M1-RA1

Conceptos básicos de electricidad

Módulo 1 - RA 1

INICIAR

Introducción

Se puede generar electricidad mediante diferentes métodos. Es posible obtenerla bien a partir de otra fuente de energía, como puede ser el calor, la luz, el movimiento, etc., o bien por medio de múltiples formas de las que las más comunes, por hacer referencia a ellas en más ocasiones en el ámbito de la automoción.

EMPEZAR

• Potencia eléctrica y energía

• Ley de Ohm

• Magnitudes eléctricas

Índice

• Corriente eléctrica

Corriente eléctrica

La materia está formada por átomos. Siguiendo el modelo atómico de Rutherford, en el átomo se diferencian dos partes principales, la corteza y el núcleo. En ambas partes, existen partículas más elementales que constituyen la naturaleza de dicho átomo: protones y neutrones, que se localizan en el núcleo del átomo, y electrones.

• Los protones tienen carga positiva mientras que los neutrones carecen de carga.
• Los electrones poseen carga negativa; son los responsables de la circulación de corriente de ahí el nombre que recibe el movimiento o desplazamiento de electrones, electricidad.

Cuando a un átomo se le aplica energía, tiene lugar una variación en el estado original del mismo, lo que supone que adquiere carga eléctrica. Dicha carga es positiva si ha quedado con más protones que electrones, y negativa cuando ha adquirido nuevos electrones, puesto que es mayor el número de electrones que el de protones. Los átomos siempre intentar volver a su estado de equilibrio, es decir, a tener una carga neutra. Si disponemos átomos suficientemente cerca unos de otros, tenderán a ceder o a tomar electrones siendo este movimiento de electrones, entre átomos de distinta carga, lo que se conoce como corriente eléctrica.

Sentido de circulación de la corriente eléctrica

La corriente eléctrica es invisible al ojo humano, pero su manifestación en otras formas de energía permitió su descubrimiento, estudio y aprovechamiento. En 1752, los científicos, sin medios para determinar la dirección del flujo, acordaron que la corriente fluía del polo positivo al negativo. Sin embargo, estudios posteriores mostraron que los electrones, la parte móvil del átomo, se desplazan del polo negativo al positivo.

El descubrimiento del electrón por Joseph John Thomson en 1897, mediante el estudio de los rayos catódicos, visualizó su avance y confirmó que la dirección de la corriente aceptada era incorrecta. Esto generó un desafío para la comunidad científica, ya que resultaba difícil reformular todos los documentos y tratados existentes.

Actualmente, se sigue utilizando el sentido convenido de la corriente tanto en las representaciones gráficas de los circuitos como en los textos relacionados con la electricidad.

Ante esta controversia, se adoptó una solución para evitar mayores complicaciones, estableciendo dos definiciones para el sentido de la corriente:

• Sentido real: La corriente se desplaza del polo negativo al positivo, debido a que las fuerzas de repulsión entre los electrones son mayores en el negativo que en el positivo.
• Sentido convencional: La corriente se considera en dirección contraria, interpretando que son cargas positivas avanzando hacia el negativo para reducir la diferencia de potencial.

1.- La corriente continua (CC), conocida como DC (Direct Current) en inglés, se caracteriza por el flujo constante de electrones en una sola dirección, sin cambiar de polaridad. Es la corriente típica en acumuladores de energía como baterías y pilas.

Tipos de corriente eléctrica

La corriente eléctrica puede ser de dos tipos; corriente continua y corriente alterna.

Acumulación Pérdidas energéticas

2.- La corriente alterna (CA), conocida internacionalmente como AC (Alternating Current), se caracteriza por el flujo de electrones que cambia de dirección periódicamente. Las diferencias prácticas entre ambas corrientes son principalmente dos:

La diferencia de potencial eléctrico entre dos sustancias es la causa fundamental para la circulación de electrones de una a la otra, generando una corriente hasta que los potenciales se igualen. Para esto, es necesario un circuito eléctrico que permita la circulación de los electrones.

Magnitudes eléctricas

Tensión: diferencia de potencial o fuerza electromotriz (f.e.m)

Los potenciales pueden ser negativos o positivos y se miden en voltios. La diferencia entre dos potenciales eléctricos, expresada en valor absoluto, se llama voltaje. El elemento que genera una corriente de electrones debido a una diferencia de potencial eléctrico se llama fuente de alimentación. La magnitud del voltaje o diferencia de potencial se representa con las letras V o U y se mide en voltios (V).

Siguiendo el símil entre el circuito eléctrico y el hidráulico, en este último, la diferencia de potencial se expresaría en metros. Cuanta mayor sea la diferencia en metros, mayor trabajo o fuerza podrá ejercer el agua sobre la turbina. Esta fuerza disminuirá progresivamente a medida que los niveles de agua en los depósitos se igualen.

La intensidad de corriente indica el número de electrones que circulan por un punto de un circuito eléctrico en un instante concreto. Se expresa con la letra I y se mide en Amperios (A). El Amperio es una unidad de medida derivada, equivalente a culombio/segundo. El culombio, en el Sistema Internacional de Unidades, designa la cantidad de carga eléctrica de una sustancia, sea positiva o negativa. 1A equivale a 6.241509074460763 × 10¹8 cargas eléctricas elementales desplazándose en un punto concreto de un circuito eléctrico. Esto significa que, en ese punto del circuito, 6.241.509.074.460.763.000 electrones cambian de átomo cada segundo debido a una diferencia de potencial.

Intensidad

La intensidad de la corriente resultante de una diferencia de potencial determinada dependerá del trabajo que los electrones deben realizar para completar el circuito, es decir, de la resistencia del circuito.

En un circuito eléctrico, es posible medir una diferencia de potencial de, por ejemplo, 12 V, con una intensidad de 0A cuando el interruptor está abierto. Al accionar el interruptor para establecer la continuidad eléctrica, la diferencia de potencial produce una corriente con una intensidad de 5A en este ejemplo.

La resistencia se representa con la letra R y su unidad es el Ohmio (Ω).

La resistencia es la magnitud que indica la dificultad o fuerza que se opone al avance de la corriente eléctrica. Depende de la naturaleza de los materiales y de los fenómenos de transformación de la energía eléctrica en otros tipos de energía (calor, luz, fuerza) que se producen en determinados elementos, comúnmente denominados consumidores. Para una misma diferencia de potencial, la intensidad de la corriente evoluciona de forma inversa a la resistencia del circuito.

Resistencia

La intensidad de la corriente resultante de una diferencia de potencial determinada dependerá del trabajo que los electrones deben realizar para completar el circuito, es decir, de la resistencia del circuito.

Cuando se habla de la resistencia en un circuito eléctrico, se suele diferenciar entre la resistencia del cableado y la de los componentes que realizan el trabajo deseado. La intensidad de la corriente depende de la suma de ambas resistencias, ya que ambas se oponen al paso de la corriente. La resistencia de los diferentes consumidores del circuito varía según su naturaleza y principio de funcionamiento. Por ejemplo, una bombilla, un motor eléctrico y una resistencia calefactable tienen valores resistivos diferentes, que pueden cambiar durante el funcionamiento.

Ley de Ohm

El matemático y físico alemán Georg Simon Ohm publicó en 1827 "Die galvanische Kette, mathematisch bearbeitet" (El circuito galvánico, investigado matemáticamente), un estudio sobre las características de la electricidad y la relación entre la fuerza electromotriz, la intensidad y la resistencia. Su contenido más destacable, conocido como la Ley de Ohm, establece la proporcionalidad matemática que rige el comportamiento de la electricidad y la materia mediante una ley de igualdad.

• V: Diferencia de potencial (ddp) entre los dos puntos del circuito a estudiar. Se mide en voltios (V).
• R: Resistencia entre los dos puntos del circuito de estudio. Se mide en ohmios (Ω).

• I: Intensidad de corriente que circula a través de la resistencia existente entre los dos puntos del circuito que estamos ensayando. Se mide en amperios (A).

La ley de Ohm se utiliza para determinar la relación entre la tensión (diferencia de potencial, ddp), la corriente y la resistencia entre dos puntos de un circuito eléctrico. La expresión matemática que relaciona estas tres magnitudes es:

Mediante la Ley de Ohm, es posible calcular magnitudes de vital importancia para el diseño de un circuito eléctrico como pueden ser la sección del cableado, el amperaje del fusible de protección… así como concluir datos de gran interés para la diagnosis de los componentes que los forman.

• 1 amperio es la intensidad de corriente que circula por un circuito de resistencia 1 ohmio cuando la diferencia de tensión existente es de 1 voltio.
• 1 ohmio es la resistencia que permite el paso de una corriente de 1 amperio cuando la diferencia de potencial aplicada es de 1 voltio.
• 1 voltio es la diferencia de potencial que genera una corriente de 1 amperio cuando la resistencia del circuito eléctrico es de 1 ohmio.

Según La ley de Ohm podemos afirmar que:

• Energía mecánica: motor de arranque, elevalunas, ventilador, inyector.
• Energía calorífica: bujías de incandescencia, calefacción de la sonda lambda, luneta térmica.
• Energía luminosa: bombillas, LEDs.

Potencia eléctrica y energía

La energía de la corriente eléctrica suele transformarse en otros tipos de energía, como, por ejemplo:

P = V · I

La potencia eléctrica es la magnitud que expresa la transformación energética y, por tanto, la cantidad de trabajo realizado en un circuito eléctrico por unidad de tiempo. Se debe a la diferencia de tensión (V) que fuerza a los electrones a desplazarse y al número de ellos que circulan por el consumidor (I) en una unidad de tiempo. La potencia puede utilizarse para indicar el trabajo total del circuito o el de un consumidor concreto si se calcula con sus valores individuales. En las fórmulas empleadas en el estudio de la electricidad, la potencia eléctrica se representa con la letra P y su unidad de medida es el Vatio (W).

P = 400V · 5A = 2.000W

• Voltaje elevado y baja intensidad: Cuando se dispone de un voltaje muy elevado, como los 400 V de las baterías de vehículos eléctricos, la intensidad necesaria para desarrollar el trabajo es baja. Esto permite utilizar cables de menor diámetro y sección, lo que resulta en un ahorro significativo en costes y peso de la instalación eléctrica.

De la fórmula anterior, se deduce que una misma potencia o trabajo se puede obtener de dos formas diferentes:

E (Wh) = P · Wh

P = 12V · 167A = 2.000W

• Intensidad elevada y bajo voltaje: Cuando se dispone de un voltaje reducido, como los 12 V de las baterías de un automóvil, se necesita una corriente de intensidad elevada para realizar el mismo trabajo. En consecuencia, los conductores eléctricos deben ser más gruesos para permitir el paso de una gran cantidad de electrones simultáneamente, sin dificultar su circulación.

La energía eléctrica entregada o consumida por un circuito eléctrico en un periodo de tiempo se calcula multiplicando la potencia entregada o consumida por el intervalo de tiempo.

I: Intensidad de corriente (A). R: Resistencia (Ω). t: tiempo durante el que circula la corriente (segundos).

E calor = I 2 · R · t

1 julio (J)=1 vatio·segundo (Ws)

En el Sistema Internacional (SI), la energía se mide en julios (J). La relación entre estas unidades es la siguiente:

En un circuito eléctrico ideal, la energía eléctrica entregada por el generador es igual a la energía eléctrica demandada por la carga. En un circuito eléctrico real, la energía eléctrica entregada por el generador es igual a la suma de la energía eléctrica demandada por la carga y la energía eléctrica perdida en forma de calor. Las pérdidas eléctricas en forma de calor se producen a causa de las resistencias presentes en los circuitos eléctricos y se pueden calcular mediante la Ley de Joule:

La potencia nominal de un receptor es la máxima capacidad que tiene para producir trabajo.

Como se puede observar, las pérdidas eléctricas por calor son directamente proporcionales al cuadrado de la resistencia del conductor y al cuadrado de la intensidad de corriente que lo recorre. Por este motivo, es importante trabajar con intensidades de corriente reducidas para minimizar las pérdidas por calor.

Este es el principal motivo por el que los motores eléctricos de los vehículos híbridos o eléctricos, que demandan altas potencias eléctricas, trabajan con tensiones elevadas. De esta forma, es posible manejar intensidades de corriente reducidas, minimizando al máximo las pérdidas por calor.

¡Recurso educatiu finalizado!