Unidad 5. Circuitos eléctricos y electrónicos
¿Puedes imaginarte un mundo sin electricidad?. Seguro que te resultará muy complicado. De hecho, si lo piensas bien, nuestro propio cuerpo está formado por materia cargada eléctricamente y por partículas que se desplazan generando corriente eléctrica.
Podemos aprovechar la energía eléctrica en forma de luz, movimiento, calor o sonido. Además, controlando el movimiento de las partículas eléctricas, podemos desarrollar circuitos electrónicos con los que enviar y recibir información. En este tema aprenderás a distinguir entre ambos enfoques (el eléctrico y el electrónico) y conocerás los elementos que componen ambos tipos de circuitos.
- Electricidad y Electrónica. Introducción
Electricidad. Definiciones
La materia está formada por átomos constituidos por partículas cargadas negativamente (electrones) y positivamente (protones).
Entre estas partículas cargadas de diferente forma existen fuerzas de atracción o de repulsión que generan un tipo de energía llamada electricidad, que se basa en este movimiento de las partículas que tienen más carga, a las que tienen menos. Este desplazamiento de cargas se conoce como corriente eléctrica y se produce en medios o materiales conductores, aquellos que permiten e paso de la energía eléctrica por su superficie.
Los circuitos eléctricos permiten el aprovechamiento práctico de la energía eléctrica transformándolas en otras formas diferentes de energía (calor, sonido o movimiento).
Electrónica, Definiciones
La electrónica se encarga del comportamiento, y usos posibles basados en este comportamiento, de las partículas eléctricas en elementos llamados semiconductores, que son aquellos que pueden ser a veces conductores y a veces aislantes.
La electrónica puede ser analógica o digital.
Electrónica analógica es aquella en la que las diferentes magnitudes pueden adoptar cualquier valor dentro de un rango.
Electrónica digital es aquella que adopta sólo dos valores determinados valores en un rango, llamados normalmente ceros y unos (o todo o nada).
2. Corriente contínua y corriente alterna
No existe sólo un tipo de corriente eléctrica, según sus valores y sentidos, pueden considerarse varias:
Corriente contínua (CC o DC, del inglés Direct Current). Es aquella con valor (dependiendo de la capacidad en voltios de la pila o fuente) y dirección (del borne negativo al positivo) constante. Es la de las pilas y baterías, tiene menos potencia pero no necesita cables.
Corriente Alterna (CA o AC, del inglés Alternating Current). Es aquella con valor y dirección oscilante entre dos valores, dependiendo del campo magnético que la genera. es la generada por las centrales y la que usamos, a través de enchufes y cables, en nuestras casas.
3. Magnitudes eléctricas de corriente continua
Las tres magnitudes eléctricas principales que caracterizan un circuito son el voltaje, la intensidad de corriente y la resistencia. La relación entre ellas es la ley de Ohm.
Intensidad de corriente
La intensidad de corriente (I) es la magnitud eléctrica que indica el número de electrones que atraviesan la sección de un conductor por unidad de tiempo. Su unidad de medida en el Sistema Internacional es el amperio (A).
Los electrones, al ser de signo negativo, van del polo negativo al polo positivo del generador, pila o batería.
Voltaje
El voltaje (V) es la magnitud que indica la diferencia de energía eléctrica por unidad de carga que existe entre dos puntos de un circuito. Esa diferencia también se puede llamar diferencia de potencial (d.d.p.), caída de tensión o, simplemente, tensión. Su unidad de medida en el Sistema Internacional es el voltio (V).
Resistencia
La resistencia (R) es la magnitud eléctrica que indica la oposición al paso de la corriente eléctrica. Su unidad de medida en el Sistema Internacional es el ohmio (Ω).
A continuación, se adjunta un Cuadro resumen de las magnitudes fundamentales eléctricas, considerando símbolos, unidades, múltiplos y submúltiplos más usados.
Resistividad o resistencia imnata de un material
Cualquier elemento, por buen conductor que sea, presenta algo de resistencia al paso de electrones. Esta resistencia dependerá de su longitud (L) del material, de su grosor o sección (S), y, sobre todo, de las propias características del material (constitución química) o resistividad (ρ), según la fórmula.
R = ρ * L/S
Siendo:
R: valor de la resistencia (Ω)
ρ: resistividad del material del conductor (Ω·mm2 / m)
L: longitud del conductor (m)
S: sección del conductor (mm2)
Cuadro de valores de Resistividad de diferentes elementos:
A título informativo, podéis ver en la siguiente tabla los valores de resistividad de los elementos más comunes usados en electricidad, ya sean conductores, semiconductores o aislantes
Actividad 1. Busca en internet el origen de los nombres de las unidades de las magnitudes eléctricas (te adelanto que reciben el nombre de sus descubridores) y elabora un pequeño proyecto de investigación (máximo 2-3 páginas) sobre quienes dieron origen a esos nombres.
![](https://www.google.com/images/icons/product/drive-32.png)
Actividad ejemplo: Realiazada por Rosario Mavit, de 3º B. Curso 21/22
4. Ley de Ohm. Triángulo de la Ley de Ohm
Las tres magnitudes eléctricas fundamentales se relacionan por la llamada ley de Ohm, que dice así:
La intensidad de corriente que circula por un conductor eléctrico es directamente proporcional al valor de la tensión que hay entre sus extremos e inversamente proporcional al valor de su resistencia eléctrica.
I = V / R
A efectos de facilitar el cálculo, se suele utilizar el llamado Triángulo de la Ley de Ohm.
Aquí tenéis un ejercicio resuelto de cálculo de magnitudes eléctricas utilizando la ley de ohm:
Actividad 1. Utilizando la Ley de Ohm, copia y resuelve en tu cuaderno el cálculo de magnitudes de los siguientes circuitos:
5. Energía y potencia eléctrica. Ahorro energético
Energía eléctrica
En un circuito eléctrico se genera energía eléctrica cuando los electrones se desplazan por los conductores como consecuencia de la diferencia de potencial entre los extremos del circuito.
Las unidades de medida más utilizadas para cuantificar la energía eléctrica son el julio (J) y el kilovatio hora (kWh).
Potencia eléctrica
La potencia eléctrica mide la energía que consume un receptor o suministra un generador en un tiempo determinado. Se mide en vatios (W) o kilovatios (kW). Se calcula así:
P = E/t = V * I
Por otra parte, de acuerdo con la ley de Ohm, I = V / R , con lo cual:
P = V2/R = I2R
En general, todos los electrodomésticos de nuestra casa llevan indicada la potencia que consumen.
Factura de la luz: Además de impuestos y recargos, el kilowatio hora (KWh) es la medida de nuestro gasto, varía por días e incluso horas, el 25/01/2022 estaba a 0,30 €/KWh.
La potencia eléctrica (gasto) de los principales electrodomésticos de nuestra casa es la que se indica en la imagen de la derecha.
Multiplicando la potencia por el tiempo de uso y por el precio del kilowatio, obtenemos el gasto aproximado (hay que añadir impuestos y tasas) de cualquier aparato de nuestra casa.
Para ampliar: https://lucera.es/blog/cuanto-consumen-electrodomesticos
Medidas de ahorro energético
El ahorro energético es también un ahorro de dinero, pero es sobre todo un ahorro de recursos naturales para salvaguardar el medio ambiente.
Hemos de ser responsables y hacer un uso de la energía racional y moderado. Algunos consejos prácticos son:
Sustituir las bombillas incandescentes por lámparas de bajo consumo o leds.
Comprar los electrodomésticos que consuman menos energía (para ello, hay que fijarse en la etiqueta energética, como la que te presentamos al margen) y utilizarlos cuando estén totalmente llenos.
Aislar adecuadamente la vivienda, por ejemplo, con dobles acristalamientos o dobles ventanas.
Apagar siempre los aparatos electrónicos en lugar de dejarlos en modo stand by (en espera), que continúa consumiendo energía.
Actividad 2. Elabora un pequeño (2-3 hojas máximo) proyecto de investigación sobre medidas de ahorro energético en el hogar.
6.Asociación de elementos. Tipos de circuitos
Como se trató en cursos anteriores, los circuitos eléctricos pueden disponerse de tres formas difeerentes.
Disposición en serie: Un sólo circuito, rama o "camino" para todos los elementos, lo que le pase a un elemento, afecta a todos. Más sencillo, pero menos potente. Es el usado, por ejemplo en las luces de navidad.
El Voltaje de la pila o enchufe se reparte entre los elementos del circuito.
La pilas conectadas en serie (positivo con el negativo del siguiente), suman sus voltajes
Disposición en paralelo: Un circuito (entrada y salida de corriente) o "camino" para cada elemento, lo que pase a un elemento (cortocircuito, interrupción, etc) no tiene porque afectar al resto de elementos. Más complicado (un juego de cables para cada elemento). Es el usado en nuestras casas.
El voltaje de la pila o enchufe es el máximo (el valor total) para cada rama, a cambio, durará menos.
Las pilas conectadas en paralelo (positivo con positivo del siguiente) no suman los voltajes, pero estas durarán mucho más.
Disposición Mixta. Combina las disposiciones serie y paralelo, adoptando las característiccas de cada uno de ellos.
Actividad 3. Copia los siguientes circuitos en tu cuaderno, indicando los voltajes con los que lucirán las bombillas.
Nota: Los elementos verdes son voltímetros, los usaremos luego para comprobar los resultados, no debes tenerlos en cuenta para la actividad.
Actividad 4. comportamiento de elementos según el tipo de circuitos.
Actividad práctica de electricidad 1: En grupo, y con el material suministrado por el profesor, pilas, bombillas, etc, intenta reproducir en la realidad los circuitos anteriores.
Actividad práctica de electricidad 2: instala el programa crocodrile en tu ordenador de clase (si no lo tienes ya), monta los circuitos representados en la imagen anterior.
7. Componentes eléctricos y electrónicos de los circuitos
Los circuitos eléctricos constan, fundamentalmente, de cuatro grupos de elementos fundamentales, generadores, receptores, conductores, los imprescindibles, y los elementos de control.
Elementos Generadores
Son aquellos que proporcionan la energía eléctrica necesaria para el movimiento de electrones.
En corriente contínua, los generadores son las pilas, las baterías y las dinamos.
En corriente alterna, los generadores son los alternadores de todo tipo (eólicos, térmicos, mecánicos, etc).
Elementos Receptores
Son aquellos que reciben la energía de los generadores, transformándola en otro tipo de energía para su utilización (térmica, lumínica, mecánica, etc).
Elementos Conductores
Son los encargados de transportar la corriente eléctrica desde los generadores a los receptores. Se les suele llamar cables, pero además de ellos, hay muchísimos elementos y sustancias que pueden conducir la electricidad.
Elementos de Control y Protección
Se encargar de gobernar el circuito, permitiendo o no el paso de corriente, a veces, la interrupción es voluntaria, y a veces, motivada por algún peligro o falle en la seguridad de la instalación. En este grupo se encuentran los interruptores, los conmutadores, los fusibles, los magnetotérmicos, los relés...
Componentes electrónicos
Los circuitos eléctrónicos constan, además de los elementos de los eléctricos, de otros que sirven para complementarlos y para proporcionar otras funciones más avanzadas. Entre los más comunes, se encuentran las resistencias, los transistores, condensadores y diodos, conectados por cables conductores o láminas.
Resistencias (1) Limitan el voltaje de los generadores, dificultando el paso de e-, sirven para proteger el elemento al que acompañan y, a veces, generar calor. Se identifican por unas bandas de colores según un código.
Se pueden identificar mediante tabla o online.
Tabla: https://www.areatecnologia.com/electricidad/imagenes/codigo-colores-resistencias.jpg
Online: https://www.digikey.es/es/resources/conversion-calculators/conversion-calculator-resistor-color-code
Pueden ser fijas o variables (potenciómetros (2)). Algunas, alteran su valor según la luz y el calor.
Condensadores (3, 4 y 5): Permiten almacenar energía eléctrica, y soltarla luego a voluntad. Hay de muchos tipos, según su forma y material de construcción.
Transistores (6): Funcionan controlando el flujo de entrada/salida según una señal incial en su base, se utilizan como interruptor y como amplificador de señal.
Diodos (7). Los más conocidos son los Leds, permiten el paso de la corriente sólo en una dirección, de su pata + (ánodo), a la - (cátodo) y en el caso de los Leds, emiten luz.
Aparatos de medida
Son aquellos que se encargan de indicarnos los diferentes valores, útiles para el funcionamiento de cualquier circuito, de los diferentes elementos y variables, Intensidad, Voltaje (en CC y CA), continuidad, resistencia, etc.
Actívidad Polímetro: Realiza, con la ayuda del profesor, distintas medidas con el polímetro:
Corriente contínua: Voltaje de pilas, Continuidad de elementos, conductividad...
Corriente alterna (hay que tener mucha precaución), voltaje en un enchufe del aula, continuiddad en cables, etc.
Actividad Práctica de electricidad electrónica. Entra, copia y edita el documento siguiente.
https://docs.google.com/document/d/1ZYzzao6ecofGFnTiWVQRkNa6q0XekBIfg1FIR2PGkEQ/edit?usp=sharing
Aquí tienes la ficha número II de Crocodile, para subir nota: https://docs.google.com/document/d/1VdfGrLvP_oMvnqjjNDclAQ9X_lZBrtjqgF07_YuxkT4/edit?usp=sharing
Actividades finales del tema: Realiza, con ayuda del profesor, una hoja de cálculo como la de la página 133, adaptándola a tu casa. Las fórmulas deberán ser "reales", calculadas por la propia hoja de cálculo.
Nota: Precio del Kilowatio hora (kwa) estimado, 0,40 €.
Actividades Voluntarias finales, para saber (y puntuar) un poco más:
Opción 1: Sirviéndote de guía con los cuadros de las páginas del libro de texto 110, 111 y siguientes, amplía el cuadro de elementos, símbolos y función de los dispositivos electrónicos que aparecen en ellos. Puedes realizar este cuadro "a mano" o electrónicamente.
Opción 2: Realiza el montaje, corriente continua en serie, del edificio de tu diorama.
Opción 3: Proyecto Medidas de ahorro de electricidad en el Hogar/Generales.
Y aquí, las pizarras del tema...