Conceptos Fundamentales de Electricidad y Electrónica: Magnitudes, Ley de Ohm y Circuitos

Conceptos Fundamentales de Electricidad y Electrónica

Definiciones Básicas

Carga eléctrica: Cantidad de electrones o de protones que posee una sustancia. Su unidad en el Sistema Internacional es el Culombio (C).

Corriente eléctrica: Es un flujo o movimiento continuo de electrones a través de un material conductor.

Magnitudes Eléctricas Fundamentales

Intensidad de Corriente Eléctrica

La intensidad de corriente eléctrica (I) es la carga transportada por la unidad de tiempo. Se calcula mediante la fórmula:

I = Q / t

• I: Intensidad (unidad: Amperios, A)
• Q: Carga eléctrica (unidad: Culombios, C)
• t: Tiempo (unidad: segundos, s)

El sentido electrónico de la corriente es del polo negativo al polo positivo.

Fuerza Electromotriz (FEM)

La fuerza electromotriz (FEM) es la diferencia de potencial entre los polos de un generador. Su unidad es el Voltio (V).

Resistencia Eléctrica

La resistencia eléctrica (R) es la mayor o menor dificultad que presenta un material al paso de la corriente eléctrica. Su unidad en el Sistema Internacional es el Ohmio (Ω).

Conductores y Aislantes

• Conductores: Materiales que permiten el paso de la corriente eléctrica con facilidad, como todos los metales (ej. plata, cobre).
• Aislantes: Materiales que no permiten el paso de la corriente eléctrica, como los plásticos, la goma, los gases o la madera seca.

Potencia y Energía Eléctrica

La potencia eléctrica (P) es el producto de la intensidad eléctrica por la tensión (voltaje). Se calcula mediante la fórmula:

P = I × V

• P: Potencia (unidad: Vatios, W)
• I: Intensidad (unidad: Amperios, A)
• V: Tensión o Voltaje (unidad: Voltios, V)

La energía eléctrica (E) es la potencia consumida durante un tiempo determinado. Su unidad en el Sistema Internacional es el Julio (J).

Conversión de unidades de energía:

1 kWh (Kilovatio-hora) = 1000 W × 3600 s = 3.6 × 106 W·s = 3.6 × 106 J

Ley de Ohm

La Ley de Ohm establece la relación fundamental entre la tensión (V), la intensidad de corriente (I) y la resistencia (R) en un circuito eléctrico. Sus formulaciones son:

• Cálculo de Tensión (Voltaje): V = I × R (Unidad: Voltios, V)
• Cálculo de Intensidad: I = V / R (Unidad: Amperios, A)
• Cálculo de Resistencia: R = V / I (Unidad: Ohmios, Ω)

Tipos de Corriente Eléctrica

• Corriente Continua (CC): Es aquella que siempre circula en el mismo sentido.

  Generadores de Corriente Continua:

  Ejemplos: baterías de coches, pilas, células fotovoltaicas.

• Corriente Alterna (CA): Es una corriente que varía de sentido a intervalos regulares de tiempo.

  Generadores de Corriente Alterna:

  Ejemplos: alternadores, enchufes de la red eléctrica.

Circuitos Eléctricos

Un circuito eléctrico es el camino cerrado por el que circula la corriente eléctrica.

Partes de un Circuito Eléctrico:

1. Generador: Dispositivo que produce la energía eléctrica (ej. pila, batería, dinamo, alternador).
2. Receptor: Elemento que transforma la energía eléctrica en otro tipo de energía (ej. resistencia, lámpara, televisor, radio).
3. Elementos de Control: Dispositivos que permiten abrir o cerrar el circuito (ej. interruptor, pulsador, conmutador).
4. Elementos de Protección: Componentes que protegen el circuito de sobrecargas (ej. fusibles).
5. Conductores: Materiales que permiten el paso de la corriente entre los componentes (ej. cables).

Tipos de Conexión de Circuitos

Circuito en Serie

Se caracteriza porque todos los elementos del circuito son atravesados por la misma intensidad de corriente.

Circuito en Paralelo (o Derivación o Shunt)

Se caracteriza porque todos sus elementos están conectados a la misma tensión (voltaje).

• La resistencia equivalente de varias resistencias en paralelo es siempre menor que la resistencia de cualquiera de ellas individualmente.
• Cuando hay varias resistencias en paralelo, todas iguales y del mismo valor, la resistencia equivalente es igual al valor de una de ellas dividido por el número total de resistencias.
• La resistencia equivalente de solo dos resistencias en paralelo se calcula como el producto de ambas dividido por la suma de ambas: Req = (R1 × R2) / (R1 + R2).

Problemas Resueltos de Electricidad

Problema 1: Cálculo de Voltaje, Potencia y Energía

Enunciado: Una resistencia eléctrica de 350 ohmios absorbe una intensidad de 0.2 A. Calcule el voltaje al que está conectada, su potencia y la energía que consume en 8 días y 4 horas, expresada en kWh y en Julios (J).

Datos:

• Resistencia (R) = 350 Ω
• Intensidad (I) = 0.2 A
• Tiempo (t) = 8 días y 4 horas

Resolución:

1. Cálculo del Voltaje (V):

   Aplicando la Ley de Ohm: V = I × R

   V = 0.2 A × 350 Ω = 70 V

2. Cálculo de la Potencia (P):

   Aplicando la fórmula de potencia: P = I × V

   P = 0.2 A × 70 V = 14 W

3. Cálculo de la Energía (E):

   Primero, convertimos el tiempo total a horas:

   Tiempo (t) = (8 días × 24 horas/día) + 4 horas = 192 horas + 4 horas = 196 horas

   Aplicando la fórmula de energía: E = P × t

   E = 14 W × 196 h = 2744 Wh

   Convertimos a kWh:

   E = 2744 Wh / 1000 = 2.744 kWh

   Convertimos a Julios (J):

   E = 2.744 kWh × 3.6 × 106 J/kWh = 9,878,400 J

Problema 2: Cálculo de Resistencia

Enunciado: Calcule la resistencia eléctrica de un aparato de potencia 144 W si está conectado a una tensión eléctrica de 12 V.

Datos:

• Potencia (P) = 144 W
• Tensión (V) = 12 V

Resolución:

1. Cálculo de la Intensidad (I):

   Aplicando la fórmula de potencia: P = I × V, despejamos I:

   I = P / V

   I = 144 W / 12 V = 12 A

2. Cálculo de la Resistencia (R):

   Aplicando la Ley de Ohm: R = V / I

   R = 12 V / 12 A = 1 Ω