El movimiento de cargas eléctricas se conoce como electricidad. Es una fuente de energía secundaria, lo que significa que se obtiene mediante la conversión de fuentes de energía primaria, como el carbón, el gas natural, el petróleo, la energía nuclear y otras fuentes naturales. La electricidad puede generarse utilizando fuentes de energía renovables o no renovables. Para entender cómo se relacionan los fundamentos de la electricidad, debemos estudiar tanto las magnitudes fundamentales como los componentes básicos de los circuitos eléctricos.
¿Qué es la corriente eléctrica?
La tasa de flujo de carga que pasa por un punto concreto de un circuito eléctrico se conoce como corriente eléctrica. Los electrones con carga negativa o los portadores de carga positiva (como los protones o los iones positivos) pueden transportar carga.
La magnitud de corriente eléctrica se mide en unidades de culombios por segundo (\(\mathrm{C/s}\)), que recibe un nombre especial: amperios (\(\mathrm{A}\)).
La ecuación que recoge la relación entre carga, corriente y tiempo es:
\[I=\dfrac{Q}{t}\]
En esta ecuación:
- \(Q\) es la carga en culombios (\(\mathrm{C}\))
- \(I\) es la corriente en amperios (\(\mathrm{A}\))
- \(t\) es el tiempo en segundos (\(\mathrm{s}\)).
Veamos un pequeño ejemplo para familiarizarnos con esta fórmula:
De las siguientes opciones, ¿en cuántas pasarán \(8\,\mathrm{mA}\) de corriente por un circuito eléctrico?
- Cuando una carga de \(4\,\mathrm{C}\) pasa en \(500\,\mathrm{s}\).
- Cuando una carga de \(8\,\mathrm{C}\) pasa en \(100\,\mathrm{s}\).
- Cuando una carga de \(1\,\mathrm{C}\) pasa en \(8\,\mathrm{s}\).
Solución:
Usando la ecuación de la corriente, resolvemos para las diferentes \(I\):
\[\begin{align} I_1&=\frac{4\,\mathrm{C}}{500\,\mathrm{s}}=8\cdot 10^{-3}\,\mathrm{A}=8\,\mathrm{mA}\\I_2&=\frac{8\,\mathrm{C}}{100\,\mathrm{s}}=8\cdot 10^{-2}\,\mathrm{A}=80\,\mathrm{mA}\\I_1&=\frac{1\,\mathrm{C}}{8\,\mathrm{s}}=125\cdot 10^{-3}\,\mathrm{A}=125\,\mathrm{mA}\end{align}\]
Por tanto, solo la primera opción es correcta
¿Qué es la diferencia de potencial?
La diferencia de potencial o tensión es la cantidad de energía por unidad de carga necesaria para desplazar cargas de un determinado punto espacial a otro.
Esta definición equivale a una diferencia de potencial eléctrico entre dos puntos del espacio. El dispositivo utilizado para medir la diferencia de potencial o la tensión es un voltímetro. La forma de conseguir esta diferencia de potencial eléctrico suele ser mediante la puesta en marcha de reacciones químicas (que mueven electrones que generan una diferencia de potencial)
Algunos ejemplos son: imanes en movimiento, turbinas que funcionan con agua, etc.
La diferencia de voltaje creará una dirección para que las cargas fluyan. La tensión puede describirse, matemáticamente, como:
\[V=\dfrac{E}{Q}.\]
En esta ecuación:
- \(V\) es la diferencia de potencial en voltios (\(\mathrm{V}\)).
- \(E\) es la energía en julios (\(\mathrm{J}\)).
- (Q\) es la carga en culombios (\(\mathrm{C}\)).
¡Veamos un ejemplo!
Encuentra la diferencia de potencial en un circuito en el que la energía invertida en transportar una carga de \(4\) culombios es de \(4\) julios.
Solución:
Basta con utilizar la ecuación de la diferencia de potencial:
\[V=\frac{E}{Q}=\frac{4\,\mathrm{J}}{4\,\mathrm{C}}=1\,\mathrm{V}\]
Por lo tanto, la tensión es de 1 voltio para un circuito.
¿Qué es la resistencia?
La resistencia es una medida de la oposición de un componente al flujo de la corriente eléctrica.
Cuanto menor sea la resistencia de un componente, mayor será el flujo de corriente que lo atraviese. Los materiales con menor resistencia son mejores conductores (por tanto, cuanto menor sea la resistencia de un determinado material, mejor será como conductor).
Por eso, la mayoría de los cables están hechos de cobre: porque este material tiene un valor de resistencia bajo.
Ley de Ohm
Podemos calcular la resistencia gracias a la ley de Ohm, que define la resistencia como la relación entre la diferencia de potencial y la corriente:
\[R=\frac{V}{I},\]
Donde:
- \(R\) es la resistencia medida en ohmios (\(\mathrm{\Omega}\)).
- \(V\) es la diferencia de potencial medida en voltios (\(\mathrm{V}\)).
- \(I\) es la corriente medida en amperios (\(\mathrm{A}\)).
La ley de Ohm es una ley experimental que únicamente se cumple en algunos materiales llamados óhmicos. Sin embargo, la resistencia es generalmente una medida de la oposición de una sustancia al flujo de una corriente. Esta relación puede ser tan compleja como queramos y depende de muchas variables, como el material concreto, la temperatura, etc.
¿Cuánta resistencia ofrece un circuito que tiene una diferencia de potencial total de \(2\) voltios y una corriente total de \(0,17\) amperios?
Solución:
Dado que la tensión y la corriente son \(V = 2\,\mathrm{V}\) y \(I = 0,17\,\mathrm{A}\), podemos utilizar la ley de Ohm:
\[R=\frac{V}{I}=\dfrac{2\,\mathrm{V}}{0,17\,\mathrm{A}}=11,76\,\mathrm{\Omega}\]
Fig. 1: Para recordar la fórmula de la Ley de Ohm, es útil tener en mente este triángulo. Como ves, el voltaje \(\mathrm{V}\) está en la parte superior, lo que indica que para calcularlo hay que multiplicar la intensidad \(\mathrm{I}\) por la resistencia \(\mathrm{R}\). Por tanto, la posición de cada magnitud es la que nos indica cómo calcularla.
¿Qué es la potencia eléctrica?
Dado que los circuitos eléctricos con corriente implican el movimiento de cargas, existe una potencia asociada (energía por unidad de tiempo) que puede calcularse en las cantidades que ya hemos estudiado. La expresión de la potencia eléctrica es la siguiente:
\[P=I\cdot V=I^2\cdot R=\dfrac{V^2}{R}.\]
En esta ecuación: la potencia \(P\) se mide en vatios (\(\mathrm{W}\)), y hemos utilizado varias veces la ley de Ohm para obtener la potencia en términos de dos de las tres magnitudes básicas.
Componentes básicos de los circuitos eléctricos
Los sistemas eléctricos básicos en los que nos preocupamos por la tensión, la corriente y la resistencia son los circuitos eléctricos.
Son estructuras formadas por dispositivos eléctricos —como cables, resistencias, interruptores, fuentes de alimentación, etc.— donde se establece la diferencia de potencial y se forma una corriente. La configuración determina las características específicas de cada circuito y sus posibles aplicaciones.
Conocimiento básico de los circuitos
Podemos describir los circuitos utilizando diagramas con símbolos estándar, que indican el papel de cada componente en el circuito. Los principales componentes son:
Fuentes: suministran tensión y/o corriente.
Cables: transportan la corriente.
Resistencias: ofrecen resistencia al flujo de la corriente.
La mayoría de los otros dispositivos complejos suelen describirse en términos de su resistencia y condiciones adicionales.
Una bombilla es una resistencia que brilla cuando pasa una corriente por ella.
Veamos un ejemplo de un circuito básico.
Fig. 1: Diagrama de un circuito simple con un voltímetro, una batería y una resistencia.Asociación de resistencias
Las leyes que obedecen las resistencias cuando hay más de una en un circuito son importantes porque nos permiten simplificar los circuitos o conseguir ciertos efectos. Las dos formas principales de asociación de resistencias que utilizamos son las resistencias en serie y las resistencias en paralelo.
Resistencias en serie
\(N\) resistencias están en el mismo cable o conductor, una detrás de otra, y este no se bifurca; es decir, no se divide en ramas. La resistencia resultante del conjunto de resistencias es la suma de sus resistencias individuales:
\[R_{\text{total}}=\sum^{N}_{i=1}R_i\]
Fig. 2: Resistencias conectadas en serie
Resistencias en paralelo
\(N\) resistencias están en diferentes ramas que se originan en una división del mismo cable. La siguiente ecuación da la resistencia resultante del conjunto de resistencias:
\[R_{\text{total}}=\left(\sum^N_{i=1}\frac{1}{R_i}\right)^{-1}\]
Fig. 3: Resistencias conectadas en paralelo
Resistencias en serie: \(N\) resistencias están en el mismo cable o conductor, una detrás de otra.
Resistencias en paralelo: \(N\) resistencias están en diferentes ramas que se originan en una división del mismo cable.
Leyes de Kirchhoff
Por último, al considerar los circuitos, tenemos que tener en cuenta dos leyes de conservación que llevan el nombre del científico Gustav Kirchhoff:
Conservación de la corriente: siempre que lleguemos a un nodo de cables/conductores, la corriente que entra en el nodo debe ser igual a la que sale (conservación de la carga y, por tanto, de la corriente).
Conservación de la tensión: siempre que consideremos un circuito cerrado, o un bucle cerrado en un circuito, la suma de la tensión suministrada por todas las baterías debe ser igual a la caída de potencial provocada por cada elemento del bucle cerrado. Esto es, simplemente, la ley de Ohm aplicada a los circuitos cerrados.
Fig. 4: Red de componentes
Fundamentos de electricidad - Puntos clave
- La corriente eléctrica es el número de cargas que circulan por una determinada sección de un conductor por unidad de tiempo. Se mide en amperios (\(\mathrm{A}\)).
- La diferencia de potencial es la energía necesaria por unidad de carga para desplazar cargas de un punto a otro. Se mide en voltios (\(\mathrm{V}\)). La suministran fenómenos como las reacciones químicas, los campos magnéticos, las fuentes no renovables, etc.
- La resistencia es la oposición de una sustancia al flujo de carga. Se mide en ohmios (\(\mathrm{\Omega}\)). Se suele determinar mediante la ley de Ohm, una aproximación muy utilizada que la relaciona con la tensión y la corriente.
- En circuitos, es interesante estudiar cómo podemos calcular la resistencia de un conjunto de resistencias. Las dos posiciones habituales son en serie y en paralelo.
- En los circuitos, hay leyes que recogen la conservación de la energía y la carga, que se traducen en la conservación de la tensión y la corriente eléctrica Se llaman leyes de Kirchhoff.
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