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FEM y Circuitos de corriente directa, CD tomado de Ohanian/Markert, 2009
Los circuitos eléctricos instalados en automóviles, casas,
fábricas conducen uno de los dos tipos de corriente:
Corriente directa (CD) o Corriente alterna (CA)
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La corriente alterna invierte periódicamente su dirección de flujo por el conductor: la corriente alterna oscila en forma sinusoidal en la dirección positiva y la dirección negativa.
La corriente directa fluye
constantemente por los
conductores del circuito,
permanece constante,
excepto cuando se
conecta o desconecta.
Ejs. Acumulador de
automóvil, baterías.
Para mantener fluyendo la
corriente en los conductores del
circuito se deben conectar las
terminales a una “bomba de
electricidad”: que suministra
continuamente cargas eléctricas
introduciéndolas por un extremo
y sacándolas por el otro.
Ejs. generador de central
eléctrica.
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Fuerza electromotriz, FEM
La energía potencial U de una carga (positiva) es alta, cuanto está en la terminal positiva P de la batería.
La energía potencial U decrece en forma gradual a medida que la carga recorre el alambre hacia la terminal negativa P’.
Después, la energía potencial vuelve a aumentar a medida que la carga atraviesa la batería (línea interrumpida) de P’ a P
Un alambre resistivo conectado
a las terminales de una batería.
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Gráfica del potencial
eléctrico, o energía
potencial por coulomb de
carga, en función de la
posición a lo largo del
conductor, para el circuito
batería – alambre.
Fuerza electromotriz, FEM
Unidades: energía/ carga [=] J/C = volt
A la FEM también se le llama voltaje o tensión de la fuente.
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Ejemplos de Fuentes de FEM
Acumulador
plomo-ácido
Un acumulador
de automóvil
Pila seca alcalina Celda de
combustible
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Circuitos
En un circuito, la energía que recibe la carga de la fuente
de FEM debe ser exactamente igual a la energía que
pierde en el interior del alambre (conservación de energía).
Balance de energía:
+ V = 0
+ (V2 – V1) = 0
NOTE: es positiva y V es negativa.
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Una linterna de mano contiene un
foco conectado en serie con
dos baterías
Diagrama eléctrico: cada una de
las baterías se representa por
una pila de líneas paralelas,
cortas y largas, con signos
más y menos
Circuitos de una malla
Resistencia interna de la batería: el
electrolito presenta algo de resistencia
que hace que la corriente tenga una
caída de voltaje aun antes de salir por
las terminales externas.
La resistencia interna R, está en
serie con la fem nominal (indicada
en la batería, en ausencia de
corriente)
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Regla de voltaje de Kirchhoff
Partiendo de la Ley de Ohm: V = - I R
E incorporando éste resultado al balance de energía
(Conservación de la energía):
- I R = 0 Regla de voltaje de Kirchhoff
“cuando se recorre cualquier malla cerrada en un circuito, la suma de
todas las FEM y todos los cambios de potencial a través de resistores y demás elementos del circuito debe ser igual a cero”.
Lo anterior nos es útil para encontrar el valor de la o las corrientes presentes en un circuito.
Por lo tanto: I = / R
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Elección de una
trayectoria de paso de
la corriente para
aplicar la regla de
voltaje de Kirchhoff
Ejemplo: circuitos de una malla
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Resolución del ejemplo 3 Circuito con dos baterías y dos resistores. 1 = 12.0 V y 2 = 15.0 V; R1 = 4.0 y R2 = 2.0 . ¿Cuál es la corriente en el circuito?
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Regla de corriente de Kirchhoff (Conservación de la
energía): “La corriente total que entra a un nodo es
igual a la corriente que sale del nodo”
Circuitos con varias mallas
La corriente I pasa a través de
trayectorias alternativas en
bifurcaciones o nodos
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Ejemplo: circuito con varias mallas
El mismo circuito con sus cinco
corrientes separadas. También se
identifican tres nodos (A, B y C)
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Ejemplo: circuito con varias mallas
Tres mallas (1, 2 y 3) identificadas
* Aplicar las reglas de voltaje y
corriente de Kirchhoff
hasta obtener suficientes
ecuaciones para encontrar
las incógnitas.
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Convenciones de signo
© 2010 by the McGraw-Hill Companies, Inc
Cuando se atraviesa una fuente de FEM en la dirección
de avance (de terminal – a terminal +), el voltaje es
positivo; en dirección inversa (de terminal + a terminal -), el
voltaje es negativo.
Al atravesar un resistor R en la dirección de la corriente I se
se produce una caída de voltaje (negativo - IR ); al hacerlo en
dirección contraria a la de la corriente I se produce un aumento
de voltaje (positivo +IR )
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Resolución de ejemplo 4 En el circuito mostrado, las fem son 1 = 12.0 V y 2 = 8.0 V; R1 = 4.0 , R2 = 4.0 y R3 = 2.0 . Calcular la corriente en cada resistor
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Tarea propuesta para que Ud. practique: Ahora intente resolver el mismo problema pero utilizando una de las siguientes opciones:
1) Que la fuente de FEM 2 esté invertida
2) Que una de las mallas sea el circuito completo, y la otra trayectoria sea la 1 ó la 2,
(anteriormente propuestas) con lo que obtendrá un nuevo sistema de ecuaciones
linealmente independientes.
Compare el resultado con el del problema resuelto y analice.
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Energía en circuitos; calor de Joule
Potencia entregada
por la fem
Potencia disipada por
un resistor
Calentamiento Joule
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Resumen de las
relaciones entre
corrientes, resistencia,
diferencia de potencial y
potencia
Energía en circuitos; calor de Joule
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Algunos
electrodomésticos
basados en el
calentamiento de Joule:
a) Tostador
b) Plancha
c) Foco incandescente
Energía en circuitos; calor de Joule
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Ejemplos: Energía en circuitos; calor de Joule
1) Un calentador eléctrico
tiene dos posiciones: alto y
bajo, controladas por un
selector.
Cuando se pone en bajo, se
conectan en serie dos
resistores eléctricos iguales y
se emiten 275 watts; cuando
se pone en alto, los dos
resistores se conectan en
paralelo.
¿Cuál es la potencia
entregada entonces?
2) Un tostador eléctrico usa
1200 W a 115 V.
¿Cuánta corriente pasa por
el tostador?
¿Cuál es la resistencia de
sus elementos calentadores?
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Un circuito RC está
formado por un
resistor y un capacitor
conectados en serie a
una batería
El circuito RC: resistor - capacitor
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Circuito RC a la carga
Corriente en un circuito RC
Tiempo característico
(constante de tiempo RC)
Circuito RC
El circuito RC
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a) Carga en el capacitor del circuito RC en función del tiempo
b) Corriente en el circuito RC en función del tiempo
El circuito RC
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Un circuito RC donde el
capacitor se descarga a
través del resistor. La
flecha indica la dirección
de la corriente
El circuito RC
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Circuito RC de descarga
El circuito RC
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a) Carga en un capacitor que se está descargando en función
del tiempo
b) Corriente en circuito RC de descarga, en función del tiempo
El circuito RC
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Un circuito RC
convertible
El circuito RC
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Problemas adicionales SERIE 2
16) Para el circuito que se muestra a continuación, escriba
todas las ecuaciones necesarias (linealmente
independientes), de acuerdo a las Reglas de Kirchhoff que permitan conocer las corrientes I1 a I5. Escriba cómo quedarían
las expresiones algebraicas para conocer el valor de cada corriente y en
qué secuencia las resolvería.
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Problemas adicionales SERIE 2
17) Charging a capacitor in an RC Circuit
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Los riesgos de las corrientes eléctricas
Una persona cierra un
circuito eléctrico. La
corriente entra por la
mano y sale por los
pies
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Dos multímetros que se
pueden usar como
amperímetro o como
voltímetro. Se usan los
contactos para
seleccionar la función y
la escala de medición
Mediciones eléctricas
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a) Un circuito eléctrico
b) Conexión correcta del amperímetro. El símbolo del amperímetro es un círculo con una A y dos terminales la corriente a medir entra por una de sus terminales y sale por la otra
c) Conexión incorrecta del amperímetro
Mediciones eléctricas
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a) Conexión correcta del
voltímetro. El símbolo del
voltímetro es un círculo
con una letra V, con dos
terminales. Una terminal
se conecta con el punto P
y la otra con el punto P’
b) Conexión incorrecta del
voltímetro
Mediciones eléctricas
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Esquema de un puente
de Wheatstone
Mediciones eléctricas
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Repaso de resistores: Una corriente de 1.8 A pasa por la combinación de resistores y alambres resistivos que se muestra. ¿Cuál es la diferencia de potencial a través de toda la combinación? ¿Cuál es la corriente en cada resistor?
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Ejemplo de varios electrodomésticos conectados a un contacto
a) Tres electrodomésticos conectados al mismo contacto
b) Diagrama eléctrico que muestra cómo están conectadas las resistencias
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Resolución: