Analogías entre las magnitudes
Los sistemas hidráulicos, por donde circula un líquido, como puede ser agua, y los circuitos eléctricos, por donde circulan electrones, tienen similitudes. Por eso vamos a hacer esta analogía entre las magnitudes principales de ambos casos:
- Volumen en litros (l) = Carga eléctrica en culombios (C)
- Caudal en litros por segundo (l/s) = Intensidad de corriente en Culombios por segundo o Amperios (C/s o A)
- Presión en pascales (Pa) = Voltaje en voltios (V)
- Energía hidráulica (Pa · litro –> Julios) = Energía eléctrica (V · C = Julios)
- Potencia es presión · caudal = vatios (W) = Potencia es voltaje · intensidad = vatios (W)
Como puedes comprender, la analogía hidráulica y eléctrica es útil para poder visualizar o comprender mejor lo que ocurre en el circuito eléctrico. Tan solo tienes que pensar en lo que sucedería en un circuito de agua, por ejemplo, y también puedes empezar a entender lo que pasa en un circuito eléctrico. La diferencia es que en vez de moléculas de H20 (agua), circulan electrones…
Por ejemplo:
Circuito hidráulico: imagina que tienes un vaso de agua, e introduces un tubo en él que va a una pequeña bomba hidráulica para extraer agua, y esta se conduce por un tubo hasta volver otra vez a caer al vaso. Durante el recorrido existe un pequeño estrechamiento en la tubería antes de la terminación del tubo que vuelve al vaso. En este caso, la bomba sube el agua del vaso a presión 0 y la presuriza, para lo que requiere energía. Así es como el agua fluye bajo presión. Y cuando se libera el agua bajo presión, la presión vuelve a ser 0 y se libera energía almacenada.
Circuito eléctrico: una batería trae carga desde tierra a 0v (borne negativo), desde el borne positivo eleva la carga a un voltaje más alto, lo cual requiere energía. La carga fluye bajo el aumento de voltaje y pasa por una resistencia antes de volver a tierra. Y cuando se libera la carga, el voltaje vuelve a caer a cero y se libera la energía almacenada.
Conductor vs aislante
Como bien sabes, en los circuitos hidráulicos tienes tubos por los que circula el fluido, y también puedes tener obstáculos que evitan que el flujo se interrumpa. Del mismo modo, en los circuitos eléctricos también existen elementos similares.
Por un lado tenemos los conductores, que se pueden considerar como los tubos por los que viajan los electrones de la corriente que fluye a través de ellos. Mientras que, por otro lado, tenemos los aislantes, que son materiales que evitan que se produzca ese flujo de electrones.
- Conductor: es un material que ofrece poca resistencia al movimiento de la carga eléctrica. Sus átomos se caracterizan por tener pocos electrones en su capa de valencia, por lo que no se necesita mucha energía para que estos salten de un átomo a otro.
- Aislante o dieléctrico: es un material cuyas cargas eléctricas internas no pueden moverse causando una escasa magnitud de corriente bajo la influencia de un campo eléctrico, a diferencia de los materiales conductores y semiconductores, que conducen fácilmente una corriente eléctrica
Por otro lado, en el lado de la electricidad también tenemos lo que se conocen como semiconductores, de los que hablaremos más adelante en el apartado de los transistores y diodos. Pero básicamente, tienes que entender que un semiconductor es un elemento que se comporta o bien como un conductor o bien como un aislante dependiendo de diversos factores, por ejemplo: el campo eléctrico o magnético, la presión, la radiación que le incide, o la temperatura del ambiente en el que se encuentre, etc.
Energía y potencia
En un circuito hidráulico por donde fluye agua a presión, tenemos que:
- Energía = Presión · Volumen
- Potencia = Presión · Caudal
Mientras que en un circuito eléctrico, por donde circula una carga por un conductor, tenemos que:
- Energía = Voltaje · Carga –> E = V · C
- Potencia = Voltaje · Corriente –> P = V · I
Según la Ley de Ohm, que dice:
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Resistencia
Una resistencia hidráulica es una sección más estrecha de una tubería. Esto hace que la presión caiga, de manera similar a una resistencia electrónica que es un material peor conductor que provoca una caída de voltaje en la dirección del flujo. En un circuito hidráulico la caída de presión (voltaje) a través de la resistencia es proporcional al caudal (corriente) a través de la resistencia.
En el circuito eléctrico, la resistencia se mide en ohmios (Ω). Y, según la ley de Ohm vista anteriormente, ya deberías saber cómo calcularla. Mientras mayor es el número de ohmios de una resistencia, mayor resistencia ofrece al avance, es decir, como si el estrechamiento fuese mayor en la tubería.
De manera similar al circuito hidráulico, mientras más agua empuje a través del estrechamiento de la tubería, mayor será la caída de presión en ese punto. En el circuito eléctrico, la energía potencial se transforma al pasar por la resistencia en calor.
Condensador
Aquí comparo el comportamiento de los condensadores y el de un depósito de agua. Como sabes, el volumen de agua almacenada es igual al producto de la capacitancia por la presión:
En un condensador eléctrico pasa algo parecido. Tenemos un conjunto de dos placas metálicas paralelas separadas por un aislante o dieléctrico. Cuando aplicamos un voltaje a través del condensador, la carga se almacena en este condensador, como si se tratase de un depósito de electrones. Y en este caso sería:
Por ejemplo, si tenemos un condensador de 0.01 Faradios y un circuito de 12 Voltios, entonces la carga en este caso sería de 0.12 Culombios. Como deberías saber, la capacitancia o capacidad del condensador se mide en culombios por voltio, que es el equivalente a faradios.
También podemos decir que:
Corriente = Capacitancia · Cambio de voltaje por unidad de tiempo.
Por ejemplo, si tenemos que ese mismo condensador de 0.01 F y una variación de 10v/s, entonces nos daría 0.1 A de intensidad.
Por otro lado, tenemos que el almacenamiento de energía sería:
- Energía hidráulica = 1/2 · Presión · Volumen
- Energía eléctrica = 1/2 · Voltaje · Carga
Mientras que para el circuito hidráulico la energía almacenada proviene de la bomba que empuja el agua hacia el depósito, en el circuito eléctrico la energía almacenada en el condensador proviene de la fuente de alimentación o batería.
Si conectas una resistencia entre los dos bornes del condensador, se puede extraer la energía, haciendo que una corriente fluya a través de la resistencia. En este caso, tanto la corriente como el voltaje caen exponencialmente hasta que el voltaje llega a 0 y toda la energía se ha disipado en forma de calor en la resistencia.
También hay que señalar que la carga se conserva, incluso cuando un condensador se carga y descarga. Cuando conectas una batería a un condensador, la batería extrae carga positiva de un lado del condensador, dejando un déficit o carga negativa en ese lado, y envía la carga positiva en el otro lado.
Por ejemplo, imagina que conectas una batería de 100v a un condensador de 1 F, lo que hará que atraiga 40 C de carga en el lado positivo del condensador y deja a -50 C el lado negativo. Es decir, la carga neta del condensador en ese momento sería 0 (50 – 50), pero una diferencia de 100 C en los dos lados. Cuando se desconecta la batería, la diferencia de potencial o voltaje permanece porque la carga queda atrapada en el condensador.
La atracción física de las cargas opuestas mantiene la carga positiva y negativa en su lugar. Es por eso que las placas metálicas del condensador están muy juntas, para que se de este fenómeno de atracción. Existe un campo eléctrico en el espacio entre las dos placas, lo que hace que cualquier objeto cargado en ese espacio sienta una fuerza. Por ejemplo, un electrón libre es atraído por la placa cargada positivamente y repelido por la placa cargada negativamente.
Si cortocircuitas los dos terminales del condensador, la carga positiva irá al lado con carga negativa, haciendo que la carga vuelva a ser cero en ambos lados.
Transistor
El transistor es un dispositivo semiconductor muy presente en los circuitos eléctricos y electrónicos de la actualidad. Sin embargo, es un gran desconocido para muchos. Por eso, voy a hacer una analogía con el agua como he hecho anteriormente con el resto de componentes, y verás como lo entiendes mucho mejor.
Se puede hacer la analogía entre un transistor y un grifo. Al igual que en un transistor, en un grifo que está conectado a una fuente de agua, el grifo permite drenar el flujo de agua a través de él hasta un sumidero. La perilla o manija que activa el grifo se puede comprender como una puerta. Es decir:
- Fuente: es como fuente (source) o emisor del transistor, que puede hacer pasar la corriente llegada desde la fuente de alimentación hacia el sumidero.
- Llave de paso o perilla: es como la puerta (gate) o base del transistor, que permite activar o desactivar, es decir, dejar pasar flujo o no. Como una especie de interruptor controlado eléctricamente.
- Sumidero: es como el drenador (drain) o colector del transistor, por donde sale el agua, en este caso la corriente. Pero solo cuando la puerta lo permita.
Así, manejando la puerta, se puede hacer que fluya (1 o encendido) o no fluya (0 o apagado), y así es como funcionan los transistores. Es decir:
- Cuando la puerta de un transistor está abierta, entonces la electricidad fluye desde la fuente hasta el sumidero y se dice que el transistor está encendido.
- De lo contrario, cuando la puerta de un transistor está cerrada, la electricidad no fluye desde la fuente hasta el sumidero y se dice que el transistor está apagado
Diodo
El diodo también es otro dispositivo semiconductor como el transistor pero con diferencias. En este caso, se puede asemejar a una válvula unidireccional, que permite que el agua solo fluya en una dirección y no en la otra a través de un tubo.
En un diodo ocurre algo similar, y es que el flujo de electrones o corriente solo podrá viajar en un sentido, mientras que en el otro se estrangula.
Como sabes, existen varios tipos de diodos. Por ejemplo, en un LED tenemos algo similar a lo anterior, también dejará pasar la corriente en una sola dirección, pero imagina que el tubo a través del que viaja tiene una perforación, y deja pasar cierta cantidad de agua hacia el exterior. En el caso del diodo LED esta energía fugada se transformará en luz.
Más información en nuestro tutorial sobre los dispositivos electrónicos básicos.
Inductor
En el caso del inductor, también podríamos hacer una semejanza. Por ejemplo, imagina una rueda de palas (noria) con un eje rígido unido a un volante de inercia, y por la que pasa una corriente de agua para moverlo.
De esta forma, cuando se aplica presión a las aspas de la noria, se hace girar ésta, haciendo girar también el volante de inercia al que está conectado. A medida que se aplica presión con el tiempo, la piedra girará más y más rápida. Una vez está girando, por inercia, la piedra seguirá girando incluso cuando la presión se haya eliminado, manteniendo el flujo de agua a una velocidad constante incluso sin fuerzas externas, hasta que se aplique una presión negativa…
Esto es muy parecido a cuando la gente pasa a través de una puerta giratoria. Si las personas tienen mucha prisa, empujan la puerta giratoria aplicando una presión positiva, lo que hace que la puerta acelere y gane impulso. Si las personas van más relajadas, caminarán al ritmo al que gira la puerta automáticamente, ya que mantiene una velocidad o impulso constante. Y si pasan algunas personas muy lentas, la puerta los alcanza y los empuja (presión negativa), lo que desacelerará la puerta.
En el caso del inductor eléctrico, es una bobina de alambre conductor envuelta al rededor de un núcleo cilíndrico. Cuando se aplica un voltaje al inductor, se acumula flujo magnético en la bobina. El flujo magnético es como el impulso del volante de inercia, por lo que se mantendrá el flujo de corriente incluso cuando la fuente de voltaje se ha retirado:
El flujo se puede medir en Webers, mientras que la inductancia se hace en Henrios y la intensidad de corriente en Amperios, como debes saber si conoces las ecuaciones de Maxwell.
Por ejemplo, si se aplican 20v a un inductor, y se considera que la inductancia es 20 henrios, entonces tenemos:
Si despejamos los culombios o amperios/segundo, tenemos que en este caso el caudal o flujo aumentaría en 1 A/s o 1 C. Si esto es así, cuando se apliquen 0v seguirá el flujo de corriente constante, y si se aplican -20v se hace que la corriente disminuya 1A cada segundo…
Por otro lado, al igual que se puede hacer con la energía cinética de un circuito hidráulico, también se puede calcular la energía de un circuito con inductor:
En el caso del hidráulico, la energía almacenada proviene de la bomba que empujó el agua a través del inductor o la corriente del río. En el caso de la electrónica, la energía almacenada viene de la batería que empujó la carga a través del inductor y acumuló flujo magnético a través de la bobina.
Oscilador (LC)
Si se conecta un condensador a los extremos de un inductor, entonces se crea un oscilador. Este oscilador, una vez iniciado, hace que la carga fluya de un lado a otro entre los dos bornes con una frecuencia fija, incluso después de que la carga máxima, el voltaje y la corriente disminuyan.
En el caso del oscilador hidráulico, como hemos dicho anteriormente, sería como conectar un depósito con una membrana flexible que separa los dos lados del depósito, a una noria. Como la membrana oscilará hacia un lado y otro, eso generará la oscilación. Sin embargo, cuando la lámina o membrana alcanzan una posición neutra, la presión está a cero, pero el momento o par del volante de la noria y la corriente de agua están a su máximo.
En el caso del oscilador electrónico, tenemos un circuito compuesto por un inductor y un condensador (LC):
- Se empieza cargando el condensador a partir de una batería o fuente de alimentación.
- La energía potencial almacenada en el campo eléctrico mantiene la carga en los dos lados del condensador.
- Al desconectar la batería o fuente, el inductor y el condensador se conectan, permitiendo que el circuito funcione libremente.
- El voltaje del condensador fuerza la carga acumulada a través del inductor, lo que hace que se acumule flujo magnético en el inductor.
- El flujo magnético es como el impulso, cuando el condensador se queda sin carga, el voltaje es 0, pero el flujo de corriente están en su máximo.
- Entonces, el flujo magnético obliga a la corriente a continuar fluyendo hacia el lado opuesto del condensador, elevando el voltaje y acumulando carga en la dirección opuesta.
- Cuando el flujo magnético se queda sin energía y la corriente deja de fluir, el condensador está cargado completamente en la dirección opuesta, comenzando nuevamente un ciclo.
- Ahora todo se ejecuta a la inversa…
En este caso, tenemos que:
Periodo = 2π √ (Inductancia · Capacitancia)
Frecuencia = 1/Periodo
Como ves, la frecuencia del oscilador no depende de la cantidad de carga. Cargar más el condensador aumenta la amplitud del voltaje y la corriente, pero no modificará la frecuencia. Como una cuerda de guitarra, que vibra a la misma frecuencia, ya sea que se puentee con el dedo de forma suave o fuerte, produciendo la misma nota en cualquier caso. Solo el volumen es afectado…
Conclusión acerca sobre la electrónica y la electricidad
Como ves, la electricidad y la electrónica no son tan complejas si las comparas con un circuito hidráulico, que es algo más intuitivo, ya que puedes imaginar el flujo de agua que pasa a través de él y lo que ocurre. En cambio, en el caso de la corriente eléctrica, al ser electrones invisibles a la vista y que circulan por el interior de los materiales, no se entiende de forma tan gráfica.
