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Corriente eléctrica y circuitos de CD Baterías Las baterías mantienen una diferencia potencial eléctrica, un voltaje, entre sus terminales. La terminal positiva se mantiene en un voltaje mayor que la terminal negativa; por ejemplo, la terminal positiva de una batería de 6 voltios se encuentra en un potencial eléctrico 6 voltios mayor que su terminal negativa. Esta diferencia de voltaje se mantiene por una reacción química que continúa mientras los componentes químicos necesarios estén presentes en la batería. Imaginen una batería como si fuera un escalar para las cargas. La reacción química es como el motor del escalar. Éste lleva la carga al voltaje mayor, pero no a un voltaje mayor que ese; una vez que la terminal superior tiene la suficiente carga, el escalar se detiene; idealmente, la batería mantendrá exactamente la misma diferencia potencial entre las terminales si importar lo que suceda… ni mayor, ni menor. En general, representamos la diferencia de voltaje en un circuito como consecuencia de la batería. No todos los dispositivos electrónicos dependen de una batería; por ejemplo, pueden utilizar celdas solares o convertidores de CA/CD. Sin embargo, lo principal permanece de la misma manera. La batería ideal, o cualquier dispositivo que cumpla ese rol, mantiene una diferencia de voltaje constante entre las terminales. Corriente y circuitos Un circuito eléctrico es un camino externo que pueden recorrer las cargas entre las terminales de una batería; conecta dos terminales y un material conductor, tal como el metal. La palabra circuito está directamente relacionada a la palabra círculo; represente un círculo completo e ininterrumpido entre dos terminales. El círculo o circuito se completa dentro de la batería mediante la reacción química que se lleva a cabo allí. Para ser considerado un circuito, el camino externo entre las terminales debe ser completo e ininterrumpido. Cuando hablamos del flujo de cargas a lo largo de un circuito, estamos forzados a diferenciar entre lo que realmente está fluyendo y las palabras que utilizamos para describir dicho flujo. El problema nos remonta a Benjamín Franklin. Franklin colaboró con el desarrollo de la teoría acerca de que las cargas eléctricas pueden ser de dos formas, positivas o negativas. Desafortunadamente, los experimentos de ese momento no podían determinar si las cargas positivas fluían en una dirección o si las cargas negativas fluían en la dirección opuesta; para la mayoría de los propósitos, no existe forma de determinar qué está sucediendo realmente. Su modelo asumía que las cargas positivas fluían de la terminal positiva de una batería a la negativa; ahora sabemos que eso no es así. El flujo de carga a través de un conductor se debe al movimiento de electrones, el vehículo de la carga negativa. Entonces, lo que realmente está sucediendo es que los electrones fluyen desde la terminal negativa de la batería (son repelidos por la terminal negativa) a la terminal positiva (a la cual son atraídos). Corriente eléctrica - 1 v 1.1 ©2009 Goodman & Zavorotniy Mientras que la corriente real es un conjunto de electrones que fluye desde la terminal negativa hacia la positiva, gran parte de la teoría de circuitos eléctricos se completó antes de conocer este dato. Por lo tanto, hablamos de una corriente convencional, que consiste de cargas positivas hipotéticas que fluyen de la terminal positiva a la terminal negativa. A lo largo de este libro, cuando hagamos referencia al flujo de corriente a través de un circuito estaremos hablando de corriente convencional. Si bien esto no es lo que está ocurriendo físicamente (debido a que el vehículo de carga positiva, el protón, no se mueve), es una forma simple de ver lo que ocurre en un circuito. Es necesario tener en cuenta que ésta es una imagen útil nada más, no es la realidad subyacente. Pero por la misma razón que llevó tanto tiempo descubrir la realidad subyacente, resulta que las predicciones basadas en considerar una corriente convencional de cargas positivas fluyendo de la terminal positiva a la negativa es idéntica a las que consideran las cargas negativas moviéndose en la dirección opuesta. El símbolo para la corriente convencional es la letra “I”. Se define como la cantidad de carga que fluye a través de un punto en un conductor por unidad de tiempo. El símbolo “Δt” en el denominador denota el intervalo de tiempo que se mide mientras que “ΔQ” en el numerador denota la cantidad de carga que fluye por un punto en el circuito durante dicho intervalo de tiempo. La corriente se mide en amperes (en general, abreviados como "amps”); un Amper de corriente se define como un Culombio de carga que pasa por un punto del circuito, por segundo. 1A≡1 Definición y unidades de corriente La corriente se define como la cantidad de carga que pasa por un punto por unidad de tiempo. El Amper (A) se define como un Culombio de carga (Q) que pasa por un punto en un conductor, por segundo (s). 1 Amper ≡ 1 Coulón por segundo 1A≡1 Corriente eléctrica - 2 v 1.1 ©2009 Goodman & Zavorotniy El Amper, en general, se abrevia como “amp” Ejemplo 1: En un punto de un circuito pasan 4 C de carga en 2 s; ¿cuál es la corriente que fluye en ese punto del circuito? ΔQ representa la cantidad de carga que fluye, y Δt representa el tiempo en que sucedió eso, entonces: _____________________________________________________________________ Ejemplo 2: Una corriente de 2 A fluye a lo largo de un circuito. ¿Cuánto tardan 40 C de carga en recorrer el circuito? Primero, determina el valor desconocido, “Δt” Luego sustituye por los valores dados ___________________________________________________________ Resistencia y Ley de Ohm Los conductores resisten el flujo de corriente que pasa a través de ellos en mayor o menor medida (los superconductores son una excepción a la regla y hablaremos de ellos más adelante). La Corriente eléctrica - 3 v 1.1 ©2009 Goodman & Zavorotniy resistencia eléctrica que presenta un conductor ante el flujo de carga se denomina resistencia (R). La resistencia se mide en unidades denominadas Ohms, cuyo símbolo es la letra griega Omega “Ω”. La resistencia de un circuito eléctrico disminuye el flujo de carga a través del mismo. Por otro lado, la diferencia de voltaje entre las terminales a las cuales está conectado el circuito aumenta el flujo de corriente. Si no hay una diferencia de voltaje, no habría corriente. A medida que aumenta la diferencia de voltaje, también aumenta la “presión” que mueve la carga alrededor del circuito. La combinación de estos dos factores da como resultado la relación entre corriente, resistencia y voltaje, denominada a partir del físico, Ohm: Ley de Ohm Definición y unidades de resistencia (R) La resistencia puede determinarse si resolvemos la Ley de Ohm de R La resistencia representa la proporción entre el voltaje en un circuito y la corriente que fluye en él. Por ejemplo, mientras mayor sea la resistencia, menos cantidad de corriente fluirá para un voltaje aplicado determinado. La resistencia se mide en Ohms (Ω). Basándonos en la relación descrita anteriormente, veremos que: Si bien la relación puede ser utilizada siempre para definir la resistencia de un material con una corriente y un voltaje determinados, no siempre puede ser linear: Es decir, el aumento de voltaje no siempre resulta en el aumento de la corriente en proporción directa. Sin embargo, se encuentra en un campo cercano al linear para los metales conductores que utilizaremos para construir circuitos en este texto. (Los materiales para los que la relación es linear se denominan óhmicos, mientras que los materiales con los que no sucede este fenómeno (bombillas, transistores, diodos, etc) se denominan no óhmicos. Se puede asumir que la Ley de Ohm predica una relación linear entre la corriente y el voltaje, aunque se diga lo contrario. ___________________________________________________________________ Ejemplo 3: Un batería con un voltaje de 12 voltios está conectada a un circuito externo de 6 Ω; ¿cuánta corriente fluirá de la terminal positiva a la terminal negativa de la batería? Corriente eléctrica - 4 v 1.1 ©2009 Goodman & Zavorotniy ____________________________________________________________________ Ejemplo 4: ¿Cuál es el voltaje en un circuito de 4Ù si fluye una corriente de 5A en él? Determina lo desconocido, "V" _____________________________________________________________________ Resistencia y resistividad La resistencia de un conductor depende tanto del material del que está fabricado como de su forma. Los materiales pueden variar ampliamente en cuanto a su nivel de conducción de electricidad. La medida de la resistencia de los materiales ante la conducción de electricidad se denomina resistividad (ρ). Por ejemplo, la plata conduce la electricidad aproximadamente 6,7 veces más que el platino. Esto significa que si tuviéramos 2 cables idénticos, cada uno de dicho material, la resistencia del cable de platino sería 6,7 veces mayor que la del cable de plata. Sin embargo, es posible fabricar un cable de platino que tenga una menor resistencia que un cable de plata; aquí es donde entre en juego la forma del conductor. Mientras más largo sea el cable, más demorará la carga en recorrer el cable de un extremo al otro. En resumen, la carga deberá realizar un circuito más largo en ese cable. De la misma forma en que es más difícil bombear agua desde una manguera muy larga, en comparación con una manguera corta, es más complejo que un voltaje mueva la carga en un conductor más largo que en uno más corto. De la misma manera, mientras mayor sea el área transversal del cable, más sencillo será conducir la carga a través del mismo. Si quieres bombear una gran cantidad de agua a través de una manguera, utiliza una manguera que tenga mayor diámetro. Las mangueras que utilizan los camiones de bomberos son mucho más anchas que las mangueras de jardín. Si quieres conducir una carga más fácilmente a lo largo de un cable, utiliza un cable más ancho. La combinación de estos conceptos da como resultado dos aseveraciones razonables acerca del efecto de la forma de un conductor en su resistencia. Mientras más largo sea el conductor, mayor resistencia tendrá Corriente eléctrica - 5 v 1.1 ©2009 Goodman & Zavorotniy Mientras más ancho sea el conductor (mayor sea su área transversal), menor resistencia tendrá La combinación de estas aseveraciones con la resistividad del material da como resultado lo siguiente: R= Esta expresión sólo indique que la resistencia de un conductor depende del material con el que haya sido fabricado, su largo y su área transversal: Mientras más largo mayor resistencia; mientras más ancho, menor resistencia. Definición y unidades de resistividad Podemos resolver la ecuación anterior de ρ para determinar las unidades de resistividad. Ahora podemos sustituir las unidades de las variables a la derecha para obtener las unidades de “ρ”. Unidades de ρ = Unidades de ρ = Ω∙m La resistividad de los materiales debe ser resuelta, ya sea en una tabla o mediante un problema; no puede determinarse en forma teórica. A continuación aparecen algunos de los valores de los materiales comunes. Por favor ten en cuenta que, en esta tabla, las resistividades son determinadas en unidades de 10-8 Ω∙m, no en Ω∙m. Por lo tanto, la resistividad de la plata es 1,59 x 10-8 Ω∙m. Resistividad de algunos conductores comunes a 20° C Resistividad (ρ) Material (10-8 Ω∙m) Corriente eléctrica - 6 Plata 1.59 Cobre 1.68 Oro 2.44 Aluminio 2.65 Tungsteno 5.60 Hierro 9.71 Platino 10.6 Mercurio 98 Nicromo 100 v 1.1 ©2009 Goodman & Zavorotniy Temperatura y resistividad La tabla a continuación muestra la resistividad de los materiales a 20° C. Los materiales tendrán una mayor resistividad a temperaturas más altas y una menor resistividad a temperaturas inferiores. El caso extremo de ello es la superconductividad. Cuando los materiales alcanzan la temperatura baja suficiente, su resistencia puede desaparecer por completo; las corrientes eléctricas pueden pasar a través de ellos sin resistencia alguna. El fenómeno más común es que la resistencia de los conductores se eleva cuando se calientan. Esta es una razón por la que la Ley de Ohm puede romperse incluso con conductores simples, tales como un cable de tungsteno en una bombilla de luz. Apenas se enciende, la bombilla está fría, y su resistencia es muy baja. Rápidamente se calienta y brilla, y su resistencia es mucho mayor. Sin embargo, es más probable que la descarga inicial de corriente a través de la baja resistencia inicial de la bombilla falle en el momento en que se enciende la bombilla. La dependencia de la temperatura en la resistividad también ser utilizada para fabricar termómetros basados en el flujo de corriente a través de un trozo conocido de cable. A medida que la temperatura del ambiente cambia, también cambiará su resistencia, y la corriente que fluye a través de él. La medición de la corriente se convierte en un método para determinar la temperatura del ambiente del cable. ______________________________________________________________ Ejemplo 5: ¿Qué resistencia tendrá un cable de oro de 100 m si su radio es de 2 mm? R= El área de un círculo es πr2, y esto se convierte en Al convertir r en metros y utilizar las unidades correctas de ρ, 10-8 Ω∙m R= R= R= R = 0,19 Ω ___________________________________________________________ Ejemplo 6: ¿Qué largo tiene un cable de nicromo de 2 mm de diámetro con una resistencia de 2Ω? Corriente eléctrica - 7 v 1.1 ©2009 Goodman & Zavorotniy Resuelve L Recuerda que 2 mm de diámetro equivalen a un radio de 1 mm L= L= L= L = 6,3 m _____________________________________________________________ Potencia eléctrica Podemos desarrollar fórmulas que determinen el consumo de energía de un circuito eléctrico mediante la combinación de los 2 factores que aprendimos en los capítulos anteriores con lo que acabamos de estudiar. En primer lugar, en el capítulo denominado “Campo eléctrico, energía potencial y voltaje” aprendimos que el trabajo necesario para mover una carga Q a través de una diferencia de voltaje V es el resultado de: . En segundo lugar, en el capítulo denominado “Energía” aprendimos que la potencia se define como el trabajo realizado por unidad de tiempo: . La combinación de estas dos ecuaciones da como resultado lo siguiente: Sustituimos W = QV Reordenamos Sustituimos P = IV Corriente eléctrica - 8 v 1.1 ©2009 Goodman & Zavorotniy A partir de esta ecuación, podemos ver que la potencia que consume un circuito, o parte de un circuito, es el producto de la corriente que fluye a través de él y la diferencia de voltaje en el mismo. Esta aseveración tiene sentido porque la energía se libera incluso si permitimos que una única carga se mueva de un voltaje superior a uno inferior. Una corriente eléctrica representa una gran cantidad de cargas que disminuyen mediante esa diferencia potencial por segundo. Dicha energía liberada por segundo representa la potencia que utiliza el circuito. Una imagen útil que puede ayudarnos es visualizar el agua que se mueve en un lecho y hace girar una rueda hidráulica. El agua fluye desde un punto elevado del lecho de agua a un punto inferior, y sólo lo hace cuesta abajo. A medida que fluye, el agua libera energía potencial gravitatoria. La rueda de paletas aprovecha la energía liberada al ser girada de forma tal que permite llevar a cabo un trabajo. Para llevar a cabo esto es necesario disminuir la velocidad del agua un poco; la rueda representa la resistencia al agua, pero el resultado es que la potencia del agua que fluye puede ser utilizada para accionar un aserradero, una bomba, etc. En el caso de un circuito eléctrico, los circuitos aprovechan el flujo de carga de un voltaje alto a uno bajo; de la terminal positiva a la terminal negativa de la batería. En el proceso del descenso, el circuito hace que la carga realice un trabajo (encender una bombilla, accionar un motor, etc) Esto desacelera la carga, porque el circuito resiste el flujo de la misma, pero permite que la potencia eléctrica de la batería se convierta en una potencia útil para el circuito. Podemos obtener dos expresiones convenientes de la potencia eléctrica si utilizamos la Ley de Ohm, I = V/R, para eliminar I ó V de la ecuación anterior: P = IV. P = IV Ahora sustituimos ó V = IR V = IR P= P= Estas son tres expresiones equivalentes que pueden ser utilizadas para determinar la potencia que consume un circuito o cualquier parte del mismo. La elección sobre cuál utilizaremos estará basada sólo en una conveniencia propia: La que sea más rápida de llevar a cabo a partir de la información que tenemos. Corriente eléctrica - 9 v 1.1 ©2009 Goodman & Zavorotniy Circuitos de CD Un circuito de corriente directa (CD) básica está compuesto por una batería conectada a un circuito externo que combina resistencias; las resistencias y la batería están conectadas entre sí por cables conductores. Cuando hablamos de corriente directa, la fuente de voltaje no varía en ningún momento; una batería es un buen ejemplo de una fuente de voltaje de un circuito de CD. La alternativa del circuito de CD es un circuito de corriente alterna (CA). Ambos son muy utilizados; por ejemplo, las tomas de corriente de tu casa funcionan con corriente alterna (CA). La CA es una forma muy conveniente de transportar electricidad de un lugar a otro. Sin embargo, muchos dispositivos convierten el voltaje nuevamente en CD antes de utilizarlo para accionar un circuito. Cómo se realiza eso y cómo funcionan los circuitos de CA van más allá del alcance de este texto. Nos centraremos en los circuitos de CD que se construyen simplemente mediante resistencias, cables y baterías. Un diagrama de circuito representa la vía que recorre la carga al pasar de la terminal positiva a la terminal negativa de la batería. Los diagramas de circuito no pretenden parecerse al circuito real una vez construido. En realidad, son una representación útil para analizar el circuito en cuanto a la parte eléctrica; no pretenden ser diagramas que muestren la ubicación física de las partes del circuito. Los circuitos que analizaremos requieren del uso de dos símbolos, que aparecen a continuación, conectados por las líneas que representan los cables. Símbolos utilizados en los diagramas de circuito básicos de CD Resistencia Batería Cable Las dos líneas verticales en el símbolo de la batería representan las dos terminales de la batería; la línea más larga representa la terminal positiva y, la más pequeña, la terminal negativa Ejemplo 7: El circuito más simple consiste de una batería con una única resistencia entre las terminales. Si en el siguiente diagrama la resistencia, R, tiene un valor de 10 Ω y, la batería, un voltaje de 6 V. ¿Cuál es la dirección y la magnitud de la corriente? R V Corriente eléctrica - 10 Zavorotniy v 1.1 ©2009 Goodman & La resistencia del circuito está dada por esa única resistencia, 10 Ω, y el voltaje se debe a la batería, 6 V. Sólo necesitamos aplicar la Ley de Ohm. La dirección de la corriente convencional va desde la terminal positiva a la negativa, por lo que la corriente se mueve en el sentido de las agujas del reloj dentro del circuito. _____________________________________________________________________ Ejemplo 8: Utilizando el mismo esquema anterior, y teniendo en cuenta que el voltaje de la batería es 12 V y que, desde la terminal positiva de la batería, fluye una corriente de 2 A. ¿Cuál es el valor de la resistencia, R? Una vez más, utiliza la Ley de Ohm, pero esta vez determina R. __________________________________________________________________ Circuitos en paralelo y en serie Existen dos maneras para agregar una segunda resistencia al circuito: En serie o en paralelo. R1 R1 R2 R2 V V En serie En paralelo La diferencia fundamental entre ambos circuitos radica en que, en el caso del circuito en serie, todas las cargas deben atravesar ambas resistencias para recorrer el circuito desde la terminal positiva a la negativa. Si dibujamos el camino desde la placa positiva de la batería en el circuito en serie hasta la negativa, necesariamente debemos atravesar ambas resistencias, no existe otra alternativa. Por otro Corriente eléctrica - 11 Zavorotniy v 1.1 ©2009 Goodman & lado, al marcar el camino más corto entre ambas terminales en el circuito en paralelo, sólo podemos atravesar R1 o R2, pero no ambas. Es importante poder determinar si los componentes en un circuito están conectados en serie o en paralelo. En los casos anteriores, es relativamente fácil hacerlo, porque los componentes en el circuito en paralelo se ven paralelos literalmente. Pero observa el siguiente circuito: R1 R1 V V R2 R2 En este caso, ¿es igualmente fácil determinar que las resistencias del circuito de la izquierda están conectadas en serie? Si no, verifica si se una carga que se mueve de la terminal positiva a la terminal negativa de la batería puede hacer un recorrido sin atravesar ambas resistencias. Deberías ver que es imposible hacerlo en el circuito de la izquierda: es un circuito en serie. Por otro lado, una carga podría realizar el recorrido completo del circuito de la derecha atravesando una de las resistencias, R1 o R2. Como la carga podría elegir cualquiera de los caminos, el circuito de la derecha es un circuito en paralelo. El primer paso para interpretar diagramas de circuito es determinar qué componentes se encuentran en paralelo y qué componentes se encuentran en serie. Resistencia equivalente de los circuitos Desde el punto de vista de la batería, todos los circuitos que estudiaremos pueden reducirse al simple esquema de una resistencia y una batería. La única resistencia y el voltaje de la batería determinarán la corriente que fluye desde la batería. Por lo tanto, la vida útil de la batería, la potencia que consume el circuito, etc, pueden ser estudiados de una forma muy simple. Cada problema se vuelve simple como los ejemplos 7 y 8. El valor de la única resistencia que puede reemplazar al circuito completo, para este propósito, se denomina resistencia equivalente del circuito. La resistencia equivalente (Req) de dos o más resistencias es el valor de la única resistencia que necesitaríamos reemplazar en el circuito sin cambiar el circuito desde el punto de vista de la batería. Vamos a estudiar tres tipos de circuitos: En serie, en paralelo y combinados. En cada caso, desarrollaremos una estrategia para determinar la resistencia equivalente del circuito y luego utilizaremos dicha información para analizarlo. Corriente eléctrica - 12 Zavorotniy v 1.1 ©2009 Goodman & Circuitos en serie Existen dos principios clave que se aplican en todos los circuitos en serie. Dichos principios proporcionarán el fundamento necesario para analizar los circuitos. La corriente que pasa por todas las partes de un circuito en serie es la misma. La suma de la caída de voltaje en cada una de las resistencias en un circuito en serie equivale al voltaje de la batería. La primera afirmación surge del hecho de que cada carga debe atravesar todas las resistencias para moverse de una terminal a la otra; esa es, en realidad, nuestra definición de un circuito en serie. Si cada carga debe hacer esto, también debe hacerlo la corriente, que es sencillamente la suma de cargas que realizan el recorrido. La segunda afirmación requiere una cierta comprensión del término “caída de voltaje". Cuando una corriente pasa por una resistencia, existe una diferencia de voltaje entre los dos lados de cada resistencia. El lado que esté más cerca de la terminal positiva de la batería es mayor por una cantidad que resulta de la Ley de Ohm: V = IR, donde I es la corriente a través de la resistencia y R es el valor de la resistencia. Las cargas del circuito se mueven desde la terminal positiva (mayor) a la terminal negativa (menor). A lo largo del recorrido, el voltaje sufre una caída cada vez que pasan a través de una resistencia. Finalmente, cuando la carga llegue a la terminal negativa (menor), el voltaje será cero. Como consecuencia, podemos observar que la suma total de todas las caigas debe ser equivalente a la caída total. Si hay tres resistencias en un circuito en serie, entonces V= V1 + V2 + V3; donde V es el voltaje de la batería. Una forma de observar esto es imaginar una corriente muy plana de agua que pasa a través de una cierta cantidad de cataratas. La corriente debe ser lo suficientemente plana para que esta imagen funcione, ya que estamos asumiendo que los cables del circuito no tienen resistencia, por lo que no hay caídas de voltaje entre ellas, sino sólo cuando las atraviesan. Pueden imaginar que el agua debe caer de una altura al nivel del piso en diferentes pasos, donde cada paso representa una resistencia. La corriente de agua es como la corriente de electricidad. Debido a que el agua debe alcanzar el fondo, la corriente es la misma en todos lados, pero las caídas individuales en cada catarata pueden ser diferentes. Pero la suma total de todas las caídas debe ser igual a la altura total desde donde cae el agua. En consecuencia, tenemos algunas reglas que podemos utilizar al analizar circuitos en serie. Si utilizamos el subíndice para diferenciar las resistencias del circuito y no utilizamos ninguno para la batería, podemos expresarlos de la siguiente manera: Corriente eléctrica - 13 Zavorotniy v 1.1 ©2009 Goodman & Ahora podemos utilizar esto para desarrollar una fórmula que nos ayude a determinar la resistencia equivalente de un circuito en serie. Comencemos con la segunda ecuación. Ahora sustituyamos, mediante la Ley de Ohm para cada término. Pero en un circuito en serie, Ahora dividamos I y reconozcamos que R es la resistencia total del circuito; su resistencia equivalente, Req Este resultado es importante… y parece razonable. Si una carga debe atravesar resistencias adicionales para completar el recorrido hacia la terminal negativa, deberá superar una mayor resistencia. Las resistencias adicionales siempre incrementan la resistencia de un circuito en serie. Esto tiene sentido desde la perspectiva de nuestra ecuación para determinar la resistencia: R = ρL/A. En el caso más simple, podemos pensar en cada resistencia como el largo de un cable. La suma de más resistencias en serie es como alargar el cable. Como podemos observar en la fórmula anterior, un cable más largo daría como resultado una resistencia mayor en proporción. Una forma importante de verificar nuestros resultados en un circuito en serie es reconocer que la resistencia equivalente del circuito debe ser siempre mayor que la resistencia más alta del circuito. Esto es así porque cada resistencia adicional aumenta la resistencia del circuito desde ese punto de comienzo inicial. _____________________________________________________________ R1 R2 Ejemplo 9: En el circuito de la derecha, V= 12V; R1 = 4Ω; y R2 = 2 Ω. Corriente eléctrica - 14 Zavorotniy v 1.1 ©2009 Goodman & V Primero determina Req; I; V1; y V2. Luego determina el consumo de potencia del circuito, P, y el de cada una de las dos resistencias: P 1 y P2. Observa que esta respuesta debe ser mayor que el valor de la resistencia más alta, la resistencia de 4Ω. ------------------------------------------------------------------------------------------------Para el circuito total, V es el voltaje de la batería y Req es su resistencia. -------------------------------------------------------------------------------------------------- En un circuito en serie, ------------------------------------------------------------------------------------------------ En un circuito en serie, Corriente eléctrica - 15 Zavorotniy v 1.1 ©2009 Goodman & Observa que estos resultados son consistentes con ya que 12V = 8V + 4V. Esta es una buena manera de verificar tu trabajo. -----------------------------------------------------------------------------------------------Existen tres ecuaciones diferentes que podemos utilizar para determinar la potencia: P = IV = V2/R = I2R Para el circuito completo, utilizamos V como el voltaje de la batería y R como Req. Utilicemos las tres ecuaciones para confirmar que obtenemos los mismos resultados. ------------------------------------------------------------------------------------------------------Para determinar la potencia que utiliza R1, usamos V1, R1 e I; reconocemos que I1 = I. P = 16W P = 16W P = 16W ------------------------------------------------------------------------------------------------------Para determinar la potencia utilizada por R2, usamos V2, R2 y I. 2Ω P = 72W P = 72W P = 72W Observa que no sólo los tres resultados del consumo de energía son igualmente válidos en cada una de las ecuaciones, sino que nuestros resultados demuestran que P = P1 + P2 +... Esto tiene sentido porque la energía que consume el circuito total debe ser utilizada en alguna parte del circuito. El único lugar donde ocurre eso es en las resistencias. En este ejemplo, observamos que llevamos a cabo mucho más trabajo del que necesitaríamos realizar para resolver un problema, ya que utilizamos las tres ecuaciones para determinar la potencia y resolvimos cada resistencia y el circuito total en forma independiente. Sin embargo, utilizar un segundo método es una buena manera de verificar el trabajo. Corriente eléctrica - 16 Zavorotniy v 1.1 ©2009 Goodman & Circuitos en paralelo Existen dos principios clave que se aplican en todos los circuitos en paralelo. Dichos principios proporcionarán el fundamento necesario para analizar los circuitos. El voltaje en todas las resistencias en un circuito en paralelo es el mismo La suma de las corrientes en cada una de las resistencias en un circuito en paralelo equivale a la corriente de la batería. La primera afirmación surge del hecho de que la batería está conectada a ambos extremos de cada resistencia. La batería mantiene la caída de voltaje en cada resistencia equivalente al voltaje de la batería. La segunda afirmación surge del hecho de que cada resistencia paralela representa un camino alternativo que las cargas pueden seguir alrededor del circuito. Sin embargo, todas las cargas que salgan de una terminal positiva, finalmente, llegarán a la terminal negativa: Las cargas no se crean, destruyen ni almacenan en estos circuitos. Una forma de entenderlo es imaginarnos una corriente de agua que se encuentra con obstáculos y se divide para pasar el obstáculo por ambos lados. Si bien puede dividirse en múltiples, corrientes, la cantidad de agua que fluye debe ser la misma. Cuando las corrientes se unen nuevamente, toda el agua seguirá fluyendo. Entonces en cualquier punto, el agua total que fluye mediante los caminos por separado debe sumarse y ser la misma que la corriente total al principio o al final. En consecuencia, tenemos algunas reglas que podemos utilizar al analizar circuitos en paralelo. Si utilizamos el subíndice para diferenciar las resistencias del circuito y no utilizamos ninguno para la batería, podemos expresarlos de la siguiente manera: I = I1 + I2 + I3... V = V1 = V2 = V3 =... Estas fórmulas son muy similares a las que desarrollamos para el circuito en serie; la diferencia radica en que los signos "+" y el signo "=" cambiaron de lugar. Esto cambia profundamente los resultados que obtendremos de la resistencia equivalente del circuito paralelo. Comencemos con la primera ecuación. I = I1 + I2 + I3... Ahora sustituyamos, mediante la Ley de Ohm Corriente eléctrica - 17 Zavorotniy v 1.1 para cada término. ©2009 Goodman & = ….. + Pero en un circuito paralelo V = V1 = V2 = V3 =.... = ….. + Ahora dividamos V y reconozcamos que R es la resistencia total del circuito; su resistencia equivalente, Req = + ….. Esta ecuación es más compleja que la que obtuvimos en el circuito en serie. El hecho de que esto implique la suma de fracciones hace que sea un desafío matemático, así como también crea un resultado que puede parecer contra intuitivo al principio: Mientras más resistencias se agreguen en paralelo, menor será la resistencia del circuito. Este resultado se vuelve más razonable si consideramos que cada resistencia paralela es un camino adicional que la carga puede seguir durante el recorrido. Mientras más caminos recorra la carga, menor será la resistencia que deberá superar. Las resistencias adicionales siempre disminuyen la resistencia de un circuito en paralelo. Esto tiene sentido desde la perspectiva de nuestra ecuación para determinar la resistencia: R = ρL/A. En este caso podemos pensar en las resistencias como partes de cable ubicados uno al lado del otro. Agregar más resistencias en paralelo es como extender el cable, aumentando su diámetro. Como puede verse a partir de la fórmula que aparece arriba, un cable con un área transversal mayor tendría una menor resistencia, en forma proporcional. Una forma importante de verificar nuestros resultados en un circuito en paralelo es reconocer que la resistencia equivalente del circuito debe ser siempre menor que la resistencia más baja del circuito. Esto es así porque cada resistencia adicional disminuye la resistencia del circuito desde ese punto de comienzo inicial. _______________________________________________________________ Ejemplo 10: En el circuito de la derecha, V= 12V; R1 = 4Ω; y R2 = 2 Ω. R1 Primero determina Req; I; I1; & I2. Luego determina el consumo de potencia del circuito, P, y el de cada R2 una de las dos resistencias: = + V ….. Corriente eléctrica - 18 Zavorotniy v 1.1 ©2009 Goodman & = + Utilice el denominador común de 4Ω = + = Recuerda resolver Req, no 1/Req: Un error común es no invertir la respuesta preliminar Req = Req = 1,33Ω Observa que esta respuesta debe ser menor que el valor de la resistencia más baja, la resistencia de 2Ω. ------------------------------------------------------------------------------------------------- Para el circuito total, V es el voltaje de la batería y Req es su resistencia. I = 9A -------------------------------------------------------------------------------------------------- En un circuito en paralelo, ------------------------------------------------------------------------------------------------ En un circuito en paralelo, Corriente eléctrica - 19 Zavorotniy v 1.1 ©2009 Goodman & Observa que estos resultados son consistentes con ya que . Esta es una buena manera de verificar tu trabajo. -----------------------------------------------------------------------------------------------Existen tres ecuaciones diferentes que podemos utilizar para determinar la potencia: Para el circuito completo, utilizamos V como el voltaje de la batería y R como Req. ------------------------------------------------------------------------------------------------------Para determinar la potencia utilizada por R1, usamos V1, R1 & I. ------------------------------------------------------------------------------------------------------Para determinar la potencia utilizada por R2, usamos V2, R2 y I. 2Ω Observa que no sólo los tres resultados del consumo de energía son igualmente válidos en cada una de las ecuaciones, sino que nuestros resultados demuestran que P = P1 + P2 +... Esto tiene sentido porque la energía que consume el circuito total debe ser utilizada en alguna parte del circuito. El único lugar donde ocurre eso es en las resistencias. Corriente eléctrica - 20 Zavorotniy v 1.1 ©2009 Goodman & En este ejemplo, como en el anterior, observamos que llevamos a cabo mucho más trabajo del que necesitaríamos realizar para resolver un problema, ya que utilizamos las tres ecuaciones para determinar la potencia y resolvimos cada resistencia y el circuito total en forma independiente. Sin embargo, utilizar un segundo método es una buena manera de verificar el trabajo. Circuitos combinados La mayoría de los circuitos están formados por una combinación de ramas, cada una de las cuales es un conjunto de componentes conectados en serie, en paralelo, o en una combinación de estas dos formas. No tenemos que desarrollar ninguna fórmula adicional para analizar estos circuitos; simplemente debemos comprender cómo simplificar cada circuito paso a paso. El circuito que aparece a continuación consta de 2 ramas. La rama de la izquierda es un circuito paralelo: las cargas pueden optar cómo proceder en cada rama; pueden pasar a través de R 1 o R2. La rama de la derecha es un circuito en serie: una vez que la carga ingresa a la rama y atraviesa R 3, también debe atravesar R4. Sin embargo, las ramas por sí mismas son paralelas entre sí. Una carga puede atravesar la rama izquierda, ya sea a través de R1 o R2, o puede atravesar la rama izquierda, a través de R3 y R4, pero no a través de ambas ramas. Por lo tanto, las dos ramas están conectadas en paralelo. La forma de ver esto es simplificar el circuito paso a paso, como verán en el siguiente ejemplo. R3 V R1 R4 R2 ____________________________________________________________________ Ejemplo 11: En el diagrama anterior, V = 24V; R1 = 6Ω; R2 = 12Ω; R3 = 3Ω; y R4 = 7Ω. Determina Req & I. El primer paso será combinar R1 y R2 para determinar R12, la resistencia equivalente de esa rama. Luego combinaremos R3 y R4 para determinar R34, la resistencia equivalente de la segunda rama. Los subíndices nos permitirán llevar cuenta de nuestro trabajo. Deberían leerse como “R uno dos” y “R tres cuatro”, no “R doce” y “R treinta y cuatro”. Nuestro nuevo circuito se verá de la siguiente manera: Corriente eléctrica - 21 Zavorotniy v 1.1 ©2009 Goodman & R34 R12 V Ya que R1 y R2 están en paralelo, utilizaremos la fórmula = + para determinar el valor de R12. = + = + Utiliza un denominador común de 12Ω = + = Invierte la respuesta preliminar para determinar R12, no R12 = 4Ω Ya que R3 y R4 están en serie, utilizaremos la fórmula Req = R3 + R4 para determinar el valor de R34. R34 = R3 + R4 R34 = 3Ω + 7Ω R34 = 10Ω Entonces ahora tenemos el circuito que aparece anteriormente y conocemos los valores de las resistencias: R12 = 4Ω y R34 = 10Ω. El próximo paso es combinarlos en un circuito que se ve como aparece a continuación: Corriente eléctrica - 22 Zavorotniy v 1.1 ©2009 Goodman & R1234 V Mientras R12 y R34 no son geométricamente paralelos entre sí (de hecho, son perpendiculares), ese no es el significado del término paralelo en el contexto de circuitos eléctricos. En el análisis de circuitos, el término paralelo significa que las cargas pueden viajar a través de un camino u otro pero no a través de ambos. Evidentemente, ese es el caso aquí, entonces R 12 está en paralelo con R34. Siendo ese el caso, los combinamos mediante la siguiente fórmula: Hagámoslo directamente, sin utilizar un denominador común = 0,25Ω + 0,10Ω Observa que las unidades son Ω-1, 1/ Ω, no Ω = 0,35Ω Inviértelo para obtener la respuesta final R1234 = 2,9 Ω Como esto se combina con todas las resistencias, es Req que equivale a 2,9 Ω Esto significa que, desde la perspectiva de la batería, las cuatro resistencias del circuito original podrían haber sido reemplazadas por una resistencia de 2,9 Ω, y nada hubiera cambiado. Claro que hubiera sido un circuito diferente, pero no en términos de la corriente de la batería o el consumo total de potencia. Ahora podemos determinar ambos valores. La Ley de Ohm nos permite obtener la corriente que sale de la batería: Corriente eléctrica - 23 Zavorotniy v 1.1 ©2009 Goodman & I1 = 8,3A La potencia suministrada por la batería puede ser obtenida de diferentes maneras, incluyendo: P = IV P = (8,3A)(24V) P = 200 W ____________________________________________________________________ Si bien este enfoque nos permite determinar la corriente total, la resistencia y el consumo de potencia del circuito, también nos permite saber lo que sucede en cada uno de los componentes individuales. ____________________________________________________________________ Ejemplo 12: ¿Cuál es la corriente, caída de voltaje y consumo de potencia de R 1 y R3 en el ejemplo 11? En primer lugar, analicemos R1, ya que es la resistencia más simple. El voltaje V1 puede ser visto directamente desde el diagrama original, R1, conectado en forma directa a la batería. Entonces, esa es la caída de voltaje en la resistencia. V1 = 24V Podemos determinar la corriente que pasa a través de ella utilizando la Ley de Ohm. Los demás elementos del circuito no afectan este resultado. Una vez que conocemos el voltaje en cada resistencia y su valor, podemos determinar la corriente que pasa a través de cada una. I1 = 4A Ahora que hemos determinado la corriente, la resistencia y el voltaje en R 1, podemos determinar el consumo de potencia de cualquiera de las siguientes tres formas: P1 = I1V1 P1 = (4A)(24V) P1 = 96W Corriente eléctrica - 24 Zavorotniy v 1.1 ©2009 Goodman & Ahora respondamos las preguntas acerca de R3. Esto requiere un poco más de trabajo, ya que R3 no está conectada en forma directa a la batería; una parte está conectada a la batería, pero la otra está conectada a R4. En lugar de volver al diagrama original, mejor observaremos el segundo diagrama y determinaremos la corriente que pasa a través de R34, ya que sabemos que será la misma corriente que pasa por R3; la corriente es la misma en todas las resistencias en la rama en serie de un circuito. En el segundo diagrama, R34 está conectada a la batería, por lo que el voltaje en ella es 24V; V34=24V. Adicionalmente, encontramos que R34 tiene una resistencia de 10 Ω; juntos, estos dos elementos nos ayudan a determinar I34, que es igual que I3. I34 = 2,4A I34 = 2,4A Una vez que tenemos la corriente en R 3 y que conocemos su resistencia, podemos utilizar la Ley de Ohm para determinar el voltaje a través de ella y luego cualquiera de las tres ecuaciones de potencia para determinar la potencia que utiliza. V3=I3R3 V3=(2,4A)(3Ω) Observa que, para determinar la corriente en la rama, necesitamos la resistencia total de la misma, R34, pero para determinar la caída de voltaje en R3, sólo utilizamos su resistencia. V3=7,2V Para verificar nuestro trabajo, podemos determinar fácilmente V 4. Si estamos en lo cierto, V3 + V4 = V. La corriente a través de R4 es la misma que la que atraviesa R3, pero su resistencia es 7Ω. V4=I4R4 V4=(2,4A)(7Ω) V4=16,8V Ya que 7,2V + 16,8V = 24V, esto confirma nuestro resultado anterior Finalmente, podemos determinar la potencia consumida por R3 utilizando cualquiera de las tres ecuaciones para determinar la potencia. Corriente eléctrica - 25 Zavorotniy v 1.1 ©2009 Goodman & Observa que utilizamos V3 y R3, no V34 ó R34. P3 = 17W Este enfoque puede ser utilizado para determinar información detallada de cualquier componente del circuito. Al analizar estos problemas, es importante mantener todos los diagramas intermedios y resultados legibles, ya que los utilizaremos de diferentes maneras, dependiendo de la pregunta por responder. Amperímetros y voltímetros Al analizar un circuito real, es necesario poder medir el voltaje en las diferentes partes del circuito, como así también la corriente que pasa a través de las diferentes ramas. Los voltajes se miden utilizando voltímetros; las corrientes se miden utilizando amperímetros. El voltaje sólo tiene significado si se mide la diferencia de voltaje entre dos puntos en el circuito. Sólo las diferencias de voltaje tienen significado físico. Para medir el voltaje, el circuito debe estar intacto y las sondas del voltímetro deben estar conectadas por cables a los dos puntos que se van a comparar. El voltímetro está siempre conectado en paralelo a la parte del circuito que se está midiendo. El voltímetro ideal tiene una resistencia muy alta; entonces, si bien es una rama adicional del circuito, pasa muy poca corriente a través de el. Sin embargo, no afecta al desempeño del circuito. Pero debido a que está en paralelo con la parte del circuito que se está analizando, el voltaje a través del voltímetro será idéntico a esa parte del circuito; las ramas en paralelo siempre tienen el mismo voltaje. La corriente se mide por medio del flujo de carga que pasa por un punto del circuito. Para poder medir eso, el amperímetro debe colocarse en serie dentro del circuito, en esa ubicación. Esto sucede porque, en una conexión en serie, la corriente que pasa a través de todos los componentes tiene el mismo valor. Al colocar el amperímetro en serie con esa parte del circuito, la lectura arrojará la misma corriente a medida que pasa a través de los demás componentes de esa rama. El amperímetro ideal tiene una resistencia muy baja. Al tener una resistencia baja, la inserción del amperímetro en el circuito no aumentará la resistencia de la rama ni cambiará la corriente que se está midiendo. Existe una diferencia clave en el proceso de conexión del voltímetro y del amperímetro en una parte del circuito. Debido a que el amperímetro está conectado en paralelo a los componentes existentes, dichos componentes no deben desconectarse para llevar a cabo la medición. Por otro lado, la única forma posible de colocar un amperímetro en serie dentro de un circuito es desconectando un componente del circuito y luego agregando el amperímetro como un componente en serie adicional. Corriente eléctrica - 26 Zavorotniy v 1.1 ©2009 Goodman & Fuerza electromotriz y voltaje terminal Cuando describimos la forma en que funciona una batería al comienzo de este capítulo, hicimos una simplificación que corregiremos ahora. Anteriormente, dijimos que una reacción química lleva la carga de la terminal negativa a la positiva, pero no hicimos foco en el hecho de que existe una resistencia asociada a dicho proceso también. Necesitamos pensar en la batería como una combinación de una fuente de voltaje y una resistencia. Hasta este momento, no tuvimos en cuenta dicha resistencia interna. En el siguiente diagrama, el rectángulo de puntos representa la batería; sus terminales aparecen como “+” y “-”. Esas son las terminales a las cual conectamos nuestros circuitos; son las únicas ubicaciones a las que tenemos acceso en una batería real. Sin embargo, podemos observar dentro de la batería para ver que consiste de dos partes: Una resistencia interna y una fuente de fuerza electromotriz. La fuerza electromotriz, o EFM, es el proceso por el cual se mueve una carga de un voltaje bajo a uno alto; en una batería, es el resultado de un proceso químico; en una celda solar, es el resultado de la interacción de la luz con el semiconductor; en un generador, es el resultado de la inducción electromagnética. La resistencia interna de la batería se indica mediante el símbolo de resistencia, y la etiqueta "r", y su fuerza electromotriz se indica por medio del símbolo de batería y la etiqueta “E”. Batería + E r - El voltaje terminal (VT) de la batería es el voltaje que se mide cuando el voltímetro está conectado entre las terminales. Hasta el momento, hemos asumido que el voltaje terminal de una batería es constante y que no depende del circuito al cual está conectado. Esto es correcto si la resistencia interna de la batería es cero. Sin embargo, si la resistencia interna no es cero, como es el caso de las baterías actuales, entonces el voltaje terminal variará dependiendo del circuito conectado a la batería. Esto puede verse al conectar la batería a un circuito cuya resistencia equivalente aparece dada por Req, como se muestra en el siguiente diagrama: Corriente eléctrica - 27 Zavorotniy v 1.1 ©2009 Goodman & Req E r - + Una vez que la corriente comienza a fluir en el circuito, habrá una caída de voltaje en la resistencia interna “r”. A partir de la Ley de Ohm, podemos ver que la caída de voltaje será igual a Ir. Cuando el voltímetro esté ubicado entre las terminales, arrojará la siguiente lectura: – Ir. VT = – Ir Analicemos dos casos extremos: El caso en que no hay ningún circuito externo conectado, y el caso en que las terminales están conectadas por un cable de cortocircuito: Un cable que, básicamente, no tiene resistencia. Si no hay un circuito externo conectado a la batería, entonces no hay una corriente que fluye; la caída de voltaje a través de la resistencia interna (Ir) será igual a cero. En ese caso, VT = ; la FEM se puede leer directamente desde las terminales. Este es el voltaje terminal máximo que se puede obtener, y ocurre cuando la corriente es igual a cero. Por otro lado, si las dos terminales están conectadas mediante un cable cuya resistencia es efectivamente cero, la única resistencia del circuito será la resistencia interna de la batería. En ese caso, la corriente a través de la batería estará determinada por ; ésta es la corriente máxima que puede proporcionar la batería, y el voltaje a través de las terminales será igual a cero. En casos intermedios entre estos dos extremos, puedes simplemente tratar la resistencia interna como una resistencia más del circuito. Eso te permitirá realizar predicciones acerca de la corriente, potencia, voltaje, etc. Esta aplicación práctica es más clara si se agrega el hecho de que las baterías tienen una carga limitada que se agota debido al aumento de su resistencia interna y no a la disminución de la FEM. Esto significa que, si verificas una batería de automóvil descargada, mientras no esté conectada al automóvil, casi siempre arrojará una lectura de voltaje equivalente al que tenía cuando se fabricó; la FEM de la reacción química que la conduce. Sin embargo, si tratas de arrancar el auto, su voltaje terminal caerá drásticamente y no funcionará. No es útil, pero si tratas de probarla sin conectarla primero a una resistencia externa, no podrás observar eso. Al verificar el funcionamiento de una batería de automóvil, ésta debe estar conectada a una resistencia externa. Corriente eléctrica - 28 Zavorotniy v 1.1 ©2009 Goodman & Ejemplo 13: Tienes una batería de 12 voltios con una resistencia interna de 0,5Ω, y una resistencia variable que puede ajustarse continuamente de 0 a 10Ω; determina el voltaje terminal de la batería y la corriente del circuito cuando la resistencia externa no está conectada a la batería, y cuando sí esta conectada y ajustada a 10Ω, 1Ω y 0Ω. Caso 1: Sin circuito externo El primer caso es el más simple. Si no está conectada la resistencia externa, no fluirá la corriente, y el voltaje terminal estará en su máximo valor, igual a la FEM de la batería. I=0 VT = – Ir VT = 12V – 0 VT=12V Caso 2: Resistencia externa conectada y ajustada en 10Ω En este caso intermedio, debemos determinar la resistencia total combinando las resistencias interna y externa. RT = Rext + Rint RT = 10Ω + 0.5Ω RT = 10,5Ω I = 1,14A VT = – Ir VT = 12V – (1,1A)(0,5Ω) VT = 12V – 0,55V VT = 11,4V Caso 3: Resistencia externa conectada y ajustada en 1Ω Una vez más, debemos determinar la resistencia total combinando las resistencias interna y externa. RT = Rext + Rint Corriente eléctrica - 29 Zavorotniy v 1.1 ©2009 Goodman & RT = 1Ω + 0,5Ω RT = 1,5Ω I = 8,0A VT = 8,0V Caso 4: Resistencia externa conectada y ajustada en 0 Ohms Este es el caso más simple. El voltaje será cero, ya que el cable está haciendo un cortocircuito las terminales que están juntas. La corriente estará en su valor máximo y se verá limitada únicamente por la resistencia interna de la batería, 0,5Ω. Observa que, a medida que el valor de la resistencia aplicada desde el exterior disminuye, la corriente aumenta a su valor máximo y el voltaje terminal disminuye desde su valor máximo a cero. Corriente eléctrica - 30 Zavorotniy v 1.1 ©2009 Goodman & Corriente eléctrica - 31 Zavorotniy v 1.1 ©2009 Goodman &