Electrónica: magnitudes eléctricas, ley de Ohm, asociación de resistencias, componentes básicos y potencias.


ÍNDICE:
1. Introducción
2. Magnitudes eléctricas fundamentales
3. Simbología de los circuitos eléctricos
4. La ley de Ohm
5. Analogía entre los circuitos eléctricos y los circuitos hidráulicos
6. Medición de magnitudes
7. Tipos de conexión en un circuito
8. Resistencia equivalente de un conjunto de resistencias
9. Potencia eléctrica
______________________________________________________

1. Introducción

Toda la materia está formada por átomos, que son las partículas que aparecen en la tabla periódica:



Existen más de 100 tipos diferentes de átomos: hidrógeno (H), oxígeno (O), carbono (C), hierro (Fe), cobre (Cu), oro (Au), plata (Ag)...

A su vez, todos los átomos están formados por 3 tipos diferentes de partículas:

  • Protones y neutrones: que forman el núcleo del átomo.
  • Electrones: que giran alrededor del núcleo a gran velocidad y en todas las direcciones.


La corriente eléctrica consiste en una gran cantidad de electrones que se mueven en una misma dirección en vez de en todas las direcciones. Cuando conectamos una pila a los extremos de un cable hacemos que los electrones se muevan en una única dirección y a esto le llamamos corriente eléctrica. 


Sin embargo, esto no sucede con cualquier material. Si conectamos un hilo de lana o un tubo de plástico a una pila no se va a crear una corriente eléctrica. Esto se debe a que únicamente algunos materiales tienen la propiedad de que los electrones se puedan mover libremente cuando se les conecta una pila. Esa propiedad se llama conductividad eléctrica y es propia de los metales. Por eso utilizamos metales como el cobre, el aluminio o la plata para construir cables para los circuitos eléctricos. 

A los materiales que tienen buena conductividad eléctrica se les llama conductores eléctricos y los que no permiten que circule la corriente a través de ellos se les llama aislantes eléctricos (por ejemplo los plásticos y el vidrio).
______________________________________________________

2. Simbología de los circuitos eléctricos

Cuando se quiere representar un circuito eléctrico se realiza un esquema en el que se utilizan símbolos que facilitan su interpretación. Los símbolos de los principales componentes eléctricos son los siguientes:


______________________________________________________

3. Magnitudes eléctricas fundamentales


  • Tensión (o diferencia de potencial o voltaje): es la diferencia de potencial eléctrico entre dos puntos de un conductor.
  • Intensidad de corriente eléctrica: es la cantidad de electrones que circulan a través del conductor.
  • Resistencia eléctrica: es la oposición que presentan los conductores al paso de corriente eléctrica.


Como todas las magnitudes físicas que existen (tiempo, distancia, masa...) las tres magnitudes eléctricas fundamentales se miden en unas unidades determinadas:


La tensión (o voltaje) se mide en voltios, la intensidad se mide en amperios y la resistencia en Ohmnios. Además tanto las magnitudes como sus unidades se representan con una letra, que es la que aparece entre paréntesis en la tabla.
______________________________________________________

4. La ley de Ohm

Las tres magnitudes eléctricas anteriores se encuentran relacionadas por la llamada ley de Ohm, que es la que aparece recuadrada en azul. Si de esa ecuación se despejan la intensidad (I) o la resistencia (R) se obtienen las ecuaciones de la derecha:


Ejercicio de la ley de Ohm: Calcular la intensidad que circula por el siguiente circuito.


Como nos piden calcular la intensidad tenemos que despejar en la ley de Ohm la intensidad y sustituir los datos en la ecuación:


Por tanto, por el circuito circula una intensidad de 0,1 amperios.
______________________________________________________________________________

Como ya se ha dicho antes, cuando conectamos una pila a un cable (conductor) se establece una corriente electrica (es decir, los todos los electrones se empiezan a mover en la misma dirección). Dependiendo del tipo de pila que se conecte esa corriente será mayor o menor.

Cada tipo de pila tiene una tensión diferente. Hay pilas de 1,5 voltios, de 4,5 voltios, de 9 voltios... Cuanto mayor sea la tensión de la pila que conectemos al circuito mayor será la intensidad de la corriente, ya que según la ley de Ohm I = V / R.

______________________________________________________

5. Analogía entre los circuitos eléctricos y los circuitos hidráulicos

Para entender mejor el funcionamiento de los circuitos eléctricos a menudo los comparamos con los circuitos hidráulicos (instalaciones de agua con tuberías, válvulas, bombas de agua...).
  • Los conductores eléctricos a través de los cuales se mueven los electrones se puede comparar a las tuberías de agua a través de las cuales se desplazan las moléculas de agua. 
  • La pila de un circuito eléctrico que impulsa a los electrones a través de los cables se puede comparar con la bombas hidráulicas que impulsan el caudal de agua a través de las tuberías de una instalación hidráulica. 
  • Y por último, las resistencias de un circuito eléctrico que dificultan el paso de la corriente son equivalentes a las válvulas de un circuito hidráulico que al cerrarse dificultan el paso de la corriente de agua.

______________________________________________________

6. Medición de magnitudes

Para medir la tensión y la intensidad de un circuito se utilizan dos aparatos:
  • El voltímetro (para medir la tensión): que se conecta en paralelo.
  • El amperímetro (para medir la intensidad): que se conecta en serie.
Sin embargo, en la actualidad se suele utilizar un único aparato capaz de medir tanto la tensión como la intensidad que se llama multímetro.


______________________________________________________

7. Tipos de conexión en un circuito

Dependiendo de la forma en que se conectan entre sí los componentes en un circuito (bombillas, resistencias, motores, pilas...) se diferencian tres tipos de conexión:

 - Conexión en serie: cuando un componente se situa detrás de otro. En este caso la intensidad de corriente que circula por ambos componentes es la misma.

Dos resistencias conectadas en serie.

Cuatro leds conectados en serie.


 - Conexión en paralelo: en este caso, la intensidad que circula por uno y otro componente son, por lo general, distintas ya que antes de llegar a ellos la corriente eléctrica se ha separado, por lo que parte atraviesa uno de los componentes y parte el otro componente.


Dos leds conectados en paralelo.

Tres resistencias conectadas en paralelo.

 - Conexión mixta: es una combinación de los dos tipos anteriores de conexión.

Seis resistencias en conexión mixta.

______________________________________________________

8. Resistencia equivalente de un conjunto de resistencias

Cuando en un circuito hay un conjunto de resistencias podemos simplificarlo de la siguiente manera:

 - Si están conectadas en serie: únicamente hay que sumar el valor de todas las resistencias.


Importante: Cuando se conectan varias resistencias en serie la resistencia equivalente es más grande que cualquiera de las resistencias.

 - Si están conectadas en paralelo: el cálculo es un poco más complejo.


El primer paso es sumar los inversos de los valores de las resistencias, es decir:


Y por último se calcula el inverso de ese resultado, es decir:

Por tanto:


Importante: Cuando se conectan varias resistencias en paralelo la resistencia equivalente es más pequeña que cualquiera de las resistencias.
______________________________________________________

9. Potencia eléctrica

La potencia eléctrica (representada con la letra P) es la cantidad de energía que un elemento consume o genera en un determinado momento. La unidad de la potencia es el Vatio, que se representa con la letra W.

La fórmula que nos permite calcular la potencia de un componente eléctrico en general es la siguiente:


Si el componente eléctrico es una resistencia se puede aplicar la siguiente fórmula:


Que se obtiene al juntar la ecuación de la potencia con la ley de Ohm:


Como aparece en la definición de la potencia eléctrica, hay componentes que consumen potencia eléctrica y otros que la generan. En función de si consumen o generan potencia clasificamos los componentes eléctricos en:
  • Componentes activos: pilas y baterías.
  • Componentes pasivos: resistencias, bombillas, motores...

¿Dónde encontramos estos componentes en nuestra vida diaria?
  • Bombillas: lámparas, farolas del alumbrado público, faros de los coches... 
  • Motores eléctricos: lavadoras, batidoras, ascensores, coches eléctricos... 
  • Resistencias: placas vitrocerámicas de las cocinas, calefactores eléctricos, tostadoras, hornos eléctricos...

Evaluación: diseño con Tinkercad

Fecha de entrega: Lunes, 27 de Noviembre de 2017

Como ya se ha indicado en la descripción del trabajo, cada estudiante podrá obtener hasta un 10 únicamente con el diseño de la pieza en Tinkercad, pero además se podrán conseguir dos puntos adicionales si se realiza una guía de los pasos seguidos para la construcción en word.

El peso de este trabajo en la calificación final de la asignatura será de un 10% (sin contar los puntos extra voluntarios).

Los diferentes aspectos a tener en cuenta serán los siguientes:


En verde se indican los aspectos que se evaluarán para conseguir los dos puntos extra.




Trabajo: Diseño con Tinkercad


En este trabajo cada estudiante deberá diseñar en Tinkercad una de las piezas de la imagen inferior (figuras obtenidas de https://tecnologiex.wordpress.com/2012/10/22/ejercicios-de-vistas/). Cada alumno podrá entrar en la cuenta que se ha utilizado en el aula de informática para trabajar fuera del colegio en cualquier ordenador (casa, biblioteca...). Como cada pareja de trabajo comparte una misma cuenta se tendrán que crear dos diseños (uno por alumno) a los que se deberá poner el nombre del alumno correspondiente.



La distancia entra dos puntos deberá ser de 10mm a la hora de representar la pieza en Tinkercad.


Se puede acceder a una guía básica del programa en el siguiente enlace.

Aquellos estudiantes que deseen obtener hasta dos puntos extra en el trabajo podrán realizar un documento en Word (que deberán enviar al correo: ivan.carbajo.profesorado@gmail.com; con el asunto: Pieza de "nombre del alumno") en el que expliquen los pasos que han seguido para la construcción de su pieza. Un ejemplo podría ser el siguiente:

1. Arrastrar un cubo hueco, un cubo sólido y un techo al plano de trabajo.


2. Dar las dimensiones adecuadas a cada una de las figuras.


3. Elevar el techo del suelo una distancia igual a la altura del prisma rojo.


4. Seleccionar la vista superior para colocar el techo cobre el prisma rojo.


5. Seleccionar la vista frontal para colocar el agujero de la puerta centrado en el prisma rojo.

6. Seleccionar las tres figuras y agruparlas con el botón Agrupar del menú superior del programa.


Los trabajos de los alumnos que realicen esta parte del proyecto se colgarán en el blog.









Guía de Tinkercad


Tinkercad es un programa online (no necesita descargarse) de diseño 3D completamente gratuito que permite constuir piezas de manera sencilla a partir de la unión e intersección de cuerpos simples (prismas, cilindros, esferas...). Se trata de un programa dirigido principalmente al diseño de modelos para impresoras 3D. Los pasos necesarios para lograr imprimir en 3D un diseño realizado con Tinkercad se explicarán en otra entrada ya que en esta unicamente se indicarán las principales funcionalidades para el diseño de figuras geométricas.


Cómo registrarte en la página y empezar un diseño.

En primer lugar debes acceder al siguiente enlace: https://www.tinkercad.com/

Y registrarte con tu correo electrónico.

Una vez hecho esto se abrirá la página de inicio del programa donde tienes que pulsar en el botón Crear un diseño para empezar.



Y llegarás a la ventana de trabajo del programa:



Cómo añadir objetos geométricos y cambiar la vista de la pantalla.

Aquí puedes comenzar a arrastrar los diferentes cuerpos geométricos (los que aparecen coloreado) del menú de la derecha hacia el centro de la pantalla. En la siguiente imagen se han arrastrado un cubo un cilindro y una esfera:


Girando con el ratón el cubo que aparece en la parte superior izquierda de la pantalla es posible cambiar fácilmente la orientación de la cámara para ver los cuerpos desde diferentes perspectivas:


Si se hace click sobre una de las caras del cubo se obtendrá una vista (planta, alzado, perfil izquierdo, perfil derecho...) de los objetos del plano de trabajo, lo cual se puede utilizar como ayuda a la hora de representar piezas en diédrico en la asignatura de tecnología. Tendrás que cambiar de vita en perspectiva a vista ortográfica en el botón que aparece redondeado en la imagen para ver las diferentes vistas en diédrico (no en perspectiva):



Cómo cambiar las dimensiones, la orientación y la altura de las figuras.

Para modificar las dimensiones de los diferentes cuerpos geométricos hay que hacer una vez click sobre ellos. Así, aparecerán unos pequeños cuadrados blancos que nos permitirán o bien introducir directamente con el teclado el valor de la dimensión o bien arrastrar con el ratón hasta conseguir la longitud deseada:



Todos los objetos pueden ser modificados:


También puede modificarse la distancia del suelo al objeto (ya que en principio todos los objetos se encuentran apoyados en el plano de trabajo). Para ello hay que hacer click sobre la flecha negra que aparece al seleccionar la figura y después introducir el valor numérico o simplemente arrastrar con el ratón la distancia deseada:


La orientación de los objetos también puede cambiarse con las flechas curvas que aparecen al seleccionar el objeto. En este caso se podrá introducir el valor del ángulo que deseamos girar la pieza o bien girarla directamente con el ratón:



Cómo cambiar el color y otras características de las figuras.

Pero a parte de las dimensiones, la posición y la orientación se pueden modificar otras características de las piezas. Estas características aparecen cuando seleccionamos un objeto en la parte superior derecha de la ventana de trabajo y serán diferentes dependiendo del objeto geométrico que hayamos seleccionado (cubo, cilindro...). Por ejemplo, en el cilindro podemos aumentar el número de lados para que la cara lateral sea más lisa y los mismo se puede hacer con la esfera aumentando el número de pasos:


También se puede cambiar el color de cualquier objeto seleccionándolo y pulsando en sólido para seleccionar el color:



Si se desea ver a través de cualquier objeto se puede seleccionar la opción Transparente en el menú de color: 



Cómo crear piezas complejas combinando figuras simples.

Lo último que queda por aprender es cómo combinar las diferentes figuras para formar piezas más complejas.

Si queremos unir una pieza a otra basta con seguir los siguientes pasos:
1. Colocarlas en la posición adecuada:


2. Seleccionar ambas figuras. Esto se puede hacer de dos maneras:
  • Haciendo click sobre una, después pulsando la tecla shift (la de las mayúsculas) y haciendo click en la otra pieza sin soltar la tecla.
  • Haciendo click con el ratón en la pantalla y arrastrand hasta que las dos figuras han sido recuadradas.


Cuando las figuras hayan sido seleccionadas ambas aparecerán con un borde azul claro, como en la imagen:


3. El último paso consiste en pulsar el botón Agrupar de la menú superior del programa:



Y el resultado final es este:


Si se desean mantener los colores originales de las piezas antes de juntarse se debe seleccionar la pieza final y en la opción de colores seleccionar Multicolor.

Si en vez de juntar dos piezas queremos restarle una a la otra, es decir realizar un agujero, los pasos a seguir son los mismos con una única diferencia. Si por ejemplo deseamos haecr una agujero cilíndrico al prisma rojo se deberá seleccionar el cilindro naranja y en el menú de opciones hacer cick en el botón Hueco.




Tras esto se deberán seleccionar las dos piezas y agruparlas como en el caso anterior. El resultado final será el siguiente:



De esta manera, combinando varios objetos geométricos simples es posible crear piezas de bastante coplejidad: