ELECTRICIDAD

DEFINICIONES

Corriente

Se define la corriente como el flujo de cargas de igual signo, normalmente electrones, por un metal. Para definir la corriente de manera más precisa, suponga que las cargas se mueven perpendiculares a una superficie S Figura 1.

Figura 1

Si Q es la cantidad de carga que pasa por el área de la superficie S en un intervalo de tiempo (t), la corriente promedio I es igual a la carga que pasa por S por unidad de tiempo Ecuación 1.

(1)

Tenemos que tener en cuenta, que en el caso de que las cargas que generan la corriente sean electrones, el sentido convencional de la corriente es el contrario a al movimiento de lo mismos (del polo positivo al negativo de la pila).Mientras que el sentido real es el mismo que el de los electrones (del polo negativo al positivo).Si las cargas son positivas, tanto la dirección convencional como la real de la corriente es la marcada por la dirección de los protones.

La unidad de la corriente en el sistema internacional (SI) es el amperio (A) que equivale al paso de una carga de un culombio por segundo.

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Tensión o voltaje

Hemos visto en el apartado anterior que se define corriente como el flujo de electrones por un conductor. Para que estes electrones fluyan es necesaria una fuerza que los obligue a moverse. Esta fuerza se conoce como Fuerza electromotriz, y se manifiesta en los circuitos como una diferencia de potencial eléctrico o voltaje.

La tensión eléctrica o diferencia de potencial es una magnitud física que cuantifica la diferencia de potencial eléctrico entre dos puntos. También se puede definir como el trabajo por unidad de carga ejercido por el campo eléctrico sobre una partícula cargada para moverla entre dos posiciones determinadas.

La diferencia de potencial entre los extremos de una pila por ejemplo, se manifiesta como la acumulación de cargas eléctricas negativas ( iones negativos o aniones ) , con exceso de electrones en el polo negativo (–) y la acumulación de cargas eléctricas positivas (iones positivos o cationes) , con defecto de electrones en el polo positivo (+) de la propia pila. Cuanto mayor sea el voltaje que existe entre los polos de la pila, mayor es la energía que se puede suministrar al circuito.

Si mediante un conductor unimos dos puntos de diferente potencial, por ejemplo los polos de una pila, comenzara un flujo de electrones del polo negativo al positivo, originando así lo que hemos definido como corriente eléctrica.

La unidad en el sistema internacional (SI) de la tensión o voltaje es el voltio, y se define como la diferencia de potencial a lo largo de un conductor cuando una corriente de un amperio utiliza un vatio de potencia. El voltio (V) también puede ser definido como la diferencia de potencial existente entre dos puntos tales que hay que realizar un trabajo de 1 J (julio) para trasladar del uno al otro la carga de 1 C (culombio) Ecuación 2.

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Resistor

El resistor es un elemento físico que se opone al paso de la corriente y que disipa energía en forma de calor. Este calor se origina por el choque de los electrones contra los átomos de la resistencia. Estos choques transforman parte de la energía cinética de los electrones en energía calorífica.

Una resistencia se representa tal y como se muestra en la Figura 2.

Figura 2

La relación entre las variables representadas en la Figura 2 viene dada por la ley de Ohm (Ecuación 3). Donde R se expresa en ohmios, u en voltios e i en amperios.

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E la potencia que se consume en una resistencia se le llama potencia activa, y se expresa en vatios (W).

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La energía consumida por una resistencia en julios (J) se obtiene a partir de la ecuación de la potencia de manera que:

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Inductor

Es un elemento eléctrico que acumula energía en forma de campo magnético. Con una corriente sinusoidal, la energía se acumula en el inductor durante una parte del ciclo y se devuelve al circuito en la otra.

Una inductancia no es más que una bobina y se representa tal y como en muestra en la Figura 3.

Figura 3

La relación entre las variables de la Figura anterior es la siguiente:

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Donde L es el coeficiente de autoinducción (Ecuación 7) que se expresa en Henrios (H), v es la tensión en voltios (V) e i es la intensidad en amperios (A).

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En un circuito inductivo, la inductancia se opone al cambio brusco de la corriente que está retrasada con respecto al voltaje un ángulo que dependerá de la impedancia total del circuito.

Es de interés también el cálculo de la reactancia, oposición ofrecida al paso de la corriente alterna por inductores o condensadores, que será necesaria para el cálculo de las impedancias de los circuitos. En el caso de las inductancias, la reactancia se llama reactancia inductiva y se expresa tal y como se muestra en la ecuación 5.8 , donde la j indica que el resultado es un número complejo.

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Donde n =número de espiras, D =diámetro de la bobina en mm,  l =longitud del bobinado en mm.

(9)

Y la energía en julios (J) viene dada por:

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Capacitor

Es un elemento del circuito que acumula energía en forma de campo eléctrico, también se llama condensador. El capacitor almacena energía que puede acumularse durante un tiempo y ser devuelta a la fuente a continuación.

Un capacitor o condensador se representa tal y como se muestra en la Figura 4.

Figura 4

La relación entre las variables de la figura anterior es la siguiente:

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Donde C es la capacidad del condensador en faradios (f), v la tensión en voltios (V) e i la intensidad en amperios (A).

En un circuito capacitivo el capacitor se opone al cambio brusco de la tensión, esta está retrasada con respecto a la intensidad un ángulo que dependerá de la impedancia total del circuito.

En el caso de os capacitores, la reactancia se llama reactancia capacitiva y se expresa tal y como se muestra en la Ecuación 12. La j indica que el resultado es un número complejo.

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La potencia en el condensador es la expresada en la Ecuación 13.

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La energía en un condensador es:

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Impedancia

Cuando en un mismo circuito se combinan resistencias, condensadores y bobinas y se hace circular una corriente alterna, la oposición de este conjunto de elementos al paso de la corriente alterna se llama impedancia (Ecuación 15).

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Donde la j indica que la reactancia es un número imaginario. La resistencia R es el valor de oposición al paso de la corriente (sea continua o alterna) que tiene la resistor. La reactancia X es el valor de la oposición al paso de la corriente (solo corriente alterna) que tienen los condensadores y las bobinas. En este caso existe la reactancia capacitiva debido a los capacitores y la reactancia inductiva debido a los inductores.

Una impedancia se puede representar por medio de un vector como el de la Figura 5.

Figura 5

En el caso de una impedancia inductiva tenemos:

Figura 6

Donde XL es la reactancia inductiva que toma el valor de la Ecuación 8, R es la resistencia, Z es la impedancia y a el ángulo que forma la impedancia con la resistencia R, e indica el desfase entre la tensión y la corriente y toma valores entre cero y noventa grados. El modulo de la impedancia inductiva Z viene dado por la Ecuación 16.

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Si tenemos un circuito capacitivo la impedancia será:

Figura 7

Donde X C es la reactancia capacitiva que toma el valor de la Ecuación 5 . 12 , R es la resistencia y Z es la impedancia y a el ángulo que forma la impedancia con la resistencia R indica el desfase entre la tensión y la corriente. El modulo de la impedancia capacitiva Z viene dado por la Ecuación 17

. (17)

Un circuito también puede ser inductivo puro, en cuyo caso la impedancia vendrá dada por la reactancia inductiva. Capacitivo puro, en el que la impedancia es la reactancia capacitiva, o resistivo puro donde la impedancia coincide con la resistencia.

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Potencia eléctrica

Potencia en corriente continua

Cuando se trata de corriente continua la potencia eléctrica desarrollada o consumida en un cierto instante por un dispositivo de dos terminales, es el producto de la diferencia de potencial entre dichos terminales y la intensidad de corriente que pasa a través del dispositivo (Ecuación 18).

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Donde P es la potencia en vatios (W), i la intensidad en amperios (A), v es la tensión en voltios (V) y w la energía en julios (J).

Potencia en corriente alterna

En corriente alterna existen tres tipos de de potencia, potencia aparente S , potencia activa P y potencia reactiva Q . Estas potencias se relacionan mediante la Figura 8.

Figura 8

La potencia aparente es la potencia compleja del circuito. Es la suma vectorial de la potencia que consume dicho circuito y se transforma en trabajo (conocida como potencia activa o real) y la potencia utilizada para la formación de los campos eléctrico y magnético de sus componentes que fluctuará entre estos componentes y la fuente de energía (conocida como potencia reactiva).

Esta potencia no es la potencia útil del circuito, salvo que el factor de potencia, cos(a) sea 1.Esta potencia se calcula mediante la Ecuación 19.

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La potencia aparente se expresa en voltiamperios (VA).

La potencia activa es la potencia que representa la capacidad de un circuito para realizar un proceso de transformación de la energía eléctrica en trabajo. Los diferentes dispositivos eléctricos existentes convierten la energía eléctrica en otras formas de energía tales como: mecánica, lumínica, térmica, etc. Esta potencia es, por lo tanto, la que realmente consumen los circuitos.

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La potencia activa se expresa en vatios (W).

Esta potencia sólo aparecerá cuando existan bobinas o condensadores en los circuitos. La potencia reactiva tiene un valor medio nulo, por lo que no produce trabajo. Por ello que se dice que es una potencia desvatada (no produce vatios).

La ecuación de la potencia reactiva es:

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La potencia reactiva se mide en voltiamperios reactivos ( VAR ) .

En el caso de corrientes trifásicas los valores de las potencias toman los valores:

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Medidores eléctricos

Amperímetro

Si hablamos en términos básicos, el amperímetro es un simple galvanómetro. Los galvanómetros son los instrumentos para la detección y medición de la corriente. Se basan en las interacciones entre una corriente eléctrica y un imán.

El mecanismo del galvanómetro está formado por un imán que produce un campo magnético, y una bobina móvil por la cual circula la corriente del circuito que queremos medir. La fuerza inclina el elemento móvil en un grado proporcional a la intensidad de la corriente. Este elemento móvil puede contar con un puntero o algún otro dispositivo que permita leer en un dial el grado de inclinación.

Cuando se añade al galvanómetro una escala graduada y una calibración adecuada, se obtiene un amperímetro, instrumento que lee la corriente eléctrica en amperios. D'Arsonval es el responsable de la invención del amperímetro de corriente continua.

Sólo puede pasar una cantidad pequeña de corriente por el fino hilo de la bobina de un galvanómetro. Si hay que medir corrientes mayores, se acopla una derivación de baja resistencia a los terminales del medidor. La mayoría de la corriente pasa por la resistencia de la derivación, pero la pequeña cantidad que fluye por el medidor sigue siendo proporcional a la corriente total. Al utilizar esta proporcionalidad el galvanómetro se emplea para medir corrientes de varios cientos de amperios.

Para efectuar la medida es necesario que la intensidad de la corriente circule por el amperímetro, por lo que éste debe colocarse en serie, para que sea atravesado por dicha corriente. El amperímetro debe poseer una resistencia interna lo más pequeña posible con la finalidad de evitar una caída de tensión apreciable.

Voltímetro

Un voltímetro es un instrumento que sirve para medir la diferencia de potencial entre dos puntos de un circuito eléctrico.

Para efectuar la medida de la diferencia de potencial el voltímetro ha de colocarse en paralelo ; esto es, en derivación sobre los puntos entre los que tratamos de efectuar la medida. Esto nos lleva a que el voltímetro debe poseer una resistencia interna lo más alta posible, a fin de que no produzca un consumo apreciable, lo que daría lugar a una medida errónea de la tensión. Para ello, en el caso de instrumentos basados en los efectos electromagnéticos de la corriente eléctrica, estarán dotados de bobinas de hilo muy fino y con muchas espiras, con lo que con poca intensidad de corriente a través del aparato se consigue el momento necesario para el desplazamiento de la aguja indicadora.

Vatímetro

El vatímetro es un instrumento electrodinámico para medir la potencia eléctrica o la tasa de suministro de energía eléctrica de un circuito eléctrico dado. El dispositivo consiste en un par de bobinas fijas, llamadas «bobinas de corriente», y una bobina móvil llamada «bobina de potencial».

Las bobinas fijas se conectan en serie con el circuito, mientras la móvil se conecta en paralelo. Lo que hacen estas bobinas es medir los valores de intensidad y tensión para poder realizar el cálculo de la energía consumida.

Óhmetro

El óhmetro es un dispositivo utilizado para medir resistencias.

Un óhmetro tiene una pila interna que hace circular una corriente por el circuito en el que queremos medir la resistencia. Esta corriente hace que aparezca una tensión en el circuito. Con esta tensión y con el valor de la corriente inyectada el óhmetro calcula el valor de la resistencia por medio de la ley de Ohm.

Multímetro

Un multímetro, polímetro o tester es un dispositivo con capacidad para medir diferentes magnitudes eléctricas tales como intensidad, potencia, resistencias, tensiones capacidades…. Tanto en corriente alterna como continua.

Osciloscopio

Un osciloscopio es un instrumento de medición electrónico para la representación gráfica de señales eléctricas que pueden variar en el tiempo. Presenta los valores de las señales eléctricas en forma de coordenadas en una pantalla, en la que normalmente el eje X (horizontal) representa tiempos y el eje Y (vertical) representa tensiones. La imagen así obtenida se denomina oscilograma.

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