1. CIRCUITOS EN SERIE
1.1. Conexión en serie de generadores
Se dice que dos o más generadores están en serie cuando están conectados uno detrás del otro. El borne positivo de un generador debe estar conectado al borne negativo del siguiente.
Si conectamos varios generadores en serie, la tensión total del conjunto será la suma de las tensiones de cada generador:
V total = V1 + V2 + ... + Vn (ultimo generador)
1.2. A mayor tensión, mayor potencia
Al aumentar la tensión que se aplica a un circuito, se aumenta también la potencia que éste puede proporcionar. Esto es de gran importancia para diseñar aparatos eléctricos portátiles, como una linterna, calculadoras, juguetes...
1.3. Algunos generadores tienen trampa
Algunas pilas o baterías que parecen generadores individuales son, en realidad, un grupo de generadores más pequeños conectados en serie. Un ejemplo son las pilas de petaca. En su interior encontramos 3 pilas cilíndricas conectadas en serie.
1.4. Células solares conectadas en serie
Otro ejemplo común de conexión en serie de generadores son los paneles solares. Una célula solar individual produce muy poca tensión, alrededor de 0,5 V, por lo que es necesario agruparlas en paneles.
En un panel solar las células individuales se conectan en serie para obtener mayores tensiones.
1.5. Conexión en serie de receptores
Dos o más receptores están en serie cuando se conectan uno detrás del otro, compartiendo el mismo cable. Por ejemplo, bombillas conectadas en serie:
1.6. Si un receptor en serie falla, dejan de funcionar todos los demás
En la conexión en serie, la corriente eléctrica debe atravesar todos los receptores para hacer funcionar el circuito.
Esto tiene un problema: si uno de los receptores se avería, como una bombilla que se funde, la corriente no puede circular y ninguno de los demás receptores del circuito funciona.
1.7. Los receptores en serie se reparten la tensión
Los receptores en serie se reparten la tensión que proporciona el generador de forma proporcional a su resistencia.
- Si todos los receptores son iguales, todos estarán sometidos a la misma tensión. Por ejemplo: si conectamos 3 bombillas iguales a una pila de 4,5 voltios, a cada una le corresponderá sólo 1,5 voltios.
- En circuitos con receptores que tengan resistencias diferentes, se deberá aplicar la Ley de Ohm para averiguar la tensión que recibe cada receptor.
2. CIRCUITOS EN PARALELO
2.1. Conexión en paralelo de generadores
Dos o más generadores están conectados en paralelo cuando los bornes de la misma polaridad están conectados entre sí. Todos los bornes positivos están conectados a un cable por donde sale la corriente y todos los bornes negativos están conectados a un cable por donde entra la corriente.
2.2. Dos o más generadores en paralelo proporcionan la misma tensión que uno solo
No se deben conectar nunca en paralelo generadores que tengan tensiones diferentes porque se disminuye el rendimiento del conjunto. Si conectamos varios generadores en paralelo de forma correcta, la tensión del conjunto será la misma que la de uno solo.
2.3. La conexión en paralelo de pilas y baterías aumenta la autonomía del circuito
Una gran ventaja de la conexión en paralelo de pilas y baterías es que permite aumentar la autonomía (el tiempo que pueden funcionar) de los circuitos que alimentan.
2.4. Las centrales eléctricas se conectan en paralelo entre sí
Las centrales eléctricas se conectan en paralelo entre ellas para inyectar corriente a la red eléctrica. La conexión en paralelo permite que la corriente que proporciona cada central se sume a la que producen las demás.
2.5. Conexión en paralelo de receptores
Para conectar receptores en paralelo, el cable principal que proviene del generador se debe bifurcar en dos o más cables, tantos como receptores haya.
2.5. Conexión en paralelo de receptores
Para conectar receptores en paralelo, el cable principal que proviene del generador se debe bifurcar en dos o más cables, tantos como receptores haya.
2.6. La tensión del generador llega a todos los receptores conectados en paralelo
En paralelo, los receptores reciben toda la tensión que proporciona el generador, como si estuvieran conectados directamente (las bombillas lucirán igual que si estuviesen conectadas directamente).
Si uno de los receptores se apaga o se estropea, los demás siguen funcionando.
2.7. Ejemplos de receptores conectados en paralelo
- Los faros de un automóvil: Los faros de un coche están conectados en paralelo. De esta manera, si uno se funde los demás siguen funcionando.
- Los electrodomésticos de una vivienda: Todos los electrodomésticos de una vivienda están conectados en paralelo a la red eléctrica.
3. CIRCUITOS MIXTOS
3.1. Conexión mixta (o serie-paralelo)
Hablamos de conexión mixta, cuando un circuito tiene unos componentes conectados en serie y otros conectados en paralelo.
Una linterna con pilas en conexión mixta:
3.2. Las conexiones mixtas son muy comunes en los circuitos electrónicos
Las conexiones mixtas de receptores eléctricos (bombillas, motores o zumbadores) no son muy comunes. La mayoría de los componentes que forman los circuitos electrónicos (resistores, LED, transistores, diodos, etc.) sí están conectados de esta manera.
Una linterna con pilas en conexión mixta:
3.2. Las conexiones mixtas son muy comunes en los circuitos electrónicos
Las conexiones mixtas de receptores eléctricos (bombillas, motores o zumbadores) no son muy comunes. La mayoría de los componentes que forman los circuitos electrónicos (resistores, LED, transistores, diodos, etc.) sí están conectados de esta manera.
4. IMANES Y ELECTROIMANES
4.1. Magnetismo
Un imán, es un cuerpo que tiene la propiedad de atraer objetos de hierro (también de níquel y cobalto). A esta propiedad se le denomina magnetismo y a las fuerzas que intervienen fuerzas magnéticas.
Los griegos, hace más de 2600 años, fueron quienes descubrieron un mineral de color negro que atraía objetos de hierro. Este mineral, (magnetita) se descubrió en un territorio de Asia Menor llamado Magnesia, de donde proviene el término magnetismo.
Los imanes se fabrican a partir de aleaciones de metales y se pueden hacer con la forma que queramos.
4.2. Los imanes tienen dos polos
Los imanes tienen dos caras diferentes llamadas polos: un polo norte (N) y un polo sur (S). Si colgamos un imán de un hilo y esperamos a que se estabilice, veremos que el polo norte del imán señala hacia el norte geográfico de la Tierra, mientras que el polo sur del imán señala hacia el sur geográfico.
La Tierra se comporta como un gigantesco imán. La manera más fácil de identificar los polos de un imán es utilizando una brújula. La brújula no es más que un pequeño imán en forma de aguja que señala el norte de la Tierra.
4.3. Campo magnético de un imán Los griegos, hace más de 2600 años, fueron quienes descubrieron un mineral de color negro que atraía objetos de hierro. Este mineral, (magnetita) se descubrió en un territorio de Asia Menor llamado Magnesia, de donde proviene el término magnetismo.
Los imanes se fabrican a partir de aleaciones de metales y se pueden hacer con la forma que queramos.
4.2. Los imanes tienen dos polos
Los imanes tienen dos caras diferentes llamadas polos: un polo norte (N) y un polo sur (S). Si colgamos un imán de un hilo y esperamos a que se estabilice, veremos que el polo norte del imán señala hacia el norte geográfico de la Tierra, mientras que el polo sur del imán señala hacia el sur geográfico.
La Tierra se comporta como un gigantesco imán. La manera más fácil de identificar los polos de un imán es utilizando una brújula. La brújula no es más que un pequeño imán en forma de aguja que señala el norte de la Tierra.
Se llama campo magnético a la zona del espacio de alrededor de un imán en la que se puede apreciar los efectos de su fuerza magnética. Se representa con líneas y flechas que salen del polo norte del imán y van hasta el polo sur. Es posible visualizar la forma del campo magnético de un imán espolvoreando limaduras de hierro a su alrededor. Las limaduras se irán distribuyendo siguiendo las líneas de fuerza del campo magnético.
4.4. La ley de los polos
Cuando dos imanes se acercan, sus campos magnéticos interaccionan entre sí creando fuerzas de atracción o de repulsión. La ley de los polos nos dice la manera como se comportan dos imanes cuando los acercamos. Es muy simple: los polos iguales se repelen, los polos diferentes se atraen.
4.5. Aplicaciones de los imanes
Los imanes tienen numerosas aplicaciones tecnológicas: motores eléctricos, generadores, altavoces, aparatos de medida, sujeciones, etc.
4.6. Electromagnetismo
4.7. Electroimanes
Una de las aplicaciones más frecuentes del electromagnetismo son los electroimanes.
- Un electroimán es un componente eléctrico que se comporta como un imán cuando circula corriente eléctrica por su interior. Está formado por una bobina de hilo conductor (con aislante) enrollada alrededor de un núcleo de hierro o acero. Los electroimanes, tienen un polo norte (N) y un polo sur (S), pero, a diferencia de éstos,sólo se manifiestan cuando el electroimán está conectado a la corriente.
Es muy fácil cambiar la polaridad de un electroimán, sólo hay que cambiar la polaridad de la corriente que lo alimenta.
4.9. Aplicaciones de los electroimanes
Los electroimanes tienen muchas ventajas respecto a los imanes permanentes: se pueden conectar y desconectar, cambiar su polaridad y pueden ser mucho más potentes. Estas características los hace útiles en numerosas aplicaciones, algunas de las más importantes son: motores eléctricos, altavoces, sistemas de grabación en soportes magnéticos, aparatos médicos, timbres, etc.
5. GENERADORES
5.1. Inducción electromagnética
En la anterior unidad vimos cómo una corriente eléctrica puede generar un campo magnético (en un electroimán, por ejemplo). Ahora veremos que también es posible hacer lo contrario, es decir, que un campo magnético genere corriente eléctrica. A este fenómeno se le conoce comoinducción electromagnética y fue descubierto por el físico inglés Michael Faraday en 1831.
Una definición sencilla de inducción electromagnética: Inducción electromagnética es generar corriente eléctrica mediante campos magnéticos.
Faraday descubrió que si movemos un imán cerca de un conductor eléctrico, en el interior del conductor se genera corriente eléctrica. La cantidad de corriente será mayor cuanto más rápidosea el movimiento del imán. Si el imán se para, cesa la corriente. Lo que sucede es que parte de la energía mecánica del movimiento del imán se convierte en energía eléctrica.
A la corriente generada mediante inducción electromagnética se le llama corriente inducida. Si en el experimento anterior se mantiene quieto el imán y se mueve la bobina el efecto es el mismo, ya que lo importante es el movimiento relativo entre el imán y la bobina. No importa si el campo magnético proviene de un imán permanente o de un electroimán. La regla general es que se obtiene una corriente inducida en una bobina siempre que se expone a un campo magnético fluctuante (que varíe con el tiempo). Si el campo magnético es siempre igual, no hay inducción electromagnética.
5.2. Generadores eléctricos
La inducción electromagnética es la base del funcionamiento del tipo de generadores eléctricos más utilizados: los generadores dinamoeléctricos. Son generadores que transforman energía mecánica de rotación en energía eléctrica y se utilizan en casi todas las centrales eléctricas: térmicas, eólicas, hidroeléctricas, nucleares, etc. La mayoría de los
generadores eléctricos producen corriente alterna, razón por la que también se les llamaalternadores. También hay generadores que producen corriente continua, y reciben el nombre dedinamos.
El ejemplo más sencillo de generador dinamoeléctrico es el de la bicicleta. Consiste en una bobina de hilo conductor y un imán giratorio. Esta corriente se utiliza para hacer funcionar los faros de la bicicleta. El tipo de corriente que produce este generador es alterna, es decir, es unalternador, aunque muchas veces se le llama "dinamo" de forma coloquial.
6. EL MOTOR ELÉCTRICO
6.1. ¿Qué es un motor eléctrico?
Un motor eléctrico es una máquina que transforma la energía eléctrica en energía mecánica de rotación.
6.2. El motor de imanes permanentes
Hay muchos tipos de motores eléctricos, el motor eléctrico de corriente continua de imanes permanentes, el motor eléctrico de funcionamiento más sencillo y uno de los más utilizados.
Estos motores están presentes en un gran número de aparatos eléctricos y
electrónicos (juguetes, cepillos de dientes, maquinillas de afeitar, limpiaparabrisas...).
Los motores de corriente continua de imanes permanentes suelen ser pequeños. Normalmente seutilizan en aplicaciones de poca potencia. Cuando se requieren motores más potentes, como en la industria, se utilizan otros tipos de motores eléctricos que funcionan con corriente alterna y queno tienen imanes permanentes.
6.3. Un motor eléctrico por dentro
Partes de un motor eléctrico:
6.4. Imanes y electroimanes
La zona del espacio alrededor de un imán en la que se puede apreciar los efectos de la fuerza magnética se llama campo magnético.
¿Cómo funciona un motor eléctrico?
ELECTROIMÁN CON MOVIMIENTO LINEAL
El movimiento de un motor eléctrico se consigue por la acción de fuerzas de atracción y repulsión que se producen entre imanes y electroimanes. En él conseguimos un movimiento lineal de un electroimán gracias a fuerzas magnéticas de repulsión con un imán.
Si el circuito está apagado, el electroimán está desconectado y su peso le empuja hacia abajo. Si el circuito está encendido, el electroimán está conectado. Se convierte en un imán y aparecen polos N y S. Al ser los dos polos iguales aparecen fuerzas de repulsión que elevan al electroimán.
ELECTROIMÁN CON ROTACIÓN PARCIAL
Si, en lugar de dejar que el electroimán levite, ponemos un eje que le permita girar, podemos conseguir un movimiento de rotación parcial. Este movimiento es el primer paso para construir un motor eléctrico.
MOTOR ELÉCTRICO ELEMENTAL
Para construir un motor eléctrico hemos de poner el eje centrado y un sistema que evite que los cables se enreden. También deberemos hacer que la polaridad de loselectroimanes del rotor cambie cíclicamente. Esto se consigue con un sistema de colector y escobillas. De esta manera se producirán movimientos de atracción y repulsión cíclicos que hacen girar al motor:
Cuando los dos polos sur (el del imán y el del electroimán) están cercanos, se producen fuerzas de repulsión que hacen girar el rotor.
Cuando el polo norte del electroimán se acerca al polo sur del imán comienzan a atraerse mutuamente. A partir de este momento las fuerzas de atracción serán más importantes que las fuerzas de repulsión.
Justo antes de que los dos polos se junten el colector desconecta el electroimán. Si no fuese así las fuerzas de atracción de dos polos diferentes frenarían el motor.
El colector vuelve a conectar el electroimán del rotor, pero esta vez con la polaridad de la corriente invertida. Esto hace que tengamos de nuevo un polo sur en la parte inferior del electroimán y que se produzcan fuerzas de repulsión. A partir de aquí el ciclo se repite.
Los motores comerciales tienen dos imanes enfrentados, de esta manera las fuerzas magnéticas se duplican y el motor gira mejor.
En un motor eléctrico real son frecuentes velocidades de rotación de 10.000 rpm.
5.1. Inducción electromagnética
En la anterior unidad vimos cómo una corriente eléctrica puede generar un campo magnético (en un electroimán, por ejemplo). Ahora veremos que también es posible hacer lo contrario, es decir, que un campo magnético genere corriente eléctrica. A este fenómeno se le conoce comoinducción electromagnética y fue descubierto por el físico inglés Michael Faraday en 1831.
Una definición sencilla de inducción electromagnética: Inducción electromagnética es generar corriente eléctrica mediante campos magnéticos.
Faraday descubrió que si movemos un imán cerca de un conductor eléctrico, en el interior del conductor se genera corriente eléctrica. La cantidad de corriente será mayor cuanto más rápidosea el movimiento del imán. Si el imán se para, cesa la corriente. Lo que sucede es que parte de la energía mecánica del movimiento del imán se convierte en energía eléctrica.
A la corriente generada mediante inducción electromagnética se le llama corriente inducida. Si en el experimento anterior se mantiene quieto el imán y se mueve la bobina el efecto es el mismo, ya que lo importante es el movimiento relativo entre el imán y la bobina. No importa si el campo magnético proviene de un imán permanente o de un electroimán. La regla general es que se obtiene una corriente inducida en una bobina siempre que se expone a un campo magnético fluctuante (que varíe con el tiempo). Si el campo magnético es siempre igual, no hay inducción electromagnética.
5.2. Generadores eléctricos
La inducción electromagnética es la base del funcionamiento del tipo de generadores eléctricos más utilizados: los generadores dinamoeléctricos. Son generadores que transforman energía mecánica de rotación en energía eléctrica y se utilizan en casi todas las centrales eléctricas: térmicas, eólicas, hidroeléctricas, nucleares, etc. La mayoría de los
generadores eléctricos producen corriente alterna, razón por la que también se les llamaalternadores. También hay generadores que producen corriente continua, y reciben el nombre dedinamos.
El ejemplo más sencillo de generador dinamoeléctrico es el de la bicicleta. Consiste en una bobina de hilo conductor y un imán giratorio. Esta corriente se utiliza para hacer funcionar los faros de la bicicleta. El tipo de corriente que produce este generador es alterna, es decir, es unalternador, aunque muchas veces se le llama "dinamo" de forma coloquial.
6. EL MOTOR ELÉCTRICO
6.1. ¿Qué es un motor eléctrico?
Un motor eléctrico es una máquina que transforma la energía eléctrica en energía mecánica de rotación.
6.2. El motor de imanes permanentes
Hay muchos tipos de motores eléctricos, el motor eléctrico de corriente continua de imanes permanentes, el motor eléctrico de funcionamiento más sencillo y uno de los más utilizados.
Estos motores están presentes en un gran número de aparatos eléctricos y
electrónicos (juguetes, cepillos de dientes, maquinillas de afeitar, limpiaparabrisas...).
Los motores de corriente continua de imanes permanentes suelen ser pequeños. Normalmente seutilizan en aplicaciones de poca potencia. Cuando se requieren motores más potentes, como en la industria, se utilizan otros tipos de motores eléctricos que funcionan con corriente alterna y queno tienen imanes permanentes.
6.3. Un motor eléctrico por dentro
Partes de un motor eléctrico:
- Imanes. Crean fuerzas magnéticas fijas que interactúan con las fuerzas magnéticas variables que generan los electroimanes. El conjunto de los imanes y las demás piezas que no giran se llama estátor.
- Rotor. Es el conjunto de las piezas que giran. Básicamente los electroimanes, el colector y el eje.
- Electroimanes. Crean fuerzas magnéticas variables que interactúan con las generadas por los imanes y hacen que el motor gire. Están formados por una bobina de hilo conductor y un núcleo de hierro o acero.
- Eje. Es un cilindro alargado de acero. Hace posible el movimiento giratorio del rotor. En él se instalan engranajes o poleas en el exterior del motor para transmitir la rotación a todo tipo de máquinas.
- Colector. Está formado por unas laminillas de cobre por las que entra la electricidad desde el exterior hasta los electroimanes del rotor. Las laminillas reciben el nombre dedelgas.
- Escobillas. Son piezas de grafito o cobre que rozan continuamente en el colector. Su función es permitir el paso de corriente desde el exterior hasta los electroimanes del rotor.
- Carcasa. La carcasa es la estructura que da rigidez al motor y protege sus piezas delicadas.
6.4. Imanes y electroimanes
- Imanes
La zona del espacio alrededor de un imán en la que se puede apreciar los efectos de la fuerza magnética se llama campo magnético.
- Electroimanes
- La ley de los polos
¿Cómo funciona un motor eléctrico?
ELECTROIMÁN CON MOVIMIENTO LINEAL
El movimiento de un motor eléctrico se consigue por la acción de fuerzas de atracción y repulsión que se producen entre imanes y electroimanes. En él conseguimos un movimiento lineal de un electroimán gracias a fuerzas magnéticas de repulsión con un imán.
Si el circuito está apagado, el electroimán está desconectado y su peso le empuja hacia abajo. Si el circuito está encendido, el electroimán está conectado. Se convierte en un imán y aparecen polos N y S. Al ser los dos polos iguales aparecen fuerzas de repulsión que elevan al electroimán.
ELECTROIMÁN CON ROTACIÓN PARCIAL
Si, en lugar de dejar que el electroimán levite, ponemos un eje que le permita girar, podemos conseguir un movimiento de rotación parcial. Este movimiento es el primer paso para construir un motor eléctrico.
MOTOR ELÉCTRICO ELEMENTAL
Para construir un motor eléctrico hemos de poner el eje centrado y un sistema que evite que los cables se enreden. También deberemos hacer que la polaridad de loselectroimanes del rotor cambie cíclicamente. Esto se consigue con un sistema de colector y escobillas. De esta manera se producirán movimientos de atracción y repulsión cíclicos que hacen girar al motor:Cuando los dos polos sur (el del imán y el del electroimán) están cercanos, se producen fuerzas de repulsión que hacen girar el rotor.
Cuando el polo norte del electroimán se acerca al polo sur del imán comienzan a atraerse mutuamente. A partir de este momento las fuerzas de atracción serán más importantes que las fuerzas de repulsión.
Justo antes de que los dos polos se junten el colector desconecta el electroimán. Si no fuese así las fuerzas de atracción de dos polos diferentes frenarían el motor.
El colector vuelve a conectar el electroimán del rotor, pero esta vez con la polaridad de la corriente invertida. Esto hace que tengamos de nuevo un polo sur en la parte inferior del electroimán y que se produzcan fuerzas de repulsión. A partir de aquí el ciclo se repite.
Los motores comerciales tienen dos imanes enfrentados, de esta manera las fuerzas magnéticas se duplican y el motor gira mejor.
En un motor eléctrico real son frecuentes velocidades de rotación de 10.000 rpm.
