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Circuitos electricos...

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CIRCUITOS ELÉCTRICOS Física II para Ingenierías B.U.F. Benjamín Tannuré Godward UTN – Facultad Regional Tucumán

Introducción 

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En este módulo se analizan los circuitos eléctricos simples que contienen diversas combinaciones de baterías y resistores. Algunos circuitos incluyen resistores que son combinados mediante reglas simples. El análisis de circuitos más complicados se simplifica si se utilizan las leyes de Kirchhoff, que son consecuencia de la ley de conservación de energía y de la ley de conservación de cargas eléctricas en sistemas aislados. Se supone que la mayoría de los circuitos analizados está en estado estacionario, lo que significa que las corrientes en el circuito son constantes en magnitud y dirección.

Fuerza electromotriz 

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En un circuito por lo general se utiliza una batería como fuente de energía, y si la diferencia de potencial en las terminales de la batería es constante, la corriente en el circuito es constante en magnitud y dirección y recibe el nombre de corriente directa. A la batería se le conoce como fuente de fuerza electromotriz, electromotriz o más comúnmente, fuente de fem (pero no se refiere a una fuerza).

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La fem de una batería es el voltaje máximo posible que ésta puede suministrar entre sus terminales

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Puesto que una batería está hecha de materia, existe una resistencia al flujo de las cargas dentro de la misma. Esta resistencia recibe el nombre de resistencia interna r. r En el caso de una batería ideal con una resistencia interna igual a cero, la diferencia de potencial a través de la batería (conocida como voltaje entre las terminales) es igual a su fem. Sin embargo, en una batería, en un circuito donde exista corriente, el voltaje entre las terminales no es igual a la fem de la batería.

Fuerza electromotriz

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ΔV = ε - Ir ε es equivalente al voltaje en circuito abierto, es decir, el voltaje entre las terminales cuando la corriente es igual a cero. La fem es el voltaje nominal de una batería. Esta voltaje es el que actúa sobre las resistencias externas o resistencias de carga carga. Como se ve, ΔV dependerá de la corriente en el circuito,por lo que una fuente es solo fuente de Fem constante. Todo el resto puede variar

Resistencias en serie 

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Cuando dos o más resistores se encuentran interconectados por un mismo alambre, hablamos de conexión en serie. serie En esta conexión, si una cantidad de carga Q sale de un resistor R1, deberá también entrar en el segundo resistor R2. De otra forma, la carga se acumularía en el alambre entre los resistores. Por lo tanto, en un intervalo determinado de tiempo, la misma cantidad de carga pasa a través de ambos resistores: I = I1 = I2

Resistencias en serie 

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La diferencia de potencial que se aplica a una combinación en serie de resistores se dividirá entre éstos. ΔV = IR1 + IR2 La diferencia de potencial entre las terminales de la batería también está aplicada a la resistencia equivalente Req ΔV = IReq donde la resistencia equivalente tiene el mismo efecto en el circuito que en la combinación en serie porque resulta de la misma corriente I en la batería

Resistencias en serie 

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Combinando las ecuaciones anteriores: ΔV = IReq = IR1 + IR2 Req = R1 + R2 Lo que permite generalizar: Req = R1 + R2 + R3 + … La resistencia equivalente de una combinación en serie de resistores es la suma numérica de las resistencias individuales y siempre es mayor que cualquier resistencia individual.

Resistencias en paralelo 

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En esta combinación, los resistores están conectados todos en un mismo punto, como las terminales de las baterías de la figura. Así las diferencias de potencial a través de los resistores son las mismas: ΔV = ΔV1 = ΔV2 Las cargas se dividen en dos; una parte pasa a través de R1 y el resto a través de R2. Una unión es cualquier punto en un circuito donde una corriente puede dividirse. Esta división resulta en menos corriente en cada resistor de la que sale de la batería.

Resistencias en paralelo 

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Debido a que la carga eléctrica se conserva, la corriente I que entra al punto a debe ser igual a la corriente total que sale del mismo: I = I1+ I2 La corriente en la resistencia equivalente Req es: I = ΔV/ V/R Req donde la resistencia equivalente tiene el mismo efecto en el circuito que las dos resistencias en paralelo

Resistencias en paralelo 

Entonces combinando los resultados anteriores, podemos obtener que:

Generalizando:

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es igual a la suma de los inversos de las resistencias individuales.

Además, la resistencia equivalente siempre es menor que la resistencia más pequeña en el grupo.

Resistencias en paralelo 

Los circuitos domésticos siempre están alambrados de manera que los aparatos queden conectados en paralelo. Cada aparato funciona de manera independiente de los demás, de modo que si un interruptor se abre, los demás permanecerán cerrados. En adición, en este tipo de conexiones todos los aparatos funcionan con el mismo voltaje.

Leyes de Kirchhoff Muy a menudo, sin embargo, no es posible simplificar un circuito en una sola espira. El procedimiento para explicar circuitos más complejos se hace posible si se utilizan dos principios conocidos como leyes de Kirchhoff: 1. Ley de la nodos (=punto de unión). En cualquier nodo, la suma de las corrientes debe ser igual a cero: ΣI = 0 

2.

Ley de la malla (=circuito cerrado dentro del circuito). La suma de las diferencias de potencial a través de todos los elementos alrededor de cualquier malla de un circuito cerrado debe ser igual a cero: Σ ΔV = 0

Leyes de Kirchhoff 

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La primera ley de Kirchhoff es un enunciado de la conservación de la carga eléctrica eléctrica. Todas las cargas que entran en un punto dado en un circuito deben abandonarlo porque la carga no puede acumularse en ese punto. La segunda ley de Kirchhoff es una consecuencia de la ley de conservación de energía. energía Imagine que mueve una carga alrededor de una espira de circuito cerrado. Cuando la carga regresa al punto de partida, el sistema carga–circuito debe tener la misma energía total que la que tenía antes de mover la carga. La suma de los incrementos de energía conforme la carga pasa a través de los elementos de algún circuito debe ser igual a la suma de las disminuciones de la energía conforme pasa a través de otros elementos.

Leyes de Kirchhoff Método de aplicación:  Debe asignar direcciones y nombres a las corrientes en cada parte del circuito. Aunque la asignación de direcciones de corriente es arbitraria, debe adherirse rigurosamente a las direcciones que asigne cuando aplique leyes de Kirchhoff. Debe cuidar que las corrientes no todas lleguen o salgan de los nodos.  Aplique la ley de los nodos (primera regla de Kirchhoff) a todas las uniones en el circuito, excepto una. Puede utilizarla con tanta frecuencia como lo requiera, siempre y cuando cada vez que escriba una ecuación incluya en ella una corriente que no haya sido utilizada previamente en alguna ecuación de esta regla. En general, el número de veces que puede utilizar la ley es una menos que el número de puntos de unión en el circuito.

Leyes de Kirchhoff Ahora aplique la ley de la malla (segunda regla de Kirchhoff) a tantas espiras en el circuito como se necesite para obtener, en combinación con las ecuaciones de la ley de los nodos, tantas ecuaciones como incógnitas haya.  Para aplicar esta ley, debe elegir una dirección en la cual viajar alrededor de la malla (ya sea en el sentido de las agujas del reloj o en sentido contrario) e identificar correctamente el cambio en potencial conforme cruce cada elemento. ¡Tener cuidado con los signos! 

Leyes de Kirchhoff   

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Reglas de signos para la ley de la malla: si un resistor se atraviesa en la dirección de la corriente, la diferencia de potencial ΔV a través del resistor es –IR Si un resistor se recorre en la dirección opuesta a la corriente, la diferencia de potencial ΔV a través del resistor es +IR Si una fuente de fem (suponiendo que tenga una resistencia interna igual a cero) es recorrida en la dirección de la fem (de negativo a positivo), la diferencia de potencial ΔV es +ε Si una fuente de fem (suponiendo que tenga una resistencia interna igual a cero) es recorrida en la dirección opuesta a la fem (de positivo a negativo), la diferencia de potencial ΔV es - ε

Leyes de Kirchhoff Siempre yendo de a hacia b  Resuelva las ecuaciones simultáneamente para las cantidades desconocidas.  Compruebe sus respuestas numéricas. No se alarme si alguna de las corrientes resultantes tiene valor negativo. Esto sólo significa que supuso incorrectamente la dirección de dicha corriente, pero su magnitud será correcta. 

Leyes de Kirchhoff Para recordar sobre el método de Gauss Jordan para resolver sistemas de ecuaciones, podemos consultar el siguiente link: http://matematica.laguia2000.com/general/metodo http://matematica.laguia2000.com/general/metodo-de de--gauss gauss--jordan

Medidores eléctricos: Amperímetro

Se trata de un aparato que mide la corriente.  Las cargas que constituyen la corriente a medir deben pasar directamente a través del amperímetro, por lo que éste debe estar conectado en serie con los otros elementos del circuito.  De manera ideal, un amperímetro debe tener una resistencia cero para que la corriente a medir no sea alterada. 

Medidores eléctricos: Amperímetro

Medidores eléctricos: Voltímetro

Al aparato que mide la diferencia de potencial se le llama voltímetro.  La diferencia de potencial entre dos puntos cualesquiera en un circuito se mide al unir las terminales del voltímetro entre estos puntos sin abrir el circuito, por lo que se conecta en paralelo paralelo.  Un voltímetro ideal tiene una resistencia infinita, así que no existe corriente en él. 

Medidores eléctricos: Voltímetro

Medidores eléctricos: Multímetro

Riesgos eléctricos Una descarga eléctrica da como resultado quemaduras fatales, o puede causar el mal funcionamiento de músculos de órganos vitales, como el corazón. El grado de daño al cuerpo dependerá de la magnitud de la corriente, de la duración del fenómeno, de la parte del cuerpo que tocó el alambre de corriente y de la parte del cuerpo por donde sale la corriente.  Una corriente de 5 mA o menos provoca una sensación de sacudimiento, pero por lo regular con muy poco o ningún daño.  Si la corriente es mayor a 10 mA, los músculos se contraen y la persona quizá no pueda ser capaz de soltar el alambre de corriente. 

Riesgos eléctricos Una corriente de alrededor de 100 mA que pase a través del cuerpo durante sólo algunos segundos, puede ser fatal. Una corriente de esa naturaleza paralizará los músculos del sistema respiratorio, impidiendo la respiración.  En algunos casos, corrientes de alrededor de 1 A pueden producir quemaduras serias (y a veces fatales). En la práctica, ningún contacto con alambres de corriente se considera seguro cuando el voltaje es superior a 24 V. 

Riesgos eléctricos

Aplicaciones

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