LA CORRIENTE ELÉCTRICA
Lo que conocemos como corriente eléctrica no es otra cosa que la circulación de cargas o electrones a través de un circuito eléctrico cerrado, que se mueven siempre del polo negativo al polo positivo de la fuente de suministro de fuerza electromotriz (FEM). En un circuito eléctrico cerrado la corriente circula siempre del polo negativo al polo positivo de la fuente de fuerza electromotriz. (FEM).
En un circuito eléctrico cerrado la. Corriente circula siempre del polo.
Negativo al polo positivo de la. Fuente de fuerza electromotriz. (FEM).
Quizás hayamos oído hablar o leído en algún texto que el sentido convencional de circulación de la corriente eléctrica por un circuito es a la inversa, o sea, del polo positivo al negativo de la fuente de FEM.
Ese planteamiento tiene su origen en razones históricas y no a cuestiones de la física y se debió a que en la época en que se formuló la teoría que trataba de explicar cómo fluía la corriente eléctrica por los metales, los físicos desconocían la existencia de los electrones o cargas negativas.
Al descubrirse los electrones como parte integrante de los átomos y principal componente de las cargas eléctricas, se descubrió también que las cargas eléctricas que proporciona una fuente de FEM (Fuerza Electromotriz), se mueven del signo negativo (–) hacia el positivo (+), de acuerdo con la ley física de que "cargas distintas se atraen y cargas iguales se rechazan". Debido al desconocimiento en aquellos momentos de la existencia de los electrones, la comunidad científica acordó que, convencionalmente, la corriente eléctrica se movía del polo positivo al negativo, de la misma forma que hubieran podido acordar lo contrario, como realmente ocurre. No obstante en la práctica, ese “error histórico” no influye para nada en lo que al estudio de la corriente eléctrica se refiere.
FUENTES DE FUERZA ELECTROMOTRIZ (FEM).
Como fuente de fuerza electromotriz se entiende cualquier dispositivo capaz de suministrar energía eléctrica dinámica, ya sea utilizando medios químicos, como las baterías, o electromecánicos, como ocurre con los generadores de corriente eléctrica.
Batería como las comúnmente utilizadas en coches y vehículos motorizados. Generador sincrónico
empleado para producir corriente alterna en centrales termoeléctricas de pequeño tamaño.
Existen también otros tipos de dispositivos como, por ejemplo, las fotoceldas o celdas solares, que convierten la luz en electricidad; los termopares, cuyos alambres transforman la alta temperatura que reciben en el punto de unión de dos de sus extremos en voltajes muy bajos, y los dispositivos piezoeléctricos, que también producen voltajes muy bajos cuando se ejerce una presión sobre ellos. Mediante el uso de celdas solares se puede suministrar energía eléctrica a viviendas situadas en lugares muy apartados donde es imposible o poco rentable transmitirla por cables desde una central eléctrica. Los termopares se utilizan como sensores en instrumentos electrónicos de precisión, como los destinados a medir, por ejemplo, temperatura en hornos y calderas. Los dispositivos piezoeléctricos constituyen, por su parte, la pieza fundamental para convertir las vibraciones mecánicas que capta dicho dispositivo en pulsaciones eléctricas, como ocurre en algunos tipos de micrófonos y en las cápsulas de tocadiscos o giradiscos.
QUÉ ES LA FUERZA ELECTROMOTRIZ (FEM).
Se denomina fuerza electromotriz (FEM) a la energía proveniente de cualquier fuente, medio o dispositivo que suministre corriente eléctrica. Para ello se necesita la existencia de una diferencia de potencial entre dos puntos o polos (uno negativo y el otro positivo) de dicha fuente, que sea capaz de bombear o impulsar las cargas eléctricas a través de un circuito cerrado.
A. Circuito eléctrico abierto (sin carga o resistencia). Por tanto, no se establece la circulación de la corriente eléctrica desde la fuente de FEM (la batería en este caso).
B. Circuito eléctrico cerrado, con una carga o resistencia acoplada, a través de la cual se establece la circulación de un flujo de corriente eléctrica desde el polo negativo hacia el polo positivo de la fuente de FEM o batería.
Existen diferentes dispositivos capaces de suministrar energía eléctrica, entre los que podemos citar:
Pilas o baterías. Son las fuentes de FEM más conocidas del gran público. Generan energía eléctrica por medios químicos. Las más comunes y corrientes son las de carbón-zinc y las alcalinas, que cuando se agotan no admiten recarga. Las hay también de níquel-cadmio (NiCd), de níquel e hidruro metálico (Ni-MH) y de ión de litio (Li-ion), recargables. En los automóviles se utilizan baterías de plomo-ácido, que emplean como electrodos placas de plomo y como electrolito ácido sulfúrico mezclado con agua destilada.
Máquinas electromagnéticas. Generan energía eléctrica utilizando medios magnéticos y mecánicos. Es el caso de las dinamos y generadores pequeños utilizados en vehículos automotores, plantas eléctricas portátiles y otros usos diversos, así como los de grandes tamaños empleados en las centrales hidráulicas, térmicas y atómicas, que suministran energía eléctrica a industrias y ciudades.
COMPONENTES FUNDAMENTALES DE UN CIRCUITO ELÉCTRICO.
Para decir que existe un circuito eléctrico cualquiera, es necesario disponer siempre de tres componentes o elementos fundamentales:
Una fuente (E) de fuerza electromotriz (FEM), que suministre la energía eléctrica necesaria en volt.
El flujo de una intensidad (I) de corriente de electrones en ampere.
Existencia de una resistencia o carga (R) en ohm, conectada al circuito, que consuma la energía que proporciona la fuente de fuerza electromotriz y la transforme en energía útil, como puede ser, encender una lámpara, proporcionar frío o calor, poner en movimiento un motor, amplificar sonidos por un altavoz, reproducir imágenes en una pantalla, etc.
Izquierda: circuito eléctrico compuesto por una fuente de fuerza<electromotriz (FEM), representada
Por una pila; un flujo de corriente (I) y una resistencia o carga eléctrica (R).
Derecha: el mismo circuito eléctrico representado de forma esquemática.
Si no se cuentan con esos tres componentes, no se puede decir que exista un circuito eléctrico.
Los circuitos pueden ser simples, como el de una bombilla de alumbrado o complejo como los que emplean los dispositivos electrónicos.
Izquierda: circuito eléctrico simple compuesto por una bombilla incandescente conectada
a una fuente de FEM doméstica.
Derecha: circuito eléctrico complejo integrado por componentes electrónicos.
UNIDADES DE MEDIDA DE LOS COMPONENTES QUE AFECTAN
AL CIRCUITO ELÉCTRICO.
La tensión que es la fuente de energía eléctrica, y se proporciona al circuito, se mide en volt y se representa con la letra (V).
La intensidad del flujo de la corriente (I), se mide en ampere y se representa con la letra (A).
La resistencia (R) de la carga o consumidor conectado al propio circuito, se mide en ohm y se representa con la letra griega omega ( ).
Estos tres componentes están muy íntimamente relacionados entre sí y los valores de sus parámetros varían proporcionalmente de acuerdo con la Ley de Ohm. El cambio del parámetro de uno de ellos, implica el cambio inmediato de parámetro de los demás. Las unidades de medidas del circuito eléctrico tienen también múltiplos y submúltiplos como, por ejemplo, el kilovolt (kV), milivolt (mV), miliampere (mA), kilohm (k) y megohm (M).
FÓRMULA MATEMÁTICA GENERAL DE REPRESENTACIÓN DE LA LEY DE OHM.
POSTULADO GENERAL DE LA LEY DE OHM
EL FLUJO DE CORRIENTE EN AMPERE QUE CIRCULA POR UN CIRCUITO ELÉCTRICO CERRADO, ES DIRECTAMENTE PROPORCIONAL A LA TENSIÓN O VOLTAJE APLICADO, E INVERSAMENTE PROPORCIONAL A LA RESISTENCIA EN OHM DE LA CARGA QUE TIENE CONECTADA.
Desde el punto de vista matemático el postulado anterior se puede representar por medio de la siguiente Fórmula General de la Ley de Ohm:
VARIANTE PRÁCTICA. Aquellas personas menos relacionadas con el despeje de fórmulas matemáticas pueden realizar también los cálculos de tensión, corriente y resistencia correspondientes a la Ley de Ohm, de una forma más fácil utilizando el siguiente recurso práctico:
Con esta variante sólo será necesario tapar con un dedo la letra que representa el valor de la incógnita que queremos conocer y de inmediato quedará indicada con las otras dos letras cuál es la operación matemática que será necesario realizar.
HALLAR EL VALOR EN OHM DE UNA RESISTENCIA. Para calcular, por ejemplo, el valor de la resistencia "R" en ohm de una carga conectada a un circuito eléctrico cerrado que tiene aplicada una tensión o voltaje "V" de 1,5 volt y por el cual circula el flujo de una corriente eléctrica de 500 miliampere (mA) de intensidad, procedemos de la siguiente forma:
Tapamos la letra “R” (que representa el valor de la incógnita que queremos despejar, en este caso la resistencia "R" en ohm) y nos queda representada la operación matemática que debemos realizar:
Como se puede observar, la operación matemática que queda indicada será: dividir el valor de la tensión o voltaje "V", por el valor de la intensidad de la corriente " I “, en ampere (A). Una vez realizada la operación, el resultado será el valor en ohm de la resistencia "R”.
En este ejemplo específico tenemos que el valor de la tensión que proporciona la fuente de fuerza electromotriz (FEM) (el de una batería en este caso), es de 1,5 volt, mientras que la intensidad de la corriente que fluye por el circuito eléctrico cerrado es de 500 miliampere (mA).
Como ya conocemos, para trabajar con la fórmula es necesario que el valor de la intensidad esté dado en ampere, sin embargo, en este caso la intensidad de la corriente que circula por ese circuito no llega a 1 ampere. Por tanto, para realizar correctamente esta simple operación matemática de división, será necesario convertir primero los 500 miliampere en ampere, pues de lo contrario el resultado sería erróneo. Para efectuar dicha conversión dividimos 500 mA entre 1000:
Como vemos, el resultado obtenido es que 500 miliampere equivalen a 0,5 ampere, por lo que procedemos a sustituir, seguidamente, los valores numéricos para poder hallar cuántos ohm tiene la resistencia del circuito eléctrico con el que estamos trabajando, tal como se muestra a continuación:.
Como se puede observar, el resultado de la operación matemática arroja que el valor de la resistencia "R" conectada al circuito es de 3 ohm.
HALLAR EL VALOR DE INTENSIDAD DE LA CORRIENTE. Veamos ahora qué ocurre con la intensidad de la corriente eléctrica en el caso que la resistencia "R", en lugar de tener 3 ohm, como en el ejemplo anterior, tiene ahora 6 ohm. En esta oportunidad la incógnita a despejar sería el valor de la corriente " I ", por tanto tapamos esa letra:
A continuación sustituimos “V” por el valor de la tensión de la batería (1,5 V) y la “R” por el valor de la resistencia, o sea, 6 . A continuación efectuamos la operación matemática dividiendo el valor de la tensión o voltaje entre el valor de la resistencia:
En este resultado podemos comprobar que la resistencia es inversamente proporcional al valor de la corriente, porque cuando el valor de "R" aumenta de 3 a 6 ohm, la intensidad " I " de la corriente también, varía, pero disminuyendo su valor de 0, 5 a 0,25 ampere.
HALLAR EL VALOR DE LA TENSIÓN O VOLTAJE. Ahora, para hallar el valor de la tensión o voltaje "V" aplicado a un circuito, siempre que se conozca el valor de la intensidad de la corriente " I " en ampere que lo recorre y el valor en ohm de la resistencia "R" del consumidor o carga que tiene conectada, podemos seguir el mismo procedimiento tapando en esta ocasión la "V”, que es la incógnita que queremos despejar.
A continuación sustituyendo los valores de la intensidad de corriente " I " y de la resistencia "R" del ejemplo anterior y tendremos:
El resultado que obtenemos de esta operación de multiplicar será 1,5 V, correspondiente a la diferencia de potencial o fuerza electromotriz (FEM), que proporciona la batería conectada al circuito.
Los más entendidos en matemáticas pueden utilizar directamente la Fórmula General de la Ley de Ohm realizando los correspondientes despejes para hallar las incógnitas. Para hallar el valor de la intensidad "I" se emplea la representación matemática de la fórmula general de esta Ley:
De donde:
I – Intensidad de la corriente que recorre el circuito en ampere (A)
E – Valor de la tensión, voltaje o fuerza electromotriz en volt (V)
R – Valor de la resistencia del consumidor o carga conectado al circuito en ohm ( ).
Si, por el contrario, lo que deseamos es hallar el valor de la resistencia conectada al circuito, despejamos la “R” en la fórmula de la forma siguiente:
Y por último, para hallar la tensión despejamos la fórmula así y como en los casos anteriores, sustituimos las letras por los correspondientes valores conocidos:
VOLTAJE, TENSIÓN O DIFERENCIA DE POTENCIAL.
El voltaje, tensión o diferencia de potencial es la presión que ejerce una fuente de suministro de energía eléctrica o fuerza electromotriz (FEM) sobre las cargas eléctricas o electrones en un circuito eléctrico cerrado, para que se establezca el flujo de una corriente eléctrica.
A mayor diferencia de potencial o presión que ejerza una fuente de FEM sobre las cargas eléctricas o electrones contenidos en un conductor, mayor será el voltaje o tensión existente en el circuito al que corresponda ese conductor.
Las cargas eléctricas en un circuito cerrado fluyen del polo negativo al polo
positivo de la propia fuente de fuerza electromotriz.
La diferencia de potencial entre dos puntos de una fuente de FEM se manifiesta como la acumulación de<cargas eléctricas negativas (iones negativos o aniones), con exceso de electrones en el polo negativo (–), y la acumulación de cargas eléctricas positivas (iones positivos o cationes), con defecto de electrones en el polo positivo (+) de la propia fuente de FEM.
A la izquierda podemos apreciar la estructura completa de un átomo de cobre (Cu) en estado "neutro",
con un solo electrón girando en su última órbita y.
A la derecha un "ion" cobre, después que el átomo ha perdido el único electrón
que posee en su órbita más externa.
Debido a que en esas condiciones la carga positiva de los protones supera a las cargas negativas
de los electrones que aún continúan girando en el resto de las órbitas,
el ion se denomina en este caso "catión", por tener carga positiva.
En otras palabras, el voltaje, tensión o diferencia de potencial es el impulso que necesita una carga eléctrica para que pueda fluir por el conductor de un circuito eléctrico cerrado. Este movimiento de las cargas eléctricas por el circuito se establece a partir del polo negativo de la fuente de FEM hasta el polo positivo de la propia fuente.
MEDICIÓN DE LA TENSIÓN O VOLTAJE.
Para medir tensión o voltaje existente en una fuente de fuerza electromotriz (FEM) o en un circuito eléctrico, es necesario disponer de un instrumento de medición llamado voltímetro, que puede ser tanto del tipo analógico como digital.
El voltímetro se instala de forma paralela en relación con la fuente de suministro de energía eléctrica. Mediante un multímetro o “tester” que mida voltaje podemos realizar también esa medición. Los voltajes bajos o de baja tensión se miden en volt y se representa por la letra (V), mientras que los voltajes medios y altos (alta tensión) se miden en kilovolt, y se representan por las iniciales (kV).
1. Voltímetro analógico. 2. Voltímetro digital. 3. Miliamperímetro analógico. 4. Amperímetro digital.
2. El voltímetro siempre se conecta en paralelo con la fuente de suministro de fuerza electromotriz.
3. Mientras que el amperímetro y el miliamperímetro se colocan en serie.
DIFERENCIAS ENTRE LA ALTA, BAJA Y MEDIA TENSIÓN.
Alta tensión. Se emplea para transportar altas tensiones a grandes distancias, desde las centrales generadoras hasta las subestaciones de transformadores. Su transportación se efectúa utilizando gruesos cables que cuelgan de grandes aisladores sujetos a altas torres metálicas. Las altas tensiones son aquellas que superan los 25 kV (kilovolt).
Media tensión. Son tensiones mayores de 1 kV y menores de 25 kV. Se emplea para transportar tensiones medias desde las subestaciones hasta las subestaciones o bancos de transformadores de baja tensión, a partir de los cuales se suministra la corriente eléctrica a las ciudades. Los cables de media tensión pueden ir colgados en torres metálicas, soportados en postes de madera o cemento, o encontrarse soterrados, como ocurre en la mayoría de las grandes ciudades.
Baja tensión. Tensiones inferiores a 1 kV que se reducen todavía más para que se puedan emplear en la industria, el alumbrado público y el hogar. Las tensiones más utilizadas en la industria son 220, 380 y 440 volt de corriente alterna y en los hogares entre 110 y 120 volt para la mayoría de los países de América y 220 volt para Europa.
Hay que destacar que las tensiones que se utilizan en la industria y la que llega a nuestras casas son alterna (C.A.), cuya frecuencia en América es de 60 ciclos o hertz (Hz), y en Europa de 50 ciclos o hertz.
Aunque desde hace años el Sistema Internacional de Medidas (SI) estableció oficialmente como “volt” el nombre para designar la unidad de medida del voltaje, tensión eléctrica o diferencia de potencial, en algunos países de habla hispana se le continúa llamando “voltio”.
El volt recibe ese nombre en honor al físico italiano Alessandro Volta (1745 – 1827), inventor de la pila eléctrica conocida como “pila de Volta”, elemento precursor de las actuales pilas y baterías eléctricas.
QUÉ ES LA RESISTENCIA ELÉCTRICA.
Resistencia eléctrica es toda oposición que encuentra la corriente a su paso por un circuito eléctrico cerrado, atenuando o frenando el libre flujo de circulación de las cargas eléctricas o electrones. Cualquier dispositivo o consumidor conectado a un circuito eléctrico representa en sí una carga, resistencia u obstáculo para la circulación de la corriente eléctrica.
A.- Electrones fluyendo por un buen conductor eléctrico, que ofrece baja resistencia.
B.- Electrones fluyendo por un mal conductor eléctrico, que ofrece alta resistencia a su paso.
En ese caso los electrones chocan unos contra otros al no poder circulan
Libremente y, como consecuencia, generan calor.
Normalmente los electrones tratan de circular por el circuito eléctrico de una forma más o menos organizada, de acuerdo con la resistencia que encuentren a su paso. Mientras menor sea esa resistencia, mayor será el orden existente en el micro mundo de los electrones; pero cuando la resistencia es elevada, comienzan a chocar unos con otros y a liberar energía en forma de calor. Esa situación hace que siempre se eleve algo la temperatura del conductor y que, además, adquiera valores más altos en el punto donde los electrones encuentren una mayor resistencia a su paso.
INTENSIDAD DE LA CORRIENTE ELÉCTRICA.
La intensidad del flujo de los electrones de una corriente eléctrica que circula por un circuito cerrado depende fundamentalmente de la tensión o voltaje (V) que se aplique y de la resistencia (R) en ohm que ofrezca al paso de esa corriente la carga o consumidor conectado al circuito. Si una carga ofrece poca resistencia al paso de la corriente, la cantidad de electrones que circulen por el circuito será mayor en comparación con otra carga que ofrezca mayor resistencia y obstaculice más el paso de los electrones.
Analogía hidráulica.
El tubo del depósito "A", al tener un diámetro reducido, ofrece más resistencia a la salida del líquido que el tubo del tanque "B", que tiene mayor diámetro.
Por tanto, el caudal o cantidad de agua que sale por el tubo "B" será mayor que la que sale por el tubo "A".
Mediante la representación de una analogía hidráulica se puede entender mejor este concepto. Si tenemos dos depósitos de líquido de igual capacidad, situados a una misma altura, el caudal de salida de líquido del depósito que tiene el tubo de salida de menos diámetro será menor que el caudal que proporciona otro depósito con un tubo de salida de más ancho o diámetro, pues este último ofrece menos resistencia a la salida del líquido.
De la misma forma, una carga o consumidor que posea una resistencia de un valor alto en ohm, provocará que la circulación de los electrones se dificulte igual que lo hace el tubo de menor diámetro en la analogía hidráulica, mientras que otro consumidor con menor resistencia (caso del tubo de mayor diámetro) dejará pasar mayor cantidad de electrones. La diferencia en la cantidad de líquido que sale por los tubos de los dos tanques del ejemplo, se asemeja a la mayor o menor cantidad de electrones que pueden circular por un circuito eléctrico cuando se encuentra con la resistencia que ofrece la carga o consumidor.
La intensidad de la corriente eléctrica se designa con la letra (I) y su unidad de medida en el Sistema Internacional (SI) es el ampere (llamado también “amperio”), que se identifica con la letra (A).
EL AMPERE.
De acuerdo con la Ley de Ohm, la corriente eléctrica en ampere (A) que circula por un circuito está estrechamente relacionada con el voltaje o tensión (V) y la resistencia en ohm ( ) de la carga o consumidor conectado al circuito.
DEFINICIÓN DE AMPERE.
Un ampere (1 A) se define como la corriente que produce una tensión de un volt (1 V), cuando se aplica a una resistencia de un ohm (1 ).
Un ampere equivale a una carga eléctrica de un coulomb por segundo (1C/seg) circulando por un circuito eléctrico, o lo que es igual, 6 300 000 000 000 000 000 = (6,3 • 1018) (seis mil trescientos billones) de electrones por segundo fluyendo por el conductor de dicho circuito. Por tanto, la intensidad (I) de una corriente eléctrica equivale a la cantidad de carga eléctrica (Q) en coulomb que fluye por un circuito cerrado en una unidad de tiempo.
Los submúltiplos más utilizados del ampere son los siguientes:
miliampere ( mA ) = 10-3 A = 0,001 ampere
microampere ( mA ) = 10-6 A = 0, 000 000 1 ampere.
MEDICIÓN DE LA INTENSIDAD DE LA CORRIENTE ELÉCTRICA O AMPERAJE.
La medición de la corriente que fluye por un circuito cerrado se realiza por medio de un amperímetro
o un miliamperímetro, según sea el caso, conectado en serie en el propio circuito eléctrico.
Para medir ampere se emplea el "amperímetro"
y para medir milésimas de ampere se emplea el miliamperímetro.
La intensidad de circulación de corriente eléctrica por un circuito cerrado se puede medir por medio de un amperímetro conectado en serie con el circuito o mediante inducción electromagnética utilizando un amperímetro de gancho. Para medir intensidades bajas de corriente se puede utilizar también un multímetro que mida miliampere (mA).
Amperímetro de gancho Multímetro digital Multímetro analógico.
El ampere como unidad de medida se utiliza, fundamentalmente, para medir la corriente que circula por circuitos eléctricos de fuerza en la industria, o en las redes eléctricas doméstica, mientras que los submúltiplos se emplean mayormente para medir corrientes de poca intensidad que circulan por los circuitos electrónicos.
TIPOS DE CORRIENTE ELÉCTRICA.
En la práctica, los dos tipos de corrientes eléctricas más comunes son: corriente directa (CD) o continua y corriente alterna (CA). La corriente directa circula siempre en un solo sentido, es decir, del polo negativo al positivo de la fuente de fuerza electromotriz (FEM) que la suministra. Esa corriente mantiene siempre fija su polaridad, como es el caso de las pilas, baterías y dinamos.
- Gráfico de una corriente directa (C.D.) o continua (C.C.).
- Gráfico de la sinusoide que posee una corriente alterna (C.A.).
La corriente alterna se diferencia de la directa en que cambia su sentido de circulación periódicamente y, por tanto, su polaridad. Esto ocurre tantas veces como frecuencia en hertz (Hz) tenga esa corriente.
A la corriente directa (C.D.) también se le llama "corriente continua" (C.C.).
La corriente alterna es el tipo de corriente más empleado en la industria y es también la que consumimos en nuestros hogares. La corriente alterna de uso doméstico e industrial cambia su polaridad o sentido de circulación 50 ó 60 veces por segundo, según el país de que se trate. Esto se conoce como frecuencia de la corriente alterna.
En los países de Europa la corriente alterna posee 50 ciclos o hertz (Hz) por segundo de frecuencia, mientras que los en los países de América la frecuencia es de 60 ciclos o hertz.
Aunque desde hace años el Sistema Internacional de Medidas (SI) estableció oficialmente como “ampere” el nombre para designar la unidad de medida del amperaje o intensidad de la corriente eléctrica, en algunos países de habla hispana se le continúa llamando “amperio”.
El ampere recibe ese nombre en honor al físico y matemático francés André-Marie Ampère (1775 – 1836), quién demostró que la corriente eléctrica, al circular a través de un conductor, producía un campo magnético a su alrededor. Este físico formuló también la denominada “Ley de Ampere”.
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