CIRCUITOS ELÉCTRICOS

Circuitos Eléctricos

INSTRUCCIONES

Anota en tu libreta el siguiente cuestionario de opción múltiple, y encierra cada una  de las respuestas correctas:

1.- La unidad de resistencia es

a) volt      c) Ohm            R= c) Ohm           

b) Ampere    d) Farad

2.- La  expresión matemática de la potencia eléctrica es:

a) P=V/R         c) P=VI      R= c) P=VI   

b) P=VR          d) P=I/R

3.- La corriente eléctrica en un circuito de tres resistencias conectadas en serie es:

a) Igual en todas                  R= a) Igual en todas                 

b) Diferente en todas

c) Diferente solo en dos

d) Igual solo en dos

4.- El voltaje  en un circuito de tres  resistencias conectadas  en serie es:

a) Igual en todas            R= a) Igual en todas                 

b) Diferente en todas

c) Diferente solo en dos

d) Igual solo en dos

5.- La unidad  de  medida para la intensidad de corriente es:

a) volt      c) Watts                  R= b) Ampere   

c) Ohm    b) Ampere   

6.- al flujo de electrones que circulan a través de un material  conductor  se  denomina:

a) Corriente   b) Electricidad   c) voltaje    d) Resistencia      R= d) Resistencia               

7.- la corriente producida en un conductor dado es directamente proporcional a la diferencia de potencial entre sus extremos  corresponde a la ley de:

a) Ley de Joule   b) ley de ohm   c) Ley de Ampere     d)   Ley de Kirchhoff     R= b) ley de ohm   

8.- La expresión matemática que expresa la ley de Ohm es:

a) I=RV

b) R=IV                                R=  c) V=IR

c) V=IR

d) V= I/R

CONCEPTOS DE CIRCUITOS ELÉCTRICOS

ELECTRICIDAD

La electricidad es una propiedad física manifestada a través de la atracción o del rechazo que ejercen entre sí las distintas partes de la materia. El origen de esta propiedad se encuentra en la presencia de componentes con carga negativa (denominados protones) y otros con carga positiva (los electrones).

VOLTAJE

El voltaje es la magnitud física que, en un circuito eléctrico, impulsa a los electrones a lo largo de un conductor. Es decir, conduce la energía eléctrica con mayor o menor potencia.

CORRIENTE

Se denomina corriente eléctrica al flujo de carga eléctrica a través de un material sometido a una diferencia de potencial.

POTENCIA ELECTRICA

La Potencia eléctrica es la relación de paso de energía de un flujo por unidad de tiempo, es decir, la cantidad de energía entregada o absorbida por un elemento en un tiempo determinado. La potencia eléctrica se representa con la letra P y la unidad de medida es el Vatio (Watt)

POTENCIAL ELÉCTRICO

En un punto, es el trabajo que debe realizar un campo electrostático para mover una carga positiva q desde dicho punto hasta el punto de referencia, dividido por unidad de carga de prueba. 

 DIFERENCIA DE POTENCIAL

Es el impulso que necesita una carga eléctrica para que pueda fluir por el conductor de un circuito eléctrico, esta corriente cesará cuando ambos puntos igualen su potencial eléctrico.

FUERZA ELECTROMOTRIZ

Fuerza Electromotriz. Se denomina fuerza electromotriz (FEM) a la energía proveniente de cualquier fuente, medio o dispositivo que suministre corriente eléctrica. Para ello se necesita la existencia de una diferencia de potencial entre dos puntos o polos (uno negativo y el otro positivo) de dicha fuente, que sea capaz de bombear o impulsar las cargas eléctricas a través de un circuito cerrado.

FUENTE ELECTRICA

Es el elemento activo que es capaz de generar una diferencia de potencial entre sus bornes o proporcionar una corriente eléctrica para que otros circuitos funcionen.

RESISTENCIA

La resistencia es la cualidad física que posee la persona y que le permite soportar un esfuerzo durante un período prolongado de tiempo.

RESISTOR

Es un componente pasivo eléctrico de dos terminales que se opone al flujo de corriente eléctrica y produce una caída de voltaje en sus terminales en concordancia con la ley de Ohm

       CIRCUITOS DE RECISTENCIA

MAPA CONCEPTUAL

RESUMEN

El voltímetro de cd

Un voltímetro es un instrumento que se usa para medir la diferencia de potencial entre dos puntos

de un circuito. En esta sección indicaremos como puede usarse un galvanómetro analógico para el

mismo propósito. La diferencia de potencial a través del galvanómetro es muy pequeña, incluso

cuando se produce una desviación grande en el instrumento. Por tanto, si se usa un galvanómetro

para medir voltajes, este debe convertirse en un instrumento de alta resistencia. Suponga que se

desea medir la caída de voltaje a través de la batería

Dicho de otro modo, el

voltímetro debe tomar una corriente insignificante.

El amperímetro de cd

Un amperímetro es un dispositivo que, a través de escalas calibradas, da indicaciones de la corriente

Eléctrica sin alterarla de forma ostensible. Un galvanómetro es un amperímetro, pero sus

Límites son limitados debido a la gran sensibilidad de la bobina móvil. Los límites del galvanómetro

puede ampliarse fácilmente, pues basta añadir una resistencia pequeña, llamada derivación,

en paralelo con la bobina del galvanómetro

E! motor de cd

Un motor eléctrico es un dispositivo que transforma la energía eléctrica en energía mecánica.

El motor de cd, como la bobina móvil de un galvanómetro, consta de una bobina por la que

fluye corriente colocada dentro de un campo magnético. Sin embargo, el movimiento de la

bobina en el motor no está restringido por resortes. El diseño permite que la bobina gire continuamente

bajo la influencia de un momento de torsión magnético.

Ley de Faraday

Faraday descubrió que cuando un conductor corta las líneas de flujo magnético, se produce

una fem entre los extremos de dicho conductor.

Cuanto más rápido sea ese movimiento, tanto más pronunciada será la desviación

de la aguja del galvanómetro. Cuando el conductor se mueve hacia arriba a través de las

líneas de flujo se puede hacer una observación similar, excepto que en ese caso la corriente

se invierte

Cuando no se cortan las líneas de flujo, por ejemplo si el

conductor se mueve en dirección paralela al campo, no se induce corriente alguna.

Supongamos que cierto número de conductores se mueven a través de un campo magnético,

como se observa en la figura 31.2, al descender una bobina de N espiras a través de las

líneas de flujo. La magnitud de la corriente inducida es directamente proporcional al número

de espiras y a la rapidez del movimiento. Es evidente que se induce una fem mediante el

movimiento relativo entre el conductor y el campo magnético. Cuando la bobina permanece

estacionaria y el imán se mueve hacia arriba se observa el mismo efecto.

Resumiendo lo que se ha observado mediante estos experimentos, se establece que:

1 . El movimiento relativo entre un conductor y un campo magnético induce una fem en el

conductor.

2. La dirección de la fem inducida depende de la dirección del movimiento del conductor

respecto al campo.

3. La magnitud de la fem es directamente proporcional a la rapidez con la que el conductor

corta las líneas de flujo magnético.

4. La magnitud de la fem es directamente proporcional al número de espiras del conductor

que cruza las líneas de flujo.

Una relación cuantitativa para calcular la fem inducida en una bobina de N espiras es

A$

% = N , (31.1)

A t

Ahora analicemos cómo el flujo magnético O que se acopla a un conductor puede cambiar.

En el caso más sencillo de un alambre recto que se mueve a través de líneas de flujo,

A<E>/Aí representa la rapidez con la cual el flujo se acopla a causa de los cambios del conductor.

Sin embargo, para que una comente inducida exista es necesario que fluya a través de un

circuito cerrado, y lo que nos interesa con más frecuencia es la fem inducida en una espira o

en una bobina de alambre.

Corrientes alternas

Ahora que nos hemos familiarizado con los elementos básicos de un circuito de ca, es preciso

entender más a fondo las corrientes alternas. La descripción cuantitativa de una corriente

alterna es mucho más complicada que la correspondiente a la corriente directa, puesto que

en ésta la magnitud y la dirección son constantes. Una corriente alterna fluye en un sentido

y también en sentido contrario en un circuito y no tiene “dirección”, en el sentido que sí lo

tiene la corriente directa. Además, la magnitud varía sinodalmente con el tiempo, como se

estudió al analizar el generador de ca.

La variación de la fem o de la corriente en un circuito de ca puede representarse por medio

de un vector giratorio o mediante una onda senoidal.

Relación de fase en circuitos

‘S o la comente instantánea i y la frecuencia ya fue descrita en el capítulo 31:

% = ^máxsen27r/Y (32.19)

i = z'máx sen lir ft (32.20)

Observe que el valor medio para la comente en un circuito de ca es igual a cero, ya que la

magnitud alterna entre i . e — z . . A pesar de que no existe una corriente neta, el hecho es que 0 max max r i 1

la carga está en movimiento y la energía puede liberarse en forma de calor o de trabajo útil. El

método más adecuado para medir la intensidad efectiva de las comentes alternas consiste en

determinar el valor de la cd que produciría los mismos efectos de calentamiento o que desarrollaría

la misma potencia que la comente alterna en cuestión.

Un ampere efectivo es la comente alterna que desarrolla la misma potencia

que un ampere de corriente directa.

Un volt efectivo es el voltaje alterno que produce una corriente efectiva de un

ampere por una resistencia de 1 ohm.

Los medidores de ca se calibran para indicar valores efectivos. Por ejemplo, si un medidor de

ca mide que el voltaje de una vivienda es de 120 V a 10 A, las ecuaciones (32.21) y (32.22)

mostrarán que los valores máximos de corriente y voltaje son

10 A

z'máx = -0--.-7--0-7-- = 14.14 A

120 V

^mmáaxx = -0--7-Q---7- = 170 V

Por consiguiente, el voltaje de la línea de dicha vivienda en realidad varía entre +170 y -1 7 0

V, mientras que la comente lo hace de +14.14 a —14.14 A. La frecuencia normal de la variación

de voltaje es de 60 Hz.

Ley de Lenz

Ley de Lenz: Una corriente inducida fluirá en una dirección tal que por medio

de su campo magnético se opondrá al movimiento del campo magnético que

la produce.

La dirección de la comente inducida en un conductor recto que se mueve a través de un

campo magnético se puede determinar por la ley de Lenz. Sin embargo, es más fácil usar una

modificación de la regla de la mano derecha, presentada en el capítulo 29, para determinarla

fuerza en una carga en movimiento. Este método, conocido como la regla de Fleming,

El generador de ca

Un generador eléctrico convierte la energía mecánica en energía eléctrica. Hemos visto que se induce

una fem en un conductor cuando éste experimenta un cambio en el acoplamiento inductivo.

Cuando el conductor forma un circuito cerrado, se puede detectar en él una comente inducida. En

un generador, una bobina de alambre se hace girar dentro de un campo magnético, y la comente

inducida se transmite mediante alambres a grandes distancias del lugar donde se originó.

La armadura del generador de la

figura 31.6 consta de una sola espira de alambre suspendido entre los polos del imán inductor.

Un par de anillos colectores se conectan a los dos extremos de la espira; por tanto, dichos anillos

giran junto con la espira cuándo ésta gira en el campo magnético. La comente inducida se

extrae del sistema mediante escobillas de grafito que se montan sobre cada uno de los anillos.

La dirección de la corriente inducida debe obedecer la regla de Fleming de movimientoflnjo-

corriente. En la ñgura 31.6, el movimiento hacia abajo del segmento de alambre de la

izquierda cruza un flujo magnético dirigido de izquierda a derecha. La corriente inducida,

por tanto, tiene una dirección hacia los anillos colectores. Mediante un razonamiento similar

se demuestra que la corriente en el segmento de la derecha de la espira, que se mueve hacia

arriba, se alejará de los anillos colectores.

La fem instantánea en esta posición se

calcula por la ecuación Si la espira gira en un círculo de radio r, la velocidad instantánea

v se puede determinar partiendo de

v = wr

donde co es la velocidad angular en radianes por segundo. Al sustituir en la ecuación

% = BLcúv sen 9

Una fem idéntica se induce en el segmento de alambre opuesto M, y no se genera ninguna

fem neta en los otros segmentos. Esto significa que la fem instantánea total es igual al doble

del valor obtenido mediante la ecuación por lo tanto,

%. = 2BLwr sen 6 mst v 7

pero el área A de la espira es

A = L X 2r

y la ecuación puede simplificarse aún más:

%. = NBAco sen 9

El generador de cd

Un generador simple de ca se puede convertir fácilmente en un generador de cd sustituyendo

los anillos colectores por un conmutador de anillo partido.

La operación es justamente la inversa de la que se analiza. Anteriormente para un motor de cd

(cap.tulo 30). En el motor, la corriente eléctrica origina un momento de torsión externo. En el

generador de cd, un momento de torsión externo origina una comente eléctrica. El conmutador

invierte las conexiones de las escobillas dos veces por cada revolución. Como resultado,

la corriente pulsa pero nunca cambia de dirección. La fem de un generador de este tipo vara

con el tiempo, como muestra la figura 31.11. Observe que la fem está. Siempre en la dirección

positiva, pero que se eleva hasta un valor máximo y luego decae a cero dos veces por cada

rotación completa. Los generadores de cd de uso práctico se dise.an con numerosas bobinas

colocadas en varios planos, de tal modo que la fem es mayor y casi constante.

ES transformador

Anteriormente se hizo notar que cuando una comente cambia en una espira de alambre se

induce una comente en una espira cercana.

La comente inducida se origina del campo magnético

cambiante asociado con la corriente que varía. La comente alterna tiene una clara ventaja

sobre la comente directa y es el efecto inductivo de la corriente que varía constantemente en

magnitud y en dirección. La aplicación más frecuente de este principio está. Representada por el

transformador, que es un dispositivo que aumenta o disminuye el voltaje en un circuito de ca

y pasa a través de las bobinas primaria y secundaria. La fem % inducida en la bobina

primaria se obtiene por medio de

El voltaje inducido está. en proporción directa al número de espiras. Si la razón de las espiras

secundarias Ns respecto a las espiras primarias N varia, entonces un voltaje de entrada (primario)

puede suministrar cualquier voltaje de salida (secundario) deseado. Por ejemplo, si en la

bobina secundaria hay 40 veces más espiras que en la bobina primaria, un voltaje de entrada de

120 V incrementar. El voltaje de salida en la bobina secundaria hasta 40 X 120 = 4800 V. A un

transformador que produce un voltaje de salida mayor se le llama transformador elevador.

Leyes de Kirchhoff

Una red eléctrica es un circuito complejo que consta de cierto número de trayectorias cerradas o mallas por donde circula corriente. Es complicado aplicar la ley de Ohm cuando se trata de  redes complejas que incluyen varias mallas y varias fuentes de fem. En el siglo m, el científico   alemán Gustav Kirchhoff desarrolló un procedimiento más directo para analizar circuitos  de ese tipo. Su método se apoya en dos leyes: la primera y la segunda leyes de Kirchhoff.

Primera ley de Kirchhoff: La suma de las corrientes que entran en una unión

es igual a la suma de las corrientes que salen de esa unión.

∑ l ENTRANTE = ∑I SALIENTE       (28.16)

Segunda ley de Kirchhoff: La suma de las fem alrededor de cualquier malla

cerrada de corriente es igual a la suma de todas las caídas de IR alrededor de

dicha malla.

∑ ε =∑ IR          (28.17)

2. Aplicar la primera ley de Kirchhoff para escribir una ecuación de la corriente para todos y cada uno de los nodos. Escribir la ecuación de la corriente para cada nodo sería duplicar la ecuación. En nuestro  ejemplo, hay dos nodos que se indican como m y n. La ecuación de la corriente para m es

∑ l ENTRANTE = ∑I SALIENTE      

     I1 + I 2= I3

PROCESO PARA LA APLICACIÓN DE LAS LEYES DE KIRCHHOFF.

Al aplicar la segunda regla de Kirchhoff hay que partir de un punto específico de la malla y hacer un seguimiento de ésta en una dirección consistente hasta volver al punto de partida. La elección de una dirección de seguimiento es arbitraria; sin embargo, una vez establecida se convierte en la dirección positiva ( + ) para la convención de signos. (Las direcciones de seguimiento de las tres mallas de nuestro ejemplo están indicadas en la figura 28.10.) Se aplican las siguientes convenciones de signos:

1. Cuando se suman las fems en toda una malla, el valor asignado a la fem es positivo si su salida (véase el paso 3) coincide con la dirección del seguimiento; se considera negativo  si la salida es en contra de esa dirección.

2. Una caída de potencial IR se considera positiva cuando se supone que la comente sigue la dirección del seguimiento y negativa cuando se supone que se opone a ella. Vamos a aplicar la segunda ley de Kirchhoff a cada malla del ejemplo.  Malla 1 Partiendo del punto m y en un seguimiento contra las manecillas del reloj se tiene   -ε1+ ε2 =-I1 R1 + I2 R2     (28.19)

Malla 2 Partiendo del punto m y en un seguimiento contra las manecillas del reloj se tiene         ε3+ ε2 =-I3 R3 + I2 R2                                                   

Malla 3 Partiendo del punto m y haciendo el seguimiento contra las manecillas del reloj  se tiene

       ε3+ ε1 =-I3 R3 + I1 R1                                                                   

Si la ecuación de la malla 1 se resta de la ecuación de la malla 2, se obtiene la ecuación para la malla 3, lo que demuestra que la ecuación de la última malla no arroja información nueva. Ahora se tienen tres ecuaciones independientes que incluyen sólo tres cantidades desconocidas. Se pueden resolver simultáneamente para determinar las incógnitas, y es posible usar la tercera ecuación para comprobar los resultados.