CORRIENTE ELÉCTRICA CIRCUITOS ELÉCTRICOS DE CORRIENTE CONTÍNUA

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1 UNIDAD N 2 CORRIENTE ELÉCTRICA CIRCUITOS ELÉCTRICOS DE CORRIENTE CONTÍNUA CAMPO ELÉCTRICO Y DIFERENCIA DE POTENCIAL Para poder entender el concepto general de la corriente eléctrica diremos, en principio, que tiene su origen en las acumulaciones de carga eléctrica, los campos eléctricos que estas generan y las fuerzas involucradas para atraer o repeler a las cargas.- Recordemos que el campo eléctrico es una zona del espacio alrededor de una carga eléctrica (o una acumulación de carga), donde se manifestarán las fuerzas sobre cualquier carga secundaria que se coloque dentro de ese espacio. Como características principales citamos que un campo eléctrico abarca todo el espacio; que sus efectos de atracción o repulsión se manifiestan sobre partículas o cuerpos que presentan algún tipo de carga eléctrica; que la intensidad de estos efectos disminuyen con la distancia desde el origen del campo y que, precisamente, la cantidad de carga que origina el campo, le proporciona a este su intensidad.- Dijimos en el capítulo anterior que, se pueden establecer dos medidas sobre un campo eléctrico para dar cuenta de su intensidad y de lo que potencialmente puede provocar. La primera tiene que ver con la Intensidad del Campo Eléctrico, que es un vector que da cuenta de la fuerza que el campo provoca en un punto dado, por unidad de carga eléctrica positiva colocada en ese lugar: La segunda medida, más familiar y manejable ya que se trata de una magnitud escalar, es la del potencial eléctrico V, que también nos da una idea del campo eléctrico, pero ahora en términos energéticos. El potencial eléctrico en un punto del campo representa el trabajo que hay que realizar para mover una unidad de carga eléctrica, desde ese punto hacia otro de referencia (donde se toma el potencial como cero). Como su nombre lo indica, significa lo que potencialmente es capaz de hacer el campo con las cargas eléctricas, es decir moverlas de un punto a otro del espacio.- 1

2 Más útil aun que el potencial es el concepto de diferencia de potencial V, que representa el trabajo que se debe realizar para mover una carga unitaria entre dos puntos. Según la definición de diferencia de potencial, la fórmula que la representa será: La unidad en el SI para la diferencia de potencial, que se deduce de la ecuación anterior, es el Joule/Coulomb y se representa mediante una nueva unidad denominada volt: INFLUENCIA DE UN CAMPO ELÉCTRICO. AISLANTES Y CONDUCTORES Cuando dentro de un campo eléctrico se introduce un material aislante, el movimiento de los electrones dentro del aislante se verá alterado por efecto de la inducción eléctrica que el campo crea. Pero, aun así, los electrones no podrán separarse fácilmente de los núcleos de sus correspondientes átomos. Esta modificación en el movimiento de los electrones se la conoce como polarización del dieléctrico, que consiste en un desplazamiento de la nube electrónica de cada átomo, formando un dipolo eléctrico.- A nivel molecular, todo el material tiende a orientar sus dipolos según la influencia del campo externo. Este es el caso de un capacitor de placas plano paralelas en la que se ha introducido un dieléctrico: 2

3 En los materiales conductores, los electrones pertenecientes a las últimas órbitas de los átomos poseen tanta movilidad que fácilmente pueden ser atraídos por algún ion positivo cercano y abandonar su núcleo de origen. Como esta propiedad es característica de todos los átomos del conductor, la conclusión es la presencia de una nube de electrones libres que están en continuo movimiento, saltando de átomo en átomo y abarcando toda la red cristalina del material.- En sí, este movimiento de los electrones libres no constituye una corriente eléctrica, ya que debido a su aleatoriedad el desplazamiento neto de las cargas es nulo. En cambio, si se aplica un campo eléctrico al conductor, estos electrones adquieren lo que se denomina una velocidad de deriva o arrastre en dirección contraria al campo eléctrico, debido a las fuerzas eléctricas que experimentan.- EL MOVIMIENTO DE LOS ELECTRONES DENTRO DE UN CONDUCTOR Dicho de otra manera, si dentro de un campo eléctrico existen dos puntos (entre los cuales hay una diferencia de potencial) unidos por un conductor, entonces se producirá un movimiento neto de cargas eléctricas, generando así una corriente eléctrica. En este caso, como la diferencia de potencial es la que va a dar origen al movimiento de traslación de los electrones por el conductor (movimiento de deriva), se la suele denominar Fuerza Electromotriz FEM.- Hay que mencionar, también, que las sustancias que se consideran conductoras de la electricidad pueden ser sólidas (como los metales) o bien fluidos (líquidos o gases). Es importante destacar que en el caso de los conductores sólidos, sólo puede desplazarse la carga negativa, es decir los electrones. En los fluidos conductores, por su parte, la carga que puede desplazarse no sólo corresponde a electrones, sino que también pueden ser iones (átomos cargados). Un buen ejemplo 3

4 de conductores fluidos son los gases ionizados y las soluciones ácidas, alcalinas, etc.- Históricamente, la corriente eléctrica se definió como un flujo de cargas positivas y se fijó el sentido convencional de circulación de la corriente, como un flujo de cargas desde el polo positivo al negativo. Sin embargo, experiencias posteriores demostraron que en los metales los portadores de carga son negativos (electrones), los cuales fluyen en sentido contrario al convencional.- LA INTENSIDAD DE CORRIENTE ELÉCTRICA Y SU RELACIÓN CON LA CARGA Cuanto mayor sea la cantidad de carga eléctrica (negativa o positiva) que circule por un conductor, mayor será la intensidad de la corriente eléctrica. Este simple concepto que relaciona carga eléctrica con corriente eléctrica es el que permite definir una de las medidas más usuales en este campo de la física. Así se define la Intensidad de Corriente Eléctrica I como la Cantidad de Carga q que atraviesa la sección de un conductor en la unidad del tiempo t; es decir: En el Sistema Internacional, su unidad es el Ampere. Por lo tanto: 4

5 TIPO DE CORRIENTES ELÉCTRICAS Se denomina corriente continua o corriente directa (CC en español, DC en inglés) al flujo de cargas eléctricas cuyo sentido de circulación es siempre el mismo, independientemente de su valor absoluto. Esta corriente mantiene siempre fija su polaridad, y es la suministrada por las pilas, baterías, placas fotovoltaicas y dinamos.- Por el contrario, una corriente alterna (CA en español, AC en inglés) es una corriente que cambia periódicamente su magnitud y su sentido de circulación. La forma más común de variación de la corriente alterna, es la oscilación senoidal, y se utiliza en el transporte de energía eléctrica, puesto que se trata de la opción más económica para llevar la energía eléctrica a los puntos de consumo.- LA RESISTENCIA ELÉCTRICA Y LA LEY DE OHM Como su nombre lo indica, la Resistencia Eléctrica R hace referencia a la oposición que presentan los materiales al paso de la corriente eléctrica. En principio, y de una forma muy general, podemos resumir que los aislantes presentan una gran resistencia eléctrica, mientras que los conductores permiten la circulación de las cargas con relativa facilidad y, por lo tanto, tienen muy poca resistencia.- En el Sistema Internacional de Medidas, la unidad que se utiliza para medir la resistencia eléctrica de un determinado material es el Ohm, y se utiliza la letra griega 5

6 omega mayúscula Ω, como su símbolo representativo. Se define una resistencia de 1 Ω, como aquella resistencia eléctrica que existe entre dos puntos de un conductor, cuando una diferencia de potencial constante de 1 Volt, aplicada entre estos dos puntos, produce una corriente de intensidad de 1 Ampere.- Existe una relación de causa y efecto, entre la diferencia de potencial aplicada a un conductor y la intensidad de la corriente que produce; y esta relación está regulada por la resistencia eléctrica que presenta dicho conductor. Todo este concepto se resume en lo que se conoce como la Ley de Ohm, la cual expresa que La Intensidad de la Corriente Eléctrica que circula por un elemento conductor es directamente proporcional a la Diferencia de Potencial que se le aplica, e inversamente proporcional a su Resistencia Eléctrica ; es decir: con lo cual, la relación entre las unidades será: CONCEPTO DE CIRCUITO ELÉCTRICO. COMPONENTES. Se denomina circuito eléctrico al conjunto de elementos, conectados entre sí, que permiten generar, transportar y utilizar la energía eléctrica con la finalidad de transformarla en otro tipo de energía como, por ejemplo, energía calorífica (calefactor), energía lumínica (lámpara) o energía mecánica (motor). Para lograr que la corriente eléctrica circule en forma continua, es necesario que el recorrido se cumpla a lo largo de un camino cerrado (de allí la noción de circuito), sin interrupciones y que exista un elemento que provea energía al circuito, para que las cargas puedan mantener su movimiento de traslación.- Los elementos comunes en un circuito eléctrico son los siguientes: Generador: Elemento que provee la energía suficiente como para poner en movimiento las cargas eléctricas y mantener su flujo a lo largo del circuito. Elementos consumidores: son aquellos que aprovechan la corriente eléctrica para tomar la energía de sus cargas y transformarla en luz, calor, sonido, movimiento, etc. Conductores: Son los hilos de material conductor por donde circulan los electrones, impulsados por el generador. 6

7 Existen otros componentes que se pueden agregar a un circuito: Elementos de maniobra: Sirven para comandar el circuito y controlar su funcionamiento. Pueden ser interruptores, selectores, contactores, relés, etc. Elementos de Protección: Son los utilizados para prevenir que la falla de una parte del circuito no ocasiones la destrucción del resto, o bien para proteger a las personas que manipulan el circuito. Estos pueden ser fusibles, interruptores termomagnéticos, disyuntores diferenciales, etc. La vista más sencilla de un circuito eléctrico, será la siguiente: ELEMENTO DE PROTECCIÓN FUSIBLE: Elemento de protección para evitar que los componentes se dañen por posibles aumentos de la intensidad de la corriente. ELEMENTO DE MANIOBRA INTERRUPTOR: Componente que permite controlar la circulación de la corriente. Cuando este está cerrado la corriente podrá circular, de lo contrario, su paso está bloqueado. GENERADOR BATERÍA: Generador cuya misión es proporcionar una diferencia de potencial entre sus bornes, lo cual produce una circulación de corriente cuando se la conecta a un circuito. CONDUCTOR CABLE CONDUCTOR: Elemento, generalmente de cobre, que sirve para unir eléctricamente al resto de los componentes. Es el medio por el cual circula la corriente eléctrica, desde un componente hacia otro. ELEMENTO CONSUMIDOR RESISTENCIA: Elemento que transforma la energía eléctrica transportada por la corriente, en energía en forma de calor. FUNCIONAMIENTO DE UN CIRCUITO ELÉCTRICO DE CORRIENTE CONTINUA La Fuerza Electromotriz de la fuente de alimentación, produce una subida de tensión, elevando el potencial desde el borne negativo (potencial de referencia igual a cero), hasta el borne positivo (en este ejemplo 12 Volts).- La Corriente Eléctrica (flujo de electrones) circula por el circuito, desde el punto de mayor potencial, pasando por las resistencias, y hasta el punto de potencial cero.- Cada Resistencia Eléctrica produce una caída de tensión en el circuito.- 7

8 Podemos interpretar a la diferencia de potencial como una especie de desnivel eléctrico. Cuando decimos que una batería es de 12 V implicamos que el potencial eléctrico de su terminal positivo está 12 V por encima del negativo, o que existe un desnivel eléctrico de 12 V entre ambos terminales, siendo el positivo el más alto.- Si conectamos una o varias resistencias entre los terminales de la batería, el desnivel eléctrico hace que una corriente fluya del terminal positivo al negativo a través del circuito. El valor de esta corriente dependerá de la magnitud del desnivel y de la resistencia total.- También debemos aclarar que cuando la corriente eléctrica circula por un elemento consumidor, como una resistencia, produce entre los terminales del mismo una caída de tensión o, lo que es lo mismo, un desnivel en el potencial eléctrico, que será proporcional al valor de la resistencia que se opone a la circulación de la corriente.- 8

9 ANALOGÍA ENTRE UN CIRCUITO ELÉCTRICO Y OTRO HIDRÁULICO Hay una forma común de explicar lo que sucede en un circuito eléctrico, mediante un análogo hidráulico como el de la figura 1: a) Tenemos una bomba centrífuga que hace que el agua circule por el circuito cerrado de la tubería. b) A la salida de la bomba hay una llave de paso que habilitará o no el pasaje del agua a las cañerías del circuito. c) Existen obstrucciones en la tubería en donde la sección es menor que en el resto, haciendo que el caudal de agua sea menor en todo el recorrido. En la figura 2 se aprecia el circuito eléctrico equivalente al análogo hidráulico: a) Tenemos un generador que hace que la corriente eléctrica circule por el circuito eléctrico. b) A la salida del generador hay un interruptor que habilitará o no la circulación de corriente por el circuito eléctrico. c) Existen resistencias en el circuito que presentan una oposición a la circulación de la corriente eléctrica, haciendo que su intensidad sea menor. DISTINTAS DISPOSICIONES DE RESISTENCIAS Dentro de un circuito eléctrico, las resistencias pueden estar conectadas de distinta manera, pero siempre se las puede resumir en conexiones en serie o conexiones en paralelo.- Resistencias en serie: En este tipo de disposición, las resistencias individuales se encuentran conectadas una a continuación de otra, 9

10 por lo cual, la corriente eléctrica (es decir los electrones que circulan por los conductores del circuito), pasará por todas y cada una de estas.- Ahora bien, la pregunta es cuánto vale la resistencia equivalente a este conjunto de resistores que están conectados en serie?, o lo que es lo mismo cuánto vale la resistencia total de esta serie de resistencias? Matemáticamente, la resistencia total del circuito serie es igual la suma algebraica de cada una de las resistencias individuales que componen dicha serie: Evidentemente, cuanto más resistencias se colocan en serie, mayor será la resistencia total. Recordemos que la resistencia eléctrica está definida como la oposición al paso de la corriente eléctrica (oposición al paso del conjunto de los electrones que circulan por el circuito).- Resistencias en paralelo: Cuando las resistencias se encuentran en paralelo, su disposición será tal que la corriente se dividirá en partes para poder atravesarlas: Para poder calcular la resistencia total del circuito paralelo, habrá que realizar la siguiente operación matemática: donde se ve que ya no es igual a la suma algebraica de cada una de las resistencias.- 10

11 Los circuitos más complejos pueden disponer tanto resistencias en serie como en paralelo, al mismo tiempo. A estas disposiciones se las denominan circuitos mixtos de resistencias.- Para reducir la complejidad de los circuitos que se van a resolver, se utiliza la técnica de simplificación por circuito equivalente, el cual consiste en un conjunto menor de resistencias, pero que producen los mismos efectos generales dentro del circuito. En general, el procedimiento que se utiliza para simplificar los circuitos resistivos consiste en: Remplazar las resistencias que están conectadas en serie, por una única resistencia equivalente cuyo valor sea igual a la suma en serie de estas resistencias. Remplazar las resistencias que están conectadas en paralelo, por una única resistencia equivalente cuyo valor sea igual a la suma en paralelo de estas resistencias. 11

12 LAS LEYES DE KIRCCHOFF Entre las herramientas que se necesitan para poder resolver completamente un circuito de corriente continua, se encuentran dos leyes que permiten relacionar, por un lado, lo que está sucediendo con las distintas corrientes que circulan dentro del mismo y, por otro, la forma en que las diferencias de potencial aparecen a medida que dichas corrientes atraviesan los elementos consumidores.- Estas relaciones se conocen como las Leyes de Kirchhoff, y se enuncian de la siguiente manera: 1º Ley de Kirchhoff La suma de las intensidades de las corrientes que salen de un nudo, es igual a la suma de las intensidades de las corrientes que entran al mismo nudo. Para entender lo que dice este enunciado, diremos primero que un nudo (nodo), es cualquier punto de un circuito eléctrico donde existe una interconexión entre dos o más conductores. Por ejemplo, cuando vimos las disposiciones en paralelo de resistencias, los puntos de conexión (inicial y final) del conjunto constituyen un nudo (nodo) del circuito.- Podemos encontrar situaciones donde la corriente llegue al nudo a través de varios conductores, y salga del mismo por otros tantos caminos. Lo que siempre va a suceder es que la cantidad de corriente que entra, debe ser igual a la que sale: 12

13 2º Ley de Kirchhoff En todo circuito cerrado simple se cumple que: la suma de las caídas de tensión, es igual a la suma de las Fuerzas Electromotrices (subidas de tensión). Esta última, que se conoce como Ley de las tensiones de Kirchhoff, establece que todas las caídas de tensión que producen los elementos consumidores igualan a la elevación del potencial eléctrico que produce el generador. Pero es muy importante aclarar que esta igualdad es solo válida para todo circuito simple, es decir, en aquellos donde las corrientes no pasen por nodos que las dividan. Por ende, los únicos circuitos que permiten la aplicación de la 2 Ley de Kirchhoff son aquellos con una disposición de resistencias en serie.- ENERGÍA Y POTENCIA EN UN CIRCUITO ELÉCTRICO. Cualquier carga eléctrica que se mueve a través de un conductor en el que existe una diferencia de potencial, lo hace debido a la acción de un campo eléctrico existente. Como hemos visto en un principio, dicho campo realiza un trabajo eléctrico para desplazar la carga, de tal forma que: 13

14 Si consideramos la definición de intensidad de corriente eléctrica (I=q/t), podemos expresar el trabajo eléctrico realizado por el campo como: Este trabajo eléctrico representa la energía que se pone en juego dentro de un circuito eléctrico, dependiendo del lugar donde se evalúe dicha energía. Para el caso de los generadores, representa la energía que suministran al circuito y, en el caso de los elementos consumidores se trata de la energía eléctrica que están transformando en otra como calor, luz, sonido, movimiento, etc.- En el Sistema Internacional de Unidades, la energía se mide en Julios (J), sin embargo, dentro del campo de la energía eléctrica es común utilizar otras unidades como el Watt-hora (Wh) y sus múltiplos. La equivalencia entre estas unidades es: 1 kwh = 3, J En ocasiones, es importante conocer la rapidez con la que se desarrolla un trabajo. Por esta razón, se emplea una nueva magnitud denominada potencia eléctrica, la que se define como el trabajo eléctrico realizado por unidad de tiempo: Si aplicamos la expresión de trabajo eléctrico estudiada anteriormente obtenemos que, en forma general: Con lo cual, si hablamos de la potencia desarrollada por un generador al suministrar energía eléctrica, será: y para la potencia de un consumidor eléctrico: donde I es la corriente por dicho elemento y V es la caída de tensión en el mismo.- Al mismo tiempo, si aplicamos la ley de Ohm, podemos obtener otras dos expresiones para la potencia, las cuales serán útiles según los parámetros que se tengan como datos: 14