1. El Circuito Eléctrico

El circuito eléctrico es un conjunto de elementos empleados para la transmisión y control de la energía eléctrica desde el generador hasta el receptor. Existen dos tipos de corriente eléctrica: Continua (CC), que es aquella en la que los electrones siempre circulan en el mismo sentido, y Alterna (CA), aquella en la que los electrones cambian de sentido periódicamente.

1.1. Concepto de Energía Eléctrica

La materia está formada por átomos. Cada átomo consta de varios tipos de partículas. Las más importantes son las siguientes:

• Protones (con carga positiva) y neutrones (partículas sin carga eléctrica) que forman el núcleo.
• Electrones: son partículas con carga negativa que giran alrededor del núcleo, ocupando diferentes órbitas o niveles energéticos.

En estado normal, todos los átomos son neutros; es decir, el número de protones es igual al número de electrones. Si por cualquier causa un átomo pierde un electrón, quedará cargado positivamente y se denomina ion positivo o catión. Si lo gana, el átomo quedará cargado negativamente y se llama ion negativo o anión. Este proceso de pérdida y adquisición de electrones se realiza constantemente en la naturaleza y no supone modificación alguna en la constitución del átomo.

Actualmente se conocen diferentes métodos para producir electricidad o, lo que es lo mismo, para extraer electrones de un cuerpo y almacenarlos o transferirlos a otro. Los más importantes son:

• Generador de corriente continua o dinamo: Si se mueve rápidamente un cable en un campo magnético (próximo a un imán permanente), se establece una corriente inducida de electrones a través del cable.
• Mediante frotación: Al frotar una barra de ámbar contra un trozo de lana, uno de estos elementos robará los electrones del otro, quedando los dos cargados eléctricamente.
• Pilas de hidrógeno o pilas de combustible: Se produce asimismo corriente eléctrica cuando se hace reaccionar químicamente hidrógeno líquido y oxígeno.
• Pilas eléctricas: Transforman energía química en energía eléctrica mediante un electrolito, una sustancia conductora que permite el paso de la corriente entre dos conductores o electrodos.
• Placas fotovoltaicas: Cuando inciden fotones (energía electromagnética) sobre ciertos semiconductores, también se origina corriente eléctrica.
• Conversores termoeléctricos: Cuando se calienta la zona de contacto entre dos metales distintos, se produce una diferencia de tensión eléctrica entre ambos. De momento, su eficiencia todavía es muy pequeña (alrededor del 7%).

1.2. Características de un Circuito de Corriente Continua

Para que un receptor (lámpara, motor, resistencia, etc.) pueda funcionar es necesario que la corriente eléctrica generada (corriente de electrones) llegue a ese receptor a través de un conductor (cable, chapa, circuito impreso…).

Los circuitos pueden encontrarse en tres estados: abierto, cerrado y cortocircuito.

• Cerrados: La corriente de electrones circula a lo largo del circuito, atravesando el receptor y regresando al generador.
• Abiertos: No hay circulación de electrones (corriente eléctrica); por tanto, no hay transmisión ni conversión de energías. Los receptores no funcionan.
• Cortocircuito: Tiene lugar cuando, por un error de diseño, se ponen en contacto directamente los dos polos del generador sin que exista ningún elemento receptor entre ellos. La corriente que se genera en ese caso aumentará la temperatura por el efecto Joule, pudiendo llegar a fundir los cables, los elementos del circuito o incluso, sin las medidas de seguridad adecuadas, provocar incendios.

1.3. Símil Hidráulico

El comportamiento de la electricidad (corriente continua) es muy parecido al del agua en un circuito hidráulico. Por ello, con el objetivo de que resulte más fácil entender el funcionamiento de un circuito eléctrico, conviene establecer una analogía entre ambos tipos de circuito.

2. Magnitudes Eléctricas

Existen tres magnitudes fundamentales: intensidad, resistencia y voltaje.

2.1. Intensidad de Corriente

La intensidad de corriente es la cantidad de electrones que circulan por un punto cualquiera del circuito en la unidad de tiempo, es decir, en un segundo.

Como los electrones son una unidad de medida muy pequeña, se emplea el culombio, que es igual a la carga eléctrica de unos 6,24 x 10¹⁸ electrones.

Fórmula

La unidad de la intensidad de corriente es el amperio (A), que se define como la intensidad de corriente que circula por un punto de un circuito cuando por este punto pasa un culombio en un segundo (1 A = 1 C · s^-1).

El amperio es una unidad grande, por lo que a veces se usan submúltiplos como el miliamperio y el microamperio.

La intensidad de corriente se mide con un aparato llamado amperímetro o con un polímetro en el que se selecciona la función de amperímetro.

2.2. Resistencia Eléctrica

La resistencia eléctrica es la oposición que ofrece un cuerpo al paso de la corriente eléctrica.

Se representa por la letra R y se mide y expresa en ohmios (Ω) u ohms. La resistencia eléctrica de un cable depende del tipo de material empleado como conductor, de su longitud y de su sección, según la fórmula:

Fórmula

Los múltiplos del ohmio (no se suelen emplear submúltiplos) son el megaohmio y el kiloohmio.

La resistencia eléctrica se mide con un aparato que se denomina óhmetro u ohmímetro. Atendiendo a su comportamiento frente a la corriente eléctrica, los materiales se pueden clasificar en:

• Materiales aislantes: No conducen o son malos conductores de la electricidad. Algunos ejemplos son la cerámica, la mayoría de los plásticos o el vidrio.
• Materiales conductores: Conducen bien la electricidad, aunque ofrecen cierta resistencia al paso de los electrones.
• Superconductores: Son materiales de última generación que no ofrecen ninguna resistencia al paso de la corriente. No obstante, aunque tal vez en un futuro no muy lejano lleguen a no necesitarlo, de momento tienen que ser enfriados debido a que la superconductividad ocurre solamente por debajo de una cierta temperatura, generalmente muy baja, diferente para cada material. En la actualidad se intenta encontrar materiales superconductores a temperatura ambiente.
• Semiconductores: Permiten el paso de la corriente dependiendo de diversos factores externos como pueden ser la luz, la tensión eléctrica, la temperatura, la presión… Se emplean en componentes electrónicos.

2.3. Voltaje, Tensión o Diferencia de Potencial (DDP)

Voltaje, tensión o diferencia de potencial (DDP) es la energía necesaria para transportar la unidad de carga (culombio) desde un punto a otro de un circuito eléctrico.

El símil hidráulico de la tensión sería la presión de agua. Cuando decimos que por el interior de una tubería pasa agua a 5 kg · cm^-2, queremos decir que la presión del interior, con respecto a la presión del aire exterior, es de 5 kg · cm^-2.

El aparato encargado de proporcionar el voltaje en el circuito eléctrico es el generador.

La fuerza electromotriz (FEM o F.E.M.) es la energía consumida por un generador de corriente para transportar la unidad de carga (un culombio) desde el polo positivo al negativo, por el interior del generador, para mantener en sus bornes una tensión determinada.

Tanto la fuerza electromotriz como el voltaje se miden en voltios (V) con un aparato denominado voltímetro, conectado en paralelo con el elemento del circuito del que queremos conocer su diferencia de potencial. El múltiplo y el submúltiplo del voltaje y la FEM más empleados son el kilovoltio y el milivoltio.

2.4. Ley de Ohm

Es una expresión que relaciona las tres magnitudes eléctricas fundamentales estudiadas anteriormente. La expresión que las relaciona es V = I · R. Por tanto, la intensidad se calcula como:

Fórmula

La intensidad de la corriente eléctrica que circula por un conductor eléctrico es directamente proporcional a la diferencia de potencial aplicada e inversamente proporcional a la resistencia del mismo.

2.5. Energía y Potencia Eléctricas: Efecto Joule

La energía eléctrica consumida por un receptor es el producto de la cantidad de carga que lo atraviesa multiplicado por el voltaje que hay entre sus bornes (nivel de energía que posee esa carga).

Las compañías eléctricas facturan el recibo mensual, además de otros factores, según el consumo de energía. Si la potencia está en kilovatios (kW) y el tiempo en horas, la energía se medirá en kilovatios hora (kWh), ya que el julio es una cantidad muy pequeña.

Si se dispone de un circuito sencillo, la caída de tensión o diferencia de potencial en los extremos del receptor (aplicando la Ley de Ohm) será igual a:

V = I · R

Cuando una corriente eléctrica atraviesa un conductor (cable), parte de su energía se transforma en calor. La cantidad de calor emitido dependerá de la resistencia que ofrezca el elemento al paso de la corriente. Este fenómeno de transformación de la energía en calor se denomina efecto Joule. Este efecto es beneficioso en aparatos cuya función es la generación de calor a través de resistencias eléctricas; en cambio, el calor disipado debido a la resistencia de los cables disminuye la energía útil que llega al aparato receptor. Su valor es:

Utilizando las unidades del sistema internacional, la energía resultará en julios. Para cambiarla a calorías, debemos conocer las equivalencias:

1 julio = 0,24 calorías o 1 caloría = 4,18 julios.

3. Instrumentos de Medida: El Polímetro

La medida de las magnitudes eléctricas estudiadas podemos realizarla con ohmímetros, voltímetros o amperímetros que pueden ser analógicos o digitales. Fuera de los laboratorios de física, es más común la utilización del polímetro o multímetro digital. Este aparato recibe el nombre de «polímetro» porque sirve para medir diferentes magnitudes, la mayoría de ellas eléctricas, como la resistencia, la tensión eléctrica y la intensidad, aunque algunos modelos también sirven para comprobar ciertos componentes electrónicos (diodos, transistores…).

Su manejo es sencillo y bastante intuitivo. Los polímetros digitales son los más precisos. También hay polímetros analógicos (en ellos los valores se marcan con una escala y una aguja).

Consta de una rueda selectora que sirve justamente para seleccionar qué tipo de magnitud vamos a medir y en qué escala: tensión eléctrica continua o alterna; intensidad, igualmente, continua o alterna; resistencia eléctrica, etc. Y, en la mayoría de polímetros, la escala nos permitirá medir desde ohmios hasta megaohmios, y, también, desde milivoltios hasta 600 voltios o más, según el modelo.

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