Fundamentos de Electricidad: Conceptos, Circuitos y Leyes Esenciales
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Conceptos Fundamentales de Electricidad
Definiciones Clave
Ley de Coulomb
La fuerza de atracción o repulsión entre dos cuerpos cargados es directamente proporcional al producto de sus cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa.
Corriente Eléctrica
Desplazamiento de cargas eléctricas de forma continua. Para que esto ocurra, se necesita un circuito eléctrico.
Circuito Eléctrico
Conjunto de elementos conectados entre sí de manera que permitan la circulación de la corriente eléctrica.
Componentes de un Circuito Eléctrico
Generador
Dispositivo que transforma cualquier forma de energía en energía eléctrica.
Receptor
Componente que recibe energía eléctrica y la transforma en otra forma de energía (por ejemplo, motor, lámpara, resistencia...).
Conductor
Material que permite el paso de la corriente eléctrica (ej. cables).
- Semiconductores: Materiales que conducen energía en determinadas ocasiones.
- Aislantes (No Conductores): Materiales que no permiten el paso de la corriente eléctrica.
Elementos de Control
Dispositivos que ayudan a manejar el circuito (ej. interruptor, pulsador, contactos NA/NC, conmutador, llave de cruce).
Elementos de Seguridad
Componentes que protegen el circuito de sobrecargas (ej. fusibles, disyuntores).
Magnitudes Eléctricas Fundamentales
Intensidad de Corriente (I)
La cantidad de carga eléctrica que atraviesa una sección del conductor en la unidad de tiempo. Se mide en Amperios (A).
Sentido de la Corriente
Convencionalmente, se considera que la corriente fluye del polo positivo al negativo. Sin embargo, el movimiento real de los electrones es en sentido contrario.
Diferencia de Potencial (Voltaje o Tensión Eléctrica) (V)
Es el trabajo necesario para transportar la unidad de carga eléctrica de un punto a otro en un circuito. Se mide en Voltios (V).
Resistencia Eléctrica (R)
Es la magnitud que indica la mayor o menor dificultad que un material presenta al paso de la corriente eléctrica. Se mide en Ohmios (Ω).
Energía Eléctrica (E)
La energía suministrada por el generador provoca una diferencia de potencial entre sus bornes, lo que produce el desplazamiento de las cargas eléctricas a lo largo del circuito. Esta energía se puede transformar en otras formas (ej. mecánica, luminosa, química). Se mide en Julios (J) o kilovatios-hora (kWh).
Efecto Joule
Fenómeno por el cual la energía eléctrica se transforma en calor cuando la corriente eléctrica atraviesa un conductor.
Densidad de Corriente (J)
Es la relación entre la intensidad de corriente que circula por un conductor y su sección geométrica. Se mide en Amperios por metro cuadrado (A/m²).
Nota: Si no se respetan los niveles de tensión adecuados, pueden producirse sobrecalentamientos por efecto Joule y daños (incluso incendios).
Potencia Eléctrica (P)
Es la energía consumida por un receptor eléctrico en la unidad de tiempo. Se mide en Vatios (W).
Tipos de Circuitos Eléctricos
Circuito en Serie
Dos o más elementos de un circuito están conectados en serie cuando el final de cada uno se une al principio del siguiente.
- La intensidad de corriente es la misma en todos los elementos del circuito.
- La diferencia de potencial total entre los extremos es la suma de las tensiones de cada elemento.
Circuito en Paralelo
Dos o más elementos de un circuito están conectados en paralelo cuando todos sus orígenes están conectados a un punto, y todos sus finales a otro.
- La intensidad de corriente total es la suma de las intensidades parciales de cada rama.
- La diferencia de potencial es igual en todos los elementos, ya que están conectados a los mismos puntos.
Circuito Mixto
Un circuito mixto combina elementos conectados tanto en serie como en paralelo.
Leyes y Teoremas Fundamentales de Circuitos
Leyes de Kirchhoff
Definiciones Previas
- Nudo: Punto de un circuito en el que se unen tres o más conductores.
- Rama: Parte del circuito unida por dos nudos.
- Malla: Recorrido cerrado dentro de un circuito.
Principios de las Leyes de Kirchhoff
- Ley de Nodos (Primera Ley de Kirchhoff): La suma algebraica de las corrientes que entran o salen de un nodo es igual a cero (ΣI = 0).
- Ley de Mallas (Segunda Ley de Kirchhoff): La suma algebraica de todas las caídas de tensión en una malla cerrada es igual a la suma algebraica de todas las tensiones aplicadas en esa misma malla (ΣV = 0).
Teorema de Thévenin
El Teorema de Thévenin establece que cualquier parte de un circuito eléctrico lineal (formado por fuentes de alimentación y resistencias) puede ser reemplazado por un circuito equivalente que consta de una única fuente de tensión (VTh) en serie con una única resistencia (RTh).
Esto significa que, si una resistencia de carga (RL) está conectada entre dos puntos A y B de un circuito original, al reemplazar el resto del circuito por su equivalente de Thévenin, la corriente que circula por RL y la tensión en sus extremos serán las mismas.
Cálculo de la Tensión de Thévenin (VTh)
El valor de la fuente de tensión del circuito equivalente se denomina Tensión de Thévenin (VTh). Se obtiene calculando la tensión entre los puntos A y B del circuito original, como si fuera un circuito abierto (es decir, sin la resistencia de carga RL conectada).
Cálculo de la Resistencia de Thévenin (RTh)
La Resistencia de Thévenin (RTh) se calcula como la resistencia equivalente vista entre los puntos A y B del circuito original (sin la resistencia de carga RL), pero poniendo en cortocircuito todas las fuentes de tensión y abriendo todas las fuentes de corriente.