La electricidad. La corriente eléctrica y sus efectos

2 C.A.P. 95/96 MATERIALES DIDÁCTICOS: FÍSICA Y QUÍMICA ICE Universidad de Sevilla 3 © I.C.E. Universidad de Sevilla © Emilio Solís Ramírez Antonio Ramón García Torres I.S.B.N.-84-86849-06-3 D.L.: SE-2119-95 Impreso en España Imprime: Editorial KRONOS S.A. C/ Conde de Cifuentes 6 Telef.: 441 19 12. FAX 441 17 59 41004 Sevilla 177 LA ELECTRICIDAD. LA CORRIENTE ELÉCTRICA Y SUS EFECTOS. Begoña Canosa Rodrigo Emilio Solís Ramírez Material curricular homologado por la Consejería de Educación y Ciencia según Resolución de 20 de febrero de 1996 (BOJA 21 de marzo de 1996) - 1,5 V + 178 SUMARIO 1.- INTRODUCCIÓN. 2.- CIRCUITOS ELÉCTRICOS. 3.- UN MODELO PARA LA CORRIENTE ELÉCTRICA. 4.- TENSIÓN O DIFERENCIA DE POTENCIAL. 5.- MEDIDA DE LA CORRIENTE ELÉCTRICA. 6.- CARACTERÍSTICAS DE LOS ELEMENTOS PASIVOS. 7.- POTENCIA ELÉCTRICA. 179 Tenemos la siguiente lista de dispositivos eléctricos: - Bombilla. - Pila. - Televisor. - Panel solar. - Radio. - Dínamo de una bicicleta. - Enchufe de una casa. - ... A.1.- Añade a esta lista los equipos o dispositivos eléctricos que conozcas y divídelos en los grupos siguientes: Dispositivos consumidores Dispositivos generadores La experiencia indica que los consumidores por sí solos no tienen ningún peligro, pero mientras que algunos generadores tampoco, otros sí. Es decir, se puede tocar una pila de cualquier manera, sin peligro de sufrir una descarga. Sin embargo, por la prensa y la T.V., se conocen casos, sobre todo de niños, que han sufrido una descarga al tocar los dos orificios de un enchufe casero o cuando se han subido a un poste de la luz. A.2.- ¿Dónde está la razón de este peligro? 1.- INTRODUCCIÓN. 180 El voltaje de las pilas y las dínamos de bicicleta es bajo (1,5, 4.5 , 6 Voltios) mientras que el de un enchufe doméstico es de 220 V. Sin embargo hay que pensar que no es la única causa de peligrosidad la tensión o voltaje. ¡¡ POR TANTO HAY QUE ESTAR MUY SEGURO DEL MODO DE FUNCIONAMIENTO DE LOS DISPOSITIVOS ELÉCTRICOS ANTES DE CUALQUIER MANIPULACIÓN!! A.3.- En las figuras siguientes hay distintos dispositivos eléctricos en los que intervienen un generador (pila de petaca) y un consumidor (bombilla) ¿Cuál o cuáles producen algún efecto? Si no estás seguro de la respuesta móntalo y después contesta. INFORMACIÓN 2.- CIRCUITOS ELÉCTRICOS. 181 A.4.- Después de la experiencia de la A.3. contesta a las siguientes preguntas: a) Qué elementos son necesarios para que la bombilla se encienda? b) ¿Cómo hay que unirlos? 4,5 V 4,5 V 4,5 V 4,5 V 4,5 V 4,5 V 4,5 V 1,5 V 1,5 V 12 3 4 5 6 7 8 9 182 A.5.- Dibuja una bombilla. Señala sus partes con sus nombres. Indica como está conectado el filamento con el exterior. Todos los dispositivos eléctricos tienen dos puntos donde hay que realizar la unión (conexiones). Para que se produzca el efecto deseado debe unirse cada una de las conexiones del generador a cada una de las del consumidor. Al conjunto de dispositivos eléctricos en el cual se produce algún efecto se llama circuito eléctrico. Estos circuitos se dice que están recorridos por la corriente eléctrica. A cada dispositivo se les asocia un símbolo. A.6.- Dibuja con los símbolos los circuitos eléctricos de la Actividad A.3. A.7.- Prepara el siguiente circuito: INFORMACIÓN Símbolo de un generador Símbolo de un consumidor Símbolo de un consumidor (bombilla) 189 A.18.- Una pila cede 960 J cuando por ella pasan 8 coulombios ¿cuál será la f.e.m. de la pila ? A.19.- Hemos dicho que las cargas al pasar por la pila reciben energía de la misma. ¿Significa esto que su contenido energético aumenta indefinidamente? Diferencia de potencial eléctrico entre dos puntos es la diferencia de energía que tiene la unidad de carga entre esos dos puntos. d.d.p = Vab = energía que cede la unidad de carga, al pasar de A a B. Su unidad es también el voltio. La tensión o d.d.p. se mide con un voltímetro. A.20.- ¿Qué diferencias y analogías encuentras entre la f.e.m. y la d.d.p.? A.21.- Observa el aparato que se te ha suministrado, sus conexiones y sus escalas. Si no entiendes algo pregunta al profesor. Este aparato sirve para medir diversas magnitudes, una de ellas es la f.e.m. y la d.d.p. y se denomina voltímetro cuando se utiliza para medir dichas magnitudes. A.22.- ¿Cómo medirías la tensión en los bornes de una pila? A.23.- ¿Cómo medirías la tensión en los extremos de una bombilla que luce? Hazlo. A.24.- Haz un diagrama del circuito anterior con el voltímetro. A.25.- Sabemos que un mismo generador sirve para varios consumidores. También sabemos que para que un consumidor funcione INFORMACIÓN 190 cada una de sus conexiones deben conectarse a una conexión distinta del generador. Intenta con una misma pila y dos bombillas, conectarlas de manera que las dos luzcan. A.26.- Dibuja los diagramas de los circuitos válidos de la A.25. a uno se llama conexión serie y a otra conexión paralelo. A.27.- Utilizando los circuitos de las actividades anteriores, mide la tensión entre cada bombilla y entre los extremos de la pila. ¿Qué conclusiones sacas? Propiedades de la tensión. * La tensión en los extremos de elementos en paralelo es la misma. * La suma de las tensiones en los elementos en serie de un circuito es la tensión entre el punto inicial del primero y el final del último. INFORMACIÓN ABC V = V + V AC AB BC 191 A.28.- Monta el siguiente circuito con cada una de las dos bombillas de que dispones. ¿Qué diferencias observas? ¿Qué diferencia hay en la corriente en un caso y en otro? A.29.- La medida de la corriente eléctrica se realiza con el Amperímetro. (NOTA: Recuerda la utilización de las escalas para el voltímetro). Trata de colocarlo en los dos circuitos anteriores y mide la corriente. A.30.- Teniendo en cuenta su símbolo: ¿Cómo lo colocarías en el diagrama del circuito? 5.- MEDIDA DE LA CORRIENTE ELÉCTRICA. A 192 A esta conexión (uno a continuación de otro) se le llama, como ya sabes, conexión en serie. La unidad de corriente eléctrica se llama Amperio (A). A.31.- ¿Piensas que la corriente eléctrica antes y después de la bombilla es la misma o distinta? Mídelo. La unidad de corriente eléctrica, también denominada intensidad de corriente, es el amperio. Está relacionada con la cantidad de electricidad y se puede definir como:"la cantidad de electricidad (Coulombio) que atraviesa una sección de un conductor en la unidad de tiempo (segundo)". Un amperio por tanto es igual a un Coulombio/seg. A veces, se utilizan submúltiplos del amperio. El más frecuente es el miliamperio (mA ). 1 mA = 10-3A. A.32.- Mide la corriente que recorre cada bombilla en cada circuito. ¿Qué conclusión sacas? INFORMACIÓN 193 Las propiedades de la corriente eléctrica en un circuito se pueden enunciar de esta manera: * La corriente eléctrica es la misma en todos los puntos de un circuito siempre que no hayan bifurcaciones. * Si un circuito presenta más de un consumidor en serie, la intensidad es la misma en todos los elementos. * Si un circuito presenta bifurcaciones la suma de las corrientes en las bifurcaciones es igual a la intensidad en la porción principal del circuito. INFORMACIÓN II III I I I 1 2 194 Si a un dispositivo eléctrico cualquiera le aplicamos distintas tensiones sabemos que la corriente que lo recorre en cada caso es distinta. Si representamos en una gráfica la intensidad que lo recorre frente a la tensión que se le aplica obtenemos lo que se llama característica del dispositivo. Las curvas siguientes son características de distintos dispositivos simples: En la zona lineal de estas gráficas se encuentra que es posible escribir: V = Cte. I A la constante se llama resistencia del elemento (R) y se mide en ohmios (Ω), en honor de Georg Simón Ohm (1787-1854), que estableció la Ley que lleva su nombre y que relaciona la corriente eléctrica (intensidad, I), la tensión (V) y la resistencia (R): R = V/I A.33.- Mediante la construcción de los correspondientes circuitos y utilizando el polímetro (voltímetro y Amperímetro) para 6.- CARACTERÍSTICAS DE LOS ELEMENTOS PASIVOS. ELEMENTO RESISTIVO DIODO LÁMPARA I I I V V V 195 realizar las medidas, traza la curva característica de los elementos que se te den en clase y calcula su resistencia. TENSIÓN INTENSIDAD RESISTENCIA Al empezar la Unidad diferenciamos los elementos eléctricos en consumidores y generadores. Los generadores lo que dan es energía y los consumidores, consumen energía. Es decir, el generador suministra energía a las cargas eléctricas y estas lo que hacen es transformarlas en los distintos consumidores. Vamos a hablar de potencia en lugar de energía, recordar que la potencia es energía por unidad de tiempo. Todos los dispositivos eléctricos tienen un indicador de la potencia que consumen o que generan. En todos los casas cuando se contrata la luz nos preguntan que potencia queremos. A.34.- Consulta el contrato de la luz de vuestro domicilio ( o bien un recibo de los últimos) y anotar la potencia contratada. Anota también los distintos aparatos eléctricos de tu casa con su potencia. A.35.- Si el Kilovatio-hora de energía eléctrica cuesta (ver recibo de la luz), calcular el coste al utilizar: a) Una bombilla de 100 watios durante 5 horas. b) Una lavadora durante 3 horas c) Una plancha durante 1 hora. d) Una estufa durante 4 horas. 7.- POTENCIA ELÉCTRICA. 196 A.1.- ¿Qué diferencia hay entre elementos generadores y elementos consumidores? Aplícalo al caso de tu vivienda. A.2.- Puede un circuito estar formado sólo por dos consumidores. A.3.- Todos los elementos conductores son metales. A.4.- Para qué necesitamos saber que elementos son conductores o no. A.5.- Por qué los cables de unión de un circuito van recubiertos por un plástico. A.6.- ¿Qué indica la tensión de un consumidor? A.7.- Si tienes un consumidor que en la etiqueta indica 220 V y otro 125 V, ¿indica esto que el 220 V consume más que el de 125 V? A.8.- Una pila de 4.5 V cedió 100 J de energía a una bombilla. ¿Cuánta carga circuló por dicha bombilla? A.9.- ¿Hay alguna diferencia entre los circuitos siguientes? Si C es un interruptor. ¿Se encenderá y apagará la bombilla de la misma manera en los dos circuitos? A.10.- Mira en un aparato de radio de tu casa la d.d.p. a la que debe conectarse y su potencia. ¿Qué indica cada cosa? Si la radio está funcionando 10 minutos, ¿cuánta energía consume y qué carga pasa por ella? ACTIVIDADES DE REFUERZO / REPASO CC 197 A.1.- Qué cantidad de calor será capaz suministrar una estufa que indica 1500 W, 220 V, cuando está encendida durante 2 horas. A.2.- Tenemos una pila de 4,5 V y tres bombillas de 10 cada una. ¿De cuantas maneras es posible conectar las tres bombillas para que luzcan? - Dibuja los correspondientes circuitos. - Calcula la tensión en los extremos de la bombilla en cada caso. - Calcula la intensidad que atraviesa cada una de ellas en cada circuito. A.3.- Haz un pequeño estudio de todos los posibles efectos de la corriente eléctrica. A.4.- Un circuito está formado por una pila de 5 V y dos bombillas en serie. Si el conjunto está recorrido por 10 C de carga y la primera bombilla consume 40 J de energía, ¿cuál es la d.d.p. en los extremos de cada bombilla? A.5.- Un circuito está formado por una pila de 5 V y dos bombillas en paralelo. Si la primera bombilla está recorrida por 10 C de carga y la pila cede 80 J de energía, ¿cuál es la carga que pasa por la otra bombilla? A.6.- Haz un esquema de un circuito en el que coloques 3 bombillas de tal forma que puedan encenderse dos, una o las tres a la vez. Coloca el mínimo de interruptores que necesites para ello. ACTIVIDADES DE AMPLIACIÓN / PROFUNDIZACIÓN 198 LECTURAS COMPLEMENTARIAS - 1,5 V + 205 También sabemos que puede ocurrir cuando introducimos los electrodos en una disolución acuosa de determinadas sustancias (por ejemplo el CuCl2). Si son disoluciones conductoras, deberán existir cargas que se pueden mover. En este caso, las cargas son los iones positivos y negativos en los cuales se separa el soluto al disolverse. La conducción en las disoluciones es de tipo distinto a la que tiene lugar en los metales. Mientras que en los metales no ocurre ninguna transformación química, en las disoluciones conductoras las sustancias disueltas se transforman químicamente. Actividad sobre el texto: Realiza un pequeño inventario de aquellos dispositivos eléctricos que conozcas ( de casa, de la calle, de los coches, motos, bicicletas, etc.) e intenta analizar en que efecto de la corriente eléctrica se basa su funcionamiento. ¿Cuál de los siguientes consumidores deberías coger para montar el circuito siguiente si deseas que la intensidad no sobrepase los 200 mA? ¿Qué intensidad circula por la resistencia que has elegido? Indica en la escala donde se colocaría la aguja y el rango elegido. AUTOEVALUACIÓN ELECTRICIDAD -1 A=170 B=100 C=400 S S S? 25 V 206 2,5 mA 10 mA 0 mA 250 mA 1 A 5 A 50 A 1 mA ¿Qué energía consumirá en 20s? Indica todo lo que te sugiera el siguiente esquema ¿Qué representa 200? ¿Qué intensidad recorre el circuito? Indica donde llegaría la aguja y qué rango eligirías. 1 mA 2,5 mA 10 mA 50 mA 250 mA 1 A 5 A 50 A ¿Cuántas cargas han recorrido el circuito? ¿Qué energía se ha consumido? 0,0,0 1 3 45678 9 10 210 50 20 100 30 150 40 200 250,50, ELECTRICIDAD 2 0,0,0 1 3 45678 9 10 210 50 20 100 30 150 40 200 250,50, 207 Las características de consumidor del circuito son: 220V y 2000w y está funcionando 10 min. ¿Qué energía consume? ¿Cuál debe ser la f.e.m. del generador? ¿Cuántas cargas circulan por el consumidor? ¿Qué intensidad de corriente circula por el consumidor? Indica la posición de la aguja y el rango elegido 10 mA 50 mA 100 mA 200 mA 1 mA 5 A 50 A 200 A Un generador de 10V después de estar 10 min funcionando ha suministrado 1800 J de energía a dos consumidores. Uno de ellos recibe 1200J. ¿Qué energía recibe el otro? Representa el circuito en........... ELECTRICIDAD 3 0,0,0 1 3 45678 9 10 210 50 20 100 30 150 40 200 250,50, ELECTRICIDAD 4 208 ¿Cuántas cargas circulan por cada consumidor? ¿Cuál es la ddp entre los extremos de cada consumidor? ¿Cuál es la intensidad de corriente en cada consumidor? Sí ambos consumidores son resistivos ¿cuáles son sus resistencias? Montar un circuito con dos resistencias en ......... y medir la ddp y la intensidad de corriente en cada consumidor Hacer un esquema e indicar los datos obtenidos de forma experimental ELECTRICIDAD 5 209 Sí el circuito ha estado funcionando 10 min calcular la energía consumida por cada resistencia.