Materia : Manejo de Circuitos Eléctricos Básicos

Ing. Luis Ángel Zúñiga Banda

¿Para qué ha servido la electricidad? La electricidad es la forma de energía más utilizada, debido a que puede transmitirse a gran distancia, se puede almacenar, y sobre todo, se puede transformar en otras energías y viceversa. Todo esto ha influido en la mejora de nuestra calidad de vida con avances tecnológicos como son: iluminación de viviendas, la TV., ordenadores, móviles, relojes, coches, industrias, y multitud de factores de nuestra vida que se pueden saber simplemente comparándolo con el modo de vida de hace 100 años

Un poco de historia. Hace más de 2000 años que los griegos descubrieron la electricidad, al frotar ámbar* con un trozo de tela, atrayendo pequeños trozos plumas, etc., de hecho la palabra “electricidad” deriva de la palabra griega “ámbar”. En 1749 se dio el primer gran paso cuando Benjamín Franklin analizó diminutas chispas de cuerpos cargados y gigantescas chispas de los rayos, hablando de flujo eléctrico y cómo se podía transferir de un lugar a otro, es decir, la corriente eléctrica. A partir de ahí hubo grandes descubrimientos, uno tras otro, hasta nuestros días, y sus diferentes aplicaciones, sobre todo en la electrónica.

¡Electricidad! ¿Cómo? Al frotar un globo o boli de plástico con una tela, se dice que se ha cargado de electricidad, es decir, que con el rozamiento se ha perdido o ganado electrones, y por tanto al acercarlo a un cuerpo en equilibrio de cargas, por ejemplo un trocito de papel, es atraído por el boli, o también puede hacerlo ¡la tela!.

La materia está constituida de átomos, y éstos a su vez de electrones (), protones (+) y neutrones (neutro), estableciéndose diversos tipos de cargas en los cuerpos: negativas (más electrones que protones), cargas positivas (menos electrones que protones), y sin carga (mismo nº de electrones que de protones), por lo que los átomos se atraen (diferente carga) o repelen (misma carga) entre sí. Los únicos que se mueven en un átomo son los electrones, y el flujo de estos electrones de un átomo a otro, es la electricidad.

DEFINICIÓN DE ELECTRICIDAD..

Definición:

Forma de energía basada en que la materia posee cargas positivas (protones) y cargas negativas (electrones), que puede manifestarse en reposo, como electricidad estática, o en movimiento, como corriente eléctrica, y que da lugar a la luz, el calor, los campos magnéticos, los movimientos y aplicaciones químicas.

¿Cómo se manifiesta la electricidad?

Se manifiesta de tres formas fundamentalmente:

Electrostática : cuando un cuerpo posee carga positiva o negativa, pero no se traslada a ningún sitio. Por ejemplo frotar un bolígrafo de plástico con una tela para atraer trozos de papel.

Corriente continua (CC) : Cuando los electrones se mueven siempre en el mismo sentido, del polo negativo al positivo. Las pilas, las baterías de teléfonos móviles y de los coches producen CC, y también la utilizan pero transformada de CA a CC, los televisores, ordenadores, aparatos electrónicos, etc.

Corriente alterna (CA) : No es una corriente verdadera, por que los electrones no circulan en un sentido único, sino alterno, es decir cambiando de sentido unas 50 veces por segundo, por lo que más bien oscilan, y por eso se produce un cambio de polos en el enchufe. Este tipo de corriente es la utilizada en viviendas, industrias, etc., por ser más fácil de transportar.

Ejemplos de utilización de los tipos de corrientes: Hay elementos como las bombillas de casa, motor eléctrico de la lavadora, etc., que funcionan directamente con la corriente alterna (CA). Las bombillas de casa en realidad no iluminan constantemente sino que se encienden y apagan 50 (60 en EEUU) veces en un segundo debido a la alternancia de la polaridad, solo que nuestros ojos no lo perciben.

En cambio las bombillas de una linterna iluminan constantemente al ser alimentada por unas pilas de corriente continua (CC), o como los aparatos electrónicos como la televisión, ordenadores, que aunque se conecten a CA, transforman esa corriente a CC, mediante un transformador o fuente de alimentación para funcionar. Cuando se cargan los teléfonos móviles también se utiliza un transformador (voltaje) + rectificador (polaridad) para pasar la CA a CC.

El efecto magnético ¿Cómo se puede conseguir un imán? Enrollando un conductor a una barra metálica, y haciendo circular una corriente eléctrica, es decir, un electroimán. Otra actividad: acerca la aguja de una brújula (que es un imán) a un cable eléctrico. ¿Se desvía? ¿Por qué? Sí, se desvía. Porque la corriente eléctrica que atraviesa dicho cable genera a su alrededor un campo magnético, que atrae la aguja de la brújula.

El efecto dinámico consiste en la producción de movimiento, como ocurre con un motor eléctrico.

El efecto químico es el que da lugar a la carga y descarga de las baterías eléctricas. También se emplea en los recubrimientos metálicos, cromados, dorados, etc., mediante la electrolisis.

CÓMO SE GENERA LA ELECTRIICIDAD

La electricidad es una energía, y lo único que hacemos es transformar una energía mecánica (pedalear en una bici / caída de agua de unas cataratas) mediante un dispositivo (dinamo / turbinagenerador) en energía eléctrica, o transformar energía química (compuestos químicos de una pila que reaccionan transfiriendo electrones de un polo a otro) a energía eléctrica. También hay otros sistemas de generación de energía eléctrica como son: energía solar mediante paneles fotovoltaicos, energía eólica mediante aerogeneradores, etc.

¿Qué es lo que se pretende al generar la electricidad?

Lo que se pretende es “expulsar” a los electrones de las órbitas que están alrededor del núcleo de un átomo. Para expulsar esos electrones se requiere cierta energía, y se pueden emplear 6 clases de energía:

a) Frotamiento: Electricidad obtenida frotando dos materiales.

b) Presión: Electricidad obtenida producida aplicando presión a un cristal (Ej.: cuarzo).

c) Calor: Electricidad producida por calentamiento en materiales.

d) Luz: Electricidad producida por la luz que incide en materiales fotosensibles.

e) Magnetismo: Electricidad producida por el movimiento de un imán y un conductor.

f) Química: Electricidad producida por reacción química de ciertos materiales.

Dinamo (bicicleta) o alternador (automóvil)

Estas máquinas están compuestas por una parte móvil que gira, llamada rotor y una fija o estática llamada estator. El rotor se compone de unas bobinas de hilo de cobre que giran con el eje. El estator es un imán o electroimán que está fijo y que rodea al rotor.

Al girar el eje de la máquina, el imán crea sobre estas bobinas un campo magnético variable induciendo una tensión en los terminales de las bobinas. Esta tensión se saca fuera de la máquina por medio de unas escobillas o anillos rozantes.

También puede encontrarse una construcción inversa, es decir, el imán en el eje o rotor y la bobina en el estator. Esta tensión generada en la máquina puede ser continua o alterna, según la construcción o el montaje de los anillos rozantes.

¿Qué es y cómo funciona una dinamo?

Es un Generador eléctrico formado por una bobina de cable de cobre barnizado (¿porqué barnizado?) arrollada en un núcleo de hierro dulce ( no de acero) que gira dentro de un campo magnético producido por un imán situado alrededor de ella y que cuando gira transforma la energía cinética que recibe en energía eléctrica continua.

Por ejemplo: un dinamo es lo que nosotros llevámos en las bicicletas y que cuando lo ponéis en contacto con la rueda cuando se está moviendo y tiene energía cinética, ésta hace girar el eje en torno al cual está arrollado el bobinado de cobre formando un electroimán que gira dentro del campo magnético del imán de la dinamo, transformando así la energía cinética de la rueda de la bicicleta en la energía eléctrica necesaria para que las lámparas de vuestro "bólido" se enciendan.

Aplicaciones de la ley de Ohm

Circuito en serie

Circuito en paralelo

Circuito mixto

Circuito en serie

En ese ejemplo la bombillas lucen menos porque les llega menos intensidad al estar en serie, y si se funde una, hay corriente y el circuito falla.

Resistencias en serie

En una conexión de resistencias en serie se verifica la siguiente ecuación

R = R1 + R2 + R3

Circuito en paralelo

En este ejemplo al estar conectadas en paralelo lucen con la misma intensidad y además, si se funde alguna, el resto puede seguir luciendo porque sigue habiendo corriente por las otras ramas

Resistencias en paralelo

En una conexión de resistencias en paralelo se verifica la siguiente ecuación

321

1111

RRRR

Circuito mixto

Combinación de serie y paralelo

Circuito mixto Otros ejemplos de circuitos mixtos

Resistencias mixto

Se mezclan las dos formulas anteriores para poder hallar la resistencia equivalente: El equivalente del paralelo son 5k, que sumada con los otros 10 k hacen un total de 15k.

Corriente alternaLa corriente eléctrica es el movimiento de

electrones libres a lo largo de un conductor que está conectado a un circuito en el cual existe una diferencia de potencial.

En tanto exista una diferencia de potencial, fluirá corriente, cuando la diferencia de potencial no varìa, la corriente fluirà en una sola direcciòn, por lo que se le llama corriente contìnua o directa (C.C. o C.D.).

El otro tipo de corriente que existe se llama corriente alterna (C.A.) ya que cambia constantemente de dirección, tal como se indica en la ilustraciòn a la izquierda. La corriente en todo circuito fluye del terminal negativo hacia el positivo, por lo mismo, para que haya flujo de corriente alterna la polaridad debe de cambiar su direcciòn. A las fuentes con estas caracterìsticas se les llama fuentes de corriente alterna. A los circuitos que trabajan con este tipo de corriente se les llama circuitos de C.A., a la potencia que consumen potencia de C.A.

El efecto es el mismo, no importando la direcciòn de la corriente, ejemplo: cuando por un resistor fluye una corriente, produce calor, ya sea esta directa o alterna, entonces el calor es el efecto que se producirà en el resistor, en el ciclo positivo o negativo de la corriente alterna.

La primera corriente descubierta y por lo mismo usada, fue la corriente directa (C.D.), pero en cuanto se descubrió la corriente alterna, esta fue sustituyendo a la anterior. Hoy, el uso de la corriente alterna podemos decir que es la que mayormente se usa en el mundo, aunque en algunos lugares, se sigue usando corriente directa.

La razòn de esta diferencia en el uso, se debe a que se aplica lo mismo que la corriente directa, con la ventaja que producirla y llevarla hasta los hogares es màs barato y fàcil, otra de las razones es que la corriente alterna se puede aplicar donde no lo podemos hacer con la C.D. Hay que hacer la salvedad que la corriente alterna no es adecuada para algunas aplicaciones, solamente se puede usar corriente directa, por ejemplo los circuitos de los equipos electrónicos no funcionarían con corriente alterna, por lo mismo se hace la conversiòn a corriente directa por medio de rectificadores y filtros.

Fuentes de electricidad

1.- POR INDUCCIÓN ELECTROMAGNÉTICA

2.- POR ACCIÓN QUÍMICA 3.- POR CALOR 4.- POR ACCIÓN DE LA LUZ 5.-POR PRESIÓN

DEFINICIÓN: Una fuente de electricidad es un dispositivo o mecanismo que emplea un principio o sistema para producir o generar energía eléctrica

1.-  POR INDUCCIÓN ELECTROMAGNÉTICAEl principio de la Inducción

Electromagnética es el más utilizado en la práctica para la generación de corriente eléctrica, de hecho los generadores industriales emplean este principio: las plantas hidroeléctricas, termoeléctricas, diesel-eléctricas, etc.

Consiste en hacer pasar una bobina múltiple frente a un campo magnético constante (es decir, sin variaciones), al pasar los conductores activos de dichas bobinas frente al campo magnético, estás cortan las líneas de flujo magnético en dirección perpendicular a dichas líneas de flujo, lo que induce una tensión eléctrica ó fuerza electromotriz (fem) en los conductores activos de la bobina que cortan el campo magnético y se crea una corriente de electrones a través de los conductores activos. En los generadores electromagnéticos reales se utilizan varios grupos de bobinas múltiples que permiten obtener altas tensiones de corriente eléctrica para fines prácticos.

La fuerza electromotriz inducida tendrá una dirección determinada por la Regla de la mano izquierda, como se muestra en la figura siguiente:

En donde el dedo pulgar nos indica la dirección del movimiento del conductor activo, el dedo índice nos señala la dirección del las líneas de flujo magnético y el dedo medio nos muestra la dirección de la corriente inducida en el conductor activo que corta las líneas del campo magnético, registrada la magnitud de la fem inducida por el voltímetro conectado al conductor activo.

POR ACCIÓN QUÍMICA

La siguiente fuente de electricidad, en orden de importancia, es la que utiliza la reacción química. Como su nombre lo indica se trata de un dispositivo que emplea algunas sustancias en estado líquido y otras en estado sólido, las cuales entran en reacción química (en cierta disposición física ó colocación) obteniendo como resultado una fuerza electromotriz (fem) que genera una corriente eléctrica a través de un circuito exterior conectado a los terminales de dicho dispositivo; Se trata de la pila eléctrica y el acumulador automotriz.

Existen en la práctica dos tipos básicos de pilas eléctricas, clasificadas como primarias y secundarias; la característica fundamental de las primarias es que no son recargables y se desechan y las secundarias tienen la ventaja de que son recargables ó reactivadas en su carga eléctrica; el ejemplo

más al alcance del estudiante de las pilas primarias lo constituyen las pilas secas que usan los aparatos de radio portátiles, de 1.5 y 9 voltios. El ejemplo más común de pila secundaria es el acumulador automotriz que está compuesto por varias pilas ó celdas.

EL   ACUMULADOR   AUTOMOTRIZ

Para   facilitar   la comprensión al alumno escribimos aquí la estructura del acumulador automotriz de uso en el automóvil. Consiste en introducir dos placas metálicas llamadas electrodos, una de plomo (Pb) puro poroso y otra de peróxido de plomo (PbO2) en una solución liquida llamada electrolito, consistente en unaconcentración de ácido sulfúrico al 5% diluido en agua natural ( o sea, disuelto en  agua, al 5%) formula: H2SO4 +  H2O; a cada par de placas sumergidas en el electrolito se le denomina celda; al conjunto de dos ó más celdas se le llama batería; el acumulador es una batería porque e se compone de varias celdas.

El objeto de agrupar dos ó más celdas es para obtener mayor tensión eléctrica, conectados en serie en un acumulador. El recipiente que contiene el electrolito y los electrodos puede ser de caucho endurecido o cristal para evitar la corrosión y las posibles fugas del líquido electrolito.  Al acumulador así construido se le denomina de ácido-plomo. Entre cada placa positiva  y  la  próxima   negativa   se  intercala  una  placa separadora de material aislante poroso, que puede ser de madera o cristal, con objeto de que permita el paso a través de el y que sea común para todas las placas del acumulador. Las placas positivas consisten en un enrejado o celosía de una aleación de plomo cubierto de material activo de peróxido de plomo poroso, las placas negativas son similares cubiertas de plomo puro poroso. La ecuación de descarga y carga de los acumuladores plomo-ácido cuando está en servicio, es la siguiente: 

Durante la reacción de descarga ambas placas se recubren de Sulfato de Plomo (SO4Pb) y el electrolito es rebajado por la formación de agua (H2O). Generalmente cada celda proporciona una tensión eléctrica de 2 voltios, como ya se dijo, para obtener mayores voltajes se combinan dos o más celdas conectadas en serie. La electricidad así generada se estudia por la electroquímica

POR ACCIÓN DEL CALOR

Para obtener una Fuerza Electromotriz  (fem) acompañada de una corriente eléctrica por medio de calor basta unir dos metales diferentes como el cobre y el hierro, por ambos extremos, y a una de las uniones aumentar la temperatura aplicando calor, en el extremo contrario se presentara una tensión eléctrica y corno consecuencia, un flujo de electrones, a este fenómeno se le conoce como "Efecto Termoeléctrico". Generalmente a estos empates (pares de metales térmicos como se les conoce) se les mide el voltaje generado del orden de millonésimas de voltio. A las uniones de hierro-cobre se ha encontrado que genera aproximadamente 7 micro-voltios por cada grado centígrado de diferencia entre los extremos unidos. El más usado en la práctica es la unión de cobre-constatan, que produce hasta 40 micro voltios por cada grado centígrado de diferencia de temperatura. 

POR ACCIÓN DE LA LUZ

Existen en la naturaleza algunos materiales que reaccionan a la luz en general, es decir que son sensibles a las radiaciones luminosas, tanto naturales como artificiales. A los materiales que presentan esta propiedad ó característica se les denomina foto-sensitivos. Este fenómeno consiste en que al incidir un haz luminoso sobre la superficie de un material foto sensitivo produce electricidad desalojando ó emitiendo electrones libres de su superficie, fenómeno que se conoce como desprendimiento foto eléctrico. Los materiales más usados son el cesio, el selenio, el bario, el estroncio, el litio y otros materiales alcalinos. Parte de la energía de la luz llamada fotones es transferida a los electrones libres dentro del material y los lanza fuera de la superficie del mismo, con lo que se obtiene el desprendimiento foto eléctrico, que es estudiado por la foto electricidad.

Actualmente existen tres tipos de dispositivos foto eléctricos, clasificados como: foto emisivos, foto voltaicos y foto conductivos. Entre ellos están los que Utilizan en aplicaciones de control: Un dispositivo foto eléctrico puede operar un relevador siempre que un haz luminoso caiga sobre él, dicho relevador puede abrir las puertas de un garaje automáticamente con las luces delanteras del automóvil; operar un registrador mecánico y contar los objetos que se interponen entre una fuente luminosa y la celda foto eléctrica; conectar una alarma; abrir una puerta; etc., y muchas más aplicaciones son controladas por la energía liberada por la luz.