Curso de Electricidad: Circuito Eléctrico

El circuito eléctrico es parecido a un circuito hidráulico ya que puede considerarse como el camino que recorre la corriente (el agua) desde un generador de tensión (también denominado como fuente) hacia un dispositivo consumidor o carga. La carga es todo aquello que consume energía para producir trabajo: la carga del circuito puede ser una lámpara, un motor, etc. (en el ejemplo de la ilustración la carga del circuito es una sierra que produce un trabajo).La corriente, al igual que el agua, circula a través de unos canales o tuberías; son los cables conductores y por ellos fluyen los electrones hacia los elementos consumidores.

En el circuito hidráulico, la diferencia de niveles creada por la fuente proporciona una presión tensión en el circuito eléctrico) que provoca la circulación de un caudal de líquido (intensidad); la longitud y la sección del canal ofrecen un freno al paso del caudal (resistencia eléctrica al paso de los electrones).De modo análogo en el circuito eléctrico, la corriente que fluye por un conductor depende de la tensión aplicada a sus extremos y la resistencia que oponga el material conductor; cuanto menor sea la resistencia mejor circulará la corriente.

La corriente eléctrica puede manifestarse de dos modos diferentes: de forma continua o alterna. La diferencia entre corriente continua y alterna radica en la fuente que la produce, aunque los efectos se manifiestan de idéntico modo

La corriente continua (CC en español, en inglés DC, de Direct Current) se refiere al flujo continuo de carga eléctrica a través de un conductor entre dos puntos de distinto potencial, que no cambia de sentido con el tiempo. A diferencia de la corriente alterna (CA en español, AC en inglés, de Alternating Current), en la corriente continua las cargas eléctricas circulan siempre en la misma dirección. Aunque comúnmente se identifica la corriente continua con una corriente constante, es continua toda corriente que mantenga siempre la misma polaridad, así disminuya su intensidad conforme se va consumiendo la carga (por ejemplo cuando se descarga una batería eléctrica).

También se dice corriente continua cuando los electrones se mueven siempre en el mismo sentido, el flujo se denomina corriente continua y va (por convenio) del polo positivo al negativo.

La corriente continua no varía su valor en función del tiempo: en la pantalla de un osciloscopio aparece como una línea horizontal referenciada a un nivel de cero voltios (línea de masa). La distancia de la línea de tensión a la línea de masa indica la magnitud (amplitud) de la tensión.

Se denomina corriente alterna (abreviada CA en español y AC en inglés, de alternating current) a la corriente eléctrica en la que la magnitud y el sentido varían cíclica mente.

La forma de oscilación de la corriente alterna más comúnmente utilizada es la oscilación senoidal con la que se consigue una transmisión más eficiente de la energía, a tal punto que al hablar de corriente alterna se sobrentiende que se refiere a la corriente alterna senoidal.

Sin embargo, en ciertas aplicaciones se utilizan otras formas de oscilación periódicas, tales como la triangular o la cuadrada.

Utilizada genéricamente, la CA se refiere a la forma en la cual la electricidad llega a los hogares y a las industrias. Sin embargo, las señales de audio y de radio transmitidas por los cables eléctricos, son también ejemplos de corriente alterna. En estos usos, el fin más importante suele ser la transmisión y recuperación de la información codificada (o modulada) sobre la señal de la CA.

La corriente alterna cambia de polaridad cíclicamente siendo alternativamente positiva y negativa respectivamente.La forma de onda depende del generador que la produce, pero siempre hay una línea de cero voltios que divide a la onda en dos picos simétricos. Las características de la corriente alterna son: la frecuencia(ciclos en un segundo) y la tensión de pico a pico; aunque suele utilizarse el valor de tensión eficaz (tensiónRMS)

se llama sinusoide o senoide la curva que representa gráficamente la función seno y también a dicha función en sí.

Símil hidráulico El movimiento alternativo origina ondas oscilantes en circuito hidráulico que se utilizan para generar el trabajo

Clases de Circuitos

Los elementos consumidores que se hallan conectados a un circuito eléctrico, tales como lámparas, motores, resistencias, etc., pueden acoplarse de dos modos: en serie y en paralelo; cada disposición ofrece unas características eléctricas diferentes.

Componente: Un dispositivo con dos o más terminales en el que puede fluir interiormente una carga. En la figura se ven 9 componentes entre resistores y fuentes.
Nodo: Punto de un circuito donde concurren más de dos conductores. A, B, C, D, E son nodos. Nótese que C no es considerado como un nuevo nodo, puesto que se puede considerar como un mismo nodo en A, ya que entre ellos no existe diferencia de potencial o tener tensión 0 (V_A - V_C = 0).
Rama: Conjunto de todas las ramas comprendidos entre dos nodos consecutivos. En la figura 1 se hallan siete ramales: AB por la fuente, BC por R1, AD, AE, BD, BE y DE. Obviamente, por un ramal sólo puede circular una corriente.
Malla: Cualquier camino cerrado en un circuito eléctrico.
Fuente: Componente que se encarga de transformar algún tipo de energía en energía eléctrica. En el circuito de la figura 1 hay tres fuentes: una de intensidad, I, y dos de tensión, E1 y E2.
Conductor: Comúnmente llamado cable; es un hilo de resistencia despreciable (idealmente cero) que une los elementos para formar el circuito.

Los circuitos eléctricos se clasifican de la siguiente forma:

{\color{Blue}\mbox{Tipo de señal}} \quad \begin{cases} \mbox{Corriente continua} \\ \mbox{Corriente alterna} \end{cases}

{\color{Blue}\mbox{Tipo de régimen}} \quad \begin{cases} \mbox{Corriente periódica} \\ \mbox{Corriente transitoria} \\ \mbox{Permanente} \end{cases}

{\color{Blue}\mbox{Tipos de componentes}} \quad \begin{cases} \mbox{Eléctricos} \\ \mbox{Electrónicos} \quad {\begin{cases} \mbox{Digitales}\\ \mbox{Analógicos} \\ \mbox{Mixtos} \end{cases}} \end{cases}

{\color{Blue}\mbox{Tipo de configuración}} \quad \begin{cases} \mbox{Serie} \\ \mbox{Paralelo} \\ \mbox{Mixto} \end{cases}

Existen unas leyes fundamentales que rigen en cualquier circuito eléctrico. Estas son:

Ley de corriente de Kirchhoff: La suma de las corrientes que entran por un nodo debe ser igual a la suma de las corrientes que salen por ese nodo.
Ley de tensiones de Kirchhoff: La suma de las tensiones en un lazo debe ser 0.
Ley de Ohm: La tensión en una resistencia es igual al producto del valor de dicha resistencia por la corriente que fluye a través de ella.
Teorema de Norton: Cualquier red que tenga una fuente de tensión o de corriente y al menos una resistencia es equivalente a una fuente ideal de corriente en paralelo con una resistencia.
Teorema de Thévenin: Cualquier red que tenga una fuente de tensión o de corriente y al menos una resistencia es equivalente a una fuente ideal de tensión en serie con una resistencia.
Teorema de superposición: En una red eléctrica con varias fuentes independientes, la respuesta de una rama determinada cuando todas las fuentes están activas simultáneamente es igual a la suma lineal de las respuestas individuales tomando una fuente independiente a la vez.

Si el circuito eléctrico tiene componentes no lineales y reactivos, 
pueden necesitarse otras leyes mucho más complejas. Al aplicar estas 
leyes o teoremas se producirá un sistema de ecuaciones lineales que pueden ser resueltas manualmente o por computadora.

Circuitos en serie
Los circuitos en serie son aquellos que disponen de dos o más operadores conectados seguidos, es decir, en el mismo cable o conductor. Dicho de otra forma, en este tipo de circuitos, para pasar de un punto a otro (del polo – al polo 1), la corriente eléctrica se ve en la necesidad de atravesar todos los operadores.

La terminal de salida de un dispositivo se conecta a la terminal de entrada del dispositivo siguiente.

En función de los dispositivos conectados en serie, el valor total o equivalente se obtiene con las siguientes ecuaciones:

Para generadores (pilas)

${V_{T}} = {V_1} + {V_2} + ... + {V_n}\,$

${I_{T}} = {I_1} = {I_2} = ... = {I_n}\,$

Para resistencias

${R_{T}} = {R_1} + {R_2} + ... + {R_n}\,$

Para condensadores

${1 \over C_{T}} = {1 \over C_1} + {1 \over C_2} + ... + {1 \over C_n}\,$

Para interruptores

Interruptor A	Interruptor B	Interruptor C	Salida
Abierto	Abierto	Abierto	*Abierto*
Abierto	Abierto	Cerrado	*Abierto*
Abierto	Cerrado	Abierto	*Abierto*
Abierto	Cerrado	Cerrado	*Abierto*
Cerrado	Abierto	Abierto	*Abierto*
Cerrado	Abierto	Cerrado	*Abierto*
Cerrado	Cerrado	Abierto	*Abierto*
Cerrado	Cerrado	Cerrado	*Cerrado*

Imagina que dispones de un circuito constituido por dos resistencias conectadas en serie de 15 y 30 Ω en un circuito cuya diferencia de potencial es de 135 V. ¿Qué intensidad circulará por el circuito y cuál será la tensión que tendrá cada una de las resistencias?

1. Calculamos la resistencia equivalente del circuito, aplicando la expresión: Rt = R1 + R2 . Luego Rt = 15 + 30 = 45 Ω

2. Aplicando la ley de Ohm al circuito: I = V/R I = 135V/ 45Ω = 3A

3. Aplicando la ley de Ohm en cada tramo obtendremos la intensidad que atraviesa cada Resistencia. Puedes comprobar como, en este caso, la suma de las intensidades es igual a la intensidad total del circuito.

En circuitos en serie

Observamos que: It = I1 + I2 así Como Vt = V1 + V2

Circuito en Paralelo

Un circuito en paralelo es aquel que dispone de dos o más operadores conectados en distintos cables. Dicho de otra forma, en ellos, para pasar de un punto a otro del circuito (del polo 2 al 1), la corriente eléctrica dispone de varios caminos alternativos, por lo que esta solo atravesará aquellos operadores que se encuentren en su recorrido.

En función de los dispositivos conectados en paralelo, el valor total o equivalente se obtiene con las siguientes expresiones:

Para generadores

{V_{T}} = {V_1} = {V_2} = ... = {V_n}\,

{I_{T}} = {I_1} + {I_2} + ... + {I_n}\,

También Para Resistencias

{1 \over R_{T}} = {1 \over R_1} + {1 \over R_2} + ... + {1 \over R_n}\,

Para Condensadores

{C_{T}} = {C_1} + {C_2} + ... + {C_n}\,

Para hallar el V1,V2, V3...

V1=IxR1
V1=IxR2
V1=IxR3

Para Interruptores

...

Interruptor A	Interruptor B	Interruptor C	Salida
Abierto	Abierto	Abierto	*Abierto*
Abierto	Abierto	Cerrado	*Cerrado*
Abierto	Cerrado	Abierto	*Cerrado*
Abierto	Cerrado	Cerrado	*Cerrado*
Cerrado	Abierto	Abierto	*Cerrado*
Cerrado	Abierto	Cerrado	*Cerrado*
Cerrado	Cerrado	Abierto	*Cerrado*
Cerrado	Cerrado	Cerrado	*Cerrado*

Supongamos ahora que las resistencias anteriores las conectamos en paralelo en un circuito cuya diferencia de potencial es de 30 V. ¿Cómo se distribuirá ahora la intensidad y la tensión en cada una de ellas?

1. Calculamos la resistencia equivalente del circuito, aplicando la expresión:

Luego:

2. Aplicando la ley de Ohm al circuito:

3. Aplicando la ley de Ohm en cada tramo obtendremos la intensidad que atraviesa cada resistencia. Puedes comprobar como, en este caso, la suma de las intensidades es igual a la intensidad total del circuito. I1 = 2A I2 = 1A

Circuitos mixtos

Los circuitos mixtos son aquellos que disponen de tres o más operadores y en cuya asociación concurren a la vez los dos sistemas anteriores, en serie y en paralelo.

Para la resolución de estos circuitos es conveniente que sigas los siguientes pasos:

1. Calcula el valor de la resistencia equivalente del circuito. R2 y R3 están en paralelo, por tanto:

2. Determina la intensidad de corriente eléctrica total

que circula por el circuito simplificado.

3. Traslada los datos obtenidos en el circuito 3 a los
circuitos 1 y 2 (cuando te surja alguna duda, aplica

la ley de Ohm).

Por ejemplo, valor de la tensión de R 2-3

Observa cómo se cumple que

Cortocircuito.

Se denomina cortocircuito al fallo en un aparato o línea eléctrica por el cual la corriente eléctrica pasa directamente del conductor activo o fase al neutro o tierra en sistemas monofásicos de corriente alterna, entre dos fases o igual al caso anterior para sistemas polifásicos, o entre polos opuestos en el caso de corriente continua. Es decir: Es un defecto de baja impedancia entre dos puntos de potencial diferente y produce arco eléctrico, esfuerzos electrodinámicos y esfuerzos térmicos.

El cortocircuito se produce normalmente por los fallos en el aislante de los conductores, cuando estos quedan sumergidos en un medio conductor como el agua o por contacto accidental entre conductores aéreos por fuertes vientos o rotura de los apoyos.

Debido a que un cortocircuito puede causar importantes daños en las instalaciones eléctricas e incluso incendios en edificios, estas instalaciones están normalmente dotadas de fusibles o interruptores magnetotérmicos a fin de proteger a las personas y los objetos.

El cortocircuito es un caso excepcional del circuito en paralelo en el que al menos uno de los caminos o recorridos posibles de la corriente eléctrica no tiene ningún receptor.

En un circuito cerrado el voltaje, corriente eléctrica y la resistencia deben tener valores debidamente controlados para un buen funcionamiento del sistema. Una condición de cortocircuito queda determinada al eliminarse, desde el punto de vista práctico, la resistencia de consumo del circuito. 

Por tanto, si la resistencia se disminuye aproximadamente a cero la intensidad de la corriente tiende a infinito. Esta situación se da, por ejemplo, al caer una barra de metal sobre los conductores y formar un puente. En este caso se dice que han quedado "puenteados" el vivo o fase y el neutro del circuito, oponiendo este una resistencia prácticamente igual a 0 al paso de corriente eléctrica.

Según el Efecto Joule la corriente que circula por un conductor genera un calor que puede determinarse según la relación:

Por lo que si la corriente adquiere valores excesivos, la cantidad de calor puede ser tal que puede fundir casi instantáneamente los conductores del circuito, siendo este el fenómeno más apreciable en un cortocircuito.