Electricidad: circuitos en serie y en paralelo

Ideas clave

• Un circuito eléctrico simple tiene una fuente de energía (una pila), cables conductores, un receptor que usa la energía (una ampolleta, un motor) y casi siempre un interruptor. La corriente eléctrica es el flujo de cargas por el conductor, y solo circula si el camino está cerrado: al abrir el interruptor, el circuito se corta y la ampolleta se apaga. Sirve compararlo con agua en cañerías: el voltaje es la presión que empuja el agua, la corriente es el caudal (cuánta agua pasa por segundo) y la resistencia es lo angosta que es la cañería: a más resistencia, menos corriente con el mismo empuje.
• Cuatro magnitudes describen un circuito. El voltaje o diferencia de potencial (V) es el «empuje» de la fuente y se mide en volt; una pila común da 1,5 V y los enchufes de Chile, 220 V. La corriente (I) se mide en ampere (A). La resistencia (R) es la oposición al paso de la corriente y se mide en ohm. La potencia (P) es la energía que el aparato usa cada segundo y se mide en watt (W). Para medir, el amperímetro se conecta en serie (la corriente pasa por él) y el voltímetro en paralelo, entre los dos puntos que compara; el multímetro de los electricistas mide voltaje, corriente y resistencia.
• La ley de Ohm, publicada por el físico alemán Georg Ohm en 1827, une las tres primeras: V = I x R. Si conoces dos, calculas la tercera: I = V / R y R = V / I. Con una pila de 9 V y una resistencia de 90 ohm, la corriente es 9 / 90 = 0,1 A. Si subes el voltaje al doble con la misma resistencia, la corriente se duplica; si duplicas la resistencia con el mismo voltaje, la corriente baja a la mitad. La ley vale para los conductores «óhmicos», como los cables y las resistencias comunes; algunos componentes, como los LED, no la cumplen.
• La potencia se calcula con P = V x I (watt = volt x ampere) y, combinando con la ley de Ohm, P = I x I x R. La energía que gasta un aparato es la potencia por el tiempo: energía = P x t. En física se mide en joule (1 W durante 1 segundo), pero la cuenta de la luz usa el kilowatt-hora (kWh): la energía de 1000 W funcionando una hora. Cuando la corriente cruza una resistencia, la energía se transforma en calor: es la ley de Joule, que James Joule estudió en 1840 y 1841. Así funcionan el calefactor, la tostadora, el hervidor y el filamento de una ampolleta antigua, que se calienta hasta brillar.
• En un circuito en serie los componentes van uno tras otro, en un solo camino. La misma corriente pasa por todos; el voltaje de la fuente se reparte entre ellos; y la resistencia total es la suma de las resistencias. Dos ampolletas iguales en serie brillan menos que una sola, porque cada una recibe la mitad del voltaje, y si una se quema o se saca, el camino se corta y todas se apagan: es lo que pasaba con las luces de Navidad antiguas, en que una ampolleta mala apagaba la tira completa. Ventaja: es simple y usa menos cable. Desventaja: todo depende de cada pieza.
• En un circuito en paralelo cada componente tiene su propio camino (su rama) entre los dos polos de la fuente. Todas las ramas reciben el voltaje completo; la corriente total es la suma de las corrientes de las ramas; y la resistencia total es menor que la menor de ellas, porque hay más caminos. Dos ampolletas en paralelo brillan igual que una sola y, si una se quema, la otra sigue encendida. Por eso los artefactos de una casa van en paralelo: cada uno recibe los 220 V y se prende o apaga sin afectar al resto. Desventaja: la fuente entrega más corriente y una pila se agota antes.
• El circuito de una casa llega por cables con nombre: la fase trae la corriente, el neutro la devuelve y la tierra conecta las partes metálicas de los aparatos al suelo, por seguridad; sus colores están normados. Si un cable suelto toca la carcasa de la lavadora, la tierra desvía la corriente lejos de la persona y hace saltar la protección. En el tablero hay dos protecciones: el automático (o un fusible, un alambre que se funde) corta si la corriente es excesiva; el diferencial compara la corriente de fase y neutro y corta en centésimas de segundo si una parte se fuga, por ejemplo por alguien.
• Eficiencia energética es cuánta de la energía que entra se convierte en lo que uno quiere (luz, movimiento) y no en calor perdido. Una ampolleta incandescente convierte menos del 5 % de su energía en luz; una LED da la misma luz con mucho menos potencia. Experimento en casa, con un adulto y solo con pilas (nunca con el enchufe: los 220 V son peligrosos): con dos pilas AA o una pila de 4,5 V, cables y dos ampolletas de linterna de 3 V o 4,5 V (viene escrito en la base), arma el circuito en serie y luego en paralelo. Predice cuál brilla más y qué pasa al sacar una; luego compara con lo que ves.

Reglas y fórmulas

Ejemplos resueltos