Unidad 4. Electricidad y electrónica básicas. 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. 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).

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.

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). 

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) 

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.

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

Actividad 1. Utilizando la Ley de Ohm, copia y resuelve en tu cuaderno el cálculo de magnitudes de los siguientes circuitos:

• 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.

Actividad 2. Elabora un pequeño (2-3 hojas máximo) proyecto de investigación sobre medidas de ahorro energético en el hogar. 

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.

1. 1.  El Voltaje de la pila o enchufe se reparte entre los elementos del circuito.

   2.  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.

1. El voltaje de la pila o enchufe es el máximo (el valor total) para cada rama, a cambio, durará menos.

2. 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 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.

Los circuitos eléctricos constan, fundamentalmente, de cuatro grupos de elementos fundamentales, generadores, receptores, conductores, los imprescindibles, y los elementos de control.

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.

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.

Aquí tienes la ficha número II de Crocodile, para subir nota: https://docs.google.com/document/d/1VdfGrLvP_oMvnqjjNDclAQ9X_lZBrtjqgF07_YuxkT4/edit?usp=sharing 

Para ampliar: 

https://tecnoloxiatres.blogspot.com/2018/12/5-medidas-con-el-polimetro.html http://tec.amordedioscadiz.org/tec4/circuitos_elctricos.html

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...