Introducción a la Electricidad y la Materia
Para entender los fenómenos eléctricos, debemos conocer la constitución de la materia. La materia está formada por partículas muy pequeñas llamadas átomos. Los átomos, a su vez, están constituidos por electrones que se mueven alrededor de un núcleo, compuesto por protones y neutrones.
Los protones y los electrones tienen una propiedad conocida como carga eléctrica. Esta propiedad es la responsable de los fenómenos eléctricos.
Mientras que los neutrones no poseen carga eléctrica, la carga de un electrón es igual a la carga eléctrica de un protón, pero de signo opuesto. Por convención:
- Los electrones tienen carga negativa.
- Los protones poseen carga positiva.
Como la carga de un electrón es muy pequeña, en el Sistema Internacional (S.I.) se emplea como unidad la carga de 6,242·1018 electrones (6,242 trillones de electrones), llamada Culombio o Coulomb (C).
En general, los materiales son neutros; es decir, existe un equilibrio entre el número de cargas negativas (electrones) y positivas (protones). Sin embargo, en ciertas ocasiones los electrones pueden moverse de un material a otro, originando cuerpos con cargas positivas (con defecto de electrones) y cuerpos con carga negativa (con exceso de electrones), pudiendo actuar sobre otros cuerpos que también están cargados.
Por tanto, para adquirir carga eléctrica, es decir, para electrizarse, los cuerpos tienen que ganar o perder electrones.
Una característica de las cargas es que las cargas del mismo signo se repelen, mientras que las cargas con diferente signo se atraen (tal y como muestra la figura). Si frotamos un bolígrafo con nuestro jersey de lana, veremos que este es capaz de atraer pequeños trozos de papel. Decimos que el bolígrafo se ha electrizado.
Componentes de un Circuito Eléctrico
Un circuito eléctrico es un conjunto de elementos conectados entre sí que permiten establecer una corriente entre dos puntos, para aprovechar la energía eléctrica.
Los circuitos se componen de:
- Generadores
- Conductores
- Receptores
- Elementos de control
- Elementos de protección
Generadores o Fuentes de Tensión
Los generadores son los elementos que transforman cualquier forma de energía en energía eléctrica. Proveen al circuito de la necesaria diferencia de cargas entre sus dos polos o bornes (tensión) y, además, son capaces de mantenerla eficazmente durante el funcionamiento del circuito. Ejemplos de ellos son las pilas, baterías y las fuentes de alimentación. Un generador consta de dos polos, uno negativo (cátodo) y uno positivo (ánodo). No basta con conectar un extremo del conductor al polo negativo del que salen los electrones. Hay que conectar el otro extremo al polo positivo, al que vuelven los electrones. Si cortamos el cable en un punto, los electrones se detienen en todo el cable.
Cuando ambos polos se unen mediante el hilo conductor, los electrones se mueven a través de él, desde el polo negativo al polo positivo.
Sentido de la Corriente
El fenómeno de la electricidad se descubrió e intentó explicar antes de que se conociera la existencia de los electrones. Se pensaba que la corriente eléctrica circulaba desde el cuerpo cargado positivamente al cargado negativamente. Esto es lo que se conoce como sentido convencional de la corriente. Por tanto, el movimiento de carga eléctrica se produce desde el polo negativo al positivo. Este es el sentido real de la corriente.
Receptores
Los receptores son los elementos encargados de convertir la energía eléctrica en otro tipo de energía útil de manera directa, como la lumínica, la mecánica (movimiento), calorífica, etc. Los receptores eléctricos más usuales son las lámparas o bombillas, timbres, resistencias eléctricas, motores…
Conductores
Los conductores son los elementos que conectan los distintos elementos del circuito, permitiendo el flujo de electrones. Para transportar los electrones de un sitio a otro se utilizan cables de metal, normalmente de cobre, y recubiertos de plástico para que los electrones no salgan del cable.
Elementos de Control (de Maniobra)
Son los dispositivos usados para dirigir o interrumpir el paso de corriente. Los más importantes son los interruptores, conmutadores, pulsadores y relés.
Elementos de Protección
Son los elementos encargados de proteger al resto de los elementos del circuito frente a corrientes demasiado elevadas.
Circuitos Básicos: Serie, Paralelo y Mixto
Un circuito en serie es aquel que tiene conectados sus receptores uno a continuación del otro. (En el circuito de la derecha, las bombillas y la resistencia están conectadas en serie). Las características de este tipo de circuito son:
- Si uno de los elementos del circuito deja de funcionar, el resto tampoco funciona.
- El voltaje de la pila se reparte entre todos los receptores conectados en serie (por eso las bombillas brillan poco).
- La intensidad de la corriente que atraviesa cada receptor es la misma para todos los receptores.
Un circuito paralelo es aquel que tiene conectados los terminales de sus receptores unidos entre sí. (En el circuito de la derecha, las bombillas y la resistencia están conectadas en paralelo). Las características de este tipo de circuitos son:
- Si uno de los elementos deja de funcionar, el resto funciona normalmente, como si no hubiese pasado nada.
- Todos los receptores funcionan con la misma tensión (todas las bombillas lucen con la misma intensidad e igual a como lucirían si estuviesen ellas solas conectadas a la batería).
- La intensidad de la corriente que genere la pila se reparte entre todos los receptores. Cabe citar que los elementos eléctricos de nuestras viviendas están conectados en paralelo.
Un circuito mixto es aquel que tiene elementos en paralelo y en serie. (Por ejemplo, las bombillas 2 y 3 están conectadas en paralelo; al mismo tiempo que están conectadas en serie con la 1).
Ley de Ohm
En 1822, el científico George Simon Ohm relacionó la intensidad de corriente, la tensión y la resistencia, enunciando la Ley de Ohm de la forma siguiente:
Ley de Ohm: La intensidad de corriente que circula por un hilo conductor es directamente proporcional a la tensión entre sus extremos e inversamente proporcional a la resistencia.
Esta ley, que se cumple siempre en todos los elementos sometidos a tensión y por los que circula intensidad de corriente, se puede expresar de forma matemática como:
Intensidad (I)
Resistencia equivalente: Cuando en un circuito hay más de un elemento receptor, ya sea en serie, en paralelo o de forma mixta, la Ley de Ohm no puede aplicarse al circuito entero sin haber encontrado una forma previa de reducir todas las resistencias a una sola que las represente a todas, ya que en la Ley de Ohm sólo podemos tener una única resistencia. A esta resistencia se la llama resistencia equivalente, porque si la ponemos a ella en el lugar de las demás, tanto el voltaje como la intensidad de corriente siguen siendo la misma. Esta resistencia equivalente se calcula mediante una fórmula distinta, dependiendo de cómo se coloquen los elementos: en serie, en paralelo o de forma mixta.
Resistencia equivalente en serie:
Resistencias equivalentes en paralelo:
Resistencia equivalente mixta: la parte en serie se calcula con la fórmula para calcular la resistencia equivalente en serie y la parte en paralelo se calcula con la fórmula de la resistencia equivalente en paralelo.