05. La corriente eléctrica

1. La corriente eléctrica

Toda la materia está compuesta por átomos. Los de los metales tienen la particularidad de que sus electrones más externos están relativamente libres, de tal forma que es fácil ponerlos en movimiento por los conductores.

Se denomina corriente eléctrica al movimiento ordenado de carga eléctrica, normalmente electrones, por un material conductor.

En la corriente continua (CC o DC) los electrones se mueven siempre en el mismo sentido, desde el polo negativo del generador hacia el positivo, la cantidad de electrones que pasa por un punto en un instante dado es constante.  En el siglo XIX, cuando se pensaba que eran cargas positivas las que circulaban por los conductores se estableció por convenio que el sentido de la corriente (sentido convencional) era desde el positivo al negativo, en realidad hoy sabemos que se mueven en sentido contrario (sentido real).

Se basa en la transformación de energía química en eléctrica y debe ser utilizada en las proximidades del generador ya que si se pretende trasladarla a grandes distancias las pérdidas durante el transporte son elevadas. Se obtiene a partir de pilas, acumuladores y dinamos. Casi todos los aparatos eléctricos portátiles funcionan con corriente continua.

En la corriente alterna (CA o AC), los electrones oscilan alternativamente en uno u otro sentido segun cambia la polaridad del generador, la cantidad de electrones que pasa por un punto en un instante dado es variable. En Europa la c. alterna cambia de sentido 50 veces por segundo y se dice que su frecuencia es de 50 hercios. Los generadores de esta corriente se llaman alternadores.

Se basan en el electromagnetismo (cuando un conductor se mueve en el seno de un campo magnético, se produce en su interior un desplazamiento de los electrones que constituyen la corriente eléctrica). La corriente eléctrica que se obtiene de la red de suministro es corriente alterna. Los circuitos de iluminación y la mayor parte de los electrodomésticos (lavadora, lavavajillas, frigorífico…) funcionan con corriente alterna.

Efectos de la corriente eléctrica

• Térmicos. En su movimiento, los electrones chocan con los núcleos de los átomos del conductor y provocan un incremento de la temperatura (Efecto Joule). Se utiliza en hornos y calefactores.
• Luminosos. Cuando un filamento se calienta mucho debido al paso de la corriente eléctrica se pone incandescente y emite luz.
• Mecánicos. En lo smotores eléctricos se convierte la energía eléctrica en energía cinética de rotación. Así giran las aspas de un ventilador, las brocas de una taladradora.
• Químicos. En la electrolisis , la corriente eleéctrica separa sustancias: unas viajan al polo positivo y otras, al polo negativo. También se producen cambios químicos en las baterías, donde la corriente eléctrica ocasiona su recarga.
• Magnéticos. La corriente eléctrica genera un campo magnético a su alrededor. Si el cable está enrollado alrededor de unapieza de hierro, el efecto se amplifica mucho, se habrá formado un electroimán. Se utilizan en los timbres y en las gruas que atraen la chatarra de hierro.
• Biológicos. Las neuronas están interconectadas y transmiten pequeños impulsos eléctricos que nos permiten pensar, movernos… También se usan para enviar señales a nuestras células y en técnicas de rehabilitación.

2. El circuito eléctrico y sus elementos

Un circuito eléctrico es un conjunto de elementos conectados entre sí. Por él circula una corriente eléctrica que produce diversos efectos.

Elementos de un circuito eléctrico:

• Generadores: Crean electricidad y proporcionan la tensión necesaria para impulsar  los electrones a través del circuito. Ejs: Batería, enchufe, pila.
• Receptores: Transforman la energía eléctrica en otro tipo de energía. Ejs: motor, timbre bombilla.
• Conductores: Sirven para unir todos los elementos del circuito. Suelen ser de cobre o aluminio.
• Elementos de control: Regulan el modo de funcionamiento del circuito, encendiéndolo o apagándolo. Ejs: interruptor, pulsador o conmutador.
• Elementos de protección: Protegen de los efectos de la electricidad tanto  a las personas como a las instalaciones. Ejs: fusible, diferencial.

Símbolos:

3. Magnitudes eléctricas

• Voltaje (V), tensión, caída de tensión o diferencia de potencial entre dos puntos de un circuito (ddp). Es la energía necesaria para mover una carga (Q) entre esos dos puntos.  Se mide en voltios (v). El voltaje de la CC es constante y en general su valor es de unos pocos voltios. El valor para la CA es de varios cientos de voltios.

  V = E/Q

• Resistencia (R). Mide la oposición de un material al paso de la corriente eléctrica. Se mide en ohmios (Ω). En los conductores, la resistencia depende de la resistividad del material , de la longitud del hilo (L) y de su sección (S)
  

es la resistividad.

• Intensidad de corriente (I). Cantidad de carga eléctrica que circula en un segundo a través de la sección del circuito. I = Q/t . Se mide en amperios (A). Cuando la intensidad de corriente es muy pequeña se utiliza el miliamperio (mA). 1 A = 1000 mA. La intensidad de la CA puede ser de varios amperios.

Relación entre las magnitudes eléctricas (Ley de Ohm).

La intensidad que atraviesa un conductor es directamente proporcional a la diferencia de potencial entre sus extremos e inversamente proporcional a la resistencia del conductor.

           I = V/R

• Energía eléctrica (E). Es la energía que puede obtenerse a partir de una corriente eléctrica. En el S.I. Se mide en Julios (J), aunque también se utiliza el Kw.h. Los generadores eléctricos suministran energía a los electrones, si V es la ddp entre los bornes del generador y lo atraviesa una intensidad de corriente I, la energía suministrada en un tiempo t será: E = V.I.t
• Potencia eléctrica (P). Es la energía que suministra un generador o consume un receptor en la unidad de tiempo. Se expresa en vatios (vatio=potencia de un receptor que consume 1 J cada segundo)
  P = E/t = V.I
  Aplicando la ley de Ohm se obtienen otras expresiones:
  P = R I²   P = V²/R
  1 Julio equivale a 0,24 calorías.

 4. Aparatos de medida

El polímetro, también llamado multímetro o téster es capaz de medir las diferentes magnitudes eléctricas, cuando se usa para medir la intensidad de corriente se puede llamar amperímetro, cuando se usa para medir el valor de la tensión entre dos puntos de un circuito se le puede llamar voltímetro y si mide el valor en ohmios de la resistencia eléctrica se llamará óhmetro. Los más utilizados son los digitales, que presentan el valor de la magnitud medida a través de una pantalla de cristal líquido.

5. Circuitos en serie

Los receptores de un circuito están en serie cuando se conectan unos a continuación de otros.

Características:

• La intensidad que circula por todos los elementos del circuito es la misma puesto que los electrones atraviesan todos los receptores:
  I = I₁ = I₂ =I₃
•  El voltaje medido en los bornes de la pila es igual a la suma de los voltajes o caídas de tensión medidos en los extremos de cada resistencia:
  V = V₁ + V₂ + V₃
• La resistencia equivalente o total es igual a la suma de las resistencias:
  R = R₁+R₂+R₃

6. Circuitos en paralelo

Los receptores de un circuito están en paralelos si todos ellos se encuentran conectados a la misma tensión.

Características:

• El voltaje medido en los extremos de cada resistencia es el mismo, ya que están conectados a los mismos puntos: los bornes de la pila.                                           

   V = V₁ = V₂ = V₃

• La intensidad que atraviesa la pila se reparte por las distintas resistencias, en función de su valor óhmico.

                                                     I = I₁ + I₂ + I₃

• El inverso de la  resistencia equivalente será igual a la suma de los inversos de las resistencias y es un valor menor que la resistencia más pequeña.

                                               1/R_eq =1/R₁ + 1/R₂ +1/R₃

7. El magnetismo y sus aplicaciones

El magnetismo es una propiedad que presentan algunos materiales (hierro, níquel, cobalto) que son capaces de ejercer fuerzas sobre otros materiales magnéticos (imanes). El magnetismo está intensificado en unos puntos llamados polo norte y polo sur, los polos de distinto nombre se atraen y los de igual nombre se repelen.

En 1820 Oersted demostró que un conductor por el que pasa una corriente eléctrica se comporta como un imán de fuerza magnética proporcional a la intensidad de la corriente. A estos imanes se les llama electroimanes.

Los electroimanes actuales se construyen enrollando un cable conductor alrededor de un núcleo de hierro dulce (hierro muy puro). La fuerza magnética del electroimán se regula con la intensidad de la corriente o cambiando el número de espiras.

En 1830 Faraday enunció el principio de inducción  electromagnética, según el cual se genera un voltaje entre los extremos de un conductor que se encuentra bajo la influencia de un campo magnético variable.

• Motor de corriente continua. Transforma la corriente continua en un movimiento de giro.
• Dinamo. Transforma el movimiento giratorio en corriente continua.
• Motor de corriente alterna. Transforma la corriente alterna en un movimiento de giro.
• Alternador. Es un generador de corriente alterna.

Los transformadores se emplean para elevar o reducir los niveles de voltaje manteniendo su frecuencia. Están constituidos por una bobina primaria y otra secundaria devanadas sobre un mismo núcleo de hierro dulce.

6. La electricidad en las viviendas

Las compañías eléctricas europeas suministran a los hogares un voltaje alterno de 230 v y 50 Hz.

Hasta la instalación interior de una vivienda llegan tres cables:

• Activo o fase. De color negro, marrón o gris.
  
• Neutro. De color azul. Da la referencia del nivel de voltaje
• De tierra. De color amarillo y verde. Para la protección ante derivaciones

Antes de alimentar los circuitos de la casa se instala un cuadro con una serie de interruptores automáticos de mando y protección con disparo magnético (salta cuando la intensidad de corriente supera un determinado valor) y térmico (salta cuando se supera una cierta temperatura). Por lo tanto cierran el paso de la corriente para evitar accidentes.

CUADRO GENERAL DE MANDO Y PROTECCIÓN

Interruptores automáticos:

• Interruptor de control de potencia (ICP). Desconecta la instalación si la demanda de potencia supera el valor contratado.
  
• Interruptor general (IG). Protege la instalación del hogar de sobrecargas y cortocircuitos, controlando que la corriente no supere el límite que soporta esta instalación.
• Interruptor diferencial (ID). Protege a las personas de las derivaciones por fallos en el aislamiento de los cables activos. Cuenta con un botón de test que debemos de pulsar de vez en cuando para que el ID se mantenga con buen funcionamiento.
• Pequeños interruptores automáticos (PIA). Permiten dividir la instalación en circuitos independientes para proteger de sobrecargas y cortocircuitos a los usuarios.

A partir de los PIA se tiende el resto de la instalación, resguardando los cables en tubos de PVC empotrados o en superficie. Los tubos confluyen en cajas de registro y derivación en las que se realizan las conexiones de los aparatos, enchufes, lámparas e interruptores.

7. Los aparatos electrónicos

La electricidad aprovecha los fenómenos eléctricos para obtener potencia o energía, por ejemplo: La planca eléctrica es un aparato eléctrico, ya que emplea electricidad para producir energía calorífica, de la misma forma la electricidad proporciona la potencia necesaria para mover las aspas de una lavadora.

La electrónica usa la electricidad para llevar información, por ejemplo el timbre eléctrico para informar que alguien llama la puerta, hasta los complejos sistemas de radar para localizar y rastrear blancos distantes. De esta forma los aparatos electrónicos son los que usan la electricidad para indicar, mostrar o informar algo de agún modo.

Así pues la diferencia no estriba en los elementos o dispositivos que conformen a algún aparato sino en el objetivo final del aparato, si el aparato únicamente proporciona potencia o energía es un aparato ELÉCTRICO, si el aparato indica, muestra o informa alguna información es ELECTRÓNICO.

Los circuitos eléctricos sirven para aprovechar la energía eléctrica, mientras que los circuitos electrónicos tienen como objetivo procesar información para la comunicación, la computación o el control.

En electrónica se emplean voltajes, corrientes eléctricas y ondas de baja potencia como señales portadoras de información.

Los aparatos electrónicos tienen los siguientes elementos comunes:

• Carcasa. Sirve de alojamiento y protección a todas las piezas.
  
• Placas de circuito impreso y conexiones. Los componentes se sueldan con estaño a unas pistas de cobre impresas sobre placas de fibra de vidrio.
• Alimentación. Utilizan pilas, baterías, células solares o fuentes de alimentación que les proporcionan corriente continua.

8. Resistores

Son componentes pasivos (no pueden modificar la amplitud de las señales de corriente o tensión que reciben) concebidos para ofrecer oposición al paso de la corriente eléctrica. Pueden ser:

• Fijos. El valor de la resistencia es constante. Actúan como limitadores de corriente por lo que se usan para proteger a otros componentes de corrientes demasiado elevadas.
  Su tamaño depende de la potencia que soportan y gran parte de ellos son demasiado pequeños para rotular su resistencia en la superficie por lo que se codifica con una serie de franjas de colores. La última franja indicala tolerancia o desviación posible del valor real respecto del teórico. El color anterior indica el multiplicador mientras que los primeros dan la cifra por la que hay multiplicar para obtener la resistencia.
• Variables. Su resistencia cambia cuando varía algún parámetro físico (luz, temperatura…) o bien se puede modificar a voluntad manualmente. Pueden ser:
  • Potenciómetros. Permiten cambiar el valor de su resistencia manualmente entre cero y un valor máximo que se indica en el encapsulado. Tienen dos terminales fijos y uno móvil central
  • Resistores dependientes. Su resistencia varía con las condiciones ambientales. En los LDR disminuye al aumentar la luz que reciben. En los PTC y los NTC, la resistencia aumenta o disminuye, respectivamente, al aumentar la temperatura. Se usan como sensores en sistemas de control, como el encendido automatico de las farolas.

9. Condensadores

Se utilizan para almacenar carga eléctrica. Están constituidos por dos placas conductoras separadas por un material dieléctrico (aislante). Su característica principal es su capacidad (C). Indica la cantidad de carga eléctrica (Q) que es capaz de almacenar según el voltaje (V).

C = Q/V

En el SI la carga se mide en culombios (C) y la capacidad en Faradios (F). Ésta es una unidad muy grande, por ello se usa el milifaradio ( 1 mF = 10^-3 F) y el microfaradio
(1F = 10^-6 μF)

Carga de un condensador: Al conectar un condensador a una pila, la placa conectada al polo positivo cede electrones y la otra placa gana electrones. Cuando se alcanza la carga que puede almacenar el condensador cesa la corriente eléctrica y el condensador tendrá el mismo voltaje que la pila.

Descarga de un condensador. Si conectamos un condensador cargado a un circuito, los electrones que se desplazaron durante la carga regresan a su posición original. Cuando pase toda la carga, la corriente se anula y el voltaje también.

Tipos de condensadores.

• Fijos. Su capacidad no varía y está grabada en el encapsulado junto al voltaje que soportan. Se usan como filtros (amortiguan el ruido eléctrico) y temporizadores (aprovechando la carga y descarga).
  Pueden ser:
  • Electrolíticos (con polaridad, se conecta el negativo a menor potencial que el positivo). Son los de más capacidad.
    

    Condensador Electrolítico

  • No polarizados. De capacidad menor.
    

    Condensador no polarizado

• Variables. Formados por placas que se desplazan al girar un cursor para cambiar su capacidad. Se usan en sintonizadores de radio.

Condensador variable

 

Símbolos:

10. Diodos

Los componentes activos amplifican o atenuan el nivel de las señales. Se fabrican con materiales semiconductores . Los principales son los diodos y transistores.

Los diodos se fabrican a partir de materiales semiconductores (silicio, germanio). Añadiéndole impurezas se pueden obtener materiales con exceso de electrones (tipo N) o con defecto de electrones (tipo P).

La unión y encapsulado de estos dos materiales forma un diodo. El terminal conectado a la parte N se llama cátodo (terminal negativo) y el conectado a la parte P se llama ánodo (terminal positivo).

Estructura y símbolo de un diodo

Los diodos conducen la corriente eléctrica en un sentido y la bloquean en el contrario, por lo que se pueden considerar interruptores.

Polarización directa e inversa de un diodo

Polarización directa o inversa de un diodo. Cuando conectamos el ánodo a un potencial mayor que el cátodo, con un voltaje superior a un valor determinado (suele estar entre 0,2 y 2 V) el diodo se comporta como un interruptor cerrado (conduce). Será una  polarización directa. Si el ánodo queda conectado a menor potencial que el cátodo, el diodo bloquea elpaso de corriente y actúa como un interruptor abierto (corte). Será una polarización inversa.

Tipos de diodos.

• Ordinarios. Se usan en conmutación automática, ya que permiten el paso de la corriente en polarización directa y en inversa la anulan, esto es útil en conversión de c. alterna en c. continua. Llevan rotulada una línea plateada que identifica el cátodo.
• Especiales. Por ejemplo los diodos LED. Emiten luz cuando la corriente pasa por ellos. Se usan como sustitutos de la bombillas en indicadores, linternas y pantallas luminosas. Tienen encapsulados translúcidos de colores y el cátodo es el terminal más corto.
  
  

  Símbolo LED

 

 

 

 

 

 

 

11. Los transistores bipolares

Es el componente electrónico más importante. Son componentes de tres terminales, pensados para controlar la conducción de la corriente eléctrica entre dos de ellos a través del otro. Los bipolares son los más habituales y se llaman así porque están formados por tres capas de semiconductores tipo P y N intercalados.

La parte central se llama base y las otras dos emisor y colector. Pueden adoptar dos posibles configuraciones:

• Transistor NPN. La corriente pasa del colector al emisor. Son los más eficaces y usados. Están formados por dos semiconductores tipo N y un semiconductor tipo P. Se conectan uniendo el polo positivo al colector y a la base. Se representan de la siguiente forma:

• Transistor PNP. La corriente entra por el emisor y sale por el colector. Están formados por dos semiconductores tipo P y un semiconductor tipo N. Se conectan uniendo el polo negativo al colector y a la base. Se representan de la siguiente forma:
  

 Es un componente electrónico de tres terminales capaz de controlar la corriente que pasa entre dos de los terminales mediante la corriente que pasa por el tercero. Explicado de otra manera, podemos decir, que funciona como un interruptor que se cierra y se abre dependiendo de que por la tercera patilla, entre o no entre corriente eléctrica.

También tiene efecto amplificador, como ejemplo, el amplificador de un equipo de música que tiene que tener unos circuitos, construidos con transistores que “amplifican” o  aumentan la señal eléctrica en que se convierte el sonido, para transmitirla a los altavoces.

Resumiendo, los transistores tienen dos tipos de funciones:

• De amplificación de una señal (amplificador de un equipo de sonido)

• Como interruptor controlado por corriente eléctrica.

 Para explicar el funcionamiento del transistor recurriremos a un símil.

Imagina que en una presa hidráulica (colector C) hay un embalse lleno de electrones. Estos tienden a pasar al emisor (E), sólo podrán hacerlo si alguien abre la compuerta (base B), pueden ocurrir tres casos:

1. Por la base (B) no entra ningún electrón, por tanto, no se produce circulación de electrones entre el colector y el emisor. Decimos que el transistor está en corte y que el colector y el emisor están aislados. (Transistor en corte)

2. Algunos electrones se introducen por la base. En este caso, la energía que transportan es suficiente para abrir un poco la compuerta de la presa. Cuantos más electrones entren, más abierta quedará la presa y mayor será la corriente entre el colector y el emisor. El transistor funciona en la zona activa como un amplificador. (Transistor en activa)

3. Si pasan muchos electrones por la base, podrán derribar y abrir por completo la presa. El colector y el emisor quedan unidos y los electrones circulan de uno a otro libremente. El interruptor funciona como un interruptor cerrado. (Transistor en saturación)