La electricidad es una de las ramas fundamentales de la física aplicada que permite la realización de una amplia variedad de aplicaciones en nuestra vida diaria. Este manual aborda los principios básicos de la electricidad, desde las cargas eléctricas y la corriente hasta los circuitos y componentes esenciales. También se incluye una guía sobre el uso de instrumentos de medición y los diferentes tipos de sensores utilizados en la industria eléctrica.

Cargas Eléctricas

En la naturaleza, las fuerzas eléctricas son resultado de las cargas eléctricas, las cuales pueden ser positivas o negativas. Las cargas del mismo tipo se repelen, mientras que las de tipo opuesto se atraen. En el modelo atómico, los protones (cargas positivas) y los neutrones (sin carga) forman el núcleo, mientras que los electrones (cargas negativas) orbitan alrededor del núcleo. Un átomo es eléctricamente neutro en condiciones normales, pero puede cargarse positivamente al perder electrones o negativamente al ganarlos.

El Coulomb (C) es la unidad de medida de la carga eléctrica, equivalente a la carga de (6.24 * 10^18) electrones.

Corriente Eléctrica

La corriente eléctrica es el flujo de cargas a través de un conductor. Se mide en amperios (A), y se define como la cantidad de carga que pasa por un punto en un segundo. Existen dos tipos de corriente: la corriente continua (DC), que es constante, y la corriente alterna (AC), que varía en forma de onda senoidal.

La corriente continua es común en baterías y sistemas electrónicos, mientras que la corriente alterna se genera en centrales eléctricas y se utiliza ampliamente en sistemas de distribución eléctrica.

Voltaje

El voltaje o diferencia de potencial es la fuerza que impulsa las cargas eléctricas a través de un conductor. Se mide en voltios (V) y se define como el trabajo necesario para mover una carga unitaria de un punto a otro. El voltaje es esencial para el movimiento de las cargas en un circuito eléctrico, y se genera a partir de fuentes como baterías o generadores.

Resistencia

La resistencia es la oposición al flujo de corriente en un conductor. Se mide en ohmios (Ω) y es una propiedad inherente de todos los materiales. La resistencia de un conductor depende de su material, longitud, área de sección transversal y temperatura.

La Ley de Ohm relaciona el voltaje, la corriente y la resistencia en un circuito eléctrico:

V = Ri

Donde (V) es el voltaje, (i) la corriente y (R) la resistencia.

Circuitos Eléctricos

Circuitos en Serie y Paralelo

En un circuito en serie, las resistencias se conectan en una única ruta, y la corriente es la misma a través de todas las resistencias. La resistencia total en un circuito en serie es la suma de las resistencias individuales.

En un circuito en paralelo, las resistencias se conectan de manera que tienen el mismo voltaje en común. La resistencia total en un circuito en paralelo es el inverso de la suma de los inversos de cada resistencia individual.

Cálculo de Resistencia Equivalente

Resistencia en Serie

Cuando se tienen dos o más resistencias en serie es posible reducir el circuito a una resistencia equivalente. Para sumar las resistencias en serie basta con realizar la suma algebraica de las magnitudes de las resistencias individuales. El siguiente ejemplo muestra tres resistencias R1=10KΩ, R2=5KΩ y R3=20KΩ [ Req = Res1 + Res2 + Res3 = 10KΩ + 5KKΩ + 20KΩ = 35KΩ ]

Resistencia en Paralelo

Cuando se desea reducir un conjunto de resistencias conectadas en paralelo a una resistencia equivalente el resultado de dicha resistencia será igual al inverso de la suma de las conductancias individuales, es decir, la suma de las conductancias individuales es igual a la conductancia de la resistencia equivalente. Como la conductancia se define como el inverso de la resistencia podemos decir que la resistencia equivalente de dos o más resistencias en paralelo es igual al inverso de la suma de los inversos de cada una de las resistencias. En el siguiente circuito podemos notar tres resistencias en paralelo R1=15KΩ, R2=8KΩ y R3=3.7KΩ. [ 1/Req = 1/R1 + 1/R2 + 1/R3 = 1/15000 + 1/8000 + 1/3700 = 1/2164.8 Req = 2164.8Ω = 2.16KΩ ]

Instrumentos de Medición

Multímetro

El multímetro es una herramienta esencial en electricidad, capaz de medir corriente, voltaje y resistencia. Los multímetros modernos son digitales, y ofrecen funciones avanzadas como la medición de capacitancia, continuidad, y prueba de diodos.

Amperímetro, Voltímetro y Ohmímetro

• Amperímetro: Mide la corriente que fluye a través de un circuito.
• Voltímetro: Mide el voltaje entre dos puntos de un circuito.
• Ohmímetro: Mide la resistencia de un componente o circuito.

Es fundamental utilizar estos instrumentos correctamente para evitar daños al equipo y garantizar mediciones precisas.

Componentes Eléctricos

Resistencias

Las resistencias son componentes que limitan el flujo de corriente en un circuito. Pueden ser fijas o variables (potenciómetros), y se utilizan para controlar voltajes y corrientes en circuitos electrónicos.

Diodos

Un diodo es un semiconductor que permite el paso de corriente en una sola dirección. Es esencial en la rectificación de corriente alterna a continua, y se simboliza en los circuitos con una flecha que indica la dirección del flujo de corriente.

Capacitores

Los capacitores almacenan carga eléctrica temporalmente y se utilizan en una amplia gama de aplicaciones, desde filtros de corriente hasta estabilización de señales eléctricas.

Sensores Eléctricos

Termistores

Un termistor es una resistencia que varía con la temperatura. Existen dos tipos principales:

• NTC (Negative Temperature Coefficient): Su resistencia disminuye con el aumento de la temperatura.
• PTC (Positive Temperature Coefficient): Su resistencia aumenta con el aumento de la temperatura.

Sensores de Efecto Hall

Estos sensores detectan la presencia de un campo magnético y se utilizan para medir la velocidad, posición y otros parámetros en sistemas automotrices y de automatización.

Protección de Circuitos

Fusibles

Los fusibles son dispositivos de protección que se funden y cortan el circuito cuando la corriente supera un valor seguro, protegiendo el sistema de daños.

Disyuntores

Los disyuntores son interruptores automáticos que cortan el suministro de corriente en caso de sobrecarga o cortocircuito. A diferencia de los fusibles, los disyuntores se pueden resetear y reutilizar.

Este manual ofrece una visión comprensiva de los conceptos básicos y componentes clave en electricidad, desde las cargas y el flujo de corriente hasta los circuitos y sensores utilizados en diversas aplicaciones. El conocimiento y el manejo adecuado de estos elementos son fundamentales para cualquier profesional o aficionado que trabaje con sistemas eléctricos.