incandescente que funciona calentando un filamento hasta una temperatura tan alta que empieza a emitir luz (de hecho, funciona como una resistencia). Existen también las lámparas fluorescentes y las LED. El símbolo genérico para una bombilla es:

Terminamos este apartado con los altavoces, timbres y zumbadores. Todos ellos transforman energía eléctrica en sonido, pero solo los primero pueden reproducir muchos sonidos diferentes. Todos ellos se basan en el electromagnetismo. A continuación vamos ver el símbolo de estos elementos y un video que explica el funcionamiento de un altavoz y su complemento, el micrófono.

Generadores:

Son los elementos que transforman cualquier tipo de energía en energía eléctrica. Son los encargados de aportar energía al circuito eléctrico.

Podemos distinguir dos tipos de generadores:

- Alternadores: Reciben un movimiento de giro y lo convierten en corriente alterna.

- Dinamos: Reciben un movimiento de giro y lo convierten en corriente continua.

- Pilas o baterías: Convierten reacciones químicas en corriente continua.

- Paneles fotovoltaicos: Convierten energía luminosa en corriente continua.

Vamos a ver como funciona un generador eléctrico con este video

Conductores

Son los elementos de un circuito encargados de transportar la energía eléctrica. Además permiten la interconexión de otros elementos de un circuito.

A un conductor eléctrico se le pide que tenga muy poca resistencia para que pueda transportar grandes cantidades de energía y produzca pocas pérdidas de energía.

Como los materiales más conductores tenemos principalmente los metales, destacando el Cobre (Cu), el Aluminio (Al), el Oro (Au), la Plata (Ag) y el Platino (Pt).

Por razones económicas (son materiales muy caros) solo vamos a utilizar los dos primeros para transporte de energía.

- Cobre. Metal muy dúctil y maleable. Es muy bien conductor con una resistividad de 0.0179 ohm m/mm². Se utiliza en cables eléctricos de viviendas, comercios e industrias y para electrodomésticos y en electrónica. Por su peso específico es muy elevado, por lo que no se puede utilizar en tendidos eléctricos. Además se degrada fácilmente y su óxido es toxico. También decir que es un material algo escaso, lo que eleva su precio. Se utiliza en instalaciones de viviendas, empresas, colegios, fabricas, juguetes, electrodomésticos, ….

- Aluminio. Metal también muy dúctil y maleable. Es un poco peor conductor que el cobre (su resistividad es de 0.028 ohm m/mm²). Su grandes ventajas con su bajo peso específico y su escasa degradación, por lo que utiliza mucho en tendidos eléctricos a la intemperie. Además es mucho más abundante que el cobre y algo mas económico. se utiliza en tendidos eléctricos y en instalaciones de enlace de los suministros con la redes generales de alimentación.

Control y protecciones:

Estos elementos están destinados a controlar el funcionamiento de los circuitos eléctricos, así como su protección. son los siguientes:

- Interruptor. Su misión es permitir/impedir el paso de la corriente. Por ello tiene dos posiciones, la de conectado y la des desconectado. Tiene solo dos terminales que une o separa en su interior.

- Pulsador. Es casi igual al interruptor, pero una de las dos posiciones no es fija, o sea, cuando dejamos de mantener presión sobre él, vuelve a la posición inicial.

- Conmutador. Tiene en común con un interruptor en que tiene dos posiciones, pero ahora hay un terminal más. En un posición une un terminal común con uno de los demás terminales y en la siguiente posición une este terminal común con el que quedaba. Su símbolo es el siguiente.

Podemos controlar un receptor desde dos puntos con estos mecanismos:

- Cruzamiento. También dispone de dos posiciones, pero tiene 4 terminales. En una posición une dos a dos y, cuando lo accionamos, cambia las conexiones entre ellos. Su símbolo es el siguientes:

Podemos controlar un receptor desde tres puntos con estos mecanismos:

Podemos añadir puntos de control intercalando cruzamientos entre los dos conmutadores

Instrumentos de medida:

Estos aparatos sirven para comprobar las magnitudes eléctricas de los diferentes circuitos. Vamos a ver cuales son y como se conectan:

Voltímetro:

Este aparato sirve para comprobar voltajes de un circuito. Para ello dispone de dos extremos que conectaremos en paralelo del lugar donde queremos comprobar:

Amperímetro:

Con este aparato podemos conocer la intensidad que circula por un conductor. También dispone de dos extremos, pero en este caso se conecta en serie

Óhmetro:

Permite conocer la resistencia que opone al paso de la corriente de un elemento. Se conecta de la misma forma que el voltímetro, pero NO PUEDE ESTAR CONECTADO a ningún generador, ni él ni ninguna otra parte del circuito. Por ello tenemos que desconectar antes.

Vatímetro:

Con este aparato conoceremos la potencia de un circuito. Este aparato es un poco más complicado, ya que tiene 4 conectores. Es la unión de un amperímetro y un voltímetro, así que se conecta como ambos aparatos:

Contador:

Seguro que tienes uno de ellos en casa, ya que permite facturar la energía que se consume.

Este aparato permite conocer la energía que pasa por un conductor. Se conecta igual que un vatímetro:

Aqui tienes un cuadro-resumen

Magnitudes eléctricas

Empezamos definiendo que es una magnitud: Es cualquier parámetro (cosa) se puede medir. En electricidad existen multitud de parámetros que podemos medir, pero en este apartado nos vamos a centrar en los fundamentales que son: VOLTAJE, INTENSIDAD Y RESISTENCIA:

Voltaje: Es la energía que hace que una carga pase de una lugar a otro. Se mide en Voltios (en memoria del científico Volt que inventó la primera batería). Son sinónimos tensión o fuerza electromotriz.

Intensidad: Mide la cantidad de carga que circula por unidad de tiempo. Se mide en Amperios (En memoria del científico francés Ampere).

I=q/t

Resistencia: Mide la oposición de un material al paso de la corriente. Se mide en Ohmios (en memoria del científico alemán Ohm).

Energía: Es la capacidad que tiene un sistema de producir trabajo, movimientos, etc. En el sistema internacional se mide en julios.

Potencia: Cantidad de energía que es capaz de transformar un elemento por unidad de tiempo. Da una idea de la facilidad o velocidad con la que realiza dicho cambio (a más potencia, mas energía es capaz de transformar en el mismo tiempo). Su unidad en el vatio (por el científico americano Watt).

E=Pxt

Vamos a mostrar un cuadro resumen con todas estas unidades y sus principales características:

Ley de ohm

El científico almenan Ohm, tras numerosos experimentos, llego a la conclusión de que tres de las magnitudes fundamentales de la electricidad están íntimamente relacionadas. Llegó a la conclusión de que la tensión en un circuito es directamente proporcional a la intensidad que circula por él y a la resistencia de los componentes en el conectados. Podemos expresarlo matemáticamente así:

V=RxI

Vamos a usar un simulador como Crocodile Clips para comprobar los resultados

Esto permite que,conocidos dos de estos parámetros, podemos calcular el tercero. Esta ley que arte de un circuito básico con un generador y un receptor, te puede (y así sucede) utilizar en multitud de situaciones en el estudio de circuitos.

Potencia y energía

Vimos en un apartado anterior que es la energía. Ahora vamos a centrarnos en como calcularla: Para ello decir que la energía es el producto de la tensión por la cantidad de carga que circula por un circuito:

E=Vxq

La energía resultante se expresa en julios, si ponemos la tensión en voltios y la carga en culombios. De la expresión para calcular la intensidad podemos deducir que:

q=Ixt

Que sustituimos en la primera expresión:

E=VxIxt

Tenemos que colocar la tensión en voltios, la intensidad en amperios y el tiempo en segundos; ello nos da la energía en julios.

El julio es una unidad muy pequeña para medir la energía eléctrica, por lo que recurrimos a un múltiplo: El kilovatiohora. Vamos a ver como se calcula:

E=VxIxt/1000

En esta expresión lo único que cambia es que hay qe poner el tiempo en horas. Podíamos calcular la equivalencia entre el julio y el kilovatiohora:

1kwh=3600000 julios

Seguimos a continuación con la potencia. De la fórmula vista en el apartado anterior y la de la potencia podemos decir que:

P=E/t=VxIxt/t=VxI

La potencia asi calculada se expresa en vatios (w) cuando ponemos la tensión en voltios y la intensidad en amperios. Tenemos un múltiplo que es el kilovatio:

1kw=1000w=VxI/1000

Tipos de circuitos eléctricos

Circuitos serie

En este circuito podemos colocar diferentes generadores y receptores. Para su conexión tenemos que tener en cunta que el final de un elemento se conecta con el principio del siguiente sucesivamente, Veremos como:

Vamos a dar una serie de características propias de este circuito:

- La intensidad es constante. Como no hay ningún camino por donde la corriente se pueda bifurcar, esta siempre es constante.

- La tensión no es constante. de hecho depende del receptor o generador que conectemos. Lo que si se cumple es que la suma de la tensión de los generadores es igual a la que se pierde en cada uno de los receptores.

- La resistencia total es la suma de las resistencias de todos los receptores.

Con todo ello, podemos calcular todos los parámetros de un circuito. Vamos un ejemplo.

Para comprobar los resultados, vamos a utilizar a un simulador como Crocodile Clips. En la imagen siguiente aparece la simulación:

Además podemos calcular la potencia de cada elemento y la energía que consumen si nos dan el tiempo que están funcionando.

Circuitos paralelo

Ahora podemos asociar diferentes elementos, pero iremos todos los principios de cada elemento con todos los finales de cada elemento. Podemos verlo en la siguiente imagen:

Vamos a dar una serie de características propias de este circuito:

- La intensidad no es constante. Como hay caminos por donde la corriente se pueda bifurcar, esta depende del receptor que atraviese.

- La tensión es constante. A todos los elementos llega la misma tensión. si queremos asociar diferentes baterías en paralelo, todas deben tener la misma tensión.

- La inversa de resistencia total es la suma de las inversas de resistencias de todos los receptores.

Con todo ello, podemos calcular todos los parámetros de un circuito. Vamos un ejemplo.

Vamos a ver los resultados en Crocodile Clip:

Circuitos mixto

Un circuito mixto es la unión aleatoria de rectores. Para calcularlos, siempre iremos reduciendo circuitos en serie y paralelo hasta obtener una resistencia equivalente. La metodología es la misma que en matemáticas cuando tenemos paréntesis, Primero calculamos los más sencillos hasta calcular la expresión completa.

Existen infinidad de posibilidades, pero nosotros vamos a ver los dos ejemplo mas sencillos. En este primer caso asociamos primero las resistencias en paralelo y después estas las asociamos en serie con la tercera. Aqui tenéis un ejemplo:

Como en los anteriores, vamos a hacer una simulación para comprobar los resultados

Tenemos muchos mas tipos de circuitos paralelo, pero también vamos a ver otro caso bastante sencillo. Veamos su conexión

Este circuito se soluciona como el anterior, asociando primero las dos resistencias en serie y después estas con la resistencias en paralelo. ¿Te animas a probar a resolverlo? Inténtalo¡¡¡¡¡¡ Para saber si lo has hecho bien a continuación tiene las simulación con los resultados

Para diferenciar los principales tipos de conexiones eléctricas así como están relacionadas las magnitudes eléctricas proponemos al siguiente animación de Scratch.

En el siguiente enlace puedes observar una analogía entre los circuitos eléctricos y los circuitos hidráulicos:

https://scratch.mit.edu/projects/113781808/

También tenemos otra animación que permite observar como cambian las magnitudes características (Voltaje e Intensidad) en función del tipo de circuito

https://scratch.mit.edu/projects/113049324/

Instrumentos de medida. Uso

En el apartado sobre su descripción aparece su conexión. Pero existe un aparato que puede hacer diferentes medidas, llamado polímetro, multímetro o tester. Veamos como utilizarlo con este vídeo (utilizarlo siempre con la supervision de tu profesor o un adulto):

EJERCICIOS RESUELTOS

Page updated

Report abuse