Circuitos eléctricos básicos: corriente, voltaje y resistencia

1. Para qué sirve este tema

Todo lo que enchufas funciona con circuitos: el cargador de tu teléfono, el foco del cuarto, la instalación de tu casa, la placa de tu computadora con miles de circuitos diminutos. Aprender a leer un circuito es aprender a leer un lenguaje de símbolos, igual que aprender a leer una partitura o un plano de arquitectura. Ese lenguaje te permite tres cosas concretas: predecir qué pasa si se funde un foco, entender por qué los circuitos de tu casa van en paralelo y no en serie, y no poner en riesgo tu vida al manipular una instalación.

En este objeto no vas a calcular todavía: vas a construir el vocabulario y las ideas. Las cuentas formales llegan en el siguiente objeto, con la ley de Ohm.

3. De dónde viene la electricidad

La materia está hecha de átomos, y los átomos tienen electrones con carga negativa alrededor de un núcleo con carga positiva. Carga eléctrica es una propiedad de la materia que se presenta en dos signos: positiva y negativa. Las cargas del mismo signo se repelen y las de signos opuestos se atraen. La unidad de carga en el Sistema Internacional es el coulomb (C), y la carga de un solo electrón vale 1.6 × 10⁻¹⁹ C, la más pequeña que se encuentra libre en la naturaleza.

En los metales, algunos electrones de los átomos exteriores están débilmente unidos y pueden saltar de átomo en átomo: forman un 'mar de electrones' que se mueve con facilidad. Por eso el cobre y el aluminio son buenos conductores. En el vidrio, la goma, la madera seca o el plástico los electrones están fuertemente atados y casi no se mueven: son aislantes. El grafito de un lápiz y el agua con sales disueltas son casos intermedios que conviene conocer, porque explican por qué el agua mojada vuelve tan peligroso un contacto eléctrico.

4. Las tres magnitudes de un circuito

Un circuito eléctrico funciona con tres piezas conceptuales. La fuente entrega energía a las cargas; la corriente es el flujo de cargas que se mueve; y la resistencia es cuánto se opone el material a ese flujo. El voltaje es lo que empuja, la corriente es lo que fluye y la resistencia es lo que frena.

Un detalle histórico que aparece en todos los exámenes: por convención, la corriente va del terminal positivo al negativo. En un cable metálico, en cambio, los electrones se mueven en sentido contrario, del negativo al positivo. La convención se estableció antes de descubrir el electrón y nunca se corrigió. Para analizar circuitos se usa siempre la corriente convencional.

5. Cómo se dibuja un circuito

Los diagramas usan símbolos normalizados para que cualquier persona del mundo los lea igual. Aprende a reconocerlos de memoria: son el alfabeto de este tema.

6. Circuito abierto, cerrado y cortocircuito

Un circuito abierto tiene un corte en el camino: no circula corriente, aunque exista voltaje. Un interruptor apagado es un circuito abierto. Un circuito cerrado o completo ofrece un camino continuo desde un terminal de la fuente hasta el otro, y entonces sí circula corriente. Un cortocircuito es un camino cerrado que esquiva la resistencia: casi nada se opone al paso de la corriente, esta se dispara y los cables se calientan hasta incendiar el aislante.

Para evitar eso existen los elementos de protección. El fusible es un filamento deliberadamente débil que se funde y abre el circuito cuando la corriente supera su valor nominal. El interruptor termomagnético, llamado popularmente pastilla o breaker, hace lo mismo con bimetal o electroimán y se puede rearma. La puesta a tierra ofrece un camino preferente y de baja resistencia para que la corriente se escape al suelo en lugar de pasar por tu cuerpo. En México✦ la instalación doméstica trabaja a 127 V o 220 V con corriente alterna de 60 Hz, y un contacto con el neutro roto o sin tierra es una de las causas más frecuentes de electrocución en casa.

La resistencia total de elementos en serie es la suma: R total = R1 + R2 + R3. En paralelo se suman los inversos: 1/R total = 1/R1 + 1/R2 + 1/R3. Con dos resistencias iguales en paralelo, la equivalente resulta exactamente la mitad, y ese detalle explica algo contraintuitivo: mientras más aparatos enchufas en tu casa, más baja la resistencia total de la instalación y más corriente jala el circuito, hasta que salta la pastilla.

8. Ejemplos resueltos paso a paso

Ejemplo 1. Carga que circula. Por un cable circulan 2 A durante 5 s. Como I = Q/t, despeja Q = I t = 2 A × 5 s = 10 C. Son 10 coulombs, lo que equivale a unos 6.25 × 10¹⁹ electrones pasando por cada sección del cable.

Ejemplo 2. Resistencia en serie. Dos focos de 30 Ω y 20 Ω en serie con una pila de 9 V. Paso 1: identifica la conexión, un solo camino, es serie. Paso 2: suma las resistencias, R total = 30 + 20 = 50 Ω. Paso 3: concluye que la corriente que circula es la misma en ambos focos, y que el voltaje de 9 V se reparte entre los dos.

Ejemplo 3. Resistencia en paralelo. Los mismos 30 Ω y 20 Ω ahora en paralelo. Paso 1: aplica la regla de los inversos, 1/R = 1/30 + 1/20 = 0.0333 + 0.05 = 0.0833. Paso 2: invierte, R total = 1/0.0833 = 12 Ω. Paso 3: verifica que el resultado sea menor que la menor de las dos resistencias, como debe ser en paralelo. Paso 4: concluye que cada foco recibe los 9 V completos y que la corriente total es mayor que en serie: los focos brillan más.

Ejemplo 4. Diagnóstico de un circuito. Al oprimir el interruptor, el foco no enciende. Mides con el voltímetro y encuentras 9 V en los terminales de la pila, 0 V en los del foco y continuidad en el cable del lado izquierdo. La caída de potencial está en otro lugar: el foco está fundido, porque hay voltaje disponible pero el filamento roto abre el circuito. Este tipo de razonamiento, medir por tramos y localizar dónde se cae el voltaje, es el que usan los electricistas y los técnicos.

11. Simulación y manipulación de variables

Abre un constructor de circuitos virtual (las simulaciones abiertas de PhET sobre circuitos de corriente continua funcionan bien en cualquier navegador). Arma una pila de 9 V con un resistor y un amperímetro. Ejecuta la secuencia y anota lecturas reales en la tabla.

Después de llenarla, formula en dos líneas la regla general que descubriste sobre qué le pasa a la corriente total cuando agregas caminos. Ese enunciado propio es la evidencia de aprendizaje que puedes mostrar al docente.

14. Práctica independiente

1) Dibuja el diagrama de un circuito con una pila de 12 V, un interruptor general, dos focos en paralelo y un amperímetro que mida la corriente total; identifica cada símbolo. 2) Calcula la resistencia total de 10 Ω, 15 Ω y 30 Ω conectados en serie y de los mismos tres en paralelo. 3) Una corriente de 0.5 A circula durante 2 minutos: ¿cuánta carga pasa? 4) Explica por qué los faros de un automóvil van en paralelo aunque compartan el interruptor. 5) Un compañero propone conectar un amperímetro en paralelo con un foco para medir la corriente de esa rama: dile qué va a pasar y por qué.

15. Aplicación real

La instalación eléctrica de una vivienda es un circuito en paralelo con circuitos derivados protegidos por pastillas independientes, conductor de cobre con aislante de PVC, y un tercer cable de tierra que protege a las personas. Los fusibles y los interruptores termomagnéticos salvan vidas cada día en México: la mayoría de los incendios de origen eléctrico empiezan por una corriente que supera lo que el cable soporta. En electrónica, la resistencia controlada permite dividir voltajes y proteger un LED; en las redes de distribución, el alto voltaje se usa justamente para reducir la corriente y con ella las pérdidas en los cables.

Rúbrica de la práctica

La rúbrica no evalúa si te gustó el ejercicio: evalúa si ya puedes hacer la tarea que anuncia el resultado de aprendizaje. Cuatro criterios de los cinco en lo esperado significa que el tema está dominado; tres o menos, conviene repetir la práctica antes de pasar al siguiente objeto.

17. Fuentes y referencias

Programa de estudios vigente de la DGB, campo disciplinar de experimentales, primer semestre de bachillerato (SEP, México), y marco curricular común MCCEMS. Para profundizar: Hewitt, P., Física conceptual; Giancoli, D., Física; Normas de instalación eléctrica mexicanas vigentes para la referencia de 127 V y 220 V a 60 Hz, y simulaciones abiertas PhET de circuitos de corriente continua. Símbolos de diagrama según la convención internacional habitual en libros de texto. Contenido de elaboración original de Lumbre.

18. OA anterior y siguiente

Anterior: la Unidad 2 cerró con Evaluación integradora de la Unidad 2: calor, ondas y energía (cnat2-u2-evaluacion-integradora); la energía que ahí calculabas en joules es la misma que ahora se transforma en un foco. Siguiente: Ley de Ohm y potencia eléctrica (cnat2-u3-ley-de-ohm-y-potencia), donde vas a calcular voltajes, corrientes y consumos, y vas a entender por qué un foco de 100 W no es más brillante porque 'gaste volts'.