El circuito eléctrico elemental.
El circuito eléctrico es el recorrido preestablecido por por
el que se desplazan las cargas eléctricas.
Circuito elemental
Las cargas eléctrica que constituyen una corriente eléctrica
pasan de un punto que tiene mayor potencial eléctrico a otro que tiene un
potencial inferior. Para mantener permanentemente esa diferencia de potencial,
llamada también voltaje o tensión entre los extremos de un conductor, se
necesita un dispositivo llamado generador (pilas, baterías, dinamos,
alternadores...) que tome las cargas que llegan a un extremo y las impulse
hasta el otro. El flujo de cargas eléctricas por un conductor constituye una corriente
eléctrica.
Si quieres ver los componentes de un circuito eléctrico
elemental pincha aquí.
Se distinguen dos tipos de corrientes:
Corriente continua: Es aquella corriente en donde los
electrones circulan en la misma cantidad y sentido, es decir, que fluye en una
misma dirección. Su polaridad es invariable y hace que fluya una corriente de
amplitud relativamente constante a través de una carga. A este tipo de
corriente se le conoce como corriente continua (cc) o corriente directa (cd), y
es generada por una pila o batería.
Este tipo de corriente es muy utilizada en los aparatos
electrónicos portátiles que requieren de un voltaje relativamente pequeño.
Generalmente estos aparatos no pueden tener cambios de polaridad, ya que puede
acarrear daños irreversibles en el equipo.
Corriente alterna: La corriente alterna es aquella que
circula durante un tiempo en un sentido y después en sentido opuesto,
volviéndose a repetir el mismo proceso en forma constante. Su polaridad se
invierte periódicamente, haciendo que la corriente fluya alternativamente en
una dirección y luego en la otra. Se conoce en castellano por la abreviación CA
y en inglés por la de AC.
Este tipo de corriente es la que nos llega a nuestras casas
y sin ella no podríamos utilizar nuestros artefactos eléctricos y no tendríamos
iluminación en nuestros hogares. Este tipo de corriente puede ser generada por
un alternador o dinamo, la cual convierten energía mecánica en eléctrica.
El mecanismo que lo constituye es un elemento giratorio llamado
rotor, accionado por una turbina el cual al girar en el interior de un campo
magnético (masa), induce en sus terminales de salida un determinado voltaje. A
este tipo de corriente se le conoce como corriente alterna (a).
Pilas y baterías:
Las pilas y las
baterías son un tipo de generadores que se utilizan como fuentes de
electricidad.
Las baterías, por medio de una reacción química producen, en
su terminal negativo, una gran cantidad de electrones (que tienen carga
negativa) y en su terminal positivo se produce una gran ausencia de electrones
(lo que causa que este terminal sea de carga positiva).
Ahora si esta batería alimenta un circuito cualquiera, hará
que por éste circule una corriente de electrones que saldrán del terminal
negativo de la batería, (debido a que éstos se repelen entre si y repelen
también a los electrones libres que hay en el conductor de cobre), y se dirijan
al terminal positivo donde hay un carencia de electrones, pasando a través del
circuito al que está conectado. De esta manera se produce la corriente
eléctrica.
Fuerza electromotriz de un generador:
Se denomina fuerza electromotriz (FEM) a la energía
proveniente de cualquier fuente, medio o dispositivo que suministre corriente
eléctrica. Para ello se necesita la existencia de una diferencia de potencial
entre dos puntos o polos (uno negativo y el otro positivo) de dicha fuente, que
sea capaz de bombear o impulsar las cargas eléctricas a través de un circuito
cerrado.
A. Circuito eléctrico abierto (sin carga o resistencia). Por tanto, no se
establece la circulación de la corriente eléctrica desde la fuente de FEM (la
batería en este caso). B. Circuito eléctrico cerrado, con una carga o
resistencia acoplada, a través de la cual se establece la circulación de un flujo
de corriente eléctrica desde el polo negativo hacia el polo positivo de la
fuente de FEM o batería.
Resumiendo, un generador se caracteriza por su fuerza
electromotriz, fem, que es la energía que proporciona a la unidad de carga que
circula por el conductor.
Fuerza electromotriz = energía/Carga fem= E/Q
La unidad de fuerza electromotriz en el SI es el voltio (V):
1 voltio = 1 julio / 1 culombio
Voltímetro:
La ddp y la fem se pueden medir conectando un voltímetro
entre dos puntos de un circuito o entre los terminales de un generador. El
voltímetro siempre se conecta en paralelo. La escala de un voltímetro viene
expresada en voltios.
Para efectuar la medida de la diferencia de potencial el
voltímetro ha de colocarse en paralelo, esto es, en derivación sobre los puntos
entre los que tratamos de efectuar la medida. Esto nos lleva a que el
voltímetro debe poseer una resistencia interna lo más alta posible, a fin de
que no produzca un consumo apreciable, lo que daría lugar a una medida errónea
de la tensión. Para ello, en el caso de instrumentos basados en los efectos
electromagnéticos de la corriente eléctrica, estarán dotados de bobinas de hilo
muy fino y con muchas espiras, con lo que con poca intensidad de corriente a
través del aparato se consigue la fuerza necesaria para el desplazamiento de la
aguja indicadora.
En la actualidad existen dispositivos digitales que realizan
la función del voltímetro presentando unas características de aislamiento
bastante elevadas empleando complejos circuitos de aislamiento.
En la Figura se puede
observar la conexión de un voltímetro (V) entre los puntos de a y b de un
circuito, entre los que queremos medir su diferencia de potencial.
En algunos casos, para permitir la medida de tensiones
superiores a las que soportarían los devanados y órganos mecánicos del aparato
o los circuitos electrónicos en el caso de los digitales, se les dota de una
resistencia de elevado valor colocada en serie con el voltímetro, de forma que
solo le someta a una fracción de la tensión total.
Conexión de un voltímetro en un circuito
Asociación de pilas:
Asociación De Pilas En Serie
Las pilas pueden conectarse en serie cualesquiera que sean
las fuerzas electromotrices y la máxima corriente que cada una de ellas pueda
suministrar. Evidentemente, al conectarlas en serie, las fuerzas
electromotrices se suman, así como sus resistencias internas. Se puede notar
que la pila equivalente al conjunto de las n pilas resulta con una f.e.m.
mayor, pero, con una resistencia interna mayor, lo cual empeora la situación en
este punto. Se debe considerar, además, la corriente máxima que puede
suministrar cada una de ellas. La asociación serie sólo podrá suministrar la corriente
de la pila que menos corriente es capaz suministrar.
pilas en serie
Asociación De Pilas En Paralelo
Al conectar pilas en paralelo debe tenerse en cuenta que
sean todas de la misma f.e.m., ya que, en caso contrario, fluiría corriente de
la de más f.e.m. a la de menos, disipándose potencia en forma de calor en las
resistencias internas, agotándolas rápidamente. Si todas ellas son del mismo
voltaje el conjunto equivale a una sola pila de la misma tensión, pero con
menor resistencia interna. Además, la corriente total que puede suministrar el
conjunto es la suma de las corrientes de cada una de ellas, por concurrir en un
nudo. La asociación en paralelo por tanto, podrá dar más corriente que una sola
pila, o, dando la misma corriente, tardará más en descargarse.
pilas en paralelo
Si deseas obtener más información sobre la asociación de
pilas pincha aquí.
2.- Intensidad de corriente.
La intensidad del flujo de los electrones de una corriente
eléctrica que circula por un circuito cerrado depende fundamentalmente de la
tensión o voltaje (V) que se aplique y de la resistencia (R) en ohm que ofrezca
al paso de esa corriente la carga o consumidor conectado al circuito. Si una
carga ofrece poca resistencia al paso de la corriente, la cantidad de
electrones que circulen por el circuito será mayor en comparación con otra
carga que ofrezca mayor resistencia y obstaculice más el paso de los electrones.
Por tanto, definimos la intensidad de corriente eléctrica,
I, como la cantidad de carga eléctrica que circula por una sección de un
conductor en la unidad de tiempo.
Intensidad = carga/tiempo
I= Q/t
Analogía hidráulica. El tubo del depósito "A", al
tener un diámetro reducido, ofrece más resistencia a la salida del líquido que
el tubo del tanque "B", que tiene mayor diámetro. Por tanto, el
caudal o cantidad de agua que sale por el tubo "B" será mayor que la
que sale por el tubo "A".
Mediante la representación de una analogía hidráulica se
puede entender mejor este concepto. Si tenemos dos depósitos de líquido de
igual capacidad, situados a una misma altura, el caudal de salida de líquido
del depósito que tiene el tubo de salida de menos diámetro será menor que el
caudal que proporciona otro depósito con un tubo de salida de más ancho o
diámetro, pues este último ofrece menos resistencia a la salida del líquido.
De la misma forma, una carga o consumidor que posea una
resistencia de un valor alto en ohm, provocará que la circulación de los
electrones se dificulte igual que lo hace el tubo de menor diámetro en la
analogía hidráulica, mientras que otro consumidor con menor resistencia (caso
del tubo de mayor diámetro) dejará pasar mayor cantidad de electrones. La
diferencia en la cantidad de líquido que sale por los tubos de los dos tanques
del ejemplo, se asemeja a la mayor o menor cantidad de electrones que pueden
circular por un circuito eléctrico cuando se encuentra con la resistencia que
ofrece la carga o consumidor.
La intensidad de la corriente eléctrica se designa con la
letra ( I ) y su unidad de medida en el Sistema Internacional ( SI ) es el
amper (llamado también “amperio”), que se identifica con la letra ( A ).
EL AMPER
De acuerdo con la Ley de Ohm, la corriente eléctrica en
amper ( A ) que circula por un circuito está estrechamente relacionada con el
voltaje o tensión ( V ) y la resistencia en ohm () de la carga o consumidor
conectado al circuito.
Definición del amper
Un amper ( 1 A ) se define como la corriente que produce una
tensión de un volt ( 1 V ), cuando se aplica a una resistencia de un ohm (
1 ).
Un amper equivale una carga eléctrica de un coulomb por
segundo ( 1C/seg ) circulando por un circuito eléctrico, o lo que es igual, 6
300 000 000 000 000 000 = ( 6,3 · 1017 ) (seis mil trescientos billones) de
electrones por segundo fluyendo por el conductor de dicho circuito. Por tanto,
la intensidad ( I ) de una corriente eléctrica equivale a la cantidad de carga eléctrica
( Q ) en coulomb que fluye por un circuito cerrado en una unidad de tiempo.
Los submúltiplos más utilizados del amper son los
siguientes:
miliamper ( mA ) = 10-3 A = 0,001 amper
microamper ( mA ) = 10-6 A = 0, 000 000 1 amper
El amperímetro:
La medición de la corriente que fluye por un circuito
cerrado se realiza por medio de un amperímetro o un miliamperímetro, según sea
el caso, conectado en serie en el propio circuito eléctrico. Para medir amper
se emplea el "amperímetro" y para medir milésimas de amper se emplea
el miliamperímetro.
La intensidad de circulación de corriente eléctrica por un
circuito cerrado se puede medir por medio de un amperímetro conectado en serie
con el circuito o mediante inducción electromagnética utilizando un amperímetro
de gancho. Para medir intensidades bajas de corriente se puede utilizar también
un multímetro que mida miliamper (mA).
El ampere como unidad de medida se utiliza,
fundamentalmente, para medir la corriente que circula por circuitos eléctricos
de fuerza en la industria, o en las redes eléctricas doméstica, mientras que
los submúltiplos se emplean mayormente para medir corrientes de poca intensidad
que circulan por los circuitos electrónicos.
3.- Resistencia.
La resistencia de un
material es una medida que indica la facilidad con que una corriente eléctrica
puede fluir a través de él.
La resistencia de un conductor es directamente proporcional
a su longitud e inversamente proporcional a su sección y varía con la
temperatura.
Símbolos eléctricos
Medida de la resistencia. Ley de Ohm.
La resistencia de un conductor es el cociente entre la
diferencia de potencial o voltaje que se le aplica y la intensidad de corriente
que lo atraviesa
R= Va-Vb /I. Es la expresión matemática de la ley de Ohm.
La unidad de resistencia en el SI es el ohmio : 1 ohmio = 1 voltio / 1 amperio.
Un ohmio es la resistencia que opone un conductor al paso de
la corriente cuando, al aplicar a sus extremos una diferencia de potencial de
un voltio, deja pasar una intensidad de corriente de un amperio.
A partir de la ley de Ohm se puede calcular la diferencia de
potencial entre los extremos de una resistencia de la siguiente forma:
Va-Vb = I * R
Asociación de resistencias:
Serie: Es cuando las resistencias están una detrás de otra.
La intensidad en cada resistencia son iguales.
VT = V1 + V2 + V3 + ...
RT = R1 + R2 + R3 + ...
Ejemplo:
RT = 5 + 3 + 10 = 18 IT = VCC / RT
VR1 = 5 x IT
VR2 = 3 x IT
VR3 = 10 x IT
Paralelo: Es cuando las entradas de cada resistencia están
conectadas a un mismo punto y las de salida en otro. El voltaje de cada
resistencia es igual al de la Vcc.
IT
= IR1 + IR2 + IR3 + ...
RT
= (1 / R1) + (1 / R2) + (1 / R3) + ...
Ejemplo:
RT = (1 / 5) + (1 /
3) + (1 / 10 ) = 1.57
RR1+R2
= (5 x 3) / (5 + 3) = 1.87
RT = (1.87 x 10) / (1.87 + 10) =
1.57
IT = Vcc / RT
IR1 = Vcc / 5
IR2 = Vcc / 3
IR3 = Vcc / 10
Pasos a seguir para resolver problemas aplicando la ley de Ohm:
Dibuja un esquema del circuito.
Halla la resistencia equivalente del circuito
Utiliza la expresión I = (Va-Vb)/ R o I = fem/R para
calcular la intensidad del circuito principal
Aplica la ley de Ohm en las diferentes secciones del
circuito.
Si deseas obtener más información sobre la ley de Ohm pincha
aquí.
4.- Potencia
La potencia de un aparato electrónico es la energía
eléctrica consumida en una unidad de tiempo (por lo general, un segundo).
potencia = energía
consumida/ tiempo P=E/t
La unidad de potencia en el SI es el vatio (W). A menudo la potencia viene expresada en
kilowatios. 1kW= 1000 W.
P = (VA-VB)*I
De esta ecuación se deduce que:
Una diferencia de potencial más elevada origina una potencia
mayor, porque cada electrón transporta mucha más energía.
Una intensidad mayor incrementa la potencia, pues hay más
electrones que gastan su energía cada segundo.
Ejemplo:
Calcula
la intensidad de una bombilla de 100W a 220V y calcula su resistencia.
I = P / V = 100 / 200 = 0.45A
R = P / I2 = 100 / (0.45)2 = 483
El consumo de energía eléctrica:
La energía eléctrica consumida se calcula a partir de la
expresión de la potencia multiplicada por el tiempo-
Energía consumida = potencia * tiempo E=P*t
La energía viene dada en Julios (1 Julio = 1 vatio * 1
segundo). No obstante, esta no es la unidad de energía eléctrica que aparece en
algunos sitios, sino el kilovatio por hora. 1Kw *h = 3600000 J.
Para más información sobre circuitos y ejercicios pincha
aquí.
5.- Efectos de la corriente eléctrica.
Al hablar de los efectos de la corriente eléctrica, nos
referimos a las diferentes posibilidades de transformación de la energía
eléctrica en otras formas de energía útiles para los seres humanos.
Efecto calorífico o térmico.
Podemos describir el movimiento de los electrones en un
conductor como una serie de movimientos acelerados, cada uno de los cuales
termina con un choque contra alguna de las partículas fijas del conductor.
Los electrones ganan energía cinética durante las
trayectorias libres entre choques, y ceden a las partículas fijas, en cada
choque, la misma cantidad de energía que habían ganado. La energía adquirida por las partículas fijas
(que son fijas solo en el sentido de que su posición media no cambia) aumenta
la amplitud de su vibración o sea, se convierte en calor. Para deducir la
cantidad de calor desarrollada en un conductor por unidad de tiempo, hallaremos
primero la expresión general de la potencia suministrada a una parte cualquiera
de un circuito eléctrico. Cuando una corriente eléctrica atraviesa un
conductor, éste experimenta un aumento de temperatura. Este efecto se denomina “efecto Joule”.
Es posible calcular la cantidad de calor que puede producir
una corriente eléctrica en cierto tiempo, por medio de la ley de Joule.
E = I 2 * R * t
Efecto luminoso.
La energía eléctrica se transforma en energía lumínica a
través de la energía calorífica.
Si deseas más información sobre la energía calorífica pincha
aquí.
Efecto químico.
La energía eléctrica se transforma en energía química a
través de la electrólisis.
Electrólisis:
Electrolisis, parte de la química que trata de la relación
entre las corrientes eléctricas y las reacciones químicas, y de la conversión
de la energía química en eléctrica y viceversa. En un sentido más amplio, la
electrolisis es el estudio de las reacciones químicas que producen efectos
eléctricos y de los fenómenos químicos causados por la acción de las corrientes
o voltajes.
La mayoría de los compuestos inorgánicos y algunos de los
orgánicos se ionizan al fundirse o cuando se disuelven en agua u otros
líquidos; es decir, sus moléculas se disocian en componentes cargados positiva
y negativamente que tienen la propiedad de conducir la corriente eléctrica. Si
se coloca un par de electrodos en una disolución de un electrolito (o compuesto
ionizable) y se conecta una fuente de corriente continua entre ellos, los iones
positivos de la disolución se mueven hacia el electrodo negativo y los iones negativos
hacia el positivo. Al llegar a los electrodos, los iones pueden ganar o perder
electrones y transformarse en átomos neutros o moléculas; la naturaleza de las
reacciones del electrodo depende de la diferencia de potencial o voltaje
aplicado.
La acción de una corriente sobre un electrolito puede
entenderse con un ejemplo sencillo. Si el sulfato de cobre se disuelve en agua,
se disocia en iones cobre positivos e iones sulfato negativos. Al aplicar una
diferencia de potencial a los electrodos, los iones cobre se mueven hacia el
electrodo negativo, se descargan, y se depositan en el electrodo como elemento
cobre. Los iones sulfato, al descargarse en el electrodo positivo, son
inestables y combinan con el agua de la disolución formando ácido sulfúrico y oxígeno.
Esta descomposición producida por una corriente eléctrica se llama
electrólisis.
En todos los casos, la cantidad de material que se deposita
en cada electrodo al pasar la corriente por un electrolito sigue la ley
descubierta por el químico físico británico Michael Faraday.
La energía eléctrica P "consumida" por un dispositivo eléctrico es el producto entre el voltaje V en las terminales (en voltios) y la corriente que pasa por él (en amperios):
P = V x I
La unidad de potencia es el Watt o vatio (W).
Para la corriente directa, P = V x I
Para la corriente alterna, usada en componentes de tipo resistencia (lámparas, calentadores), P = IRMS xVRMS donde VRMS e IRMS son los valores RMS (valores efectivos) de tensión y corriente.
La energía eléctrica consumida por un aparato eléctrico es el producto de la potencia eléctrica (P) y la duración del tiempo utilizado (t)
E = P x t
La unidad de energía es el Joule (J). Otra unidad usada es la de vatios-hora (Wh). Mira la factura de electricidad de tu casa.
1 WH = 3600 J
P = V x I
La unidad de potencia es el Watt o vatio (W).
Para la corriente directa, P = V x I
Para la corriente alterna, usada en componentes de tipo resistencia (lámparas, calentadores), P = IRMS xVRMS donde VRMS e IRMS son los valores RMS (valores efectivos) de tensión y corriente.
La energía eléctrica consumida por un aparato eléctrico es el producto de la potencia eléctrica (P) y la duración del tiempo utilizado (t)
E = P x t
La unidad de energía es el Joule (J). Otra unidad usada es la de vatios-hora (Wh). Mira la factura de electricidad de tu casa.
1 WH = 3600 J
En la animación de potencia, hacer clic y deslizar el ícono de voltaje para ajustar el voltaje suministrado al circuito.
En la animación de DC y AC, hacer clic y deslizar los medidores para ver los cambios del consumo de energía.
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