Tema 4: Electricidad

Contenidos

Circuitos eléctricos básicos. Intensidad de corriente. Diferencia de potencial. Resistencia. Asociaciones de resistencias. Ley de Ohm. Energía y potencia eléctrica. Ley de Joule. Generación y distribución de electricidad.

Conceptos clave

• Circuitos en serie y en paralelo.
• Ley de Ohm.
• Energía y potencia eléctrica. Ley de Joule.

Objetivos del tema

• Resolver problemas de aplicación de la ley de Ohm a circuitos con resistencias en serie, paralelo y mixtos.
• Resolver problemas de aplicación de las relaciones potencia-energía.

Lección interactiva sobre electricidad: ENLACE.

Circuitos eléctricos: elementos básicos.

Haz click sobre la siguiente imagen para acceder a un pequeño tutorial sobre circuitos:

Laboratorio virtual de introducción a la electricidad:

Los elementos básicos de un circuito son los siguientes:

• Generador. Parte del circuito donde se produce la electricidad, manteniendo una diferencia de tensión entre sus extremos.
• Conductor. Hilo por donde circulan los electrones impulsados por el generador.
• Resistencias. Elementos del circuito que se oponen al paso de la corriente eléctrica .
• Interruptor. Elemento que permite abrir o cerrar el paso de la corriente eléctrica. Si el interruptor está abierto no circulan los electrones, y si está cerrado permite su paso.

Laboratorio Virtual de Circuitos

Intensidad.

La intensidad de corriente es la cantidad de carga eléctrica que transporta un conductor por unidad de tiempo:

Se mide en amperios (A), con un dispositivo denominado amperímetro.

Diferencia de potencial.

La diferencia de potencial cuantifica la diferencia de potencial eléctrico entre dos puntos. El potencial eléctrico es la energía que tendría la unidad de carga positiva en el lugar considerado. Cuando dos puntos a distinto potencial se unen por un conductor, las cargas se pueden mover por él: si son positivas lo harán del mayor al menor potencial, y si son negativas, al revés.

La diferencia de potencial se mide con un voltímetro en voltios (V).

Resistencia.

Una resistencia es todo aquel elemento que intercalado en un circuito eléctrico produce un impedimento en el movimiento de los electrones. La resistencia eléctrica se mide en ohmios (Ω).

Para los metales, la resistencia viene dada por está fórmula:

donde ρ es la resistividad del material, que es una característica del mismo, y se mide en Ω·m, l es la longitud del conductor, y S su sección, ambos medidos en unidades del SI.

Ley de Ohm.

La intensidad de corriente que circula por un circuito dado es directamente proporcional a la tensión aplicada e inversamente proporcional a la resistencia del mismo

donde, empleando unidades del Sistema internacional:

I = Intensidad en amperios (A)

V = Diferencia de potencial en voltios (V)

R = Resistencia en ohmios (Ω).

EJERCICIOS

Asociaciones de resistencias eléctricas en serie y en paralelo.

Resistencias en serie

Se dice que tres resistencias están conectadas en serie cuando el final de la primera se conecta con el principio de la segunda y así sucesivamente, de forma que solamente hay un único camino para que pase la corriente eléctrica, por lo que esta será la misma para cada una de las resistencias conectadas en serie.

En serie:
Req=R1 + R2 + R3 +....... (suma simple de las resistencias presentes, Req es R equivalente)
V=V1 + V2 + V3 +........
I1= I2 = I3=...... (la intensidad es la misma en cada componente)

Resistencias en paralelo

Las resistencias están conectadas de modo que se unen por un lado todos los principios de las resistencias y por otro lado todos los finales. En este caso se ofrecen varias trayectorias de paso para la corriente eléctrica, de forma que la intensidad de corriente que llega hasta el nudo donde comienza la asociación en paralelo, se reparte entre las distintas ramas conectadas en paralelo sin que la corriente tenga porqué ser igual en cada una de las ramas de la conexión en paralelo, para volver a confluir de nuevo en el nudo donde se unen de nuevo los terminales de las resistencias, ya que la corriente no se consume ni desaparece.

1/Req=1/R1 + 1/R2 + 1/R3 +....... (suma inversa de las resistencias presentes, Req es R equivalente)

V=V1= V2= V3 =........ (es igual para cada componente en paralelo)

I=I1+ I2 + I3+....

Efectos de la electricidad: químicos, térmicos, magnéticos y mecánicos.

La corriente eléctrica es de gran importancia y utilidad por el conjunto de efectos que produce en los conductores por los cuales atraviesa y los alrededores entre estos efectos tenemos:

• Efecto térmico: se produce cuando un conductor es atravesado por una corriente eléctrica, trayendo como consecuencia la producción de calor, tal como ocurre cuando se calienta una plancha o una calentador eléctrico o cuando se pone en funcionamiento un calentador de agua.
• Efecto químico: se produce cuando la corriente eléctrica es llevada a través de ciertas sustancias, provocando una reacción química.
• Efecto magnético: todas las corrientes eléctricas producen campos magneticos a su alrededor. Así, cuando se acerca una brújula a un conductor que transporta corriente, se observa que la aguja se desvía bruscamente de su posición.
• Efecto mecánico: los motores eléctricos son el resultado de la interacción entre electricidad y magnetismo.
• Efecto lumínico: cuando la corriente eléctrica pasa por un conductor muy fino y largo como el de las bombillas de incandescencia, se pone tan caliente que empieza a emitir luz, al mismo tiempo que calor. En los casos de los tubos fluorescentes, tubos de descarga y diodos luminosos y LEDs, el mecanismo es otro, más eficiente en estos casos, pero igualmente se transforma la energía eléctrica en lumínica.
• Efecto fisiológico: afecta a los hombres y animales y consiste en el paso de corriente a traves del cuerpo humano y de los animales originando electrocución, por ejemplo los aparatos de eletromedicina y el sacrificio por electroshock del ganado.

Potencia eléctrica.

La potencia eléctrica es la relación entre la energía que gasta un elemento del circuito y el tiempo en que ocurre eso. Se puede calcular multiplicando el voltaje a que está sometido el elemento por la intensidad que pasa por él. La unidad en el Sistema Internacional de Unidades es el watio (W).

Recordando la ley de Ohm, podemos escribir igualmente:

Efecto Joule.

Se conoce como efecto Joule al fenómeno irreversible por el cual si en un conductor circula corriente eléctrica, parte de la energía cinética de los electrones se transforma en calor debido a los choques que sufren con los átomos del material conductor por el que circulan, elevando la temperatura del mismo. 

Este efecto es utilizado para calcular la energía disipada en un conductor atravesado por una corriente eléctrica de la siguiente manera:

Producción de energía eléctrica: tipos de centrales.

En general, la generación de energía eléctrica consiste en transformar alguna clase de energía (química, cinética, térmica o lumínica, entre otras), en energía eléctrica. Para la generación industrial se recurre a instalaciones denominadas centrales eléctricas, que ejecutan alguna de las transformaciones citadas. Estas constituyen el primer escalón del sistema de suministro eléctrico. La generación eléctrica se realiza, básicamente, mediante un generador; si bien estos no difieren entre sí en cuanto a su principio de funcionamiento, varían en función a la forma en que se accionan. Explicado de otro modo, difiere en qué fuente de energía primaria utiliza para convertir la energía contenida en ella, en energía eléctrica.

• Centrales hidroeléctricas: el agua de una corriente natural o artificial, por el efecto de un desnivel, actúa sobre las palas de una turbina hidráulica. 
• Centrales térmicas convencionales: el combustible fósil (carbón, fuel-oil o gas) es quemado en una caldera para generar energía calorífica que se aprovecha para generar vapor de agua. Este vapor (a alta presión) acciona las palas de una turbina de vapor, transformando la energía calorífica en energía mecánica. 
• Centrales térmicas de ciclo combinado: combina dos ciclos termodinámicos. En el primero se produce la combustión de gas natural en una turbina de gas, y en el segundo, se aprovecha el calor residual de los gases para generar vapor y expandirlo en una turbina de vapor. 
• Centrales nucleares: la fisión de los átomos de uranio libera una gran cantidad de energía que se utiliza para obtener vapor de agua que, a su vez, se utiliza en un grupo turbina-alternador para producir electricidad. 
• Centrales eólicas: la energía cinética del viento se transforma directamente en energía mecánica rotatoria mediante un aerogenerador. 
• Centrales termoeléctricas solares: la energía del Sol calienta un fluido que transforma en vapor otro segundo fluido, que acciona la turbina-alternador que consigue el movimiento rotatorio y así, generar electricidad. 
• Centrales de biomasa o de residuos sólidos urbanos (RSU): utilizan el mismo esquema de generación eléctrica que una central térmica convencional. La única diferencia es el combustible utilizado en la caldera, que proviene de nuestros residuos.

Problemas

• Problemas de electricidad
• Problemas de electricidad v1
• Problemas de electricidad adicionales
• Problemas de electricidad adicionales bis

Bibliografía

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