Principios Fundamentales de Electricidad: Cargas, Campos, Corrientes y Circuitos

Fundamentos de Electrostática

Carga Eléctrica (q)

La carga eléctrica es una propiedad fundamental de la materia que se puede medir. Es una magnitud escalar. Su unidad en el Sistema Internacional es el Culombio (C). La unidad más pequeña de carga existente en la naturaleza de forma aislada es la carga elemental (e), que corresponde a la magnitud de la carga del electrón (aproximadamente 1.602 x 10^-19 C).

La carga eléctrica está cuantificada, lo que significa que cualquier carga observable (q) es siempre un múltiplo entero de la carga elemental (e): q = n ⋅ e, donde 'n' es un número entero (positivo o negativo).

Ley de Coulomb

La fuerza eléctrica (F) entre dos cargas puntuales (q₁ y q₂) es directamente proporcional al producto de sus cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia (r) que las separa. La dirección de la fuerza está a lo largo de la línea que une las cargas.

Matemáticamente se expresa como: F = k ⋅ |q₁ ⋅ q₂| / r²

Donde k es la constante de proporcionalidad electrostática, cuyo valor depende del medio en el que se encuentren las cargas. En el vacío, k ≈ 9 x 10⁹ N⋅m²/C².

Principio de Superposición

Si una carga eléctrica está sometida a la acción de varias otras cargas a la vez, la fuerza resultante sobre dicha carga es la suma vectorial de las fuerzas que cada una de las otras cargas ejercería individualmente sobre ella, como si las demás no estuvieran presentes.

Campo Eléctrico (E)

El campo eléctrico es una región del espacio que se ve modificada por la presencia de una o más cargas eléctricas. Si se introduce otra carga (llamada carga de prueba) en esta región, experimentará una fuerza eléctrica (de atracción o repulsión) debido al campo.

Intensidad de Campo Eléctrico (E)

La intensidad del campo eléctrico en un punto del espacio se define como la fuerza eléctrica (F) que actuaría sobre una unidad de carga positiva (q₀) colocada en ese punto: E = F / q₀.

Se mide en Newton por Culombio (N/C) en el Sistema Internacional. Es una magnitud vectorial, con la misma dirección y sentido que la fuerza sobre una carga de prueba positiva.

La intensidad del campo eléctrico es una propiedad intrínseca del campo (creado por las cargas fuente) y del punto considerado, independientemente de la presencia de la carga de prueba. Representa la "fuerza" del campo en ese punto.

Líneas de Campo Eléctrico

Las líneas de campo eléctrico (o líneas de fuerza) son una representación gráfica del campo eléctrico. Son líneas imaginarias tales que:

• La tangente a una línea de campo en cualquier punto indica la dirección del vector intensidad de campo eléctrico (E) en ese punto.
• Las líneas nacen en las cargas positivas (fuentes) y terminan en las cargas negativas (sumideros), o se extienden hasta el infinito.
• El número de líneas por unidad de área perpendicular a ellas es proporcional a la magnitud del campo eléctrico. Cuanto más próximas estén las líneas, más intenso es el campo.
• Las líneas de campo nunca se cruzan.

Campo Eléctrico Uniforme

Un campo eléctrico uniforme es aquel en el que el vector intensidad de campo eléctrico (E) tiene el mismo valor numérico (módulo), la misma dirección y el mismo sentido en todos los puntos de una determinada región del espacio. Sus líneas de campo son paralelas, rectas y equidistantes.

Energía Potencial Eléctrica (U_E o E_p)

La energía potencial eléctrica es la capacidad que tiene una carga eléctrica de realizar trabajo debido a su posición dentro de un campo eléctrico. Se mide en Julios (J) en el Sistema Internacional.

El trabajo (W) realizado por el campo eléctrico para mover una carga desde una posición inicial a una final es igual a la disminución de su energía potencial eléctrica: W_campo = -ΔU_E = U_E,inicial - U_E,final.

El trabajo realizado por una fuerza externa para mover la carga en contra del campo (sin aceleración) es igual al aumento de la energía potencial eléctrica: W_externo = ΔU_E.

El trabajo realizado por el campo eléctrico es conservativo, es decir, solo depende de la posición inicial y final de la carga, y no del camino seguido.

Potencial Eléctrico (V)

El potencial eléctrico en un punto de un campo eléctrico es la energía potencial eléctrica (U_E) por unidad de carga positiva (q) situada en ese punto: V = U_E / q.

Se mide en Voltios (V) en el Sistema Internacional (1 V = 1 J/C). Es una magnitud escalar.

Diferencia de Potencial (ΔV o V_AB)

La diferencia de potencial (d.d.p.) entre dos puntos A y B, también conocida como voltaje, es el trabajo (W_AB) que realiza el campo eléctrico para llevar la unidad de carga positiva desde el punto A hasta el punto B: ΔV = V_B - V_A = W_AB / q.

Si una fuerza externa mueve la carga, el trabajo realizado por esta fuerza es W_ext,AB = q ⋅ (V_B - V_A).

Se mide en Voltios (V).

Superficies Equipotenciales

Una superficie equipotencial es el lugar geométrico de todos los puntos del espacio donde el potencial eléctrico tiene el mismo valor. Características:

• El trabajo para mover una carga sobre una superficie equipotencial es nulo.
• Las líneas de campo eléctrico son siempre perpendiculares a las superficies equipotenciales en cada punto.
• Las superficies equipotenciales nunca se cruzan.

Corriente Eléctrica y Circuitos

Corriente Eléctrica

La corriente eléctrica es el flujo o movimiento ordenado de cargas eléctricas (generalmente electrones libres en los metales, o iones en disoluciones y gases) a través de un material conductor, debido a la aplicación de una diferencia de potencial.

Intensidad de Corriente Eléctrica (I)

La intensidad de corriente eléctrica es la cantidad de carga eléctrica (ΔQ) que atraviesa una sección transversal de un conductor en un intervalo de tiempo (Δt): I = ΔQ / Δt.

Su unidad en el Sistema Internacional es el Amperio (A) (1 A = 1 C/s).

Ley de Ohm

La Ley de Ohm establece que, para muchos materiales conductores (llamados óhmicos), la intensidad de corriente eléctrica (I) que atraviesa un conductor es directamente proporcional a la diferencia de potencial (V) aplicada entre sus extremos e inversamente proporcional a su resistencia eléctrica (R).

Matemáticamente: V = I ⋅ R o I = V / R

Donde R es la resistencia del conductor, medida en Ohmios (Ω).

Balance Energético en un Circuito (Principio de Conservación de la Energía)

En todo circuito eléctrico cerrado, se cumple el principio de conservación de la energía. Esto implica que la potencia total suministrada por los generadores (fuentes de energía como baterías o fuentes de alimentación) es igual a la potencia total consumida o disipada en el circuito (por resistencias en forma de calor, motores en forma de trabajo mecánico, etc.).

P_suministrada = P_consumida

Este principio es fundamental para el análisis de circuitos y a veces se le relaciona con una forma generalizada de entender el comportamiento energético, más allá de la simple Ley de Ohm para un resistor.

Generación y Distribución de Energía Eléctrica

Centrales Eléctricas

Las centrales eléctricas son instalaciones industriales destinadas a la producción de energía eléctrica a gran escala. Existen diversos tipos según la fuente de energía primaria que utilizan:

• Centrales Térmicas: Convierten la energía calorífica (obtenida de la combustión de combustibles fósiles como carbón, gas natural, petróleo, o de biomasa) en energía eléctrica.
• Centrales Hidroeléctricas: Aprovechan la energía potencial del agua embalsada o la cinética de corrientes de agua para mover turbinas.
• Centrales Nucleares: Utilizan la energía liberada en reacciones de fisión nuclear para generar calor, que luego se transforma en electricidad.
• Parques Eólicos: Convierten la energía cinética del viento en electricidad mediante aerogeneradores.
• Plantas Solares: Transforman la radiación solar en electricidad, ya sea mediante paneles fotovoltaicos (efecto fotovoltaico) o concentrando la energía solar para calentar un fluido (termosolar).

Un componente común en muchas centrales es la turbina (movida por vapor, agua, gas o viento), que hace girar un alternador (generador de corriente alterna), el cual convierte la energía mecánica de rotación en energía eléctrica. Se promueve el uso de fuentes de energía renovables (solar, eólica, hidráulica, geotérmica, biomasa) para una producción más sostenible.

Distribución de la Energía Eléctrica

La distribución de la energía eléctrica es el proceso mediante el cual la electricidad generada en las centrales se transporta y se entrega a los consumidores finales. Este sistema incluye:

• Red de Transporte: Compuesta por líneas de alta tensión que transmiten grandes cantidades de energía eléctrica a largas distancias, minimizando las pérdidas por efecto Joule (I²R).
• Líneas de Transporte: Los conductores físicos (cables aéreos o subterráneos) que llevan la electricidad.
• Subestaciones Eléctricas: Instalaciones que contienen transformadores para elevar el voltaje para el transporte y reducirlo para la distribución y el consumo final. También realizan funciones de maniobra y protección.

Aspectos importantes en la distribución de energía incluyen la gestión de los campos electromagnéticos generados por las líneas y equipos, y la implementación de medidas de protección medioambiental para minimizar el impacto de estas infraestructuras.

Conceptos Clave en Circuitos

Fuerza Electromotriz (FEM, ε)

La fuerza electromotriz (FEM) de un generador (como una pila, batería o alternador) es la energía que el generador suministra por unidad de carga eléctrica que lo atraviesa, para mantener la corriente en un circuito. ε = W_generador / q.

Se mide en Voltios (V) y es una característica propia de los generadores. No es una "fuerza" en el sentido mecánico, sino una medida del "impulso" que proporciona el generador a las cargas.

Fuerza Contraelectromotriz (FCEM, ε')

La fuerza contraelectromotriz (FCEM) es la energía consumida por unidad de carga en un receptor que transforma energía eléctrica en otra forma de energía útil (por ejemplo, trabajo mecánico en un motor eléctrico) o que se opone al flujo de corriente (como en la carga de una batería). ε' = W_{consumida_receptor} / q.

Se mide en Voltios (V) y es propia de los motores y otros dispositivos receptores. Actúa en sentido opuesto a la corriente que la produce o a la FEM del generador.

Capacidad Eléctrica y Conductores

Capacidad Eléctrica (C)

Cuando un conductor se carga con una cantidad de carga eléctrica (Q), adquiere un cierto potencial eléctrico (V) con respecto a un punto de referencia (usualmente el infinito o tierra). La capacidad eléctrica (C) de un conductor (o de un condensador) es la relación entre la carga almacenada (Q) y el potencial eléctrico (V) que adquiere debido a esa carga: C = Q / V.

La capacidad es una medida de la habilidad del conductor para almacenar carga eléctrica a un determinado potencial. Su unidad en el Sistema Internacional es el Faradio (F) (1 F = 1 C/V).

Conductores Eléctricos

Un conductor eléctrico es un material que permite el movimiento relativamente libre de cargas eléctricas (portadores de carga, como electrones en los metales) a través de él. Cuando un conductor es sometido a un campo eléctrico externo, o se le aplica una diferencia de potencial, las cargas libres se desplazan, originando una corriente eléctrica.

Cuando se carga un conductor aislado y en equilibrio electrostático:

• El campo eléctrico en su interior es nulo.
• La carga eléctrica se distribuye en su superficie.
• Todo el conductor se encuentra al mismo potencial eléctrico (es una superficie equipotencial).

Como se mencionó, al cargar un conductor, este adquiere un potencial directamente proporcional a la carga almacenada, siendo la constante de proporcionalidad su capacidad eléctrica.