Conceptos Básicos de Electrotecnia y su Aplicación en Circuitos Eléctricos

La Electrotecnia es una rama de la Física que desarrolla técnicas para el análisis de circuitos eléctricos, sin profundizar en los fundamentos físicos que justifican determinados fenómenos. Para ello, se dispone de herramientas matemáticas que nos permiten interpretar y predecir cualitativa y cuantitativamente el comportamiento de los circuitos eléctricos.

Campo Eléctrico y Potencial Eléctrico

Un cuerpo que se encuentra cargado eléctricamente genera un campo eléctrico alrededor del espacio que lo rodea. La existencia de este campo se puede poner en evidencia colocando una pequeña carga de prueba de signo positivo en las proximidades del cuerpo, la cual será atraída o alejada del mismo, según sea el signo de las cargas almacenadas en el cuerpo. El desplazamiento de la carga de prueba se debe a la fuerza que ejerce el campo eléctrico establecido por el cuerpo cargado.

El campo eléctrico se representa por medio de líneas imaginarias llamadas líneas de campo o líneas de fuerza, de manera que la tangente en cada punto de las mismas coincide con la dirección del campo y con la fuerza aplicada sobre la carga de prueba en ese punto. De lo anterior se deduce que las líneas de campo también representan las trayectorias que seguiría la carga de prueba si la soltáramos en cualquier punto del espacio que rodea al cuerpo.

Las líneas de campo son salientes cuando el cuerpo contiene cargas positivas y entrantes cuando contiene cargas negativas, y el sentido lo indican las flechas sobre las líneas. Cuando dos cuerpos que poseen cargas eléctricas de signo contrario se encuentran próximos entre sí, generan un campo eléctrico de manera que las líneas de fuerza salen perpendiculares a la superficie del cuerpo cargado positivamente y se curvan para ingresar con dirección perpendicular a la superficie del cuerpo cargado negativamente.

Potencial Eléctrico: Si aplicamos una fuerza sobre una carga positiva de prueba de manera de lograr un determinado desplazamiento en dirección y sentido contrario al campo eléctrico, el trabajo realizado es positivo y queda expresado como el producto de la fuerza aplicada por la longitud del desplazamiento. Si la carga de prueba es de signo negativo, entonces el trabajo realizado es negativo.

Si el desplazamiento de la carga de prueba provocado por la fuerza aplicada coincide con la trayectoria y sentido de las líneas de fuerza, entonces el trabajo es negativo para carga positiva, mientras que para carga negativa el trabajo es positivo.

Carga y Corriente Eléctrica

Se llama corriente eléctrica al movimiento de cargas eléctricas en el interior de un conductor. Por convención, el sentido de circulación de corriente coincide con el sentido de desplazamiento de las cargas positivas y es opuesto al sentido de desplazamiento de las cargas negativas. En el caso de las fuentes de tensión, la corriente convencional sale por el polo positivo, recorre todo el circuito y retorna al polo negativo de la misma.

La unidad de la intensidad de corriente eléctrica es el amperio o Amper (A) y se define como: la intensidad que atraviesa dos conductores paralelos de longitud infinita y sección nula, separados un metro en el vacío y entre los que existe una fuerza de 2×10 N por metro de longitud. La unidad de la carga eléctrica es el culombio (C), que se define como la cantidad de carga que atraviesa en un segundo una sección de un circuito por el que circula una intensidad de corriente constante de un amper.

Elementos de un Circuito Eléctrico

Para estudiar el comportamiento de un equipo o instalación eléctrica, primero debemos representarlo mediante un circuito o esquema constituido por elementos de dos terminales conectados en serie, paralelo o una combinación serie-paralelo; unidos por medio de conductores. Cada elemento que incluimos en el esquema representa el comportamiento eléctrico de alguna parte de la instalación. Estos elementos se dice que son de parámetros concentrados porque representan en forma localizada un fenómeno físico que, en el equipo o instalación real, se encuentra distribuido en una cierta longitud, superficie o volumen.

Cuando tenemos conformado el circuito con todos sus detalles, entonces podemos estudiar, interpretar y calcular los parámetros de cada parte del circuito para conocer el comportamiento que tendrá la instalación o el equipo.

Elementos Activos

Los elementos activos de un circuito son los que proporcionan energía a la red y consisten en fuentes de tensión y fuentes de intensidad.

Cuando la tensión o la intensidad de corriente que entregan respectivamente no se ven afectadas por cambios en el circuito al cual están conectados, se dice que son fuentes ideales independientes. Las fuentes ideales dependientes son aquellas cuyos valores de salida se ven afectados por las condiciones de determinados circuitos.

Elementos Pasivos

Los elementos pasivos son aquellos que toman la energía eléctrica que proveen las fuentes para transformarla en otro tipo de energía, o acumularla en forma de campo magnético o eléctrico. Los elementos pasivos básicos con los cuales se pueden representar las formas de convertir la energía eléctrica son tres: la resistencia, la inductancia o bobina y el capacitor o capacitancia.

• En una resistencia, la energía eléctrica se convierte en calor, elevándose la temperatura de la misma.
• En una bobina, la energía se acumula en el campo magnético que genera la misma.
• Mientras que en un capacitor, la energía se acumula en el campo eléctrico que se establece en su interior.

En la siguiente figura vemos en primer lugar el símbolo de un elemento pasivo genérico y luego los tres elementos que vamos a utilizar.

Leyes Fundamentales de la Electricidad

Ley de Ohm

En 1826, George Simon Ohm demostró experimentalmente que: La intensidad de corriente es directamente proporcional a la tensión aplicada e inversamente proporcional a la resistencia. Este enunciado, conocido como ley de Ohm, encierra una de las leyes fundamentales de mayor importancia dentro de la ciencia eléctrica; y escrita en forma de ecuación es:

I = E / R

Siendo:

• I = Intensidad de corriente [ A ] (amperio o amper)
• E = Tensión aplicada [ V ] (voltio)
• R = Resistencia [ Ω ] (ohm)

Otra forma de enunciar la ley de Ohm es: Cuando circula una corriente eléctrica a través de una resistencia, genera a los bornes de la misma una diferencia de potencial o caída de potencial que es directamente proporcional al valor de la resistencia y a la intensidad de corriente.

E - ER1 - ER2 - ER3 = 0

Ley de Kirchhoff de las Corrientes

Esta ley expresa que: La suma algebraica de las intensidades de corriente en un nudo es igual a cero.

Se llama nudo a la conexión eléctrica que une tres o más elementos de un circuito.

Con respecto a los signos de las intensidades que aparecen en la ecuación, también debemos adoptar una convención. La más usual dice que las corrientes que llegan al nudo son positivas y las que salen son negativas.

I1 - I2 - I3 = 0

Potencia Eléctrica

De acuerdo a la ley de Ohm, se necesita una determinada energía potencial (caída de potencial ER) para mantener una determinada intensidad de corriente a través de una resistencia. La potencia eléctrica aplicada a una resistencia es la energía por unidad de tiempo que se necesita para transportar cargas eléctricas a través de la resistencia, venciendo la diferencia de potencial. Del concepto se deduce que esta potencia es directamente proporcional a la intensidad de corriente y a la diferencia de potencial a los bornes de la resistencia.

Método de las Corrientes de Rama

En el método de las corrientes de rama se asigna a cada rama una determinada intensidad de corriente. Luego, se aplica la ley de Kirchhoff de las corrientes a cada uno de los nudos del circuito y la de las tensiones entre los nudos correspondientes. Esto proporciona un sistema de ecuaciones que permite calcular las corrientes por cada rama.

Aplicando la ley de Kirchhoff de las corrientes:

I1 = I2 + I3

Aplicando la ley de Kirchhoff de las tensiones entre nudos:

Eab = E – I1 ∙ R1 = I2 ∙ R2

Eab = E – I1 ∙ R1 = I3 ∙ R3

Campo Magnético

Se dice que en un punto existe un campo magnético si (además de cualquier fuerza electroestática) se ejerce una fuerza sobre una carga móvil que pasa por dicho punto. Al igual que el campo eléctrico, el campo magnético es una magnitud vectorial, y su módulo, dirección y sentido quedan determinados por un vector B. Este vector se denomina inducción magnética o densidad de flujo magnético. Pero el término campo magnético es el más empleado.

El tubo de rayos catódicos es un dispositivo experimental adecuado para estudiar, al menos de modo cualitativo, el comportamiento de las cargas móviles en un campo magnético. Cuando se hace girar el tubo alrededor de cualquier eje que pase por su centro en un espacio sometido a un campo magnético, el haz de electrones se desviará. En general, en cualquier punto dado, sin embargo, se encontrará una dirección en la cual no se produce desviación.

Líneas de Inducción Magnética

Un campo magnético puede representarse por líneas tales que su dirección en cada punto sea la misma que la del vector campo magnético B en dicho punto, y se denominarán líneas de inducción.

Fuerzas Magnéticas sobre Conductores que Transportan Corriente

Cuando un conductor que transporta corriente eléctrica se encuentra en un campo magnético, se ejercen fuerzas magnéticas sobre las cargas móviles situadas dentro del conductor. Estas fuerzas se transmiten a la materia que forma el conductor y este, como un todo, experimenta una fuerza distribuida a lo largo de él.