Circuitos y energía eléctrica

Carga, corriente y diferencia de potencial

La corriente media es I=ΔQ/Δt: cantidad de carga que atraviesa una sección por intervalo de tiempo. La unidad amperio corresponde a culombio por segundo. En un conductor metálico, los electrones derivan en sentido opuesto al de la corriente convencional. Esta última se define mediante el movimiento que tendrían cargas positivas. Elegir un sentido de referencia no afirma que ya conozcamos el sentido físico.

La diferencia de potencial relaciona la variación de energía potencial eléctrica con la carga: ΔU=qΔV. Un voltio corresponde a julio por culombio. Corriente y tensión son magnitudes diferentes: la corriente se define a través de una sección, mientras la tensión compara dos puntos. Puede existir tensión sin corriente en una rama abierta. La fuente no crea la carga que circula; usa otra forma de energía para mantener una diferencia de potencial y transferir energía al circuito.

Resistencia y alcance de la ley de Ohm

En un resistor óhmico bajo condiciones aproximadamente constantes, la tensión en los terminales es proporcional a la corriente: V=RI. La resistencia R se mide en ohmios, Ω=V/A. La relación describe un comportamiento experimental; no es una ley universal de todos los componentes. Diodos, filamentos que se calientan y otros elementos pueden presentar una relación no lineal o dependiente de la temperatura.

Para un cable homogéneo, R=ρℓ/A en un modelo uniforme: ρ es resistividad en Ω·m, ℓ longitud y A área de sección. Un cable más largo presenta mayor resistencia; una sección mayor permite menor resistencia. Las conexiones ideales se tratan con resistencia nula, pero los cables reales disipan energía. La validez de la aproximación depende de cuánto importan esas caídas de tensión en comparación con las de los componentes estudiados. Los circuitos aquí son modelos y ejercicios de baja tensión.

Nodos y conservación de la carga

Un nodo reúne ramas conectadas por conductores ideales. En régimen estacionario, no hay acumulación significativa de carga en el nodo. Por tanto, la suma de las corrientes que entran iguala la suma de las que salen. Esta es la ley de nodos de Kirchhoff, escrita frecuentemente como suma algebraica de corrientes igual a cero. Elige una convención, por ejemplo entradas positivas, y mantenla en toda la ecuación.

Si entran 0,8 A y salen 0,3 A por una rama, deben salir 0,5 A por la restante. No se pierde corriente en los resistores: en ellos la energía eléctrica se transforma, pero la carga se conserva. En serie, sin ramificaciones, la corriente es la misma en todos los componentes. En paralelo, las ramas comparten los mismos dos nodos y tienen la misma tensión; las corrientes pueden ser diferentes según las resistencias.

Mallas, signos y resistencias equivalentes

En un circuito de parámetros concentrados en régimen estacionario, sin flujo magnético variable relevante que atraviese las mallas, la suma de los cambios de potencial en una vuelta cerrada es cero. Al atravesar una fuente del terminal negativo al positivo, se suma una elevación +V. Al atravesar un resistor en el sentido de la corriente de referencia, se incluye una caída −RI. Recorrer el resistor en sentido contrario da +RI.

En serie, las caídas se suman: V=I(R₁+R₂), por tanto R equivalente es la suma. En paralelo, I=V/R₁+V/R₂, por tanto 1/R equivalente=1/R₁+1/R₂. La resistencia equivalente de resistores positivos en paralelo es menor que la menor resistencia de rama. Una corriente calculada negativa no invalida la solución: significa que su sentido real es opuesto al elegido. Comprueba siempre que las ecuaciones respetan los sentidos declarados.

Potencia, energía y convención pasiva

La potencia eléctrica instantánea es p=vi cuando v e i siguen la convención pasiva: la corriente de referencia entra por el terminal marcado positivo. Entonces p>0 significa que el componente absorbe energía y p<0 que suministra energía. En un resistor con R>0, p=Ri²=v²/R≥0. Una fuente que alimenta el circuito tiene potencia negativa en esta convención, porque la corriente sale por el terminal positivo.

En corriente continua constante, E=PΔt. Un vatio es julio por segundo; un kilovatio-hora es energía: 1 kWh=3,6×10⁶ J. No debe escribirse kW/h para la energía consumida. En un modelo sin acumulación de energía en campos, la suma de las potencias de todos los componentes es cero: lo que suministran las fuentes corresponde a lo que absorben los receptores. Este balance es una comprobación independiente de las ecuaciones de corriente.

Fuentes reales e interpretación responsable

Una fuente real puede modelizarse mediante fuerza electromotriz ε y resistencia interna r en serie. Cuando suministra corriente I, la tensión terminal es V=ε−Ir. La potencia química o de otro mecanismo convertida es εI; parte, I²r, calienta el interior y el resto llega al circuito externo. La fuerza electromotriz se mide en voltios, pese al nombre histórico: no es fuerza en newtons.

Un amperímetro ideal se conecta en serie y tiene resistencia nula; un voltímetro ideal compara dos nodos y tiene resistencia infinita. Estos ideales ayudan a analizar cómo la medición altera un circuito real. Los ejemplos numéricos usan fuentes limitadas de baja tensión y esquemas conceptuales. Las instalaciones de red exigen equipo y personal cualificado; el objetivo de esta unidad es interpretar modelos y balances, sin instrucciones de intervención en cableado doméstico. Comienza la resolución por nodos y sentidos, pasa a las ecuaciones y termina con unidades y potencia.

Ejemplos resueltos, sin saltar pasos

Sigue primero el razonamiento. Después tapa la resolución e intenta reconstruirla con tus palabras.

Ahora, prueba tú

No hay cronómetro. Escribe lo que sabes, elige una relación y justifica cada paso. Las pistas y soluciones están disponibles cuando las necesites.

Errores que conviene evitar

El resistor consume la corriente.

La carga se conserva; el resistor transforma energía.

En paralelo las corrientes siempre son iguales.

Las tensiones son iguales; las corrientes dependen de las resistencias de las ramas.

Una potencia negativa significa necesariamente error.

Con la convención pasiva, significa suministro de energía.