Conceptos Fundamentales de la Electricidad

La corriente eléctrica es el flujo ordenado de electrones que viaja a través de un material conductor cuando este se conecta a una pila, una batería o cualquier otro tipo de generador eléctrico. Los electrones, que tienen carga negativa, se mueven hacia el polo positivo del generador. En su desplazamiento, los electrones transportan energía eléctrica que, al atravesar ciertos dispositivos, se podrá transformar en otro tipo de energía: lumínica, calorífica, cinética, etc., según convenga en cada ocasión.

Un circuito eléctrico es un conjunto de elementos conectados entre sí para formar un camino cerrado por el que circulan los electrones. En todo circuito debe haber, al menos, un generador, un conductor y un aparato receptor; con frecuencia, habrá también ciertos elementos de control y protección.

Componentes Esenciales de un Circuito Eléctrico

• Receptores

  Reciben la corriente eléctrica y transforman la energía que transportan los electrones en otro tipo de energía. Algunos receptores son, por ejemplo, las lámparas, las resistencias o los motores.

• Generadores

  Generan la corriente eléctrica al aportar la energía necesaria a los electrones para que circulen de manera ordenada. Las pilas, las baterías y los alternadores son ejemplos de generadores.

• Conductores

  Conectan entre sí los diferentes elementos del circuito eléctrico, haciendo posible el desplazamiento de los electrones a través de este.

• Elementos de Protección

  Protegen a las personas y los distintos dispositivos en caso de producirse un mal funcionamiento del circuito. Los fusibles e interruptores diferenciales son elementos de protección.

• Elementos de Control o Maniobra

  Controlan el flujo de la corriente eléctrica en el circuito: permiten o impiden su paso (interruptor y pulsador), o la dirigen hacia ciertos puntos (conmutador).

Magnitudes Eléctricas Fundamentales

• Voltaje (V)

  Energía que proporciona el generador a cada unidad de carga. También recibe el nombre de tensión o diferencia de potencial cuando se refiere a la energía necesaria para mover las cargas de un punto a otro del circuito. Su unidad en el SI es el voltio (V), y se mide con un voltímetro.

• Intensidad (I)

  Cantidad de carga eléctrica, Q, que atraviesa la sección de un conductor en un tiempo t: I = Q/t. Su unidad en el SI es el amperio (A), aunque se emplea mucho el miliamperio: 1 mA = 0,001 A. Se mide con un amperímetro.

• Resistencia (R)

  Es la oposición que presenta un material o componente de un circuito a ser atravesado por la corriente eléctrica. Su unidad en el SI es el ohmio (Ω). Se mide con un ohmímetro.

• Carga Eléctrica (Q)

  Número de electrones que circulan por el circuito. Su unidad en el SI es el culombio (C): 1 C = 6,24 • 10¹⁸ electrones.

La Ley de Ohm: Principios y Fórmulas

Georg Simon Ohm (1789-1854) comprobó de forma experimental que la intensidad, I, que circula por un circuito es directamente proporcional al voltaje aplicado, V, e inversamente proporcional a la resistencia, R. A mayor voltaje, mayor intensidad; y a mayor resistencia, menor intensidad.

Las fórmulas de la Ley de Ohm son:

• V = I × R (Voltaje = Intensidad × Resistencia)
• I = V / R (Intensidad = Voltaje / Resistencia)
• R = V / I (Resistencia = Voltaje / Intensidad)

Clasificación de Circuitos Eléctricos

• Circuito en Serie

  Los receptores se conectan uno a continuación del otro, por lo que estos son atravesados por la misma intensidad de corriente, I:

  • I = I₁ = I₂ = I₃
  • La energía del generador se va consumiendo al atravesar los receptores, de modo que el voltaje, V, aportado por aquel es igual a la suma de los voltajes consumidos por estos (caída de tensión): V = V₁ + V₂ + V₃
  • La resistencia total o equivalente, R, es la suma de las resistencias de los receptores: R = R₁ + R₂ + R₃

• Circuito en Paralelo

  Los receptores se conectan directamente al generador, por lo que estos son alimentados por el mismo voltaje, V:

  • V = V₁ = V₂ = V₃
  • La intensidad de corriente total, I, que sale del generador se reparte al llegar al nodo o punto de bifurcación del circuito, así que esta es la suma de las intensidades registradas en cada uno de los caminos: I = I₁ + I₂ + I₃
  • Por ello, la resistencia total o equivalente, R, se halla de la siguiente manera: 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + 1/R₃

• Circuito Mixto

  Combina conexiones en serie y en paralelo; por ejemplo, para el circuito del dibujo (asumiendo una configuración específica):

  • El voltaje es igual en ambas ramas (en paralelo), y el de la rama superior es suma del de los dos receptores (en serie): V = V₁₂ = V₁ + V₂ = V₃
  • La intensidad total es suma de las que recorren ambas ramas (en paralelo): I = I₁₂ + I₃
  • La resistencia de la rama superior es suma de las de sus dos receptores (en serie): R₁₂ = R₁ + R₂
  • La resistencia equivalente de ambas ramas (en paralelo) es: 1/R = 1/R₁₂ + 1/R₃

Componentes Electrónicos Clave

Las resistencias se oponen al paso de la corriente y transforman la energía eléctrica en calor. Una resistencia eléctrica está formada por una cápsula con determinada cantidad de grafito pulverizado en su interior y dos terminales que se conectan al circuito. Las bandas de colores impresas nos indican el valor de la resistencia.

Resistencias Fijas y Variables

Las resistencias son componentes que se oponen al paso de la corriente. Si el valor de la resistencia no varía, se trata de una resistencia fija; si, en cambio, su valor se puede alterar, se trata de una resistencia variable. Fíjate en las características de cada una de ellas:

• Resistencia Fija: Su valor se indica con bandas de color.
• Resistencias Variables:
  • Potenciómetro: Un cursor permite variar su valor entre cero y un máximo que está indicado en el componente.
  • Fotorresistencia (LDR): La resistencia aumenta a medida que disminuye la intensidad de la luz.
  • Termorresistencia (NTC/PTC): La resistencia aumenta o disminuye a medida que aumenta la temperatura.

Diodos

Un diodo es un componente electrónico que controla el paso de la corriente. Está compuesto por una pieza de cristal semiconductor con dos terminales eléctricos. Permite el paso de la corriente en un sentido y lo bloquea en el sentido opuesto. Un diodo emisor de luz (LED) es un tipo especial que emite luz si está conectado en polarización directa con un pequeño voltaje.

Condensadores y Temporizadores

Un circuito temporizador controla el apagado automático de un componente, como una luz, un tiempo después de haberlo puesto en marcha con un interruptor o un pulsador.

La capacidad en faradios (F) indica la carga en culombios (C) que el condensador es capaz de almacenar al aplicarle cierto voltaje. Hay condensadores polarizados que deben conectarse al generador respetando su polaridad, y no polarizados.

Medición de Magnitudes Eléctricas con Multímetro

El multímetro/polímetro nos permite medir magnitudes eléctricas.

Rueda Selectora

Escoge la magnitud que quieres medir de acuerdo con el máximo valor que esta alcance.

Voltaje (en alterna y continua)

Para medir el voltaje entre dos puntos del circuito, ajusta el aparato como voltímetro y conéctalo en paralelo, fuera del circuito.

Intensidad

Para medir la intensidad en un punto del circuito, ajusta el multímetro como amperímetro y conéctalo en serie, dentro del circuito.

Resistencia

Para medir la resistencia de un componente, ajusta el multímetro como ohmímetro y conéctalo al componente aislado del circuito.

Conexión de Sondas

• El cable (sonda) negro se conecta al terminal COM.
• El cable (sonda) rojo se conecta al terminal «VΩmA» o al «10 A» si la corriente es elevada.

Energía y Potencia Eléctrica

El voltaje, la tensión o diferencia de potencial entre dos puntos, aporta la energía eléctrica que necesitan los electrones para moverse de manera ordenada y establecer una corriente eléctrica a través de un circuito. Dicha energía es generada por pilas, baterías o alternadores y, transportada por los electrones, se consume después en los distintos receptores, que la transforman en otro tipo de energía útil: lumínica, térmica, mecánica, etc.

La energía eléctrica, E (en julios, J), consumida por un receptor es directamente proporcional al voltaje, V (en voltios, V), e intensidad de corriente, I (en amperios, A), con que funcione, así como al tiempo, t (en segundos, s), que esté en marcha:

E = V • I • t

La potencia eléctrica, P (en vatios, W), de un receptor es la energía que este consume al funcionar durante un determinado tiempo: P = E/t.

Según la expresión para la energía, tenemos entonces que: P = V • I.

Es una característica de cada dispositivo, de forma que cuanto mayor sea su valor, más energía eléctrica consumirá en cierto tiempo, o bien menos tardará en transformarla en otro tipo de energía útil.

Generación y Tipos de Corriente Eléctrica

La corriente eléctrica que producimos puede ser de dos tipos: corriente continua (DC, Direct Current) y corriente alterna (AC, Alternating Current).

Tipos de Corriente

• Corriente Continua (DC)

  Los electrones están sometidos a un voltaje constante y se mueven siempre en un mismo sentido.

• Corriente Alterna (AC)

  Los electrones están sometidos a un voltaje oscilante y cambian de manera periódica el sentido de su movimiento.

Métodos de Generación

En la actualidad, tenemos tres maneras principales de generar una corriente eléctrica. Fíjate en qué consiste cada una de ellas:

1. Pilas y Baterías

   • Generan corriente continua a partir de la energía química almacenada en ciertos reactivos.
   • Al contrario que una pila, la batería se puede recargar.
   • Generan pequeñas corrientes continuas para dispositivos electrónicos y vehículos.

2. Dinamos y Alternadores

   • Gracias a la inducción electromagnética, producen electricidad a partir de la energía mecánica.
   • Una dinamo genera corriente continua; sus usos son similares a los de una pila o una batería.
   • Un alternador genera corriente alterna, por lo común a gran escala, para uso industrial y doméstico.

3. Células Fotovoltaicas

   • Gracias al efecto fotoeléctrico, las células fotovoltaicas generan corriente continua a partir de la energía solar.
   • Pueden alimentar pequeños dispositivos electrónicos.
   • También producen electricidad a mayor escala, en viviendas o en huertos solares.

Tipos de Centrales Eléctricas

• Central Térmica

  • Quema combustibles fósiles para producir vapor de agua que hace girar los álabes de una turbina unida al eje de un alternador.
  • El combustible puede ser carbón, gas natural o biomasa, según se trate de una instalación convencional, de ciclo combinado o renovable, respectivamente.
  • Emiten dióxido de carbono y otros gases contaminantes, como óxidos de azufre y nitrógeno.

• Central Nuclear

  • El calor que se desprende en las reacciones nucleares genera vapor de agua que mueve la turbina.
  • No emite gases contaminantes, pero genera residuos radiactivos de larga duración.

• Central Solar

  • Fotovoltaica: Los paneles solares transforman la luz del sol en electricidad.
  • Termosolar: Unos espejos concentran los rayos solares para generar vapor de agua. Es una energía renovable y no contaminante.

• Central Eólica

  • El viento hace girar las aspas de un aerogenerador (turbina).
  • Aprovecha una energía renovable no contaminante, pero con un alto impacto sobre el paisaje y las aves.

• Central Hidroeléctrica

  • Aprovecha el salto del agua embalsada por la presa para mover una turbina.
  • Es una energía renovable y no contaminante, pero su infraestructura tiene un alto impacto medioambiental.

• Central Geotérmica

  • Emplea el calor interno de la Tierra para producir el vapor de agua que mueve la turbina.
  • Es una energía renovable con muy bajas emisiones.

• Central Marina

  • Aprovecha el movimiento de las olas, mareas y corrientes para generar electricidad.
  • Los mares y océanos son una gran reserva de energía: renovable, ubicua y predecible.

Transporte y Distribución de la Energía Eléctrica

La electricidad no se puede almacenar en grandes cantidades y debe llevarse por cables desde las centrales eléctricas hasta los hogares y las industrias. Por el camino se producen pérdidas de energía en forma de calor debido al efecto Joule, mayores cuanto más grande es la intensidad.

Para mantener la potencia, P, y minimizar las pérdidas durante el transporte, se reduce la intensidad, I, elevando el voltaje, V, dado que P = I • V.

1. La tensión se eleva en estaciones transformadoras, de las que parten líneas de alta tensión, de hasta 400 000 V.
2. Una red de distribución lleva la electricidad hasta las viviendas y las fábricas.
3. En los núcleos industriales y urbanos, otras estaciones reducen la tensión.

Entendiendo la Factura de Electricidad

Todos los meses la empresa comercializadora de la electricidad envía a tu casa una factura detallada del consumo de energía eléctrica de tu hogar. La factura incluye mucha información: datos de la empresa comercializadora, datos del cliente, características del contrato, período de facturación, gráficos acerca del consumo eléctrico, reparto de los conceptos que pagamos, resumen de la factura, etc. Estudia a continuación el desglose de la factura:

1. Potencia Contratada

   • Es un término fijo que no depende del consumo realizado y, por tanto, es el mismo en todas las facturas.
   • Engloba la potencia contratada, los peajes de transporte y otros cargos.
   • Se pueden contratar dos potencias máximas con diferente coste (según sea hora punta o valle).
   • La potencia condiciona cuántos aparatos se pueden conectar al mismo tiempo; por ejemplo, con 3,45 kW (3450 W) de potencia máxima contratada, puede que el ICP (interruptor de control de potencia) corte la corriente al funcionar la lavadora (~2000 W), el horno (~1000 W) y un secador (~600 W).

2. Energía Consumida

   • Es un término variable que refleja el coste del consumo eléctrico (en kilovatios hora, kWh).
   • Está dividido en tres tramos horarios con coste diferente (punta, llano y valle).
   • Por ejemplo, un horno (~1000 W) durante 30 min a las 20 h (punta) cuesta: = 0,067 €.

3. Impuestos y Alquiler

   • El impuesto de electricidad se aplica a la cantidad que se paga por la potencia y el consumo.
   • El alquiler mensual del contador se paga por disponer de un instrumento que mide el consumo eléctrico.
   • El IVA (Impuesto sobre el Valor Añadido) se paga sobre el importe total de la factura.

Yenka: Simulador de Circuitos Eléctricos

Yenka es un sencillo simulador diseñado para crear circuitos eléctricos con gran variedad de componentes. Comienza por instalarlo en tu equipo y ver qué puedes hacer con él.

Instalación y Uso

1. Descarga

   Accede a su página oficial, descarga el instalador adecuado para tu sistema operativo. Se halla disponible para Windows y para Mac.

2. Instalación

   Una vez descargado en tu equipo, inicia la instalación y acepta las condiciones de uso. Al finalizar, dispones de tres tipos de licencia: 15 días de prueba, para uso en la escuela (de pago) o desde casa (gratuita).

3. Ejecución

   Ejecuta el programa, entra en ‘Technology Electronics’ y haz clic en ‘Nuevo’ en ‘Basic Components’. Dispones de varias carpetas de opciones para la simulación de los circuitos.