Tema 4: El circuito eléctrico

 Orígenes 

La palabra “elektron” proviene del griego y significa ámbar. Los griegos descubrieron que, cuando el ámbar era friccionado con piel o lana, atraía a pequeños objetos.

El rayo es una poderosa descarga electrostática natural producida durante una tormenta eléctrica. La descarga eléctrica precipitada del rayo es acompañada por la emisión de luz (el relámpago). La electricidad que pasa a través de la atmósfera calienta y expande rápidamente el aire, produciendo el sonido característico del trueno del relámpago.

El átomo. El concepto de átomo como bloque básico e indivisible que compone la materia del universo existe desde la Antigua Grecia, sin embargo, su existencia no quedó demostrada hasta el siglo XIX. Con el desarrollo de la física nuclear en el siglo XX se comprobó que de hecho el átomo se puede subdividir en partículas más pequeñas.

 Electricidad estática 

Cuerpos cargados y neutros. Todos los cuerpos están formados por átomos, por lo que tienen tanto cargas positivas como negativas. Sin embargo, el cuerpo suele tener tantas de un tipo como de otro y por tanto es neutro. Si queremos cargar el cuerpo lo que debemos hacer es quitarle o proporcionarle electrones, ya que son las cargas que pueden moverse con mayor facilidad. Si un cuerpo gana electrones queda cargado negativamente, mientras que si los pierde se carga positivamente.
Para cargar un cuerpo tenemos tres métodos: por rozamiento, por contacto o por inducción.

• Carga por rozamiento. Cuando dos cuerpo eléctricamente neutros se rozan entre si, pueden arrancarse electrones de uno y pasar al otro. Ejemplos: en general, los plásticos al frotarlos con un trapo, se cargan negativamente, mientras que el vidrio tiende a cargarse positivamente.
• Carga por contacto. Cuando un cuerpo conductor neutro y aislado entra en contacto con un cuerpo conductor cargado, el cuerpo cargado transmite cargas al cuerpo inicialmente neutro.
• Carga por inducción. Al acercar un cuerpo cargado a otro neutro pero en contacto con un medio conductor, éste último acaba cargándose. Para ello deberemos separarlo del medio conductor para que una vez finalizada la carga por inducción no vuelva a la neutralidad.

Electricidad estática. En muchas ocasiones, por rozamiento entre objetos, el que está eléctricamente aislado, acaba por cargarse y decimos que posee electricidad estática para diferenciarla de la que veremos a continuación y que produce las corrientes eléctricas.

 La corriente eléctrica 

Materiales conductores y aislantes. Los materiales se clasifican en conductores y aislantes según si dejan pasar cargas eléctricas o no a su través respectivamente. Los conductores suelen ser los metales, mientras que los aislantes, que no disponen de cargas libres que puedan producir una corriente, son la madera, los plásticos, el vidrio, la cerámica.

La corriente eléctrica. Para que pueda darse esta circulación de electrones deben producirse dos circunstancias: que el camino que recorra el electrón sea a través de un conductor, y que exista un campo eléctrico a lo largo de todo el conductor.
La corriente eléctrica es el flujo de carga eléctrica (electrones normalmente) a través de un cable metálico o cualquier otro conductor eléctrico.
Los campos eléctricos son creados por los elementos denominados generadores (pilas y baterías). Este campo ejerce fuerzas sobre los electrones, lo que provoca su desplazamiento, y así se obtiene la
corriente eléctrica.

 El circuito eléctrico 

Cualquier circuito eléctrico debe estar constituido básicamente por tres elementos:

• Los operadores que “producen” la corriente o generadores (pila), 
• los operadores que conducen la corriente (el cable conductor), 
• y los operadores que transforman la corriente (el receptor, por ejemplo una bombilla).

Además de los tres elementos básicos podemos encontrar otros elementos como son los operadores que controlan el paso de la corriente (interruptores) y de seguridad (fusible).
Los operadores eléctricos de un circuito pueden unirse entre sí de dos formas básicas: en serie y en paralelo.

 Los generadores 

Los generadores. Para producir corriente eléctrica existen diversos sistemas, todos ellos denominados generadores: pilas y baterías, placas fotovoltaicas, generadores dinamoeléctricos (dinamos y alternadores), células de combustible, etc.

Las pilas eléctricas. La energía se obtiene de la transformación de la energía química almacenada en su interior. Cuando las sustancias que almacenan la energía química se consumen la pila se agota, y debe ser repuesta. La pila una vez gastada debe ser reciclada debido a que las sustancias que contiene son altamente contaminantes. Por ese motivo deben llevarse a los contenedores apropiados.
Las pilas proporcionan una diferencia de potencial o voltaje de tan solo unos pocos voltios: 1,5 V, 3V, 4,5 V, 6 V...La corriente que generan es continua.
El voltaje se puede medir con un voltímetro que siempre se conecta en paralelo en el circuito ya que éste lo que mide es la diferencia de voltaje entre dos puntos.
La conexión de pilas en serie da como resultado una diferencia de potencial que es suma de los voltajes de todas las pilas conectadas, mientras que la tensión de las pilas montadas en paralelo es la correspondiente a la de la pila de mayor voltaje.
Pilas en serie Pilas en paralelo
Las baterías son asociaciones de dos o más pilas en serie, de forma que suman sus fuerzas electromotrices individuales y se obtienen unas diferencias de potencial en los bornes de valor más grande.
Los acumuladores son pilas o baterías que, cuando se agotan las sustancias que producen la energía eléctrica, pueden recuperarse de nuevo al hacer pasar una corriente eléctrica en sentido opuesto.

 Los conductores 

Los conductores. Son los elementos del circuito eléctrico a través de los cuales se distribuyen las cargas eléctricas hacia cada uno de los componentes del circuito, hasta que retornan al generador. Ofrecen la mínima resistencia.

 Los receptores 

Los receptores son el conjunto de componentes que tienen como finalidad transformar la energía eléctrica en cualquier otro tipo de energía, obteniendo luz, calor, sonido, movimiento, etc.

Las lámparas son receptores cuyo objetivo es transformar la energía eléctrica en luz. Los dos tipos fundamentales de lámparas son las

• lámparas de incandescencia 
• y de descarga.

 Lámparas de incandescencia 

Las lámparas de incandescencia aprovechan la propiedad que poseen los materiales de desprender luz cuando están a elevadas temperaturas. Existen diversos tipos de lámparas de incandescencia, pero todas tienen en común los siguientes componentes: casco de vidrio, filamento, y casquillo de fijación o contactos.
Casco de vidrio: resistente a altas temperaturas de diversas formas, tamaños y colores, transparente o translúcido. En su parte superior viene impresa la marca comercial, el voltaje y la potencia.
El casquillo de fijación en su parte inferior es de metal (latón) y permite sujetar la bombilla al portalámparas. El portalámparas tiene dos conectores para fijar los conductores eléctricos. Uno de los conectores lleva la corriente a la parte lateral del casquillo en el que se fija la bombilla y que transmite la corriente a uno de los extremos del filamento. El otro conector permite la conexión con el contacto conductor que está situado en la parte inferior de la bombilla y que transmite la corriente al otro extremo del filamento.

Lámparas reflectoras. Este tipo de lámpara de incandescencia se denomina así porque lleva incorporado un reflector. La parte interior del casco de vidrio más próxima al casquillo de fijación, está recubierta por un baño especial que la convierte en un espejo, con lo que se consigue que la luz salga proyectada hacia delante.

Las lámparas halógenas contienen en su interior yodo mezclado con el gas. Esto hace que el filamento dure más a la vez que la luz se hace más intensa. Se utilizan en los focos de los automóviles, en los proyectores de cine o diapositivas, y para uso doméstico.

Las lámparas para automóviles son lámparas de incandescencia halógenas y reflectoras, con dos filamentos: para luces largas y cortas. El filamento para luces largas refleja su luz sobre el espejo cóncavo del foco del vehículo, saliendo proyectada hacia delante. El filamento para luces cortas está situado sobre una pequeña superficie reflectante que posee la misma lámpara y hace que la luz salga proyectada hacia la parte superior del espejo cóncavo, desde donde se refleja hacia la parte más próxima del vehículo.

 Lámparas de descarga 

Las lámparas de descarga no poseen filamento, si no que entre los dos polos se produce un flujo de electrones que produce radiaciones luminosas al colisionar con el gas que hay en el interior del vidrio.
Este sistema de lámparas no va conectado directamente a la corriente, si no que necesita unos elementos complementarios: reactancias, cebadores, condensadores, etc.
Las lámparas fluorescentes son las lámparas de descarga más comunes en los edificios, tanto interiores como carteles publicitarios, acuarios, etc. Suelen tener forma tubular, aunque puede adoptar formas variadas.
Las lámparas fluorescentes de bajo consumo poseen dimensiones semejantes a las incandescentes, sin embargo poseen en su interior pequeños tubos fluorescentes, junto con los elementos complementarios. Tienen la ventaja de proporcionar la misma intensidad con un gasto energético menor (disipan solo un 20% de la energía en forma de calor) y mayor duración.

Elementos de maniobra

El interruptor es el responsable de permitir o interrumpir el paso de corriente eléctrica entre los generadores y los elementos receptores a través de los conductores.

El conmutador en apariencia es idéntico a un interruptor. El conmutador cambia la dirección de la corriente hacia un conductor u otro.
Mediante conmutadores también se puede encender y apagar la luz de una habitación desde dos puntos diferentes.

El pulsador es un elemento de control que permite el paso de corriente únicamente mientras se mantiene pulsado.

 Normas de uso y precaución 

• Si se ha de trabajar en instalaciones eléctricas es recomendable desconectarlas y asegurarse de que no pasa corriente.
• Utilizar los aparatos eléctricos de acuerdo con las instrucciones del fabricante y el uso y finalidad para el que están diseñados.
• No acercarse a lugares donde haya señales de peligro de electrocución, como las que se encuentran en las torres de alta tensión o las centrales transformadoras.
• No utilizar aparatos eléctricos en las proximidades del agua, o con los pies descalzos.
• No sobrecargar los enchufes múltiples.

 Simbología  eléctrica