CIRCUITOS ELECTRICOS, corriente voltaje potencia y energia
LECCION 1: Definiciones básicas y visión general de un circuito eléctrico
El Circuito eléctrico
Un circuito eléctrico es una interconexión de dispositivos entre sí que permite transportar la energía eléctrica, desde el punto donde se produce (genera) o suministra hasta los lugares de consumo, llamados cargas, donde es transformada en otro tipo de energía útil, como calor, luz o movimiento mecánico.
Ejemplo de Circuito eléctrico representado con dispositivos reales
Al entrar en servicio, todo circuito presenta un conjunto de magnitudes, conocidas como voltaje, corriente, energía, potencial y potencia eléctrica que, al ser medidas, permiten determinar cuáles son las condiciones de funcionamiento del circuito en tiempo real, y modificar sus valores para lograr que los dispositivos que conforman el circuito cumplan con los resultados que se espera de ellos.
Modelo de Circuito
Para el análisis y cálculo de magnitudes y parámetros de un circuito eléctrico real, se utilizan símbolos que representan cada magnitud y cada componente, y que se utilizan para configurar un modelo matemático “lineal” completo del circuito real. El término “lineal” significa que hay una relación directa entre los parámetros del circuito, es decir, cuando se produce un cambio en un elemento, todos los demás cambian en la relación de magnitud y forma.
Por ejemplo, la representación simbólica del circuito anterior es la siguiente:
Circuito eléctrico representado con símbolos
Componentes básicos de un circuito eléctrico.
Existen dos tipos de componente, a saber: las magnitudes y los elementos físicos del circuito.
Las magnitudes, son variables, parámetros o cantidades, que aparecen en los distintos puntos del circuito y pueden medirse y modificarse desde fuera de él, para conocer y controlar su funcionamiento según se requiera. Las magnitudes básicas, son: Carga (“q, Q”), corriente (i, I), Fuerza Electromotriz (fe, FE), Voltaje (v, V), energía (w, W) y potencia (p, P). Representadas por la letra indicada entre paréntesis, que pueden ser constantes, (mayúscula) o variables en el tiempo (minúsculas).
Los elementos o dispositivos físicos, se diseñan con características eléctricas específicas y se utilizan para lograr que el circuito suministre la potencia requerida a cada carga. Son: Resistencia, Capacitores, Inductores, fuentes de corriente y voltaje dependientes e independientes, instrumentos de medición, conductores y aisladores (todos de características lineales).
Se clasifican en activos y pasivos. Los activos son los que pueden generar o suministrar energía eléctrica, o controlar el flujo de corriente. Los pasivos son los que solo pueden recibir, almacenar, disipar o absolver energía.
Definiciones.
Materia: es todo lo que tiene masa, está formada por átomos y ocupa espacio en el universo.
Átomo: es la cantidad más pequeña en la cual se puede dividir la materia, sin perder sus características específicas.
Partículas sub atómicas: Son el electrón, el protón y el neutrón, que se encuentran dentro de los átomos de toda la materia y sus cantidades dentro del átomo, determinan las propiedades y características de cada uno de ellos, diferenciando un átomo de otro y consecuentemente, el tipo de materia correspondiente.
Los protones y los neutrones, conforman el núcleo de los átomos y los electrones giran alrededor del núcleo en orbitas concéntricas.
Las fuerzas de atracción internas hacen que los electrones más cercanos al núcleo sean muy difícil de extraer del átomo, mientras que los ubicados en las orbitas más alejadas del núcleo, son mucho más fáciles de extraer, algunos de los cuales son denominados “electrones libres”, por la facilidad para liberarlos de los átomos y son característicos y muy abundantes en los materiales buenos conductores de la corriente eléctrica.
Partículas sub atómicas más importantes en el átomo
Carga Eléctrica: es una condición natural de los electrones y protones, que generan fuerzas de atracción o repulsión en su entorno. Ambos causan efectos de igual magnitud pero en sentidos contrarios, lo que indica que poseen la misma cantidad de carga pero de naturaleza opuesta, de tal manera que dentro de los átomos, sus efectos se anulan. Para diferenciarlos, al electrón se le identifica como portador de carga negativa, indicada con el signo menos (-) y al protón positiva, identificada con el signo más (+).
También se estableció que la mínima cantidad de carga que existe es la del electrón, quedando definido como el “quantum de carga” y la carga como una cantidad “cuantizada”, no continua.
Consecuentemente, el electrón es el valor unitario o la unidad natural de carga y su magnitud en es de 1,602 x 10-19 Coulomb.
Siendo el Coulomb la unidad de medida de la carga en el Sistema Internacional (SI), y donde está definido como: la “cantidad de carga que a la distancia de un metro produce, sobre otra cantidad de carga igual, una fuerza de 9×109 newton. De donde: 1 Coulomb equivale a la carga de 6,23.1018 electrones.
Otra definición de un Coulomb es la “cantidad de carga que pasa por la sección transversal de un conductor en el tiempo de 1 segundo (s), cuando circula por él una corriente de 1 amperio (A)”.
Además, quedo establecida la regla de que cargas de igual signo se repelen y de distinto signo se atraen.
Corriente eléctrica: es un flujo de cargas entre dos puntos; es decir, el movimiento de los electrones libres de los átomos de un punto a otro. Para que la corriente circule, se requiere que los impulse una diferencia de potencial o voltaje entre los 2 puntos, considerados.
Dado que los electrones poseen carga negativa, entonces la corriente real es un flujo de carga negativa, que de forma natural se mueve hacia un punto de carga más positivo.
Consecuentemente, la corriente real fluye de un punto de potencial negativo, hacia uno de potencial positivo; es decir, de menos a más.
“Nota histórica”: Cuando no había forma de determinar la dirección real de la corriente, Benjamín Franklin, un científico y político norte americano, en la segunda mitad del siglo XVIII, estableció que la corriente fluía del polo positivo hacia el negativo. Y así se ha estado utilizado desde entonces hasta nuestros días. Pero, ante la evidencia científica demostrada alrededor de 100 años después, que la corriente real va de menos a más, se acordó aceptar ambas direcciones como válidas, para cálculos macroscópicos, y se le dio el nombre de corriente convencional a la indicada por Benjamín Franklin, que se ha mantenido como la más utilizada.
La expresión matemática de la corriente, como variación de la carga en el tiempo es:
i(t) = dq/dt, con i y q variables, que representan la corriente y la carga respectivamente. Con valores constantes se puede usar la ecuación siguiente:
I = Q/t Amperios. (A)
La unidad de medida de la corriente en el SI, es el Amperio (A).
Y un Amper es igual a un Coulomb por segundo
El termino corriente eléctrica es probablemente el más utilizado por la gente común para referirse a la electricidad.
Existen infinitas formas de corrientes, pero entre ellas destacan, las continuas y las alternas. Las continuas son las que viajan en una sola dirección y las alternas son las que cambian de dirección periódicamente, entre estas últimas, destaca la corriente alterna senoidal, que es la que se usa de modelo para representar el consumo eléctrico de todas las viviendas en las ciudades.
Conductor eléctrico: es todo aquel material que puede conducir con facilidad la corriente eléctrica.
Fuerza Electromotriz (fe): Es una diferencia de potencial eléctrico producida por un generador, equipo o dispositivo que impulsa la carga eléctrica para que circule del polo negativo al positivo, a través de un circuito eléctrico. Su unidad de medida es el voltio, en el SI.
Potencial Eléctrico: Es el trabajo que debe realizar una fuerza externa para llevar una carga positiva unitaria desde el punto de referencia hasta el punto considerado, a velocidad constante y en contra de la fuerza eléctrica creada por el campo eléctrico que exista en el entorno. La unidad de medida del Potencial Eléctrico en el SI es el Voltios (V).
El potencial puede interpretarse como la posibilidad subyacente de realizar trabajo, si se dan las condiciones adecuadas.
Voltaje: Se define como la diferencia de potencial existente entre dos puntos. También se conoce como Tensión eléctrica o diferencia de potencial, y debe indicarse su polaridad con el signo más (+) el punto de mayor potencial y menos (-) el de menor potencial.
La unidad de medida del voltaje, en el SI, es el Voltios (V).
Potencia y Energía Eléctrica.
En el análisis de circuitos utilizaremos la corriente convencional que va de + a -, siguiendo la costumbre establecida (Benjamín Franklin), teniendo claro que es importante indicar en qué dirección circula la corriente en cada elemento del circuito. De manera que conjuntamente con la polaridad del voltaje se pueda determinar si el elemento suministra o consume energía.
Esta convención, denominada “convención de signos pasiva”, se indica en la figura siguiente:
I
Dónde:
- En el elemento de circuito, el voltaje, la corriente y La potencia son positivos; entonces, en esas condiciones, por convención, se asume que está consumiendo energía.
2.- La corriente (I) entra por el polo positivo del voltaje y es negativa si entra por el negativo.
La Energía (w) es la capacidad que tiene un dispositivo para realizar un trabajo, sobre una carga eléctrica, a través de una diferencia de potencial, y la Potencia (P) es la Energía suministrada o consumida en un dispositivo o carga eléctrica en un tiempo determinado, a través de una diferencia de potencial.
P = V x Q/t = V x I, en electricidad la unidad de la potencia es el vatios {W}
P = V x I, se interpreta como la potencia consumida por un elemento de circuito cuando posee una diferencia de potencial “V” entre sus terminales y circula por él una corriente “I”
W = P x t en {W x t}
Ejercicios Ilustrativos Introductorios:
1.- Calcular la potencia en el elemento de circuito de la figura 1, e indicar si la está absorbiendo o suministrando.-
Solución:
1.- Al ver la figura, observamos un elemento de circuito alimentado desde una RED Externa, con los valores siguientes:
Voltaje V = 3 voltios (Positivos, de acuerdo a la convención de signos)
Corriente I = 2 Amperios (Positiva, porque entra al elemento por el positivo del voltaje)
Aplicando la fórmula de la potencia tenemos: P = V x I = +3 x +2 = +6 W (Seis Vatios)
Respuesta: 1:- La potencia en el elemento es de 6 vatios. Y, 2.- El elemento consume, porque la potencia es positiva.
2.- Calcular la potencia en el elemento de circuito de la figura 2, e indicar si la está absorbiendo o suministrando.-
Solución:
1.- Al ver la figura, observamos un elemento de circuito alimentado por una RED Externa, con los valores siguientes:
Voltaje V1 = 12 voltios (Positivos, de acuerdo a la convención de signos)
Corriente I = – 4 Amperios (Negativa, porque entra al elemento por el negativo del voltaje)
Aplicando la fórmula de la potencia tenemos: P = V x I = +12 x – 4 = – 48 W
Respuesta: 1:- La potencia en el elemento es de 48 vatios, y 2.- El elemento esta suministrando, porque la potencia es negativa.
Ejercicios Propuestos:
1.- Calcular la potencia en los elementos de los circuitos de la figura 3, e indicar si la están
absorbiendo o suministrando.-
Repuesta: 1ro: 8 vatios, suministrando. (-8 W). 2do: 4 vatios, absorbiendo (+4 W)
2.- Calcular los valoresde las variables desconocidas en los circuitos de la Figura 4
Repuesta: 1ro: V1 = 4 Voltios ( 4 V ). 2do: I = – 8 Amperios (- 8 A)