Circuito en Cortocircuito

Un circuito en cortocircuito (a menudo abreviado como "corto") es un fallo eléctrico grave que se produce cuando se establece una conexión anómala de resistencia prácticamente nula entre 2 puntos de un circuito que tienen una diferencia de potencial (voltaje).

Esta conexión crea un camino mucho más fácil para los electrones que el camino diseñado originalmente, desviando la corriente de los componentes normales del circuito.

El cortocircuito transforma un sistema controlado en uno violento y destructivo en milisegundos. Para evitar un evento tan catastrófico, el diseño de las conexiones de los circuitos eléctricos debe priorizar la seguridad.

La prevención y contención de estos fallos son los objetivos primordiales de todo diseño eléctrico, lograda mediante la indispensable instalación de dispositivos de protección como fusibles, interruptores automáticos (magnetotérmicos) y relés.

Estos componentes están diseñados para detectar y cortar la corriente anómala antes de que cause una catástrofe, protegiendo tanto los equipos como la seguridad de las personas.

Características de un Circuito en Cortocircuito

El cortocircuito es uno de los fallos más peligrosos en cualquier sistema eléctrico, ya que desata una reacción en cadena que puede llevar a consecuencias catastróficas de forma casi instantánea.

Comprender las características de esta condición es vital para diseñar sistemas eléctricos seguros, ya que su prevención y mitigación son objetivos primordiales en la ingeniería eléctrica.

Aplicación de la Ley de Ohm

Si la resistencia (R) se acerca a cero, la corriente (I) se acerca al infinito. En la práctica, la corriente está limitada únicamente por la impedancia interna de la propia fuente de alimentación y la resistencia mínima de los cables. Aun así, la corriente resultante, llamada "corriente de cortocircuito" o "corriente de falla", puede ser de hasta miles de veces mayor que la corriente normal de operación del circuito.

Por ejemplo, en un circuito de 230 V, una bombilla de 100 W consume unos 0,43 A. Un cortocircuito en el mismo circuito podría generar una corriente de miles de amperios en una fracción de segundo.

Para obtener la corriente de cortocircuito en una instalación eléctrica en baja tensión, se pueden utilizar estas calculadoras de corriente de cortocircuito.

Liberación Instantánea de Energía Térmica (Efecto Joule)

El peligro real no es la corriente en sí, sino la inmensa cantidad de energía calorífica que genera. Esta energía se calcula con la fórmula P = R · I². Aunque la resistencia del cortocircuito es baja, el cuadrado de la corriente (I²) es un valor monstruosamente alto.

Como consecuencia, esta potencia se disipa en un instante en el punto de fallo y en los conductores, generando un calor intenso y repentino (varios miles de grados Celsius) que tiene efectos devastadores:

– Fusión de cables: los conductores se derriten, volatilizando el cobre y el aislamiento.

– Explosión de componentes: los dispositivos electrónicos estallan literalmente debido a la expansión térmica violenta.

– Principio de incendio: el calor extremo prende fuego a materiales inflamables cercanos (aislantes, plásticos, muebles, estructuras), siendo una de las causas principales de incendios eléctricos.

Daños Colaterales y Estrés del Sistema

Además del daño en el punto de fallo, la corriente masiva afecta a todo el circuito:

– Daños por sobrecorriente: los componentes sanos aguas arriba de la falla son sometidos a una corriente para la que no fueron diseñados, pudiendo quemarse.

– Caída de tensión: la enorme demanda de corriente puede causar un "bajón" o hundimiento de la tensión en toda la instalación, afectando momentáneamente a otros equipos conectados.

– Esfuerzo electrodinámico: las fuerzas magnéticas generadas por corrientes tan altas pueden ser físicamente destructivas, doblando buses de conexión o arrancando cables de sus terminales.

Riesgo de Cortocircuito en Receptores y Generadores

Un cortocircuito puede ocurrir en cualquier parte de un sistema eléctrico:

● En los receptores (carga): es el caso más común. Ocurre por un fallo de aislamiento: el desgaste, un daño mecánico o un error de instalación hace que los conductores fase y neutro (o positivo y negativo) se toquen directamente, puenteando la carga. Ejemplos: un cable pelado dentro de un electrodoméstico, una herramienta que corta un cable enchufado, humedad que crea un puente conductor, etc.

● En los generadores (fuente): un fallo interno en una batería, un alternador o un transformador puede causar un cortocircuito entre sus bornes. Esto es particularmente peligroso porque la fuente puede entregar toda su energía de salida de forma incontrolada en la falla, lo que frecuentemente resulta en su destrucción completa, fugas de electrolito o, en el caso de baterías de litio, incendios químicos muy violentos.

Cortocircuito en los Receptores

Este fallo se produce cuando, de forma accidental, se crea una conexión de resistencia mínima o nula entre los bornes o terminales de un componente.

Al establecerse este “puente” o camino directo, la corriente evita pasar a través del componente. En su lugar, toma este nuevo camino de resistencia prácticamente cero, lo que provoca un aumento de la intensidad de corriente (I). El componente puenteado deja de funcionar, ya que la corriente lo elude por completo.

Cortocircuito en Receptores en Serie

En un circuito en serie, si uno de los receptores sufre un cortocircuito, la corriente lo evita y fluye directamente a través del conductor que lo une. Al quedar puenteado o cortocircuitado el receptor, su resistencia se vuelve prácticamente cero, reduciéndose la resistencia total del circuito y aumentando la corriente. Los receptores restantes deben soportar ese nivel de corriente.

Por ejemplo, en el siguiente esquema disponemos de un circuito serie de 2 lámparas alimentadas por una fuente de tensión V con una corriente I.

A continuación, se observa que se han cortocircuitado los terminales de la lámpara L1. El cable llevará toda la corriente de manera que, la lámpara L1 dejará de funcionar, puesto que le estamos aplicando la misma tensión en ambos extremos (el positivo de la pila). Por el contrario, la lámpara L2, se iluminará mucho más, puesto que ahora tendrá toda la tensión V del generador.

Por último, se observa el camino que sigue la corriente I, que ahora se ha incrementado. Si la lámpara L2 no está preparada para soportar la tensión V quedará dañada.

Por tanto, cuando se produce un cortocircuito en un receptor conectado en serie:

1º) El receptor cortocircuitado deja de funcionar (no tiene diferencia de voltaje)

2º) Los demás componentes en serie reciben mayor voltaje

3º) La corriente total aumenta (por menor resistencia total)

Cortocircuito en Receptores en Paralelo

En un circuito en paralelo, un cortocircuito en un receptor crea un camino de resistencia casi nula, conectando los polos de la fuente. Este fallo provoca un aumento drástico de la corriente total, limitada prácticamente solo por la resistencia interna de la fuente. La tensión en el circuito cae a cero, haciendo que todos los demás receptores, aunque no dañados, dejen de funcionar por falta de voltaje.

Por ejemplo, en el siguiente esquema disponemos de un circuito paralelo de 2 lámparas alimentadas por una fuente de tensión V con una corriente I.

Cuando los terminales de la lámpara L2 en paralelo se cortocircuitan, se crea un camino de resistencia casi nula que desvía la corriente. Esto hace que el voltaje en el circuito caiga a cero, apagando todas las lámparas y haciendo que la corriente total del generador se dispare.

Se observa el camino que sigue la corriente I, que ahora solo quedará limitada por la pequeña resistencia interna de la fuente de alimentación y por la casi nula resistencia de los cables.

Cortocircuito en los Generadores

Ocurre cuando los bornes de salida de una fuente de alimentación se conectan directamente entre sí con un conductor de resistencia despreciable, independientemente de que haya conectada o no alguna carga entre ambos bornes. Este es el tipo de fallo más severo y peligroso.

Al unirse el polo positivo (+) y el negativo (–) directamente, se elimina por completo la resistencia total del circuito. Según la Ley de Ohm (I = V / Ri), y dado que Ri ≈ 0 Ω, la corriente que intenta entregar la fuente se vuelve extremadamente alta, limitada únicamente por su resistencia interna y la prácticamente nula resistencia del conductor.

La falta de un elemento de protección que interrumpa el flujo de corriente de forma rápida, tendrá como consecuencia el sobrecalentamiento y la consiguiente avería del cable o del generador.

A continuación, se observa un cortocircuito entre los terminales del generador. Las lámparas se apagan porque no les llega corriente. Se puede observar el camino que sigue la corriente de cortocircuito en todos los casos.

Por tanto, cuando se produce un cortocircuito en un generador:

1º) La corriente alcanza valores peligrosamente altos (especialmente si se produce en bornes del generador)

2º) El generador puede sobrecalentarse y dañarse o se puede provocar un incendio por cables fundidos si no está protegido el circuito correctamente

3º) Todos los receptores conectados dejan de recibir corriente

Para proteger contra cortocircuitos se instalan fusibles o interruptores automáticos.

Ejemplos de Circuitos en Cortocircuito

A continuación, analizaremos 5 ejemplos prácticos que muestran cómo se producen los cortocircuitos en diferentes configuraciones. Estos casos cubren desde cortocircuitos en receptores hasta fallos en generadores, así como errores de diseño en las conexiones.

Ejemplo 1 de Circuito en Cortocircuito

Analizar la conexión del siguiente circuito y justificar el cortocircuito en los receptores y en el generador.

El circuito corresponde a una configuración en paralelo entre las 2 lámparas, identificable por la presencia de dos nodos claros: uno anterior a las lámparas (uniendo sus entradas) y otro posterior (uniendo sus salidas).

Sin embargo, un conductor adicional conecta directamente ambos nodos (izquierdo y derecho), creando un camino de resistencia prácticamente nula que puentea las lámparas. Esto genera un cortocircuito en los 2 receptores en paralelo, ya que la corriente, siguiendo el camino de menor resistencia, evita circular por las lámparas. Como consecuencia, estas dejan de funcionar.

Adicionalmente, este conductor anómalo provoca un cortocircuito en el generador, al conectar sus polos positivo (+) y negativo (–) casi de forma directa. Según la Ley de Ohm, al tender la resistencia R a cero, la corriente total del circuito se eleva drásticamente, superando ampliamente los valores normales de operación.

Si ordenamos los componentes, el circuito sería equivalente al siguiente:

Ejemplo 2 de Circuito en Cortocircuito

Analizar la conexión del siguiente circuito y justificar el cortocircuito en los receptores y en el generador.

El circuito presentaría inicialmente una conexión en serie entre las 2 lámparas, donde la corriente fluye desde el polo positivo (+) de la batería hacia la lámpara L1 (por su terminal izquierdo), continúa por su salida (terminal derecho) hacia la lámpara L2 (por su terminal derecho), y finalmente regresa al polo negativo (–) de la batería.

No obstante, se introduce un conductor adicional que conecta directamente el terminal derecho de la lámpara L1 al polo positivo (+) de la batería. Esto crea un camino de resistencia prácticamente nula que puentea (cortocircuita) la lámpara L1. Al estar ambos extremos de esta lámpara conectados al mismo potencial eléctrico (el positivo de la batería), la diferencia de voltaje entre sus terminales es cero, por lo que la corriente la evita y deja de funcionar.

Como consecuencia, la lámpara L1 queda invalidada, existiendo únicamente cortocircuito en 1 receptor. La lámpara L2 recibe ahora todo el voltaje de la batería, ya que la resistencia total del circuito disminuye al eliminarse la lámpara L1 de la trayectoria principal. La corriente total se incrementa (Ley de Ohm), debido a la reducción de la resistencia total del circuito.

Si ordenamos los componentes, el circuito sería equivalente al siguiente:

Ejemplo 3 de Circuito en Cortocircuito

Analizar la conexión del siguiente circuito y justificar el cortocircuito en los receptores y en el generador.

El diagrama representaría inicialmente una conexión en serie entre 2 lámparas. La corriente circula secuencialmente: desde el polo positivo (+) de la batería se introduce por el terminal derecho de la lámpara L1, sale por su terminal izquierdo, se dirige al terminal derecho de la lámpara L2, y finalmente retorna al polo negativo (–) de la batería.

No obstante, se introduce un conductor adicional que conecta directamente el polo positivo de la batería (terminal derecho de la lámpara L1) con el polo negativo (terminal izquierdo de la lámpara L2). Este cable puentea ambas lámparas, cortocircuitando los 2 receptores. En consecuencia, la corriente circula casi en su totalidad por este nuevo camino de baja resistencia, evitando las lámparas, que dejan de funcionar al no recibir corriente.

Adicionalmente, esta conexión cortocircuita el generador, al unir sus polos positivo y negativo de manera casi directa. De acuerdo con la Ley de Ohm, la resistencia total del circuito tiende a cero, lo que provoca un aumento extremo en la corriente total.

Si ordenamos los componentes, el circuito sería equivalente al siguiente:

Ejemplo 4 de Circuito en Cortocircuito

Analizar la conexión del siguiente circuito y justificar el cortocircuito en los receptores y en el generador.

El circuito podría presentar inicialmente una conexión en serie entre 2 lámparas. La trayectoria de la corriente sigue este recorrido: desde el polo positivo (+) de la batería se introduce por el terminal izquierdo de la lámpara L1, sale por su terminal derecho, se conecta al terminal izquierdo de la lámpara L2, y finalmente retorna al polo negativo (–) de la batería, completando así el flujo de corriente.

Sin embargo, se incorpora un conductor adicional que conecta directamente el polo positivo (+) de la batería con el terminal izquierdo de la lámpara L2. Esta conexión genera un cortocircuito parcial que afecta exclusivamente a la lámpara L1, ya que ambos terminales de esta (izquierdo y derecho) quedan conectados al mismo potencial eléctrico (el positivo de la batería).

Como consecuencia, la corriente deja de circular por la lámpara L1, que cesa su funcionamiento, existiendo únicamente cortocircuito en 1 receptor. La lámpara L2 recibe ahora todo el voltaje de la batería, al eliminarse la caída de tensión asociada a la lámpara cortocircuitada. La resistencia total del circuito disminuye (al eliminarse la resistencia de la lámpara L1), lo que provoca un incremento de la corriente total según la Ley de Ohm.

Si ordenamos los componentes, el circuito sería equivalente al siguiente:

Ejemplo 5 de Circuito en Cortocircuito

Analizar la conexión del siguiente circuito y justificar el cortocircuito en los receptores y en el generador.

El esquema presenta un cortocircuito en el generador, ya que un conductor sin resistencia apreciable conecta eléctricamente el polo positivo (+) con el polo negativo (–) de la batería. Esto crea un camino de resistencia prácticamente nula que provoca una corriente extremadamente alta (según la Ley de Ohm).

Adicionalmente, existe un  fallo en su diseño: aunque las 2 lámparas aparecen físicamente unidas por un conductor, sugiriendo una conexión en serie, ambos extremos de esta supuesta "serie" están conectados al mismo potencial eléctrico (los 2 nodos del esquema). Al no existir diferencia de voltaje entre los terminales de las lámparas, ninguna de ellas recibirá corriente, quedando cortocircuitados los 2 receptores.

Si ordenamos los componentes, el circuito sería equivalente al siguiente:

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