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Este documento ofrece una introducción básica a los conceptos clave de la electricidad: voltaje, resistencia y corriente. Aprenderemos qué son, cómo se miden y cómo están relacionados entre sí. Además, se presentan ejemplos prácticos y se explica cómo funciona la Ley de Ohm.
Qué aprenderás
Tipo: Monografías, Ensayos
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La electricidad es una forma de energía que se manifiesta con el movimiento de los electrones de la capa externa de los átomos que hay en la superficie de un material conductor. La electricidad es un fenómeno íntimamente ligado en la materia y a la vida. Todo lo que vemos en nuestro alrededor -y también lo que no vemos- está integrado mediante electrones, partículas que giran vuelvo a los núcleos atómicos. El movimiento de las cargas eléctricas a través de un medio conductor se conoce como corriente eléctrica y se origina en poner en contacto dos elementos entre los que hay una diferencia de potencial. La corriente eléctrica continua es aquella que fluye de un punto a otro siempre en el mismo sentido. La corriente de una pila o batería es del tipo continuo. La corriente alterna es aquella que fluye de un punto a otro cambiando de sentido periódicamente. La electricidad comercial a gran escala procede de generadores que producen corriente alterna. La corriente eléctrica genera también calor. Cuando las cargas eléctricas fluyen a través de un material conductor, chocan como sus átomos, los electrones ceden una parte de la energía que contienen y los átomos ganan velocidad, la cual se manifiesta a través del calor. La transformación de la energía eléctrica en calor se llama efecto Joule.
La resistencia eléctrica es toda oposición que encuentra la corriente a su paso por un circuito eléctrico cerrado, atenuando o frenando el libre flujo de circulación de las cargas eléctricas o electrones. Cualquier dispositivo o consumidor conectado a un circuito eléctrico representa en sí una carga, resistencia u obstáculo para la circulación de la corriente eléctrica. Para denominar la Resistencia se utiliza la letra R y su unidad es el Ohmio (W). La resistencia convierte la energía eléctrica en energía térmica y, en este sentido, es similar a la fricción mecánica, ya que disipan la energía eléctrica en forma de calor. Normalmente los electrones tratan de circular por el circuito eléctrico de una forma más o menos organizada, de acuerdo con la resistencia que encuentren a su paso. Mientras menor sea esa resistencia, mayor será el orden existente en el micromundo de los electrones; pero cuando la resistencia es elevada, comienzan a chocar unos con otros y a liberar energía en forma de calor. Esa situación hace que siempre se eleve algo la temperatura del conductor y que, además, adquiera valores más altos en el punto donde los electrones encuentren una mayor resistencia a su paso. Intensidad La intensidad de corriente es la carga eléctrica que atraviesa una sección del conductor por segundo. Una corriente eléctrica se produce cuando hay una diferencia de potencial entre los extremos de un conductor eléctrico. La tensión eléctrica provoca que las cargas experimenten fuerzas de atracción y repulsión y que se muevan cuya intensidad se mide en amperios (A) en el Sistema Internacional de Unidades. Los electrones libres que circulan por un conductor por unidad de tiempo generan una intensidad de corriente. Dependiendo de cómo se mueven los electrones dentro de un circuito eléctrico existen dos tipos de corriente eléctrica: la corriente continúa (CC) y la corriente alterna (CA). Potencia La potencia es el ritmo al que se usa o genera la energía y puede ser medida en cualquier instante de tiempo ya que siempre tendrá el mismo valor. La potencia es a la energía lo que la velocidad es al espacio. Es decir, cuanta más velocidad tenga un cuerpo, más espacio recorrerá durante un tiempo. Del mismo modo, cuanta más potencia desarrolle un sistema, más energía será capaz de gastar en ese tiempo. Por ello, aunque la energía de un sistema pueda transformarse, no será útil si la potencia no es suficiente para cubrir nuestras necesidades.
Un circuito eléctrico es el conjunto de elementos eléctricos conectados entre sí que permiten generar, transportar y utilizar la energía eléctrica con la finalidad de transformarla en otro tipo de energía como, por ejemplo, energía calorífica (estufa), energía lumínica (bombilla) o energía mecánica (motor). Los elementos de un circuito eléctrico que se utilizan para conseguirlo son los siguientes: Generador. Parte del circuito donde se produce la electricidad, manteniendo una diferencia de tensión entre sus extremos. Conductor. Hilo por donde circulan los electrones impulsados por el generador. Resistencia eléctrica. Son elementos del circuito que se oponen al paso de la corriente eléctrica. Interruptor. Elemento que permite abrir o cerrar el paso de la corriente eléctrica. Si el interruptor está abierto no circulan los electrones y si está cerrado permite su paso. Resistencias de los conductores eléctricos La resistencia es la oposición que encuentra la corriente eléctrica para pasar por los materiales y esta depende de tres factores:
Las resistencias comerciales (las que se acostumbran a usar para hacer prácticas de circuitos eléctricos) tienen cuatro anillos pintados que sirven para identificar su valor. El primer anillo corresponde a la primera cifra; el segundo, a la segunda cifra; el tercero, al número de ceros, y el cuarto anillo, al límite de tolerancia de la resistencia. El código de colores de las resistencias es el siguiente: Asociación de resistencias Las resistencias (y otros elementos del circuito) pueden conectarse de dos formas diferentes:
Corriente alterna (CA). A diferencia de la continua, se trata de una corriente eléctrica cuyo sentido y dirección varía cíclicamente. Esta corriente se describe matemáticamente por ondas senoidales y en términos energéticos es mucho más eficiente que la corriente continua, razón por la cual la reciben los hogares y las empresas. Fue inventada por Nikola Tesla a finales del siglo XIX. Corriente trifásica. La corriente trifásica es la forma de electricidad más comúnmente generada y consiste en tres corrientes alternas de idéntica frecuencia y amplitud, dadas en un orden determinado y llamadas fases. Este sistema, producto también de los experimentos de Tesla, es sumamente eficaz y, por ende, el más popular del planeta. Corriente monofásica. Se obtiene tomando una sola fase de la corriente trifásica y un cable neutro, lo cual permite aprovechar la transmisión de energía en una tensión baja (230 voltios). A pesar de que se emplea en muchos países por ser suficiente para hacer operar electrodomésticos, muchos otros aparatos que requieren potencia eléctrica alta no operan con ella. La corriente eléctrica ofrece a la humanidad una enorme cantidad de aprovechamientos prácticos: Calóricos. Cuando se transmite calor por un material que ofrece resistencia a su paso, se genera una resistencia (ningún material es perfecto, algunos presentan más resistencia que otros). Esta resistencia disipa calor que puede aprovecharse para calefaccionar espacios, cocinar, etc. Lumínicos. Cuando la resistencia eléctrica de un hilo conductor es muy baja, una gran cantidad de electrones circula por ella generando calor y sobre todo luz. Este es el principio de funcionamiento de los bombillos. Magnéticos. La corriente eléctrica genera campos magnéticos, como en el caso de los electroimanes empleados en los desguazaderos de automóviles o en las brújulas eléctricas. Químicos. La electricidad sirve para provocar cambios en las sustancias y catalizar (acelerar o hacer más efectivas) determinadas reacciones químicas.
La ley de Ohm se usa para determinar la relación entre tensión, corriente y resistencia en un circuito eléctrico. Para los estudiantes de electrónica, la ley de Ohm (E = IR) es tan fundamental como lo es la ecuación de la relatividad de Einstein (E = mc²) para los físicos. E = I x R Cuando se enuncia en forma explícita, significa que tensión = corriente x resistencia, o voltios = amperios x ohmios, o V = A x Ω. La ley de Ohm recibió su nombre en honor al físico alemán Georg Ohm (1789-
Ejemplo 2: se conocen la tensión (E) y la corriente (I). ¿Cuál es la resistencia creada por la lámpara? R = E/I = 24 V/6 A = 4 Ω Ejemplo 3: se conocen la corriente (I) y la resistencia (R). ¿Cuál es el voltaje? ¿Cuál es el voltaje en el circuito? E = I x R = (5 A)(8 Ω) = 40 V Cuando Ohm publicó su fórmula en 1827, su descubrimiento principal fue que la cantidad de corriente eléctrica que fluye a través de un conductor es directamente proporcional al voltaje impuesto sobre él. En otras palabras, es necesario un voltio de presión para empujar un amperio de corriente a través de un ohmio de resistencia. La ley de Ohm puede usarse para validar: Valores estáticos de los componentes del circuito Niveles de corriente Suministros de voltaje Caídas de tensión
Si, por ejemplo, un instrumento de prueba detecta una medición de corriente más elevada que la normal, puede significar que: La resistencia ha disminuido. El voltaje se ha incrementado, provocando una situación de alta tensión. Esto podría indicar un problema con el suministro o un problema en el circuito. En los circuitos de corriente continua (CC), una medida de corriente inferior a la normal puede significar: Aumentó la resistencia del circuito. Posible causa: conexiones deficientes o flojas, corrosión o componentes dañados. El voltaje ha disminuido. Las cargas existentes en un circuito absorben corriente eléctrica. Las cargas pueden ser cualquier tipo de componente: aparatos eléctricos pequeños, ordenadores, electrodomésticos o un motor grande. La mayoría de estos componentes (cargas) tienen una placa o pegatina informativa. Estas placas incluyen una certificación de seguridad y varios números de referencia. Los técnicos se refieren a las placas de identificación de los componentes para conocer el voltaje y los valores de corriente estándar. Durante la prueba, si los técnicos notan que los valores tradicionales no se registran en los multímetros digitales o en los medidores de pinza, pueden usar la ley de Ohm para detectar qué parte de un circuito funciona anormalmente y, a partir de eso, determinar dónde puede haber un problema. Ciencia básica de los circuitos Los circuitos, como toda materia, están compuestos por átomos. Los átomos se componen de partículas subatómicas: Protones (con carga eléctrica positiva) Neutrones (sin carga) Electrones (con carga negativa) Los átomos permanecen enlazados entre sí por fuerzas de atracción entre el núcleo y los electrones de un átomo en su capa exterior. Cuando los átomos en un circuito son influenciados por la tensión, comienzan a reformarse y sus componentes ejercen un potencial de atracción conocida como una diferencia de potencial. Los electrones libres mutuamente atraídos avanzan hacia los protones y
Estas leyes fueron formuladas por Gustav Kirchhoff (1824-1887). Se trata de un matemático y físico alemán con notables aportes en lo tocante a los circuitos eléctricos. Vale decirse que las leyes sobre las cuales hablamos en este texto, son de notable importancia y utilidad en la ingeniería eléctrica. Muchos estudiantes universitarios deben conocerlas. Igualmente, son una herramienta inevitable para aquellos que diseñan instalaciones de electricidad. Las famosas leyes de Kirchhoff están articuladas por un par de igualdades. Estas se apuntalan en los principios de la conservación de la energía. Asimismo, dejan por sentado que hay una constante en la carga de los circuitos eléctricos. Se formulan por primera vez en el año de 1846. Desde entonces, han sido comprobadas en infinidad de ocasiones. Además, han sido la punta de lanza para comprobar teorías físicas mucho más complejas. Primera ley de Kirchhoff Esta ley también es conocida como ley de nodos. Se basa en la ley de la conservación de la carga. Tiene un enunciado bastante sencillo. Hay que tener en cuenta que se entiende por nodo cualquier punto de un circuito eléctrico donde convergen tres o más conductores. La ley expresarlo siguiente: “ En cualquier nodo de un circuito eléctrico, ocurre que la suma de las corrientes que entrena dicho nudo es idéntica a la sumatoria de las corrientes que salen. De estos infiere, que la suma de todas las corrientes que pasan por un determinado nodo eléctrico, es igual a cero”. Es importante tener en cuenta que la carga se mide en coulumbios. Por otra parte la corriente en amperios del tiempo siempre en segundos. En dado caso, también es importante advertir que esta primera ley únicamente es válida si la densidad de carga eléctrica siempre es constante. Es decir, se aumenta el voltaje, u otras variables, no se cumple lo establecido en la primera ley de Kirchhoff. Por ende,
para probar esta ley es necesario mantener controlado el circuito eléctrico sin altibajos. Esta ley se cumple debido a que la electricidad no es otra cosa que la circulación de electrones. Por ende, en un nudo no pueden aumentar mi disminuir los electrones que conforma circuito. En dado caso, lo que queda demostrado es que lo que terminan corriendo es un balance entre resistencias y materiales que impulsan la electricidad. Si este balance no ocurre, puede ocurrir un sobrecalentamiento de un circuito. O simplemente, que la corriente eléctrica no transite gracias a que hay una resistencia muy elevada. En última instancia, lo que ocurre es la ley de la conservación de la energía. Se sabe que la energía no se crea ni se destruye, simplemente pasa de una forma otra. Esta aseveración simplemente se corrobora en la primera ley de Kirchhoff. Segunda ley de Kirchhoff La primera ley es de gran utilidad. Sin embargo, rara vez se utiliza de manera independiente. Por eso, se usa frecuentemente una segunda ley de Kirchhoff. Esta segunda ley también recibe el nombre de la ley de las tensiones. Esto se debe a que su misión es esclarecer un aspecto relativo a la tensión en circuitos eléctricos. Importante dejar en claro el concepto de tensión en electricidad. Se entiende por tensión eléctrica (también denominada diferencia de potencial) hace referencia la diferencia de potencial eléctrico entre dos puntos. Igualmente, hay quienes la definen como el trabajo por unidad de carga de un determinado campo eléctrico. En la ley de Ohm, ocurre que la atención queda establecida matemáticamente con la siguiente fórmula: T= V/ R (la atención es igual a la división del voltaje entre la resistencia). Una vez esclarecido lo antes dicho, toca ahora hablar fundamentalmente de la segunda ley de Kirchhoff. Esta ley se suele anunciar de la siguiente manera: “En todo circuito eléctrico cerrado, ocurre que las suma de las tensiones de una batería siempre es igual a la suma de las caídas de tensión de cada una de las resistencias de dicho circuito”. Esta ley se explica por el hecho de que una carga no regresa a su punto de inicio por la disipación de la energía. Dicho de otra manera, la energía emitida por una batería en un circuito se va consumiendo entre sus distintas resistencia. La
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