La electricidad permite transportar y transformar energía mediante circuitos eléctricos. Pero ¿qué ocurre realmente cuando encendemos una bombilla, conectamos un cargador o ponemos en marcha un motor?
Todo comienza con una fuente que establece una diferencia de potencial. Cuando existe un camino conductor cerrado, el campo eléctrico establecido en el circuito produce un movimiento ordenado de cargas: la corriente eléctrica.
Los componentes del circuito interactúan con esa corriente y transforman la energía eléctrica en otras formas de energía, como luz, calor o movimiento.
En este artículo veremos paso a paso cómo funciona un circuito eléctrico y qué papel desempeñan la tensión, la corriente, la resistencia y las cargas.
¿Qué necesitamos para que funcione un circuito eléctrico?
Para que un circuito eléctrico pueda funcionar necesitamos varios elementos que trabajen conjuntamente. Aunque los circuitos pueden ser muy diferentes entre sí, podemos identificar tres elementos fundamentales: una fuente, un camino conductor y una carga.
Una fuente de energía
La fuente suministra energía al circuito y mantiene una diferencia de potencial que permite establecer las condiciones necesarias para que pueda circular corriente.
Una pila, una batería, una fuente de alimentación o un generador son ejemplos de fuentes eléctricas. Dependiendo del sistema, la energía que utilizan puede proceder de diferentes fuentes primarias y transformarse en energía eléctrica.
En un circuito sencillo, una batería mantiene una diferencia de potencial entre sus terminales. Cuando conectamos esos terminales mediante un camino conductor, se establecen las condiciones necesarias para que pueda circular corriente.
Un camino conductor
El segundo elemento es el camino conductor que conecta los diferentes componentes del circuito.
En una instalación eléctrica este camino puede estar formado por cables, pistas de circuito impreso, conexiones metálicas o cualquier otro elemento que permita el movimiento de cargas.
Los conductores no son simplemente «tuberías para electrones». Cuando circula corriente por ellos existe un campo eléctrico que ejerce fuerza sobre las cargas y permite establecer su movimiento neto.
En los metales, los principales portadores de carga son los electrones.
Una carga
El tercer elemento es una carga eléctrica del circuito, es decir, un componente que recibe energía eléctrica y la transforma en otra forma de energía.
Una bombilla puede transformar parte de la energía eléctrica en luz y calor. Un motor puede transformarla principalmente en movimiento. Una resistencia puede transformar energía eléctrica en calor.
En electrónica, la carga puede ser mucho más compleja: un circuito integrado, un sensor, un microcontrolador o cualquier otro dispositivo que consuma energía eléctrica.
¿Qué ocurre cuando cerramos el circuito?
Imagina una batería conectada a una bombilla mediante dos cables y un interruptor.
Mientras el interruptor está abierto, el camino conductor está interrumpido. Cuando cerramos el interruptor, el circuito queda completo y se establecen las condiciones necesarias para que circule corriente.
La batería mantiene una diferencia de potencial entre sus terminales. Al cerrar el circuito, se establece un campo eléctrico a lo largo del camino conductor y los portadores de carga responden a ese campo.
En un conductor metálico, los electrones ya están presentes en el material. No es necesario que nuevos electrones viajen desde la batería hasta la bombilla para que esta funcione. Lo que ocurre es que el campo eléctrico establecido en el circuito provoca un movimiento neto de las cargas que ya se encuentran en el conductor.
La carga recibe entonces energía eléctrica y puede transformarla en luz, calor, movimiento u otras formas de energía.
¿Los electrones tienen que viajar desde la batería hasta la bombilla?
No. Los electrones que participan en la conducción ya están presentes en el cable. Al cerrar el circuito se establece un campo eléctrico que provoca un movimiento colectivo de las cargas. Por eso la bombilla puede responder rápidamente aunque los electrones individuales tengan una velocidad de deriva relativamente pequeña.
La energía y la señal eléctrica se propagan por el circuito a una velocidad muy superior a la velocidad de deriva de los electrones individuales.
¿Qué papel tiene la tensión eléctrica?
La tensión eléctrica, también llamada diferencia de potencial o voltaje, describe una diferencia de potencial eléctrico entre dos puntos.
Es una de las magnitudes fundamentales que utilizamos para analizar circuitos eléctricos y su unidad en el Sistema Internacional es el voltio (V).
Una batería, por ejemplo, puede mantener una diferencia de potencial entre sus terminales. Cuando conectamos una carga mediante un circuito conductor, esa diferencia de potencial forma parte de las condiciones que permiten establecer una corriente.
Es importante no pensar en la tensión simplemente como una «fuerza que empuja electrones». Esa analogía puede servir para una primera aproximación, pero la tensión es, de forma más precisa, una diferencia de potencial eléctrico entre dos puntos.
¿Qué es la corriente eléctrica?
La corriente eléctrica es la tasa a la que fluye la carga eléctrica a través de una sección de un circuito.
Matemáticamente:
I = ΔQ / Δt
donde I representa la corriente o intensidad de corriente, ΔQ la cantidad de carga que atraviesa una sección y Δt el intervalo de tiempo.
La unidad de corriente eléctrica en el Sistema Internacional es el amperio (A). Un amperio equivale a un culombio de carga por segundo:
1 A = 1 C/s.
En los conductores metálicos, la carga móvil está formada principalmente por electrones. En otros medios pueden participar diferentes portadores de carga.
Por tanto, corriente eléctrica y electrones no son sinónimos: la corriente es una magnitud que describe el movimiento de carga, mientras que los electrones son uno de los posibles portadores de esa carga.
¿En qué dirección circula la corriente?
Existe una diferencia entre el movimiento de los electrones y el sentido que utilizamos convencionalmente para representar la corriente.
Los electrones tienen carga negativa y, en un conductor metálico, su movimiento neto es contrario al sentido de la corriente convencional.
Por convenio, representamos la corriente convencional en el sentido en el que se moverían cargas positivas.
Por eso, en un circuito sencillo:
Corriente convencional:+ → −
Movimiento de electrones:− → +
Esta convención se utiliza en los esquemas eléctricos, las fórmulas y el análisis de circuitos.
¿Qué papel tiene la resistencia?
La resistencia eléctrica describe la oposición que presenta un elemento al paso de la corriente.
Su unidad en el Sistema Internacional es el ohmio (Ω).
En un conductor uniforme, su resistencia depende de factores como el material, la longitud, la sección transversal y la temperatura. Para un conductor uniforme, podemos expresarla mediante:
R = ρ · L / A
donde:
- R es la resistencia.
- ρ es la resistividad del material.
- L es la longitud del conductor.
- A es su sección transversal.
Los componentes diseñados específicamente para presentar un determinado valor de resistencia se denominan resistencias eléctricas.
¿Cómo se transfiere la energía eléctrica?
La corriente eléctrica no es lo mismo que la energía eléctrica.
La corriente describe el movimiento de carga. La energía eléctrica, en cambio, puede transferirse a los componentes del circuito y transformarse en otras formas de energía.
Por ejemplo:
- Una bombilla transforma energía eléctrica principalmente en luz y calor.
- Un motor transforma energía eléctrica en movimiento y también produce calor.
- Una resistencia transforma energía eléctrica en energía térmica.
- Un altavoz transforma energía eléctrica en sonido y calor.
Esta transformación de energía es precisamente lo que permite que los circuitos eléctricos realicen un trabajo útil.
Para estudiar cuánto rápido se transfiere esa energía utilizamos otra magnitud fundamental: la potencia eléctrica.
Circuitos abiertos y circuitos cerrados
Un circuito puede encontrarse abierto o cerrado.
En un circuito abierto, existe una interrupción en el camino conductor. Por ejemplo, cuando un interruptor está abierto, no existe un camino conductor completo a través de la carga y no circula una corriente sostenida por esa rama.
En un circuito cerrado, existe un camino conductor completo y pueden establecerse las condiciones necesarias para que circule corriente.
El interruptor de una lámpara es un ejemplo sencillo: al abrirlo interrumpimos el circuito; al cerrarlo completamos el camino eléctrico.
Corriente continua y corriente alterna
No todas las corrientes eléctricas se comportan de la misma manera.
En la corriente continua (CC o DC), la corriente mantiene un mismo sentido, aunque su valor pueda variar con el tiempo. Las pilas y baterías son ejemplos habituales de fuentes de corriente continua.
En la corriente alterna (CA o AC), la corriente cambia de dirección periódicamente. La red eléctrica convencional utiliza corriente alterna.
La diferencia entre ambas será especialmente importante cuando estudiemos baterías, fuentes de alimentación, motores, transformadores y sistemas eléctricos.
¿Cómo se relacionan tensión, corriente y resistencia?
Tres magnitudes aparecen constantemente cuando analizamos un circuito: tensión, corriente y resistencia.
La tensión describe la diferencia de potencial entre dos puntos.
La corriente describe la cantidad de carga que atraviesa una sección del circuito por unidad de tiempo.
La resistencia describe la oposición que presenta un elemento al paso de la corriente.
En los elementos que siguen la relación de Ohm, estas magnitudes están relacionadas mediante la Ley de Ohm:
V = I × R
Por tanto:
I = V / R
R = V / I
Si conocemos dos de estas magnitudes podemos calcular la tercera.
Resumen
La electricidad utilizada en nuestra vida cotidiana funciona mediante sistemas en los que una fuente, unos conductores y unas cargas interactúan formando un circuito.
Los conceptos fundamentales que debemos recordar son:
- Una fuente mantiene las condiciones eléctricas necesarias para alimentar el circuito.
- La tensión es una diferencia de potencial eléctrico entre dos puntos.
- La corriente describe el movimiento de carga a través del circuito.
- En los metales, los principales portadores de carga son los electrones.
- La corriente convencional tiene sentido contrario al movimiento de los electrones.
- La resistencia describe la oposición al paso de corriente.
- Los componentes pueden transformar la energía eléctrica en luz, calor, movimiento, sonido u otras formas de energía.
- La relación entre tensión, corriente y resistencia se expresa mediante la Ley de Ohm cuando es aplicable.
Continúa aprendiendo
Ya entiendes cómo funciona un circuito. Ahora aprende a calcularlo.
Ya conoces los tres conceptos que aparecen constantemente en electricidad: tensión, corriente y resistencia.
El siguiente paso es aprender cómo se relacionan entre sí y cómo utilizarlos para resolver problemas eléctricos.
Aprende la Ley de Ohm
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