La electricidad es la forma de energía que, en la actualidad, más ventajas aporta alos seres humanos. Con ella conseguimos fundamentalmente las siguientes aplicacio­nes: luz con las lámparas eléctricas; calor con cocinas, hornos y calefacciones; frío confrigoríficos y equipos de aire acondicionado; fuerza motriz con motores (ascensores,m-úquinas herramientas, vehículos eléctricos, electrodomésticos, etc.); sistemas deinformación, automatización y telecomunicación con ordenadores, microprocesadores,sistemas robotizados, televisores, radio, etc. y otras muchas aplicaciones que con elpaso de los años van creciendo más y más.

CUJ·J121jj··.dr)En este capítulo vamos a estudiar de qué naturaleza es 1a electricidad. de qué dife­

rentes formas se puede producir electricidad, qué efectos provechosos podemos conse­guir gracias a la electricidad. así como cuales son sus magnitudes más básicas.

.. Sistemas de producción, transporte y distribución de la energía eléctrica.

.... Efectos de la electricidad.

... Naturaleza de la electricidad~ Carga eléctrica... Corriente eléctrica..... El circuito eléctrico....,. Formas de producir electricidad.. Intensidad de la corriente eléctrica y su medida..... Corriente continua y corriente alterna... Tensión eléctrica y su medida.~ Fuerza electromotriz.

.. Entender los procedimientos de producción. transporte y consumo de la electricidad.

..,. Identificar las partes de un circuito eléctrico.

.... Relacionar las magnitudes de un circuito eléctrico con su unidad de medidacorrespondiente. así como entender el papel de las mismas en el circuito y losaparatos de medida que las miden.

.... Diferenciar una e. e. de una C.A.

.... Emplear el voltímetro y amperímetro de forma adecuada.

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Por últilno, se sitúan transformadorescerca de los consumidores con el fin dereducir la tensión hasta los 220 o 380voltios (baja tensión). Estas tensionesson ya mucho menos peligrosas para laspersonas que utilizan la electricidad.

Figura 1.3. Generador eléctrico elemental,

Lineas de distribuciónpara consumo de

electricidad

r/

tw:~-=----=_._._-=~Transformador

reductor deten~¡ón

Lineas detransporte

Transformadorelevador de

tensión

Generador(alternador)

Energíaprimaria

r-----------------~----~---.~~----~-

.La electricidad se produce fundamentalmente en las centra­les eléctricas. Su misión consiste en transformar cualquierforma de energía primaria (hidráulica, térmica, nuclear, solar,etc.) en energía eléctrica. Dada la facilidad con que se trans­porta la electricidad por medio de las líneas eléctricas, la ven­

:. taja fundamental que se consigue con esto es que producimosenergía eléctrica en. las zonas donde podemos acceder con faci­lidad a la energía primaria, para luego consumirla en ciudades,empresas y cualquier otro centro de consumo (Figura 1.1).

?··~1'~t.Producción yconsumo.de electricidad

Fipa 1.1. Sistema de producción, transporte ydistribución de la energía eléctrica.

El generador eléctrico que se utiliza habitualmente en unacentral eléctrica se basa en·un fenómeno que fue descubiertoen 1820 por Faraday.

."CuandQ se mueve un conductor eléctrico (hilo metálico) enel seno de un campo magnético (imán o electroimán) apareceuna corriente eléctrica por dicho conductor. Lo mismo ocurresi se mueve el imán y se deja fijo el conductor" (Figura 1.2).

Figura 102. Cuando se mueve el conductor dentro de uncampo magnético se produce eledricidad.

1.2. Efectos de la electricidad¿Pero qué es exactamente la electricidad? Podríamos decir

que es lo que hace girar los motores y lucir las lámparas, endefinitiva una fuerza, que como tal es invisible y de la quesólo se notan sus efectos.

Los efectos fundamentales que se conocen de la corrienteeléctrica son:

Efecto térmico: Al fluir la corriente eléctrica por ciertosmateriales conductores, llamados resistivos, como el carbón,se produce calor en los mismos, pudiendo construirse, graciasa este efecto, calefacciones, cocinas, hornos, calentadores deagua, planchas, secadores, etc. (Figura lA).

En un generador eléctrico se hacen mover bobinas en sen­tido giratorio en las proximidades de campos magnéticos pro­ducidos por imanes o electroimanes (Figura 1.3).

Para transportar la energía eléctrica producida por el gene­rador hasta los centros de consumo se utilizan las líneas eléc­tricas. Como éstas no son perfectas, ya que poseen resistenciaeléctrica, se producen grandes pérdidas de energía en formade calor.

Para reducir estas.pérdidas se utilizan líneas de alta tensión(220.000, 380.000 voltios). De esta forma, se disminuye laintensidad de la corriente eléctrica y la electricidad podrárecorrer grandes distancias con pocas pérdidas.

Los aparatos que consiguen elevar la tensión son los trans­formadores eléctricos. Estos dispositivos solamente funcio­nan para la corriente alterna.

+

Figura 1.4. Efedo térmico de la electricidad.

Efecto luminoso: En una lámpara eléctrica incandes­cente, al fluir por su filamento resistivo una corriente eléc­trica, éste se cal ienta a altas temperaturas irradiando luz(Figura 1.5).

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+ o 1:..\<><>[j \\ .

() \\ Atracción

O D Q

Experiencia 1.1:

Consigue un bolígrqfo de plástico y frótalo con unpaño de fana. Seguidamente, acércalo a unos pedacitos depapel (Figura. 1.8).

Figura 1.8. Al frotar el holígrafo se electriza.

Después de frotar el boligrafo los trozos de papel son atraí­dos por éste, lo que indica que gracias al frotamiento se handesarrollado unas fuerzas debido a las cargas eléctricas quepreviamente no existían.

Para explicar el fenómeno de electrización observado en laexperiencia 1.1 es necesario comprender lós cambios que sehan podido producir en las partes más pequeñas de la materia.

Los materiales están compuestos básicamente por molécu­las, siendo éstas las partículas más pequeñas que poseen todaslas propiedades fisicas y químicas del material original. A suvez, estas moléculas se componen de otras partículas máspequeñas, llamadas átomos. Así, por ejemplo, la molécula deagua se compone de dos átomos de hidrógeno y de uno de oxí­geno, tal como indica su fórmula química H20.

El átomo es muy pequeño, del orden de una diez milloné­sima de milímetro. Está compuesto de partes todavía máspequeñas como son el núcleo y los electrones. El núcleo delátomo está formado por partículas elementales, tales como losprotones y neutrones (Figura 1.9).

Los electrones giran a gran velocidad en órbitas alrededor. del núcleo.

2 H2

Figura 1.5. Efet:to luminoso de la electricidad.

'---- Agua con sales

Figura 1.6. Efecto químico de la electricidad.

Efecto magnético: Al conectar una bobina a un circuito eléc­trico, ésta produce un campo magnético similar al de un imán, loque origina un efecto de atracción sobre ciertos metales. Apro­vechando este efecto se pueden construir electroimanes, motoreseléctricos, altavoces, instrumentos de medida, etc. (Figura. 1.7).

Efecto químico: Al t1uir la corriente eléctrica por ciertoslíquidos, éstos se disgregan; este proceso recibe el nombre deelectrólisis. Gracias a este efecto se pueden producir produc­tos químicos y metales, baños metálicos (galvanización) yrecarga de baterías de acumuladores (Figura 1.6).

\.D.:r+-----iHr- Neutrón

Órbita>'::::'-"1-"---Núcleo

+

Figura 1.9. Estructura del átomo.

Figura 1.7. Efecto magnético de la electricidad.

1.3. La electricidadLa electricidad es una manifestación tlsica que tiene que

ver con las modificaciones que se dan en las partes máspequeñas de la materia, nos referimos a los átomos y, másconcretamente, al electrón. Seguidamente estudiaremos losfenómenos de electrización que se dan en [os materiales.

Si fuera posible situar un electrón frente a un protón, sepodría observar un fenómeno de atracción. Por el contrario, sienfrentamos dos electrones o dos protones éstos se repelen(Figura 1.10). Esto nos indica que tanto el electrón como elprotón poseen una propiedad que se manifiesta en forma deI'uerzas de atracción y de repulsión, nos estamos refiriendo ala carga eléctrica. Esta carga eléctrica es de diferente signopara el electrón y para el protón:

• El protón tiene carga eléctrica positiva.

• El electrón tiene carga eléctrica negativa.

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Exceso deelectrones

Electrón

arrancado

Electrón

agregado

~

!i

eee®0ee®e®®0@

Barra de vidrio

Defecto deelectrones

El tipo de carga (positiva o negativa) con la que se electri­zan los materiales después de haber sido frotados depende delos materiales que se empleen en el proceso. Asi, por ejemplo,si se frota llna barra de vídrio con un paño de lana, los elec­trones se transfieren del vidrio hacia el paño, quedando elec­trizado el primero con carga positiva (Figura 1.14).

Al[rotar el bolígrafo de plástico con el paño, se transfie­ren electrones de un elemento a otro, quedando el bolígrafocargado eléctricamente. Cuando acercamos el bolígrafo, car­gado con electricidad estática a los papelitos éste los atrae.como es propio de los cuerpos electrizados.

Figura 1.14. Al frotar el vidrio se electriza con carga positiva.

Figura 1.13. Átomo con carga negativa.

Figura 1.12. Átomo con carga positiva.

Al frotar determinados materiales aislantes, éstos pier­den o ganan electrones, lo que origina cargas eléctricasestáticas en dichos materiales. Este tipo de electricidad es elque se da, por ejemplo, en la experiencia 1.1 realizada ante­riormente:

1.4. Electricidad estática

litio, al añadi r un electrón en su última órbita se obtienecomo resultado una carga negativa: 3(+) + 4(-) = 1(-)(Figura 1.13).

Repulsión

Cargas iguales

Atracción

Cargas diferentes

.<±)+-

Figura 1.11. Átomo con carga neutra.

Fisura 1.10. Fenómenos de atracción y repulsión en las cargas eléctricas.

Átomo con carga positiva: Si por algún medio consiguié­semos arrancar electrones de las últimas órbitas de los átomos,surgiría un desequilibrio entre el número de cargas negativas ypositivas, siendo mayores estas últimas y confiriendo, portanto, una carga positiva a dicho átomo. Así, por ejemplo, alfrotar con un paño .. el litio, es posible que se arranque unelectrón de su últim¡.¡ órbita, quedando el átomo cargado positi­vamente por poseerun defecto de electrones; 3(+) + 2(-) = 1(+)(Figura 1.12).

Átomo con carga negativa: De la misma manera, si poralgún procedimiento conseguimos agregar electrones a unátomo eléctricamente neutro, este exceso de electrones pro­duce una carga negativa en el átomo. En el ejemplo del

En un átomo, los protones se concentran en el núcleo juntoa los neutrones y algunas particulas atómicas. A pesar de quelos protones posean carga positiva y que entre ellos exista unagran fuerza repulsiva, éstos se mantienen confinados y muypróximos entre si en el núcleo debido a las enormes fuerzas decarácter nuclear. Los neutrones no poseen carga eléctrica yaportan masa al núcleo del átomo.

Los fenómenos qüe se dan en un átomo son comparablesa los que se dan en el sistema solar. El planeta es el electróny el sol es el núcleo. En un átomo los electrones giran a granvelocidad dentro de sus respectivas órbitas alrededor delnúcleo. La fuerza centrifuga que éstos desarrollan en su girose ve compensada por la fuerza de atracción que apar~ce

entre los protones de carga positiva situados en el núcle9 ydichos electrones.

El electrón posee una masa muy pequeña, ligeramentesuperior a la milésima parte de la masa de un protón. Además,los electrones más alejados del núcleo son atraidos con menorfUerza por el mismo, lo que hace posible su movilidad haciaotros átomos.

Átomo con carga neutra: Un átomo en estado normalposee el mismo número de electrones que de protones. Estohace que exista un equilibrio entre las fuerzas de caráctereléctrico que se dan eQtre protones y neutrones yque por tantodicho átomo pennanezca eléctricamente neutro. Asi, porejemplo, un átomo de litio posee 3 protones y 3 electrones:3(+)+3(-)=0 (Figural.!l).

~..•....

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Repulsión

= 4 culombios de carga negativa'

Vidrio Ebonita

•Diferencia de cargas

25,2' 1018

6,3' 10 18Q""

Ejemplo 1.1.

Determinar la carga eléctrica que tiene una barra de'ebonita si una vez frotada posee un exceso de 25,2' 1018

electrones:

La unidad de carga eléctrica es el culombio.

Supongamos que cargamos eléctricamente, por frotamien~to, una bola de vidrio y otra de ebonita y las disponemos talcomo se indica en la Figura 1.18. Entre ellas aparece una dife­rencia de carga eléctrica.

1.6. Movimiento de electrones

I Culombio equivale aproximadamente a un exceso odefecto de 6 trillones de electrones (( culombio"" 6,3 . 10 18

electrones).

Defecto deelectrones

8 vidrio888GS>vidrio

(8G8GG()

Figura 1.15. Al frotar la ebonita se electriza con carga negativa.

Barra de ebonita

(8e888e8(WeeGeee8~_

r ~Exceso deelectrones

Por otro lado, si lo que frotamos es una barra de ebonitacon una piel de animal, los electrones son transferidos de lapiel a la ebonita, quedando esta última cargada negativamen­te (Figura 1.15).

¿Qué ocurre si se acercan dos barras de vidrio después defrotarlas? (Figura. 1. 16).

Figura 1.16.

¿Qué ocurre si se acercan una barra de vidrio y una deebonita se acercan? (Figura 1.17).

ebonita

(000000

8 vidrioGoGG

Figura 1.18.

Si ahora unimos eléctricamente las dos bolas mediante unconductor eléctrico (Figura 1.19), los electrones en excesode la bola de ebonita cargada negativamente serán atraídoscon fuerza por la carga positiva de la bola de vidrio. Dadoque existe un camino conductor por donde se pueden des­plazar los electrones de una bola a otra, aparece un movi­

¡miento de electrones por el mismo hasta que las cargas que­·'den compensadas, es decir, hasta que la diferencia decargas deje de existir.

Movimiento de electrones

Atracción

Figura 1.17.

El causante en todo momento de la electrización de loscuerpos es el electrón, ya que posee carga y movilidad parapoder desplazarse por los materiales. A partir de estas dospropiedades es posible la existencia de la electricidad.

1.5.~~.rga eléctric~_

Se conoce como carga eléctrica de un cuerpo al exceso odefecto de electrones que éste posee:

• Carga negativa significa exceso de electrones.

• Carga positiva significa defecto de electrones.

Figura 1.19.

Al movimiento de electrones que se establece por el con­ductor eléctrico se le denomina corriente eléctrica. Como sepuede observar en la Figura 1.19, el sentido de la corrienteeléctrica lo establecen los electrones, es decir, desde el cuer­po donde hay exceso de electrones hasta el cuerpo donde haydefecto de ellos (del negativo al positivo).

A la diferencia de cargas que se establece entre los doscuerpos cargados eléctricamente, y que es la causante delmovimiento de electrones, se la conoce por otro nombre: ten­sión o diferencia de potencial.

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.7. El circuito eléctrico

Experiencia 1.2:

Consigue una pila y una lámpara de linterna y conéctalas con unos conductores de cobre tal como se indica en la Figu­-ra/.20.

.Podrás comprobar cómo se enciende la lámpara cuando se ponen en contacto los terminales de la lámpara con los bornesde la pila y cómo se apaga cuando internlmpimos la conexión de uno de los conductores con la pila (Figura 1.21).

+ +..--- Pila

Figura 1.20 Figura 1.21 Figura 1.22

.La pila contiene energía eléctrica. Al conectarla mediante unos conductores a la lámpara. por éstos fluye una corrienteeléctrica hacia la misma y que hace que ésta transforme la energía eléctrica en luminosa.

Ahora conecta un interruptor tal como se muestra en la Figura 1.2JY a continuación abre y ciérraJo.

. Podrás comprobár que la lámpara sólo se enciende cuando el interruptor pone en contacto el borne de la pila con el ter­. minaFde dicha lámpara. De esta manera podemos encender y apagar la lámpara a nuestra voluntar/.

Existe otra fonna más fácil de hacer un dibujo eléctrico, talcomo se muestra en la Figura 1.23. Se le denomina esquemaeléctrico y en él se representan sus elementos (pila, conducto­res y lámpara) mediante símbolos normalizados.

---11- Pila o acumulador

~- Interruptor

® Lámpara

Conductor

Figura 1.23. Es.quema eléctrico.

En la experiencia 1.2 hemos construido un sencillo circui­to eléctrico; vamos a estudiar ahora las magnitudes básicas ylos fenómenos que se dan en él. .

Las condiciones que se han de dar para que se forme un cir­cuito eléctrico básico como e[ de la Figura 1.24 son:

• Un generador que se encarga de generar una diferen­cia de cargas o tensión entre sus dos polos. En la expe­riencia 1.1 utilizamos como tal una pila de 4,5 voltiosde tensión.

• Un conductor que pennita que fluyan [os electrones deuna parte a otra del circuito. En la experiencia emplea­mos conductores de cobre.

ir.i..:.. ·· ..........•.....•...<""''''''''''I<-!'~,,..0',, ,,,,,, ',' '.''','

• Un receptor o aparato eléctrico que aprovechando elmovimiento de electrones consigue transformar laenergía eléctrica en energía calorífica, luminosa, motriz,etc. En la experiencia usamos una lámpara de linterna.

Estudiaremos ahora detenidamente cómo fluye la corrienteeléctrica por el circuito (véase Figura 1.25). E[ generador (eneste caso una pila) a costa de consumir algún tipo de energíasepara las cargas en el interior del generador gracias a la fuer­za electromotriz (f.e.m.), tomando electrones de una placa ydepositándolos en otra. La placa de [a que son arrancados loselectrones queda, por tanto, cargada posítivamente (defectode electrones), mientras que la placa donde se depositan secarga negativamente (exceso de electrones), formándose e[polo positivo y negativo del generador. Ahora, entre dichospolos aparece una diferencia de cargas o tensión eléctrica quehace quc los electrones sean fuertemente atraídos por el polopositivo. A través del generador los electrones no pueden fluirde un polo a otro, dado que la fuerza electromotriz es de unvalor un poco más alto que [a fuerza provocada por la tensión.E[ único camino posible por donde los electrones puedenmoverse desde el polo negativo es por el conductor y atrave­sando el receptor hasta llegar al polo positivo. La f.e.m. delgenerador se encarga de seguir separando las cargas continua­mente y [a tensión en bornes de la pila de reponerlos a travésdel receptor en un movimiento continuo, completándose así loque se conoce por circuito eléctrico.

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1.8. Formas de producirelectricidad

+ V)----<¡

Por el contrario, los acumuladores eléctricos, como los queconstituyen las baterías de los automóviles, se pueden recar·gar una vez agotados. Para ello basta con hacerle pasar unacorriente eléctrica cuando está descargado. Esto se consigueconectándolo a lIna fuente de energía eléctrica.

Mientras exista material activo en las barras para disolver­se, esta pita elemental producirá fuerza electromotriz,tenien­do que desecharla al agotarse dichos materiales.

~ /

>::-:- __ " f.c:-:Cobre-·-· ::< .. "::::::::::::::::::::: ~ .. :--:_: ..- Cinc

El ácido sulfúrico disuelve la barra de cinc y de cobre,pasando sus átomos a la disolución. Por un lado, el cinc cedeátomos a la disolución, dejando acumulada gran cantidad desus electrones en la barra de cinc. Con la barra de cobre pasaalgo similar, pero en ella se acumulan muchos menos electro­nes. El resultado es que la barra de cinc se hace mucho másnegativa que la barra de cobre, apareciendo una diferencia decargas, o tensión eléctrica entre las dos barras.

- - - - . ~ ~ - - - -- - ~ - - - - - - - - .... - . -Disolución de _ ::::~:.:::::::::::::::::::::::~:::::::

ácido sulfunco - . - . - - - - - - - - . - - - - • - -

Figura 1.27. Pila eléctrica elemental.

Así, por ejemplo, podemos fabricar una pila sencilla conlos elementos de la Figura 1.27. Aquí introducimos una barrade cobre (Cu) y una barra de cinc (Zn) en una disolución deagua (HzO) con unas gotas de ácido sulfúrico (H2S04). Losterminales de ambas barras se conectan a un voltímetro.Receptor

Conductor

Figura 1.24. Circu ito eléctrico.

Corriente eléctrica -_...~

Generador+

1Diferenciade cargas_Y_ ¡-,"""'::¡:"""'..-T-,-+...,.....,

Figura. 1.25. Movimiento de electrones por un circuito.

Una vez que ya sabemos lo que es un circuito eléctrico,vamos a pasar a estudiar detenidamente las partes que formandicho circuito. Comenzaremos con las formas de producirelectricidad, es decir, los diferentes tipos de generadores, paraseguir con el estudio de las magnitudes más fundamentales deun circuito y sus relaciones, así como el de los conductores yaislantes, elementos que producen calor, propiedades quími­cas y magnéticas de la electricidad, pilas, acumuladores, com­ponentes y circuitos electrónicos, etc.

;.

El encargado de producir la electricidad es el generadorque, aprovechando algún fenómeno físico, es capaz de desa­rrollar una determinada fuerza electromotriz que separa lascargas entre sus polos y crea una diferencia de potencial o ten­sión. Existen varias formas de producir electricidad, a partir delas cuales se construyen los diferentes tipos de generadores:

1.8.1. Producción de electricidad.,. ".por reacclon qmmlcaLas pilas y acumuladores son generadores que, aprove­

chando la energía que se desarrolla en determinadas reaccio­nes químicas, producen electricidad (Figura J .26).

Figura 1.26. Pilas eléctricas

Tapones

_b----Tapa

Conexiónentre placas

H~'~J~ Paquete de placas

positivas \{ negativas

Recipiente

Figura 1.28. Constitución de un acumulador.

Las aplicaciones prácticas de las pilas y acumuladores sonya bastante conocidas por todos nosotros, destacamos algu­nas de ellas: alimentación de aparatos portátiles, vehículoseléctricos, automóviles, instalaciones fotovoltaicas deenergía solar, almacenamiento de energía eléctrica de emer­gencia, etc.

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Figura 1.31. Al calentar dos metales distintos yunidos se produce electricidad.

Algunos cuerpos poseen propiedades termoeléctricas y conellos se pueden construir pares termoeléctricos. Éstos constan dedos metales distintos y unidos, que al ser calentados, manifies­tan una diferencia de potencial entre sus extremos (Figura 1.31).

1.8.4. Producción de electricidadpor acción del calor

Cristalpiezoeléctrico

Placas metálicas

Existen ciertos materiales, como los cristales de cuarzo que,cuando son golpeados o presionados, entre sus caras apareceuna tensión eléctrica (Figura 1.29). De alguna manera lo queocurre es que [a presionar el cristal los electrones salen des­plazados de una de las caras a la otra, originando una diferen­cia de cargas. Esta propiedad se denomina "piezoe[ectricidad".

1.8.2. Producción de electricidad. ...por preslon

Figura 1.29. Al ser presionados ciertos materiales se produce electricidad.

Dado que la diferencia de potencial que aparece entre lascaras de estos materiales es proporcional a la presión ejercida,':es posible la construcción con ellos de agujas para tocadiscos, fmicrófonos piezoeléctricos, cristales de cuarzo para la cons­trucción de osciladores, etc.

Ciertos encendedores de cocina aprovechan el efecto pie­zoeléctrico para su funcionamiento. En estos casos, un percu­tor golpea con fuerza un cristal, lo que provoca una fuertediferencia de potencial entre sus caras (del orden de algunosmiles de voltios). Al aplicar esta fuerte tensión entre dos elec­trodos, surge una chispa eléctrica entre eIlos.

Este fenómeno es debido a que uno de los metales despren­de más electrones que el otro por efecto del calor, generándo­se una pequeña diferencia de cargas entre sus extremos que esproporcional a la temperatura de la unión.

La energía eléctrica que se produce mediante este sistemaes muy pequeña. Mediante este fenómeno se fabrican termo­pares para la construcción de termómetros (especialmentepara medir temperaturas en hornos).

1.8.5. Producción de el~ctricidad

por acción magnética

1.8.3. Producción de electricidadpor acción de la luz

Mediante las células fotovoltaicas es posible transformardirectamente la energía luminosa en energía eléctrica.

La célula fotovoltaica se construye con materiales semi­conductores sensibles a la luz. Al incidir la energía luminosaen estos semiconductores se provoca el desprendimiento deelectrones en las últimas órbitas de sus átomos, produciendouna diferencia de cargas entre sus caras (Figura 1.30).

Esta forma de producir electricidad ya es conocida portodos nosotros. Se basa en el principio de Faraday, y es de estaforma como se produce la energía en las grandes centraleseléctricas mediante los alternadores o en otros casos con lasdinamos en forma de corriente continua.

Cuando se mueve un conductor eléctrico (hilo metálico) enel seno de un campo magnético (imán o electroimán) apareceuna corriente eléctrica por dicho conductor. Lo mismo ocm:resi se mueve el imán y se deja fijo el conductor. En un genera­dor eléctrico se hacen mover bobinas en sentido giratorio enlas proximidades de campos magnéticos producidos por ima­nes o electroimanes (Figura 1.32).

Luz

Célula fotovol!aica/

Figura 1.30. Las células fotovoltaicas transforman la luz en electricidad.

Las aplicaciones' de esta forma de producir electricidadson: generadores de energía eléctrica para satélites espacialesy para suministro autónomo de energía en instalaciones apar­

.tadas de la red eléctrica.Figura 1.32. Al mover conductores dentro de un campo

magnético se produce electricidad.

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1

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Figura 1.J5.

..... ,. ~-'-~""'''""'''¡'1:'",

+

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Figura 1.35. Sin embargo los antiguos cientificos creían quela corriente eléctrica fluía del cuerpo cargado positivamente al'cargado negativamente. Este sentido, denominado convencio­nal es el que más se ha utilizado hasta ahora, dado que en élse .fundamentan muchas reglas del electromagnetismo y deotras materias afines. Aun hoy en día, se sigue utilizando enmuchos casos, ya que los símbolos más usuales de la electró­nica se diseñaron teniendo en cuenta el sentido convencionaL(Figura 1.36).

Conductor eléctrico

Movimiento de cle!.:lrones~.

Tubería de agua

Movimiento de agua

~Figura 1.33.

La intensidad de la corriente eléctrica es [a cantidad deelectricidad que recorre un circuito en la unidad de tiempo(Figura 1.34). Esta magnitud es comparable al caudal de aguaque fluye por una tubería de agua (Figura 1.33).

1.9. Intensidad de la corrienteeléctrica

Figura 1.34. Figura 1.36.

caudal = intensidad =----segundo segundo

litros culombios 1.11. Movimiento de electronesen un circuito

En un circuito eléctrico, como el de la Figura 1.35, la inten­sidad de la corriente en cualquier punto del mismo es ígual. Esdecir, existe el mismo flujo de electrones a la salida del gene­rador que a su entrada. Hay que pensar que, al igual que enuna tubería que está llena de agua a presión, un conductor~eJéctrico está también lleno de electrones libres dispuestos a;.moverse. En el momento que algunos se muevan, empujan alresto, estableciéndose un efecto de traslación uniforme. deelectrones en todo el conductor. Este efecto de traslación secomunica a la velocidad de 300.000 km/s.

Sin embargo, los electrones se mueven lentamente,depen­diendo su velocidad de la intensidad de la corriente y de lasección del conductor. Por lo general, esta velocidad estáentorno a algunos milímetros por segundo. Aunque, al conec­tar, por ejemplo, una lámpara a una fuente de energía eléctri­ca, se enciende prácticamente al instante, ya que todos loselectrones libres del conductor entran en movimiento a la vez.

¡Culombio

¡segundo¡Amperio =

Ejemplo 1.2

Determinar la intensidad de corriente que se ha esta­blecido por un conductor eléctrico si por él ha fluido unacarga de 4 culombios en un tiempo de 2 segundos.

Solución: l = -Q- =~ = 2 At 2 s

La unidad de medida de la intensidad (símbolo 1) decorriente eléctrica es el amperio (A). De esta manera, cuan­do en un circuito se mueve una carga de un culombio en untiempo de un segundo, se dice que la corriente tiene una inten­sidad de un amperio.

1.10. Sentido real yconvencionalde la corriente

En un circuito el sentido de la corriente eléctrica lo deter­mina el movimiento de electrones, tal como se indica en la

1.12. Medida de la corrienteeléctrica

Para medir la intensidad de la corriente eléctrica utilizamosun aparato de medida llamado amperímetro. Para medir elcaudal de agua intercalamos en la tubería un contador. De lamisma manera, para medir la cantidad de cargas que se mue­ven por un circuito en la unidad de tiempo, el amperímetro

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A esta forma de conectar el amperímetro se le denomina"en serie".

Amperímetro

Figura 1.37. El amperímetro se intercala en serie con el circuito.

t (ms)

I (A)

:kumuunmnL2 3 4 5

+

[=: Á

A

Figura 1.39. Un generador de c.e. mantiene invariablela polaridad de sus terminales.

En el gráfico de la Figura 1.40 se ha representado una C.C.de 1 A. Observa como este valor se mantiene invariable conel paso del tiempo.

corriente, por ejemplo J A. La aguja del aparato de medida sedesviará siempre hacia la derecha de la escala. Si invirtiése­mos la polaridad de la pila, la aguja indicadora intentaría des­viarse hacia la izquierda.

o+

o

~~o

Contador de agua

Experiencia 1.3:"

Toma un amperímetro (o en su defecto un polímetro) jmide la intensidad que fluye por una lámpara al ser conec­tada a una pila (Figura 1.38). Al hacer el montaje cuidaque el aparato de medida sirva para medir corriente conti­nua,' que las polaridades sean las correctas y que la escalae/egida sea la adecuada con la magnitud a medir, ya que deotra manera podríamos estropear el instrumento medidor.

?;i.del~erá estar intercalado en el conductor (Figura 1.37). Dado'que la intensidad de la corriente es igual en todos los puntosdel circuito, es indiferente donde conectemos el amperímetro.

r----{A}---.....

Figura 1.40. Representación gráfica de una e.e.

Los usos que se bacen de la e.c. son muy variados: bañoselectrolíticos, alimentación de aparatos electrónicos, traccióneléctrica (coches, tranvías, etc.) y otras muchas.

1.14. Coniente alterna (C.A.)Figura 1.38. Medida de la intensidad con el amperímetro.

Gracias a la experiencia 1.3 habrás podido observar que elamperio no es una unidad de medida adecuada, ya que resul­ta excesivamente grande para expresar el resultado. En estoscasos se utilizan los submúltiplos:

l mA (miliamperio) = 1/l000 = 0,001= 10-3 A1 J1A (microamperio) = 111000000 = 0,000001 =10.6 A

La corriente alterna es la que producen los alternadores enlas centrales eléctricas. Es (a forma más común de transportarla energía eléctrica y de consumirla en nuestros hogares eindustria en general. Su símbolo es ~. -

Una corriente altema se caracteriza porque el flujo de elec­trones se mueve por el conductor en un sentido y en otro, yademás el valor de la corriente eléctrica es variable. Se podríadecir que en este caso el generador produce periódicamente cam­bios en la polaridad de sus terminales de salida (Figura 1.41).

1.13. Corriente continua (e.c.)Corriente continua es la que proporcionan las baterías de

acumuladores, pilas, dinamos y células fotovoltaicas. Su sím­bolo de representación es -.

Una corriente continua se caracteriza porque los electroneslibres siempre se mueven por el conductor en el mismo senti­do y con una intensidad constante.

En el circuito de la Figura 1.39 la pila proporciona c.e. ala lámpara. El amperímetro indicará siempre la misma

... .....Figura 1.41. Un generador de CA. produce cambios periódicos

en la polaridad de sus terminales.

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Para entender esto mejor, observa el gráfico de la Figura1.42. El eje de tiempos lo hemos puesto en milisegundos, yaque los cambios de corriente son muy rápidos (para una C.A.industrial la señal representada en la Figura 1.42 se repite 50veces en un segundo).

En un principio cabría pensar que veríamos a la lámparaencenderse y apagarse rápidamente, siguiendo los cambiosrápidos de la corriente. Pero en la realidad no podemos ver estefenómeno, ya que el ojo humano no es capaz de percibirlo.

Dado que la corriente alterna es más fácil de producir yque posee una serie de características que hacen más fácil sutransporte, su campo de aplicación es muy amplio. Debido ala importancia que posee la C.A. nos dedicaremos a su estu­dio con detenimiento en la Unidad de Contenido 7.

/ .....1\J r\

J i\1I ~

I.....-

1 ~ VV

\ 1/\ Y • La bomba de agua eleva el agua del depósito A hasta

el B, lo que crea una diferencia de alturas entre ambosdepósitos = El generador eléctrico arranca los electro­nes de la placa positiva y los deposita en la negativa, loque crea una diferencia de cargas o tensión entre losbornes de la lámpara.

41 El depósito B, al estar más alto que el A, adquiere unaenergía potencial, pudiendo luego el agua descenderhacia A y mover así el motor hidráulico = El defecto decargas negativas del polo positivo atrae 'con fuer¡¡:a a loselectrones en exceso del polo negativo a través del cir­cuito, produciéndose un movimiento de electrones, ocorriente eléctrica por el filamento de la lámpara, que lahace lucir.

1 milivoltio = l mV = 0,001 V1 Kilovoltio = I KV = 1.000 V

Para comprender aún mejor todas las magnitudes que apa­recen en un circuito eléctrico, vamos a hacer una comparaciónentre un circuito hidráulico y un circuito eléctrico (véaseFigura 1.43).

A la diferencia de cargas se la llama de otra forma: dife­rencia de potencial o tensión eléctrica (símbolo V), y su uni­dad de medida es el voltio (V). La f.e,m. de un generador semide también en voltios.

desde el polo positivo al negativo y así crear la diferencia decargas se le denominajiterza electromotriz (j:e.m.)".

Es la f.e.m. la que permite la circulación de electrones;como su nombre indica: fuerza electro-motriz, que mueve loselectrones.

t (ms)

H

(+)

Fi¡;ura 1.42. Representación gráfica de una C.A.

1(A)

1.15. Tensión eléctrica. Fuerzaelectromotriz

Como ya hemos estudiado, en un circuito el generador esel encargado de crear la diferencia de cargas. Para crear estadiferencia de cargas, el generador tiene que arrancar electro­nes del polo positivo y depositarlos en el polo negativo. Pararealizar esta tarea el generador necesita desarrollar unaenergía: "A la fuerza necesaria para trasladar los electrones

1.16. Medida de la tensiónPara medir la tensión eléctrica se precisa un aparato de

medida que sea capaz de captar el desnivel eléctrico o dife­rencia de cargas entre un punto y otro.

;. El voltímetro se conecta siempre entre los dos puntos entrelos que se quiere determinar la tensión.

Esta forma de conectar el voltímetro se denomina "cone­xión en paralelo o derivación" (Figura. 1.44).

-----,--~-------

Corriente de agual

- Corriente eléctrica

Motorhidráulico,

- - --- - - - ~ .. ~ - _:--------~

h VTensión +

-0- 0- O- 0- 0- ~~

b <r..,~ bf.e.m. (>< )

b~

b-e -e -e +B -e +B

Receptor

A','.'.',·,',',',',',','.

- - - - - - - ~ - - " - - -

Circuito hidráulico Circuito eléctrico

Figura 1.43. Comparación entre un circuito hidráulico yun circuito eléctrico.

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o Apuntes sobre conceptos de electricidad y circuitos.

http://www.jfent.org/lecciones/lecciones.htmhttp://www.csi.ult.cs/~iplatas//web/cc/teoria/indext3.htm

O Podrás encontrar más djrecciones ordenadas por temas enel Anexo 1 de este texto .

Figura 1.45.

o o+

Figura 1.44. El voltímetro se (onec!a en paralelo.

+

Experiencia 1.4:

.Toma un voltímetro (o en su deji?C­. fo un polímefro) y mide la tensión que

aparece entre los polos de una pila(Figura. 1.45). De la misma manera

:, que se hizo al medir la intensidad dela corriente, al hacer las conexionescuida que el aparato de medida sirva

.para medir corriente continua, que:' las polaridades sean las correctas y: que la escala elegida sea la adecua­, da con la magnitud a medir.

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1.1 Consulta en Internet sobre los temas relacionadoscon esta Unidad de Contenido e intenta contrastary ampliar la información obtenida.

1.2 Consigue los elementos necesarios y compruebaexperimentalmente los efectos de la corriente eléc­trica: térmico, luminoso, químico y magnético.

1.3 Consigue los elementos necesarios y compruebaexperimentalmente las diferentes formas de produ­cir electricidad: acción química, acción de la luz,

por presión, mediante termopar y mediante acciónmagnética.

Al finalizar cada una de estas actividades deberás ela­borar un informe-memoria sobre la actividad desarro­llada, indicando los resultados obtenidos y estruc­turándolos en los apartados necesarios para unaadecuada documentación de las mismas (descripcióndel proceso seguido, medios utilizados, esquemas y'planos utilizados, cálculos, medidas, etc.)

- ---,.-=;:=¡;,

1.1 ¿Qué ocurre si se acercan un elemento de ebonita yotro de vidrio una vez frotados?

A O Se repelen.B O Se atraen.e o Se cargan de electricidad.

1.2 ¿Qué ocurre cuando se conectan por medio de unconductor dos cuerpos cargados de electricidad dediferente polaridud?

A O Se atraen,B O Se repelen.e O Aparece un flujo de electrones por el con­

ductor hasta que se descargan.

1.3 La electricidad existe gracias a que:

A O El electrón posee carga y movilidad.B O El protón posee carga y movilidad.e O Los electrones ppseen carga positiva.

~"

1.4 El generador en un circuito eléctrico:

A O Produce un consumo de energía eléctrica.B O Es un elemento de control del circuito.e D Produce una diferencia de cargas entre sus

polos e impulsa a moverse a los electrones.

1.5 ¿Cuál es el símbolo y la unidad de la tensiórteintensidad de la corriente, respectivamente?

A O V (vatio), A (voltio).B O V (voltio), A (amperio).e O V (vatio), mA (miliamperio).

1.6 Calcula la intensidad de corriente que ha fluido porun conductor si, en 2 minutos y 20 segundos, sehan trasladado 18,9 . 1018 electrones.

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~-...........

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