Circuitos Eléctricos: Tipos, Componentes y Leyes Fundamentales

Circuitos Eléctricos

Un circuito eléctrico es el camino que sigue una carga eléctrica (conjunto de electrones), iniciando en un generador de energía y moviéndose por algún material conductor de corriente, pasando por un interruptor que, como su nombre lo dice, interrumpe (impide o permite) el paso de corriente, y llega a una resistencia que consume parte de la energía eléctrica, y finalmente regresa al generador de corriente.

Tipos de Circuitos

• Circuitos en serie: Es cuando hay más de una resistencia que recibe la energía por medio del mismo cable.
• Circuitos en paralelo: Es cuando hay más de una resistencia que recibe la energía por medio de varios cables.

Resistencia Eléctrica

Es la propiedad que tienen los cuerpos de oponerse en cierto grado al paso de la corriente eléctrica. En función a esta propiedad, los materiales se clasifican según su oposición a la corriente eléctrica en conductores, semiconductores y aislantes.

• Conductores: Son elementos que presentan una oposición muy pequeña o una resistencia eléctrica muy baja al paso de los electrones a través de ellos.
• Semiconductores: Es un grupo de elementos que se comporta como conductor o como aislante dependiendo de diversos factores, como por ejemplo el campo eléctrico o magnético, la presión, la radiación, o la temperatura del ambiente.
• Aislantes: Son los elementos que no permiten el paso de electrones a través de ellos.

Factores de la Resistencia Eléctrica

1. Naturaleza del conductor.
2. Longitud del conductor.
3. Sección o área de sección transversal.

Unidad de Medida de la Resistencia Eléctrica

La unidad de medida de la resistencia eléctrica es el ohm, en honor a Georg Simon Ohm, se representa con el símbolo o letra griega (omega).

La resistencia eléctrica, por su parte, se identifica con el símbolo o letra (R) y la fórmula para despejar su valor, derivada de la fórmula general de la ley de Ohm, es la siguiente:

• R = Resistencia
• E = Corriente
• I = Tensión

Ley de Ohm

Esta ley fue formulada por Georg Simon Ohm entre los años (1787 - 1854).

Es la relación entre voltaje (V), corriente (I) y la resistencia (R) en un circuito eléctrico.

Establece que para un valor fijo o constante de resistencia, la corriente es directamente proporcional al voltaje, es decir: si el voltaje se duplica, también se duplica la corriente; si el voltaje se reduce a la mitad, la corriente también se reducirá a la mitad, etc.

Matemáticamente, esta ley se expresa con la siguiente ecuación:

• I = Intensidad de corriente en amperes (A).
• V = Diferencia de potencial en volts.
• R = Resistencia en ohms (Ω).

Leyes de Kirchhoff

• Ley de Corrientes: La ley de corriente eléctrica de Gustav Kirchhoff establece que la suma de las corrientes que entran a un punto en particular deben ser 0. Por lo tanto, de este punto sale corriente positiva mientras entra corriente negativa.
• Ley de Tensiones:
  • Circuito en serie: La electricidad solo puede seguir un camino.
  • Circuito en paralelo: La electricidad puede seguir varios caminos.
  Dice que en un circuito en serie, la suma de las tensiones en todo el circuito debe ser cero.

Ley de Faraday

Establece que el voltaje inducido en un circuito cerrado es directamente proporcional a la rapidez con que cambia en el tiempo el flujo magnético que atraviesa una superficie cualquiera con el circuito como borde.

• Voltaje inducido: Es lo que causa que la corriente fluya.
• Flujo magnético: Es una medida de la fuerza de magnetismo entre 2 materiales.

Potencia Eléctrica

Es la relación de paso de energía de un flujo por unidad de tiempo; es decir, la cantidad de energía entregada o absorbida por un elemento en un tiempo determinado (p = dw / dt). La unidad en el Sistema Internacional de Unidades es el vatio o watt, que resultan ser lo mismo.

Potencia en Corriente Continua

Cuando se trata de corriente continua (CC), la potencia eléctrica desarrollada en un cierto instante por un dispositivo de 2 terminales, es el producto de la diferencia de potencial entre dichos terminales y la intensidad de corriente que pasa a través del dispositivo. Por esta razón, la potencia es proporcional a la corriente y a la tensión.

Potencia en Corriente Alterna

Cuando se trata de corriente alterna (AC) sinusoidal, el promedio de potencia eléctrica desarrollada por un dispositivo de 2 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.

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 solo tuviera una potencia de este tipo. Ello solo es posible si φ = π / 2, quedando:

Caso que corresponde a un circuito inductivo puro o capacitivo puro. Por lo tanto, la potencia fluctuante es debida a un solenoide o a un condensador. Tales elementos no consumen energía, sino que la almacenan en forma de campo magnético y campo eléctrico.

Componentes de Intensidad

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 esta que está en fase con la tensión, y componente reactiva, Ir, a la que está en cuadratura con ella. Sus valores son:

El producto de la intensidad, I, y los 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

La potencia compleja (cuya magnitud se conoce como potencia aparente) de un circuito eléctrico de corriente alterna, es la suma (vectorial) de la potencia que disipa dicho circuito y se transforma en calor o trabajo (conocida como potencia promedio, activa o real) y la potencia utilizada para la formación de los campos eléctrico y magnético de sus componentes que fluctuará entre estos componentes y la fuente de energía (conocida como potencia reactiva).

Potencia Aparente

Esta potencia no es la realmente "útil", salvo cuando el factor de potencia es la unidad (cos φ=1), y señala que la red de alimentación de un circuito no solo ha de satisfacer la energía consumida por los elementos resistivos, sino que también ha de contarse con la que van a "almacenar" las bobinas y condensadores. Se la designa con la letra S y se mide en voltiamperios (VA) (la potencia activa se mide en vatios (W), y la reactiva se mide en voltiamperios reactivos (VAr)).

La fórmula de la potencia aparente 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.

Potencia Activa

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 solo aparecerá cuando existan bobinas o condensadores en los circuitos. La potencia reactiva tiene un valor medio nulo, por lo que no produce trabajo necesario. Por ello, 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 que esta potencia es debida únicamente a los elementos reactivos.

Capacitancia

Se define capacidad C de un condensador como la relación entre la magnitud de la carga Q de uno cualquiera de los conductores y la diferencia de potencial Vab entre ellos.

La capacitancia es la propiedad de un circuito eléctrico, o elemento del circuito, para retardar un cambio en el voltaje que pasa a través de él. El retardo es causado por la absorción o liberación de energía y está asociado con un cambio de la carga eléctrica.