Conceptos Fundamentales de Electricidad y Electrónica: Un Recorrido Completo

A continuación, se presenta un cuestionario sobre conceptos fundamentales de electricidad:

1. ¿Qué es la energía?
2. ¿A qué se llama energía eléctrica?
3. ¿A qué se denomina corriente eléctrica continua? ¿Qué elementos la producen?
4. ¿Qué es la corriente eléctrica alterna?
5. ¿Cómo se puede obtener corriente alterna?
6. Grafique las líneas que intervienen desde su producción hasta los consumidores.
7. Identifique las distintas conexiones a partir de una línea de alimentación.
8. Defina las magnitudes eléctricas.
9. Realice un cuadro donde estén las magnitudes eléctricas y sus unidades.
10. ¿Qué es la Ley de Ohm? ¿Cuál es su fórmula?
11. ¿Qué es la potencia eléctrica? ¿Cuál es su fórmula?
12. Transformación de energía eléctrica.
13. ¿Qué es el efecto Joule?
14. Grafique y nombre los elementos que intervienen en un circuito eléctrico.

1. La Energía

La energía es la capacidad de realizar trabajos, fuerzas o movimientos. No podemos verla; solo descubrimos sus efectos. Es lo que permite que suceda casi todo en el universo: la vida, una luz, una corriente eléctrica, la carrera de un auto, una llama, un ruido o el viento.

La Ley de Conservación de la Energía dice que esta no se pierde, sino que se transforma. No se puede crear ni destruir, y cuando creemos que desaparece, solo se ha convertido en otra forma de energía.

2. Energía Eléctrica

La energía eléctrica es una forma de energía que resulta de la existencia de una diferencia de potencial entre dos puntos, lo que permite establecer una corriente eléctrica entre ellos para transformar la energía potencial en otras formas de energía (lumínica, calorífica, mecánica, etc.).

Por ejemplo, la energía potencial se puede definir como la capacidad para realizar trabajo que surge de la posición o configuración. En el caso eléctrico, una carga ejercerá una fuerza sobre cualquier otra carga, y la energía potencial surge del conjunto de cargas. Por ejemplo, si fijamos en cualquier punto del espacio una carga positiva q, cualquier otra carga positiva que se traiga a su cercanía experimentará una fuerza de repulsión y, por lo tanto, tendrá energía potencial.

3. Corriente Eléctrica Continua (CC)

La corriente continua la producen las baterías, las pilas y las dinamos. Entre los extremos de cualquiera de estos generadores se genera una tensión constante que no varía con el tiempo. Por ejemplo, si la pila es de 12 voltios, todos los receptores que se conecten a la pila estarán siempre a 12 voltios (a no ser que la pila esté gastada y tenga menos tensión). Si no tienes claras las magnitudes de tensión e intensidad, te recomendamos que vayas primero al enlace de la parte derecha sobre las magnitudes eléctricas antes de seguir. Además de estar todos los receptores a la tensión de la pila, al conectar el receptor (una lámpara, por ejemplo), la corriente que circula por el circuito es siempre constante (mismo número de electrones) y no varía de dirección de circulación; siempre va en la misma dirección, por eso el polo positivo y el negativo son siempre los mismos.

En conclusión, en CC (Corriente Continua o DC) la tensión siempre es la misma y la intensidad de corriente también.

Si tuviéramos que representar las señales eléctricas de la tensión y la intensidad en corriente continua en una gráfica, quedarían de la siguiente forma:

[Nota del profesor: Aquí se esperaría una imagen o descripción de una gráfica de CC, que muestra una línea horizontal constante para tensión e intensidad a lo largo del tiempo.]

4. Corriente Eléctrica Alterna (CA)

Este tipo de corriente es producida por los alternadores y es la que se genera en las centrales eléctricas. La corriente que usamos en las viviendas es corriente alterna (enchufes).

En este tipo de corriente, la intensidad varía con el tiempo (número de electrones), además cambia de sentido de circulación a razón de 50 veces por segundo (frecuencia 50 Hz). Según esto, también la tensión generada entre los dos bornes (polos) varía con el tiempo en forma de onda sinusoidal (ver gráfica), no es constante. Veamos cómo es la gráfica de la tensión en corriente alterna.

[Nota del profesor: Aquí se esperaría una imagen o descripción de una gráfica de CA, que muestra una onda sinusoidal para tensión e intensidad a lo largo del tiempo.]

Esta onda sinusoidal se genera 50 veces cada segundo, es decir, tiene una frecuencia de 50 Hz (Hertzios). En EE. UU. es de 60 Hz. Como vemos, pasa dos veces por 0 V (voltios) y dos veces por la tensión máxima, que es de 325 V. Es tan rápido cuando no hay tensión que los receptores no lo aprecian y no se nota, excepto los fluorescentes (efecto estroboscópico). Además, vemos cómo a los 10 ms (milisegundos) la dirección cambia y se invierten los polos; ahora llega a una tensión máxima de -325 V (tensión negativa).

Esta onda se conoce como onda alterna sinusoidal y es la más común, ya que es la que tenemos en nuestras casas. La onda de la intensidad sería de igual forma, pero con los valores de la intensidad lógicamente, en lugar de los de la tensión.

5. Generación de Corriente Alterna

La corriente alterna puede ser generada por generadores de corriente alternada que consisten en el principio de un campo magnético fijo y bobinas que, concatenadas convenientemente, cortan líneas de fuerza de ese campo magnético. Como el movimiento es circular, el corte de esas líneas varía en forma sinusoidal, teniendo por expresión la generación de corriente alternada, una componente sinusoidal:

V = V_máx · sen (2 · π · f · t)

• f = frecuencia.
• t = tiempo.

La expresión 2 · π · f · t puede ser reemplazada por el ángulo descripto.

Además de ser generada por generadores, puede ser provista por conversores electrónicos conectados a baterías, muy útiles para aquellas situaciones en donde los servicios eléctricos no llegan y se necesita este tipo de energía.

La generación de energía para consumo humano se puede hacer por fuerza hidroeléctrica, mareomotriz, eólica, etc. Y el transporte es a través de transformadores de alta, media y baja tensión. La baja tensión es cuadrifilar con fases R, S, T y el neutro N. Entre las fases R, S, T obtenemos 380 voltios de energía trifásica, y entre cualquiera de estas fases y el neutro obtenemos energía monofásica de 220 voltios y 50 Hz (en Argentina); en otros países puede ser 110 voltios y 60 Hz.

6. Gráfica de Líneas de Producción a Consumidores

[Nota del profesor: Aquí se esperaría una gráfica que ilustre el sistema de transmisión y distribución eléctrica, desde la central generadora, pasando por subestaciones de alta, media y baja tensión, hasta llegar a los consumidores residenciales e industriales.]

7. Identificación de Conexiones desde una Línea de Alimentación

[Nota del profesor: Aquí se esperaría una descripción o diagrama de las diferentes configuraciones de conexión eléctrica, como monofásica, bifásica y trifásica, y cómo se derivan de una línea de alimentación principal, incluyendo la conexión a tierra y el neutro.]

8. Magnitudes Eléctricas Fundamentales

Carga Eléctrica y Corriente

La carga eléctrica es la cantidad de electricidad almacenada en un cuerpo. Los átomos de un cuerpo son eléctricamente neutros, es decir, la carga negativa de sus electrones se anula con la carga positiva de sus protones. Podemos cargar un cuerpo positivamente (potencial positivo) si le robamos electrones a sus átomos y podemos cargarlo negativamente (potencial negativo) si le añadimos electrones.

Si tenemos un cuerpo con potencial negativo y otro con potencial positivo, entre estos dos cuerpos tenemos una diferencia de potencial (d.d.p.). Los cuerpos tienden a estar en estado neutro, es decir, a no tener carga, por ello si conectamos los dos cuerpos con un conductor (elemento por el que pueden pasar los electrones fácilmente), los electrones del cuerpo con potencial negativo pasan por el conductor al cuerpo con potencial positivo, para que los dos cuerpos tiendan a su estado natural, es decir, neutro.

Acabamos de generar corriente eléctrica, ya que este movimiento de electrones es lo que se llama corriente eléctrica. Luego, es necesaria una d.d.p. entre dos puntos para que, cuando los conectemos con un conductor, se genere corriente eléctrica. La diferencia de carga de los dos cuerpos será la causante de mayor o menor corriente. Esta carga de un cuerpo se mide en culombios (C).

Tensión o Voltaje (V)

La tensión es la diferencia de potencial entre dos puntos. Por eso, en física se llama d.d.p. (diferencia de potencial) y en tecnología, tensión o voltaje. Como ya debemos saber por el estudio de la carga eléctrica, la tensión es la causa que hace que se genere corriente por un circuito.

En un enchufe hay tensión (diferencia de potencial entre sus dos puntos), pero ojo, no hay corriente. Solo cuando conectemos el circuito al enchufe empezará a circular corriente (electrones) por el circuito, y eso es gracias a que hay tensión.

Entre los dos polos de una pila hay tensión y, al conectar la bombilla, pasa corriente de un extremo a otro y la bombilla luce. Si hay mayor tensión entre dos polos, habrá mayor cantidad de electrones y con más velocidad pasarán de un polo al otro.

La tensión se mide en voltios (V). Cuando la tensión es de 0 V (cero voltios, no hay diferencia de potencial entre un polo y el otro), ya no hay posibilidad de corriente y, si fuera una pila, diremos que la pila se ha agotado.

Pero, ¿quién hace que se mantenga una tensión entre dos puntos? Pues los generadores, que son los aparatos que mantienen la d.d.p. o tensión entre dos puntos para que, al conectar el circuito, se genere corriente. Estos generadores pueden ser dinamos, alternadores, pilas, baterías y acumuladores.

Intensidad de Corriente (I)

Es la cantidad de electrones que pasan por un punto en un segundo. Imaginemos que pudiésemos contar los electrones que pasan por un punto de un circuito eléctrico en un segundo. Pues eso sería la corriente eléctrica. Se mide en amperios (A). Por ejemplo, una corriente de 1 A (amperio) equivale a 6.25 trillones de electrones que han pasado en un segundo.

Resistencia Eléctrica (R)

Los electrones, cuando en su movimiento se encuentran con un receptor (por ejemplo, una lámpara), no lo tienen fácil para pasar por ellos, es decir, les ofrecen una resistencia. Por el conductor van muy a gusto porque no les ofrecen resistencia a moverse por ellos, pero los receptores no. Por ello, se llama resistencia a la dificultad que se ofrece al paso de la corriente. Todos los elementos de un circuito tienen resistencia, excepto los conductores, que se considera casi cero. Se mide en ohmios (Ω). La resistencia se representa con la letra R.

La resistencia se suele medir con el polímetro, que es un aparato que mide la intensidad, la tensión y, por supuesto, también la resistencia entre dos puntos de un circuito o la de un receptor. Para saber más sobre las resistencias, te recomendamos este enlace: Resistencia Eléctrica.

Energía Eléctrica (E)

La energía eléctrica es la potencia por unidad de tiempo. La energía se consume, es decir, a más tiempo conectado un receptor, más energía consumirá. También un receptor que tiene mucha potencia consumirá mucha energía. Como vemos, la energía depende de dos cosas: la potencia del receptor y del tiempo que esté conectado.

• Su fórmula es E = P × t (potencia por tiempo).
• Su unidad es el vatio-hora (Wh), pero suele usarse un múltiplo que es el kilovatio-hora (kWh).
• Si ponemos en la fórmula la potencia en kW y el tiempo en horas, ya obtendremos la energía en kWh.

Potencia Eléctrica (P)

La potencia eléctrica es la relación de paso de energía de un flujo por unidad de tiempo; es decir, la cantidad de energía entregada o absorbida por un elemento en un tiempo determinado. La unidad en el Sistema Internacional de Unidades es el vatio (W).

Cuando una corriente eléctrica fluye en cualquier circuito, puede transferir energía al hacer un trabajo mecánico o termodinámico. Los dispositivos convierten la energía eléctrica de muchas maneras útiles, como calor, luz (lámpara incandescente), movimiento (motor eléctrico), sonido (altavoz) o procesos químicos. La electricidad se puede producir mecánica o químicamente por la generación de energía eléctrica, o también por la transformación de la luz en las células fotoeléctricas. Por último, se puede almacenar químicamente en baterías.

La energía consumida por un dispositivo eléctrico se mide en vatios-hora (Wh) o en kilovatios-hora (kWh). Normalmente, las empresas que suministran energía eléctrica a la industria y los hogares, en lugar de facturar el consumo en vatios-hora, lo hacen en kilovatios-hora (kWh). La potencia en vatios (W) o kilovatios (kW) de todos los aparatos eléctricos debe figurar junto con la tensión de alimentación en una placa metálica ubicada, generalmente, en la parte trasera de dichos equipos. En los motores, esa placa se halla colocada en uno de sus costados, y en el caso de las bombillas de alumbrado, el dato viene impreso en el cristal o en su base.

9. Tabla de Magnitudes Eléctricas y sus Unidades

Aquí tenemos una tabla con las principales magnitudes eléctricas y sus fórmulas:

10. Ley de Ohm

Según la Ley de Ohm, la intensidad de corriente (I) en un conductor al que se le aplica una diferencia de potencial (V) en los extremos es directamente proporcional a la diferencia de potencial que se aplicó. Entonces, I = k · V.

Esto significa que al aumentar o disminuir el voltaje X veces, la corriente va a aumentar o disminuir k · X veces.

La k representa la conductancia, que es la facilidad que ofrece el conductor al paso de la corriente. La inversa de la conductancia (1/k) es la resistencia (R) y representa cuánto se opone el material al paso de la corriente, y es lo que generalmente se usa en la ecuación, que entonces queda como:

I = V / R (y despejando: V = I · R; R = V / I).

La resistencia depende a la vez de tres variables: la longitud (L) del conductor, el área transversal del conductor (A) (cuán ancho es) y del material del que esté hecho [resistividad (ρ)]. Un conductor más largo aumenta la resistencia y uno más ancho la disminuye. Entonces:

R = ρ · L / A

La Ley de Ohm es válida solo cuando la resistividad (ρ), y por lo tanto la resistencia, no dependen de la diferencia de potencial aplicada. O sea, sin importar el valor de V, R vale siempre lo mismo (para un conductor de la misma longitud y área).

11. Potencia Eléctrica (Reafirmación)

La potencia eléctrica es la relación de paso de energía de un flujo por unidad de tiempo; es decir, la cantidad de energía entregada o absorbida por un elemento en un tiempo determinado. La unidad en el Sistema Internacional de Unidades es el vatio (W).

12. Transformación y Generación de Energía Eléctrica

La energía eléctrica es la transportada por la corriente eléctrica.

Es la forma de energía más utilizada en las sociedades industrializadas. Si miras a tu alrededor, verás multitud de objetos que usan la energía eléctrica para su funcionamiento. Esto se debe a estas características:

• Capacidad para transformarse con facilidad en otras formas de energía (lumínica: bombillas; calorífica: estufas).
• Es posible transportarla a largas distancias con bajos costes y rendimiento relativamente alto (no se pierde excesiva energía).

Se denominan centros o centrales de generación las instalaciones donde se transforma la energía primaria o secundaria en energía de consumo. Si esta energía de consumo es eléctrica, la central recibe el nombre de central eléctrica.

Una vez generada, esta energía de consumo debe ser transportada hasta los puntos donde se necesite. Ya en ellos, será distribuida: viviendas, alumbrado de las calles, industrias, etc.

Generación de Energía Eléctrica

Generación de Energía Eléctrica

Existen diversos tipos de centrales eléctricas que vienen determinados por la fuente de energía que utilizan para mover el rotor. Estas fuentes pueden ser convencionales (centrales hidráulicas o hidroeléctricas, térmicas y nucleares) y no convencionales (centrales eólicas, solares, mareomotrices y de biomasa).

Dentro de las energías no convencionales, las energías solares y eólicas son las que mayor implantación tienen en la actualidad, pero se está experimentando el uso de otras energías renovables, como la oceánica, además de la utilización de residuos orgánicos como fuente de energía.

Centrales Hidráulicas o Hidroeléctricas

En este tipo de centrales se aprovecha la energía potencial debida a la altura del agua para, haciéndola caer, convertirla en energía cinética. Esta energía moverá los álabes (paletas curvas) de una turbina situada al pie de la presa, cuyo eje está conectado al rotor de un generador, el cual se encarga de transformarla en energía eléctrica.

Si el agua desciende hasta un embalse situado a menor altura para, con posterioridad, ser bombeada hasta que alcance el embalse superior, con objeto de utilizarla de nuevo, nos encontramos frente a una central hidráulica de bombeo. Este tipo de central se construye en zonas donde existe la posibilidad de que en ciertas épocas del año no llegue suficiente agua al embalse superior y, por tanto, se necesite un aporte del inferior.

Centrales Térmicas

En estas centrales, la energía mecánica, necesaria para mover las turbinas que están conectadas al rotor del generador, proviene de la energía térmica (debida al movimiento de moléculas) contenida en el vapor de agua a presión, resultado del calentamiento del agua en una gran caldera.

El combustible que se utiliza para producir vapor de agua determina el tipo de central térmica: de petróleo (fuel), de gas natural o de carbón.

El proceso, en términos generales, es el siguiente: se utiliza uno de los combustibles citados para calentar el agua. A continuación, el vapor de agua producido se bombea a alta presión para que alcance una temperatura de 600 ºC. Acto seguido, entra en una turbina a través de un sistema de tuberías, hace girar la turbina y produce energía mecánica, la cual se transforma en energía eléctrica por medio de un generador que está acoplado a la turbina.

Centrales Nucleares

Se trata de centrales térmicas en las que la caldera ha sido sustituida por un reactor nuclear. Este, por reacciones de fisión (rotura) de los núcleos atómicos del combustible nuclear, generalmente uranio enriquecido (isótopo de uranio, 235 y 238), libera el calor necesario para calentar el agua y transformarla en el vapor que moverá las turbinas de un generador.

La ventaja principal de las centrales nucleares es su rentabilidad en la producción de energía; sin embargo, sus inconvenientes primordiales son la gestión y almacenamiento de los residuos radiactivos, así como el riesgo que para la población conlleva los posibles accidentes nucleares.

Centrales Eólicas

En las centrales eólicas o parques eólicos se aprovecha la energía cinética del viento para mover las palas de un rotor situado en lo alto de una torre (aerogenerador).

La potencia total y el rendimiento de la instalación dependen de dos factores: la situación del parque (velocidad y cantidad de horas de viento) y el número de aerogeneradores de que dispone.

Los aerogeneradores actuales alcanzan el máximo rendimiento con vientos de unos 45 km/h, con una velocidad mínima necesaria para comenzar a funcionar de unos 20 km/h, y la máxima, por razones de seguridad, de 100 km/h.

Existe un tipo de centrales eólicas denominadas aisladas. Se trata de instalaciones de reducido tamaño que las pequeñas industrias, estaciones de bombeo en explotaciones agrarias, viviendas, etc., utilizan para su autoconsumo.

Centrales Solares

Son instalaciones en las que se utiliza la energía procedente del sol. Existen dos clases principales de instalaciones, según el proceso de transformación usado: centrales fototérmicas y centrales fotovoltaicas.

Centrales Fototérmicas

En las centrales fototérmicas, la radiación solar se aprovecha de dos formas: con colectores solares, que absorben las radiaciones solares para producir calor, o con heliostatos, que reflejan la luz solar y la concentran en un punto para su utilización calorífica; en concreto, para calentar el agua de una caldera. En ambos casos, el vapor de agua producido se emplea para mover el rotor de un generador.

Centrales Fotovoltaicas

En las centrales fotovoltaicas se transforman en energía eléctrica mediante paneles de células fotovoltaicas, las radiaciones electromagnéticas emitidas por el sol.

Al igual que ocurre con la energía eólica, también existen centrales aisladas.

Las aplicaciones de la energía solar son muy variadas: desde alimentación de pequeñas calculadoras de bolsillo hasta el uso en automoción y astronáutica.

Centrales de Biomasa

La biomasa está constituida por todos los compuestos orgánicos producidos por procesos naturales.

La energía de la biomasa se puede obtener a partir de vegetación natural, residuos forestales y agrícolas (restos de poda, pajas, rastrojos) o cultivos específicos, como el girasol y la remolacha (cultivos energéticos).

La central de biomasa quema este tipo de combustible para producir vapor de agua, el cual mueve una turbina que, conectada a un generador, produce electricidad.

13. Efecto Joule

Se conoce como efecto Joule al fenómeno por el cual, si en un conductor circula corriente eléctrica, parte de la energía cinética de los electrones se transforma en calor debido a los choques que sufren con los átomos del material conductor por el que circulan, elevando la temperatura del mismo. El nombre es en honor a su descubridor, el físico británico James Prescott Joule.

14. Elementos de los Circuitos Eléctricos

En cualquier circuito eléctrico sencillo podemos distinguir diferentes tipos de elementos que cumplen una función determinada y que estudiamos a continuación:

Generadores

Son los elementos encargados de suministrar la energía al circuito, creando una diferencia de potencial entre sus terminales que permite que circule la corriente eléctrica.

Los elementos que se encargan de esta función son: las pilas, baterías, dinamos y alternadores.

Conductores

Son materiales que permiten el paso de la corriente eléctrica, por lo que se utilizan como unión entre los distintos elementos del circuito.

Generalmente son cables formados por hilos de cobre trenzado y recubiertos por un aislante plástico.

Receptores

Son los componentes que reciben la energía eléctrica y la transforman en otras formas más útiles para nosotros como: movimiento, luz, sonido o calor.

Algunos receptores muy comunes son: las lámparas, motores, estufas, altavoces, electrodomésticos, máquinas, etc.

Elementos de Control

Estos elementos nos permiten maniobrar con el circuito, conectando y desconectando sus diferentes elementos según nuestra voluntad.

Los elementos de control más empleados son los interruptores, pulsadores y conmutadores.