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E L E C T R I C I D A D D E P A R T A M E N T O D E T E C N O L O G Í A
I . E . S . J O S É I S B E R T 1
1. LA CORRIENTE ELÉCTRICA. De todas las formas de energía que utilizamos hoy en día, la energía eléctrica es la
más versátil, cómoda y limpia en su consumo, aunque no en su
producción. La corriente eléctrica es fácil de manejar y se puede
transportar de un lugar a otro fácilmente por medio de conductores
eléctricos. No obstante, si en algo destaca la energía eléctrica, respecto a
otras, es en la facilidad con que se transforma. Existen múltiples
ejemplos de la transformación de energía eléctrica en la vida cotidiana,
entre las que destacan:
• Transformación en energía calorífica a través de un radiador eléctrico.
• Transformación en luz (radiación) a través de una lámpara.
• Transformación en energía mecánica por medio de los motores.
• Transformación en ondas sonoras por medio de los altavoces.
• etc..
Fue Edison quién descubrió en 1879 la lámpara incandescente, lo que
supuso un cambio trascendental de la vida social. Pero, ¿qué es la
electricidad?.
La materia está formada por átomos, los cuales a su
vez están constituidos por un núcleo , con protones
(partículas de carga positiva) y neutrones (partículas sin
carga), y la corteza donde están los electrones (partículas
de carga negativa) girando en órbitas alrededor del núcleo.
Normalmente, en los átomos existe equilibrio de cargas
positivas y negativas, lo que equivale a decir que el átomo
es neutro en cargas eléctricas.
Hay que considerar él átomo como algo muy, muy
pequeño, tanto que en cada mm3 de cualquier material hay miles de millones de átomos.
Imaginemos un circuito eléctrico sencillo, formado por conductores de cobre, una
lámpara que actúa como receptor y un generador eléctrico.
In t roducc ión a la E lect r ic idad
-
-
-
--
--
--
-
-
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+
+
++
+++
+ ++
+
+++
++
+
+
++
++
G
L
-+
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Como es sabido, con el interruptor eléctrico abierto (posición que tiene en la figura
anterior) no circula corriente y la lámpara está apagada. Como sabemos, los materiales de los
que está constituido el circuito, están constituidos por átomos y cada uno de ellos tendrá
electrones en sus órbitas.
Si cerramos el interruptor, convencionalmente se adopta que, el generador eléctrico
comenzará a aportar electrones al circuito, a través de su polo positivo a los átomos más
próximos al terminal de dicho generador, los átomos que reciben el electrón pasan a estar
cargados negativamente al haber recibido un electrón más, por lo que tienden a desprenderse
de ellos cediendo el electrón sobrante al átomo vecino, el cual, a su vez hará lo propio con el
que se encuentra a su lado y así consecutivamente; de esta forma se establece un flujo de
electrones a través de los conductores y la lámpara que se denomina corriente eléctrica o
intensidad .
El electrón del último átomo terminará en el terminal negativo del generador, con lo que
podemos enunciar una propiedad de los circuitos eléctricos: “Toda la corriente que sale del
polo positivo de un generador (alternador, batería, dinamo, fuente de alimentación etc…)
llega al polo negativo del generador de donde parti ó”
Ahora llega el turno de la pregunta de rigor: ¿entonces la energía del generador no se
consume?. La respuesta es que SI que se consume. Pensemos en una batería que actúa como
generador en nuestro circuito eléctrico, como es sabido, al cabo de un cierto tiempo la carga de
la batería, denominada en el argot eléctrico f.e.m. (fuerza electromotriz), ira disminuyendo y la
bombilla terminará por apagarse. Para poder aportar de nuevo electrones al circuito desde el
polo positivo habrá que ponerla a cargar, consumiendo así energía que después aportará en
forma de flujo de electrones. Si pensamos en el generador de una central hidroeléctrica, la
energía que se le aporta al generador para hacer circular los electrones a través de las líneas
eléctricas proceden de la energía del agua al hacer girar los alabes de la turbina conectada al
generador eléctrico.
En definitiva, podemos definir corriente eléctrica como el flujo de electrones qu e se
establece en un circuito eléctrico.
---
-
-
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--
--
-
-
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+
+
++
+++
+ ++
+
+++
++
+
+
++
+++
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+
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+
+ ++
+
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++ +
++
+
+
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-
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+
+
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+++
+ ++
+
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+
+
++
++
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SIMBOLOGÍA ELÉCTRICA
Resistencia variable o potenciómetro
Resistencia
Resistencia
Bobina
Bobina
Relé electromagnético
Piloto de señalización
Alarma o sirena
Lámpara
Timbre o zumbador
Final de carrera de roldana
Pulsador NC (normalmente cerrado)
Pulsador NA (normalmente abierto)
Conmutador de cruce
Conmutador
Interruptor tripolar
Interruptor bipolar
Interruptor unipolar -+
Diodo LED
Diodo semiconductor
Transistor PNP
Transistor NPN
Vatímetro
Óhmetro u Ohmímetro
Voltímetro
Amperímetro
Resistencia LDR
Motor de corriente continua
motor monofásico
Generador de corriente continua
Generador de corriente alterna
Fusible
Fuente de alimentación
Pila o batería
W
V
A+
-
M
M
G
G
-+
2 . M ATERI ALES ELÉCTRICOS Y S IMBOLOGÍ A
En función de la facilidad para conducir la electricidad, se clasifican los materiales en:
• Aislantes
• Conductores
Materiales aislantes.- Son aquellos que no conducen la electricidad, como el plástico, la
madera, el vidrio el corcho etc..
Materiales conductores.- Son aquellos que conducen la electricidad, como el oro, la plata, el
cobre, el aluminio, el estaño, etc…
Hay que hacer la salvedad en este punto, que la práctica totalidad de los metales son
conductores de la electricidad. No obstante, aunque el hierro conduce la electricidad, opone
bastante dificultad al paso de la corriente a través de él, y de ahí, que no se utilice en los
circuitos eléctricos habitualmente.
A fin de dibujar los circuitos eléctricos y electrónicos con facilidad, se han establecido
unos símbolos para los distintos elementos eléctricos y electrónicos existentes, algunos de los
cuales se pueden observar en la siguiente tabla:
3 . S ÍMIL HIDRÁULICO
En la siguiente página se describen las similitudes existentes entre un circuito
hidráulico y uno eléctrico, las cuales, resultan de gran utilidad, para entender como se
relacionan las magnitudes eléctricas fundamentales.
I . E . S . A N D R É S D E V A N D E L V I R A 4
- f.e.m. = Fuerza electromotriz- d.d.p.= Diferencia de potencial.
mayor es la dificultad para moverla).
LÁMPARA
INTERRUPTOR
PILA O BATERÍA
* Caida de tensión.* Pérdida de carga.
* Lámpara (Receptor)
* Conductores eléctricos
* Polo positivo de la pila o batería
* Interruptores
* Corriente eléctrica.
* Resistencia del filamento de la lámpara.
* Diferencia de potencial (Tensión o d.d.p.)
* Cargador de la batería.
* Resistencia de los conductores eléctricos.
* Carga de la pila o batería ( f.e.m.)
* Potencia eléctrica.
* Polo negativo de la pila o batería.
de la turbina. velocidad con que actúa sobre las paletas* Producto de la Fuerza del fluido por la
* Bomba de impulsión.
* Cantidad de agua del depósito superior.
* Diferencia de altura.
* Rozamiento del fluido en las tuberías
* Tamaño de la turbina (A mayor tamaño
* Caudal de agua
* Válvulas
* Depósito Inferior.
* Depósito superior
* Turbina
* Tuberías
CIRCUITO ELÉCTRICOCIRCUITO HIDRÁULICOSIMILITUDES ENTRE CIRCUITOS
Dife
renc
ia d
e al
tura
SIMIL HIDRÁULICO
-+
Turbina
VálvulaEntrada
Bomba de impulsión
Válvula deretención
Válvula
DEPÓSITO INFERIOR
Salida
DEPÓSITO SUPERIOR
Válvula
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I . E . S . A N D R É S D E V A N D E L V I R A 5
4. CORRIENTE CONTINUA Y ALTERNA. 4.1. CORRIENTE CONTINUA.
En electricidad existen dos tipos principales de corriente eléctrica: corriente continua
y corriente alterna .
La corriente continua es aquella cuyo valor instantáneo a lo largo del tiempo
permanece inalterable. Suele estar suministrado por pilas, baterías, dinamos, fuentes de
alimentación de corriente continua etc...
Una de las características
fundamentales de la corriente continua es
que tiene polaridad: Uno de los
conductores es el positivo (de color rojo)
y el otro el negativo (de color negro),
también llamado éste último masa. Esto
implica que los receptores deben
conectarse de acuerdo a esa polaridad, de lo contrario podríamos obtener consecuencias no
deseadas, y en el mejor de los casos que no funcionaran. Piensa por un momento en una
radio, un juguete, una camara de fotos etc.., y seguro que caes en la cuenta que las pilas o
fuentes de alimentación de esos elementos sólo se pueden conectar de una determinada
manera.
4.2. CORRIENTE ALTERNA.
Una corriente que cambie de sentido a intervalos de tiempo recibe el nombre de
corriente alterna .
La corriente que tenemos
en las bases de enchufe de casa
se denomina corriente alterna
senoidal1.
La forma de la onda
senoidal es periódica, ya que se
reproduce idénticamente en
intervalos de tiempo iguales.
1 L a c o r r i e n t e a l t e r n a s e n o i d a l e s a q u e l l a c u y o s v a l o r e s a b s o l u t o s i n s t a n t á n e o s
s o n p r o p o r c i o n a l e s a l o s q u e t o m a u n a f u n c i ó n m a t e m á t i c a d e n o m i n a d a s e n o
e n t r e 0 y 3 6 0 º .
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5. LEY DE OHM La ley de Ohm enuncia que la intensidad de un circuito es directamente proporcional a
la diferencia de potencial aplicada e inversamente proporcional a la resistencia del mismo:
donde:
Ι = Intensidad de la corriente en amperios [A]
R= Resistencia en Ohmios [Ω]
V= Tensión, Voltaje o diferencia de potencial (d.d.p) en voltios
La interpretación de la resistencia eléctrica la podemos definir como la dificultad que
ofrece un elemento al paso de la corriente a través de él.
Para el caso de la corriente eléctrica la podemos interpretar (en su analogía con la
corriente de agua) como el caudal o flujo de electrones que pasan por un deter minado
elemento eléctrico.
6.LEYES DE KIRCHOFF. 6.1. 1ª LEY DE KIRCHOFF O LEY DE LOS NUDOS.
En los circuitos eléctricos hay que añadir, a la Ley de Ohm, las formulas de las
ecuaciones que se derivan de aplicarle las leyes de Kirchoff
Para entender las leyes de Kirchoff primero vamos a definir algunos términos:
Nudo .- Es el punto de la red en que hay unión eléctrica entre tres o más conductores.
Rama.- Es el tramo de circuito comprendido entre dos nudos.
Lazo (“Malla”) .- Es la parte del circuito que puede recorrerse sin pasar dos veces por el mismo
punto, y volviendo siempre al punto de partida.
La primera ley de Kirchoff
La suma de las intensidades o corrientes que entran en un nudo
es igual a la suma de las corrientes o intensidades que salen de él.
A título de ejemplo, en la figura se cumple que:
35421 IIIII ====++++++++++++++++
6.2. 2ª LEY DE KIRCHOFF “LEY DE LA MALLAS”
Definición: La suma de cada una de las diferencias de potencial en cada uno de
los elementos que componen un circuito cerrado es i gual a cero.
Convenios: A fin de adoptar un criterio para la aplicación de las distintas fórmulas en
los circuitos eléctricos, adoptaremos los siguientes criterios:
A.- La corriente circula del punto más positivo al más negativo.
R
VI ====
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B.- Para indicar la d.d.p. en bornes de un elemento del circuito dibujaremos una flecha bajo el
elemento cuyo sentido será del punto más positivo al más negativo.
Ejemplo:
V3 es la tensión que mediría un voltímetro conectado a los extremos del receptor
(bornes G y H), estando el polo positivo del voltímetro en el borne G (Punto por donde entra la
corriente al elemento), y el polo negativo al borne H
El siguiente circuito muestra la aplicación práctica de lo indicado y las ecuaciones que
se pueden obtener de la aplicación de las dos leyes de Kirchoff.
Nudo M : 21 III ++++====
Nudo N: 531 III ++++====
Nudo O: 431 III ====++++
Nudo P: III ====++++ 54
Partiendo del nudo M, pasamos por R1, R4,R6, Pila
0641 ====−−−−++++++++ VVVV
Partiendo del nudo M, pasamos por R2, R3,R4,R6 Pila
06432 ====−−−−++++++++++++ VVVVV
Partiendo del nudo N, pasamos por R3, R4 y R5.
0543 ====−−−−++++ VVV
I
H G V 3
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I . E . S . A N D R É S D E V A N D E L V I R A 8
V
R2
+
V1
R1
V2
-
V3
R3
7. ACOPLAMIENTO DE RECEPTORES EN SERIE. 7.1. INTRODUCCIÓN
Se dice que dos o más receptores están acoplados en serie, cuando el final del primero
se conecta al principio del segundo, el final del segundo al principio del tercero y así
sucesivamente.
En una definición más científica, decimos que varios receptores están conectados
en serie, cuando por ellos circula la misma corrien te (no confundir con una corriente del
mismo valor).
Atendiendo a la figura anterior en la cual se encuentran tres resistencias conectadas en
serie, se puede deducir las siguientes particularidades de un circuito serie:
• Sólo existe una corriente que atraviesa todos los r eceptores, o si se quiere, dos
receptores están conectados en serie si la corrient e que los atraviesa es la
misma.
• En caso de que se interrumpa el circuito en cualqui era de sus puntos tanto la
corriente, como la tensión en bornes de receptores pasa a ser cero.
• La suma de las tensiones (caídas de tensión) en bor nes de los receptores es
igual a la suma del potencial de la alimentación de l circuito.
7.2. ACOPLAMIENTO DE RESISTENCIAS EN SERIE
Aplicando la segunda ley de Kirchhoff al circuito anterior obtenemos:
La fórmula nos indica que la suma de las caídas de tensión en los receptores es
igual a la tensión de alimentación del circuito .
A efectos de cálculos, los circuitos eléctricos se suelen simplificar por otros más
sencillos, pero cuyo comportamiento global es idéntico al circuito sin simplificar.
321
321 0
VVVV
VVVV
++++++++========++++++++++++−−−−
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I . E . S . A N D R É S D E V A N D E L V I R A 9
V
+ -
A
V1
R1
V2
R2
V3
R3 B A
V
+ -
Req B
En nuestro caso, vamos a calcular el valor que tendría una sola resistencia equivalente
(Req) que sustituya a las tres que están conectadas en serie en el circuito que nos ocupa. En
definitiva nuestro circuito a efectos de cálculo sería equivalente al de la siguiente figura:
Lógicamente la corriente I y la
tensión de alimentación V
será la misma en ambos circuitos.
Partiendo de la fórmula anterior y aplicando la ley de Ohm tendremos:
Con carácter general:
nRRRRq ++++++++++++++++==== .....Re 321
Es decir, en un circuito en serie la resistencia equivalente de varias resistencias tendrá el valor resultante de la suma de los valores de cada una de ellas. 8. ACOPLAMIENTO DE RECEPTORES EN PARALELO. 8.1. INTRODUCCIÓN
Se dice que dos o más receptores están acoplados en paralelo cuando, todos los
principios están conectados a un mismo punto, y todos los finales lo están en otro.
Otra forma de definirla conexión en paralelo
sería aquella en la que los receptores se
encuentran sometidas a la misma tensión o
diferencia de potencial (d.d.p.)
Atendiendo a la figura anterior en la cual
se encuentran tres resistencias conectadas en
321
321
321
321
Re
)(*Re*
***Re*
RRRq
RRRIqI
IRIRIRqI
VVVV
++++++++====++++++++====
++++++++====++++++++====
V
I
I3
A I2
I1
-+
V3
R3
V2
V1
R2B
R1
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paralelo, se puede deducir las siguientes particularidades de este tipo de circuitos:
• Las tensiones en bornes de cada uno de los receptor es es la misma.
• La corriente que atraviesa cada uno de los receptor es es inversamente
proporcional a su resistencia( a mayor resistencia menor corriente).
• Si por alguna circunstancia anulamos uno de los rec eptores, el resto seguirá
funcionando correctamente.
8.2. ACOPLAMIENTO DE RESISTENCIAS EN PARALELO.
Si aplicamos la primera ley de Kirchoff al circuito de la figura anterior, en el nudo A
tendremos: 321 IIII ++++++++====
De la misma forma que en el circuito en serie, seguidamente vamos a calcular el valor
que tendría una resistencia equivalente que sustituya a todas las que están conectadas en
paralelo entre los nudos A y B.
Si aplicamos la segunda ley de Kirchoff al circuito llegamos a la conclusión de que la
tensión en bornes de cada una de los receptores es la misma, y en este caso, igual a la tensión
de alimentación del circuito.
321
33
22
11
;0
;0
;0
VVVV
VVVV
VVVV
VVVV
====================++++−−−−========++++−−−−========++++−−−−
Así aplicando la ley de Ohm a la fórmula anterior, y sustituyendo se obtiene:
321
321321
1111
Re
111*
Re1
*Re
RRR
q
RRRV
qV
R
V
R
V
R
V
qV
++++++++====
++++++++====++++++++====
Con carácter general:
RnRRR
q1
.........1111
Re
321
++++++++++++++++====
Es decir, en un circuito en paralelo la resistencia equivalente de varias resistencias tendrá el valor resultante de la inversa de la suma de las inversas del valor de cada una de ellas NOTA: La resistencia equivalente de un circuito en paralelo siempre es menor que el valor más pequeño de las resistencias que lo componen
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9. POTENCIA ELÉCTRICA. La potencia eléctrica (P) es la cantidad de trabajo o energía desarrollada por unidad de tiempo.
IVPIVt
tIV
Tiempo
EnergíaP *;*
**================
donde: P= Potencia en vatios (W) V= Tensión o diferencia de potencial en voltios (V) I= Intensidad de la corriente en amperios (A) Si consideramos la ley de Ohm, la potencia la podemos expresar de otras dos formas:
22
22
*;****
*
;**
IRPIRIIRPIRV
IVP
R
VP
R
V
R
VVP
RV
I
IVP
============
========
============
====
====
NOTA : Si tomamos una lámpara incandescente estándar de las que utilizamos en casa, nos suelen dar los siguientes datos: Tensión de alimentación (generalmente 220/230V), Potencia (Por ejemplo 100 W) , Esto significa que si alimentamos la lámpara a 220 V la lámpara consumirá 100 W y dará una iluminación proporcional a la potencia consumida. ¿ Crees qué la lámpara consumiría también 100 W si le aplicáramos una tensión de 110 V?, acaso, ¿consumiría 50 W? , o ninguna de las otras dos. Para dar respuesta a esta pregunta ten en cuenta que la única magnitud eléctrica que se puede considerar que no “varía” es la resistencia. 10. CIRCUITOS ELÉCTRICOS BÁSICOS. A.- Mando de una lámpara mediante interruptor: B.- Mando de un timbre o zumbador mediante pulsador NA (normalmente abierto) C.- Mando de un motor de corriente continua (cc) con un interruptor.
I L 0 0 1 1
P Z 0 0 1 1
+ -
ZP
I L
-+
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MM
D.- Mando alternativo de un motor y una lámpara mediante conmutador con interruptor general
de corte.
I
L
C
M
NOTA: En el caso de los mecanismos de varias posiciones, como el conmutador, se adopta por convenio asignar estado cero al que tiene tal y como esta dibujado en el circuito
E.- Mando de una lámpara conmutada desde dos lugares.
F.- Mando de una lámpara conmutada desde tres lugares
I M 0 0 1 1
I M 0 0 1 1
I C M L 0 0 0 0 0 1 0 0 1 0 0 1 1 1 1 0
C1 C2 L 0 0 0 0 1 1 1 1 0 1 0 1
C1 C2 C3 L 0 0 0 0 1 0 0 1 1 1 0 0 0 1 0 1 0 1 1 0 1 1 1 1 1 0 1 0 0 0 1 1
C2C1 L
C3C2C1
ab
cd
c
b
aa
Lb
c
Posiciones del conmutador de cruce
Posición 2Posición 1
d
c
b
aa
b
c
d
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G.- Inversión del sentido de giro de un motor de c.c. mediante un conmutador de cruce
M
M
PROBLEMAS ELECTRICIDAD 1º) Indica al menos tres efectos (calor, sonido, movimiento etc..) que la electricidad produce, y
asócialos a electrodomésticos de tu vivienda familiar.
2ª) Indica el nombre de cinco materiales conductores de la electricidad y otros cinco que no lo
sean.
3ª) Indicar las unidades y el símbolo en que se miden las siguientes magnitudes eléctricas:
MAGNITUD ELÉCTRICA
UNIDAD SÍMBOLO
Diferencia de potencial
Intensidad o corriente
eléctrica
Resistencia eléctrica
Fuerza electromotriz
Tensión.
4º) Calcular la intensidad de la corriente que circula por un receptor de 2000 Ω de resistencia al
aplicarle una d.d.p de 200 V.
5º) Calcular la resistencia de una bombilla por la que circula una corriente de 1,25 A y 200 V.
6º) La resistencia de una bombilla de 3,5 V como las que se usan en el aula-taller es
aproximadamente 17,5 ohmios. Si conectamos esta bombilla a una lámpara de 4,5 V ¿Qué
intensidad de corriente circula por la bombilla?.
7ª) Indica las semejanzas de cada una de las siguientes partes entre circuitos eléctricos e
hidráulicos:
• Interruptor…………………………………………………………..............
• Diferencia de potencial………………………………………….…………
• Resistencia del receptor ……………………………… ………………….
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+
-
A
+ -
Interruptor bipolar
Alarma o sirena
Resistencia variable o potenciómetro
Diodo rectificador
Pulsador NC
R8= 12
-
+
R6= 8
R5= 12
AR1= 10
D
BR3= 8 R4= 16
R7= 8
R2= 8
C F
E
• Depósito inferior…………………………………………………………..…
• Bombilla……………………………………………………………………...
• Caudal de agua…..………………………………………………………….
• Tuberías………………………………………………………………………
8ª) Indica el nombre o dibuja el símbolo eléctrico correspondiente
9ª) Dibuja las tensiones e intensidades en el circuito de la figura, atendiendo al convenio de
signos adoptado en clase.
10ª) Determinar el valor de la corriente I4 que sale del nudo A sabiendo que se cumple la
primera ley de Kirchhoff.
I 3 = 2 A
I 1 = 5 A
I 2 = 8 A
I 4 = ?
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I . E . S . A N D R É S D E V A N D E L V I R A 1 5
11ª) Por un circuito circula una corriente de 1 A y una tensión de 12 V. ¿Cuántas lámparas hay
conectadas en serie en el circuito si cada una de ellas tiene una resistencia de 2 Ω?.
12ª) ¿Cómo conectaríamos dos resistencias de 100 Ω para obtener una resistencia equivalente
de 50 Ω?. Razona la respuesta
13ª) Un circuito eléctrico está formado por un acoplamiento de resistencias en serie, cuyos
valores son: 2.200 Ω, 4.700 Ω y 100 Ω. Dibujar el esquema del circuito y calcular la resistencia
total equivalente.
14ª) Dado el circuito de la figura, calcule las siguientes magnitudes eléctricas:
a) Resistencia equivalente (Req)
b) Intensidad del circuito y potencia total disipada
c) Tensiones en los terminales de cada una de las resistencias.
d) Potencias disipadas por cada una de las resistencias
NOTA: Compruebe que la suma de las tensiones en los terminales de las resistencias es
igual a la tensión de alimentación, verificándose la 2ª Ley de Kirchhoff.
15ª) Dado el circuito de la figura, calcule:
a) Resistencia equivalente (Req)
b) Intensidad total del circuito ( I ) y
potencia total consumida por el circuito
c) Intensidades parciales de cada una de las
ramas (I1 e I2 )
d) Potencias parciales disipadas por cada
una de las resistencias.
16ª) Explica razonadamente por qué no queda electrocutado un pájaro que se posa en una línea
de alta tensión.
17ª) Si la lamparita de la mesita de noche se alimenta a la tensión que un proyector de un campo
de fútbol, ¿quién tiene mayor resistencia?. Razona la respuesta.
18ª) Realiza un listado de 5 electrodomésticos de tu vivienda y anota sus tensiones y potencias
nominales.
V2
R4= 2
V = 36 V
R2= 16
V1
+
-
V3
R5= 10
+
-
A
I
B
R1= 36 I1
R2= 18 I2
V3
V = 72 V
Recommended