Fundamentos de Electricidad: Circuitos, Magnitudes y Ley de Ohm
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Conceptos Fundamentales de Electricidad
Conductores y Aislantes
Los conductores son materiales que permiten el movimiento de cargas eléctricas, por ejemplo, los metales. Los aislantes son materiales que no permiten el movimiento de cargas eléctricas, por ejemplo, plástico o madera.
Funcionamiento de una Pila
Las pilas básicamente consisten en dos electrodos metálicos sumergidos en un líquido, sólido o pasta que se llama electrolito. El electrolito es un conductor de iones.
Cuando los electrodos reaccionan con el electrolito, en uno de los electrodos (el ánodo) se producen electrones (oxidación), y en el otro (cátodo) se produce un defecto de electrones (reducción). Cuando los electrones sobrantes del ánodo pasan al cátodo a través de un conductor externo a la pila, se produce una corriente eléctrica. Como puede verse, en el fondo, se trata de una reacción de oxidación y otra de reducción que se producen simultáneamente.
Corriente Eléctrica
La corriente eléctrica consiste en un conjunto de cargas eléctricas que se mueven de forma ordenada.
Tipos de Circuitos Eléctricos
Circuitos en Serie
En los circuitos en serie, los elementos se colocan uno tras otro, como las pilas B1 y B1, la resistencia R y el motor M.
Circuitos en Paralelo
En los circuitos en paralelo, los elementos se colocan en ramas que parten de un punto del circuito y se reúnen en otro punto del mismo. Por ejemplo, la resistencia R2 y R3 están en paralelo.
Resistencias Conectadas
Resistencias en Serie
El valor de la resistencia equivalente (Req) a varias resistencias colocadas en serie que debemos emplear en la Ley de Ohm es:
Req = R1 + R2 + ... + Rn
Para un circuito con varias resistencias conectadas en serie:
- Intensidad: Es la misma para todos los elementos que están en serie.
- Diferencia de Potencial: La energía total se va gastando en cada uno de los elementos:
∆VT = ∆V1 + ∆V2 + ... + ∆Vn. - Resistencia: La resistencia total o resistencia equivalente es la suma de las resistencias en serie:
Req = R1 + R2 + ... + Rn.
Resistencias en Paralelo
El valor de la resistencia equivalente a las resistencias colocadas en paralelo que debemos emplear en la Ley de Ohm es:
1/Req = 1/R1 + 1/R2 + ... + 1/Rn
Para un circuito en paralelo:
- Intensidad: La intensidad total que llega a la derivación se divide en las distintas ramas:
I = I1 + I2 + ... + In. - Diferencia de Potencial: El voltaje es el mismo en cada una de las ramas:
∆V1 = ∆V2 = ... = ∆Vt. - Resistencia: La inversa de la resistencia equivalente a las resistencias que están en paralelo es igual a la suma de las inversas de cada una de ellas:
1/Req = 1/R1 + 1/R2 + ... + 1/Rn.
Resistencias Agrupadas de Forma Mixta
Lo más habitual es que en un circuito real tengamos varias resistencias agrupadas de forma mixta; es decir, unas en serie y otras en paralelo. En cada caso, tendremos que ir simplificando el circuito poco a poco.
Magnitudes Eléctricas Fundamentales
En un circuito eléctrico nos interesa conocer algunas magnitudes: la intensidad de corriente que pasa por cada elemento y la diferencia de potencial o tensión que se produce en él. Estas magnitudes están relacionadas con la oposición o resistencia de los elementos del circuito.
Intensidad de Corriente
Se denomina intensidad de corriente eléctrica (I) a la carga que atraviesa una sección del conductor en la unidad de tiempo:
I = Q/t
En el SI, la intensidad se mide en amperios (A): 1A = 1C/1s.
Diferencia de Potencial (Voltaje)
Se llama diferencia de potencial o voltaje entre dos puntos A y B de un circuito a la energía que gana o pierde la unidad de carga cuando pasa de un punto al otro (de A a B).
En el SI, la diferencia de potencial o voltaje se mide en voltios (V).
Resistencia Eléctrica
La resistencia R de un conductor es la oposición que ofrece al paso de la corriente:
R = ρ · (L/S)
Donde:
- R: Resistencia del conductor, se mide en ohmios (Ω) en el SI.
- ρ (rho): Resistividad, es una característica del material de que está hecho el conductor, se mide en (Ω·m).
- L: Longitud del conductor, se mide en metros (m) en el SI.
- S: Sección del conductor, se mide en metros cuadrados (m²) en el SI.
Ley de Ohm
Para un elemento de un circuito (por ejemplo, una bombilla), la relación entre la diferencia de potencial y la intensidad de corriente que lo atraviesa es siempre constante. El valor de ese cociente constante coincide con el valor numérico de la resistencia de la bombilla.
Esta relación fue establecida por el físico alemán George Simon Ohm y en su honor se conoce como Ley de Ohm:
La diferencia de potencial entre los extremos de un elemento que está en un circuito es igual a la intensidad que lo atraviesa multiplicada por su resistencia:
∆V = I · R
Un voltio es la diferencia de potencial que se produce entre los extremos de un elemento que tiene una resistencia de 1Ω cuando lo atraviesa una corriente de 1A (amperio).