Tecnoblogph: Electricidad

1.- Introducción

Pocos espectáculos hay en la naturaleza tan impresionante como el aspecto del cielo en una noche de tormenta. Los relámpagos cruzan la bóveda celeste y algunos rayos descargan su energía sobre los extremos puntiagudos de árboles y edificios. Cuando esto sucede, la energía eléctrica se manifiesta ante nosotros en todo su esplendor.

Las tormentas, y por tanto la electricidad, han estado presentes en la historia de la humanidad desde siempre. Sin embargo, hasta hace dos siglos no se sabía cómo aprovecharla y conseguir que esa energía repercutiese en nuestro beneficio ayudándonos a solucionar muchos problemas cotidianos.

Hoy en día todos pulsamos un interruptor de luz al entrar de noche en una habitación, pasamos horas viendo la televisión, trabajando en un ordenador, calentamos el agua en un termo, cocinamos en una vitrocerámica y conservamos los alimentos en el frigorífico. Y todo ello lo hacemos de una manera tan natural que no somos capaces de entender la vida de otra manera. Solamente reflexionamos un poco sobre la gran importancia de la electricidad en nuestro quehacer diario cuando hay una avería y nos quedamos sin corriente.

En este tema vamos a abordar los fundamentos de la electricidad y estableceremos las bases para estudiar distintos aspectos de los fenómenos eléctricos, tales como la producción de luz artificial, sonido, calor y movimiento.

2.- ¿Qué es la Electricidad?

Para poder entender qué es la electricidad debemos de tener unos pequeños conocimientos de cómo es la estructura interna de la materia y las diferentes partículas que los forman. Sin entrar en muchos detalles, podemos decir que la materia de la cual se forman todos los cuerpos está formada por unas partículas llamadas Átomos, que a su vez se dividen en:

Núcleo: Parte central del átomo. Allí están los Protones (partículas de carga positiva) y los Neutrones (partículas sin carga).
Corteza: Allí están los Electrones (partículas de cargas negativas) girando alrededor del núcleo.

En principio, podemos decir que la materia en estado natural carece de carga porque los átomos que la forman tienen el mismo número de protones en el núcleo que electrones moviéndose en la corteza. Se dice entonces que ese cuerpo No Tiene Carga Eléctrica. Si, por alguna causa, estos átomos pierden electrones entonces el cuerpo tiene más protones que electrones y se dice que está Cargado Positivamente. Por contra, si los átomos ganan electrones, el cuerpo tendrá más electrones que protones y entonces se dice que está Cargado Negativamente.

Cuando tenemos una parte de un cuerpo cargada negativamente (exceso de electrones) y otra parte cargada positivamente (defecto de electrones), las leyes del equilibrio provocan el desplazamiento de electrones desde el punto rico en electrones (polo negativo) hacia donde hay menos (polo positivo). Ese flujo de electrones es lo que llamamos "Corriente Eléctrica".

La energía eléctrica que utilizamos procede fundamentalmente de dos tipos de fuentes:

Corriente Alterna: Procede de la red eléctrica y llega a los enchufes de las viviendas. Cambia periódicamente su sentido de circulación, y debe usarse con cuidado porque puede causar graves accidentes.
Corriente Continua: Procede de las pilas y baterías. Siempre circula en el mismo sentido, y su utilización no supone grandes riesgos para la seguridad de las personas.

3.- Efectos de la Corriente Eléctrica

La Corriente Eléctrica como tal no tiene mayor interés tecnológico. En realidad su interés viene dado por los efectos que tiene al llegar a determinados dispositivos y transformarse en otras energías. Las manifestaciones más importantes de la transformación de la energía eléctrica son cinco a saber:

Luz: Al pasar la electricidad por un elemento conductor, además de calentarse puede emitir cierta incandescencia, o calentar gases comprimidos en casquillos de vidrio. Esto provoca la emisión de luz y se utiliza en múltiples dispositivos de alumbrado eléctrico artificial o en las pantallas de televisión.
Calor: Al pasar la electricidad por un elemento conductor, este se calienta en mayor o menor grado en función de la resistencia que presenta el elemento conductor al paso de dicha corriente. Esto es el conocido Efecto Joule, y se utiliza en calefacción eléctrica, en electrodomésticos para cocinar, calentar agua y múltiples usos industriales.
Magnetismo: Al pasar la electricidad por un elemento conductor se crea en su proximidad un campo de fuerza, denominado campo magnético, capaz de atraer o repeler distintos objetos metálicos en función de su carga eléctrica. Así mismo, este campo magnético es capaz de provocar reordenación electrónica en los metales, generando en ellos propiedades magnéticas de manera artificial. Esta propiedad se utiliza en los electroimanes de un taller de chatarra.
Sonido: Al pasar la electricidad por determinados dispositivos, estos emiten vibraciones que se transforman en sonidos. Es lo que sucede en los timbres, en los zumbadores o incluso en los altavoces de una cadena de sondo o en los auriculares de un reproductor MP3.
Mecánico: Al pasar la electricidad por un dispositivo eléctrico en el que tenemos algún tipo de motor se va a producir movimiento en el mismo. Este movimiento puede aprovecharse de diferentes maneras en función de los distintos mecanismos a los que esté acoplado el motor. Así, puede usarse en electrodomésticos como las lavadoras, ventiladores y batidoras o en máquinas como los coches eléctricos.

4.- El Circuito Eléctrico

En un circuito eléctrico, las cargas circulan desde el punto de partida y regresan finalmente al mismo punto una vez completado el recorrido. Por tanto, el circuito debe de estar cerrado. Podemos distinguir hasta cinco tipos de dispositivos a saber:

Generadores: Son los que crean la energía eléctrica. Desde aquí, en concreto desde el polo negativo del generador, parten los electrones que se mueven por todo el circuito hacia el polo positivo del generador. Son las pilas, las baterías y los alternadores.
Conductores: Son los elementos que se encargan de transportar la energía eléctrica de una a otra parte del circuito eléctrico. Si entre los polos del generador no hay ningún elemento conductor los electrones no pueden fluir, y por tanto no existe corriente eléctrica. Suelen usarse cables de cobre.
Controladores: Son los elementos que se encargan de administrar (permitir o impedir) el paso de la corriente eléctrica por los distintos tramos del circuito eléctrico. Si no colocásemos un elemento de control entre los polos del generador, la energía se consumiría incluso cuando no hiciera falta, y eso descargaría nuestra fuente más rápidamente y de manera inútil. Los elementos de control son los interruptores, conmutadores y pulsadores.
Elementos de Seguridad: Son los que se encargan de velar por el buen funcionamiento del circuito eléctrico, protegiendo a los dispositivos electrónicos que forman parte del circuito y a las personas que los manipulan. Son elementos prescindibles, pero no se aconseja eliminarlos si deseamos tener un buen funcionamiento y estar a salvo de eventuales accidentes. Los elementos de seguridad más usados on los fusibles.
Receptores: Son aquellos elementos del circuito a los que llega la corriente eléctrica y la transforman en otro tipo de energía útil para nuestros fines. Si entre los polos de los generadores no ponemos ningún elemento receptor estaremos creando un cortocircuito, y el dispositivo generador se consume rápidamente o incluso puede quemarse. Los receptores más importantes son las bombillas (generan Luz), las resistencias (generan calor), los motores (generan movimiento) y los timbres o los zumbadores (generan sonido).

5.- Operadores Eléctricos Básicos

En este apartado del tema vamos a ver un poquito más en profundidad cuales son y las características más importantes de los distintos operadores que forman parte de los circuitos eléctricos elementales. Además, vamos a ver cual es la simbología normalizada con las que se dibuja cada uno de ellos a la hora de representar el esquema de un circuito. Hay que aclarar que existen muchos más dispositivos eléctricos y electrónicos, pero los estudiaremos en un tema aparte.

5.1.- Generadores

Los generadores son aquellos dispositivos que se emplean para generar la corriente eléctrica. Tenemos generadores de corriente continua y generadores de corriente alterna:

Pilas: Generan la corriente eléctrica a partir de una reacción química de oxidación-reducción. Los reactivos interactúan entre si liberando energía y consumiéndose en el proceso, de manera que después de un tiempo (cuando al menos uno de los reactivos se agote) la pila deja de funcionar. Algunas pilas pueden regenerarse (nunca completamente) al hacer pasar por ellas una corriente externa; en estos casos hablamos de pilas recargables.
Baterías: Estos generadores están formados por asociaciones de dos o mas pilas, de manera que suman sus potenciales individuales para poder interactuar con mayor número de receptores.
Dinamos: Siempre que exista un movimiento entre un imán y un circuito se puede producir en este una corriente eléctrica denominada corriente inducida. Las dinamos son dispositivos que transforman la energía mecánica en corriente eléctrica continua. En ellos se aprovecha el movimiento de rotación de una bobina de cobre que gira entre los polos de un imán de herradura para generar corriente eléctrica.
Alternadores: Son máquinas eléctricas capaces de transformar energía mecánica en energía eléctrica alterna, generando una corriente alterna mediante inducción electromagnética. Este tipo de generadores lo encontramos en las grandes centrales hidroeléctricas, centrales atómicas, parques eólicos, etc. y el transporte de la energía allí creada llega hasta las viviendas se suele hacer por líneas de alta tensión.

5.2.- Conductores

Los conductores son los elementos que se encargan de transportar la corriente eléctrica de un punto a otro del circuito, uniendo los diferentes dispositivos entre sí. Básicamente estamos hablando de elementos fabricados con cobre. Generalmente están cubiertos con una vaina de plástico aislante para evitar cortocircuitos, y pueden unirse entre sí mediante conectores tipo clema o por soldaduras.

Los elementos conductores que transportan la energía eléctrica desde las grandes centrales de producción hasta las ciudades por medio de cables de alta tensión están hechos de aluminio, que es mejor conductor que el cobre, pero mucho más caro.

Según el número de elementos conductores que lo formen podemos distinguir tres tipos:

Hilo: Se trata de un conductor con un único elemento conductor. Suelen tener una protección de plástico para aislarlo de la intemperie, pero no siempre es así.
Cordón: Son elementos conductores formados por dos hilos, cada uno de ellos perfectamente aislado del otro por su vaina de plástico. Uno de los hilos estaría conectado al polo negativo y el otro al polo positivo del generador
Cables: Son conductores formados por más de dos hilos, cada uno de ellos perfectamente aislados del resto por su vaina de plástico. Suelen incluir la conexión a tierra y otras alternativas.

A la hora de representarlos con simbología, debemos diferenciar los conductores de manera individual, de cuando se produce una unión (empalme) o cuando un conductor pasa por encima de otro sin unirse (cruce de cables). En la tabla adjunta tenemos como se representan los tres casos.

5.3.- Elementos de Maniobra

Los elementos de maniobra sirven para conectar y desconectar partes del circuito. Existen tres tipos de controladores principales:

Interruptores: Permiten o impiden el paso a la corriente cerrando o abriendo el circuito. Las posiciones de abierto y cerrado quedan bloqueadas una vez activadas, y solamente la intervención humana (o de un robot programado) puede hacer cambiar dicha posición. Este dispositivo se usa en las lámparas y en los electrodomésticos.
Conmutadores: Son interruptores con varias posiciones, por lo que permiten abrir o cerrar distintos circuitos según la posición en la que se encuentren. Este dispositivo se utiliza en las viviendas, permitiendo apagar o encender luces desde diferentes puntos de un pasillo o de una misma habitación.
Pulsadores: Son controladores cuyo efecto solo dura mientras se están accionando, de manera que si dejamos de actuar sobre ellos vuelven a su posición de equilibrio instantáneamente. Este dispositivo lo usaremos en el timbre de una vivienda

5.4. Elementos de Protección

Fusibles: son dispositivos constituidos por un soporte adecuado y un pequeño filamento o lámina de metal de bajo punto de fusión que se intercala en un punto del circuito para que se funda por exceso de calor cuando la intensidad de corriente supere un determinado valor que pudiera hacer peligrar la integridad de los conductores y operadores del circuito, con el consiguiente riesgo de incendio o destrucción de dichos elementos.

5.5.- Receptores

Los elementos receptores son los que se encargan de transformar la energía eléctrica en otras energías útiles para el ser humano:

Resistencia: Son elementos diseñados para oponerse al paso de la corriente eléctrica pero sin llegar a bloquearla totalmente. En este proceso, las resistencias se calientan. Es precisamente este calor la manifestación energética que se utiliza para distintos fines, tales como calentar el agua en un termo, cocinar en vitrocerámica, calentar una habitación con un radiador eléctrico, planchar, secar el pelo, etc.
Bombilla: Son elementos diseñados para calentarse hasta la incandescencia y así emitir luz. Es precisamente esta luz la manifestación energética que se utiliza para distintos fines, tales como iluminar artificialmente calles por la noche, habitaciones oscuras, etc.
Timbre: Son elementos diseñados para producir algún tipo de vibración o zumbido y emitir así sonido. Es precisamente este sonido la manifestación energética que se utiliza para distintos fines, tales como alertar de que has llegado a una vivienda para que te abran la puerta, notificar la hora de entrada o salida del trabajo en una oficina, el cambio de horas en un instituto, etc.
Motor: Son elementos diseñados para producir un tipo de movimiento mecánico de rotación en torno a un eje. Es precisamente este movimiento la manifestación energética que se utiliza en distintos electrodomésticos, tales como una lavadora, un ventilador, una batidora, etc

6.- Magnitudes Fundamentales en Electricidad. Ley de Ohm.

En cualquier circuito eléctrico distinguimos tres magnitudes fundamentales íntimamente relacionadas entre si. Estas tres magnitudes son:

La Intensidad de Corriente I es la cantidad de carga eléctrica que pasa por una sección de conductor en la unidad de tiempo. Dado que la unidad internacional de carga es el culombio y la unidad internacional de tiempo es el segundo, entonces la intensidad se medirá en culombios/segundo, que recibe el nombre de Amperio (A). Para medir intensidades utilizamos un Amperímetro, conectado en serie con el tramo de circuito cuya intensidad deseamos conocer.
La Resistencia Eléctrica R representa el grado de oposición que presenta un determinado elemento conductor a la libre circulación de electrones a través de una sección de dicho conductor. El valor de la resistencia va a depender del material con el que se fabrique el conductor, de su longitud y de su sección, siendo tanto mayor la resistencia cuanto más largo y más estrecho sea dicho conductor. La unidad internacional de resistencia es el Ohmio (oh). Se determina usando un Ohmetro cuyas terminales se conectan a ambos extremos de la resistencia que deseamos conocer.
La Tensión o Diferencia de Potencial V es una magnitud física que cuantifica la diferencia de potencial eléctrico existente entre dos puntos de un circuito eléctrico. La unidad internacional de diferencia de potencial es el Voltio (V). Para determinar diferencias de potencial utilizamos un Voltímetro, situando en paralelo con el tramo de circuito cuya diferencia de potencial deseamos conocer.
También existen los Polímetros, que son aparatos diseñados para medir, entre otras magnitudes, tanto intensidades como tensiones y resistencias. Existen Polímetros Analógicos donde la lectura se realiza sobre una escala señalada por una aguja y los Polímetros Digitales, mucho más exactos, donde las lecturas se hacen sobre un display numérico.
Estas tres magnitudes físicas fundamentales están relacionadas entre sí por la llamada "Ley de Ohm", según la cual la Intensidad que recorre un tramo de circuito eléctrico es directamente proporcional a la Diferencia de Potencial entre los extremos e inversamente proporcional a su Resistencia Eléctrica. Matemáticamente:

I = V / R

Existen otras tres magnitudes eléctricas que, sin llegar a ser consideradas fundamentales, si son de gran importancia y utilidad. Estas son el Trabajo Eléctrico, la Potencia Eléctrica y el Consumo Eléctrico:

Energía o Trabajo Eléctrico: La Energía Eléctrica se define como la capacidad de una corriente eléctrica para producir trabajo. Se mide en Julios (J). Si tenemos una intensidad de corriente I, un voltaje V, una resistencia R y un tiempo de trabajo t, entonces:

W = I · V · t = I · (I · R) · t = I2 · R · t

Potencia Eléctrica: La Potencia Eléctrica se define como la energía por unidad de tiempo. Se mide en Vatios (W). En este caso:

P = V · I = I2 · R

Consumo Eléctrico: El Consumo Eléctrico se expresa como unidad de potencia consumida por hora. Se expresa en Kilowatios por hora (KWh). En este caso multiplicaremos la Potencia expresada en Kilovatios por el tiempo de uso expresado en horas:

Consumo = P (kW) · t (hr)

7.- Circuitos Eléctricos Básicos

Como ya hemos visto, la energía eléctrica se transforma en luz al llegar a una bombilla. La conexión de bombillas (o de cualquier otro elemento receptor en general) y los generadores puede realizarse fundamentalmente de tres manera a saber:

Asociación en Serie: Las bombillas se conectan una a continuación de la otra, de manera que la corriente que circula por el circuito debe de repartirse entre todas las bombillas y por lo tanto se van a iluminar muy débilmente. De hecho, si todas las bombillas son iguales, la primera se iluminará mas que la segunda, la segunda más que la tercera y así sucesivamente. Además, si una de las bombilas se funde el circuito queda interrumpido y las demás no se iluminarán. Es el mismo efecto que si en un vestuario deportivo pusiéramos varias duchas situadas todas a la misma tubería, de manera que la ducha situada en primer lugar tendría más caudal que la situada a continuación, y esta más que la situada en tercer lugar.
Asociación en Paralelo: Las bombillas se conectan cada una sobre ramas diferentes, intercaladas entre dos puntos distintos del circuito. Al conectar dos o más bombillas en paralelo todas lucen correctamente y si una de ellas se funde las otras siguen luciendo. Siguiendo con el símil de las duchas, una conexión en paralelo equivale a poner una tubería independiente a cada una de las duchas, de manera que todas se repartirán el caudal principal por igual.
Asociación Mixta: Supone cualquier combinación de asociaciones en serie y/o en paralelo