ESTÁNDAR
Entorno físico (Procesos físicos)
- Explico las fuerzas entre objetos como interacciones debidas a la carga eléctrica y a la masa.
Ciencia, tecnología y sociedad:
- Utilizo modelos biológicos, físicos y químicos para explicar la transformación y conservación de la energía.
- Identifico aplicaciones de diferentes modelos biológicos, químicos y físicos en procesos industriales y en el desarrollo tecnológico; analizo críticamente las implicaciones de sus usos.
COMPONENTE
- Entorno físico (Procesos físicos)
- Ciencia, tecnología y sociedad
INDICADOR DE DESEMPEÑO
De Conocimiento:
- Conozco los elementos involucrados en un circuito eléctrico para optimizarlo.
De Desempeño:
- Resuelvo problemas que incluyan circuitos en paralelo, en serie y mixtos.
METODOLOGÍA/ SECUENCIA DIDÁCTICA
- Unidad didáctica
- Electricidad, conductores, aislantes, corriente, voltaje, resistencia, componentes, nodo, malla, rama, fuente. Ley de Ohm, Ley de Kirchhoff.
- Propósito
- Comprender y resolver problemas sobre la ley de Ohm.
- Desarrollo cognitivo instruccional
La terminología de los circuitos
Para iniciar vamos a recordar y familiarizarnos con una terminología muy necesaria. Estamos desarrollando métodos para analizar un circuito. Hasta aquí, hemos definido los componentes (resistencia o resistor, condensador o capacitor e inductor) y las fuentes (voltaje y corriente) más comunes. Ahora necesitamos un vocabulario claro para hablar acerca de los circuitos. A continuación, un repaso y compendio de términos y conceptos que usamos en el análisis y diseño de circuitos.
Circuito: La palabra circuito viene de círculo. Un circuito es una colección de componentes reales, fuentes de poder y fuentes de señales, todas conectadas de modo que la corriente pueda fluir en un círculo completo.
Circuito cerrado: Un circuito es cerrado si el círculo está completo, si todas las corrientes tienen una trayectoria de regreso a donde iniciaron.
Circuito abierto: Un circuito es abierto si el círculo no está completo, si hay algún hueco o apertura en la trayectoria.
Corto circuito: Ocurre un corto cuando una trayectoria de baja resistencia está conectada (típicamente por error) a un componente. El resistor que se muestra a continuación es la trayectoria prevista para la corriente, y el cable curvado que va a alrededor de él es el corto. La corriente se desvía de su trayectoria esperada, a veces con resultados dañinos. El alambre provoca un corto circuito sobre el resistor al proporcionar una trayectoria de baja resistencia para la corriente (algo que probablemente no era la intención del diseñador).
Hacer o romper: Haces un circuito al cerrar la trayectoria de la corriente, como cuando enciendes un interruptor. Romper un circuito es lo opuesto. Apagar un interruptor rompe el circuito.
Esquema: Un esquema es un dibujo de un circuito. Un esquema representa los elementos de un circuito con símbolos y las conexiones como líneas.
Elementos: El término elementos significa "componentes y fuentes".
Símbolos: En los esquemas, los elementos están representados por símbolos. Aquí se muestran los símbolos para los elementos comunes de dos terminales:
Líneas: Las conexiones entre los elementos se dibujan como líneas, las cuales a menudo las pensamos como "alambres" o "cables". En un esquema, estas líneas representan conductores perfectos con cero resistencia. Cada componente o terminal de una fuente que se toca con una línea se encuentra al mismo voltaje.
Puntos: Las conexiones entre las líneas se pueden indicar con puntos. Los puntos son una indicación inequívoca de que las líneas están conectadas. Si la conexión es obvia, no tienes que usar un punto.
(a) y (b) están bien.
(c) si no hay punto, indica que no hay conexión.
(d) también indica que no hay conexión; la línea horizontal "salta" por encima del alambre vertical. (d) es muy claro, pero requiere un esfuerzo y espacio adicionales para poderlo dibujar.
(e) para cruzar líneas conectadas, (e) es aceptable, pero tiene el riesgo de verse muy parecido a (c), así que (f) es una mejor práctica.
Nodo: Una unión en donde 2 o más elementos se conectan se llama un nodo. El siguiente esquema muestra un solo nodo (el punto negro) que se forma de la unión de cinco elementos (representados de manera abstracta por los rectángulos anaranjados).
Como las líneas en un esquema representan conductores perfectos con cero resistencia, no hay ninguna regla que diga que las líneas que salen de múltiples elementos tengan que juntarse en un solo punto de unión. Podemos dibujar el mismo nodo como un nodo distribuido como el que se representa en el siguiente esquema. Estas dos representaciones del nodo significan exactamente la misma cosa. Un nodo distribuido puede estar extendido, con muchos segmentos de líneas, codos y puntos. No te distraigas, es un solo nodo. Conectar los elementos de los esquemas con conductores perfectos significa que el voltaje en todos lados en un nodo distribuido es el mismo.
Aquí está un esquema realista con los nodos distribuidos etiquetados:
Ley de Ohm
La ley de Ohm dice que: "La intensidad de la corriente eléctrica que circula por un conductor eléctrico es directamente proporcional a la diferencia de potencial aplicada e inversamente proporcional a la resistencia del mismo".
En el Sistema Internacional de Unidades:
I = Intensidad en amperios (A)
V = Diferencia de potencial en voltios (V)
R = Resistencia en ohmios (Ω)
La diferencia de potencial del generador "empuja " a moverse a los electrones, pero los cables y los demás elementos del circuito frenan este movimiento.
Ohm descubrió al principio del siglo XIX que la corriente a través de un metal era directamente proporcional al voltaje o diferencia de potencial eléctrico por el metal. El descubrimiento de Ohm condujo a la idea de la resistencia en los circuitos.
Conceptos importantes de la ley de Ohm
Corriente: La corriente eléctrica es el flujo de carga a través de un conductor por unidad de tiempo. La corriente eléctrica se mide en amperios (A). Un amperio es igual al flujo de 1 coulomb por segundo, es decir, 1 A = 1 C/s.
Voltaje: La corriente eléctrica que fluye por un conductor depende del potencial eléctrico o voltaje y de la resistencia del conductor al flujo de carga.
La corriente eléctrica es comparable al flujo del agua. La diferencia de la presión de agua en una manguera permite que el agua fluya desde una presión alta a una presión baja. La diferencia de potencial eléctrico medido en voltios permite el flujo de las cargas eléctricas por un cable desde una zona de potencial alto a uno bajo.
La presión del agua se mantiene por una bomba, y la diferencia de potencial para la carga se mantiene por una batería.
Resistencia eléctrica: La resistencia eléctrica es la dificultad con la que las cargas eléctricas fluyen a través de un conductor.
Usando la analogía del agua, la resistencia eléctrica puede ser comparada a la fricción del flujo de agua por un tubo. Un tubo liso y pulido ofrece poca resistencia al paso del agua, mientras que un tubo rugoso y lleno de desperdicios hará que el agua se mueva más lentamente.
La resistencia eléctrica está relacionada a la interacción de los electrones conductores a medida que se mueven de átomo a átomo por el conductor. La resistencia se mide en ohms u ohmios, y se representa con la letra griega omega Ω.
Puntos claves a recordar:
- El voltaje mueve la corriente mientras la resistencia la impide.
- La ley de Ohm se refiere a la relación entre voltaje y corriente.
- Circuitos o componentes que obedecen la relación V = I ∙ R son conocidos como óhmicos y presentan gráficos corriente-voltaje que son lineales y pasan por el punto cero.
- Desarrollo Metodológico
Ejemplo 1. Determinar la intensidad de la intensidad de la corriente eléctrica a través de una resistencia de 30 Ω (Ohmios) y al aplicarle una diferencia de potencial de 90 voltios.
Datos:
I = ?
R = 30 Ω
V = 90 V
Formula: I = V/R
Sustituimos los datos en la fórmula.
I = 90 V / 30 Ω
I = 3 A
Ejemplo 2. Calcula el voltaje, entre dos puntos del circuito de una plancha, por el que atraviesa una corriente de 4 amperios y presenta una resistencia de 10 ohmios
Solución: Del mismo modo que el ejemplo anterior, lo que necesitamos es retomar nuestros datos, que en este caso serían los 4 amperios que atraviesan sobre el circuito de la plancha y la resistencia de 10 ohmios, por lo que:
I =4 A
R =10 Ω
V = ?
En este caso nuestra fórmula será la misma, solo que ahora la vamos a despejar.
I = V/R
V = I ∙ R
Ahora reemplazamos nuestros datos.
V = 4 A x 10 Ω
I = 40 V
Por lo que tendríamos 40 Volts como respuesta, que serían los que atraviesan entres los dos puntos de la plancha.
Actividad:
- Calcula la intensidad de la corriente que alimenta una lavadora de juguete que tiene una resistencia de 10 ohmios y funciona con una batería de 30 V.
- Calcula el voltaje, entre dos puntos del circuito de una plancha, por el que atraviesa una corriente de 8 amperios y presenta una resistencia de 20 ohmios.
- Calcula la resistencia atravesada por una corriente con una intensidad de 5 amperios y una diferencia de potencial de 10 voltios.
- Calcula la resistencia que presenta un conductor al paso de una corriente con una tensión de 15 voltios y una intensidad de 3 amperios.
- Calcula la intensidad que lleva una corriente eléctrica por un circuito en el que se encuentra una resistencia de 25 ohmios y que presenta una diferencia de potencial entre los extremos del circuito de 80 kilovoltios.
- Un conductor tiene una resistencia de 54 Ω. ¿Cuál es la corriente si el conductor se conecta a una batería de 9 volts? ¿Cuál es el voltaje en sus terminales si por el conductor pasa una corriente de 200 mA?
- Material que ofrece poca resistencia al movimiento de carga eléctrica:
- Aislante eléctrico
- Conductor eléctrico
- Semiconductor
- Resistencia
- Es el flujo de carga eléctrica por unidad de tiempo que recorre un material:
- Resistencia eléctrica
- Corriente eléctrica
- Potencia eléctrica
- Voltaje
