Conceptos generales de electricidad

Es imposible actualmente concibir nuestra vida sin electricidad. La mayoría de nuestros dispositivos necesitan energía para funcionar, y la electricidad es la energía que estos dispositivos utilizan para ello. En este artículo haremos una introducción básica a la electricidad para poder entender mejor los diferentes componentes eléctricos de un equipo microinformático.

La electricidad y la corriente eléctrica

Para entender la electricidad debemos conocer primero cómo está constituida la materia. Toda material está formada por un conjunto de pequeñas partículas llamadas átomos. A su vez, cada átomo está formado por un núcleo compuesto por neutrones y protones, y orbitando alrededor del núcleo, un conjunto de electrones.

Átomo: protones (azul), neutrones (rojo), electrones (gris)

Los neutrones no tienen poseen carga eléctrica, mientras que la carga eléctrica de un protón y de un electrón es la misma pero de distinto signo. Por convenio, los protones tienen carga positiva mientra que los electrones tienen carga negativa.

De manera general, los átomos son neutros, tienen el mismo número de protones que de electrones. Pero en algunas ocasiones, los electrones pueden moverse de un átomo a otro, dejando un defecto de electrones en el átomo del que provienen (átomos con carga positiva) y un exceso de electrones en el átomo al que llegan (átomos con carga negativa).

Por tanto, la electricidad se define como el movimiento de los electrones entre los átomos de un material de un punto a otro. El movimiento de estos electrones genera una energía que puede aprovechar un aparato eléctrico para su funcionamiento.

Los electrones siempre van a tender a rellenar los huecos de los átomos donde exista un defecto de electrones, cuando aprovechamos ese comportamiento para producir un movimiento ordenado y controlado de electrones a lo largo de un material estamos hablando de corriente eléctrica.

Tipos de materiales

No todos los átomos tienen la misma facilidad para desprender electrones de sus órbitas y así originar una corriente eléctrica.

Hay materiales como los metales (cobre, plata, hierro, etc.) donde los electrones fluyen con facilidad, estos se conocen como materiales conductores. Mientras que otros materiales (madera, plástico, caucho) oponen mucha dificultad al movimiento de los electrones, estos se conocen como materiales no conductores o aislantes.

Productores de electricidad

Los productores de electricidad son aquellos componentes que consiguen producir electricidad, es decir, un flujo de electrones. Podemos encontrar dos tipos:

• Los generadores producen electricidad a partir de otro tipo de energías primarias, que pueden ser renovables como el viento, el sol, los ríos o las mareas, o pueden ser no renovables como el carbón, el gas natural o el petróleo.

Generadores a partir de energía eólica

• Los acumuladores almacenan electricidad y la van soltando a medida que se la solicitan, como son las baterías o pilas.

Pilas

Circuitos eléctricos

Un circuito eléctrico es, de manera general, el camino cerrado que recorre la corriente eléctrica entre un productor de electricidad y uno o varios dispositivos consumidores (como bombilla, aparatos eléctricos, etc), siendo este camino construido por materiales conductores.

Según como fluya la electricidad en un circuito eléctrico vamos a diferenciar entre un tipo de circuito y otro, cada uno con unas características de funcionamiento diferentes:

• Circuito en serie: En este circuito la corriente eléctrica tiene un solo camino por el cual desplazarse. La corriente eléctrica fluye desde el productor a cada consumidor en el orden en el que están cableados al circuito. En este caso, debido a que la corriente eléctrica fluye en una sola dirección, si uno de los consumidores se avería, el resto dejarán de funcionar porque el flujo de corriente eléctrica se interrumpiría.

• Circuito en paralelo: En este circuito la corriente eléctrica tiene más de un camino por el cual desplazarse. Si uno de los consumidores se avería, el resto de consumidores seguiría funcionando porque el flujo de corriente eléctrica tiene otros caminos por los que llegar el resto de consumidores.

Magnitudes eléctricas

Tensión eléctrica o Voltaje (V)

Es la fuerza de atracción que hace que los electrones se muevan de un punto a otro cuando hay diferencia entre el número de electrones en esos dos puntos. También se conoce como Diferencia de potencial o Diferencia de tensión.

La tensión se mide entre dos puntos del circuito eléctrico. La unidad que mide la tensión es el voltio (V).

Corriente eléctrica o Intensidad (I)

Es la cantidad de electrones que circulan por un conductor en un punto determinado cuando hay una diferencia de tensión aplicada en sus extremos.

La intensidad se mide en un punto concreto del circuito eléctrico. La unidad que mide la intensidad es el amperio (A).

Resistencia eléctrica (R)

Es la dificultad que encuentran los electrones al atravesar un elemento del circuito eléctrico.

La resistencia se mide entre dos puntos del circuito eléctrico. La unidad que mide la resistencia es el ohmio (Ω).

Ley de Ohm

Esta ley relaciona la tensión eléctrica, la corriente eléctrica y la resistencia eléctrica de la siguiente manera: La intensidad que circula por un punto del circuito eléctrico es directamente proporcional a la tensión entre sus extremos e inversamente proporcional a la resistencia.

I = V / R

V = I * R

R = V / I

Potencia eléctrica en corriente alterna

Potencia aparente

Se define como la energía teórica que debería consumir un dispositivo en un instante determinado. La unidad de la potencia aparente es el voltioamperio (VA).

Paparente = V * I

Potencia activa o real

Se define como la energía consumida verdaderamente por un dispositivo en un instante determinado, y viene calculada por el factor de potencia (fdp) asociado a ese dispositivo, el cual es un valor entre 0 y 1 que indica el correcto aprovechamiento de la energía que realiza el mismo. La unidad de la potencia real es el vatio (W).

Pactiva = V * I * fdp

Pactiva = Paparente * fdp

El factor de potencia (fdp) entre 0 y 1 también se podría expresar en valores de porcentaje.

fdp = 0.85 = 85%

Potencia reactiva

Es la energía que sumada a la energía medida por la Potencia activa hace que obtengamos la energía medida por la Potencia aparente. Es una energía que se consume pero que las compañías eléctricas no nos facturan (Leer más sobre la potencia reactiva). La unidad de la potencia real es el vatio (W).

Paparente = Pactiva + Preactiva

Consumo eléctrico

Trabajo (W)

Se define como la energía consumida verdaderamente por un determinado dispositivo en una cierta cantidad de tiempo. Se mide normalmente en Wh (vatios por hora). No debemos confundir la W del trabajo con la W de los vatios.

W = V * I * fdp * t 

W = Pactiva * t

Consumo fantasma

El consumo fantasma se refiere al consumo de los dispositivos eléctricos en reposo (standby).

Para aprender más sobre dicho consumo podéis leer Consumo fantasma. Mitos, verdades y soluciones.

Múltiplos y submúltiplos

Según la cantidad a manejar, se suelen utilizar los múltiplos o submúltiplos de todas las magnitudes anteriores. Los más utilizados son "mili" (milivoltio, miliamperio, etc.) o "kilo" (kilovoltio, kiloamperio, etc.).

Tipos de corrientes eléctricas

La corriente eléctrica puede manifestarse de dos modos diferentes en función de cómo se muevan los electrones en el circuito eléctrico.

• Corriente continua (CC) / Direct current (DC): Es aquella corriente eléctrica que siempre tiene el mismo voltaje y los electrones fluyen en el mismo sentido. Por ejemplo, un pila alcalina AA genera una corriente continua de 1.5V.

• Corriente alterna (CA) / Alternate current (AC): Es aquella corriente eléctrica que está continuamente modificando el voltaje, lo incrementa hasta llegar al punto máximo, a continuación disminuye y, al llegar a 0 voltios, cambia de sentido y vuelve a realizar el mismo proceso. Se consigue una corriente eléctrica positiva y negativa. Las características de la corriente alterna son la tensión de pico a pico (varía en forma de onda la tensión) y la frecuencia (cambios por segundo). Por ejemplo, la corriente eléctrica que tenemos en la instalación de nuestras casas, en España es de 220V y 50Hz, y en EEUU es de 120V y 60Hz.

Defectos de la corriente alterna

Una señal eléctrica de calidad es aquella que es generada con el formato más parecido a lo que teóricamente es una señal perfecta. Esto no es siempre así, y en ocasiones ocurren problemas que hacen que la señal eléctrica venga con determinados defectos o problemas.

• Interrupción o corte de energía: Caída de la energía por debajo de un 10% causada por múltiples factores (rotura de cables o fusibles, trabajos de mantenimiento y reparación de la compañía eléctrica…).
• Bajo voltaje momentáneo: Es cuando la bajada de tensión se sitúa entre el 10% y 90%. Muchos aparatos eléctricos no están preparados para funcionar con estos niveles de energía.
• Bajo voltaje permanente: Es una disminución del voltaje por debajo del 90% del valor nominal durante más de un minuto.
• Microcortes del voltaje: Son caídas muy breves del suministro eléctrico. Pueden ser causadas por ejemplo por las propias centrales de distribución eléctrica.
• Sobrevoltaje momentáneo: Se produce cuando se aumenta más de un 110% el voltaje frente al valor nominal.
• Sobrevoltaje permanente: Se produce cuando se aumenta más de un 110% el voltaje frente al valor nominal durante más de un minuto. Puede producir la rotura de los aparatos electrónicos al sobrecalentarse los mismos.
• Sobrevoltajes transitorios o Picos: Son subidas de tensión de muy corta duración. Pueden producirse en ocasiones por caídas de rayos.
• Ruido eléctrico: Es una distorsión de la onda eléctrica. El ruido puede provocar sobrecalentamiento, desgaste, fallos en los equipos, corrupción de datos, etc.
• Cambio de frecuencia: Aunque una alteración de la frecuencia en la red es muy improbable, esto provocaría en los equipos electrónicos un mal funcionamiento de los mismos.

Electricidad estática

Se produce cuando se acumulan electrones en un objeto y no encuentran átomos con huecos a los que dirigirse. Este efecto se produce, por ejemplo, cuando se frota la lana contra el plástico, se liberan electrones y como no tienen donde irse se concentran ahí hasta que mediante un material conductor encuentran camino por el que moverse.

Simuladores

Mediante los simuladores software podemos crear nuestro propio circuito eléctrico y analizar los valores de las diferentes magnitudes a medir en cada uno de sus puntos. Os recomendamos algunos de ellos (si conoces más sólo tienes que dejarnos un comentario más abajo).

• DCAClab: simulador online, su versión de prueba ya te permite montar pequeños circuitos.
• TinkerCAD: simulador online y gratuito.

Resumen

En el siguiente vídeo podemos repasar los conceptos anteriores sobre electricidad.

Introducción básica a la electricidad (Vídeo)

Bibliografía

• Apuntes 3º ESO Tecnología - Electricidad. Pelandintecno