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OCTAVA EDICIÓN FLOYD Principios de circuitos eléctricos circuitos eléctricos Este best seller sobre circuitos de cd y ca incluye ahora cambios significativos (muy positivos) para instructores y estudiantes. Como en ediciones anteriores, Principios de circuitos eléctricos, octava edición, conserva su...

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FLOYD OCTAVA EDICIÓN Principios de circuitos eléctricos Denis Rodriguez Principios de circuitos eléctricos

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OCTAVA

EDICIÓN

Principios de circuitos eléctricos

FLOYD

P RINCIPIOS

DE CIRCUITOS ELÉCTRICOS Octava edición Thomas L. Floyd TRADUCCIÓN Rodolfo Navarro Salas Ingeniero Mecánico Universidad Nacional Autónoma de México REVISIÓN TÉCNICA Luis Mauro Ortega González Ingeniero Mecánico Electricista Instituto Tecnológico y de Estudios Superiores de Monterrey Campus Estado de México Gustavo Pérez López Maestro en Ciencias Instituto Tecnológico y de Estudios Superiores de Monterrey Campus Estado de México

Datos de catalogación bibliográfica FLOYD, THOMAS L. Principios de circuitos eléctricos. Octava edición PEARSON EDUCACIÓN, México, 2007 ISBN: 978-970-26-0967-4 Área: Ingeniería Formato: 21 × 27 cm

Páginas: 968

Authorized translation from the English language edition, entitled Principles of electric circuits by Thomas L. Floyd published by Pearson Education, Inc., publishing as PRENTICE HALL, INC., Copyright © 2007. All rights reserved. ISBN 0-13-170179-7 Traducción autorizada de la edición en idioma inglés, Principles of electric circuits por Thomas L. Floyd, publicada por Pearson Education, Inc., publicada como PRENTICE-HALL INC., Copyright © 2007. Todos los derechos reservados. Esta edición en español es la única autorizada. Edición en español Editor:

Luis Miguel Cruz Castillo e-mail: [email protected] Editor de desarrollo: Bernardino Gutiérrez Hernández Supervisor de producción: José D. Hernández Garduño Edición en inglés Acquisitions Editor: Kate Linsner Production Editor: Rex Davidson Design Coordinator: Diane Ernsberger Editorial Assistant: Lara Dimmick Cover Designer: Candace Rowley Cover art: Getty Production Manager: Matt Ottenweller Senior Marketing Manager: Ben Leonard Marketing Assistant: Les Roberts Senior Marketing Coordinator: Liz Farrell OCTAVA EDICIÓN 2007 D.R. © 2007 por Pearson Educación de México, S.A. de C.V. Atlacomulco 500, 5° piso Col. Industrial Atoto 53519 Naucalpan de Juárez, Edo. de México E-mail: [email protected] Cámara Nacional de la Industria Editorial Mexicana. Reg. Núm. 1031. Prentice Hall es una marca registrada de Pearson Educación de México, S.A. de C.V. Reservados todos los derechos. Ni la totalidad ni parte de esta publicación pueden reproducirse, registrarse o transmitirse, por un sistema de recuperación de información, en ninguna forma ni por ningún medio, sea electrónico, mecánico, fotoquímico, magnético o electroóptico, por fotocopia, grabación o cualquier otro, sin permiso previo por escrito del editor. El préstamo, alquiler o cualquier otra forma de cesión de uso de este ejemplar requerirá también la autorización del editor o de sus representantes. ISBN 10: 970-26-0967-4 ISBN 13: 978-970-26-0967-4 Impreso en México. Printed in Mexico. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 - 10 09 08 07

D EDICATORIA

Una vez más, a Sheila Con amor

P REFACIO

La octava edición de Principios de circuitos eléctricos proporciona una cobertura completa y directa de los fundamentos de componentes y circuitos eléctricos. Explica y aplica las leyes fundamentales y los métodos de análisis de circuitos en diversos circuitos básicos. Hace hincapié en aplicaciones, muchas de las cuales son nuevas en esta edición, y la mayor parte de los capítulos contiene una sección especial llamada Una aplicación de circuito. Localización de fallas continúa siendo una parte importante de esta edición, y muchos capítulos incluyen una sección especial dedicada al tema.

Lo nuevo en esta edición ◆

La disposición y el diseño del texto

◆

Archivos Multisim para ejemplos seleccionados

◆

◆

Archivos Multisim 8, además de Multisim 2001 y Multisim 7, para Localización de fallas y Análisis de problemas La cobertura de fasores se cambió al capítulo 11, Introducción a la corriente alterna y al voltaje alternos

◆

La cobertura de números complejos se cambió al capítulo 15, Circuitos RC

◆

Problemas nuevos en la mayor parte de los capítulos

◆

Numerosas mejoras a lo largo del texto

◆

Innovadoras diapositivas en Power Point® para cada capítulo, disponibles en el CD-ROM anexo

Características ◆

Cada capítulo inicia con un esquema de los temas a tratar, los objetivos del capítulo, una lista de términos clave, una referencia al sitio Web y una pequeña introducción.

◆

Cada sección comienza con una introducción y sus objetivos

◆

El apartado Una aplicación de circuito al final de la mayor parte de los capítulos

◆

Abundantes ilustraciones de alta calidad

◆

Biografías cortas de personajes clave en la historia de la electricidad

◆

Notas de seguridad localizadas en puntos apropiados a lo largo del texto e identificadas mediante un logotipo especial

◆

Gran cantidad de ejemplos resueltos

◆

Un Problema relacionado en cada ejemplo resuelto con sus respuestas al final del capítulo

◆

Repasos de sección con respuestas al final del capítulo

VI

◆

P REFACIO

◆

La sección Localización de fallas a lo largo de todo el libro.

◆

Un Resumen al final de cada capítulo.

◆

Los Términos clave se definen al concluir cada capítulo y aparecen también en el glosario general del libro.

◆

Una Lista de fórmulas al finalizar cada capítulo.

◆

Autoevaluación y Respuestas por capítulo.

◆

◆

◆

◆

Un Examen de dinámica de circuitos que pone a prueba la comprensión del estudiante de lo que sucede en un circuito a consecuencia de ciertos cambios o fallas. Las respuestas se dan al final del capítulo. Un conjunto de problemas seccionado en cada capítulo: los más difíciles señalados mediante un asterisco. Las respuestas a problemas de número impar aparecen al final del libro. Un glosario general con las definiciones de todos los términos clave y los resaltados en negritas en el texto. El libro utiliza el sentido convencional de la corriente. (Una versión alterna de este texto utiliza la dirección del flujo de electrones).

Recursos adicionales para el estudiante CD-ROM Multisim®: este CD (totalmente en inglés), incluido en cada libro, contiene una serie de archivos de circuito Multisim citados en el texto; muchos de ellos contienen fallas ocultas. Todos estos archivos vienen en el CD-ROM en Multisim 2001®, Multisim 7® y Multisim 8®. Los archivos de versiones actualizadas de Multisim aparecerán en el sitio Web www.pearsoneducacion.net/floyd conforme el fabricante, Electronics Workbench, vaya desarrollándolas. Estos archivos Multisim se proporcionan para ser utilizados por cualquier usuario que posea programas de cómputo Multisim. Quien no tenga estos programas y desee adquirirlos podrá solicitarlos en www.prenhall.com/ewb. Sin embargo, aun cuando los archivos de circuito han sido creados para complementar lo expuesto en el salón de clases, en el libro de texto y en el laboratorio, no son indispensables para estudiar los circuitos de cd y ca, ni para el desarrollo de este libro. Sitio Web del libro (www.pearsoneducacion.net/floyd): este sitio Web, también en inglés, ofrece al estudiante la oportunidad de comprobar su propio progreso y responder preguntas de exámenes muestra.

Recursos para el instructor (en inglés) Para tener acceso a los materiales complementarios en línea, los instructores deben obtener una contraseña. Vaya a www.prenhall.com, haga clic en el vínculo Instructor Resource Center, y luego en Register, para registrarse y obtener la contraseña de acceso de instructor. Dentro de las 48 horas siguientes, recibirá un correo electrónico de confirmación incluyendo la contraseña solicitada. Una vez que la tenga en su poder, ingrese al sitio e inicie una sesión para recibir instrucciones completas sobre cómo bajar los materiales que desee utilizar. Diapositivas en Power Point® Un juego completamente nuevo de innovadoras diapositivas en Power Point®, creado por David M. Buchla, ilustra dinámicamente los conceptos clave presentados en el texto. Cada diapositiva contiene un resumen con ejemplos, definiciones de términos clave, y un examen para cada capítulo. Ésta es una herramienta excelente para efectuar una presentación en el salón de clases como complemento del libro de texto. Otra carpeta de diapositivas incluye todas las figuras del texto a todo color, lo que le resultará muy útil. Todo este material está disponible en Internet.

P REFACIO

11

Esquema del capítulo

INTRODUCCIÓN A LA CORRIENTE Y AL VOLTAJE ALTERNOS

ESQUEMA DEL CAPÍTULO

Lista de objetivos basados en el desempeño

11–1 11–2 11–3 11–4 11–5 11–6 11–7 11–8 11–9 11–10

La forma de onda sinusoidal Fuentes de voltaje sinusoidal Valores sinusoidales de voltaje y corriente Medición angular de una onda seno La fórmula de la onda seno Introducción a los fasores Análisis de circuitos de CA Voltajes superpuestos de CD y de CA Formas de onda no sinusoidales El osciloscopio Una aplicación de circuito

OBJETIVOS DEL CAPÍTULO ◆ Identificar una forma de onda sinusoidal y medir ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆

Términos clave

sus características Describir cómo se generan las ondas seno Determinar los diversos valores de voltaje y corriente de una onda seno Describir las relaciones angulares de una onda seno Analizar matemáticamente una forma de onda sinusoidal Utilizar un fasor para representar una onda seno Aplicar las leyes de circuito básicas a circuitos de ca resistivos Determinar voltajes totales que tienen tanto componentes de ca como de cd Identificar las características de formas de onda no sinusoidales básicas Utilizar un osciloscopio para medir formas de onda

TÉRMINOS CLAVE ◆ Amplitud

◆ Frecuencia (f)

◆ Ancho de pulso (tW)

◆ Frecuencia

◆ Armónicos

䊱

fundamental

◆ Ciclo

◆ Generador de función

◆ Ciclo de trabajo

◆ Grado

◆ Fase

◆ Hertz (Hz)

◆ Fasor

◆ Onda seno

◆ Forma de onda

◆ Oscilador

◆ Osciloscopio

◆ Tiempo de subida (tr)

◆ Periódico

◆ Valor instantáneo

◆ Periodo (T)

◆ Valor pico

◆ Pulso

◆ Valor pico a pico

◆ Radián

◆ Valor promedio

◆ Rampa

◆ Valor rms

◆ Tiempo de caída (tf)

◆ Velocidad angular

DESCRIPCIÓN PREVIA DE UNA APLICACIÓN DE CIRCUITO En la aplicación de circuito, usted aprenderá cómo se miden señales de voltaje en un receptor de AM con un osciloscopio. VISITE EL SITIO WEB RELACIONADO Auxiliares de estudio para este capítulo están disponibles en http://www.pearsoneducacion.net/floyd

Descripción previa de Una aplicación de circuito Referencia al sitio Web

INTRODUCCIÓN En los capítulos precedentes se estudiaron los circuitos resistivos con corrientes y voltajes de cd. Este capítulo proporciona una introducción al análisis de circuitos de ca en el cual se estudian las señales eléctricas que varían con el tiempo, en particular la onda seno. Una señal eléctrica es un voltaje o una corriente que cambian de manera consistente con el tiempo. En otras palabras, el voltaje o la corriente fluctúan de acuerdo con cierto patrón llamado forma de onda. Un voltaje alterno es uno que cambia de polaridad con cierta rapidez. La forma de onda sinusoidal (onda seno) es el tipo más común y fundamental porque todos los demás tipos de formas de onda repetitivas pueden ser descompuestos en ondas seno compuestas. La onda seno es un tipo periódico de forma de onda que se repite a intervalos fijos. Se pone un énfasis especial en la forma de onda sinusoidal (onda seno) debido a su importancia fundamental en el análisis de circuitos de ca. También se introducen otras formas de onda, incluidas la de pulso, la triangular, y la de diente de sierra. Se presenta el uso del osciloscopio para visualizar y medir formas de onda. Se examina el uso de fasores para representar ondas seno.

Introducción

F IGURA P–1

Apertura de capítulo típica.

Manual de recursos para el instructor Incluye soluciones a problemas de cada capítulo, a las secciones Una aplicación de circuito (A Circuit Application), un archivo de examen, un archivo de circuito Multisim resumido, y soluciones a ambos manuales de laboratorio. Disponible en el sitio Web. Prentice Hall Test Gen

Es un banco de exámenes computarizado, disponible en línea.

Ilustración de las características de los capítulos Apertura de capítulo Cada capítulo comienza como se muestra en la figura P-1. Cada apertura de capítulo incluye número y título de éste, las secciones del texto y objetivos del capítulo, una lista de términos clave, descripción previa de Una aplicación de circuito, referencia a una sección del sitio Web y una breve introducción. Apertura de sección Cada sección incluida en un capítulo inicia con una breve introducción que describe el tema en general y los objetivos. La figura P-2 muestra un ejemplo. Repaso de sección Cada sección concluye con un repaso, consistente en preguntas o ejercicios que resaltan los principales conceptos estudiados. La parte superior de la figura P-2 muestra un ejemplo. Al final del capítulo se dan las respuestas correspondientes. Ejemplos resueltos y problemas relacionados A lo largo de cada capítulo, numerosos ejemplos resueltos sirven para ilustrar y aclarar conceptos básicos o procedimientos específicos. Cada ejemplo finaliza con un Problema relacionado que refuerza o amplía el ejemplo al requerir que el estudiante resuelva otro problema similar. Los ejemplos seleccionados incluyen un ejercicio de circuito Multisim. La figura P-3 muestra un ejemplo resuelto típico y su Problema relacionado.

◆

VII

VIII

䊳

◆

P REFACIO

FIGURA P–2

Apertura típica y repaso de una sección.

Cada sección concluye con preguntas de repaso

178

◆

C IRCUITOS

REPASO DE LA SECCIÓN 6-2

EN PARALELO

1. 2.

Un resistor de 10 Æ y uno de 22 Æ están conectados en paralelo a una fuente de 5 V. ¿Cuál es el voltaje a través de cada uno de los resistores? En la figura 6-10 está conectado un voltímetro a través de R1. El voltímetro lee 118 V. Si usted lo cambia de lugar y lo conecta a través de R2, ¿cuánto voltaje indicará? ¿Cuál es el voltaje de fuente?

3.

En la figura 6-11, ¿cuánto voltaje indica el voltímetro 1? ¿El voltímetro 2?

4.

¿Cómo están relacionados los voltajes a través de cada rama de un circuito en paralelo?

R1

VS

V

R2

50 V

R1

R2

V2

V1

䊱

6–3

Cada sección inicia con un párrafo introductorio

Objetivos de la sección basados en el desempeño

L EY

FIGURA 6–10

䊱

DE L AS CORRIENTES DE

FIGURA 6–11

K IRCHHOFF

La ley del voltaje de Kirchhoff se ocupa de los voltajes presentes en una sola trayectoria cerrada. La ley de la corriente de Kirchhoff es aplicable a corrientes que circulan por múltiples trayectorias. Después de completar esta sección, usted debe ser capaz de: ◆

Aplicar la ley de las corrientes de Kirchhoff ◆

Enunciar la ley de las corrientes de Kirchhoff

◆

Definir el término nodo

◆

Determinar la corriente total sumando las corrientes de cada rama

◆

Determinar una corriente desconocida que circula por una rama

La ley de las corrientes de Kirchhoff, abreviada a menudo como KCL, por sus siglas en inglés, puede ser enunciada como sigue: La suma de las corrientes que entran a un nodo (corriente total de entrada) es igual a la suma de las corrientes que salen de dicho nodo (corriente total de salida). Un nodo es cualquier punto o unión en un circuito donde dos o más componentes están conectados. En un circuito en paralelo, un nodo o unión es un punto donde se juntan las ramas dispuestas en paralelo. Por ejemplo, en el circuito de la figura 6-12, el punto A es un nodo y el punto B otro nodo. Inicie en la terminal positiva de la fuente y siga la corriente. La corriente total IT que viene de la fuente entra al nodo A. En este punto, la corriente se divide entre las tres ramas como se indica. Cada una de las tres corrientes de rama (I1, I2 e I3) sale del nodo A. La ley de las corrientes de Kirchhoff establece que la corriente total que entra al nodo A es igual a la corriente total que sale del nodo A; es decir, IT = I1 + I2 + I3 Ahora, cuando se siguen las corrientes mostradas en la figura 6-12 a través de las tres ramas, se advierte que regresan al nodo B. Las corrientes I1, I2 e I3 se encuentran en el nodo B e IT sale

䊳

FIGURA P–3

A NÁLISIS

Ejemplo resuelto típico y su Problema relacionado.

DE CIRCUITOS RESISTIVOS EN SERIE - PARALELO

◆

235

Corrientes de rama Con la fórmula del divisor de corriente, la ley de la corriente de Kirchhoff, la ley de Ohm, o mediante combinaciones de éstas, se puede calcular la corriente en cualquier rama de un circuito en serie-paralelo. En algunos casos, posiblemente se requiera la aplicación repetida de la fórmula para encontrar una corriente dada. Los dos ejemplos siguientes ayudarán a entender el procedimiento. (Observe que los subíndices para las variables de corriente (I) concuerdan con los subíndices de R; por ejemplo, la corriente a través de R1 se designa como I1.)

EJEMPLO 7–8

Encuentre la corriente a través de R2 y de R3 en la figura 7-19.

R1 IT VS

Los ejemplos se ponen aparte del texto

䊱

Solución

22 V

A

1.0 k⍀ R2 2.2 k⍀

R3 3.3 k⍀

FIGURA 7–19

En primer lugar, identifique la relación serie-paralelo. A continuación, determine cuánta corriente entra al nodo A. Ésta es la corriente total. Para determinar IT, se debe conocer RT. RT = R1 +

R2R3 (2.2 kÆ)(3.3 kÆ) = 1.0 kÆ + = 1.0 kÆ + 1.32 kÆ = 2.32 kÆ R2 + R3 2.2 kÆ + 3.3 kÆ

VS 22 V IT = = = 9.48 mA RT 2.32 kÆ

Cada ejemplo contiene un Problema relacionado pertinente al ejemplo

Para determinar la corriente a través de R2, aplique la regla del divisor de corriente para dos ramas como se dio en el capítulo 6. I2 = a

R3 3.3 kÆ b9.48 mA = 5.69 mA bI = a 5.5 kÆ R2 + R3 T

Ahora aplique la ley de la corriente de Kirchhoff para determinar la corriente a través de R3. IT = I2 + I3 I3 = IT - I2 = 9.48 mA - 5.69 mA = 3.79 mA

Los ejemplos seleccionados hacen referencia a un archivo de circuito Multisim relacionado

Problema ...