PROCEDIMIENTO DE CIRCUITOS EN SERIE Y PARALELO

Circuitos en serie y en paralelo: Procedimiento
1. Repase las definiciones de circuitos en serie y en paralelo con la clase. Use las
Hojas de referencia para el estudiante como información base. También se pueden
distribuir como tarea de lectura la noche anterior a la actividad.
2. Divida a los alumnos en pequeños grupos de 3 ó 4 y distribuya las Hojas de trabajo
para el estudiante y dos sistemas (ver materiales anteriores) a cada grupo.
3. Pídale a los grupos que examinen el esquema de un circuito en serie en la Hoja de
trabajo para el estudiante y que dibujen su propio plano de un circuito en paralelo
en el espacio provisto.
4. Pídale a cada grupo de estudiantes que haga un circuito en serie y en paralelo
usando pilas, alambres y bombillas.
5. Una vez que los circuitos estén completos, pídale a los grupos de estudiantes que
hagan predicciones de cómo funcionan los circuitos si se quita una bombilla.
Discuta también si las bombillas podrían brillar más en una configuración que en
otra. Los estudiantes deben anotar sus predicciones en la Hoja de trabajo.
6. Pídale a todos los grupos de estudiantes que prueben sus predicciones usando sus
circuitos y comparen los resultados de sus predicciones.
7. Reúna los grupos de estudiantes para que discutan sus hallazgos.

ENERGIA DE UNA CORRIENTE ELECTRICA

La corriente eléctrica es el flujo de carga por unidad de tiempo que recorre un material. Se debe a un movimiento de los electrones en el interior del material. Esta se mide en amperios y se indica con el símbolo A. Una corriente eléctrica, puesto que se trata de un movimiento de cargas, produce un campo magnético.

Históricamente, la corriente eléctrica se definió como un flujo de cargas positivas y se fijó el sentido convencional de circulación de la corriente como un flujo de cargas desde el polo positivo al negativo y sin embargo posteriormente se observó, gracias al efecto Hall, que en los metales los portadores de carga son negativos, estos son los electrones, los cuales fluyen en sentido contrario al convencional. En resultas, el sentido convencional y el real son ciertos en tanto que los electrones fluyen desde el polo positivo hasta llegar al negativo (sentido real), cosa que no contradice que dicho movimiento se inicia al lado del polo positivo donde el primer electrón se ve atraido por dicho polo creando un hueco para ser cubierto por otro electrón del siguiente átomo y así sucesivamente hasta llegar al polo negativo (sentido convencional) es decir la corriente eléctrica es el paso de electrones desde el polo negativo al positivo comenzando dicha progresión en el polo positivo.

En el siglo XVIII cuando se hicieron los primeros experimentos con electricidad, solo se disponía de carga eléctrica generada por frotamiento o por inducción. Se logró, por primera vez, en 1800 tener un movimiento constante de carga cuando el físico italiano Alessandro Volta inventó, la primera pila eléctrica.

El instrumento usado para medir la intensidad de la corriente eléctrica es el galvanómetro que, calibrado en amperios, se llama amperímetro, colocado en serie con el conductor cuya intensidad se desea medir.

Energía eléctrica

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Consumo de energía eléctrica por país, en millones de kWh.

Se denomina energía eléctrica a la forma de energía que resulta de la existencia de una diferencia de potencial entre dos puntos, lo que permite establecer una corriente eléctrica entre ambos —cuando se les pone en contacto por medio de un conductor eléctrico—para obtener trabajo. La energía eléctrica puede transformarse en muchas otras formas de energía, tales como la energía luminosa o luz, la energía mecánica y la energía térmica.

Su uso es una de las bases de la tecnología utilizada por el ser humano en la actualidad.

La energía eléctrica se manifiesta como corriente eléctrica, es decir, como el movimiento de cargas eléctricas negativas, o electrones, a través de un cable conductor metálico como consecuencia de la diferencia de potencial que un generador esté aplicando en sus extremos.

Cada vez que se acciona un interruptor, se cierra un circuito eléctrico y se genera el movimiento de electrones a través del cable conductor. Las cargas que se desplazan forman parte de los átomos de— que se desea utilizar, mediante las correspondientes transformaciones; por ejemplo, cuando la energía eléctrica llega a una enceradora, se convierte en energía mecánica, calórica y en algunos casos luminosa, gracias al motor eléctrico y a las distintas piezas mecánicas del aparato.

Fuentes de energía eléctrica,,

La energía eléctrica apenas existe libre en la naturaleza de manera aprovechable. El ejemplo más relevante y habitual de esta manifestación son las tormentas eléctricas. La electricidad tampoco tiene una utilidad biológica directa para el ser humano, salvo en aplicaciones muy singulares, como pudiera ser el uso de corrientes en medicina, resultando en cambio normalmente desagradable e incluso peligrosa, según las circunstancias. Sin embargo es una de las más utilizadas, una vez aplicada a procesos y aparatos de la más diversa naturaleza, debido fundamentalmente a su limpieza y a la facilidad con la que se le genera, transporta y convierte en otras formas de energía. Para contrarrestar todas estas virtudes hay que reseñar la dificultad que presenta su almacenamiento directo en los aparatos llamados acumuladores.

La generación de energía eléctrica se lleva a cabo mediante técnicas muy diferentes. Las que suministran las mayores cantidades y potencias de electricidad aprovechan un movimiento rotatorio para generar corriente continua en un dinamo o corriente alterna en un alternador. El movimiento rotatorio resulta a su vez de una fuente de energía mecánica directa, como puede ser la corriente de un salto de agua, la producida por el viento, o a través de un ciclo termodinámico. En este último caso se calienta un fluido, al que se hace recorrer un circuito en el que mueve un motor o una turbina. El calor de este proceso se obtiene mediante la quema de combustibles fósiles, reacciones nucleares y otros procesos.

La generación de energía eléctrica es una actividad humana básica, ya que está directamente relacionada con los requerimientos actuales del hombre. Todas la formas de utilización de las fuentes de energía, tanto las habituales como las denominadas alternativas o no convencionales, agreden en mayor o menor medida el ambiente, siendo de todos modos la energía eléctrica una de las que causan menor impacto.

La energía eléctrica se crea por el movimiento de los electrones, para que este movimiento sea continuo, tenemos que suministrar electrones por el extremo positivo para dejar que se escapen o salgan por el negativo; para poder conseguir esto, necesitamos mantener un campo eléctrico en el interior del conductor (metal,etc.).Estos aparatos construidos con el fin de crear electricidad se llaman generadores eléctricos. Claro que hay diferentes formas de crearla, eólicamente, hidráulicamente, de forma geotérmica y muchas más.

QUE ES POTENCIAL ELECTRICO

Potencial eléctrico

El potencial eléctrico en un punto es el trabajo que debe realizar una fuerza eléctrica (ley de Coulomb) para mover una carga positiva q desde el infinito (donde el potencial es cero) hasta ese punto, dividido por dicha carga. Dicho de otra forma, es el trabajo que debe realizar una fuerza externa para traer una carga unitaria q desde el infinito hasta el punto considerado en contra de la fuerza eléctrica, dividido por esa carga. Matemáticamente se expresa por:

Considérese una carga de prueba positiva, la cual se puede utilizar para hacer el mapa de un campo eléctrico. Para tal carga de prueba localizada a una distancia r de una carga q, la energía potencial electrostática mutua es:

De manera equivalente, el potencial eléctrico es =

LEY DE JOULE

Si en un conductor circula corriente eléctrica, parte de la energía cinética de los electrones se transforma en calor debido a los choques que sufren con los átomos del material conductor por el que circulan, elevando la temperatura del mismo. Este efecto es conocido como Efecto Joule en honor a su descubridor el físico británico James Prescott Joule, que lo estudió en la década de 1860

Causas del fenómeno

Los sólidos tienen generalmente una estructura cristalina, ocupando los átomos o moléculas los vértices de las celdas unitarias, y a veces también el centro de la celda o de sus caras. Cuando el cristal es sometido a una diferencia de potencial, los electrones son impulsados por el campo eléctrico a través del sólido debiendo en su recorrido atravesar la intrincada red de átomos que lo forma. En su camino, los electrones chocan con estos átomos perdiendo parte de su energía cinética, que es cedida en forma de calor.

Este efecto fue definido de la siguiente manera: "La cantidad de energía calorífica producida por una corriente eléctrica, depende directamente del cuadrado de la intensidad de la corriente, del tiempo que ésta circula por el conductor y de la resistencia que opone el mismo al paso de la corriente". Matemáticamente se expresa como

donde:

Q = energía calorífica producida por la corriente

I = intensidad de la corriente que circula y se mide en amperios

R = resistencia eléctrica del conductor y se mide en ohms

t = tiempo el cual se mide en segundos

Así, la potencia disipada por efecto Joule será:

donde V es la diferencia de potencial entre los extremos del conductor.

Microscópicamente el efecto Joule se calcula a través de la integral de volumen del campo eléctrico por la densidad de corriente :

La resistencia es el componente que transforma la energía electrica en energía calorífica, (por ejemplo un hornillo eléctrico, una estufa eléctrica, una plancha etc.).

Mediante la ley de Joule podemos determinar la cantidad de calor que es capaz de entregar una resistencia, esta cantidad de calor dependerá de la intensidad de corriente que por ella circule y de la cantidad de tiempo que esté conectada, luego podemos enunciar la ley de Joule diciendo que la cantidad de calor desprendido por una resistencia es directamente proporcional a la intensidad de corriente a la diferencia de potencial y al tiempo.

Ejemplo de cálculo

Para determinar el valor de la resistencia eléctrica que debe tener un calentador eléctrico que, conectado a un enchufe de 220 V, es capaz de elevar la temperatura de un litro de agua de 15 °C a 80 °C en cinco minutos, se debe considerar que para elevar la temperatura del agua en 1 °C se necesitan 4,2 J por cada gramo. La energía calorífica necesaria para elevar la temperatura del agua de 15 °C a 80 °C será:

Q = 1000g.(80 °C - 15 °c).4,2 J/g °C = 273000.J

Un litro de agua corresponde a un kilogramo y 4,2 representa el calor en joules por gramo y grado Celsius (calor específico). Dado que se dispone del valor de la tensión, pero no de la intensidad, será necesario transformar la ley de Joule de modo que en la fórmula correspondiente aparezca aquélla y no ésta. Recurriendo a la ley de Ohm (V = i.R) se tiene:

Q = (V/R) ².R.t = V ².t/R

Despejando R y sustituyendo los valores conocidos resulta:

R = V ².t/Q = (220 V) ².300 s/273000 J = 53,2 Ω

Por lo tanto, el valor de la resistencia eléctrica debe ser 53,2 Ω para que el calentador eléctrico conectado a un enchufe de 220 V, sea capaz de elevar la temperatura de un litro de agua de 15 °C a 80 °C en cinco minutos.

Aplicaciones

En este efecto se basa el funcionamiento de diferentes electrodomésticos como los hornos, las tostadoras y las calefacciones eléctricas, y algunos aparatos empleados industrialmente como soldadoras, etc., en los que el efecto útil buscado es, precisamente, el calor que desprende el conductor por el paso de la corriente.

Sin embargo, en la mayoría de las aplicaciones es un efecto indeseado y la razón por la que los aparatos eléctricos y electrónicos necesitan un ventilador que disipe el calor generado y evite el calentamiento excesivo de los diferentes dispositivos.

LEY DE Ohm PARA CIRCUITO COMPLETO

La ley de ohm (véase el artículo: La ley de Ohm) puede se aplicada a un circuito serie completo o parte de él, tanto para conocer valores de resistencia, como de intensidad o voltaje, siempre y cuando sean conocidos dos de estos tres valores.

Antes de proceder a realizar cálculos sobre un circuito serie mediante la ley de Ohm, es conveniente recordar tres características de estos circuitos estudiados en la página anterior, y que serán fundamentales para la deducción lógica de algunos valores empleados en la aplicación de esta ley:

1. La suma de las caídas de tensión en todas las resistencias de un circuito serie es igual al valor total del voltaje aplicado (el valor de la fuente).

2. La intensidad de corriente en un circuito serie es la misma en todos sus puntos.

3. La suma de todas las resistencias de un circuito serie es igual a la resistencia total del circuito.

Como ya sabemos, la ley de Ohm se fundamenta en la fórmula para la intensidad de corriente: I = E / R, la cual se despeja cuando se desea realizar cálculos de los otros parámetros (voltaje y resistencia). A continuación vamos a aplicar esta fórmula y sus despejadas en la resolución de problemas de circuitos serie. La fórmulas empleadas serán:

	I = E / R, para hallar la intensidad de corriente.
	R = E / I, para hallar la resistencia.
	E = I R ó V = I R, para hallar el voltaje o la caída de tensión.

Calculando la resistencia total

Consideremos un circuito serie compuesto por tres resistencias (R1, R2 y R3), cuyos valores ignoramos, las cuales están conectadas a una fuente (E) de 100 voltios, y en cuyo circuito circula una corriente de 2 amperios.

Se trata de hallar la resistencia total Rt del circuito, conociendo la tensión y la intensidad:

En primer lugar, aplicando una de las características de los circuitos serie, sabemos que la corriente en cualquier parte del circuito tiene siempre la misma intensidad, por tanto ya tenemos que el valor de 2 A es la intensidad total.

En segundo lugar, aplicando otra de las características, sabemos que la resistencia total del circuito del ejemplo tiene que ser forzosamente la suma de las tres resistencias. Por tanto, Rt=R1+R2+R3.

Ahora, despejando la fórmula básica de la ley de Ohm, obtenemos que la resistencia de un circuito es igual a su caída de tensión dividida entre la intensidad que circula por ella. En nuestro circuito ejemplo, la resistencia total (Rt) sería igual al voltaje total (E) partido por la intensidad total (It):

Aunque desconozcamos el valor de cada resistencia individualmente, ahora ya sabemos que el valor de las tres juntas, es decir, de la resistencia total Rt, es de 50 ohmios.

Calculando valores desconocidos en un circuito

Considerando el mismo circuito serie anterior compuesto por tres resistencias, podemos plantearnos la resolución de diferentes valores desconocidos aplicando la ley de Ohm.

Suponemos un esquema en el cual conocemos el valor de la fuente (E), de la intensidad (I) y de dos de las tres resistencias. Con estos datos, la ley de Ohm y la lógica de funcionamiento de este tipo de circuitos, podremos calcular todo el resto de parámetros: el valor de la tercera resistencia y las diferentes caídas de tensión en cada una de ellas.

Conocemos los valores de las resistencias R1 y R2, y también la intensidad (I) que circula por ellas, por tanto en un primer ejercicio ya podemos obtener sus caídas de tensión (V1 y V2).

Según la fórmula despejada de la ley de Ohm, la caída de tensión en una resistencia es el producto resultante de multiplicar su valor por la intensidad que circula por dicha resistencia. En nuestro caso, V1:

V1 = I R1 = 2 x 5 = 10

Ya conocemos el valor de V1 (10 voltios). Aplicando la misma fórmula para V2 obtenemos que su valor es 2x10=20 voltios.

Ahora, conociendo las caídas de tensión V1 y V2, resultará muy fácil obtener el valor de V3. Sabemos que la fuente total del circuito (E) es de 100 voltios, y también sabemos que este valor es la suma de todas las caídas de tensión en el circuito, por tanto, si V1 y V2 suman ambas 30 voltios, el resto de tensión hasta 100 voltios tiene que caer forzosamente en R3.

Así,

	E = 100 V
	V1 + V2 = 10 + 20 = 30V
	V3 = 100 - 30 = 70 V

Sólo nos queda conocer el valor de la resistencia R3, lo cual será muy fácil de hallar porque ya sabemos el valor de los otros dos parámetros, es decir, la caída de tensión y la corriente que circula por ella.

Según la fórmula despejada de la ley de Ohm, la resistencia de un circuito es el resultado de dividir su caída de tensión entre la intensidad de corriente que circula por dicha resistencia. En nuestro caso R3:

Otro método para hallar R3

Antes calculamos el valor de R3 a partir de su caída de tensión (V3) y la corriente (I) que circulaba por ella. No obstante, conocemos el valor de la tensión total del circuito (E), que es de 100V, y la corriente total (I), que es de 2 amperios, por tanto, aplicando la ley de Ohm podemos determinar la resistencia total del circuito (Rt), y a partir de ella deducir el valor de R3:

Así,

	E = 100 V
	I = 2 A
	Rt = E / I = 100 / 2 = 50 ohm.

Dado que la resistencia total del circuito es la suma de todas las resistencias en serie, R3 tiene que ser forzosamente el resultado de restar R1 y R2 a la resistencia total:

	Rt = 50 ohm.
	R1 + R2 = 5 + 10 = 15 ohm.
	R3 = Rt - 15 = 50 - 15 = 35 ohm.

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Fuerza electromotriz

La fuerza electromotriz (FEM) es toda causa capaz de mantener una diferencia de potencial entre dos puntos de un circuito abierto o de producir una corriente eléctrica en un circuito cerrado. Es una característica de cada generador eléctrico. Con carácter general puede explicarse por la existencia de un campo electromotor ε cuya circulación,∫ε ds, define la fuerza electromotriz del generador.

Se define como el trabajo que el generador realiza para pasar por su interior la unidad de carga positiva del polo negativo al positivo, dividido por el valor en Culombios de dicha carga. Esto se justifica en el hecho de que cuando circula esta unidad de carga por el circuito exterior al generador, desde el polo positivo al negativo, es necesario realizar un trabajo o consumo de energía (mecánica, química, etcétera) para transportarla por el interior desde un punto de menor potencial (el polo negativo al cual llega) a otro de mayor potencial (el polo positivo por el cual sale).

La FEM se mide en voltios, al igual que el potencial eléctrico.

Por lo que queda que:

Se relaciona con la diferencia de potencial entre los bornes y la resistencia interna del generador mediante la fórmula (el producto es la caída de potencial que se produce en el interior del generador a causa de la resistencia óhmica que ofrece al paso de la corriente). La FEM de un generador coincide con la diferencia de potencial en circuito abierto.

La fuerza electromotriz de inducción (o inducida) en un circuito cerrado es igual a la variación del flujo de inducción Φ del campo magnético que lo atraviesa en la unidad de tiempo, lo que se expresa por la fórmula (Ley de Faraday). El signo - indica que el sentido de la FEM inducida es tal que se opone a dicha variación (Ley de Lenz).