Que es un operador electrico?
Sistema
eléctrico: a todo conjunto organizado de elementos interconectados con
el fin de transmitir, controlar y transformar energía eléctrica. Si un
sistema utiliza energía eléctrica, circulara por el corriente eléctrica.
• Distintos tipos de sistemas eléctricos
Los sistemas eléctricos se diferencian por el origen de su fuente de
energía. Los hay conectados a la red eléctrica y otros que utilizan
baterías o pilas. Los conectados a la red de distribución eléctrica son
aquellos donde aparecen enchufes, como la heladera o el televisor.
Otros funcionan con pilas o baterías. No obstante muchos de ellos
también pueden conectarse a la red eléctrica para economizar.
Muchos artefactos como teléfonos celulares, videocámaras, afeitadoras
utilizan pilas recargables.
Conceptos básicos de electricidad
Electrostática
La materia
que nos rodea está formada por átomos. Los átomos a su vez están formados por
partículas distribuidas en el núcleo y la corteza. En el núcleo nos encontramos
con los neutrones (partículas sin carga y con masa) y protones (partículas con
carga positiva y masa). En la corteza girando alrededor del núcleo nos
encontramos a lo electrones (partículas con masa despreciable y carga negativa).
Cuando el número de protones y electrones es el mismo tenemos átomos neutros,
mientras que si el número de ambos no coincide tenemos iones, átomos cargados.
Estos iones pueden ser;
Iones positivos.- el número de protones es mayor que el número de
electrones.
Iones negativos.- el número de electrones es mayor que el número
de protones.
Corriente eléctrica
El movimiento de los electrones a través de un conductor. Según el tipo de
desplazamiento diferenciamos entre corriente continua y alterna.
En la corriente continua los electrones se desplazan siempre en el mismo
sentido. Gráficamente:
En la corriente alterna los electrones cambian de sentido en su movimiento 50
veces por segundo en el caso europeo y 60 veces por segundo en América. El
movimiento descrito por los electrones en este caso es sinusoidal.
Magnitudes
básicas
Por
magnitud física entendemos cualquier propiedad de los cuerpos que se puede medir
o cuantificar. En los circuitos eléctricos tenemos:
Voltaje o tensión eléctrica:
energía por unidad de carga que hace que éstas circuln por el circuito. Se mide
en voltios V.
Intensidad:
Número de electrones que atraviesan la sección de un conductor en la unidad de
tiempo. Se mide en amperios (A).
I =
(siendo
q la carga y t el tiempo)
(siendo
q la carga y t el tiempo)
El amperio es una unidad muy grande equivalente al paso de
6,24·1018 electrones por segundo.
Resistencia:
mide la oposición que ofrece un material al paso de corriente eléctrica. Se mide
en Ohmios (W).
La resistencia que ofrece un material al paso de corriente
eléctrica viene determinada por su longitud su sección y sus características
según la ecuación:
Atendiendo a
esta resistencia los materiales se clasifican en dos grandes grupos:
Conductores: permiten el paso de corriente eléctrica, metales,
agua,….
Aislantes: no permiten el paso de corriente eléctrica, madera,
plástico,…
Ley de Ohm
Ohm
realizó numerosos experimentos analizando los valores de estas tres magnitudes
observando que si aumentaba la resistencia manteniendo fija la intensidad,
aumentaba el voltaje. Si aumentaba la intensidad manteniendo fija la
resistencia, aumentaba el voltaje. Es decir la resistencia y la intensidad son
directamente proporcionales al voltaje.
Estos
experimentos llevaron a Ohm a enunciar su ley para el cálculo de las magnitudes
básicas de un circuito eléctrico de la siguiente forma:
V = I · R
Instrumentos de medida
Para medir las diferentes magnitudes eléctricas, existen instrumentos
específicos siendo los más utilizados el voltímetro, el amperímetro y el
polímetro.
Ø
Voltímetro:
Mide el voltaje o tensión eléctrica. El aparato se conecta en paralelo con el
componente o generador cuya tensión se quiere medir. La resistencia interna del
aparato es muy alta de modo que a través de él casi no circula corriente. Suele
tener varias escalas, voltios o milivoltios siendo preciso elegir la escala
adecuada a la tensión que se va a medir. Si trabajamos con tensiones muy
elevadas debemos tener cuidado para no dañarlo.
Ø
Amperímetro:
Mide la intensidad de la corriente. Se conecta en serie con el circuito. La
resistencia interna del aparato es muy pequeña por lo que apenas afecta a la
corriente del circuito. También aquí debemos seleccionar la escala adecuada a la
intensidad que vamos a trabajar. Si conectamos el aparato en paralelo podemos
dañarlo.
Ø
Polímetro:
Es más avanzado que los anteriores, nos permite medir tensión, intensidad,
resistencia,… en diferentes escalas de medida. Puede ser analógico o digital.
Circuito eléctrico
Conjunto de operadores unidos de tal forma que permitan el paso de corriente
eléctrica para conseguir algún efecto útil (luz, calor, movimiento,…). Los
elementos básicos de un circuito eléctrico son:
Generadores
La obtención
de energía eléctrica se puede producir de varias formas, por frotamiento,
presión, luz, acción de campos magnéticos, reacciones químicas,… Los métodos más
utilizados son los dos últimos.
El uso de la
energía química para la producción de energía eléctrica se da en las pilas.
Ciertas
sustancias naturales tienen la propiedad de generar corriente eléctrica en su
interior gracias a la reacción química que se produce entre sus componentes. Si
tomamos varios limones y unas chapas de cobre y cinc podremos fabricar una pila
de voltaje muy bajo, se trata de una pila muy básica.
Las pilas y baterías comerciales son generadores químicos de energía eléctrica
que utilizan elementos capaces de desarrollar un flujo de electrones más
intenso.
¿Cómo funciona una pila? Para analizar su funcionamiento imaginemos que estamos
en el interior de una pila, observamos que hay una zona en la que existe gran
acumulación de
electrones
(polo negativo) y el otro extremo una menor cantidad de electrones (polo
positivo). Si conectamos un receptor (motor) entre los dos terminales de la pila
vemos que los electrones comienzan a circular del borne negativo al borne
positivo provocando un desplazamiento de los electrones que al atravesar el
motor producen su movimiento. Los electrones llegan al polo positivo donde se
acumulan, la pila posee la capacidad interna de ir “desplazando” los electrones
que llegan al polo positivo al polo negativo. ¿Por qué se gastan las pilas? Este
transvase interno de electrones se repite muchas veces hasta que esta capacidad
interna se va debilitando y ya no puede llevarse a cabo el transvase.
electrones
(polo negativo) y el otro extremo una menor cantidad de electrones (polo
positivo). Si conectamos un receptor (motor) entre los dos terminales de la pila
vemos que los electrones comienzan a circular del borne negativo al borne
positivo provocando un desplazamiento de los electrones que al atravesar el
motor producen su movimiento. Los electrones llegan al polo positivo donde se
acumulan, la pila posee la capacidad interna de ir “desplazando” los electrones
que llegan al polo positivo al polo negativo. ¿Por qué se gastan las pilas? Este
transvase interno de electrones se repite muchas veces hasta que esta capacidad
interna se va debilitando y ya no puede llevarse a cabo el transvase.
La mayoría de las pilas están fabricadas con metales pesados y por tanto, pueden
ser muy contaminantes. Las pilas de tipo botón son las más contaminantes de
todas por utilizar mercurio. El mercurio es un veneno muy activo que filtra
hacia las aguas subterráneas y desde aquí pasa a los animales pudiendo ser la
causa de graves enfermedades, NUNCA tires las pilas a la basura recíclalas en
los contenedores existentes para ello o en comercios encargados de recogerlas.
Hans Christian Oesterd (1777-1851), físico danés, observó, mediante un
experimento que la aguja de una brújula situada cerca de una corriente eléctrica
se desviaba. Esto le llevó a una conclusión muy sencilla:
La corriente
eléctrica pasando a través de un conductor actúa como un imán.
¿Quieres
comprobarlo? Enrolla un cable alrededor de una brújula y después conéctalo a un
pila, verás cómo se mueve la aguja.
Este efecto también podemos observarlo en el siguiente experimento, tomamos un
papel y practicamos un orificio para el paso de un cable, en el papel situamos
limaduras de hierro y conectamos el cable a una pila, podemos observar como la
disposición de las limaduras ala pasar la corriente eléctrica es similar a la
que formarían ante la presencia de un imán.
Michael Faraday (1791-1867) se enteró del experimento de Oesterd y se le ocurrió
la siguiente idea: ¿es posible que el movimiento de un imán genere corriente
eléctrica? Para comprobar esta hipótesis construyó una bobina, arrollamiento de
un cable conductor y situó un imán en su interior. Produjo el movimiento de uno
respecto al otro y observó que se generaba un flujo eléctrico, a este fenómeno
lo denominó inducción magnética, base del funcionamiento de las dinamos.
Si enrollamos un cable alrededor de un hierro (un tornillo, varillas,…)
tendremos una bobina mucho más potente ya que el hierro facilita la circulación
del campo magnético por el interior de la bobina. Este diseño se denomina
electroimán y tiene múltiples aplicaciones, timbres, grúa industrial, …
Los alternadores y las dinamos son máquinas eléctricas que transforman la
energía mecánica de rotación, que reciben a través de su eje en energía
eléctrica alterna y continua respectivamente.
El alternador.- Cuando un conductor
se desplaza a través de un campo magnético se genera en este una corriente
eléctrica inducida. Si el cable utilizado para moverlo con mayor facilidad tiene
forma de espira, se inducirá en esta una tensión que irá oscilando (alternado)
entre unos valores máximos y mínimo que incluso irán cambiando de giro. Se
genera una corriente alterna.
El alternador consta de dos partes, el rotor y el estator.
El rotor es un elemento cilíndrico provisto de electroimanes situado en el
interior del estator capaz de girar alrededor de su eje cuando éste es impulsado
por la acción de una fuerza.
El estator es la carcasa metálica fija en cuyo interior se aloja el rotor sobre
el que se arrolla un hilo conductor.
La dinamo y el motor.- Empleando un imán y una espira con
unos anillos colectores es posible generar corriente eléctrica alterna, si
sustituimos los anillos colectores por un solo anillo dividido en dos partes
aisladas entre sí tendremos una dinamo. En este caso la corriente circula en un
solo sentido, corriente continua.
La dinamo es una máquina reversible puede trabajar como generador o como motor.
Como generador transforma la energía mecánica en energía eléctrica y como motor
transforma la energía eléctrica en mecánica de rotación.
Efectos de la corriente eléctrica
Efecto luminosos
Efecto térmico o efecto Joule.- Cuando la corriente eléctrica
atraviesa un conductor aumenta su temperatura. Este efecto no es deseado en los
conductores. La cantidad de calor producida en un conductor depende de las
características de éste, es decir, de su resistencia, del tiempo y de la
cantidad de corriente que circula por el mismo.
Efecto magnético.- Como ya vimos descubierto por Oesterd
Efecto químico.- Cuando la corriente eléctrica atraviesa
disoluciones electrolíticas o conductoras.
Efectos fisiológicos.- Efectos que produce la corriente eléctrica
sobre los seres vivos. Se pueden clasificar en:
Ø Efectos
beneficiosos, aparatos para tratamientos en medicina, electrocardiogramas,
electrocirugía, electrodiálisis…
Ø Efectos
perjudiciales producen electrocución. Paradas cardiorespiratorias, quemaduras,…
Tipos de circuitos eléctricos
Para comprender y realizar cálculos en lso circuitos eléctricos es
imprescindible conocer la Ley de Ohm.
En un circuito eléctrico, hay tres formas de conexionar los generadores y los
receptores: en serie, en paralelo y mixto.
Serie.-
Los elementos de un circuito están conectados en serie cuando
se
colocan uno a continuación de otro formando una cadena, de modo que la corriente
que circula por un determinado elemento será la misma que para el resto.
se
colocan uno a continuación de otro formando una cadena, de modo que la corriente
que circula por un determinado elemento será la misma que para el resto.
Asociación de generadores en serie.- La tensión equivalente Ve
será igual a la suma de todas las pilas conectadas en el mismo sentido, con este
tipo de conexión conseguimos mayor voltaje o tensión para el circuito.
Asociación de resistencias en serie.- Como ya vimos en un circuito en
serie la intensidad del circuito y la intensidad que atraviesa cada receptor es
la misma, y el voltaje total es igual a la suma de los voltajes de cada
receptor:
IT
= I1 = I2
Aplicamos la
ley de Ohm:
I · Re = I · R1 + I · R2
I
· Re = I · (R1 + R2)
Re =
R1 + R2
La Resistencia equivalente en un circuito en serie es igual a la
suma de las resistencias del circuito.
Paralelo.-
Los elementos de un circuito están conectados en paralelo cuando todos ellos
están conectados a los mismos puntos y por tanto, a todos se les aplica el mismo
voltaje o tensión.
Operadores electricos
Bateria o pila electrica:
Una
pila eléctrica es un dispositivo que convierte energía química en
energía eléctrica por un proceso químico transitorio, tras de lo cual
cesa su actividad y han de renovarse sus elementos constituyentes,
puesto que sus características resultan alteradas durante el mismo. Se
trata de un generador primario. Esta energía resulta accesible mediante
dos terminales que tiene la pila, llamados polos, electrodos o bornes.
Uno de ellos es el polo positivo o cátodo y el otro es el polo negativo o
ánodo .
Cable:
Se
llama cable a un conductor (generalmente cobre) o conjunto de ellos
generalmente recubierto de un material aislante o protector. Los cables
cuyo propósito es conducir electricidad se fabrican generalmente de
cobre, debido a la excelente conductividad de este material, o de
aluminio que aunque posee menor conductividad es más económico.
Generalmente
cuenta con aislamiento en el orden de 500 µm hasta los 5 cm; dicho
aislamiento es plástico, su tipo y grosor dependerá de la aplicación que
tenga el cable así como el grosor mismo del material conductor.
Interruptor:
Un
interruptor es un dispositivo para cambiar el curso de un circuito. El
modelo prototípico es un dispositivo mecánico (por ejemplo un
interruptor de ferrocarril) que puede ser desconectado de un curso y
unido (conectado) al otro. El término "el interruptor" se refiere
típicamente a la electricidad o a circuitos electrónicos. En usos donde
requieren múltiples opciones de conmutación (p.ej., un teléfono), con el
tiempo han sido remplazados por las variantes electrónicas que pueden
ser controladas y automatizadas.
Motor:
Un
motor es la parte de una máquina capaz de transformar cualquier tipo de
energía (eléctrica, de combustibles fósiles, etc.), en energía mecánica
capaz de realizar un trabajo. En los automóviles este efecto es una
fuerza que produce el movimiento.
Bombilla:
lampara:Las lámparas, lámpadas o luminarias son aparatos que sirven de soporte y conexión a la red eléctrica a los dispositivos generadores de luz (llamados a su vez lámparas, bombillas o focos).
corriente continua
La corriente continua la producen
las baterías, las pilas y las
dinamos. Entre los extremos de cualquiera de estos generadores se genera
una tensión constante que no varia con el tiempo, por ejemplo si la pila
es de 12 voltios, todo los receptores que se conecten a la pila estarán
siempre a 12 voltios (a no ser que la pila este gastada). Además al
conectar el receptor (una lámpara por ejemplo) la corriente que circula
por el circuito es siempre constante (mismo número de electrones) , y no
varia de dirección de circulación, siempre va en la misma dirección, es
por eso que siempre el polo + y el negativo son siempre los mismos.
Luego en CC (corriente continua o DC) la tensión siempre es la misma y
la Intensidad de corriente también.
Si tuviéramos que representar las señales eléctricas de la Tensión y la Intensidad en corriente continua en una gráfica quedarían de la siguiente forma:
Si tuviéramos que representar las señales eléctricas de la Tensión y la Intensidad en corriente continua en una gráfica quedarían de la siguiente forma:
corriente alterna
Este tipo de corriente es producida por los alternadores y es la que se genera en las centrales eléctricas. La corriente que usamos en las viviendas es corriente alterna (enchufes).
En este tipo de corriente la intensidad varia con el tiempo (numero de electrones), además cambia de sentido de circulación a razón de 50 veces por segundo (frecuencia 50Hz). Según esto también la tensión generada entre los dos bornes (polos) varia con el tiempo en forma de onda senoidal (ver gráfica), no es constante. Veamos como es la gráfica de la tensión en corriente alterna.
Esta onda senoidal se genera 50 veces cada segundo, es decir tiene una frecuencia de 50Hz (hertzios), en EEUU es de 60Hz. Como vemos pasa 2 veces por 0V (voltios) y 2 veces por la tensión máxima que es de 325V. Es tan rápido cuando no hay tensión que los receptores no lo aprecian y no se nota, excepto los fluorescentes (efecto estroboscópico). Además vemos como a los 10ms (milisegundos) la dirección cambia y se invierten los polos, ahora llega a una tensión máxima de -325V (tensión negativa).
Esta onda se conoce como onda alterna senoidal y es la más común ya que es la que tenemos en nuestras casas. La onda de la intensidad sería de igual forma pero con los valores de la intensidad lógicamente, en lugar de los de la tensión.
Corrientes continua y alterna
¿Qué diferencia la corriente alterna de la corriente continua?
La corriente continua (CC o DC) se genera a partir de un flujo continuo de
electrones (cargas negativas) siempre en el mismo sentido, el cual es desde el
polo negativo de la fuente al polo positivo. Al desplazarse en este sentido los
electrones, los huecos o ausencias de electrones (cargas positivas) lo hacen en
sentido contrario, es decir, desde el polo positivo al negativo.
Por convenio, se toma como corriente eléctrica al flujo de cargas positivas,
aunque éste es a consecuencia del flujo de electrones, por tanto el sentido de la
corriente eléctrica es del polo positivo de la fuente al polo negativo y contrario al
flujo de electrones y siempre tiene el mismo signo.
La corriente continua se caracteriza por su tensión, porque, al tener un flujo de
electrones prefijado pero continuo en el tiempo, proporciona un valor fijo de ésta (de
signo continuo), y en la gráfica V-t (tensión tiempo) se representa como una línea
recta de valor V.
Ej: Corriente de +1v
En la corriente alterna (CA o AC), los electrones no se desplazan de un polo a otro,
sino que a partir de su posición fija en el cable (centro), oscilan de un lado al
otro de su centro, dentro de un mismo entorno o amplitud, a una frecuencia determinada
(número de oscilaciones por segundo).
Por tanto, la corriente así generada (contraria al flujo de electrones) no es un flujo
en un sentido constante, sino que va cambiando de sentido y por tanto de signo
continuamente, con tanta rapidez como la frecuencia de oscilación de los
electrones.
En la gráfica V-t, la corriente alterna se representa como una curva u onda, que puede
ser de diferentes formas (cuadrada, sinusoidal, triangular..) pero siempre caracterizada
por su amplitud (tensión de cresta positiva a cresta negativa de onda), frecuencia
(número de oscilaciones de la onda en un segundo) y período (tiempo que tarda en dar una
oscilación).
Ej: Corriente de 2Vpp (pico a pico) de amplitud, frecuencia 476'2 Hz (oscil/seg)
También se pueden emplear corrientes combinación de ambas, donde la componente
continua eleva o desciende la señal alterna de nivel. Ej: Aplicando las dos señales
anteriores, tenemos:
Receptores
Como
su nombre indica, los receptores son la familia de componentes
eléctricos que reciben la corriente eléctrica y la utilizan para
realizar un trabajo útil, como iluminar, mover una máquina, avisarnos,
reproducir música, etc.
Los receptores: son los elementos encargados de convertir la
energía eléctrica en otro tipo de energía útil de manera directa, como
la lumínica, la mecánica (movimiento), calorífica, etc. Los receptores
eléctricos más usuales en nuestro taller serán las lámparas o bombillas,
las resistencias eléctricas y los motores.
Dibuja el símbolo eléctrico de los siguientes receptores: bombilla, motor.
circuito elemental:
Qué es un Circuito Eléctrico Elemental?
Un circuito eléctrico consiste en un
conjunto de elementos u operadores que unidos entre sí, permiten la circulación
de una corriente entre dos puntos,
llamados polos o bornes, para aprovechar la energía eléctrica.
Todos los circuitos eléctricos se componen de los
siguientes elementos mínimos:
- Un generador de energía,
- Un receptor y Consumidor de esa energía,
- Conductores que transporten esa energía.
Como haser un circuito elementa
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