SCA - Tema 1 - La Electricidad

TEMA 1

LA ELECTRICIDAD

C.F.G.M. Técnico en Electromecánica de VehículosMódulo: Sistemas de Carga y Arranque

Profesor: Alberto Pabón FernándezDepartamento de Transporte y Mantenimiento de Vehículos

I.E.S. Diego Macías (Calañas)Curso: 2012-2013

Tema 1 – La electricidad

Índice del tema

1.1.- El equipo eléctrico en el automóvil ................. Pág. 01

1.2.- Estructura atómica de la materia .................... Pág. 02

1.3.- Cuerpos conductores y aislantes ..................... Pág. 04

1.4.- Corriente eléctrica ........................................... Pág. 05

1.5.- Circuito eléctrico ............................................. Pág. 06

1.6.- Magnitudes fundamentales ............................. Pág. 07

1.7.- Ley de Ohm ...................................................... Pág. 09

1.8.- Trabajo y potencia eléctricos ........................... Pág. 10

Sistemas de Carga y Arranque


1.1.- El equipo eléctrico en el automóvil.

Los automóviles actuales están equipados con numerosos mecanismos cuyo funcionamiento se produce gracias a la transformación de la energía eléctrica en otra clase de energía (mecánica, calorífica, química, etc.).

Un motor eléctrico, por ejemplo, transforma la energía eléctrica en energía mecánica que se traduce en un movimiento rotativo que servirá para accionar algún tipo de mecanismo o para hacer girar algún elemento.

En el caso de las lámparas, la energía eléctrica se transforma en energía calorífica, que emite una radiación capaz de iluminar a cierta distancia.

El conjunto de todos los mecanismos que funcionan utilizando la energía eléctrica forman el llamado equipo eléctrico del automóvil, que para su estudio se divide en partes denominadas circuitos. Cada circuito tendrá una misión concreta y estará formado por un determinado número de componentes, situados en diversos lugares del vehículo. Para hacerles llegar la energía eléctrica se interconectan por medio de una instalación eléctrica.

Sistemas de Carga y Arranque 1

Fig. 1.1 – Equipo eléctrico del automóvil.


Los diferentes circuitos eléctricos funcionan según una serie de leyes eléctricas fundamentales cuyo estudio vamos a abordar a continuación.

1.2.- Estructura atómica de la materia.

La materia está constituida por minúsculas partículas unidas entre sí, cada una de las cuales está formada por varias moléculas y éstas, a su vez, por varios átomos (ver Figura 1.2).

Los átomos de cualquier sustancia son las partículas más pequeñas en que puede descomponerse. Si los átomos que forman la molécula son iguales, tenemos un elemento, mientras que si son diferentes, lo obtenido es un compuesto.

Existen 118 elementos simples conocidos en la actualidad, cada uno con un tipo de átomo diferente al resto.

Cada uno de los átomos de cualquier elemento está compuesto por una parte central llamada núcleo, formado por protones y neutrones, y otra externa llamada corteza, ocupada por una serie de minúsculas partículas llamadas


Fig. 1.2 – Equipo eléctrico del automóvil.


electrones, que están en continuo movimiento alrededor del núcleo, siguiendo órbitas circulares y elípticas (ver Figura 1.3).

La masa de los electrones es muy pequeña en comparación con la de los protones, por lo que se puede decir que la masa de un átomo está concentrada en su núcleo.

Los electrones poseen carga eléctrica negativa, mientras que los protones poseen carga positiva. Los neutrones no poseen carga eléctrica y actúan en el núcleo como aglomerante de los protones, que dada su carga eléctrica tienden a repelerse entre ellos.

Entre los protones y los electrones existen fuerzas de atracción que ligan el conjunto del átomo (núcleo y corteza). Los electrones son atraídos por el núcleo con mayor fuerza cuanto más cerca están de él. El electrón constituye la partícula más importante del átomo, ya que es la que tiene carga y movilidad para poder desplazarse en los materiales.

El número de protones contenidos en el núcleo de un átomo es igual al de electrones en la corteza, para que la carga del átomo sea neutra (ni positiva ni negativa).

En la Figura 1.4 se ha representado esquemáticamente un átomo de cobre, cuyo núcleo contiene 29 protones y 35 neutrones. Alrededor del núcleo hay, por tanto, 29 electrones en diferentes órbitas. Como cada protón tiene una carga positiva y cada electrón una


Fig. 1.3 – Estructura de un átomo.


negativa (de igual magnitud), el átomo resulta neutro de cara al exterior.

Los electrones se reparten en diferentes niveles de energía, ocupando órbitas cada vez más alejadas del núcleo del átomo. El primer nivel de energía pueden ocuparlo sólo dos electrones. El segundo, hasta 8 electrones. El tercero, hasta 18 electrones. Y así sucesivamente.

En los niveles o capas interiores se necesita menos energía que en los niveles más alejados, por lo que los electrones los ocupan antes, quedando en algunas ocasiones la última capa incompleta. Cuando esto sucede, los electrones situados en ella, llamados electrones de valencia, tienen una gran movilidad y pueden ser sacados de sus órbitas sin gran dificultad, por cuya causa también se les conoce como electrones libres. En los materiales formados por estos átomos, los electrones libres están moviéndose continuamente pasando de un átomo a otro contiguo (ver Figura 1.5).


Fig. 1.4 – Estructura del átomo de cobre.

Fig. 1.5 – Movimiento de los electrones libres.


1.3.- Cuerpos conductores y aislantes.

Atendiendo a la estructura de sus átomos, los materiales pueden ser conductores o aislantes.

Los materiales formados por átomos cuya última capa está ocupada por uno o dos electrones, son los llamados conductores. El material resulta tanto más conductor cuantos más electrones libres en total tenga y menos atraídos estén por el núcleo (más alejados). Los materiales conductores más conocidos son los metales.

La elevada conductividad de los metales se debe al hecho de existir muchísimos electrones que pueden moverse casi con entera libertad por entre los átomos del metal. En condiciones normales, este movimiento es desordenado. Sin embargo, cuando se aplica una tensión eléctrica al metal, los electrones se mueven hacia el polo positivo, aunque no en línea recta, sino en zigzag.

Los materiales formados por átomos cuya capa externa está completa o faltan uno o dos electrones para completarla, son los llamados aislantes. Son materiales aislantes los plásticos o la madera.

Hay sustancias que tienen propiedades intermedias entre las dos clases mencionadas. Estos materiales son semiconductores y resultan conductoras en unas determinadas condiciones y aislantes en otras. Los principales semiconductores son el silicio y el germanio.

1.4.- Corriente eléctrica.

Si conectamos una pila a un material conductor, donde en condiciones normales los electrones libres se mueven en todas direcciones, estos electrones sufren un empuje eléctrico debido a la pila, de tal forma que se desplazan a través del conductor, originándose una corriente electrónica.

Para obtener el movimiento de un electrón, es necesario que otro ocupe su lugar, por tanto, en un



conductor hay siempre el mismo número de electrones y si sale uno por un extremo, entra otro por el opuesto.

Antiguamente se suponía que las partículas desplazables eran cargas de signo positivo. Actualmente se sabe que no es así, pero sigue considerándose que la corriente eléctrica se establece de positivo a negativo (sentido técnico de la corriente), mientras la electrónica (movimiento real de los electrones) está dirigida de negativo a positivo.

La corriente eléctrica es el movimiento ordenado de los electrones a través de un conductor. Los electrones se mueven a una velocidad de unos 600 km/h, pero la velocidad con que se transmiten el desplazamiento de unos a otros es de 300.000 km/s, es decir, la misma que la luz.

En su desplazamiento, los electrones transportan la energía eléctrica que poseen, que es transformada en otra clase de energía en el aparato receptor, como calorífica, luminosa, mecánica de movimiento, etc.

Cuando la fuerza eléctrica está aplicada al conductor de una manera constante y siempre en el mismo sentido, la corriente obtenida en él se llama corriente continua, pues los electrones circulan ininterrumpidamente y de manera continua por el conductor.

1.5.- Circuito eléctrico.


Fig. 1.6 – Corriente eléctrica.


Se llama circuito eléctrico al conjunto de elementos necesarios para que se establezca una corriente eléctrica. De este modo se transporta la energía eléctrica que será transformada por el receptor en otra clase de energía.

En todo circuito eléctrico existe un generador, un receptor, un interruptor, un camino de ida y otro de vuelta.

El generador es un elemento que posee una diferencia de potencial eléctrico entre sus bornes, impulsándose electrones desde el borne negativo hacia el positivo. También se le denomina fuente de alimentación.

El receptor transforma la energía eléctrica en otro tipo de energía, dependiendo del tipo de receptor.

El interruptor sirve para cerrar el circuito y establecer la corriente eléctrica en el mismo, ya que el generador impulsará a los electrones hasta que la diferencia de potencial entre sus bornes sea cero. En el momento en que se abra el interruptor, el circuito queda cortado, pues los electrones no pueden saltar por el aire, ya que es aislante.

Todos los elementos del circuito eléctrico se unen mediante hilos conductores (cableado), que forman los caminos de ida y vuelta de electrones.

Generador Lámpara Interruptor Cable


Fig. 1.7 – Circuito eléctrico.


En los automóviles, el camino de vuelta de todos los circuitos eléctricos es la parte metálica del vehículo, llamada masa, a la que se conecta por un lado el borne negativo del generador, y por otro, uno de los bornes del receptor (Figura 1.8). De este modo se consigue ahorrar el cable que constituye el camino de vuelta.

1.6.- Magnitudes fundamentales.

1.6.1.- Intensidad de corriente.

Se llama intensidad a la cantidad de corriente eléctrica que circula por un conductor en la unidad de tiempo. Su unidad de medida es el amperio (A). Como submúltiplo del amperio se utiliza el miliamperio (1 mA = 0,001 A).

Si existe una corriente de un amperio, la cantidad de electricidad que pasa por el circuito es de 630 millones de electrones (un culombio, C) cada segundo.


Fig. 1.8 – Circuito eléctrico en un vehículo.

+_


1 amperio = 1 culombio por segundo = 630 millones de electrones por segundo = 630.000.000 electrones por

segundo.

I=Qt= culombiossegundos

=amperios

El aparato capaz de medir la intensidad de una corriente eléctrica se llama amperímetro y se conecta en el circuito en serie (ver Figura 1.10), es decir, de manera que la corriente eléctrica pase en su totalidad por él. Para realizar la medición, el circuito debe estar funcionando.

1.6.2.- Tensión.

La tensión (o voltaje) es la fuerza eléctrica que hace circular a los electrones a través de un circuito. Su unidad de medida es el voltio (V).


Fig. 1.10 – Conexionado del amperímetro.

Fig. 1.9 – Representación gráfica de la intensidad.


Esta fuerza la proporciona el generador, en el que existe una diferencia de potencial entre sus bornes que, cuando se conecta al circuito, provoca la corriente eléctrica.

Los generadores producen fuerza electromotriz (f.e.m.). La f.e.m. produce diferencia de potencial entre sus bornes (d.d.p.). La d.d.p. aplicada en un circuito provoca una corriente eléctrica en él.

La tensión de entrada es la que proporciona el generador al circuito. La tensión de salida es la que existe sobre un determinado receptor. Nunca serán iguales, ya que por el camino habrá pérdidas.

El aparato capaz de medir la tensión se llama voltímetro y se conecta en derivación (o en paralelo) con la parte del circuito cuya diferencia de potencial se quiere conocer (ver Figura 1.11). Para realizar la medición, el circuito debe estar funcionando.

1.6.3.- Resistencia eléctrica.

Se llama resistencia eléctrica a la dificultad que encuentran los electrones para desplazarse en el interior de un conductor. Su unidad de medida es el ohmio (Ω). Como submúltiplo se emplea el miliohmio (1mΩ = 0,001Ω).


Fig. 1.11 – Conexionado del voltímetro.

V

I R


La resistencia eléctrica puede ser medida por medio de un ohmímetro. El elemento sobre el que se mida la resistencia debe estar desconectado del circuito. La resistencia se mide entre los dos extremos de dicho elemento.

La denominación de resistencia no implica necesariamente la idea de un accesorio llamado resistencia, instalado con el fin de oponerse al paso de la corriente eléctrica, sino que designa todo aparato receptor montado en el circuito, como pueden ser: lámparas, motores eléctricos, cables, conectores o cualquier otro componente consumidor de energía.

COMENTAR EL EFECTO JOULE.

1.7.- Ley de Ohm.

La ley de Ohm dice: “la intensidad de corriente eléctrica obtenida en un circuito es directamente proporcional a la tensión aplicada, e inversamente proporcional a la resistencia eléctrica del mismo.”

I=VR→R=V

I→V=I ∙ R

Si se calcula la resistencia en un circuito mediante la ley de Ohm, se corresponde a la resistencia que posee en condiciones de funcionamiento, a partir de la tensión e intensidad que circula por él. Si se mide directamente la resistencia del mismo circuito sin que pase corriente por él, el valor obtenido será mucho menor.

1.8.- Trabajo y potencia eléctricos.

En Física se define el concepto de trabajo diciendo que es el producto de la fuerza aplicada sobre un cuerpo multiplicada por el espacio que le hace recorrer. En electricidad hemos visto que la tensión es una fuerza que



hace desplazarse una cantidad de electrones por el circuito, es decir, que produce una corriente eléctrica. Pues bien, esta fuerza y este desplazamiento de electrones significan que se desarrolla un trabajo eléctrico.

Así pues, el trabajo eléctrico puede definirse como la cantidad de electricidad desplazada en un circuito por la tensión que realiza dicho desplazamiento. Su unidad de medida es el julio (J).

T = Q · V

El trabajo eléctrico realizado en la unidad de tiempo se llama potencia eléctrica. También puede calcularse como el producto entre el voltaje aplicado y la intensidad existente en el circuito. Su unidad de medida es el watio (W).

P = T / t P = V · I



Cuestiones.

1.- ¿Qué transformación de energía se produce en una lámpara?

2.- ¿Qué transformación de energía se produce en un motor eléctrico?

3.- Explica la estructura del equipo eléctrico de un automóvil.

4.- Explica la estructura de la materia.

5.- ¿Cuál es la diferencia entre “elemento” y “compuesto”?

6.- ¿Cuántos elementos simples se conocen en la actualidad?

7.- Explica la estructura de un átomo.

8.- ¿Dónde se encuentra la mayor parte de masa de un átomo? ¿Por qué?

9.- Explica cómo es la carga eléctrica de cada uno de los componentes de un átomo.

10.- Verdadero o falso:a) En un átomo, el número de electrones y protones es

igual.b) En un átomo, el número de protones y neutrones es

igual.c) En un átomo, el número de electrones y neutrones

es igual.

11.- ¿Cómo se llenan los niveles de energía de un átomo? ¿Por qué?

12.- ¿Qué son los electrones de valencia?

13.- Explica cuándo un material es conductor.



14.- ¿Qué sucede cuando se conecta una batería a un metal?

15.- ¿Cuáles son los principales semiconductores?

16.- ¿Qué diferencia hay entre el sentido técnico de la corriente y el movimiento real de los electrones?

17.- ¿Qué es la corriente eléctrica?

18.- ¿Con qué velocidad se desplazan los electrones?

19.- ¿Qué se produce a la velocidad de la luz dentro de la corriente eléctrica?

20.- ¿Qué tipo de energía transportan los electrones?

21.- ¿Cuándo es continua la corriente eléctrica?

22.- ¿Qué es un circuito eléctrico?

23.- ¿Qué componentes deben existir en todo circuito eléctrico?

24.- ¿Qué es un generador?

25.- ¿Qué es un receptor?

26.- ¿Qué es un interruptor?

27.- ¿Cómo se unen los elementos de un circuito eléctrico?

28.- ¿Qué es la masa de un vehículo? ¿Qué ventajas ofrece?

29.- Dibuja dos circuitos eléctricos completos (con una lámpara), uno con cableado negativo y otro con conexión a masa.

30.- ¿Qué es la intensidad de corriente? ¿En qué se mide?

31.- Calcular:



a) Cuántos electrones hay en un culombio.

b) Cuántos electrones hay en dos culombios.

c) Cuántos electrones pasan por segundo si existe 1 amperio de corriente.

d) Cuántos electrones pasan por segundo si existen 2 amperios de corriente.

e) Cuántos electrones hay en 4 culombios.

f) Cuántos electrones pasan por segundo si existen 6 amperios de corriente.

g) Cuántos culombios pasan por segundo si existen 12 amperios de corriente.

h) Cuántos amperios existen si pasan 630 millones de electrones cada segundo.

i) Cuántos amperios existen si pasan 1260 millones de electrones cada segundo.

j) Cuántos amperios existen si pasan 315 millones de electrones cada segundo.

k) Cuántos electrones pasan por segundo si existen 0,2 amperios de corriente.

l) Cuántos electrones pasan por segundo si existen 100 miliamperios de corriente.

m) Cuántos electrones pasan por segundo si existen 0,2 amperios de corriente.

n) Cuántos culombios pasan durante 2 segundos si existen 2 amperios de corriente.

o) Cuántos electrones pasan durante 2 segundos si existe una corriente de 2 amperios.



p) Cuántos electrones pasan durante 4 segundos si existe una corriente de 3 amperios.

32.- ¿Con qué aparato se mide la intensidad de corriente? ¿Cómo se debe conectar dicho aparato al circuito? ¿El circuito debe estar activado o desactivado?

33.- Dibuja un circuito eléctrico con una lámpara y un amperímetro conectado para medir la corriente que la atraviesa.

34.- ¿Qué es la tensión? ¿Con qué otro nombre se le denomina? ¿En qué se mide?

35.- ¿Qué elemento produce la tensión? ¿Por qué?

36.- ¿Qué es la tensión de entrada? ¿Y la de salida?

37.- ¿Con qué aparato se mide la tensión? ¿Cómo se debe conectar dicho aparato al circuito? ¿El circuito debe estar activado o desactivado?

38.- Dibuja un circuito eléctrico con una lámpara y un voltímetro conectado para medir la tensión que posee.

39.- ¿Qué es la resistencia eléctrica? ¿En qué se mide?

40.- ¿Con qué aparato se mide la resistencia? ¿Cómo debe estar el elemento sobre el que se mide la resistencia, conectado o desconectado? ¿Entre qué puntos se mide la resistencia?

41.- ¿Existen elementos sin resistencia eléctrica? Pon algún ejemplo.

42.- ¿Qué dice la ley de Ohm? Dibuja el triángulo característico de dicha ley.

43.- Escribe las 3 expresiones que se deducen de la ley de Ohm, para calcular la intensidad, la tensión y la resistencia eléctrica.



44.- Si calculamos la resistencia de un circuito con la ley de Ohm, dicha resistencia es la del circuito ¿conectado o desconectado?

45.- Si medimos la resistencia de un circuito conectado y desconectado, los valores serán ¿distinto o iguales?

46.- Realiza los siguientes problemas:

a) Calcula la intensidad de la corriente que alimenta a una lavadora de juguete que tiene una resistencia de 10 ohmios y funciona con una batería con una diferencia de potencial de 30 V.

b) Calcula el voltaje, entre dos puntos del circuito de una plancha, por el que atraviesa una corriente de 4 amperios y presenta una resistencia de 10 ohmios.

c) Calcula la resistencia atravesada por una corriente con una intensidad de 5 amperios y una diferencia de potencial de 10 voltios.

d) Calcula la resistencia que presenta un conductor al paso de una corriente con una tensión de 15 voltios y con una intensidad de 3 amperios.

e) Calcula la intensidad que lleva una corriente eléctrica por un circuito en el que se encuentra una resistencia de 25 ohmios y que presenta una diferencia de potencial entre los extremos del circuito de 80 voltios.

f) Calcula la diferencia de potencial entre dos puntos del circuito de un congelador por el que atraviesa una corriente de 20 amperios y hay una resistencia de 30 ohmios.

47.- ¿Cómo se define el trabajo eléctrico? ¿Cuál es su unidad de medida?

48.- ¿Qué es la potencia eléctrica? ¿Cuál es su unidad de medida?



49.- Resuelve los siguientes problemas:

a) Calcula el trabajo eléctrico realizado por un motor que recibe 40 culombios con 6 V de tensión.

b) Calcula el trabajo eléctrico de un motor que funciona a 120 V y recibe 2 A de corriente durante 5 segundos.

c) Calcula la potencia consumida en el caso a) durante 10 segundos.

d) Calcula la potencia consumida en el caso b) con las dos fórmulas estudiadas.

e) Calcula la potencia de una plancha doméstica que consume 5 A.

f) Calcula la potencia consumida por una estufa con 16 Ω de resistencia.


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