Electricidad

Un circuito es todo mecanismo, que utilizado como elemento de transmisión de movimiento (fluidos) se utilizan para transmitir o transformar movimiento.

Según el fluido empleado, pueden ser:

– Circuito eléctrico y electrónico: (electricidad).

– Circuito magnético: (electricidad).

– Circuito hidráulico: (líquido).

– Circuito neumático: (aire).

Todo elemento de un circuito tiene encomendada una función y sólo una (alimentar, conducir, controlar, transformar, etc.). Es por ello que los podemos clasificar en:

– Generadores: suministran el fluido.

– Conductores: conducen.

– Elementos de control: regulan el paso.

– Receptores: aprovechan y transforman la energía.

Se denomina circuito eléctrico a una serie de elementos o componentes eléctricos o electrónicos, tales como resistencias, inductancias, condensadores, fuentes, y/o dispositivos electrónicos semiconductores, conectados eléctricamente entre sí con el propósito de generar, transportar o modificar señales electrónicas o eléctricas.

En la figura podemos ver un circuito eléctrico, sencillo pero completo, al tener las partes fundamentales:

• Una fuente de energía eléctrica, en este caso la pila o batería.

• Una aplicación, en este caso una lámpara incandescente.

• Unos elementos de control o de maniobra, el interruptor.

• El cableado y conexiones que completan el circuito.

Todos los elementos han de ser compatibles.

El sentido real de la corriente va del polo negativo al positivo. Sin embargo, en los primeros estudios se consideró al revés, por ello cuando resolvamos problemas siempre consideraremos que el sentido de la corriente eléctrica irá del polo positivo al negativo.

Los circuitos eléctricos se clasifican de la siguiente forma por el tipo de corriente:

– De corriente continua

– De corriente alterna

La corriente continua (CC en español, en inglés DC, de Direct Current) es el flujo continuo de electrones a través de un conductor entre dos puntos de distinto potencial. A diferencia de la corriente alterna (CA en español, AC en inglés), en la corriente continua las cargas eléctricas circulan siempre en la misma dirección (es decir, los terminales de mayor y de menor potencial son siempre los mismos). Aunque comúnmente se identifica la corriente continua con la corriente constante (por ejemplo la suministrada por una batería), es continua toda corriente que mantenga siempre la misma polaridad.

La corriente alterna (abreviada CA en español y  AC en inglés, de Alternating Current) es la corriente eléctrica en la que la magnitud y dirección varían cíclicamente. La forma de onda de la corriente alterna más comúnmente utilizada es la de una onda senoidal (figura 1), puesto que se consigue una transmisión más eficiente de la energía. Sin embargo, en ciertas aplicaciones se utilizan otras formas de onda periódicas, tales como la triangular o la cuadrada.

Disposición de los componentes

El circuito serie:Es una configuración de una conexión en el circuito secuencialmente, es decir es cuando se conecta el Terminal de un elemento (en este caso es el bombillo o la lámpara), a la entrada del elemento siguiente. Desde el punto de vista físico a este tipo de conexión según la necesidad que tengamos nos puedes ser ventajoso o desventajosa, ya que la intensidad de la corriente disminuye (I) y por ende el voltaje.

El circuito en paralelo:

El circuito en paralelo es aquel en donde se conectan las terminales de los dispositivos directamente a la fuente de alimentación desde la que la corriente toma los distintos caminos según la resistencia que se oponga a su paso en los mismos.

El circuito mixto es una combinación del circuito en serie y en paralelo.

Conceptos a tener en cuenta

INTENSIDAD

La corriente o intensidad eléctrica (I) 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.

La corriente eléctrica, puesto que se trata de un movimiento de cargas, produce un campo magnético, lo que se aprovecha en el electroimán.

El instrumento usado para medir la intensidad de la corriente eléctrica es el galvanómetro  (transductor analógico electromecánico que produce una deformación de rotación en una aguja o puntero en respuesta a la corriente eléctrica que fluye a través de su bobina)que, calibrado en amperios, se llama amperímetro y se coloca en serie con el conductor cuya intensidad se desea medir. La lectura se realiza también de forma digital.

Voltaje

La tensión, voltaje o diferencia de potencial es una magnitud física que impulsa a los electrones a lo largo de un conductor en un circuito eléctrico cerrado, provocando el flujo de una corriente eléctrica. La diferencia de potencial también se define como el trabajo por unidad de carga ejercido por el campo eléctrico, sobre una partícula cargada, para moverla de un lugar a otro.

En el Sistema Internacional de Unidades, la diferencia de potencial se mide en voltios (V), al igual que el potencial. El instrumento usado para medir la diferencia de potencial entre dos extremos de un circuito eléctrico es el voltímetro y se coloca en paralelo al circuito.

La tensión es independiente del camino recorrido por la carga, y depende exclusivamente del potencial eléctrico entre los puntos a considerar.

Si dos puntos que tienen una diferencia de potencial se unen mediante un conductor, se producirá un flujo de electrones. Parte de la carga que crea el punto de mayor potencial se trasladará a través del conductor al punto de menor potencial y, en ausencia de una fuente externa (generador), esta corriente cesará cuando ambos puntos igualen su potencial eléctrico (Ley de Henry). Este traslado de cargas es lo que se conoce como corriente eléctrica.

Cuando se habla sobre una diferencia de potencial en un sólo punto, o potencial, se refiere a la diferencia de potencial entre este punto y algún otro donde el potencial sea cero.

Resistencia

Se denomina resistencia eléctrica, simbolizada habitualmente como R, a la dificultad u oposición que presenta un cuerpo al paso de una corriente eléctrica para circular a través de ella. En el Sistema Internacional de Unidades, su valor se expresa en ohmios, que se designa con la letra griega omega mayúscula, O. Para su medida existen diversos métodos, entre los que se encuentra el uso de un ohmímetro. Según sea la magnitud de esta oposición, las sustancias se clasifican en conductoras, aislantes y semiconductoras. Existen además ciertos materiales en los que, en determinadas condiciones de temperatura, aparece un fenómeno denominado superconductividad, en el que el valor de la resistencia es prácticamente nulo.

El conductor es el encargado de unir eléctricamente cada uno de los componentes de un circuito. Dado que tiene resistencia óhmica, puede ser considerado como otro componente más con características similares a las de la resistencia eléctrica.

De este modo, la resistencia de un conductor eléctrico es la medida de la oposición que presenta al movimiento de los electrones en su seno, o sea la oposición que presenta al paso de la corriente eléctrica. Generalmente su valor es muy pequeño y por ello se suele despreciar, esto es, se considera que su resistencia es nula (conductor ideal), pero habrá casos particulares en los que se deberá tener en cuenta su resistencia (conductor real).

Veamos ahora un ejemplo práctico para hallar la resistencia que ofrece al paso de la corriente eléctrica un conductor de cobre de 500 metros de longitud. Como la "fórmula" exige utilizar el valor del área del alambre del conductor, si no tenemos ese dato a mano, habrá que medir primero el diámetro del alambre de cobre con un "pie de rey" o vernier, teniendo cuidado de no incluir en la medida el forro aislante, porque de lo contrario se obtendría un dato falseado. En el caso de este ejemplo, el supuesto diámetro de la parte metálica del conductor, una vez medido con el pie de rey, será de 1,6 mm.

Solución:

Para hallar a continuación el área del conductor de cobre, será necesario primero utilizar la fórmula para calcular el área:

Antes de comenzar a sustituir los valores en la fórmula de la resistencia del conductor, tenemos que hallar cuál es el radio (r) de la circunferencia del alambre de cobre. Como ya medimos su diámetro (d) con el pie de rey y sabemos también que el radio siempre es igual a la mitad de esa medida, realizamos el siguiente cálculo:

Por tanto, una vez finalizada esta operación, obtenemos que el valor del área del alambre de cobre es igual a 2 mm2.

A continuación procedemos a sustituir valores en la fórmula de la resistencia del conductor, para hallar la resistencia que ofrece al paso de la corriente el conductor de alambre de cobre del ejemplo que estamos desarrollando:

0,0172 mm2 / m (coeficiente de resistencia específica del cobre, de acuerdo con la tabla de valores más arriba expuesta)

l = 500 metros (longitud del alambre de cobre).s = 2 mm2 (área del alambre de cobre)Sustituyendo estos valores ahora en la fórmula, tendremos:

Por tanto, la resistencia (R) que ofrece al paso de la corriente eléctrica un alambre de cobre de 2 mm2 de área y 500 metros de longitud, a una temperatura ambiente de 20º C, será de 4,3 ohm.

Según la Ley de Ohm, la resistencia eléctrica es la relación existente entre la diferencia de potencial eléctrico al que se somete a un medio o componente y la intensidad de la corriente que lo atraviesa:

R = V/I

De la ecuación anterior se desprende que cuanta menor sea la intensidad de la corriente, mayor será la resistencia, por ello se dice que la resistencia eléctrica es una medida de la dificultad que opone un conductor al paso de la corriente a su través.

Para una gran variedad de materiales y condiciones, la resistencia eléctrica no depende de la cantidad de corriente o la diferencia de potencial aplicada por lo que ambas son proporcionales, siendo la resistencia de un conductor función de las características del material y la temperatura a la que éste se encuentra la resistencia como componente de un circuito

Todos los componentes eléctricos y electrónicos presentan en mayor o menor medida una cierta resistencia al paso de la corriente, si bien ésta suele ser pequeña. Hay sin embargo componentes eléctricos denominados resistencias que se introducen en los circuitos para dificultar el paso de la corriente, bien sea para disminuir la intensidad, protegiendo así los demás componentes, bien para obtener calor por efecto Joule en la propia resistencia, como es el caso de las cocinas y las calefacciones eléctricas domésticas, cafeteras, hornos de secado industriales, etc.

Codificación

Las resistencias de pequeña potencia van rotuladas con un código de franjas de colores. Para caracterizar una resistencia hacen falta tres valores: resistencia, corriente máxima y tolerancia.

La corriente máxima de una resistencia viene condicionada por la máxima potencia que puede disipar su cuerpo. Esta potencia se puede identificar visualmente a partir del diámetro sin que sea necesaria otra indicación. Los valores más corrientes son 0,25 W, 0,5 W y 1 W.

Los otros datos se indican con un conjunto de rayas de colores sobre el cuerpo del elemento. Son tres, cuatro o cinco rayas; dejando la raya de tolerancia (normalmente plateada o dorada) a la derecha, se leen de izquierda a derecha. La última raya indica la tolerancia (precisión). De las restantes la última es el multiplicador y las otras las cifras significativas.

El valor se obtiene leyendo las cifras como un número de una, dos o tres cifras y, después, multiplicando el resultado por el multiplicador, obteniéndose el resultado en ohmios (O); en ocasiones puede aparecer una banda adicional indicando el efecto de la temperatura en la variación de la resistencia. En aquellos casos en los que no hay espacio para dibujar las bandas de colores, se emplean dígitos, con igual significado que en el caso de la codificación con cuatro bandas: los primeros serán las cifra significativas y el último el multiplicador; por ejemplo una resistencia 123, será de 12.000 ?.

La nomenclatura normalizada emplea las letras R (1), K (kilo = 1.000) y M (mega = 1.000.000) como multiplicadores, en la posición que ocuparía el punto en la escritura del número. La segunda letra hace referencia a la tolerancia M=±20%, K=±10%, J=±5%, G=±2%, F=±1%. En los ejemplos se indica, entre paréntesis, la codificación de las resistencias con esta nomenclatura.

Ejemplos de codificación de resistencias eléctricas

Hay básicamente dos tipos de Resistencias:

Las resistencias de valores fijos y las Resistencias variables, que a su vez se subdividen dependiendo de características propias.

A continuación se presenta una tabla con una clasificación general:

Resistencia / resistor

Nota: Ver la tabla de clasificación de izquierda a derecha

Las resistencias en un circuito se pueden asociar en serie, en paralelo y mixto. Según estas asociaciones el efecto que producen en el circuito varía y equivale según las siguientes formulas:

Así, mientras que la asociación de resistencias en serie conduce a una resistencia mayor, la asociación de resistencias en paralelo conduce a una resistencia equivalente que siempre es menor que la menor de las resistencias.

Ejercicio:

¿cuál será la resistencia equivalente en las tres situaciones? La tensión que aplicamos en el circuito es de 10 V.

Resistencias en serie

En la figura se han conectado tres resistencias en serie

Las bombillas del árbol de Navidad están conectadas en serie, si sacas una de ellas (o se quema) se apagan todas porque el circuito queda interrumpido.

Las características de las resistencias conectadas en serie son:a) La resistencia equivalente a todas ellas es igual a la suma de cada resistencia

Resistencias en paralelo

En la figura se han conectado tres resistencias en paralelo

Las bombillas de la lámpara del comedor están conectadas en paralelo, si se quema una de ellas no se apagan las otras porque cada una está conectada en forma independiente a la fuente de corriente.Las características de las resistencias conectadas en paralelo son:

a) La resistencia equivalente a todas ellas es igual a la suma del inverso de cada resistencia

b) La corriente que produce la fuente de corriente es igual a la suma de la corriente que circula por cada resistencia

Resistencias en posición mixta

Depende de la posición en que se encuentren los componentes. Para resolverlo el primer paso a dar es calcular las resistencias equivalentes de las zonas en paralelo y después resolverlo en serie.

a) 1/RT = R1,2 + R3 = (1/R1+1/R2) + R3

• Resolver el paréntesis y sumar a R3.

• No olvides despejar R1,2

b) IT = VT/RT

• Es la misma en todo el circuito menos en la zona del paralelo.

c) Voltajes: V1,2 = V1 = V2 = R1,2 * IT

V3 = R3 * IT

V1,2 + V3 = VT

d) Intensidades: I1,2 = I3 = IT

I1 = V1,2/ R1

I2 = V1,2/ R2

I1 + I2 = I1,2 = IT

Solución:

Aparatos de medida

Para medir las magnitudes eléctricas, deben utilizarse los aparatos correspondientes, aunque en la actualidad se utiliza uno que los contiene a todos, el polímetro.

Cortocircuito

Se produce un cortocircuito cuando no hay resistencia y esto ocurre:a) Cuando se unen los polos de un generadorb) Cuando se ponen en contacto los polos de una toma de tensión con un cable sin resistenciac) Cuando el aislamiento de un conductor está dañado y se ponen en contacto los alambresd) Cuando el casquillo de una bombilla está mal aislado

Según la ley de Ohm, si la resistencia es muy pequeña, la intensidad de corriente aumenta y puede aumentar tanto que el alambre puede llegar a ponerse incandescente, existiendo el peligro de que se produzca un incendio.

Potencia eléctrica

Se define como la energía desarrollada o consumida en una unidad de tiempo, es decir:

Cuando la corriente circula por un conductor, los electrones pierden energía al colisionar en el interior del conductor; como consecuencia de esto, aumenta la temperatura, es decir, la energía eléctrica se disipa en forma de calor. Si el conductor es muy fino, éste se calienta hasta ponerse incandescente, este efecto tiene aplicación en estufas, hornos eléctricos, bombillas, etc.

Una de las aplicaciones más útiles de la energía eléctrica es su transformación en calor. Como el calor es una forma de energía, se mide en julios, pero existe una unidad para medir el calor: la caloría. Esta se puede transformar en julios por medio del principio de equivalencia establecido por James Joule, que señala:

1 julio = 0,24 calorías

Entonces, para encontrar el calor proporcionado por una corriente eléctrica, basta multiplicar la energía en joule por 0,24; es decir, el calor se puede obtener de las siguientes formas:

Q = P t x 0,24 calorías

Q = V I t x 0,24 caloríasQ= R I2 t x 0,24 calorías

Siendo la última expresión de la ley de Joule cuyo enunciado es el siguiente:

"El calor desarrollado por una corriente eléctrica al circular por un conductor es directamente proporcional al tiempo, a la resistencia del conductor y al cuadrado de la intensidad de la corriente".

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Enviado por:

Pablo Turmero