7. Circuitos el�ctricos

Corresponde a la sesi�n de GA 4.6 POR LAS TRES LEYES

Ya se mencion� que cuando los electrones son sometidos a la acci�n de un campo el�ctrico forman una corriente el�ctrica y el camino que recorren por el conductor se llama circuito el�ctrico, junto con todos los elementos que lo forman.

Un circuito el�ctrico simple consta b�sicamente de cuatro elementos que son una fuente de energ�a (generador), un cable conductor, un aparato el�ctrico (foco, resistencia, timbre, etc�tera) y un interruptor para abrir o cerrar el circuito.

Los elementos de un circuito el�ctrico pueden ser conectados en serie o en paralelo.

Cuando dos o m�s resistencias est�n conectadas en serie, se encuentran una a continuaci�n de otra y en cada una pasa la misma cantidad de corriente el�ctrica. Si alguna de las resistencias se funde, se abre el circuito, es decir, se interrumpe totalmente la circulaci�n de corriente. Un ejemplo claro de este tipo de conexi�n son los foquitos que adornan un �rbol de navidad.

En un circuito en donde las resistencias est�n conectadas en serie, la resistencia total del circuito se calcula mediante la siguiente f�rmula:

Ejemplo:

Determinar la resistencia total de un circuito conectado en serie con cuatro resistencias de ,al cual se le aplica una intensidad de corriente de 5 A y un voltaje de 120 voltios.

Cuando las resistencias se conectan en paralelo, uno de sus extremos se conecta a un polo del generador por medio de un conductor, y el otro extremo, al otro polo del generador, permitiendo as� el flujo de la corriente el�ctrica por diversos caminos. Cuando una resistencia se funde, la corriente el�ctrica sigue fluyendo por las otras resistencias.

La resistencia total en un circuito en paralelo es igual a la suma del rec�proco de cada una de las resistencias, y se puede calcular por medio de la f�rmula:

Ejemplo:

�Cu�l ser� la resistencia total de un circuito que tiene conectadas en paralelo cuatro resistencias de:

Los buenos conductores poseen gran cantidad de electrones libres, cuando estos electrones son sometidos a la acci�n de un campo el�ctrico efect�an un movimiento en sentido contrario al campo; es decir, cuando se unen los polos de una pila, los electrones se desplazan del polo negativo al positivo. El movimiento de los electrones es conocido como corriente el�ctrica, en este caso la corriente es producida por una diferencia de potencial (voltaje) que se establece entre el polo negativo (bajo potencial) y el polo positivo (mayor potencial), pero tambi�n se puede obtener al transformar alg�n otro tipo de energ�a como la hidr�ulica, la t�rmica o la solar, o bien por acci�n qu�mica.

Intensidad de corriente el�ctrica

Un conductor se puede comparar con el tubo de una instalaci�n hidr�ulica; por medio de este tubo se puede calcular la cantidad de agua que pasa por una secci�n transversal en cierto intervalo de tiempo; de manera similar, la cantidad de carga que pasa por una secci�n transversal de un conductor, corresponder� a la cantidad de electrones que circulan por una secci�n transversal, a la cual se denomina intensidad de corriente el�ctrica; matem�ticamente se expresa:

La carga � se mide en coulombs y el tiempo t en segundos, de esta relaci�n se obtiene la unidad empleada para la intensidad de corriente, la cual es el amperio A en honor del f�sico franc�s Andr�-Marie Amp�re.

Ejemplo:

�Cu�l ser� la intensidad a la que se encuentra sometido un conductor si por �l circula una carga de 21 coulombs durante 14 segundos?

Ley de Ohm

Los trabajos sobre electricidad que realiz� el f�sico alem�n Jorge Sim�n Ohm le permitieron establecer la dificultad con que fluye la corriente el�ctrica a trav�s de un conductor; tambi�n se�al� la relaci�n que existe entre la intensidad de corriente I , la diferencia de potencial V y las caracter�sticas (elemento, longitud, di�metro, temperatura) del conductor; con base en esta relaci�n enunci� la ley que lleva su nombre, la cual dice:

Ley de Ohm La intensidad de corriente I que circula en un conductor es directamente proporcional a la diferencia de potencial V e inversamente proporcional a la resistencia R del conductor. Es decir: donde: I = intensidad de corriente (A) V = diferencia de potencial (V) R = resistencia

De la f�rmula anterior se deduce que, en un circuito, cuanto mayor es el voltaje, mayor es la intensidad de corriente, y cuanto mayor es la resistencia, menor es la intensidad de corriente.

En el Sistema Internacional de unidades de medida SI, la unidad de la resistencia es el ohm y se obtiene de la relaci�n entre el voltio V y el ampere A.

Ejemplo:

�Cu�l ser� la intensidad de corriente que circula por una bombilla el�ctrica de , la cual se encuentra conectada a una fuente de 12 V?

Como ya se mencion�, la corriente el�ctrica se genera debido a la diferencia de potencial, producido por una pila o fuente, que se establece entre dos puntos de un conductor. Al fluir por dicho conductor, los electrones realizan un trabajo en la unidad de tiempo; a este trabajo se le conoce como potencia el�ctrica.

La potencia el�ctrica que puede desarrollar una fuente est� determinada por el producto de la diferencia de potencial que se genera entre sus polos y la intensidad de corriente; matem�ticamente, la potencia el�ctrica queda definida por la igualdad:

P = V I

La diferencia de potencial se mide en voltios y la intensidad de corriente en amperios; el producto de estas unidades en el SI da la unidad de potencia que se denomina watt W y es la medida de la energ�a que una m�quina puede desarrollar en la unidad de tiempo.

Ejemplo:

�Qu� potencia se obtendr�a de un motor que se encuentra conectado a un voltaje de 120 V y consume 3.8 A?

Datos P = ? V = 120V I = 3.8A

F�rmula P = VI

Sustituci�n P = (129V)(3.8A)

Resultado P = 456 W

Entre los estudiosos de la electricidad, otro personaje importante es el f�sico ingl�s James-Prescott Joule, quien desarroll� importantes conceptos sobre la teor�a mec�nica del calor; observ� que las resistencias desprenden calor cuando por ellas circula una corriente el�ctrica, y dedujo que el calor desprendido se origina por la energ�a cin�tica de los electrones, que al impactarse con los �tomos de la resistencia, provocan que vibren m�s r�pido, generando as� calor, fen�meno conocido como efecto Joule.

El efecto Joule corrobora el principio de conservaci�n de la energ�a y, con base en este principio, se establece que siempre que en un circuito se gaste energ�a el�ctrica y se genere calor, la cantidad de energ�a calor�fica generada debe ser igual a la cantidad de energ�a el�ctrica gastada.

La energ�a calor�fica generada se expresa en calor�as o en joules, ya que entre estas dos unidades existe una equivalencia donde:

1 calor�a = 4.1868 joules

1 joule = 0.24 calor�as

Joule comprob� que el calor que se genera en un circuito es la energ�a que se utiliza en la corriente el�ctrica para vencer la resistencia de dicho circuito. Con esta deducci�n, Joule enunci� la ley que lleva su nombre, la cual establece que:

Ley de Joule La cantidad de energ�a calor�fica E que se produce por el paso de una corriente el�ctrica es directamente proporcional al cuadrado de la intensidad de la corriente I� por la resistencia R del conductor y por el tiempo t durante el cual circula la corriente La ley de Joule, matem�ticamente, se puede expresar as�: E = (I�)(R)(t)

Como el calor se expresa tambi�n en calor�as y un joule equivale a 0.24 calor�as, la cantidad de calor generada en un circuito se puede obtener por la siguiente f�rmula:

E = (0.24 cal) ( I� ) (R) ( t )

Ejemplo:

�Qu� cantidad de calor generar� una parrilla el�ctrica en 15 minutos, si la intensidad de corriente que circula por ella es de 5 amperes y su resistencia es de 12 ohm?

Resultado

E = 64800 calor�as