Fundamentos de electricidad

¿Qué es la diferencia de potencial?

Esta definición equivale a una diferencia de potencial eléctrico entre dos puntos del espacio. El dispositivo utilizado para medir la diferencia de potencial o la tensión es un voltímetro. La forma de conseguir esta diferencia de potencial eléctrico suele ser mediante la puesta en marcha de reacciones químicas (que mueven electrones que generan una diferencia de potencial)

La diferencia de voltaje creará una dirección para que las cargas fluyan. La tensión puede describirse, matemáticamente, como:

\[V=\dfrac{E}{Q}.\]

En esta ecuación:

• \(V\) es la diferencia de potencial en voltios (\(\mathrm{V}\)).
• \(E\) es la energía en julios (\(\mathrm{J}\)).
• (Q\) es la carga en culombios (\(\mathrm{C}\)).

¡Veamos un ejemplo!

¿Qué es la resistencia?

Cuanto menor sea la resistencia de un componente, mayor será el flujo de corriente que lo atraviese. Los materiales con menor resistencia son mejores conductores (por tanto, cuanto menor sea la resistencia de un determinado material, mejor será como conductor).

Ley de Ohm

Podemos calcular la resistencia gracias a la ley de Ohm, que define la resistencia como la relación entre la diferencia de potencial y la corriente:

\[R=\frac{V}{I},\]

Donde:

• \(R\) es la resistencia medida en ohmios (\(\mathrm{\Omega}\)).
• \(V\) es la diferencia de potencial medida en voltios (\(\mathrm{V}\)).
• \(I\) es la corriente medida en amperios (\(\mathrm{A}\)).

Fig. 1: Para recordar la fórmula de la Ley de Ohm, es útil tener en mente este triángulo. Como ves, el voltaje \(\mathrm{V}\) está en la parte superior, lo que indica que para calcularlo hay que multiplicar la intensidad \(\mathrm{I}\) por la resistencia \(\mathrm{R}\). Por tanto, la posición de cada magnitud es la que nos indica cómo calcularla.

¿Qué es la potencia eléctrica?

Dado que los circuitos eléctricos con corriente implican el movimiento de cargas, existe una potencia asociada (energía por unidad de tiempo) que puede calcularse en las cantidades que ya hemos estudiado. La expresión de la potencia eléctrica es la siguiente:

\[P=I\cdot V=I^2\cdot R=\dfrac{V^2}{R}.\]

En esta ecuación: la potencia \(P\) se mide en vatios (\(\mathrm{W}\)), y hemos utilizado varias veces la ley de Ohm para obtener la potencia en términos de dos de las tres magnitudes básicas.

Componentes básicos de los circuitos eléctricos

Son estructuras formadas por dispositivos eléctricos —como cables, resistencias, interruptores, fuentes de alimentación, etc.— donde se establece la diferencia de potencial y se forma una corriente. La configuración determina las características específicas de cada circuito y sus posibles aplicaciones.

Conocimiento básico de los circuitos

Podemos describir los circuitos utilizando diagramas con símbolos estándar, que indican el papel de cada componente en el circuito. Los principales componentes son:

• Fuentes: suministran tensión y/o corriente.

• Cables: transportan la corriente.

• Resistencias: ofrecen resistencia al flujo de la corriente.

La mayoría de los otros dispositivos complejos suelen describirse en términos de su resistencia y condiciones adicionales.

Veamos un ejemplo de un circuito básico.

Fig. 1: Diagrama de un circuito simple con un voltímetro, una batería y una resistencia.

Asociación de resistencias

Las leyes que obedecen las resistencias cuando hay más de una en un circuito son importantes porque nos permiten simplificar los circuitos o conseguir ciertos efectos. Las dos formas principales de asociación de resistencias que utilizamos son las resistencias en serie y las resistencias en paralelo.

Resistencias en serie

\(N\) resistencias están en el mismo cable o conductor, una detrás de otra, y este no se bifurca; es decir, no se divide en ramas. La resistencia resultante del conjunto de resistencias es la suma de sus resistencias individuales:

\[R_{\text{total}}=\sum^{N}_{i=1}R_i\]

Fig. 2: Resistencias conectadas en serie

Resistencias en paralelo

\(N\) resistencias están en diferentes ramas que se originan en una división del mismo cable. La siguiente ecuación da la resistencia resultante del conjunto de resistencias:

\[R_{\text{total}}=\left(\sum^N_{i=1}\frac{1}{R_i}\right)^{-1}\]

Fig. 3: Resistencias conectadas en paralelo

Leyes de Kirchhoff

Por último, al considerar los circuitos, tenemos que tener en cuenta dos leyes de conservación que llevan el nombre del científico Gustav Kirchhoff:

• Conservación de la corriente: siempre que lleguemos a un nodo de cables/conductores, la corriente que entra en el nodo debe ser igual a la que sale (conservación de la carga y, por tanto, de la corriente).

• Conservación de la tensión: siempre que consideremos un circuito cerrado, o un bucle cerrado en un circuito, la suma de la tensión suministrada por todas las baterías debe ser igual a la caída de potencial provocada por cada elemento del bucle cerrado. Esto es, simplemente, la ley de Ohm aplicada a los circuitos cerrados.

Fig. 4: Red de componentes