CIRCUITOS ELECTRICOS
HISTORIA DE LOS CIRCUITOS ELECTRICOS
Tempranas investigaciones sobre electricidad estática vienen de cientos de años atrás. Electricidad estática es una transferencia de electrones producida por fricción como cuando se frota un balón sobre un saco o como se frota una peinilla sobre el pelo. Un pequeño flujo de corriente puede ocurrir cuando objetos cargados entran en contacto, pero no es un continuo flujo de corriente. En ausencia de corriente continua, no existe una verdadera aplicación de la electricidad.
El invento de la batería (la cual puede producir un flujo continuo de corriente) hizo posible el desarrollo de los primeros circuitos eléctricos. La primera batería, la pila voltaica, fue inventada por Alessandro Volta en el año de 1800. Los primeros circuitos que tuvieron aplicaciones usaban baterías y electrodos sumergidos en container de agua. El flujo de corriente a través del agua producía hidrogeno y oxigeno.
La primera aplicación de circuitos eléctricos para uso práctico y que se extendió rápidamente por el mundo fue la iluminación eléctrica. Poco tiempo después de que Thomas Edison inventó su bulbo incandescente, el vio su aplicación práctica, desarrollando un completo sistema de generación y distribución. El primer sistema con estas características desarrollado en Estados Unidos fue la estación Pearl Street en Manhattan. Este sistema suministraba energía eléctrica principalmente para iluminación a varias manzanas.
Una clasificación de los circuitos es relacionada con la naturaleza de la corriente. Los primeros circuitos fueron energizados con baterías, en los cuales la corriente era constante y fluía siempre en la misma dirección. Esta es la conocida corriente directa o DC. El uso de corriente directa continuó a través del tiempo siendo utilizada para los primeros sistemas eléctricos de potencia. El principal problema de los sistemas eléctrico de corriente continua fue que las estaciones de potencia apenas podían suministrar energía eléctrica sobre un área de una milla cuadrada debido a las pérdidas de energía en los conductores.
En 1883, ingenieros propusieron aprovechas el potencial hidroeléctrico de las catarata del Niagara para cubrir las necesidades eléctricas de Buffalo N.Y. Sin embargo el problema inicial era la distancia. Buffalo estaba a 16 millas de Niagara, por lo que idea era descabellada. Sin embargo gracias al trabajo realizado por Nikola Tesla fue posible llevar a cabo el proyecto.
El Ingeniero Nikola Tesla tuvo la idea de usar corriente alterna o AC, que a diferencia de la corriente directa, está siempre cambiando de valor.
Ahora la pregunta era porque la corriente alterna sería la solución al problema de distancia que no se podía resolver con la corriente directa debido a las grandes pérdidas de energía ocasionada por el uso de esta. La respuesta es que con corriente alterna se podían usar transformadores para cambiar los niveles de tensión en un circuito. Los transformadores trabajan sobre el principio de inducción magnética, el cual requiere de un campo magnético cambiante en el tiempo producido por la corriente alterna. Con el uso de transformadores los niveles de tensión pueden ser incrementados para transportar energía eléctrica a través de largas líneas de transmisión. En los puntos de distribución nuevamente se usan transformadores para reducir el nivel de tensión a uno seguro de 220 V o 110V para uso residencial o comercial.
Se necesitan niveles altos de tensión para grandes distancias debido a que la resistencia de los conductores causa pérdidas de potencia, la cual se traduce en pérdidas de energía. Los electrones dentro de los átomos pierden energía en forma de calero a medida que ellos viajan por los conductores. La pérdida de potencia es proporcional con el cuadrado de la corriente que fluye a través del conductor.
Para medir la cantidad de potencia que una línea transmite, se multiplica la tensión por la corriente. Para representar esta expresión se usa la siguiente ecuación matemática, en la cual I representa la corriente, V la tensión y P la potencia:
P=VI
Para entender el ahorro energético que se logro conseguir en el ejemplo histórico del Niágara mediante el uso de corriente alterna, se considera el ejemplo de transmitir 2 megavatios. Si se incrementa la tensión de 100 V a 10000 V entonces se reduce la corriente de 20000 A a 200 A. De esta manera se reduce la pérdida de potencia de un factor de (20000)2 a (200)2. Este fue el concepto que usó Tesla y por el cual la idea de la transmisión de energía eléctrica desde el Niagara hasta Buffalo, y finalmente a la ciudad de Nuev
UNIDADES
Carga eléctrica: Toda materia está hecha de átomos los cuales tienen un núcleo cargado positivamente (protones) y alrededor de este, electrones que poseen carga negativa. La carga es medida como un múltiplo de la carga de un protón o un electrón. La unidad de carga eléctrica es el Coulomb. (C)
Carga de un protón e = 1.602 x 10-19 Coulombs
Carga de un electrón e= - 1.602 x 10-19 Coulombs
Corriente: Es la velocidad con la que la carga eléctrica pasa por un determinado punto de un circuito eléctrico. Dicho de otra forma es la cantidad de carga transferida por unidad de tiempo. La unidad de corriente es el ampere (A) donde 1A= 1 C/s.
Tensión: Tensión eléctrica o diferencia de potencial es una representación de la energía potencial eléctrica por unidad de carga. Considérese que para empujar una carga eléctrica a través de un elemento se requiere de un gasto de energía. Entonces se dice que existe una tensión (o una diferencia de potencial) entre los extremos o terminales de dicho elemento. De esta manera la tensión en un par de terminales es una medida del trabajo o energía que se necesita para mover la carga a través del elemento. La unidad de tensión es el volt (V) donde 1V=1 J/C.
Potencia: Se define como la tasa de transferencia de energía de un elemento o dispositivo. Es decir la cantidad de energía o trabajo que consume o entrega en determinado tiempo. Tal como la tensión se definió como la cantidad de energía para transferir un coulomb de carga, la potencia es la tasa a la cual se genera o absorbe dicha energía. La potencia absorbida es proporcional al número de coulombs transferidos por segundo a través de un elemento (corriente) y a la energía consumida en transferir un coulomb a través de dicho elemento (tensión). La unidad de potencia es el vatio (W) donde 1W= 1 J/s.
Para entender bien lo que significa potencia absorbida y potencia generada analicemos el siguiente grafico que muestra una batería de 12 V alimentando en serie una bombilla.
La potencia generada es aquella que entrega la fuente de tensión de 12 V representa por la batería. La potencia absorbida es la que consume la resistencia de la bombilla. Como es sabido la energía no se crea ni se destruye, es por esto que la energía generada por la batería es consumida por la resistencia para luego transformarse en calor y de esta manera cumplir la función de iluminar.
a York y más allá, se hizo realidad.
LEYES DE KIRCHHOFF
Luego de haber comprendido la ley de ohm ya estamos preparados para determinar las relaciones corriente – tensión en redes simples que se denominan red de parámetros agrupados ya que están formadas de varios elementos simples y un conjunto de hilos de conexión.
A continuación se definen los nodos, trayectorias y ramas, los cuales son de gran ayuda a la hora de aplicar las leyes y métodos para la solución de circuitos.
Nodo: Es un punto en el cual dos o más elementos tienen una conexión en común. En el siguiente grafico se pueden observar dos circuitos iguales dibujados de diferente manera con el fin de entender bien el concepto de nodo.
En la siguiente grafica se puede caer en el error de creer que existen dos nodos ya que se muestran dos puntos de conexión separados. Sin embargo es el mismo punto de conexión ya que el hilo de conexión tiene una resistencia nula.
Si hubiera una resistencia, esta se indicaría y en ese caso si existirían dos nodos como se muestra en la siguiente figura.
Trayectoria: Una trayectoria es cualquier camino dentro de un circuito que pase por diferentes nodos y elementos una sola vez.
Lazo: Es una trayectoria con la característica de que el nodo con el que empieza es el mismo con el que termina, es decir es una trayectoria cerrada.
Ley de Kirchhoff de Corriente (LKC)
Esta ley axiomática establece que la suma algebraica de las corrientes que entran a un nodo es cero.
i1 + i2 + i3 + i4 +...+iN = 0
En esta gráfica se observa que las corientes i1 e i2 entran al nodo, mientras que las corrientes i3 e i4 salen de este. La suma algebraica de las corrientes que entran al nodo es:
i1 + i2 + (-i3) + (-i4) = 0
Como se observa a las corrientes i3 e i4 se le puso signo negativo para expresar que entran al nodo.
Esta ecuacion se puede expresar de la siguiente manera:
i1+ i2 = i3 + i4
En otras palabras la ley de Kirchoff de corriente dice que la suma de las corrientes que entran a un nodo es igual a la suma de las corrientes que salen de este.
También, de esta ley se desprende que un nodo es un elemento del circuito por el que fluye corriente y que en ningún momento puede acumular carga.
Ley de Kirchhoff de Corriente (LKT)
Esta ley establece que la suma algebraica de las tensiones alrededor de culaquier trayectoria cerrada de un circuito es cero.
v1 + v2 + v3 + v4 +...+vN = 0
De la anterior gráfica la suma algebraica de las tensiones, moviéndonos en el sentido de las manecillas del reloj es:
-v1 + v2 + v3 = 0
Al moverse mentalmente en el sentido de las manecillas del reloj se escribe de manera directa el signo de la teminal por la que se entra. Así, la terminal por la que se entra a v1 es (-) y para el caso de V2 y V3 es (+).
Esta ecuacion se puede expresar de la siguiente manera:
v1 = v2 + v3
Como se explicó en secciones anteriores, la tensión es una medida de trabajo. Para llevar una carga del nodo 1 al 3 se va a gastar cierta cantidad de trabajo (energia) que va ser independiente del camino que tome dicha carga. Como se observa existe dos diferentes caminos en los que la carga puede ir del nodo 1 al nodo 3. Uno camino es pasando a traves del elemento de la izquierda y el otro camino es pasando por los otros dos elementos. La energia que se gasta es la misma en cualquiera de los dos caminos. Eso explica la ecuacion anterior.
El estudiante puede verificar esta ley para el caso de que la carga vaya del nodo 2 al 3 y/o del nodo 2 al 1.
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