Circuitos Eléctricos: Componentes, Magnitudes y Seguridad

Circuitos Eléctricos: Fundamentos y Componentes

Un circuito eléctrico es un conjunto de elementos utilizados para la transmisión y control de la energía eléctrica, desde el generador hasta el receptor. La corriente eléctrica es una corriente de electrones, que puede ser continua o alterna. En Europa, la frecuencia de la corriente alterna es de 50 Hz, mientras que en Estados Unidos es de 60 Hz.

Estructura Atómica y Corriente Eléctrica

El átomo está formado por un núcleo con protones (carga positiva) y neutrones. Los electrones (carga negativa) giran alrededor del núcleo. Si un átomo pierde un electrón, se convierte en un ion positivo (catión); si gana un electrón, se convierte en un ion negativo (anión).

Generadores de Corriente Continua

• Dinamo: Generador de corriente continua.
• Frotación: Generación por fricción.
• Pilas de hidrógeno o combustible.
• Pilas eléctricas.
• Placas fotovoltaicas.
• Conversores termoeléctricos.

Características de los Circuitos de Corriente Continua

• Circuito cerrado: Los electrones circulan por el circuito.
• Circuito abierto: No hay circulación de electrones ni transmisión de energía.
• Cortocircuito: Error de diseño; ningún receptor entre los polos del generador.

Analogía con un circuito hidráulico: Una bomba impulsa agua a través de una tubería (caudal). El agua regresa al punto de origen. En un circuito eléctrico, el generador impulsa electrones a través de un conductor (voltaje e intensidad de corriente). El electrón cede energía (haciendo funcionar un motor, por ejemplo) y regresa al generador.

Magnitudes Eléctricas

• Intensidad (I): Cantidad de electrones que circulan por un punto del circuito. Se mide en amperios (A). 1 culombio = 6,24 x 10¹⁸ electrones. I = Q (carga) / T (tiempo). Submúltiplos: miliamperio (0,001 A), microamperio (0,000001 A).
• Resistencia (R): Oposición al paso de la corriente eléctrica. Se mide en ohmios (Ω). R = ρ (resistividad, Ω·mm²/m) x L (longitud del cable, m) / S (sección del conductor, mm²).
  • Materiales aislantes: No conducen la electricidad o son malos conductores.
  • Materiales conductores: Conducen bien la electricidad.
  • Superconductores: Materiales de última generación que no ofrecen resistencia al paso de la corriente.
  • Semiconductores: Permiten el paso de la corriente dependiendo de factores como la luz, etc.
• Voltaje (V): Energía necesaria para transportar una unidad de carga (culombio) de un punto a otro.
• Fuerza electromotriz (FEM): Energía consumida por un generador de corriente para transportar una unidad de carga desde el polo positivo al negativo.

Ley de Ohm y Efecto Joule

Ley de Ohm: I = V / R

Efecto Joule: E (energía suministrada en julios) = Q (culombios) x V (voltios) = I x t x V. 1 julio = 0,24 calorías. 1 caloría = 4,18 julios.

Polímetro

El polímetro es un instrumento para medir ohmios, voltios y amperios. Pueden ser analógicos o digitales y permiten medir diferentes magnitudes (resistencia, etc.). Su manejo es sencillo.

Elementos de un Circuito

• Genérico: Energía, conversor, transformador, acumulador de energía, elemento de protección, elemento de control, receptores.
• Eléctrico: Energía (viento), conversor/generador, transformador, electricidad, acumulador de energía (pilas), elemento de protección (fusibles), elemento de control (interruptores), receptor (lámpara).

Generadores de Corriente Eléctrica

Son máquinas que transforman cualquier tipo de energía en electricidad. Un generador está constituido por un circuito que ofrece resistencia al paso de los electrones (resistencia interna, r). E1 = I² x r x t

• Generadores de corriente continua: La corriente generada se caracteriza por:
  • Dinamo: Aprovecha la energía mecánica de rotación (por ejemplo, de una rueda).
  • Placa fotovoltaica: Aprovecha la luminosidad del sol para convertirla en energía eléctrica.
• Generadores de corriente alterna: Los electrones se mueven por el conductor en un sentido y, al instante, en el sentido contrario.

Acoplamiento de Generadores

En un mismo circuito puede haber más de un generador. Tipos de acoplamiento:

• En serie.
• En paralelo.
• Mixto.

Acumuladores de Corriente Eléctrica

Los más empleados son los condensadores, pilas y baterías.

• Condensadores: Dos placas conductoras separadas por un dieléctrico. Cuando se cargan, se comportan como receptores. Q (culombios) = V x C (faradios). Acoplamiento de condensadores: en serie, en paralelo, mixto.
• Pilas y baterías: Acumuladores que transforman energía química en eléctrica. Funcionan como generadores de corriente eléctrica (90%). Tienen resistencia interna. Capacidad: Cantidad de electrones que suministra una pila o batería durante la descarga (amperios). 1 A = 3600 culombios. Fuerza electromotriz: Voltaje entre sus bornes. V = E - (r x I). Acoplamiento de pilas y baterías: Funciona igual que con los condensadores.

Receptores

Acoplamiento de receptores: en serie, etc.

Resolución de Circuitos: Leyes de Kirchhoff

Resolución de problemas de una malla:

1. Establecer el sentido de la intensidad de corriente.
2. Establecer el sentido del recorrido. La FEM es positiva si va del borne positivo al negativo. La caída de tensión de un receptor es positiva cuando va del polo positivo al negativo.

Con varias mallas:

1. Dibujar el esquema claramente.
2. Señalar los sentidos de las intensidades (I).
3. Aplicar la primera ley a todos los nodos menos uno (por ejemplo, a y b). Al nodo a o b: I1 = I2 + I3.
4. Aplicar la segunda ley. Malla 1: (V2 - V1 - V5) + (I2 x R1 + I1 x R2) = 0

Distribución de Energía Eléctrica

La corriente alterna tiene propiedades que la hacen insustituible.

Transformadores Eléctricos

Máquinas estáticas que se emplean para transformar energía eléctrica primaria en secundaria. Componentes:

• Núcleo: Circuito de flujo magnético.
• Bobinado primario: Formado por espiras.
• Bobinado secundario: Espiras que generan la FEM.

P1 = P2 -> P1 = V1 x I1 y P2 = V2 x I2

Caída de tensión: Caso A: Si se eleva la tensión mediante un transformador hasta 10 kV, la intensidad que circularía por los conductores sería: I = P / V. Potencia disipada por calor: P = I² x R

Cálculo de líneas:

• Potencia: S = (2 x ρ x L x P) / (V x e)
• Caída de tensión: S = (200 x ρ x L x P) / (V% x e²)

Normas de Seguridad en Instalaciones Eléctricas (REBT)

Están reguladas por el Reglamento Electrotécnico para Baja Tensión (REBT). Características de los conductores:

• Aislamiento: Tipo V (PVC).
• Identificación de colores (corriente monofásica):
  • Amarillo-verde: Toma de tierra.
  • Azul, negro, marrón: Para fase.
• Sección mínima del cable:
  • 1,5 mm²: Alumbrado.
  • 2,5 mm²: Enchufes.
  • 4 mm²: Lavadora.
  • 6 mm²: Cocina.

Situación de los conductores en paredes: Los cables van por el interior de la pared, dentro de un tubo.

Cuartos de baño o aseos: Hay dos zonas restringidas:

• Volumen de prohibición: No instalar elementos eléctricos.
• Volumen de protección: No instalar interruptores ni conmutadores.

Accidentes Producidos por la Electricidad

La electricidad es una de las energías más utilizadas y también una de las más peligrosas.

• Contacto directo: Alguna parte de nuestro cuerpo está en contacto con cables o aparatos eléctricos con tensión.
• Contactos indirectos: La falta de mantenimiento puede producir una baja tensión.
• Quemaduras por arco eléctrico: Dos puntos a diferente potencial se unen mediante un elemento de baja resistencia eléctrica.

Maneras de evitarlo:

• No utilizar aparatos eléctricos con los pies húmedos.
• No gastar bromas con la electricidad.
• Revisar los equipos antes de utilizarlos.
• Respetar las señalizaciones.