1. El circuito eléctrico
Un circuito eléctrico es un conjunto de elementos empleados para la transmisión y control de la energía eléctrica desde el generador hasta el receptor (lugar donde se consume).
La corriente eléctrica es un flujo de electrones que se presenta en dos formas: continua (CC), donde los electrones circulan siempre en el mismo sentido, y alterna (CA), donde cambian de sentido periódicamente. A esta inversión periódica se le denomina frecuencia, siendo los estándares más comunes 50 Hz en Europa y 60 Hz en Estados Unidos.
1.1. Concepto de energía eléctrica
La materia está formada por átomos. Cada átomo consta de varios tipos de partículas. Las más importantes son las siguientes:
- Protones: con carga positiva.
- Neutrones: partículas sin carga eléctrica (forman el núcleo).
- Electrones: partículas con carga negativa que giran alrededor del núcleo, ocupando diferentes órbitas o niveles energéticos.
En la actualidad se emplean diferentes métodos tecnológicos para extraer electrones de un cuerpo y transferirlos a otro con el fin de generar electricidad. Los mecanismos de generación más importantes son:
- Generador de corriente continua o dínamo: Si se mueve rápidamente un cable en un campo magnético, se establece una corriente inducida.
- Frotación: Al frotar materiales (como ámbar y lana), se transfieren electrones.
- Pilas de hidrógeno o de combustible: Reacción química entre hidrógeno líquido y oxígeno.
- Pilas eléctricas: Transforman energía química en eléctrica mediante un electrolito.
- Placas fotovoltaicas: Generan corriente al incidir fotones sobre semiconductores.
- Conversores termoeléctricos: Producen tensión mediante la diferencia de temperatura entre dos metales.
1.2. Características de un circuito de corriente continua
Para que un receptor funcione, la corriente de electrones debe transportarse desde el generador a través de un conductor y retornar al punto de origen. Un circuito puede encontrarse en tres estados:
- Circuitos cerrados: La corriente circula, atraviesa el receptor y regresa al generador.
- Circuitos abiertos: No hay circulación de electrones; los receptores no funcionan.
- Cortocircuito: Contacto directo entre los dos polos del generador sin receptor. Provoca un aumento de temperatura por efecto Joule, pudiendo causar incendios.
1.3. Símil hidráulico
- Presión (P) / Voltaje (V): La fuerza que impulsa el fluido o los electrones.
- Caudal / Intensidad (I): La cantidad de agua o electrones que pasan por segundo.
- Turbina / Motor: Elementos que transforman la energía en trabajo.
- Circuito cerrado: El agua y los electrones regresan al origen sin pérdidas.
2. Magnitudes eléctricas
2.1. Intensidad de corriente
Es la cantidad de electrones que circulan por un punto en la unidad de tiempo. Su fórmula es I = Q/t.
- Culombio (C): Unidad de carga eléctrica (6,24 · 10¹⁸ electrones).
- Amperio (A): Unidad de intensidad (1 A = 1 C/s).
2.2. Resistencia eléctrica
Es la oposición al paso de la corriente (R), medida en ohmios (Ω). Depende del material, longitud y sección del conductor. Los materiales se clasifican en:
- Aislantes: No conducen (cerámica, plástico, vidrio).
- Conductores: Conducen bien la electricidad.
- Superconductores: Resistencia nula a temperaturas muy bajas.
- Semiconductores: Su conductividad depende de factores externos (luz, temperatura).
2.3. Voltaje, tensión o diferencia de potencial
Es la energía necesaria para transportar la unidad de carga entre dos puntos. Se mide en voltios (V). La Fuerza Electromotriz (FEM) es la energía consumida por el generador para mantener esta tensión.
2.4. Ley de Ohm
La fórmula principal es I = V/R. La intensidad es directamente proporcional a la tensión e inversamente proporcional a la resistencia.
2.5. Energía y potencia eléctricas. Efecto Joule
- E = Q × V: Energía total según carga y tensión.
- E = V × I × t: Consumo energético en julios.
- P = V × I: Potencia eléctrica en vatios (W).
- E = I² × Rc × t: Energía perdida en forma de calor (Efecto Joule).
4. Elementos de un circuito
Todo circuito consta de: generador, acumulador, protección, control y receptores.
4.1. Generador de corriente eléctrica
Transforman energía en electricidad. Poseen una resistencia interna (r) que genera calor. Pueden ser de corriente continua (dínamos, placas) o alterna. Se pueden acoplar en serie (suma de voltajes) o paralelo (suma de intensidades).
4.2. Acumuladores de corriente eléctrica
- Condensadores: Almacenan energía en un campo eléctrico. Su capacidad (C) se mide en faradios (F).
- Pilas y baterías: Almacenan energía química. Su capacidad se mide en amperios-hora (Ah).
4.3. Elementos de control y maniobra
- Interruptores: Abren o cierran el circuito.
- Conmutadores: Permiten controlar un receptor desde varios puntos.
- Relé: Conmutador electromagnético de baja potencia que controla circuitos de alta potencia.
4.4. Elementos de protección
- Fusible: Se funde ante sobreintensidades.
- Interruptor magnetotérmico: Protege contra sobrecargas y cortocircuitos.
- Interruptor diferencial: Protege a las personas contra fugas de corriente.
4.5. Receptores
Transforman la energía eléctrica en luz, movimiento o calor. Incluyen motores, electroimanes y resistencias (fijas, variables, LDR, NTC, PTC). Pueden conectarse en serie (la resistencia total es la suma) o paralelo (la resistencia total disminuye).