Fundamentos de Electricidad y Circuitos Eléctricos

Este documento explora los conceptos esenciales de la electricidad y los circuitos eléctricos, desde su definición y métodos de producción hasta sus componentes clave y magnitudes fundamentales.

¿Qué es un Circuito Eléctrico?

Un circuito eléctrico es un conjunto de elementos interconectados empleados para la transmisión y control de la energía eléctrica desde el generador hasta el receptor. Se puede definir como una corriente de electrones y puede ser de corriente continua (CC) o corriente alterna (CA).

Métodos de Producción de Electricidad

Existen diversas formas de generar energía eléctrica:

• Dinamo: Transforma energía mecánica de rotación en eléctrica.
• Frotación (Electricidad Estática): Al frotar una barra de ámbar contra un trozo de lana, uno de estos elementos roba electrones al otro, quedando ambos cargados eléctricamente.
• Pilas de Hidrógeno o Combustible: Producen electricidad cuando se hace reaccionar hidrógeno y oxígeno.
• Pilas Eléctricas: Transforman energía química en eléctrica mediante un electrolito.
• Placas Fotovoltaicas: Convierten la energía luminosa del sol en electricidad.
• Conversores Termoeléctricos: Cuando se calienta la zona de unión entre dos metales, se produce una diferencia de tensión eléctrica entre ambos (efecto Seebeck).

Estados de los Circuitos Eléctricos

Los circuitos pueden encontrarse en diferentes estados operativos:

• Circuitos Cerrados: La corriente circula a lo largo del circuito, atravesando el receptor y llegando al generador. Es el estado normal de funcionamiento.
• Circuitos Abiertos: La corriente no puede circular debido a una interrupción en el circuito (por ejemplo, un interruptor abierto o un cable roto).
• Cortocircuito: Se produce cuando los dos polos del generador se ponen en contacto directamente sin que exista ningún elemento receptor. Esto provoca un aumento drástico de la corriente, que eleva la temperatura y puede llegar a fundir los cables, representando un riesgo.

Magnitudes Eléctricas Fundamentales

Intensidad de Corriente (I)

Es la cantidad de electrones que circula por un punto del circuito en un segundo. Su unidad es el Amperio (A). La relación es: 1 A = 1 C/s (Culombio por segundo).

Voltaje, Tensión o Diferencia de Potencial (V)

Es la energía necesaria para transportar la unidad de carga (culombio) desde un punto a otro del circuito. Su unidad es el Voltio (V).

Fuerza Electromotriz (FEM)

Es la energía consumida por un generador para transportar un culombio desde el punto positivo al negativo. También se mide en Voltios (V).

Resistencia Eléctrica (R)

Es la oposición de un cuerpo al paso de la corriente eléctrica. Su unidad es el Ohmio (Ω). Dependiendo de su comportamiento, los materiales pueden ser:

• Materiales Aislantes: Ofrecen una alta resistencia al paso de la corriente (ej. plástico, vidrio).
• Conductores: Permiten el paso de la corriente con baja resistencia (ej. cobre, aluminio).
• Superconductores: Materiales de última generación que no ofrecen ninguna resistencia al paso de la corriente en condiciones específicas (generalmente a muy bajas temperaturas).
• Semiconductores: Permiten el paso de la corriente dependiendo de diversos factores externos, como la temperatura o la luz (ej. silicio, germanio).

Energía Eléctrica Consumida

La energía eléctrica consumida por un receptor es el producto de la cantidad de carga que lo atraviesa multiplicado por el voltaje que hay entre sus bornes. Se mide en Julios (J) o Kilovatios-hora (kWh).

El Polímetro: Medición de Magnitudes Eléctricas

El polímetro (o multímetro) es un aparato versátil que se usa para medir diferentes magnitudes eléctricas. Su uso correcto es crucial:

• Para medir tensiones eléctricas (voltaje), debe colocarse en paralelo con el componente.
• Para medir intensidades de corriente (amperaje), se coloca en serie con el circuito.
• Para medir el valor de una resistencia, se debe establecer contacto entre sus extremos y las puntas de prueba. Para realizar la medición sin riesgo, la resistencia deberá estar aislada del circuito.

Componentes de un Circuito Eléctrico

Elementos Genéricos

Un circuito eléctrico básico suele incluir:

• Fuente de Energía: Proporciona la energía inicial.
• Conversor/Generador: Transforma la energía de una forma a otra (ej. mecánica a eléctrica).
• Transformador: Ajusta los niveles de voltaje o corriente.
• Elementos de Protección: Salvaguardan el circuito y sus componentes.
• Elementos de Control: Permiten regular el flujo de corriente.
• Receptores: Consumen la energía eléctrica para realizar un trabajo.

Ejemplos de Elementos en un Circuito Eléctrico

• Energía Primaria: Viento, sol, agua.
• Conversor/Generador: Hélices (en aerogeneradores), paneles fotovoltaicos.
• Transformador: Para adaptar voltajes.
• Acumulador de Energía: Pilas, baterías.
• Elementos de Protección: Fusibles, interruptores diferenciales.
• Elementos de Control: Interruptores, conmutadores.
• Receptores: Lámparas, motores.

Generadores de Corriente Eléctrica

Los generadores son máquinas que transforman cualquier tipo de energía (mecánica, luminosa, etc.) en electricidad.

Tipos de Generadores

• Generadores de Corriente Continua (CC): Se caracterizan porque la intensidad siempre fluye en un mismo sentido.
  • Dínamos: Aprovechan la energía mecánica de rotación.
  • Placas Fotovoltaicas: Aprovechan la energía lumínica del sol.
• Generadores de Corriente Alterna (CA): Se caracterizan porque los electrones se mueven a lo largo del circuito en ambos sentidos, ya que la polaridad del generador cambia constantemente.

Acoplamientos de Generadores

Los generadores pueden acoplarse de diferentes maneras para obtener la tensión o corriente deseada:

• Serie
• Paralelo
• Mixto

Acumuladores de Energía Eléctrica

Los acumuladores de corriente son dispositivos eléctricos que sirven para almacenar energía eléctrica.

Tipos de Acumuladores

• Condensadores: Constan de dos placas conductoras separadas por un material aislante (dieléctrico). Cuando se cargan, se comportan como un receptor, y al descargarse, como un generador.
• Pilas y Baterías: Son acumuladores que transforman la energía química en eléctrica. Su rendimiento puede ser superior al 90%.

Características de Pilas y Baterías

• Resistencia Interna: Las pilas transportan electrones a través de un electrolito que ofrece una resistencia al paso de la corriente, conocida como resistencia interna.
• Capacidad: Cantidad de electricidad que puede suministrar la pila o batería en una descarga completa, generalmente medida en Amperios-hora (Ah).
• Fuerza Electromotriz (FEM): Es el voltaje que hay entre sus bornes cuando está en circuito abierto. Cuando está en circuito cerrado, la tensión disminuye debido a la resistencia interna.

Elementos de Control y Maniobra

Estos elementos permiten gestionar el flujo de corriente en un circuito:

• Interruptor:
  • Unipolar
  • Bipolar
• Conmutador:
  • Simple
  • Doble
• Relé: Un interruptor accionado eléctricamente.

Receptores Eléctricos

Los receptores son los componentes que transforman la energía eléctrica en otro tipo de energía (mecánica, lumínica, térmica, etc.).

Tipos de Receptores

• Baterías y Pilas: (Aunque también son acumuladores, pueden actuar como receptores durante la carga).
• Motores: Transforman energía eléctrica en energía mecánica de rotación.
• Electroimanes: Transforman energía eléctrica en energía magnética.
• Resistencias Fijas: Tienen un valor de resistencia constante.
• Resistencias Ajustables (Potenciómetros/Reóstatos): Permiten variar su resistencia al girar un eje o deslizar una barra.
• Resistencias Variables LDR (Light Dependent Resistor): Su valor de resistencia depende de la luminosidad que incide sobre ellas.
• Resistencias Variables NTC y PTC (Termistores): Su valor varía con la temperatura. Las NTC (Negative Temperature Coefficient) disminuyen su resistencia al aumentar la temperatura, mientras que las PTC (Positive Temperature Coefficient) la aumentan.

Acoplamientos de Receptores

Los receptores pueden conectarse en un circuito de las siguientes maneras:

• Serie
• Paralelo
• Mixto

Transformadores Eléctricos

Los transformadores eléctricos son máquinas que se emplean para transformar la energía eléctrica primaria en secundaria, elevando o reduciendo el voltaje y la intensidad de la corriente alterna.

Partes de un Transformador

• Núcleo: Es el lugar donde circula el flujo magnético.
• Bobinado Primario: Formado por N1 espiras, se conecta a la red eléctrica de entrada.
• Bobinado Secundario: Formado por N2 espiras, en él se genera la Fuerza Electromotriz (FEM) de salida.