Este artículo contiene la Teoría de Circuitos Eléctricos básica que todo hobbista o estudiante del mundo de la electricidad y la electrónica deben conocer. Aquí encontraras información consolidada de las definiciones y conceptos requeridos para análisis más profundos de circuitos eléctricos.
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1. Definiciones básicas
1.1. Definición de Voltaje
Antes de abordar el concepto de voltaje en la Teoría de circuitos eléctricos debemos entender que la carga es bipolar y que en la naturaleza está dada en múltiplos de la carga del electrón $1.6022×10^{-19}C$. Adicionalmente, los efectos de la electricidad son atribuidos a la separación entre cargas y sus movimientos.
El voltaje es entonces la energía por unidad de carga creado por la separación entre ellas y matemáticamente se puede escribir de la siguiente manera:
$v=\frac{dw}{dq}$
Siendo $v$ el voltaje, $w$ la energía y $q$ la carga.
1.2. Definición de corriente
Ahora bien, las cargas al moverse establecen un flujo el cual es conocido como corriente eléctrica y se define matemáticamente de la siguiente manera:
$i=\frac{dq}{dt}$
Siendo $i$ la corriente, $q$ la carga eléctrica y $t$ el tiempo.
1.3. Diferencia entre voltaje y corriente
Una analogía útil para comprender la diferencia entre voltaje y corriente es imaginar el voltaje como la presión que hace que se muevan los electrones y la corriente como el caudal de electrones, esta analogía la experimentamos en el día a día en tuberías de agua y aunque no es exactamente una equivalencia, por que por ejemplo los electrones se mueven muy despacio en los cables eléctricos y lo que viaja a una velocidad muy alta es el campo eléctrico, si nos sirve para hacernos una idea aproximada de estos conceptos.
1.4. Convención de asignación de signos
Note que las ecuaciones anteriores indican la magnitud y en general, la dirección de la corriente se establece en el sentido de la caída de voltaje. Establecer esta convención es necesario debido a la naturaleza bipolar de las cargas.
Otro punto importante anotar, es que aunque $i$ es discreta por ser múltiplos de la carga del electrón se suele tratar como una variable continua dada la gran cantidad de electrones presentes incluso en corrientes pequeñas.
La figura 1, muestra esta convención de signos esquematizando en una caja un componente eléctrico o electrónico cualquiera donde se produce una caída de voltaje, lo anterior implica que el componente esta absorbe o consume energía eléctrica.
En caso, que esta convención sea contraria bien sea en la dirección de la corriente o en el voltaje el componente no extrae potencia del circuito sino que se la aporta.
2. Unidades utilizadas en Teoría de circuitos eléctricos
El sistema internacional de unidades SI, establece siete cantidades básicas de las cuales se pueden derivar cualquier otra:
- Longitud (metro, m)
- Masa (kilogramo, kg)
- Tiempo (segundo, s)
- Corriente eléctrica (amperio, A)
- Temperatura (kelvin, k)
- Cantidad de una sustancia (mol, mol)
- Intensidad lumínica (candela, cd)
Para el caso de los circuitos eléctricos estas unidades básicas son:
- Corriente eléctrica (Amperio, A)
- Voltaje (Voltio, V)
- Resistencia (Ohmnio, $\Omega$)
3. Potencia y energía
3.1. Potencia
En general, la potencia se define como la velocidad a la que se realiza un trabajo o que tanto energía se puede convertir (trabajo) por unidad de tiempo, en el ámbito de circuitos eléctricos la potencia puede ser positiva e indicará que se entrega energía, en caso contrario indicará que se consume energía.
De la definición podemos escribir:
$P=\frac{dw}{dt}$
Y realizando algunas transformaciones sencillas podemos relacionar la potencia con los conceptos ya vistos:
$P=vi$
3.2. Energía
De la mismas ecuaciones anteriores se puede deducir que la energía es equivalente a la potencia que se ha utilizado una cantidad de tiempo, es por esto que la unidad de Energía Eléctrica incorpora el tiempo, como ejemplo tenemos el $KWh$ (KiloWatio hora)
4. Ley de Ohm
La Ley de Ohm establece los conceptos básicos en las relaciones de los circuitos eléctricos y permite modelar con una relación bastante simple de proporcionalidad, en general se puede escribir una relación de proporcionalidad como:
$Efecto=\frac{Causa}{Resistencia}$
Y para el caso de los circuitos eléctricos se tiene:
$I=\frac{V}{R}$
Siendo $V$ el voltaje, $I$ la corriente y $R$ la resistencia.
Al incorporarse las definiciones de potencia podemos expresar la siguiente equivalencia:
$P=I^2R=\frac{V^2}{R}$