Fundamentos de circuitos eléctricos: componentes y tipos

Una analogía para los circuitos eléctricos

Un nuevo Mega-Mart se abrió en mi vecindario el mes pasado. Siendo del tipo curioso, decidí ir a verlo el día de la inauguración. Algo que encontré único sobre la tienda fue la forma en que tenían configuradas las cajas registradoras. Había varios registros, pero en lugar de formar una línea en cada uno, todos esperaban en una sola línea y luego iban al siguiente registro disponible de uno en uno. Mientras esperaba para hacer mis compras, comencé a pensar en cómo las líneas de caja serían una gran analogía para las diferentes configuraciones de circuitos eléctricos. Hablemos de mi día en la tienda a medida que aprendemos sobre circuitos eléctricos en serie y en paralelo.

Circuitos en serie

Cuando visité la tienda el día de la inauguración, todavía no habían contratado suficientes cajeros, por lo que solo había una caja abierta. Todos los que esperaban en la fila tenían que pasar por este registro si querían que los revisaran. Conscientes del hecho de que había una fila larga, cada cliente se apresuró lo más rápido que pudo para descargar, pagar y empaquetar su mercancía. Esto los dejó bastante agotados y sin energía cuando se dirigían al estacionamiento. Para pasar el tiempo mientras esperaba, hice un seguimiento de la rapidez con la que la gente se retiraba y conté dos clientes por minuto. Esto significaba que cada minuto, dos personas se iban y la fila se hacía más corta para dos personas.

Si construyéramos un circuito eléctrico que representara la línea de caja, se vería como un circuito en serieporque proporciona un solo camino para que los electrones fluyan a través de la resistencia. Los electrones fluyen a través del circuito porque intentan pasar del extremo negativo de la batería al positivo. Esto es similar a los clientes que intentan salir del área comercial y salir al estacionamiento pasando por la caja. Por lo tanto, la bombilla es como el registro de verificación porque ambos actúan como una resistencia que impide el flujo. Al igual que los clientes de la caja registradora, los electrones atraviesan la resistencia de la bombilla lo más rápido que pueden y, como resultado, pierden casi toda su energía. El voltaje es básicamente una medida de cuánta energía tiene un electrón, por lo que cuando la energía cae, también lo hace el voltaje. En este caso, los electrones comienzan con tanto voltaje como la batería y pierden casi todo al pasar por la bombilla.

Cuando los electrones encuentran la resistencia del bulbo, pierden casi toda su energía.

De vuelta en la tienda, mi suerte empeoró. Como si tener solo un registro abierto no fuera suficiente, el gerente de la tienda decidió establecer un control de seguridad en la puerta. Cada cliente tenía que descargar sus maletas y dejar que el guardia de seguridad marcara cada artículo en su recibo antes de que pudieran irse. No hace falta decir que esto ralentizó considerablemente las cosas. Algo curioso sucedió como resultado de esta resistencia adicional. Dado que el punto de control estaba retrocediendo, los clientes en la caja registradora ya no tenían prisa porque sabían que terminarían esperando en el punto de control si iban demasiado rápido. Como resultado de la desaceleración, no estaban gastando toda su energía en el registro y se quedaron con la energía suficiente para pasar por el punto de control. Sin embargo, cuando pasaron por el puesto de control y salieron al estacionamiento, nuevamente estaban completamente agotados. Enfrentando una espera aún más larga, volví a contar la rapidez con la que la gente se movía y descubrí que la resistencia adicional del punto de control había ralentizado las cosas a solo un cliente por minuto.

Para representar el control de seguridad en nuestro circuito eléctrico, podríamos hacerlo agregando una segunda bombilla, que agrega otra resistencia. La resistencia total del circuito ahora se convierte en la suma de las resistencias de las dos bombillas, lo que determina qué tan rápido pueden fluir los electrones a través del circuito. Cada vez que se agrega una resistencia a un circuito en serie, la resistencia total aumenta, lo que significa que la corriente disminuirá. Como resultado de la corriente reducida, los electrones que pasan a través de la primera bombilla no pierden tanto voltaje como antes. Esto significa que todavía les queda algo de voltaje cuando llegan a la segunda bombilla. Sin embargo, pasar a través de la bombilla consume el voltaje restante y vuelven a cero cuando regresan a la batería. La cantidad de voltaje perdido en cada bombilla dependerá de las resistencias, pero una cosa siempre es cierta: la suma de los voltajes perdidos en cada resistencia siempre será igual al voltaje de la batería. Esto es cierto sin importar cuántas bombillas o resistencias se agreguen al circuito.

La suma de las resistencias será igual a la resistencia total del circuito.

Una cosa importante a tener en cuenta es que aunque el voltaje perdido en cada bombilla puede ser diferente, la corriente que fluye a través de ellas es exactamente la misma. De hecho, la corriente es la misma en todas las partes de un circuito en serie. Al igual que el siguiente cliente no pudo ir a la caja registradora hasta que el anterior estuviera terminado, los electrones no pueden fluir hacia una bombilla a menos que fluyan otros electrones. Es este movimiento secuencial de electrones lo que da nombre a un circuito en serie.

Circuitos paralelos

Sin desanimarme por mi primera experiencia en el Mega-Mart, regresé la semana siguiente y descubrí que ahora había dos registros abiertos y no había más controles de seguridad. Como era de esperar, el nuevo cajero no fue tan rápido como el otro. Mientras que el cajero más experimentado podía llamar a dos clientes por minuto, el nuevo cajero solo podía llamar a un cliente en un minuto. Esto significó que cada minuto, tres clientes salían hacia el estacionamiento mientras la fila de espera se acortaba en tres personas. Entonces, a pesar de que la nueva cajera era más lenta, todavía había más clientes saliendo que si ella no hubiera estado allí. Otra cosa que noté fue que desde que se había quitado el control de seguridad, los clientes volvieron a apresurarse a revisar los registros tan rápido como podían, sin querer retener a todos. En turno,

Si modificamos nuestro circuito eléctrico para representar que los dos registros están abiertos, se convertiría en un circuito paralelo , lo que proporciona múltiples caminos para que los electrones pasen a través de las resistencias. Dado que solo hay una resistencia en cada camino, los electrones atravesarán la bombilla lo más rápido que puedan y perderán todo su voltaje. Esto significa que el voltaje en cada resistencia siempre será igual al voltaje de la batería.

La corriente que fluye a través de cada bombilla dependerá de la resistencia de esa bombilla. Como vimos en las cajas registradoras, más clientes pasaron por la caja registradora con el cajero que ofreció la menor resistencia. En nuestro circuito eléctrico, aunque la corriente será mayor a través de la bombilla con menor resistencia, la corriente seguirá fluyendo a través de ambas bombillas. Si sumamos estas dos corrientes, la suma será igual a la cantidad de corriente que sale y vuelve a la batería. En otras palabras, la corriente que proviene del extremo negativo de la batería simplemente se divide en las diferentes rutas en función de la resistencia que ofrece cada ruta. Estas corrientes individuales luego se reincorporan al otro lado y regresan a la batería. Esto es similar a la forma en que todos los clientes provienen de la misma línea, divididos en los diferentes registros,

Diagrama de un circuito paralelo

La resistencia total de un circuito en paralelo es un poco difícil de calcular, pero lo importante de entender es que la resistencia total de un circuito en paralelo siempre bajará a medida que se agreguen más resistencias. Puede parecer contradictorio que agregar una resistencia a un circuito en realidad pueda reducir la resistencia total, pero como vimos en la tienda, incluso agregar un cajero lento aumentó la cantidad de clientes que salen por minuto. Agregar una resistencia a un circuito paralelo, sin importar cuán alta sea la resistencia, siempre aumentará la corriente total. El hecho de que algunos electrones puedan fluir a través de una ruta, mientras que otros electrones fluyen simultáneamente a través de otra ruta, es donde el circuito paralelo recibe su nombre.

Resumen de la lección

Acabamos de cubrir un montón de nuevas ideas, pero podemos resumirlas en términos de lo que sucede con el voltaje, la corriente y la resistencia en cada tipo de circuito. Un circuito en serie proporciona solo una ruta para que los electrones atraviesen la parte resistiva del circuito. La resistencia total de un circuito en serie es igual a la suma de todas las resistencias individuales, y agregar una resistencia siempre hará que la resistencia total aumente. La corriente a través de cada resistencia, y a través de cada parte del circuito, es la misma. El voltaje perdido en cada resistencia puede ser diferente, pero la suma de los voltajes siempre será igual al voltaje de la batería.

Un circuito paralelo proporciona múltiples caminos para que los electrones atraviesen la parte resistiva del circuito. Cada vez que se agrega una nueva ruta a un circuito paralelo, la resistencia total disminuirá sin importar cuán alta sea la resistencia de la nueva ruta. Si la resistencia total disminuye, entonces aumentará la corriente total que sale y regresa a la batería. La corriente a través de cada camino puede ser diferente, pero la suma de todas las corrientes siempre será igual a la corriente total. Finalmente, el voltaje en cada resistencia siempre será igual al voltaje de la batería.

Resultado de aprendizaje

Después de esta lección, podrá:

• Describir las diferencias entre circuitos en paralelo y en serie.
• Explique cómo el voltaje, la resistencia total y la corriente se ven afectados en cada tipo de circuito cuando se agregan más resistencias.

Rodrigo Ricardo Editor y fundador