Corriente eléctrica
La corriente eléctrica es el flujo de carga por unidad de tiempo que recorre un material. Se debe a un movimiento de los electrones por el interior del material. Se mide en
amperios y se indica con el símbolo A. Una corriente eléctrica, puesto que se trata de un movimiento de cargas, produce un
campo magnético.
Históricamente, la corriente eléctrica se definió como un flujo de cargas positivas y se fijó el sentido convencional de circulación de la corriente como un flujo de cargas desde el polo positivo al negativo. Sin embargo posteriormente se observó, gracias al
efecto Hall, que en los metales los portadores de carga son negativas, estos son los
electrones, los cuales fluyen en sentido contrario al convencional.
En el siglo XVIII cuando se hicieron los primeros experimentos con electricidad, solo se disponía de carga eléctrica generada por frotamiento o por inducción. Se logró, por primera vez, en 1800 tener un movimiento constante de carga cuando el físico italiano Alessandro Volta inventó, la primera pila eléctrica.
El instrumento usado para medir la intensidad de la corriente eléctrica es el
galvanómetro que, calibrado en amperios, se llama
amperímetro, colocado en serie con el conductor cuya intensidad se desea medir.
Tensión
La tensión, el voltaje o diferencia de potencial es una magnitud física que impulsa a los
electrones a lo largo de un conductor en un
circuito cerrado. La diferencia de potencial también se define como el trabajo por unidad de carga ejercido por el campo eléctrico, sobre una partícula cargada, para moverla de un lugar a otro.
Diferencia de potencial
La tensión entre dos puntos de un
campo eléctrico es igual al
trabajo que realiza dicha unidad de
carga positiva para transportarla desde el punto A al punto B. En el
Sistema Internacional de Unidades, la diferencia de potencial se mide en
voltios (V), al igual que el
potencial.
La tensión es independiente del camino recorrido por la carga, y depende exclusivamente del potencial eléctrico de los puntos A y B en el campo.
Si dos puntos que tienen una diferencia de potencial se unen mediante un conductor, se producirá un flujo de electrones. Parte de la carga que crea el punto de mayor potencial se trasladará a través del conductor al punto de menor potencial y, en ausencia de una fuente externa (generador), esta corriente cesará cuando ambos puntos igualen su potencial eléctrico (Ley de Henry). Este traslado de cargas es lo que se conoce como corriente eléctrica.
Cuando se habla sobre una diferencia de potencial en un sólo punto, o potencial, se refiere a la diferencia de potencial entre este punto y algún otro donde el potencial sea cero.
Resistencia eléctrica
Se denomina resistencia eléctrica, R, de una sustancia, a la oposición que encuentra la
corriente eléctrica para circular a través de dicha sustancia. Su valor viene dado en
ohmios, se designa con la letra griega
omega mayúscula, Ω, y se mide con el
ohmiómetro.
Esta definición es válida para la
corriente continua y para la
corriente alterna cuando se trate de elementos resistivos puros, esto es, sin componente
inductiva ni
capacitiva. De existir estos componentes reactivos, la oposición presentada a la circulación de corriente recibe el nombre de
impedancia.
Según sea la magnitud de esta oposición, las sustancias se clasifican en
conductoras,
aislantes y
semiconductoras. Existen además ciertos materiales en los que, en determinadas condiciones de temperatura, aparece un fenómeno denominado
superconductividad, en el que el valor de la resistencia es prácticamente nulo.
Comportamientos ideal y real
Figura 2. Circuito con resistencia.
Una resistencia ideal es un elemento pasivo que disipa energía en forma de calor según la
ley de Joule. También establece una relación de proporcionalidad entre la intensidad de corriente que la atraviesa y la tensión medible entre sus extremos, relación conocida como
ley de Ohm:
Donde i (t) es la
corriente eléctrica que atraviesa la resistencia de valor R y u(t) es la
diferencia de potencial que se origina. En general, una resistencia real podrá tener diferente comportamiento en función del tipo de corriente que circule por ella.
Comportamiento en corriente continúa
Una resistencia real en corriente continua (CC) se comporta prácticamente de la misma forma que si fuera ideal, esto es, transformando la energía eléctrica en calor. Su ecuación pasa a ser:
Que es la conocida
ley de Ohm para CC.
Donde
= Tensión
= Corriente
Comportamiento en corriente alterna [
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Figura 3. Diagrama
faso rial.
Como se ha comentado anteriormente, una resistencia real muestra un comportamiento diferente del que se observaría en una resistencia ideal si la intensidad que la atraviesa no es continua. En el caso de que la señal aplicada sea senoidal,
corriente alterna (CA), a bajas
frecuencias se observa que una resistencia real se comportará de forma muy similar a como lo haría en CC, siendo despreciables las diferencias. En altas frecuencias el comportamiento es diferente, aumentando en la medida en la que aumenta la frecuencia aplicada, lo que se explica fundamentalmente por los efectos inductivos que producen los materiales que conforman la resistencia real. Por ejemplo, en una resistencia de carbón los efectos inductivos solo provienen de los propios terminales de conexión del dispositivo mientras que en una resistencia de tipo bobinado estos efectos se incrementan por el devanado de hilo resistivo alrededor del soporte cerámico, además de aparecer una cierta componente capacitiva si la frecuencia es especialmente elevada. En estos casos, para analizar los circuitos, la resistencia real se sustituye por una asociación serie formada por una resistencia ideal y por una
bobina también ideal, aunque a veces también se les puede añadir un pequeño condensador ideal en paralelo con dicha asociación serie. En los conductores, además, aparecen otros efectos entre los que cabe destacar el
efecto pelicular....
Consideremos una resistencia R, como la de la figura 2, a la que se aplica una tensión alterna de valor:
De acuerdo con la ley de Ohm circulará una corriente alterna de valor:
Donde . Se obtiene así, para la corriente, una función senoidal que está en fase con la tensión aplicada (figura 3).
Si se representa el
valor eficaz de la corriente obtenida en forma polar:
Y operando matemáticamente:
De donde se deduce que en los circuitos de CA la resistencia puede considerarse como una magnitud
compleja sin parte imaginaria o, lo que es lo mismo con argumento nulo, cuya representación binómica y polar serán:
Asociación de resistencias
Resistencia equivalente
Figura 4. Asociaciones generales de resistencias: a) Serie y b) Paralelo. c) Resistencia equivalente
Se denomina resistencia equivalente, RAB, de una asociación respecto de dos puntos A y B, a aquella que conectada la misma diferencia de potencial, UAB, demanda la misma
intensidad, I (ver figura 4). Esto significa que ante las mismas condiciones, la asociación y su resistencia equivalente disipan la misma
potencia.
Asociación serie
Dos o más resistencias se encuentran conectadas en serie cuando al aplicar al conjunto una
diferencia de potencial, todas ellas son recorridas por la misma corriente.
Para determinar la resistencia equivalente de una asociación serie imaginaremos que ambas, figuras 4a) y 4c), están conectadas a la misma diferencia de potencial, UAB. Si aplicamos la segunda
ley de Kirchhoff a la asociación en serie tendremos:
Aplicando la
ley de Ohm:
En la resistencia equivalente:
Finalmente, igualando ambas ecuaciones se obtiene que:
Y eliminando la intensidad:
Por lo tanto la resistencia equivalente a n resistencias montadas en serie es igual a la suma de dichas resistencias.
Asociación paralelo
Dos o más resistencias se encuentran en paralelo cuando tienen dos terminales comunes de modo que al aplicar al conjunto una diferencia de potencial, UAB, todas las resistencias tienen la misma caída de tensión, UAB.
Para determinar la resistencia equivalente de una asociación en paralelo imaginaremos que ambas, figuras 4b) y 4c), están conectadas a la misma diferencia de potencial mencionada, UAB, lo que originará una misma demanda de corriente eléctrica, I. Esta corriente se repartirá en la asociación por cada una de sus resistencias de acuerdo con la primera
ley de Kirchhoff:
Aplicando la
ley de Ohm:
En la resistencia equivalente se cumple:
Igualando ambas ecuaciones y eliminando la tensión UAB:
De donde:
Por lo que la resistencia equivalente de una asociación en paralelo es igual a la inversa de la suma de las inversas de cada una de las resistencias.
Existen dos casos particulares que suelen darse en una asociación en paralelo:
1. Dos resistencias: En este caso se puede comprobar que la resistencia equivalente es igual al producto dividido por la suma de sus valores, esto es:
2. k resistencias iguales: Su equivalente resulta ser:
Asociación mixta
Figura 5. Asociaciones mixtas de cuatro resistencias: a) Serie de paralelos, b) Paralelo de series y c) Ejemplo de una de las otras posibles conexiones.
En una asociación mixta podemos encontrarnos conjuntos de resistencias en serie con conjuntos de resistencias en paralelo. En la figura 5 pueden observarse tres ejemplos de asociaciones mixtas con cuatro resistencias.
A veces una asociación mixta es necesaria ponerla en modo texto. Para ello se utilizan los símbolos "+" y "//" para designar las asociaciones serie y paralelo respectivamente. Así con (R1 + R2) se indica que R1 y R2 están en serie mientras que con (R1//R2) que están en paralelo. De acuerdo con ello, las asociaciones de la figura 5 se pondrían del siguiente modo:
a) (R1//R2)+(R3//R4)
b) (R1+R3)//(R2+R4)
c) ((R1+R2)//R3)+R4
Para determinar la resistencia equivalente de una asociación mixta se van simplificando las resistencias que están en serie y las que están en paralelo de modo que el conjunto vaya resultando cada vez más sencillo, hasta terminar con un conjunto en serie o en paralelo. Como ejemplo se determinarán las resistencias equivalentes de cada una de las asociaciones de la figura 5:
a)
R1//R2 = R1//2
R3//R4 = R3//4
RAB = R1//2 + R3//4
b)
R1+R3 = R1+3
R2+R4 = R2+4
RAB = (R1+3 · R2+4)//(R1+3 + R2+4)
c)
R1+R2 = R1+2
R1+2//R3 = R1+2//3
RAB = R1+2//3 + R4
Asociaciones estrella y triángulo
Figura 6. Asociaciones: a) En estrella y b) En triángulo.
En la figura 6a) y b) pueden observarse respectivamente las asociaciones estrella y triángulo, también llamadas T y π o delta respectivamente. Este tipo de asociaciones son comunes en las cargas
trifásicas. Las ecuaciones de equivalencia entre ambas asociaciones vienen dadas por el
teorema de Kenelly, de donde se deduce que los valores de la estrella en función de los del triángulo (transformación triángulo a estrella) son:
Y los del triángulo en función de la estrella (transformación estrella a triángulo):
Asociación puente [
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Figura 7. Asociación puente.
Si en una asociación paralela de series como la mostrada en la figura 5b se conecta una resistencia que una las dos ramas en paralelo, se obtiene una asociación puente como la mostrada en la figura 7.
La determinación de la resistencia equivalente de este tipo de asociación tiene sólo interés
pedagógico. Para ello se sustituye bien una de las configuraciones en triangulo de la asociación, la R2-R4-R5 o la R3-R4-R5 por su equivalente en estrella, bien una de las configuraciones en estrella, la R1-R3-R5 o la R3-R4-R5 por su equivalente en triángulo. En ambos casos se consigue transformar el conjunto en una asociación mixta de cálculo sencillo. Otro método consiste en aplicar una
fem (E) a la asociación y obtener su resistencia equivalente como relación de dicha fem y la corriente total demandada (E/I).
El interés de este tipo de asociación está en el caso en el que por la resistencia central, R5, no circula corriente, pues permite calcular los valores de una de las resitencias, R1, R2, R3 o R4, en función de las otras tres. En ello se basan los puentes de
Wheatstone y de
hilo para la medida de resistencias con precisión.
Resistencia de un conductor [
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El
conductor es el encargado de unir eléctricamente cada uno de los componentes de un circuito. Dado que tiene resistencia óhmica, puede ser considerado como otro componente más con características similares a las de la resistencia eléctrica.
De este modo, la resistencia de un
conductor eléctrico es la medida de la oposición que presenta al movimiento de los
electrones en su seno, o sea la oposición que presenta al paso de la corriente eléctrica. Generalmente su valor es muy pequeño y por ello se suele despreciar, esto es, se considera que su resistencia es nula (conductor ideal), pero habrá casos particulares en los que se deberá tener en cuenta su resistencia (conductor real).
La resistencia de un conductor depende de la longitud del mismo ( ), de su sección ( ), del tipo de material y de la
temperatura. Si consideramos la temperatura constante (20 º
C), la resistencia viene dada por la siguiente expresión:
En la que es la
resistividad (una característica propia de cada material).
Influencia de la temperatura [
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La variación de la temperatura produce una variación en la resistencia. En la mayoría de los
metales aumenta su resistencia al aumentar la temperatura, por el contrario, en otros elementos, como el
carbono o el
germanio la resistencia disminuye.
Como ya se comentó, en algunos materiales la resistencia llega a desaparecer cuando la temperatura baja lo suficiente. En este caso se habla de
superconductores.
Experimentalmente se comprueba que para temperaturas no muy elevadas, la resistencia a un determinado valor de t ( ), viene dada por la expresión:
Donde
= Resistencia de referencia a 20°C.
=
Coeficiente Olveriano de temperatura.
= Diferencia de temperatura respecto a los 20°C (t-20).
Potencia que disipa una resistencia [
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Una resistencia disipa en
calor una cantidad de
potencia proporcional a la
intensidad que la atraviesa y a la caída de tensión que aparece en sus bornes. Esto es , aunque suele ser más cómodo usar la ley de Joule .
Observando las dimensiones del cuerpo de la resistencia, las características de conductividad de calor del material que la forma y que la recubre, y el ambiente en el cual está pensado que opere, el fabricante calcula la potencia que es capaz de disipar cada resistencia como componente discreto, sin que el aumento de temperatura provoque su destrucción. Esta
temperatura de fallo puede ser muy distinta según los materiales que se estén usando. Esto es, una resistencia de 2W formada por un material que no soporte mucha temperatura, estará casi fría (y será grande); pero formada por un material metálico, con recubrimiento cerámico, podría alcanzar altas temperaturas (y podrá ser mucho más pequeña).
El fabricante dará como dato el valor en
vatios que puede disipar cada resistencia en cuestión. Este valor puede estar escrito en el cuerpo del componente o se tiene que deducir de comparar su tamaño con los tamaños estándar y sus respectivas potencias. El tamaño de las resistencias comunes, cuerpo cilíndrico con 2 terminales, que aparecen en los aparatos eléctricos domésticos suelen ser de 1/4 W, existiendo otros valores de potencias de comerciales de 1/2 W, 1 W, 2 W, etc.
Potencia eléctrica
Se define como la cantidad de
trabajo por unidad de tiempo realizado por una
corriente eléctrica.
Potencia en corriente continua
Cuando se trata de
corriente continua (CC) la potencia eléctrica desarrollada en un cierto instante por un dispositivo de dos terminales es el producto de la
diferencia de potencial entre dichos terminales y la
intensidad de corriente que pasa a través del dispositivo. Esto es,
(
1)
Donde I es el valor instantáneo de la corriente y V es el valor instantáneo del voltaje. Si I se expresa en
amperios y V en
voltios, P estará expresada en wats
Vatios. Igual definición se aplica cuando se consideran valores promedio para I, V y P.
Cuando el dispositivo es una
resistencia de valor R o se puede calcular la
resistencia equivalente del dispositivo, la potencia también puede calcularse como
Potencia en corriente alterna [
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Cuando se trata de
corriente alterna (AC) sinusoidal, el promedio de potencia eléctrica desarrollada por un dispositivo de dos terminales es una función de los
valores eficaces o valores cuadráticos medios, de la diferencia de potencial entre los terminales y de la intensidad de corriente que pasa a través del dispositivo.
En el caso de un circuito de carácter inductivo (caso más común) al que se aplica una tensión sinusoidal con
velocidad angular y valor de pico resulta:
Esto provocará una corriente retrasada un ángulo respecto de la tensión aplicada:
La potencia instantánea vendrá dada como el producto de las expresiones anteriores:
Mediante
trigonometría, la anterior expresión puede transformarse en la siguiente:
Y sustituyendo los valores de pico por los eficaces:
Se obtiene así para la potencia un valor constante, y otro variable con el tiempo, . Al primer valor se le denomina potencia activa y al segundo potencia fluctuante.
Potencia fluctuante
Al ser la potencia fluctuante de forma senoidal, su valor medio será cero. Para entender mejor qué es la potencia fluctuante, imaginemos un circuito que sólo tuviera una potencia de este tipo. Ello sólo es posible si rad (cos±90º=0), quedando
Caso que corresponde a un circuito inductivo puro o capacitivo puro. Por lo tanto la potencia fluctuante es debida a un
solenoide ó a un
condensador. Tales elementos no consumen energía sino que la almacenan en forma de
campo magnético y
campo eléctrico.
Componentes de la intensidad [
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Figura 1.- Componentes activa y reactiva de la intensidad; supuesto inductivo, izquierdo y capacitivo, derecha
Consideremos un circuito de C. A. en el que la corriente y la tensión tienen un desfase φ. Se define componente activa de la intensidad, Ia, a la componente de ésta que está en fase con la tensión, y componente reactiva, Ir, a la que está en cuadratura con ella (véase Figura 1). Sus valores son:
El producto de la intensidad, I, y las de sus componentes activa, Ia, y reactiva, Ir, por la tensión, V, da como resultado las potencias aparente (S), activa (P) y reactiva (Q), respectivamente:
Potencia aparente
Figura 2.- Relación entre potencias activas, aparentes y reactivas
La potencia aparente (también llamada compleja) de un circuito eléctrico de corriente alterna es la suma (vectorial) de la energía que disipa dicho circuito en cierto tiempo en forma de
calor o
trabajo y la
energía utilizada para la formación de los campos eléctricos y magnéticos de sus componentes que fluctuara entre estos componentes y la fuente de energía.
Esta potencia no es la realmente consumida "útil", salvo cuando el
factor de potencia es la unidad (cos φ=1), y señala que la red de alimentación de un circuito no sólo ha de satisfacer la energía consumida por los elementos resistivos, sino que también ha de contarse con la que van a "almacenar" bobinas y condensadores. Se la designa con la letra S y se mide en
voltiamperios (VA).
Su formula es:
Potencia activa
Es la potencia que representa la capacidad de un circuito para realizar un proceso de transformación de la
energía eléctrica en trabajo. Los diferentes dispositivos eléctricos existentes convierten la energía eléctrica en otras formas de energía tales como: mecánica, lumínica, térmica, química, etc. Esta potencia es, por lo tanto, la realmente consumida por los circuitos. Cuando se habla de demanda eléctrica, es esta potencia la que se utiliza para determinar dicha demanda.
Se designa con la letra P y se mide en vatios (W). De acuerdo con su expresión, la
ley de Ohm y el triángulo de
impedancias:
Resultado que indica que la potencia activa es debida a los elementos resistivos.
Potencia reactiva
Esta potencia no tiene tampoco el carácter realmente de ser consumida y sólo aparecerá cuando existan bobinas o condensadores en los circuitos. La potencia reactiva tiene un valor medio nulo, por lo que no produce trabajo útil. Por ello que se dice que es una potencia desvatada (no produce vatios), se mide en
voltiamperios reactivos (VAR) y se designa con la letra Q.
A partir de su expresión,
Lo que reafirma en que esta potencia es debida únicamente a los elementos reactivos.
Potencia trifásica
La representación matemática de la potencia activa en un
sistema trifásico equilibrado está dada por la ecuación:
Energía eléctrica
Consumo de energía eléctrica por país, en millones de
kWh.
Se denomina energía eléctrica a la forma de
energía que resulta de la existencia de una
diferencia de potencial entre dos puntos, lo que permite establecer una
corriente eléctrica entre ambos —cuando se les pone en contacto por medio de un
conductor eléctrico— y obtener
trabajo. La energía eléctrica puede transformarse en muchas otras formas de energía, tales como la energía luminosa o
luz, la
energía mecánica y la
energía térmica.
Su uso es una de las bases de la
tecnología utilizada por el ser humano en la actualidad.
La energía eléctrica se manifiesta como corriente eléctrica, es decir, como el movimiento de cargas eléctricas negativas, o
electrones, a través de un cable conductor metálico como consecuencia de la diferencia de potencial que un
generador esté aplicando en sus extremos.
Cada vez que se acciona un interruptor, se cierra un
circuito eléctrico y se genera el movimiento de electrones a través del cable conductor. Las cargas que se desplazan forman parte de los átomos de— que se desea utilizar, mediante las correspondientes transformaciones; por ejemplo, cuando la energía eléctrica llega a una enceradora, se convierte en energía mecánica, calórica y en algunos casos luminosa, gracias al
motor eléctrico y a las distintas piezas mecánicas del aparato.
Fuentes de energía eléctrica
La energía eléctrica apenas existe libre en la
naturaleza de manera aprovechable. El ejemplo más relevante y habitual de esta manifestación son las
tormentas eléctricas. La electricidad tampoco tiene una utilidad biológica directa para el ser humano, salvo en aplicaciones muy singulares, como pudiera ser el uso de corrientes en
medicina, resultando en cambio normalmente desagradable e incluso peligrosa, según las circunstancias. Sin embargo es una de las más utilizadas, una vez aplicada a procesos y aparatos de la más diversa naturaleza, debido fundamentalmente a su limpieza y a la facilidad con la que se le genera, transporta y convierte en otras formas de energía. Para contrarrestar todas estas virtudes hay que reseñar la dificultad que presenta su almacenamiento directo en los aparatos llamados
acumuladores.
La generación de energía eléctrica se lleva a cabo mediante técnicas muy diferentes. Las que suministran las mayores cantidades y
potencias de electricidad aprovechan un movimiento rotatorio para generar
corriente continua en un
dinamo o
corriente alterna en un
alternador. El movimiento rotatorio resulta a su vez de una fuente de
energía mecánica directa, como puede ser la corriente de un salto de agua o la producida por el
viento, o de un
ciclo termodinámico. En este último caso se calienta un fluido, al que se hace recorrer un circuito en el que mueve un
motor o una
turbina. El calor de este proceso se obtiene mediante la quema de
combustibles fósiles,
reacciones nucleares y otros procesos.
La generación de energía eléctrica es una actividad humana básica, ya que está directamente relacionada con los requerimientos actuales del hombre. Todas la formas de utilización de las fuentes de energía, tanto las habituales como las denominadas alternativas o no convencionales, agreden en mayor o menor medida el
ambiente, siendo de todos modos la energía eléctrica una de las que causan menor impacto.
La energía eléctrica se crea por el movimiento de los electrones, para que este movimiento sea continuo, tenemos que suministrar electrones por el extremo positivo para dejar que se escapen o salgan por el negativo; para poder conseguir esto, necesitamos mantener un campo eléctrico en el interior del conductor (metal, etc.).Estos aparatos construidos con el fin de crear electricidad se llaman generadores eléctricos. Claro que hay diferentes formas de crearla, eólicamente, hidráulicamente, de forma geotérmica y muchas más.
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