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Trabajo Práctico Nº 10

Trabajo Práctico Nº 10

Área: Ciencias Naturales Espacio Curricular: Fisicoquímica

Ciclo: 9^o EGB Tiempo: 40 minutos

Tema: Circuitos Eléctricos

Fecha: 17 de octubre de 2008 Hora: 8:00 a 12:00 hs.

Objetivo

ü Utilizar el software cocodrilo clip como herramienta de apoyo para la comprensión de los conceptos más importantes relacionados con los circuitos eléctricos.

Marco Teórico:

Electricidad

Electricidad, categoría de fenómenos físicos originados por la existencia de cargas eléctricas y por la interacción de las mismas. Cuando una carga eléctrica se encuentra estacionaria, o estática, produce fuerzas eléctricas sobre las otras cargas situadas en su misma región del espacio; cuando está en movimiento, produce además efectos magnéticos. Los efectos eléctricos y magnéticos dependen de la posición y movimiento relativos de las partículas con carga. En lo que respecta a los efectos eléctricos, estas partículas pueden ser neutras, positivas o negativas (véase Átomo). La electricidad se ocupa de las partículas cargadas positivamente, como los protones, que se repelen mutuamente, y de las partículas cargadas negativamente, como los electrones, que también se repelen mutuamente. En cambio, las partículas negativas y positivas se atraen entre sí. Este comportamiento puede resumirse diciendo que las cargas del mismo signo se repelen y las cargas de distinto signo se atraen.

Una manifestación habitual de la electricidad es la fuerza de atracción o repulsión entre dos cuerpos estacionarios que, de acuerdo con el principio de acción y reacción, ejercen la misma fuerza eléctrica uno sobre otro. La carga eléctrica de cada cuerpo puede medirse en culombios. La fuerza entre dos partículas con cargas q₁ y q₂ puede calcularse a partir de la ley de Coulomb

según la cual la fuerza es proporcional al producto de las cargas dividido entre el cuadrado de la distancia que las separa. La constante de proporcionalidad K depende del medio que rodea a las cargas. La ley se llama así en honor al físico francés Charles de Coulomb.

Toda partícula eléctricamente cargada crea a su alrededor un campo de fuerzas. Este campo puede representarse mediante líneas de fuerza que indican la dirección de la fuerza eléctrica en cada punto. Para mover otra partícula cargada de un punto a otro del campo hay que realizar trabajo. La cantidad de energía necesaria para efectuar ese trabajo sobre una partícula de carga unidad se conoce como diferencia de potencial entre ambos puntos. Esta magnitud se mide en voltios. La Tierra, un conductor de gran tamaño que puede suponerse sustancialmente uniforme a efectos eléctricos, suele emplearse como nivel de referencia cero para la energía potencial. Así, se dice que el potencial de un cuerpo cargado positivamente es de tantos voltios por encima del potencial de tierra, y el potencial de un cuerpo cargado negativamente es de tantos voltios por debajo del potencial de tierra.

MEDIDAS ELÉCTRICAS

El flujo de carga, o intensidad de corriente, que recorre un cable conductor se mide por el número de culombios que pasan en un segundo por una sección determinada del cable. Un culombio por segundo equivale a 1 amperio, unidad de intensidad de corriente eléctrica llamada así en honor al físico francés André Marie Ampère. Véase el siguiente apartado, Corriente eléctrica.

Cuando una carga de 1 culombio se desplaza a través de una diferencia de potencial de 1 voltio, el trabajo realizado equivale a 1 julio, unidad llamada así en honor al físico británico James Prescott Joule. Esta definición facilita la conversión de cantidades mecánicas en eléctricas.

Una unidad de energía muy usada en física atómica es el electronvoltio (eV). Corresponde a la energía adquirida por un electrón acelerado por una diferencia de potencial de 1 voltio. Esta unidad es muy pequeña y muchas veces se multiplica por un millón o mil millones, abreviándose el resultado como 1 MeV o 1 GeV.

CORRIENTE ELÉCTRICA

Si dos cuerpos de carga igual y opuesta se conectan por medio de un conductor metálico, por ejemplo un cable, las cargas se neutralizan mutuamente. Esta neutralización se lleva a cabo mediante un flujo de electrones a través del conductor, desde el cuerpo cargado negativamente al cargado positivamente (en ingeniería eléctrica, se considera por convención que la corriente fluye en sentido opuesto, es decir, de la carga positiva a la negativa). En cualquier sistema continuo de conductores, los electrones fluyen desde el punto de menor potencial hasta el punto de mayor potencial. Un sistema de esa clase se denomina circuito eléctrico. La corriente que circula por un circuito se denomina corriente continua (c.c.) si fluye siempre en el mismo sentido y corriente alterna (c.a.) si fluye alternativamente en uno u otro sentido.

El flujo de una corriente continua está determinado por tres magnitudes relacionadas entre sí. La primera es la diferencia de potencial en el circuito, que en ocasiones se denomina fuerza electromotriz (fem), tensión o voltaje. La segunda es la intensidad de corriente. Esta magnitud se mide en amperios; 1 amperio corresponde al paso de unos 6.250.000.000.000.000.000 electrones por segundo por una sección determinada del circuito. La tercera magnitud es la resistencia del circuito. Normalmente, todas las sustancias, tanto conductores como aislantes, ofrecen cierta oposición al flujo de una corriente eléctrica, y esta resistencia limita la corriente. La unidad empleada para cuantificar la resistencia es el ohmio (Ω), que se define como la resistencia que limita el flujo de corriente a 1 amperio en un circuito con una fem de 1 voltio. La ley de Ohm, llamada así en honor al físico alemán Georg Simon Ohm, que la descubrió en 1827, permite relacionar la intensidad con la fuerza electromotriz. Se expresa mediante la ecuación e = I × R, donde e es la fuerza electromotriz en voltios, I es la intensidad en amperios y R es la resistencia en ohmios. A partir de esta ecuación puede calcularse cualquiera de las tres magnitudes en un circuito dado si se conocen las otras dos. Véase Medidores eléctricos.

Cuando una corriente eléctrica fluye por un cable pueden observarse dos efectos importantes: la temperatura del cable aumenta y un imán o brújula colocado cerca del cable se desvía, apuntando en dirección perpendicular al cable. Al circular la corriente, los electrones que la componen colisionan con los átomos del conductor y ceden energía, que aparece en forma de calor. La cantidad de energía desprendida en un circuito eléctrico se mide en julios. La potencia consumida se mide en vatios; 1 vatio equivale a 1 julio por segundo. La potencia P consumida por un circuito determinado puede calcularse a partir de la expresión P = e × I, o la que se obtiene al aplicar a ésta la ley de Ohm: P = I² × R. También se consume potencia en la producción de trabajo mecánico, en la emisión de radiación electromagnética como luz u ondas de radio y en la descomposición química.

Circuito eléctrico

Elementos de un circuito eléctrico

Símbolos de algunos elementos de un circuito eléctrico.

Circuito eléctrico, trayecto o ruta de una corriente eléctrica. El término se utiliza principalmente para definir un trayecto continuo compuesto por conductores y dispositivos conductores, que incluye una fuente de fuerza electromotriz que transporta la corriente por el circuito. Un circuito de este tipo se denomina circuito cerrado, y aquéllos en los que el trayecto no es continuo se denominan abiertos. Un cortocircuito es un circuito en el que se efectúa una conexión directa, sin resistencia, inductancia ni capacitancia apreciables, entre los terminales de la fuente de fuerza electromotriz.

LEY DE OHM

Circuitos eléctricos

La manera más simple de conectar componentes eléctricos es disponerlos de forma lineal, uno detrás del otro. Este tipo de circuito se denomina “circuito en serie”, como el que aparece a la izquierda de la ilustración. Si una de las bombillas del circuito deja de funcionar, la otra también lo hará debido a que se interrumpe el paso de corriente por el circuito. Otra manera de conectarlo sería que cada bombilla tuviera su propio suministro eléctrico, de forma totalmente independiente, y así, si una de ellas se funde, la otra puede continuar funcionando. Este circuito se denomina “circuito en paralelo”, y se muestra a la derecha de la ilustración.

La corriente fluye por un circuito eléctrico siguiendo varias leyes definidas. La ley básica del flujo de la corriente es la ley de Ohm, así llamada en honor a su descubridor, el físico alemán Georg Ohm. Según la ley de Ohm, la cantidad de corriente que fluye por un circuito formado por resistencias puras es directamente proporcional a la fuerza electromotriz aplicada al circuito, e inversamente proporcional a la resistencia total del circuito. Esta ley suele expresarse mediante la fórmula I = V/R, siendo I la intensidad de corriente en amperios, V la fuerza electromotriz en voltios y R la resistencia en ohmios. La ley de Ohm se aplica a todos los circuitos eléctricos, tanto a los de corriente continua (CC) como a los de corriente alterna (CA), aunque para el análisis de circuitos complejos y circuitos de CA deben emplearse principios adicionales que incluyen inductancias y capacitancias.

Un circuito en serie es aquél en que los dispositivos o elementos del circuito están dispuestos de tal manera que la totalidad de la corriente pasa a través de cada elemento sin división ni derivación en circuitos paralelos.

Cuando en un circuito hay dos o más resistencias en serie, la resistencia total se calcula sumando los valores de dichas resistencias. Si las resistencias están en paralelo, el valor total de la resistencia del circuito se obtiene mediante la fórmula

En un circuito en paralelo los dispositivos eléctricos, por ejemplo las lámparas incandescentes o las celdas de una batería, están dispuestos de manera que todos los polos, electrodos y terminales positivos (+) se unen en un único conductor, y todos los negativos (-) en otro, de forma que cada unidad se encuentra, en realidad, en una derivación paralela. El valor de dos resistencias iguales en paralelo es igual a la mitad del valor de las resistencias componentes y, en cada caso, el valor de las resistencias en paralelo es menor que el valor de la más pequeña de cada una de las resistencias implicadas. En los circuitos de CA, o circuitos de corrientes variables, deben considerarse otros componentes del circuito además de la resistencia.

LEYES DE KIRCHHOFF

Leyes de Kirchhoff

En este circuito eléctrico formado por dos generadores, de fuerzas electromotrices e₁ y e₂, y tres resistencias, R₁, R₂ y R₃, se puede aplicar la ley de los nudos al nudo B y la ley de las mallas a las redes ABEF y BCDE.

Si un circuito tiene un número de derivaciones interconectadas, es necesario aplicar otras dos leyes para obtener el flujo de corriente que recorre las distintas derivaciones. Estas leyes, descubiertas por el físico alemán Gustav Robert Kirchhoff, son conocidas como las leyes de Kirchhoff. La primera, la ley de los nudos, enuncia que en cualquier unión en un circuito a través del cual fluye una corriente constante, la suma de las intensidades que llegan a un nudo es igual a la suma de las intensidades que salen del mismo. La segunda ley, la ley de las mallas afirma que, comenzando por cualquier punto de una red y siguiendo cualquier trayecto cerrado de vuelta al punto inicial, la suma neta de las fuerzas electromotrices halladas será igual a la suma neta de los productos de las resistencias halladas y de las intensidades que fluyen a través de ellas. Esta segunda ley es sencillamente una ampliación de la ley de Ohm.

IMPEDANCIA

La aplicación de la ley de Ohm a los circuitos en los que existe una corriente alterna se complica por el hecho de que siempre estarán presentes la capacitancia y la inductancia. La inductancia hace que el valor máximo de una corriente alterna sea menor que el valor máximo de la tensión; la capacitancia hace que el valor máximo de la tensión sea menor que el valor máximo de la corriente. La capacitancia y la inductancia inhiben el flujo de corriente alterna y deben tomarse en cuenta al calcularlo. La intensidad de corriente en los circuitos de CA puede determinarse gráficamente mediante vectores o con la ecuación algebraica

en la que L es la inductancia, C la capacitancia y f la frecuencia de la corriente. El valor obtenido en el denominador de la fracción se denomina impedancia del circuito y suele representarse por la letra Z. Por consiguiente, la ley de Ohm para los circuitos integrados suele expresarse por la ecuación sencilla I = e / Z.

Actividad Inicial:

ü Los alumnos abordaran el tema con la presentacion del software a utilizar en el ordenador presentado en diapositivas.

ü Los alumnos recuperarán saberes previos sobre carga electrica, tipos de carga, intensidad de corriente y electricidad.

Actividades de Desarrollo:

ü Los alumnos realizarán las pr{acticas planteadas en la gía de actividades.

Guía de actividades:

Actividad N°1:

Montarlos siguientes circuitos utilizando el programa Cocodrile y anota al lado de cada uno de ellos la que sucede al pulsar el elemento de maniobra. Anota también las aplicaciones que le darías.

A)

B)

C)

D)

E)

Colocar el puntero del ratón encima de un componente aparece la intensidad (Amperios o mA) que circula por él, su voltaje (Voltios o mV) o su potencia (Watios o mW).

Actividad N°2:

Montar los siguientes circuitos utilizando el programa Cocodrile y dibújalos una vez los hayas terminado.

1. A) Mando de una bombilla mediante un interruptor, utilizando una pila de 5 V

B) Comprobar la intensidad que está pasando por el circuito.

I = _________ A

2. A) Mando de un zumbador mediante un pulsador normalmente abierto utilizando una pila de 9 V.

B) Comprobar la intensidad que está pasando por el circuito

I = _________ A

C) Diseña el mismo circuito pero con un pulsador normalmente cerrado

D) Comprobar la intensidad que está pasando por el circuito

I = _________ A

3. A) Mando de un motor mediante un interruptor utilizando una pila de 9 V.

B) Comprobar la intensidad que está pasando por dicho circuito

I = _________ A

C) Utilizando los mismos componentes, haz que el motor gire en sentido contrario

D) Comprueba si ha habido variación de la intensidad

I = _________ A

Actividad N°3:

Un AMPERÍMETRO es un aparato de medida que indica la corriente que pasa por el circuito. Se coloca en serie con el elemento o circuito a medir.

Un VOLTÍMETRO es un aparato de medida que indica la tensión, voltaje o diferencia de potencial que existe entre dos puntos del circuito. Se coloca en paralelo con el elemento o conjunto de elementos a medir.

El siguiente circuito representa el mando de una bombilla mediante un interruptor:

USO DEL AMPERÍMETRO

a) Coloca un amperímetro que nos indique la intensidad que circula por dicho circuito, situándolo delante de la bombilla.

I Delante Bombilla = _________ A

b) Ahora, situándolo detrás de la bombilla. ¿Ha variado la lectura?.

I Detrás Bombilla = _________ A

c) Ahora entre la pila y el interruptor. ¿Ha variado la lectura?.

I Pila-Interruptor = _________ A

LA MEDIDA DE UN AMPERÍMETRO EN UN CIRCUITO EN SERIE ES INDEPENDIENTE DEL LUGAR ELEGIDO PARA COLOCARLO

USO DEL VOLTÍMETRO

a) Coloca un voltímetro que nos indique la caída de tensión que tiene lugar enla bombilla.

V Bombilla = _________ V

b) Compara la caída de tensión que tiene lugar en la bombilla con la suministrada por la pila. Escribe la conclusión que saques de ello.

V Pila = _________ V

V Bombilla = _________ V

c) Coloca un voltímetro que nos indique la tensión que hay entre los puntos A y B, tanto con el interruptor abierto como cerrado.

V A-B = _________ V (Interruptor abierto)

V A-B = _________ V (Interruptor cerrado)

d) Coloca un voltímetro que nos indique la tensión que hay entre los puntos C y D (bornes del interruptor), tanto con el interruptor abierto como cerrado.

V C-D = _________ V (Interruptor abierto)

V C-D = _________ V (Interruptor cerrado)

e) Coloca un voltímetro que nos indique la tensión que hay entre los puntos E y F (bornes de la bombilla), tanto con el interruptor abierto como cerrado.

V E-F = _________ V (Interruptor abierto)

V E-F = _________ V (Interruptor cerrado)

f) Coloca un voltímetro que nos indique la tensión que hay entre los puntos G y H (bornes de la pila), tanto con el interruptor abierto como cerrado.

V G-H = _________ V (Interruptor abierto)

V G-H = _________ V (Interruptor cerrado)

De todo ello saca la conclusión de que LA CAÍDA DE TENSIÓN QUE TIENE LUGAR EN EL CONDUCTOR ES…….

Se dice que dos puntos de un circuito eléctrico son el mismo punto eléctrico si lo único que les separa es un trozo de conductor, y por lo tanto están a la misma tensión.

a) De los puntos señalados en el circuito, agrupa aquellos que sean el mismo punto eléctrico.

b) Deduce el valor de la resistencia de la bombilla.

R Bombilla = _________ Ω

ü Los alumnos registrarán en sus carpetas lo observado en los simuladores y oido.

Actividad Final

ü Los alumnos afianzaran los conceptos desarrollados en las prácticas anteriores, con especial interés en la utilización de los aparatos de medida y en el desarrollo de una actitud lógica para el rediseño de diferentes circuitos.

Montar los siguientes circuitos utilizando el programa Cocodrile.

A) Coloca un amperímetro y mide la corriente que recorre el circuito. Prueba con distintas pilas de 1.5, 4.5, 6, 9 y 12 voltios midiendo la corriente en cada caso y da el resultado en forma de tabla. Calcula el valor de la resistencia de la lámpara.

B) Coloca un amperímetro y mide la corriente que recorre el circuito.

C) ¿Qué diferencia encuentras entre un pulsador N.A. y uno N.C.?

D) Modifica el circuito para conseguir que el motor gire en sentido contrario, sin añadir ningún lemento nuevo.

E) Busca una aplicación práctica al circuito de la figura.

ü Los alumnos deberán adjuntar la guía de actividades completa en la carpeta.

Conclusión:

ü Las prácticas utilizan como herramienta el software Cocodrile Clips, el cual es probablemente uno de los mejores programas de simulación de circuitos para el ámbito de la física. Este software permite la simulación de todo tipo de circuitos eléctricos y electrónicos, tanto analógicos como digitales, así como la simulación de componentes mecánicos. Una de sus principales características es su sencillez de uso, y su carácter gráfico e intuitivo, aspectos fundamentales para el aprendizaje del tema.

ü La clase contiene cuatro prácticas en las cuales se tratan los conceptos y magnitudes básicos que intervienen en un circuito eléctrico.

ü La primera práctica consiste en una mera toma de contacto con el simulador. Con este fin, se propone el montaje de cinco circuitos sencillos de corriente continua, en el cual se utilizan elementos como interruptores, pulsadores, lámparas, motores y zumbadores.

ü La segunda práctica esta enfocada al desarrollo del concepto de intensidad eléctrica, para lo cual se simula el comportamiento de diversos circuitos, atendiendo especialmente al sentido y valor de la corriente eléctrica en cada uno de ellos.

ü La siguiente práctica esta orientada a los aparatos de medida empleados en los circuitos eléctricos, esto es, el voltímetro y el amperímetro. Sobre un único circuito se realizan diferentes medidas sobre cada uno de los elementos que lo integran, haciendo especial hincapié en la forma de conexión de cada uno de los aparatos de medida.

ü Como actividad de sierre se plantea una práctica para afianzar los conceptos desarrollados en las prácticas anteriores, con especial interés en la utilización de los aparatos de medida y en el desarrollo de una actitud lógica para el rediseño de diferentes circuitos.

Bibliografía:

• Beichner, J.R., Serway, R.A., (2002). Física Tomo I para ciencias e ingeniería. Quinta Edición. México, D.F., McGraw-Hill/Interamericana Editores, S.A. DE C.V.
• Manual de Crocodile Clips
• Ministerio de Educación y Ciencia. España.

http://newton.cnice.mec.es/4eso/trabajo/indice_trapoenedinewton.htm