Fundamentos de Circuitos Eléctricos: Teoremas, Protección y Transformadores

Teorema de Máxima Transferencia de Potencia

El teorema de máxima transferencia de potencia establece que, dada una fuente con una resistencia interna Rth (resistencia de Thévenin) fijada de antemano, la resistencia de carga RL que maximiza la potencia transferida desde la fuente a la carga es aquella cuyo valor óhmico es igual a la resistencia interna de la fuente.

Es decir, la transferencia de potencia máxima se da cuando:

RL = Rth

Teorema de Reciprocidad

El teorema de reciprocidad se aplica a redes lineales y pasivas. Establece que si se intercambia la posición de una fuente de tensión ideal en una rama de la red por un amperímetro ideal en otra rama, la lectura del amperímetro será la misma que la corriente que circulaba por la rama donde ahora está la fuente, cuando esta se encontraba en su posición original.

En términos más generales: en una red lineal y pasiva, la relación entre la excitación (fuente) en un punto y la respuesta (corriente o tensión) en otro punto es la misma si se intercambian los puntos de excitación y respuesta.

Teorema de Superposición

El teorema de superposición es una herramienta útil para analizar circuitos lineales que contienen múltiples fuentes independientes (de tensión o corriente). Establece que la corriente o la tensión en cualquier elemento del circuito es igual a la suma algebraica de las corrientes o tensiones producidas por cada fuente independiente actuando por separado, mientras todas las demás fuentes independientes se anulan (se reemplazan por su resistencia interna: fuentes de tensión por cortocircuitos y fuentes de corriente por circuitos abiertos).

Protección de Circuito Monofásico

¿Qué efecto se observó cuando se cortó el neutro en el circuito?

Se produjo una variación (generalmente un desequilibrio) de las tensiones aplicadas a las cargas conectadas entre las fases y el neutro.

¿La conexión a puesta a tierra puede evitarlo?

No directamente. La puesta a tierra es una medida de seguridad contra contactos indirectos y derivaciones, pero no evita los desequilibrios de tensión causados por el corte del neutro en sistemas trifásicos con cargas monofásicas desequilibradas (aunque un neutro correctamente puesto a tierra puede ayudar a estabilizar el potencial).

¿Debe conectarse algún dispositivo de protección en el neutro?

Generalmente, no se deben instalar dispositivos de protección (como fusibles o interruptores unipolares) únicamente en el conductor neutro. Interrumpir solo el neutro puede ser peligroso, ya que deja los aparatos bajo tensión respecto a tierra sin un camino claro de retorno. En algunas normativas, se permiten interruptores que corten simultáneamente fase(s) y neutro (omnipolar).

¿Las intensidades de corriente se igualan o son diferentes en los receptores cuando se corta una línea (fase) en el circuito?

Si los receptores están conectados en serie en esa línea, la corriente será la misma a través de todos ellos (o cero si el circuito se abre). Si están en paralelo, la situación es diferente.

Motivo (para conexión en serie):

Porque en una conexión en serie, la corriente eléctrica sigue un único camino y, por lo tanto, tiene el mismo valor en todos los componentes de dicha serie.

Conceptos Clave en Electricidad y Protección

Disyuntor (Interruptor Automático)

Un disyuntor, también conocido como interruptor automático o breaker, es un dispositivo electromecánico o electrónico diseñado para interrumpir automáticamente el flujo de corriente eléctrica en un circuito cuando detecta condiciones anormales, como:

• Sobrecargas: Corrientes superiores a la nominal mantenidas en el tiempo.
• Cortocircuitos: Corrientes muy elevadas de aparición súbita.

Su objetivo es proteger la instalación eléctrica y los equipos conectados contra daños, así como prevenir riesgos de incendio.

Puesta a Tierra

La puesta a tierra (PAT) es un sistema de seguridad esencial en las instalaciones eléctricas. Consiste en conectar físicamente ciertas partes de una instalación (generalmente las masas metálicas de los aparatos y el neutro en el origen de la instalación, según el esquema de conexión) a la tierra (el suelo) mediante un conductor de baja resistencia (electrodo de tierra). Su función principal es:

• Proporcionar un camino seguro para las corrientes de fuga o defecto a tierra, haciendo actuar las protecciones (como el interruptor diferencial).
• Limitar las sobretensiones y estabilizar la tensión con respecto a tierra.
• Proteger a las personas de descargas eléctricas por contacto indirecto.

Intensidad Máxima Admisible de un Conductor

La intensidad máxima admisible de un conductor eléctrico es la máxima corriente (en amperios) que puede circular por él de forma continua, bajo condiciones específicas de instalación (temperatura ambiente, tipo de canalización, agrupamiento, etc.), sin que su temperatura supere el límite máximo permitido para su material aislante. Superar esta intensidad provoca un calentamiento excesivo que puede dañar el aislamiento, reducir la vida útil del conductor y crear riesgo de incendio.

Magnetismo y Funcionamiento de un Transformador

Campo Magnético

Un campo magnético es una región del espacio donde se manifiestan fuerzas magnéticas. Es generado por imanes permanentes o por corrientes eléctricas en movimiento. Se describe matemáticamente como un campo vectorial, asignando a cada punto del espacio un vector (vector de inducción magnética B o vector de campo magnético H) que caracteriza la fuerza magnética ejercida sobre cargas en movimiento o sobre dipolos magnéticos.

Principio de Funcionamiento del Transformador

El funcionamiento de un transformador se basa en el principio de inducción electromagnética (Ley de Faraday). Consiste fundamentalmente en dos bobinas (devanados) acopladas magnéticamente a través de un núcleo (generalmente de material ferromagnético):

1. Una corriente alterna aplicada al devanado primario crea un flujo magnético variable en el núcleo.
2. Este flujo magnético variable atraviesa el devanado secundario e induce en él una fuerza electromotriz (tensión) alterna, también variable.
3. La relación entre la tensión del primario y la del secundario es (idealmente) igual a la relación entre el número de espiras de sus respectivos devanados.

Acoplamiento Magnético y Pérdidas

La eficiencia de la transferencia de energía depende del acoplamiento magnético entre los devanados. Si parte del flujo magnético generado por el primario no atraviesa el secundario (flujo de dispersión), se producen pérdidas que reducen la tensión inducida y la eficiencia general del transformador. La posición relativa de las bobinas y la calidad del núcleo magnético son cruciales para minimizar estas pérdidas.