Conceptos Fundamentales de Redes Eléctricas

Redes Eléctricas

Son circuitos eléctricos formados por resistencias en serie o derivación, generadores, motores, entre otros componentes.

Nudo o Nodo

Es el punto de la red donde concurren tres o más conductores.

Rama o Ramal

Es la parte de la red por la que circula la misma intensidad de corriente.

Malla

Es todo circuito cerrado, es decir, que empieza y termina en el mismo nudo.

Leyes de Kirchhoff: Principios para la Resolución de Circuitos

Son dos leyes fundamentales utilizadas para la resolución de redes eléctricas complejas: la Ley de los Nudos y la Ley de las Mallas.

Primera Ley o Ley de Nodos (Ley de Corrientes de Kirchhoff – LCK)

Si asignamos signo positivo a las corrientes que llegan a un nodo y negativo a las que se alejan, la ley establece:

“En una red, la suma de las intensidades de corriente que llegan a un nodo es igual a la suma de las intensidades que salen de él.”

Este principio se basa en la conservación de la carga eléctrica y se expresa matemáticamente como:

ΣI_entrada = ΣI_salida

Segunda Ley o Ley de Mallas (Ley de Tensiones de Kirchhoff – LVK)

Esta ley postula:

“La suma algebraica de los productos IR (caídas de tensión) que pasan por una malla cerrada es igual a la suma algebraica de las fuerzas electromotrices (FEM) presentes en esa malla.”

Este principio se fundamenta en la conservación de la energía y se expresa matemáticamente como:

ΣV = ΣFEM o ΣIR = ΣFEM

Convenios para Aplicar las Leyes de Kirchhoff

Para la resolución algebraica de problemas de redes eléctricas, se aplican los siguientes convenios:

1. Mediante flechas y de forma arbitraria, se señala el sentido de la corriente en cada ramal, teniendo en cuenta que en un nudo no pueden entrar todas las intensidades ni tampoco salir todas ellas.
2. Mediante flechas, se fija arbitrariamente el sentido de las fuerzas electromotrices de los generadores que pertenecen a la red.
3. Mediante flechas, se fija arbitrariamente el sentido de recorrido de cada malla (en el sentido de las agujas del reloj o en sentido contrario).

Estos convenios son cruciales para la correcta aplicación de las leyes:

• El sentido de recorrido de la malla se considera como referencia positiva.
• La intensidad de corriente que tiene el mismo sentido que el recorrido de la malla se considera positiva; en caso contrario, negativa.
• Cuando el sentido de la fuerza electromotriz de un generador coincide con el sentido de recorrido de la malla, se considera positiva; en caso contrario, se considera negativa.

Electromagnetismo: Interacción entre Electricidad y Magnetismo

¿Qué es el Electromagnetismo?

Es la rama de la física que estudia los efectos y las interacciones entre las corrientes eléctricas y los campos magnéticos. Es una teoría de campos, lo que significa que sus explicaciones y predicciones se basan en magnitudes físicas vectoriales o tensoriales que dependen de la posición en el espacio y del tiempo.

El electromagnetismo describe los fenómenos físicos macroscópicos en los cuales intervienen cargas eléctricas en reposo y en movimiento, utilizando para ello los conceptos de campos eléctricos y magnéticos.

Experiencia de Oersted y el Efecto Magnético de la Corriente

En 1820, Hans Christian Ørsted realizó un experimento clave:

Sobre una aguja magnética, orientada en el campo magnético terrestre, se dispuso paralelamente un conductor rectilíneo. Al hacer pasar una corriente eléctrica por el conductor, se observó que la aguja magnética giraba, formando un ángulo con el conductor.

Efecto de Oersted

Este experimento demostró que toda corriente eléctrica crea a su alrededor un campo magnético.

Forma del Campo Magnético Creado por una Corriente Eléctrica

El campo magnético creado por una corriente rectilínea está formado por líneas circulares concéntricas con el conductor. Su sentido se determina aplicando la Regla del Pulgar de la Mano Derecha.

Regla del Pulgar de la Mano Derecha

Esta regla se utiliza para determinar el sentido del campo magnético circular que se forma alrededor de una corriente rectilínea. Los pasos son los siguientes:

1. Primero, se determina el sentido de la corriente, que por convenio es el sentido del movimiento de las cargas positivas.
2. Luego, se «agarra» el conductor con la mano derecha, de tal manera que el dedo pulgar indique el sentido de la corriente.
3. La curvatura de los demás dedos indica el sentido de las líneas del campo magnético creado por el conductor.

Fuerza Magnética y Movimiento de Partículas Cargadas

Fuerza que Ejerce un Campo Magnético sobre una Carga en Movimiento

Cuando una carga q se mueve con una velocidad v constante en presencia de un campo magnético B, actúa sobre ella una fuerza magnética F_m. Esta fuerza es perpendicular tanto a la velocidad de la carga como al campo magnético.

Regla de la Palma de la Mano Derecha

Esta regla se utiliza para determinar el sentido de la fuerza que actúa sobre una carga eléctrica positiva que se mueve en un campo magnético. Se explica de la siguiente manera:

1. Extienda la mano derecha de manera que el dedo pulgar forme un ángulo de 90° con los otros dedos.
2. Coloque la mano extendida haciendo coincidir los dedos (excepto el pulgar) con el sentido del campo magnético B y el dedo pulgar con el sentido de la velocidad v de la carga.
3. La recta perpendicular a la palma de la mano y que «sale» de ella indica el sentido de la fuerza magnética F_m.

Unidades del Campo Magnético y Equivalencia

Para determinar las unidades del campo magnético (B), se despeja B de la fórmula de la fuerza magnética (F_m = qvBsenθ). La unidad del campo magnético en el Sistema Internacional es el Tesla (T).

Movimiento de una Partícula Cargada en un Campo Magnético

Cuando una partícula cargada penetra perpendicularmente a un campo magnético uniforme, su trayectoria es una circunferencia. Esto se debe a que la fuerza magnética que actúa sobre ella es una fuerza deflectora, siempre perpendicular al vector velocidad, lo que provoca un movimiento circular uniforme.