Un circuito eléctrico es, además de una interconexión de elementos eléctricos, un modelo que aproxima el comportamiento de un sistema eléctrico real; punto común de todas las ramas de la ingeniería eléctrica, que proporciona una base sustancial para el aprendizaje de cómo llevar a cabo el diseño y la operación de sistemas que funcionan en base a la electricidad.

El concepto fundamental para explicar la teoría de los circuitos eléctricos es el de la carga eléctrica (Q), propiedad de las partículas atómicas de las que se componen los elementos básicos de la materia, cuya medida es el coulombs (C), y presente en virtud del exceso o la deficiencia de electrones. Recuérdese que el electrón es la partícula atómica con carga negativa, y que cuando éste es igual en número al protón –partícula atómica con carga positiva–, la carga eléctrica neta del átomo que los contiene es neutra.

Carga eléctrica y corriente

La carga eléctrica e, negativa, de un electrón, es 1.602 x 10-19 C –siendo la del protón igual en magnitud, pero positiva–. El coulomb es, por tanto, una unidad grande para cargas, habiendo en un 1 C 6.24×1018 electrones. De esta manera, los valores realistas o de laboratorio para las cargas son del orden de pC, nC o μC. Asimismo, las únicas cargas que ocurren en la naturaleza son múltiplos enteros de la carga electrónica. De acuerdo con la ley de conservación de la carga, ésta no puede ser creada ni destruida, sino solo transferida, por lo que la suma algebraica de las cargas eléctricas en un sistema no cambia.

La carga eléctrica a su vez es móvil, es decir, puede ser transferida de un lugar a otro, a partir del movimiento de los electrones desde las capas más externas de sus átomos –electrones de valencia– hacia las capas más externas de los átomos vecinos. En el momento en que un alambre conductor se conecta a una batería, las cargas negativas de éste son obligadas a moverse en una dirección, y las positivas hacia la dirección opuesta. Tal movimiento constituye la corriente eléctrica, cuyo flujo, por convención, se considera como el movimiento de cargas positivas, pese a que se sabe que la corriente en conductores metálicos se debe a electrones con carga negativa. Finalmente, la corriente eléctrica es la velocidad de cambio de la carga respecto al tiempo, medida en amperes (coulomb/segundo); y su relación matemática con la carga q y el tiempo t es: i = dq / dt. Se puede decir que un ampere es la cantidad de corriente que existe cuando cierto número de electrones, con carga total de un coulomb, pasa por un área de sección transversal dada en un segundo.

Movimiento de electrones.[1]

La corriente no tiene por qué ser una función de valor constante. Cuando no cambia con el tiempo, se conoce como corriente directa (cd), y cuando varía senoidalmente con el tiempo, se denomina corriente alterna (ca). Estas dos son los tipos de corrientes más comunes. Nótese que una corriente de determinado valor puede representarse tanto de forma negativa como de forma positiva. De modo que, una corriente negativa de -5 A, que fluye en una dirección, es igual a una corriente de +5 A, que fluye en la dirección opuesta.

Tensión

Las cargas positivas sienten atracción hacia las negativas, lo que, en parte, explica por qué los electrones no son capaces de salirse por sí solos de sus átomos para dar lugar a una corriente eléctrica. Para que tal cosa suceda, es necesario aplicar una cierta cantidad de energía, en forma de trabajo, que sea capaz de vencer la fuerza de atracción de las cargas y separarlas. Este trabajo lo lleva a cabo una fuerza electromotriz externa (fem), también conocida como tensión o diferencia de potencial. La tensión vab entre dos puntos a y b en un circuito eléctrico, es la energía o el trabajo necesario para mover una carga unitaria desde a hasta b. Se mide en voltios, y su expresión matemática es vab= dw / dq. Siendo w la energía medida en joules (J), y q la carga en coulombs.

La corriente y la tensión son las dos variables básicas de los circuitos eléctricos. En general, el término señal se utiliza para hacer referencia a una cantidad eléctrica –como tensión, corriente o incluso una onda electromagnética–, cuando se usa para transmitir información. Tal y como con la corriente, a una tensión constante se le denomina tensión de cd y es representada como V, en tanto que a una tensión que varía de forma senoidal con el tiempo se le llama tensión de ca y es representada como v. Las fuentes de voltaje de cd y de ca son representadas mediante los siguientes símbolos.

Símbolos de voltaje de cd y voltaje de ca.[2]

La batería es el tipo de fuente de voltaje de cd por excelencia. Compuesta por una o más celdas electroquímicas constituidas cada una por un electrodo positivo, uno negativo, un electrolito y un separador poroso, la batería se encarga de convertir energía química en eléctrica. A partir de una reacción química, el electrodo positivo tiene deficiencia de electrones y el negativo los posee en exceso; el electrolito, por su lado, proporciona un mecanismo para que fluya la carga entre ambos electrodos, mientras que el separador los aísla eléctricamente.

El voltaje en una batería está determinado por el tipo de materiales empleados en sus celdas. Con todo, su capacidad es variable, y consiste en el número de electrones que se puede obtener de ella, medida por la cantidad de corriente que puede suministrar a lo largo del tiempo. El modo en que las celdas electroquímicas están conectadas en una batería también influye de forma determinante en las características eléctricas de ésta. Si el electrodo positivo de una celda está conectado al electrodo negativo de la siguiente, y así de un modo sucesivo, el voltaje de la batería será la suma de los voltajes de las celdas individuales, en una conexión que se denomina en serie. Por otro lado, si lo que se quiere es elevar la corriente o la capacidad de la batería, los electrodos positivos de todas las celdas se deben conectan entre sí, lo mismo que los negativos, en una conexión que se llama en paralelo.

Batería.[3]

Los generadores, por su lado, constituyen la fuente de voltaje de ca más conocida. Convierten la energía mecánica en energía eléctrica a través del principio de inducción electromagnética; haciendo girar un conductor a través de un campo magnético, para de ese modo generar un voltaje que pase por el conductor.

Potencia y energía

Pese a que corriente y tensión son las dos variables básicas dentro de un circuito eléctrico, no son suficientes por sí mismas. Aparte de ellas tenemos a la Potencia, que no es más que la variación del gasto o del consumo de energía en el tiempo, medida en watts (W), y cuya relación con las mencionadas variables sería: p = dw / dt. Donde p es la potencia, w es la energía, en joules (J), y t es el tiempo, en segundos (s). De esta y las anteriores ecuaciones se obtiene que:

O lo que es lo mismo: p = vi. La potencia absorbida o suministrada por un elemento es entonces el producto de la tensión entre los extremos del elemento y la corriente a través de él. De la ecuación anterior se puede deducir asimismo una expresión para la energía, que sería la capacidad para realizar trabajo, medida en joules (J):

Resistencia

En el movimiento de electrones como corriente eléctrica a través de un material conductor, éstos de vez en cuando chocan con átomos; colisiones que les hacen perder energía y restringir su movimiento. Mientras más colisiones haya, menos libremente podrán moverse los electrones. El nivel de colisiones y, en consecuencia, de restricción al desplazamiento de los electrones, depende de cada tipo de material, y constituye la resistencia (R) de éste. Podemos decir que la resistencia, expresada en ohms y simbolizada con la letra griega omega Ω, no es más que la oposición a la corriente. Existe un ohm (1 Ω) de resistencia si hay un ampere (1 A) de corriente en un material cuando se aplica un voltio (1 V) al mismo, de manera que: R = VI. Por su lado, el símbolo de la resistencia es:

El recíproco de la resistencia es la conductancia, cuyo símbolo es G, y que es una medida de la facilidad con que se establece la corriente. La relación entre ambas variables es: G = 1 / R. Su unidad de medida es el siemens, que se abrevia con S.

Bibliografía

Charles K. Alexander y Matthew N. O. Sadiku. Fundamentos de circuitos eléctricos, 5ta Ed. (México, 2013).

James W. Nilsson y Susan A. Riedel. Circuitos eléctricos, 7ma Ed. (Madrid, 2005).

Thomas L. Floyd. Principios de circuitos eléctricos, 8va Ed. (México, 2007).

[1] Instalaciones eléctricas residenciales. ¿Qué es la «banda de conducción» de un átomo? (enero, 2016). https://instalacioneselctricasresidenciales.blogspot.com/2016/01/que-es-la-banda-de-conduccion-de-un.html

[2] Thomas L. Floyd. Principios de circuitos eléctricos, 8va Ed. (México, 2007), p. 26.

[3] Gonzalo Lara; Motorpasión. Cómo funciona una batería. https://www.motorpasion.com/coches-hibridos-alternativos/como-funciona-una-bateria