1. Concepto genérico de circuito. Elementos activos y pasivos
Se denomina circuito a un conjunto de elementos que tienen como misión transportar energía desde un punto de generación hasta un lugar de consumo.
Este transporte de energía se realiza por medio de cargas eléctricas en los circuitos eléctricos; mediante un fluido líquido en los circuitos hidráulicos, o un fluido gaseoso en los circuitos neumáticos.
A pesar de la disparidad que existe entre ellos, todos estos circuitos poseen por lo general una estructura en común, que se representa en el siguiente esquema:
El elemento generador se encarga de transformar la energía de entrada al circuito para poner en movimiento las cargas eléctricas o el fluido. Es el elemento activo del circuito, a diferencia de todos los demás, que son pasivos.
En ocasiones es necesario tener almacenada parte de esta energía modificada, tarea que realiza el acumulador.
Los elementos de transporte llevan las cargas eléctricas, o el fluido, desde las inmediaciones del acumulador hasta los centros de consumo. En esta parte del circuito, la energía contenida en el fluido o en las cargas eléctricas se cede al elemento receptor.
En los circuitos existen también elementos de protección que, en caso de fallos en alguna de sus partes o zonas, protegen a las partes restantes; y elementos de control, con los que se puede dosificar la energía que se suministra al elemento de consumo.
2. Circuitos eléctricos. Generalidades
Los circuitos eléctricos deben entenderse siempre como cerrados; es decir, los electrones, como partículas portadoras de carga eléctrica, deben recorrer un camino de ida desde el generador (centro de producción de corriente) hasta el receptor (centro de consumo), y otro de retorno, desde este hasta aquel.
2.1. Corriente eléctrica. Intensidad de corriente
La carga eléctrica que pasa por una sección del conductor en la unidad de tiempo se denomina intensidad de corriente; su valor, expresado en unidades del Sistema Internacional, se mide en amperios (A).
El sentido real del movimiento de los electrones es opuesto al de las cargas positivas, que se considera como convencional.
2.2. Corriente continua y corriente alterna
- Corriente continua: Es aquella en la que el sentido del movimiento de los electrones es siempre el mismo y, consecuentemente, también lo es el de la intensidad. Si la diferencia de potencial en los bornes del generador es constante, también lo será el valor de la intensidad, cumpliéndose la ley de Ohm.
- Corriente alterna: Es aquella en la que varía periódicamente el sentido del movimiento de los electrones y, en consecuencia, el de la intensidad. La razón de este fenómeno es una variación periódica en la polaridad producida en los bornes del generador.
En una corriente alterna, al no ser constante la diferencia de potencial, tampoco lo es el valor de la intensidad. Los valores instantáneos de la tensión y de la intensidad vienen dados por expresiones donde la frecuencia (f) es el número de veces que se modifica el sentido del movimiento de los electrones por unidad de tiempo, medida en hercios (Hz).
El período (T) es el tiempo que tarda cada electrón en modificar y volver a recuperar el sentido de su movimiento (T = 1/f).
2.3. Valores eficaces
Se entiende por valor eficaz de una corriente alterna (tanto para la tensión como para la intensidad) aquel valor que debería tener una corriente continua para producir la misma energía en las mismas condiciones. Para tensiones e intensidades senoidales, el valor eficaz es igual al valor máximo dividido por la raíz cuadrada de 2.
3. Representación fasorial de la tensión y de la intensidad
En los circuitos de corriente alterna, los valores de la tensión y de la intensidad dependen de la pulsación (velocidad angular) del generador. Para resolver esto, se asigna un carácter vectorial a estas magnitudes, denominadas fasores.
Los fasores son magnitudes vectoriales que giran con una pulsación angular ω. Para diferenciarlos de los valores escalares, se les coloca una rayita encima (ej. Ī, Ē).
3.1. Desfases
La presencia de elementos pasivos (resistencias, bobinas, condensadores) determina si la tensión y la intensidad alcanzan sus valores máximos simultáneamente. Si solo existen resistencias puras, la corriente está en fase.
4. Elementos pasivos de un circuito eléctrico
Los tres elementos pasivos típicos son: resistencias, condensadores y bobinas.
4.1. Resistencias
Es la oposición que ofrece todo conductor al paso de la corriente eléctrica. Su valor se rige por la ley de Ohm. En circuitos con resistencias puras, no se producen desfases.
4.2. Condensadores
Dispositivo capaz de almacenar carga eléctrica entre dos placas metálicas (armaduras) separadas por un dieléctrico. La carga almacenada es proporcional a la tensión (C = Q/V), medida en faradios (F).
4.2.1. Efecto en corriente continua
El condensador actúa como un elemento de resistencia infinita (circuito abierto), ya que no hay paso de corriente al ser la tensión constante.
4.2.2. Efecto en corriente alterna
Introduce una resistencia denominada reactancia capacitiva (XC) y produce un desfase de 90°, adelantando la intensidad respecto a la tensión.
4.3. Bobinas
Conductor arrollado en espiral. En corriente continua se comporta como un cortocircuito. En corriente alterna, introduce una reactancia inductiva (XL) y produce un desfase de 90°, donde la tensión se adelanta a la intensidad.
5. Circuitos de corriente alterna RLC en serie
En un circuito con resistencia (R), bobina (L) y condensador (C) en serie, la diferencia de potencial total es la suma vectorial de las tensiones en cada elemento. La resistencia total se denomina impedancia (Z).
5.1. Ley de Ohm en corriente alterna
La intensidad eficaz es igual al cociente entre la tensión eficaz y la impedancia (I = E/Z).
6. Energía y potencia de la corriente eléctrica
6.1. Circuitos de corriente continua
La energía consumida se mide en julios. El generador suministra energía que es consumida tanto por el circuito exterior como por el propio generador.
6.2. Circuitos de corriente alterna
Se distingue entre potencia aparente (S), medida en voltamperios (VA), y potencia real. El factor de potencia (cos φ) indica la eficiencia del circuito.
6.2.1. Factor de potencia
Es el coseno del ángulo de desfase. Se busca que sea lo más cercano a 1.
6.2.2. Resonancia
Ocurre cuando la impedancia es mínima y la intensidad es máxima.
6.3.3. Potencias activa, reactiva y aparente
- Potencia activa (P): Se mide en vatios (W). Es la potencia disipada como calor.
- Potencia reactiva (Q): Se mide en voltamperios reactivos (VAr). Es la potencia almacenada en campos magnéticos/eléctricos.
- Potencia aparente (S): Se mide en voltamperios (VA).
Leyes de Kirchhoff
- Primera ley (Nudos): La suma de las intensidades que llegan a un nudo es igual a la suma de las que salen.
- Segunda ley (Mallas): La suma de las fuerzas electromotrices en una malla es igual a la suma de las caídas de tensión.