Física de primaria y secundaria · Grades 1–9
41Circuitos eléctricos y seguridad
Tres años de bucles, bombillas y ramas te han convertido en constructor de circuitos. Este año te conviertes en algo más raro: en escritor de circuitos. Los electricistas de todos los países leen y dibujan el mismo idioma sin palabras — y su gramática, más un capítulo de sabiduría de seguridad ganada a base de disgustos, es lo que separa un montaje ingenioso de unos dedos quemados.
41.1 El idioma sin palabras
Definición 41.1 (Esquema de circuito)
Un esquema de circuito es el dibujo normalizado de un circuito: cada aparato aparece con su símbolo acordado, y los cables como líneas rectas dibujadas con esquinas en ángulo recto. Un esquema enseña cómo está conectado el circuito — quién alimenta a quién y dónde se bifurca cada cosa — e ignora a propósito por dónde serpentean los cables de verdad sobre la mesa.
Método 41.2 (De la mesa al papel, y de vuelta)
Para dibujar un circuito ya construido:
- haz la lista de los aparatos y elige el símbolo de cada uno;
- recorre el bucle real con el dedo desde el de la pila, anotando el orden de los aparatos y todas las bifurcaciones;
- vuelve a dibujarlo como un rectángulo ordenado: símbolos bien separados, cables rectos y esquinas en ángulo recto — las mismas conexiones, sin serpientes.
Para construir a partir de un esquema, haz la traducción al revés — y comprueba después, como siempre: todo bucle recorrido desde el tiene que llegar al pasando al menos por un aparato.
Ejemplo 41.3 (El mismo circuito, dos retratos)
Sobre la mesa: una pila, una maraña de cables con pinzas de cocodrilo dando vueltas sobre un estuche, una lámpara apoyada en un libro y un interruptor colgando. Sobre el papel: un rectángulo tranquilo — la pila a la izquierda, el interruptor arriba y la lámpara a la derecha. La maraña y el rectángulo son el mismo circuito: todas sus conexiones son idénticas. Para decidir si dos circuitos son el mismo, hay una sola pregunta: ¿quién está conectado con quién?
Ejemplo 41.4 (Los motores y los zumbadores entran en el juego)
Dos recién llegados a tu equipo se comportan en un esquema igual que las lámparas: el motor (símbolo: una M dentro de un círculo) gira siempre que pasa corriente por él — ventiladores, coches de juguete, taladros; el zumbador (un círculo atravesado) suena siempre que se lo alimenta — timbres, alarmas. Las reglas de la serie y del paralelo se les aplican sin cambios: un interruptor en serie manda sobre ellos; unas ramas paralelas los hacen independientes.
41.2 Viejas reglas en el idioma nuevo
Ejemplo 41.5 (Leer un esquema como un profesional)
Ante cualquier esquema, interrógalo con el paseo del dedo del capítulo de los circuitos en paralelo: desde el , recorre todas las carreteras hasta el . Todos los aparatos en una misma carretera: serie — un hueco los para a todos, el orden da igual, el brillo se reparte. Carreteras que se bifurcan en puntos de nudo: paralelo — ramas independientes, brillo completo en cada una y la colocación del interruptor convertida ya en una decisión de verdad. El idioma cambió; las leyes no.
41.3 El capítulo de las cicatrices
Las reglas de seguridad de la electricidad se pagaron con incendios y con cosas peores. Aquí están, con sus razones — un profesional conoce las dos.
Definición 41.6 (Cortocircuito)
Hay un cortocircuito cuando una carretera conductora desnuda une directamente los dos lados de una pila (o de un enchufe), saltándose todos los aparatos. Sin nada útil en su camino, la corriente corre desbocada — los cables se calientan, el aislamiento se derrite, las pilas se estropean y la instalación de la red puede incendiarse. El capítulo de circuitos del año que viene estudia de cerca al villano; este año, apréndete su cara y mantenlo fuera de tus montajes.
Observación 41.7 (Los guardaespaldas de la casa)
Mira dentro del cuadro eléctrico de casa: filas de interruptores pequeños — los magnetotérmicos —, uno por rama del gran circuito en paralelo de la casa. Cada uno monta guardia sobre su rama: si una avería deja correr la corriente — un cortocircuito, un enchufe sobrecargado —, el guardia se desconecta solo en un parpadeo y corta la rama antes de que los cables se recalienten. Cuando “salta” un magnetotérmico, no se está portando mal: acaba de hacer su único trabajo. Busca la avería antes de volver a subirlo.
Observación 41.8 (Las reglas, con sus razones)
- Experimentos solo con pilas; el enchufe, jamás. La red empuja cientos de veces más fuerte — a través de piel húmeda puede parar un corazón.
- Ningún cable desnudo directamente de un lado a otro de una pila. Eso es un cortocircuito: pilas arruinadas, cable caliente, dedos quemados.
- El agua y la electricidad de la red no comparten nunca el alcance de una misma habitación: nada de aparatos junto a la bañera, nada de manos mojadas en los enchufes — la piel húmeda es conductora.
- No metas nunca nada en un enchufe. El guardia del cuadro es rápido, pero no hay que apostar nunca por él.
- Los cables dañados van a la basura, no al cajón: un aislamiento agrietado es una valla con un agujero.
41.4 Ejercicios
Ejercicio 41.1 ★
¿Qué enseña con fidelidad un esquema de circuito y qué ignora a propósito?
Solución
Solución de Ejercicio 41.1.
Con fidelidad: las conexiones — qué aparato se une con cuál y dónde se bifurcan las carreteras. Ignora: la longitud, el color y el serpenteo real de los cables sobre la mesa.
Ejercicio 41.2 ★
Dibuja de memoria los símbolos: pila; lámpara; interruptor abierto; interruptor cerrado; motor; zumbador. ¿Qué marca indica el lado de la pila?
Solución
Solución de Ejercicio 41.2.
Pila: dos barras paralelas desiguales; lámpara: un círculo con una cruz; interruptor abierto: un puente levadizo levantado; interruptor cerrado: el puente caído; motor: una M dentro de un círculo; zumbador: un círculo atravesado. La barra larga marca el de la pila.
Ejercicio 41.3 ★
Dibuja el esquema de un timbre: pila, pulsador y zumbador en un solo bucle. ¿Por qué deja de sonar el timbre cuando se levanta el dedo?
Solución
Solución de Ejercicio 41.3.
Un rectángulo: pila, pulsador y zumbador en un único bucle. Al levantar el dedo se abre el interruptor — un hueco en la única carretera —, y la ley del bucle calla el zumbador al instante.
Ejercicio 41.4 ★
Se construyen dos circuitos con la misma caja de piezas: ¿son “el mismo circuito”? ¿Qué única pregunta lo decide?
Solución
Solución de Ejercicio 41.4.
No necesariamente. La pregunta que decide: ¿quién está conectado con quién? Los mismos aparatos con las mismas conexiones — el mismo circuito, por muy distintas que parezcan las marañas.
Ejercicio 41.5 ★
En el esquema de la lámpara y el motor del capítulo, ¿qué le pasa al ventilador si se funde la lámpara? ¿Y a los dos si se abre el interruptor? ¿Qué viejas reglas responden?
Solución
Solución de Ejercicio 41.5.
El ventilador sigue girando: la muerte de la lámpara apaga solo su propia rama — la independencia del paralelo. El interruptor abierto está en la carretera común, antes de la bifurcación, así que para a los dos: la regla del puesto de mando.
Ejercicio 41.6 ★
¿Qué es un cortocircuito y por qué calienta los cables? Nombra dos de sus víctimas.
Solución
Solución de Ejercicio 41.6.
Una carretera conductora desnuda que une directamente los dos lados de la fuente, saltándose todos los aparatos: la corriente corre sin estorbos y los cables se calientan. Víctimas: la pila (agotada y arruinada), el aislamiento del cable — y, en la red de la casa, a veces la casa entera.
Ejercicio 41.7 ★
Ha saltado un magnetotérmico del cuadro eléctrico. ¿Qué acaba de hacer por la casa? ¿Qué hay que hacer antes de volver a subirlo?
Ejercicio 41.8 ★
Da la razón que hay detrás de cada regla: nada de aparatos cerca de la bañera; los cables dañados a la basura; juegos con pilas sí, enchufe jamás.
Solución
Solución de Ejercicio 41.8.
Bañera: la piel húmeda conduce, y el empuje de la red a través de un cuerpo mojado puede ser mortal. Cables dañados: un aislamiento agrietado es una valla con un agujero — los dedos pueden encontrarse con el cobre. Pila sí, enchufe jamás: el empuje de la pila es diminuto; el del enchufe es cientos de veces más tremendo.
Ejercicio 41.9 ★★
Traduce a un esquema (con palabras o con dibujo): una pila; desde su , un cable hasta un interruptor cerrado; desde el interruptor, una bifurcación — una rama por un zumbador y otra por una lámpara —; las ramas se vuelven a juntar y regresan al . Predice qué se oye y qué se ve, y qué cambia si solo la rama del zumbador recibe su propio interruptor extra, abierto.
Solución
Solución de Ejercicio 41.9.
Esquema: pila, interruptor cerrado en la carretera común y después una bifurcación — rama del zumbador y rama de la lámpara — que se vuelven a juntar hacia el . Predicción: la lámpara alumbra y el zumbador suena, de manera independiente. Con un interruptor extra abierto en la rama del zumbador: silencio ahí, pero la lámpara sigue alumbrando — los interruptores de rama mandan solo sobre su rama.
Ejercicio 41.10 ★★
Un ventilador de juguete está montado así: del de la pila al motor, del motor al de la pila y — “para que quede más firme” — un cable desnudo extra directamente del al . El ventilador apenas gira y el cable extra se calienta. Diagnostícalo con la Definición 41.6: ¿qué carretera prefiere la corriente y por qué es peligroso el montaje?
Solución
Solución de Ejercicio 41.10.
El cable extra es un cortocircuito: una carretera desnuda y directa del al . La corriente prefiere la carretera fácil y vacía al motor, que trabaja duro, así que el ventilador pasa hambre mientras el cable atajo carga con la avalancha y se calienta — agotando la pila e invitando a las quemaduras. Fuera el cable de la “firmeza”.
Ejercicio 41.11 ★★
El truco de taller del abuelo: antes de tocar cualquier lámpara del techo, apaga su interruptor de pared y el magnetotérmico de toda esa rama en el cuadro eléctrico. Con el razonamiento de la serie, explica qué consigue cada corte — y por qué el hombre prudente hace los dos.
Solución
Solución de Ejercicio 41.11.
El interruptor de pared abre el bucle propio de la lámpara — la carretera de la lámpara queda cortada. El magnetotérmico abre la rama entera más arriba — aunque la instalación de la lámpara esté averiada o el interruptor de pared esté mal etiquetado, la rama está muerta. Dos huecos en serie: cualquiera de los dos por sí solo para la corriente, y los dos juntos perdonan una equivocación sobre cualquiera de ellos.
Ejercicio 41.12 ★★★
Diseña la instalación de un teatro de marionetas: un interruptor general que lo apague todo; dos focos de escenario que tengan que fundirse de manera independiente; un motor de telón y un zumbador de comienzo de función, cada uno con su propio interruptor de control. Describe (o dibuja) el esquema — qué aparatos van en la carretera común, cuáles van en ramas y dónde se sienta cada interruptor — y comprueba tu diseño contra todas las reglas de serie y paralelo que tienes.
Solución
Solución de Ejercicio 41.12.
Pila, después el interruptor general en la carretera común y después cuatro ramas paralelas: foco 1; foco 2; motor del telón con su propio interruptor en serie; zumbador con su propio interruptor en serie. Comprobaciones: el general manda sobre todo (carretera común); los focos se funden de manera independiente (ramas separadas); el motor y el zumbador obedecen cada uno a su interruptor (en serie dentro de su rama) y se ignoran mutuamente (en paralelo entre ramas).
41.5 Problema: instalar la caseta del jardín
Problema 41.1
Problema de fin de semana — una familia instala la electricidad de su caseta del jardín; esquemas antes que destornilladores; la lista de comprobación del inspector
La familia planifica primero sobre el papel la pequeña red de la caseta alimentada por pilas — como hacen los profesionales.
Parte I — El plan sobre el papel. La lista de deseos: una lámpara de techo que se encienda desde la puerta; una lámpara de banco de trabajo con su propio interruptor; un pequeño ventilador de ventilación (motor) con su propio interruptor.
- ¿Por qué tienen que ir los tres aparatos en ramas paralelas y no en un único bucle en serie? Da dos comodidades que se romperían en serie.
- Cada rama lleva su propio interruptor. ¿Sobre qué manda cada interruptor y sobre qué no manda ninguno?
- ¿Dónde tiene que colocarse un interruptor general para apagar y callar la caseta entera de golpe?
- Dibuja (o describe con precisión) el esquema completo: pila, interruptor general, tres ramas y cuatro interruptores en total.
Parte II — El montaje, inspeccionado.
- Una vez montado y encendido, la lámpara del techo alumbra — pero flojita —, y la lámpara del banco solo alumbra cuando está cerrado el interruptor del ventilador. El paseo del dedo descubre que la lámpara del banco y el ventilador comparten una rama, uno detrás del otro. Nombra su disposición y explica los dos síntomas con las viejas reglas.
- Da el arreglo de un solo cable que restaura el plan.
- Mientras se recoge, un destornillador queda un momento cruzado sobre los dos bornes desnudos de la pila y se calienta. Nombra el suceso y di qué debería comprobar la familia después sobre la pila.
- El padre inspector añade una regla: “todas las uniones forradas, nada de cobre desnudo en ninguna parte”. ¿Contra qué dos peligros protege esa única regla?
Parte III — La noche de tormenta.
- Una noche de lluvia: el tejado de la caseta gotea sobre el banco de trabajo. ¿Por qué no debe tocar la familia la instalación con las manos mojadas, ni siquiera en una caseta alimentada por pilas — y por qué sería muchísimo más grave ese mismo contacto en la casa, alimentada por la red?
- Las luces de la casa parpadean y salta un magnetotérmico. ¿Qué ha detectado el magnetotérmico y cuál es el orden sensato de actuación?
- Por la mañana: la familia discute si añadir un timbre — zumbador en la caseta, pulsador en la casa y un cable doble largo entre los dos. ¿En serie o en paralelo con la red de la caseta? ¿De dónde sale su corriente? Dibuja el bucle.
- Escribe la carta de seguridad de tres líneas de la familia para la caseta, una línea para cada cosa: enchufes, agua y cables desnudos.
Solución
Solución de Problema 41.1.
1. En serie, un aparato fundido o apagado dejaría todo a oscuras, y tres aparatos se repartirían el empuje, todos flojos y enclenques. El paralelo mantiene cada aparato independiente y a plena potencia. 2. Cada interruptor manda exactamente sobre el aparato de su rama; ninguno manda sobre las otras ramas. 3. En la carretera común, entre la pila y la primera bifurcación — aguas arriba de todas las ramas. 4. Pila interruptor general nudo que se bifurca en tres ramas — (lámpara de techo su interruptor), (lámpara de banco su interruptor), (motor del ventilador su interruptor) — que se vuelven a juntar y regresan a la pila. 5. Están en serie en una misma rama: se reparten el empuje (los dos enclenques — la lámpara de techo flojita era en realidad el síntoma de la pareja del banco), y el interruptor del ventilador, que está en su carretera compartida, manda sobre los dos. 6. Separarlos: tender un cable nuevo para que la lámpara del banco tenga su propia rama sobre la alimentación — así cada uno queda a plena potencia y es independiente. 7. Un cortocircuito entre los bornes. Hay que comprobar si la pila sigue dando corriente — los cortocircuitos la agotan y pueden arruinarla (una pila caliente merece la jubilación). 8. Los cortocircuitos (cables desnudos que se encuentran entre sí) y las descargas o quemaduras (dedos que se encuentran con el cobre desnudo). 9. La piel húmeda conduce muchísimo mejor que la seca; hasta el montaje con pilas merece la disciplina de las manos secas — y en la casa ese mismo contacto se encuentra con el empuje de la red, cientos de veces más tremendo: posiblemente mortal. Las costumbres hay que entrenarlas en el circuito seguro. 10. El magnetotérmico ha detectado que por su rama corría demasiada corriente — una avería, probablemente lluvia dentro de una lámpara. Orden sensato: dejar el magnetotérmico bajado, desenchufar y revisar la rama, arreglar o secar la avería y solo entonces volver a subirlo. 11. Su propio bucle, separado de la red de la caseta (o como una rama paralela más sobre la pila de la caseta): pila, pulsador en la casa, cable doble largo, zumbador en la caseta y vuelta — un timbre es un bucle en serie propio por muy lejos que se estiren sus cables. 12. Por ejemplo: “Enchufes: nuestros experimentos acaban en la pila — el enchufe no es nuestro. Agua: las manos mojadas no tocan ninguna instalación, ni dentro ni fuera. Cables desnudos: todas las uniones forradas; un cable desnudo es una avería, no un atajo”.