Muchas veces cometemos el error de comenzar a hablar sobre algo sin primero aclarar qué es o qué significan los conceptos que lo rodean. Esto es una grave equivocación pues podemos a hablar sin medida sobre cargas, iones y vectores asumiendo que el receptor nos está entendiendo, cuando puede que en realidad ni siquiera conozca las palabras que usamos o que tenga otro concepto sobre ellas. Es ahí donde empiezan a formarse los problemas de comunicación, que conllevan a un aprovechamiento menos favorable de la información que se quiere transmitir.
Para evitar en lo posible este tipo de confusiones respecto al lenguaje, primero hay que definir los conceptos básicos que entran en juego. Hablaremos de cargas en movimiento, pero, ¿qué quiere decir esto realmente?
Por movimiento nos referimos al concepto físico, bastante familiar, que venimos manejando desde niños, y que se refiere al cambio constante de posición respecto al tiempo.
La palabra Carga puede significar diferentes cosas dependiendo del contexto en que se maneje, desde algo que pesa hasta un impuesto. En física, por ejemplo, tenemos que si nos adentramos en la rama de la “física de partículas” nos encontramos con las cargas de color (propiedad de algunas partículas llamadas quarks y gluones). En este caso el tipo de cargas al que vamos a referirnos son las cargas eléctricas.
No obstante, para hablar de cargas eléctricas primero necesitamos detallar algunos conceptos, entre los que encontramos a los tan sonados protones, neutrones y electrones. Estos tres términos se refieren a las partículas subatómicas (aquellas que conforman la composición de los átomos. Un átomo es la división más pequeña que se puede hacer de un elemento sin que este pierda sus propiedades).
Los protones (+) son los que están cargados positivamente y, junto con los neutrones (con carga neutra), forman el núcleo del átomo. Alrededor de este, se encuentran nuestras terceras partículas, los electrones (-).
En el estado normal de los cuerpos materiales, las cargas eléctricas de los electrones y protones están compensadas, por lo que dichos cuerpos se comportan eléctricamente como neutros. Hace falta una acción externa para que un objeto material se electrice. La electrización de un cuerpo se consigue extrayéndole las cargas de un signo y dejando en él las de signo contrario.
Dependiendo de cuantos electrones se tengan en el átomo, se determinara el tipo de carga; si hay más electrones que protones entonces esta será negativa, menos electrones será positiva. La carga eléctrica es una de las propiedades principales de la materia.
Los electrones se encuentran distribuidos en distintos niveles alrededor del núcleo llamados “orbitales”. Cada orbital tiene un número máximo de electrones que puede contener. Si hay un espacio libre en el último orbital de un átomo, este puede albergar un electrón “visitante” que se le sea cedido por otro átomo con el que tenga contacto.
Podemos imaginarnos los orbitales como una especie de cuartos; si uno de estos cuartos está lleno y se topa con uno medio vacío le pasa alguno de los electrones para que las cosas queden más parejas.
Los electrones que pueden cambiar de ubicación y desprenderse fácilmente son los que no están tan fuertemente unidos al átomo. A estos a veces se les puede ver descritos como “electrones libres”.
Además de lo ya mencionado, contamos con una propiedad de los cuerpos llamada conductividad. Los materiales conductores son aquellos que permiten (algunos mejor que otros) que la electricidad pase por todos los puntos de su superficie. Estos no oponen resistencia al paso de las cargas, a diferencia de los materiales aislantes o dieléctricos que impiden que los electrones libres fluyan alegremente por un cuerpo. También están los semi-conductores, que no deciden a que bando irse y presentan una conductividad intermedia.
La experiencia nos enseña un poco acerca de la conductividad en los materiales, a fin de cuenta, ¿Quién no ha sentido “toques” al agarrar la perilla de una puerta? En cambio, ¿una servilleta te ha dado toques alguna vez? Basta usar un poco de intuición para descubrir cuál de esos materiales es o no conductor.
Entonces, tenemos que la materia está cargada gracias a los electrones que tiene. Estos electrones pueden liberarse de la partícula que los contiene e ir brincando de una a otra. Si un material conductor entra en contacto con un cuerpo cargado los electrones pasaran a él y seguirán con su flujo.
Este fenómeno de flujo constante de electrones es lo que llamamos corriente eléctrica, y es lo que explica cómo llega la electricidad a los enchufes o cómo es que un interruptor puede encender una lámpara o accionar la licuadora (la energía eléctrica es parte esencial hasta en los licuados :D).
Para entender mejor la manera en que la corriente pasa por un conductor podemos compararlo con el flujo de agua a través de una tubería, con el cual tiene varias características en común. Por la tubería pasa una cantidad de agua por segundo por una sección transversal. El origen del flujo de agua es donde hay mayor presión y el agua se dirige hacia donde hay menor presión. Así pasa con el flujo de los electrones por un conductor, es decir, estos se desplazan de donde hay mayor carga hacia donde hay menor carga. Así como el calibre (grosor) de la tubería y la longitud afectan el flujo del agua, el tamaño y la longitud (además de la capacidad de conductividad) del cable afectan el flujo de electricidad.
Ahora bien, cuando se abre el interruptor de circuito eléctrico, este se corta (separa un segmento del cable) y los electrones dejan de pasar; sin embargo, hay potencial “esperando” que se cierre el circuito para poder seguir “pasando”.
Por convención, aunque sean los electrones (cargas negativas) los que pasen a través del conductor, se consideran todas las corrientes como un flujo de carga positiva.
Sin embargo en la física nada cambia ni se mueve mágicamente y esto nos hace pensar que para que los electrones puedan fluir se necesita de una “fuerza” que los “empuje” y los haga avanzar a través del material conductor. A este impulso se le denomina “diferencia de potencial” o “voltaje”.
Aunque la diferencia de potencial que posee por sí misma la materia haga que la corriente eléctrica fluya, llega un momento en el que la fuerza que le ayuda a los electrones a avanzar se acaba y deja de haber un flujo.
Esta falta de fuerza provocó que en el pasado que las corrientes eléctricas en algunos conductores fueran demasiado cortas y no duraran el tiempo que necesitaban. Esto les ganó el nombre de corrientes transitorias o de corta permanencia.
El hecho de necesitar emplear la energía eléctrica por más tiempo y de forma más estable llevó a la búsqueda de algo que alargara la duración de las corrientes. Es aquí donde entran en juego las fuentes de poder o más comúnmente llamadas baterías. Estas son básicamente dispositivos que proporcionan una fuente de fuerza electromotriz.
La fuerza electromotriz (FEM) es la causa de que se mantenga una diferencia de potencial entre dos puntos, es decir, genera las condiciones para que las cargas eléctricas dentro de un circuito sigan en movimiento.
Ley de Ohm:
La intensidad de una corriente que circula por un conductor es directamente proporcional a la diferencia de potencial entre sus extremos e inversamente proporcional a la resistencia que éste opone al paso de la corriente.
La potencia es la fuerza que desarrolla un elemento eléctrico y se mide en watts, HP (horse power), CV (caballos de vapor) entre otras.
El suministro de energía eléctrica a través de un circuito eléctrico esté a cargo de la fuente de poder (fem), la cual almacena energía potencial mientras el circuito esté abierto; después de que se cierra, empieza a fluir la energía a través de los componentes del circuito (resistencias, capacitores, bobinas, entre otras).
Parte de la energía suministrada se pierde por calentamiento de los componentes y se disipa el aire. La rapidez con la que se disipa se conoce como potencia disipada la cual está dada por:
P= T/t
Y como T= VQ entonces,
P= VQ/t
Pero tambien Q=It por lo que
P= VIt/t
Es decir,
P= VI
Donde:
P= potencia
V= voltaje suministrado
I= corriente que pasa por el circuito
Ahora bien, como por la ley de Ohm V= IR, si sustituimos en P= VI obtenemos
P=I2R
Para calcular la potencia tomando en cuenta el voltaje suministrado. Si sustituimos el despeje de I de la misma ley de Ohm en P= VI, resulta
P= v2/R
Conversiones:
1 kilowatt (kW) = 1000 watts
1 horse power (hp) = 746 watts
1 caballo de vapor (CV) = 735 watts
El suministro de energía eléctrica a través de un circuito eléctrico esté a cargo de la fuente de poder (fem), la cual almacena energía potencial mientras el circuito esté abierto; después de que se cierra, empieza a fluir la energía a través de los componentes del circuito (resistencias, capacitores, bobinas, entre otras).
Parte de la energía suministrada se pierde por calentamiento de los componentes y se disipa el aire. La rapidez con la que se disipa se conoce como potencia disipada la cual está dada por:
P= T/t
Y como T= VQ entonces,
P= VQ/t
Pero tambien Q=It por lo que
P= VIt/t
Es decir,
P= VI
Donde:
P= potencia
V= voltaje suministrado
I= corriente que pasa por el circuito
Ahora bien, como por la ley de Ohm V= IR, si sustituimos en P= VI obtenemos
P=I2R
Para calcular la potencia tomando en cuenta el voltaje suministrado. Si sustituimos el despeje de I de la misma ley de Ohm en P= VI, resulta
P= v2/R
Conversiones:
1 kilowatt (kW) = 1000 watts
1 horse power (hp) = 746 watts
1 caballo de vapor (CV) = 735 watts
Retomando la analogía de la tubería de agua, la rapidez con la que fluya el agua dependerá de la altura que tenga un extremo o la capacidad de la bomba de agua que nos proporciona la propulsión. Así también podemos decir que la rapidez de flujo de la carga eléctrica entre los 2 puntos depende de la diferencia de voltaje (diferencia de potencial) que exista entre ellos. Si duplicamos o triplicamos la diferencia de voltaje, la corriente sufre el mismo cambio. Para medir el cambio de “empuje” que se le da a una carga eléctrica en el conductor se utiliza un voltímetro, el cual es un instrumento que mide el voltaje (la medida usada son los voltios), y para medir la corriente eléctrica que se genera de ese empuje se usa un amperímetro.
Hay instrumentos llamados multímetros, que nos permiten medir varias propiedades eléctricas sin tener que usar varios dispositivos. Una de las magnitudes que nos permite medir es la resistividad o resistencia.
La resistividad es la característica propia de un material que nos indica que tanto se opone al paso de la corriente eléctrica. Técnicamente es la dificultad que los electrones encuentran en su desplazamiento. Podemos imaginárnosla como una barrera, de menor o mayor tamaño, que impide pasar a algunos de los que se topan con ella.
Su valor es el que describe el comportamiento de lo que previamente se dijo respecto a la conductividad. La resistividad de un conductor es menor que la de un semi-conductor y la de este es menor que la de un aislante. La resistividad es lo inverso a la conductividad y se mide con valores que permite comparar diferentes materiales entre sí.
Los elementos y propiedades vistos anteriormente, usadas en conjunto, nos permiten el manejo y comprensión de los circuitos eléctricos.
Es tan común la aplicación del circuito eléctrico en nuestros días que tal vez no le damos la importancia que tiene. El automóvil, la televisión, la radio, el teléfono, la aspiradora, las computadoras y videocaseteras, entre muchos y otros son aparatos que requieren para su funcionamiento, de circuitos eléctricos simples, combinados y complejos.
Pero en sí, ¿Qué es un circuito eléctrico? Se denomina así el camino que recorre una corriente eléctrica. Este recorrido se inicia en una de las terminales de una pila, pasa a través de un conductor eléctrico (cable de cobre), llega a una resistencia (foco), que consume parte de la energía eléctrica; continúa después por el conducto, llega a un interruptor y regresa a la otra terminal de la pila.
Los elementos básicos de un circuito eléctrico son:
-Un generador de corriente eléctrica, en este caso una pila
-Los conductores (cables o alambre)
Los conductores llevan la corriente a una resistencia (foco) y posteriormente al interruptor, que es un dispositivo de control.
Todo circuito eléctrico requiere para su funcionamiento de una fuente de energía
Los circuitos eléctricos pueden estar conectados en serie, en paralelo y de manera mixta, que es una combinación de estos dos últimos.
El circuito en serie es bastante simple de definir pues cabe mencionar que si falla alguno de sus componentes, el flujo de corriente se interrumpe y entonces el circuito deja de funcionar. La corriente total será igual en cada uno de los componentes.
A diferencia de los circuitos en serie los paralelos son mucho más utilizados gracias a que presenta la ventaja de que la corriente está dada por la suma de corrientes individuales de cada componente, por ejemplo, si en nuestra casa encendemos o apagamos algún dispositivo como la televisión o el foco los demás aparatos seguirán teniendo la misma energía. Su voltaje total será igual en cada uno de sus componentes.
Ya definidos los primeros dos tipos de circuitos nos será muy sencillo entender el tercero, pues tal como el nombre lo dice estos integran los primeros dos tipos. Esto para reducir los circuitos, ya que algunas veces tenemos la necesidad de usarlos.
Así de esta manera podemos responder a las preguntas que nos hicimos al inicio de esta presentación y comprender de manera mas sencilla todos los fenómenos físicos que suceden a nuestro alrededor relacionados con la electricidad. Encontramos que de una manera bien elaborada pero al igual sencilla, el ser humano ha sabido aprovechar las beneficencias que nos ofrece la naturaleza electromagnética.
Dando fin al tema de cargas en movimiento,
