Índice.
1. Introducción.
2. Electrostática.
2.1. Fenómenos de Electrización.
2.2. Conductores y aisladores.
2.3. Campo eléctrico.
2.4. Carga eléctrica.
2.5. Ley de Coulomb.
3. Corriente eléctrica.
3.1. Definición y sentido de la corriente eléctrica.
3.2. Circuito Eléctrico.
3.3. Clases de Corriente Eléctrica.
3.3.1. Corriente Continua (c. c.).
3.3.2. Corriente Alterna (c. a.).
3.3.3. Corriente Pulsatoria.
3.4. Efectos de la corriente eléctrica.
4. Magnitudes eléctricas y leyes fundamentales.
4.1. Resistencia eléctrica.
4.1.1. Definición y unidades.
4.1.2. Resistividad y conductividad.
4.1.3. Ley de Joule.
4.1.4. Resistencia y corriente alterna.
4.1.5.Tipos de resistencias.
4.2. Capacidad eléctrica.
4.2.1. Definiciones y unidades de capacidad.
4.2.2. Condensadores en corriente continua.
4.2.3. Condensadores en corriente alterna.
4.2.4. Tipos de condensadores.
4.3. Inducción.
4.3.1. Definición y unidades.
4.3.2. Circuito L en corriente continua.
4.3.3. Circuito L en corriente alterna.
4.3.4. Tipos de bobinas.
4.4. Cantidad de Electricidad.
4.5. Intensidad de corriente.
4.6. Fuerza Electromotriz. Diferencia de potencial.
4.7. Ley de Ohm.
4.8. Energía Eléctrica.
4.9. Potencia Eléctrica.
5. Conclusiones.
Bibliografía.
A.A. V.V. (1972): Física. Editorial Bruño. Madrid.
A.A. V.V. (1985): Tecnología electrónica. Editorial Edebé. Barcelona.
1. Introducción.
En este tema se van a estudiar distintos fenómenos eléctricos que ocurren cuando la electricidad atraviesa un circuito eléctrico. Para ello, previamente es necesario estudiar las magnitudes eléctricas más representativas y las relaciones entre algunas de éstas a través de leyes fundamentales empíricas (Joule, Ohm, Kirchhoff). Además, dedicaremos un epígrafe a hablar de los diferentes tipos de corriente eléctrica, y otro el que se analizarán los componentes físico-electricos más destacados en todo circuito.
Conviene aclarar que a lo largo del tema se expondrán conceptos generales de la teoría de circuitos, válidos tanto para corriente continua (CC) como para alterna (CA). Por motivos de tiempo y espacio no se profundizará en exceso, con objeto de poder ofrecer al tribunal una visión global sobre todos los aspectos del título del tema.
2.- Electrostática.
2. 1. Fenómenos de electrización.
Las ideas actuales sobre la constitución de la materia conducen a asignar la carga positiva a los protones del átomo, y la negativa a los electrones. En ell átomo que pierde electrones predomina la carga eléctrica positiva de los protones, y al contrario, un exceso de electrones hace que predomina la carga eléctrica negativa. Esto último es lo que ocurre al frotar una varilla de vidrio en un patio.
2.2.- Conductores y aisladores.
Una sustancia que permite el paso de cargas eléctricas se le llama conductor , si no permite el paso, se
le llama aislante. En general, los metales son conductores y los no metales aisladores.
Existen unas sustancias, que en unas condiciones se comportan como conductores y en otras como aisladores, llamados semiconductoresm y las que tienen una resistividad nula, en ciertas condiciones, se les denomina superconductores.
2.3. Campo eléctrico.
En una región del espacio se dice que existe un campo eléctrico, cuando una carga colocada en aquella está sometida a fuerzas de origen eléctrico. La trayectoria que sigue una carga positiva a causa de la acción del campo recibe el nombre de línea de fuerza.
2.4. Carga eléctrica.
Se denomina carga eléctrica a la cantidad de electricidad en un cuerpo, es decir, al exceso o defecto de electrones. La unidad de carga eléctrica en el sistema internacional (S.I.) es el culombio.
2.5. Ley de Coulomb.
Coulomb encontró experimentalmente que las acciones recíprocas entre dos cargas eléctricas se rigen por la ley siguiente:
“La fuerza con que se atraen o re pelen dos cuerpos electrizados es directamente proporcional al producto de sus cargas eléctricas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa”.
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3. Corriente eléctrica.
3.1.- Definición y sentido de la corriente eléctrica.
Se denomina corriente eléctrica al flujo de cargas a través de un conductor. El sentido real de los electrones es del cuerpo que está a menor potencial al que está a mayor potencial, es decir, de ( – ) a ( + ). El sentido convencional de circulación de los electrones es de (+) a ( – ).
3.2. Circuito eléctrico.
Al conjunto formado por generador de corriente, conductor y receptor, se le llama circuito eléctrico. Si hay continuidad se les llama abierto, en caso contrario, cerrados.
3.3. Clases de corriente eléctrica.
3.3. 1. Corriente continua.
Se habla de corriente continua (c.c.) cuando circula siempre en el mismo sentido y con valor constante.
3.3.2. Corriente alterna.
Cuando circula en ambos sentidos, esto es, cuando los electrones se desplazan tanto en un sentido como en el contrario.
§ Valores fundamentales de la corriente alterna senoidal.
La corriente alterna senoidal es un tipo de corriente cuyo cambio de sentido se realiza en intervalos de tiempos iguales, según la función senoidal.
Los parámetros o valores fundamentales son:
- Frecuencia. Número de veces que la señal alterna se repite en un segundo. Se representa por f y se mide en herzios.
- Periodo. Se define como el tiempo necesario para que una señal alterna se repita. Se representa por T y se mide en segundos.
- Se cumple que:
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- Valor instantáneo. Aquel que torna la señal en cada instante.
- Valor máximo, Al mayor de ellos de todos los valores instantáneos. También se le llama valor de pico.
- Valor medio. Representa la media aritmética de todos los valores instantáneos durante medio periodo.
- Valor eficaz. Es aquél que produce los mismos efectos caloríficos, a través de una resistencia, que una corriente continua del mismo valor.
La relación entre el valor eficaz y máximo en alterna es:
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Representación vectorial de una corriente alterna. La representación vectorial consiste en suponer a las señales alternas como un vector, cuyo módulo corresponde con el valor máximo de la función, que gira alrededor de un punto fijo con velocidad angular w (omega) constante. A este vector giratorio se le llama fasor.
3.3.3. Corriente pulsatoria.
Se llama así cuando circula siempre en el mismo sentido, aunque la cantidad de electrones sea variable.
3.4. Efectos de la Corriente Eléctrica.
Los efectos de la corriente eléctrica se pueden clasificar en:
– luminosos, Consisten en la producción de energía luminosa al paso de una corriente por un medio determinado. Un caso es de la lámpara incandescente, basada en el efecto Joule.
– caloríficos, El efecto térmico más importante desde el punto de vista práctico es el Efecto Joule, que se expresa que la cantidad de calor es igual a Q= I2 x R x t (en julios).
– magnéticos, donde las cargas en movimiento en un conductor originan un campo magnético en los alrededores de dicho conductor con corriente. De ahí surgieron los experimentos de Oersted y Faraday
– químicos, donde el paso de una corriente eléctrica continua a través de algunos líquidos (electrolitos) provoca la descomposición química de éstos mediante el proceso de la electrólisis.
– Biológicos, donde el paso de la corriente eléctrica a través de los seres vivos producen en los mismos quemaduras, coagulaciones, electrocuciones, etc., por efecto Joule.
Estos fenómenos suelen aparecer relacionados. Así tenemos que una lámpara desprende luz y calor. Los efectos magnéticos y dinámicos están relacionados en las dinamos y los alternadores. Los efectos químicos se muestran en la electrólisis.
4. Magnitudes y Leyes Fundamentales.
4. 1. Resistencia eléctrica.
4.1.1. Definición y unidades.
Se define la resistencia eléctrica como la dificultad que opone un material al paso de una corriente eléctrica. Se representa por la letra R. La unidad de resistencia es el ohmio y se designa con la letra griega W (omega).
El ohmio se define como la resistencia que opone al paso de la corriente eléctrica, una columna de mercurio de 106,3 cm de longitud y 1 mm2 de sección.
La resistencia eléctrica se mide con un aparato denominado óhmetro. Los múltiples y submúltiplos del ohmio son los siguientes:
– Megaohmio MW =106 W.
– Kilohmio KW =103 W.
– Miliohmio mW = 10-3 W.
– Microhmio mW = 10-6 W.
4.1.2. Resistividad y conductividad.
Resistividad de un material es la resistencia que ofrece un hilo de dicho material, de un metro de longitud y un milímetro cuadrado de sección. Se representa por la letra griega r (rho). Se mide en (W mm2 / m ) .
La conductividad de un material es la propiedad contraria a la resistividad, o sea, la facilidad con que los conductores dejan pasar la corriente eléctrica. Se representa por la letra griega s (sigma), y la relación matemática de ésta con la resistividad es:
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4.1.3. Ley de Joule.
El siglo pasado, James P. Joule, físico inglés, estudió la relación existente entre la corriente eléctrica y el calor producido por ésta, y enunció la siguiente ley:
“ La cantidad de calor producida por una resistencia es directamente proporcional a la d.d.p. que soporta entre sus extremos, a la corriente que la atraviesa y al tiempo en segundos que circula la corriente, todo ello afectado de un coeficiente de proporcionalidad que depende del sistema de unidades”.
La expresión matemática de esta ley es:
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Donde:
Q : cantidad de calor (calorías) .
( UA – UB ): tensión en bornes de la resistencia (voltios).
I : corriente eléctrica (amperios).
t : tiempo (segundos).
Con estas unidades, K = 0,24
4.1.4. Resistencia y corriente alterna.
En este caso es aplicable en todo momento la ley de Ohm. Es decir la intensidad en cada instante es igual al cociente de la tensión V por la resistencia del circuito. La tensión y la intensidad están en todo momento en fase, como se ve en la figura:
Ley de Ohm.
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4.1.5. Tipos de resistencias.
Las resistencias empleadas en los diversos dispositivos, se clasifican por:
– su fabricación,
– por su voltaje,
– por su valor.
Atendiendo a su valor se distinguen tres clases de resistencias:
1. Resistencias fijas.
– Aglomeradas.
– De película de carbón.
– De película metálica.
– Bobinadas.
2. Resistencias variables.
– Bobinadas.
– De película.
3. Resistencias dependientes.
– De la temperatura: NTC, PTC.
– De la luz: LDR.
– De la tensión:VDR.
4.2. Capacidad eléctrica.
4.2.1. Definiciones y unidades.
Se denomina condensador a un componente utilizado para almacenar carga eléctrica y usarla en el momento apropiado. Está formado esencialmente por dos elementos:
– Armaduras. Las armaduras son superficies metálicas sobre las que se deposita la carga eléctrica.
– Dieléctricos. Son las sustancia que existe entre las dos armaduras. Algunas sustancias empleadas son: aire, mica, papel, poliéster.
Se llama capacidad eléctrica a la propiedad que poseen los condensadores para almacenar mayor o menor cantidad de electricidad. La cantidad de electricidad que puede almacenar un conductor depende de su capacidad eléctrica y de su potencial.
Si a un conductor aislado y en estado neutro se le comunica una carga ( Q ), adquiere, con respecto al suelo, un potencial ( V ), que resulta ser proporcional a la carga. La constante de proporcionalidad recibe el nombre de capacidad ( C ) . Por tanto:
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La capacidad de un condensador depende de su geometría, de la distancia entre sus armaduras y del dieléctrico que hay entre ellas.
La unidad de capacidad en el sistema internacional (S. l.) es el faradio (F). El faradio es la capacidad de un conductor que con la carga de un culombio adquiere el potencial de un voltio.
Por ser el faradio excesivamente grande, en la práctica se emplean los siguientes submúltiplos:
– Milifaradio mF = 10-3 F.
– Microfaradio mF = 10-6 F.
– Nanofaradio nF = 10-9 F.
– Picofaradio pF = 10-12 F.
4.2.2. Condensador en corriente continua.
Al aplicar tensión a los bornes de un condensador, éste va almacenando carga hasta que, la tensión, en sus bornes es igual a la aplicada. En régimen Permanente se comporta como un circuito abierto.
4.2.3. Condenador en corriente alterna.
La corriente alterna al pasar en un sentido carga las armaduras del condensador y un instante después, al empezar la fase opuesta, se descarga, reforzando la corriente. Un condensador intercalado en un circuito impide, pues, el paso de una corriente alterna, pero no el de una corriente continua. El efecto de un condensador es adelantar la intensidad sobre la diferencia de potencial. Se produce un desfase de 90º o 2p radianes, como se refleja en la figura:
Al valor Xc se le llama capacitancia o reactancia capacitiva. Se expresa en ohmios cuando la capacidad ( C ) viene expresada en faradios.
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4.2.4. Tipos de condensadores.
Se clasifican según su valor en dos clases:
1. Fijos. Que a su vez se clasifican según el dieléctrico utilizado en:
– Papel.
– Plástico.
– Cerámica.
– Electrolítico.
2. Variables.
4.3.- Inducción.
4.3.1. Definiciones y unidades.
Un solenoide o bobina es una agrupación axial de espiras, que tienen un eje común, recorridas por una corriente igual en todas ellas. Esta, al ser recorrida por una corriente eléctrica, crea un campo magnético.
Las bobinas son dispositivos empleados para almacenar energía en forma de campo magnético, haciendo un efecto de inercia en los circuitos.
La unidad del coeficiente de autoinducción L que caracteriza a la bobina es el Henrio (H).
4.3.2. Circuito L en corriente continua.
La autoinducción dificulta el establecimiento de la corriente continua cuando ésta comienza, y prolonga su acción cuando tiende a disminuir. En régimen permanente se comporta como un cortocircuito.
4.3.3. Circuito L en corriente alterna.
continua variación de la corriente hace que la autoinducción se oponga a las variaciones de intensidad, haciendo que la intensidad se retrase. El efecto de una autoinducción es retrasar la intensidad sobre la diferencia de potencial. El valor del ángulo de atraso es 90º o 2p radianes como se observa en el dibujo:
Al valor XL se le llama inductancia o reactancia inductiva. Se mide en ohmios. Las bobinas oponen gran dificultad a las corrientes de alta frecuencia.
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4.3.4. Tipos de bobinas.
Las bobinas se clasifican según su construcción en:
– Bobinas cilíndricas o solenoides.
– Bobinas tóricas.
Clasificándolas según su aplicación en:
– Bobinas de filtro o choque.
– Bobinas de RF.
– Bobinas de sintonía.
4.4. Cantidad de electricidad.
Es el número total de cargas eléctricas que circulan por un conducto, como el electrón, que es la unidad fundamental, es una unidad muy pequeña, ha sido preciso definir otra unidad para los usos prácticos. Esta unidad es el culombio.
El culombio es la cantidad de electricidad que, pasando por una disolución de plata es capaz de separar 1,118 mg de este metal. Un culombio equivale a la carga de 6,3.10-18 electrones. La magnitud cantidad de electricidad se representa por la letra Q.
4.5. Intensidad de corriente.
Es la cantidad de electricidad que recorre un circuito eléctrico en la unidad de tiempo. Se representa por la letra I, y se mide con un aparato llamado amperímetro que se coloca siempre en serie con el circuito a medir.
La unidad de intensidad eléctrica es el amperio, equivalente a un culombio por segundo y que definimos como la cantidad de electricidad que, al atravesar una disolución de nitrato de plata, deposita en el cátodo 1,118 mg de plata pura en un segundo. Se representa por A.
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Donde:
Q cantidad de corriente.
t tiempo.
I : intensidad de corriente.
El amperio es una unidad muy grande, y en algunas aplicaciones se usan submúltiplos. Los submúltiplos del amperio son:
– Miliamperio mA = 10-3 A.
– Microamperio mA = 10-6 A.
– Nanoamperio nA = 10-9 A.
4.6. Fuerza electromotriz. Diferencia de potencial.
Es necesario aclarar, en un principio, la diferencia entre fuerza electromotriz y diferencia de potencial. Siempre que dos cuerpos con distintas cargas están conectadas, hay circulación de electrones desde el cuerpo de menor potencial al de mayor potencial, hasta que se neutralizan eléctricamente.
Para cargar un cuerpo, es necesario producir un exceso o defecto de electrones. La energía necesaria para cargar este cuerpo se llama fuerza electromotriz (f.e.m.), con la cual se consigue que el cuerpo adquiera una energía o potencial eléctrico.
Si este cuerpo se compara con otro cargado distintamente, se tendrán diferentes energías o potenciales eléctricos, existe entre ambos, por tanto, una diferencia de potencial (d.d.p.).
Si se unen mediante un conductor, estos dos cuerpos, habrá una circulación de electrones desde el de menor al de mayor potencial, tendiendo a igualarse, con lo que cesaría la circulación de corriente. Para mantener la circulación de electrones, hay que mantener la diferencia de potencial mediante un aparato que produzca f. e. m., al que llamamos generador.
A la diferencia de potencial se le llama también tensión o voltaje. Tanto la fuerza electromotriz E como la diferencia de potencial V se mide en voltios, con un instrumento llamado voltímetro conectado siempre en paralelo con el circuito a medir.
Se define el voltio como la diferencia de potencial que es necesario aplicar a un circuito de un ohmio de resistencia para que, por él, circule una intensidad de corriente de un amperio.
Los múltiples y submúltiplos son:
– Kilovoltio kV :103 V.
– Megavoltio MV : 106 V.
– Milivoltio mV : 10-3 V.
– Microvoltio mV : 10-6 V.
4.7. Ley de Ohm.
Experimentalmente, el físico Ohm estableció una Ley que lleva su nombre y que dice:
“En un circuito eléctrico, la intensidad de la corriente que lo recorre es directamente proporcional a la tensión aplicada, e inversamente proporcional a la resistencia que opone el circuito”.
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Donde:
I : intensidad
U: tensión.
R : resistencia.
4.8. Energía eléctrica. Definición.
Al aplicar una d.d.p. a un circuito, éste es recorrido por una cantidad de electricidad. En tal caso se desarrolla una energía o trabajo eléctrico E igual al producto de la d.d.p. aplicada (UA – UB) multiplicada por la cantidad de electricidad que recorre el circuito Q:
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o bien :
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La energía eléctrica se mide con un aparato llamado contador que se coloca en el principio de la instalación. La energía que nos marca el aparato multiplicada por el precio, nos da la cantidad a pagar a la compañía suministradora.
§ Unidades y múltiplos.
La unidad de energía eléctrica es el vatio×hora pero también se usa el múltiplo Kilovatio×hora Kwh = 103 Vatios×hora.
4.9. Potencia eléctrica.
A la energía o trabajo desarrollado en la unidad de tiempo se le denomina potencia eléctrica. Expresado matemáticamente:
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O bien:
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La potencia eléctrica se mide con un elemento llamado vatímetro.
Unidades, múltiplos y submúltiplos. La unidad de potencia eléctrica es el vatio, que se define como la potencia eléctrica de un circuito que, al aplicársele una d.d.p. de un voltio, hace circular una intensidad de un amperio; se representa por W.
Los múltiplos y submúltiplos que se utilizan son:
– Kilovatio kW = 103 Vatios.
– Megavatio MW = 106 Vatios.
5.- Conclusión.
Hemos definido las distintas magnitudes eléctricas, las cuales están ligadas por unas leyes que se cumplen para cualquier tipo de circuito. También hemos visto sus unidades y los aparatos para medirlas.
Asimismo, hemos expuesto diversos componentes eléctricos y su comportamiento ante los diversos tipos de corrientes.
En conclusión, destacamos el papel básico que representan los circuitos eléctricos en el desarrollo tecnológico, lo que hace que este tema sea fundamental.