Conceptos Fundamentales de Electricidad: Corriente, Circuitos y Componentes Pasivos

1. Corriente Eléctrica

Se define la corriente eléctrica como el cambio con respecto al tiempo del movimiento de carga eléctrica (partículas). El movimiento de carga eléctrica es debido a partículas negativas, positivas o ambos tipos de partículas. Por ejemplo:

• En las soluciones salinas, la corriente es debida al movimiento de iones positivos y negativos.
• En un conductor metálico, la corriente es debida a partículas llamadas electrones libres.
• En un material semiconductor, la corriente es debida, por un lado, a los electrones libres (que dan lugar a la corriente eléctrica) y, por otro, al movimiento del par electrón-hueco.

Se define un conductor como un material eléctrico que permite el paso a través de él de un flujo de electrones libres (intensidad de corriente) cuando se conecta entre los extremos del conductor una fuente de excitación, también llamada fuerza electromotriz (f.e.m.), fuente de energía, fuente o generador.

• En un conductor sin polarizar, es decir, que no tiene conectada una fuente de energía, los electrones libres en su interior se encuentran en movimiento desordenado, lo que implica una intensidad de corriente nula.
• En un conductor polarizado, es decir, que está conectado a una fuente de energía, los electrones libres se encuentran orientados y se mueven en una determinada dirección.

Un circuito simple es la conexión de un conductor (hilo conductor) con una fuente de excitación, dispuesto en una malla cerrada o lazo.

Respecto al sentido de la corriente en una fuente de tensión, por convenio, existen dos sentidos:

1. El sentido real del flujo de electrones, que va del polo negativo hacia el positivo.
2. El sentido convencional de la corriente, que va del polo positivo al negativo.

Tipos de Corriente según la Fuente de Energía

Al movimiento de electrones libres en una sola dirección, provocado por una fuente de tipo unidireccional, se le denomina corriente continua (c.c.), y a la fuente que la provoca se le llama generador de corriente continua o batería.

Cuando aplicamos un voltaje alterno (senoidal o sinusoidal) entre los extremos de un conductor, el flujo de electrones libres se mueve en un sentido y en el contrario, siempre bajo una línea de referencia. A dicha corriente se la define como corriente alterna (c.a.) y a la fuente que la provoca se le llama generador de corriente alterna o alternador.

Se define la intensidad de corriente como la variación de la carga del flujo de electrones libres por unidad de tiempo.

1.2. Materiales Eléctricos

Los materiales eléctricos se clasifican dependiendo del número de electrones libres que contengan. Según esto, tendremos:

1.2.1. Aislantes

Los materiales eléctricos con pocos electrones libres, gran densidad, alta estabilidad y baja movilidad se definen como aislantes, aisladores o dieléctricos.

• μe: parámetro de movilidad del electrón libre.
• μh: parámetro de movilidad del hueco.

En el material aislante no es posible la conducción eléctrica. Para que se dé dicha conducción (paso de electrones libres a través de él), habría que aplicar al aislante una energía de 7 eV (electronvoltios), lo que daría lugar a una avalancha de electrones libres y, por lo tanto, a la destrucción de dicho material.

Los materiales aislantes se clasifican en:

• Aislantes perfectos: como el vacío.
• Aislantes imperfectos:
  • Sólidos: madera, algodón, plástico, cerámica, mica, etc.
  • Líquidos: aceite y barniz.

La principal función de un material aislante es la de no dejar pasar la corriente eléctrica entre dos o más conductores. Para ello, se cubre al conductor con tubos de cerámica o de mica.

La selección de un material aislante viene en función de:

1. Los esfuerzos eléctricos y mecánicos a los que se somete al conductor, y además de la temperatura.
2. La sequedad y humedad que rodea al conductor.

1.2.2. Conductores

Un conductor es un material eléctrico que deja pasar la corriente eléctrica a través de él cuando se le conecta entre sus extremos una fuente de excitación. La característica fundamental de un conductor es la conductividad eléctrica, es decir, la facilidad para dejar pasar la intensidad de corriente en un conductor polarizado.

El amperaje de un conductor depende de:

1. La estabilidad térmica del material aislante.
2. La facilidad para transferir el calor al medio que le rodea.

Los conductores se clasifican en:

• Conductores perfectos: como el cobre, el aluminio, la plata y el oro. Cumplen con las dos características fundamentales del conductor: una alta conductividad eléctrica y facilidad para transferir el calor al medio que le rodea. El cobre es el material conductor más utilizado en la industria eléctrica y electrónica; con él se fabrican motores, transformadores, se aplica en el diseño de redes eléctricas y se utiliza en el análisis de circuitos eléctricos y electrónicos.
• Conductores no tan perfectos: ya que tienen limitada su capacidad para dejar pasar la corriente. Son el cobalto, el manganeso, el zinc, el hierro, etc., y se utilizan para fabricar una gran cantidad de componentes eléctricos denominados resistencias.

Características del Conductor

1. Densidad de corriente: En un conductor polarizado se definen el número de electrones libres, la carga del electrón, la velocidad adquirida por dichos electrones, la sección del conductor y el tiempo que se encuentra conectada la fuente de energía al conductor.
2. Intensidad de campo eléctrico: Cuando en el extremo de un conductor aplicamos una fuente de excitación cualquiera, dicha excitación provoca un campo electrostático que, a su vez, genera una fuerza electrostática en los electrones libres, lo que da lugar a que estos se ordenen y se muevan en sentido contrario al campo aplicado.
3. Velocidad media: Hasta ahora hemos considerado que la velocidad adquirida por los electrones libres en el interior de un conductor polarizado es constante, y esto no es así, ya que su medio no es el vacío. Dichos electrones libres chocan con átomos del cristal y entre ellos, provocando su retroceso para un posterior avance, ya que la fuente de energía sigue aplicada entre los extremos del conductor. Por este motivo, se dice que la velocidad adquirida por los electrones libres es una velocidad media o de arrastre.

1.3. Resistividad, Ley de Ohm, Resistencia y Conductancia

1.3.1. Resistividad y Ley de Ohm

Se define la resistividad de un conductor como la relación que existe entre la intensidad de campo eléctrico (E) y la densidad de corriente (J). Se denota como E/J. En la ecuación de dimensión de la resistividad, aparece una nueva unidad eléctrica que relaciona el voltio con respecto al amperio y nos define, eléctricamente hablando, la oposición al paso de la corriente a través de un material conductor.

1.3.2. Resistencia

Los electrones libres en el interior de un conductor polarizado encuentran a su paso una oposición similar a la fricción mecánica. Dicha oposición se produce por los choques entre electrones libres y átomos del cristal, y entre ellos mismos, dando lugar a una transformación de energía eléctrica a calorífica. Esto representa en el conductor polarizado la oposición al paso de la corriente eléctrica, denominándose a dicho fenómeno resistencia de un conductor.

La resistencia de un conductor depende de:

1. Tipo de material (resistividad, ρ).
2. Longitud del conductor.
3. Sección del conductor y temperatura.

1.3.3. Conductancia

La conductancia (G) nos define la facilidad para dejar pasar la corriente eléctrica a través de un conductor polarizado. Nos define la relación entre la intensidad y la tensión.

1.4. El Condensador

1.4.1. Estructura y Función del Condensador

Un condensador es un elemento de un circuito que está constituido por dos conductores, también llamados electrodos, armaduras o placas metálicas, separados por un material aislante llamado dieléctrico.

En el instante en que se cierra el interruptor, se produce en el circuito una transferencia de carga; es decir, los electrones libres de la placa A se transfieren o pasan a la placa B, y además los electrones libres del hilo conductor también son transferidos a la placa B. Este proceso se mantiene siempre y cuando el interruptor siga cerrado, de tal manera que la placa A quedará cargada de forma positiva y la placa B de forma negativa.

Todo este proceso nos lleva a la conclusión de que el condensador es un elemento de almacenamiento de energía, ya que tiene la capacidad de atrapar o quedarse con los electrones libres que existen en los electrodos y, en corriente continua, con los electrones libres del hilo conductor.

En un condensador plenamente cargado en corriente continua, se dice que dicho condensador es un elemento de discontinuidad eléctrica, es decir, se comporta como una interrupción de corriente, ya que no existen electrones libres en el hilo conductor y, por lo tanto, la intensidad de corriente en el circuito es nula.

1.4.2. Parámetros del Condensador

1. La Carga: Se define la carga de un condensador como la capacidad de almacenar electrones libres en sus electrodos o placas.
2. La Capacidad (C): Se define la capacidad de un condensador como la relación que existe entre la carga y la tensión aplicada entre los extremos del condensador.

1.5. Inductor o Bobina

1.5.1. Estructura y Función

La inductancia, también llamada inductancia propia, es la propiedad de un circuito o elemento de un circuito para retrasar o retardar el paso de la corriente eléctrica, debido a la generación de un campo magnético en el circuito.

En el instante en que se cierra el interruptor, la fuente de energía provoca una intensidad de corriente, dando lugar esta a una variación de flujo magnético que envuelve al hilo conductor, provocando a continuación un campo magnético que inducirá una tensión que se opondrá, retrasando el paso de la corriente eléctrica. Esto es debido a la Ley de Lenz, que nos dice: “que cualquier tensión inducida por un campo magnético se opone siempre a la causa que la produjo”.

Conclusión: podemos decir que, en un primer instante al cerrarse el interruptor, la intensidad de corriente en el circuito siempre es nula.

La Ley de Faraday define la tensión inducida por un campo magnético como el producto negativo del número de vueltas del hilo conductor y la variación de la velocidad del flujo magnético.

Al devanar o enrollar un hilo conductor un número determinado de veces, se obtiene un carrete de hilo conductor que se define como bobina o inductor, cuya propiedad de inductancia es mucho mayor que la de un simple hilo conductor. Por este motivo, se llama inductancia concentrada a la inductancia de una bobina.

Mientras el interruptor siga cerrado, la corriente eléctrica tiende a pasar a través del circuito, y esto sucede así porque la fuente de energía tiene que hacer un gasto extraordinario para liberar energía, haciendo que se provoque una tensión que sea igual y opuesta a la tensión inducida. A dicha tensión se la define como fuerza contraelectromotriz (f.c.e.m.), caída de tensión, voltaje o potencial.

Coeficiente de Autoinducción

Se define el flujo magnético como la relación que existe entre la fuerza magnetomotriz y la reluctancia magnética. Se define la fuerza magnetomotriz como el producto del número de vueltas del hilo conductor y la intensidad de corriente eléctrica. El concepto de reluctancia magnética es semejante al de la resistencia en los circuitos eléctricos, es decir, la reluctancia se define como la oposición al paso del flujo magnético en un circuito magnético.

1.6. Circuito Eléctrico

Elementos productores de energía (fuentes de energía) junto con elementos consumidores, de almacenamiento y liberación de energía (resistencias, condensadores y bobinas), unidos convenientemente mediante conductores, definen al circuito eléctrico.

• A los elementos productores de energía se les denomina elementos activos o dipolos activos, y se refieren a las fuentes de energía o generadores.
• A los elementos consumidores, de almacenamiento y liberación de energía se les denomina elementos pasivos o dipolos pasivos, y se refieren respectivamente a las resistencias, condensadores y bobinas.

Fuentes de Energía

Las fuentes de energía se definen como las causas que motivan el movimiento de electrones libres en el interior de un conductor cuando conectamos el conductor entre los terminales de la fuente, dando lugar a la intensidad de corriente a través de dicho circuito.

El potencial eléctrico que adquieren los electrones libres en el interior de la fuente de energía se define como fuerza electromotriz (f.e.m.), y se define como la variación de energía que adquieren los electrones libres en el interior de la fuente con respecto a la carga.

El potencial eléctrico que pierden los electrones libres en el conductor se define como fuerza contraelectromotriz (f.c.e.m.), llamada también caída de tensión, diferencia de potencial, tensión o potencial.

Las fuentes de energía pueden ser de tensión o de intensidad, y estas a su vez pueden ser reales o ideales.

• Una fuente real (de tensión o intensidad) viene siempre asociada a una resistencia.
• Una fuente ideal (de tensión o intensidad) no tiene resistencia asociada.

1. Fuentes Independientes

Ya sean de tensión o intensidad, son aquellas que para suministrar energía no dependen de ningún otro parámetro del circuito.

2. Fuentes Controladas o Dependientes

Pueden ser de tensión o de intensidad, y para suministrar energía, dichas fuentes dependen de un parámetro del circuito, es decir, de una intensidad de rama o bien de la caída de tensión en un elemento pasivo concreto.

1.7. Potencia en Circuitos de Corriente Continua

En física, se define la potencia como la energía necesaria para desplazar algo con respecto al tiempo. En electricidad, se define la potencia eléctrica como la energía suficiente y necesaria para desplazar un flujo de electrones libres en un conductor polarizado con respecto al tiempo.

En los circuitos de corriente continua encontramos fuerzas electromotrices y resistencias, por lo tanto, tenemos dos tipos de potencias:

1. Potencia suministrada: Se refiere a la potencia que genera o suministra una fuente de energía y se define como el producto de la fuerza electromotriz (E) y la intensidad de corriente (I) que suministra dicha fuente. P = E x I (W)
2. Potencia disipada: Se refiere a la potencia que se consume, absorbe o disipa por el efecto del calor en una resistencia eléctrica y se define como el producto de la caída de tensión (Vr) entre los extremos de la resistencia y la intensidad (Ir) que pasa a través de ella. Pr = Vr x Ir (W)