Circuito para niños

Un circuito eléctrico es como un camino cerrado por donde viaja la corriente eléctrica. Imagina que es una pista de carreras para la electricidad. Este camino está hecho de diferentes piezas conectadas entre sí, como baterías, resistencias, interruptores y otros componentes.

Todos los circuitos son un tipo de "red eléctrica", pero no todas las redes son circuitos. Para que sea un circuito, la electricidad debe poder salir de un punto y regresar a él, formando un bucle cerrado.

Algunos circuitos son más sencillos de entender. Por ejemplo, un circuito que solo tiene resistencias y fuentes de energía se llama circuito resistivo. Si la energía que usan es constante, como la de una pila, se le llama «circuito de corriente continua».

Cuando un circuito tiene piezas más avanzadas, como los transistores, se le llama circuito electrónico. Estos son los que encontramos en aparatos como los teléfonos o las computadoras.

¿Cómo descubrimos los circuitos eléctricos?

La historia de los circuitos eléctricos es muy interesante y comenzó hace mucho tiempo, en los siglos XVII y XVIII.

Primeros pasos en la electricidad

Científicos como William Gilbert y Benjamin Franklin fueron clave. Franklin, con su famoso experimento de la cometa en 1752, demostró que los rayos eran una forma de energía eléctrica. Esto ayudó a entender el concepto de la carga eléctrica.

A finales del siglo XVIII, Luigi Galvani y Alessandro Volta hicieron grandes avances. Galvani estudió cómo la electricidad afectaba a los seres vivos, y Volta inventó la primera batería química. La batería de Volta fue muy importante porque ofrecía una fuente constante de electricidad para seguir investigando.

Grandes descubrimientos del siglo XIX

En el siglo XIX, la ingeniería eléctrica empezó a tomar forma gracias a personas como André-Marie Ampère, Georg Simon Ohm y Michael Faraday.

• Ampère descubrió las leyes que conectan la corriente eléctrica con los campos magnéticos.
• Ohm formuló la Ley de Ohm en 1827. Esta ley es fundamental porque explica la relación entre el voltaje (la "fuerza" que empuja la electricidad), la corriente eléctrica (cuánta electricidad fluye) y la resistencia eléctrica (cuánto se opone el material al paso de la electricidad). Con esta ley, los ingenieros podían calcular estas medidas en circuitos simples.
• Faraday investigó el electromagnetismo y descubrió cómo se pueden generar corrientes eléctricas usando campos magnéticos. Esto fue clave para entender cómo funcionan muchos aparatos eléctricos.

Más tarde, en la década de 1840, Gustav Kirchhoff desarrolló las Leyes de Kirchhoff, que son muy útiles para analizar circuitos más complicados. Con el tiempo, los ingenieros y matemáticos crearon más técnicas para resolver los problemas de los circuitos.

Partes de un circuito eléctrico

Para entender un circuito, es importante conocer sus partes principales:

Figura 1: Un ejemplo de circuito eléctrico. Las letras A, B, C, D, E son nodos.

• Componente: Es cada pieza del circuito, como una resistencia o una batería. En la Figura 1, puedes ver varios componentes.
• Nodo: Es un punto donde se unen tres o más cables. En la Figura 1, A, B, D y E son nodos.
• Rama: Es la parte del circuito que está entre dos nodos. Por cada rama solo puede pasar una corriente.
• Malla: Es cualquier camino cerrado que puedes seguir dentro del circuito.
• Fuente: Es lo que da energía al circuito, como una batería. En la Figura 1, I, E1 y E2 son fuentes.
• Conductor: Es el material, como un cable, que permite que la electricidad fluya fácilmente entre los componentes.

Tipos de circuitos eléctricos

Los circuitos se pueden clasificar de varias maneras, según sus características.

¿Son activos o pasivos?

• Un circuito activo tiene al menos una fuente de energía que puede suministrar electricidad de forma continua, como una batería o un generador. Estos elementos pueden añadir energía al circuito.
• Un circuito pasivo no tiene fuentes de energía. Solo está formado por elementos que no generan electricidad, como resistencias o condensadores.

¿Son lineales o no lineales?

• Un circuito es lineal si su comportamiento sigue un principio llamado "superposición". Esto significa que si le aplicas varias señales, la respuesta total es la suma de las respuestas a cada señal por separado.
• Si no cumplen esta regla, son no lineales. Los circuitos electrónicos, por ejemplo, suelen ser no lineales.

¿Cómo están agrupados sus elementos?

• Los circuitos de elementos agrupados son los más comunes. En ellos, se asume que todas las propiedades (resistencia, capacidad) de un componente están concentradas en un solo punto. Esto funciona bien para la mayoría de los circuitos.
• Sin embargo, a frecuencias muy altas o en circuitos muy largos (como las líneas de transmisión de energía), esta suposición no es válida. En esos casos, se usan los circuitos de elementos distribuidos, donde las propiedades se consideran repartidas a lo largo del componente.

Otras formas de clasificarlos

Los circuitos también se pueden clasificar por:

• Tipo de señal:

* Corriente continua: La corriente siempre va en la misma dirección. * Corriente alterna: La corriente cambia de dirección periódicamente.

• Tipo de régimen:

* Corriente periódica: Se repite en el tiempo. * Corriente transitoria: Ocurre por un corto tiempo, como al encender algo. * Permanente: Estable a lo largo del tiempo.

• Tipos de componentes:

* Eléctricos: Con componentes básicos. * Electrónicos: Con componentes más avanzados, pueden ser: * Digitales: Trabajan con señales de "sí" o "no" (0 y 1). * Analógicos: Trabajan con señales que varían suavemente. * Mixtos: Combinan ambos.

• Tipo de configuración:

* Circuito en serie: Los componentes están conectados uno tras otro. * Circuito en paralelo: Los componentes están conectados en caminos separados, pero unidos en los mismos puntos. * Mixto: Una combinación de serie y paralelo.

Tipos de fuentes de energía

Las fuentes de energía en un circuito pueden ser:

• Independientes: Su valor de voltaje o corriente no cambia, sin importar lo que pase en el resto del circuito.
• Dependientes: Su valor de voltaje o corriente sí depende de lo que ocurre en otra parte del circuito.

Leyes importantes de los circuitos

Para entender cómo funciona un circuito, usamos algunas leyes fundamentales:

• Ley de corriente de Kirchhoff: Dice que la cantidad de corriente que entra a un nodo (punto de unión) es igual a la que sale de él.
• Ley de tensiones de Kirchhoff: Establece que la suma de los voltajes en cualquier malla (camino cerrado) de un circuito siempre es cero.
• Ley de Ohm: Como ya vimos, relaciona el voltaje, la corriente y la resistencia.
• Teorema de Norton y Teorema de Thévenin: Son herramientas que nos permiten simplificar circuitos complejos para analizarlos más fácilmente.
• Teorema de superposición: Ayuda a analizar circuitos con varias fuentes de energía, estudiando el efecto de cada fuente por separado.

¿Cómo se diseñan los circuitos?

Los ingenieros eléctricos necesitan saber cómo se comportará un circuito antes de construirlo. Para esto, predicen los voltajes y corrientes en todas sus partes.

Herramientas de diseño

Para los circuitos más sencillos (lineales), los ingenieros pueden hacer los cálculos a mano. Pero para los circuitos más complejos, usan programas informáticos especiales. Estos programas, como SPICE, VHDL y Verilog, permiten simular el circuito en una computadora. Así, pueden probar y ajustar el diseño sin tener que construir un prototipo físico, lo que ahorra tiempo y dinero.

Estos programas pueden encontrar cómo se comporta el circuito en un estado estable y también cómo reacciona a pequeños cambios. Algunos programas usan métodos matemáticos avanzados para simular el comportamiento de los componentes.