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ANALISIS DE CIRCUITOS
ELECTRICOS
Mg. Amancio R. Rojas Flores
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1.1 INTRODUCCION
Los fenómenos eléctricos en la Naturaleza son conocidos desde la antigüedad
TALES DE MILETO (624 - 543 A.C.)
Filósofo griego que descubrió que al frotar un trozo de ámbar, este
atraía objetos ligeros. Creía que la electricidad estaba en el objeto
frotado. De esta época procede el término electricidad, del griego
electrón, que significaba ámbar.
WILLIAM GILBERT (1544 - 1603)
Se le atribuye realmente el descubrimiento de la electricidad. hizo el
primer estudio científico sobre los fenómenos eléctricos. Usó el
término electricidad por primera vez para explicar la atracción que
ejercen algunas sustancias al ser frotadas.
OTTO VON GUERICKE (1602 - 1686)
Este físico alemán fue el primero en fabricar una máquina
electrostática capaz de producir una descarga eléctrica..
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BENJAMIN FRANKLIN (1706 - 1790)
Investigó los fenómenos eléctricos e inventó el pararrayos.
Describió la electricidad como un fluido que se encontraba en todas
las sustancias y las dividía en eléctricamente positivas o negativas,
según tuvieran exceso o defecto del fluido.
CHARLES AUGUSTIN DE COULOMB (1736 - 1806)
Físico e ingeniero francés que fue el primero en cuantificar y
medir la fuerza de atracción o repulsión electrostática mediante
la "Ley de Coulomb" . realizó estudios sobre el magnetismo. La
unidad de carga eléctrica se llama culombio en su honor
ALESSANDRO VOLTA (1745 - 1827)
Físico italiano fue el creador de la pila que lleva su nombre. Dedicó
la mayor parte de su vida al estudio de los fenómenos eléctricos.
La unidad de potencial eléctrico, el voltio, se llama así en su honor
MICHAEL FARADAY (1791 - 1867)
Físico y químico inglés. Descubrió la inducción electromagnética,
que permite la construcción de motores y generadores eléctricos, y
las leyes de la electrólisis (descomposición química de sustancias
mediante la electricidad). La unidad de capacidad eléctrica, el
faradio, se llama así en su honor.
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THOMAS ALVA EDISON (1847 - 1931)
Este norteamericano está considerado como el mayor inventor
de toda la historia de la humanidad. Entre otras muchas cosas
inventó: la bombilla, el telégrafo moderno, el fonógrafo, un
proyector de películas, un ferrocarril eléctrico, etc.
HEINRICH RUDOLF HERTZ (1857 - 1894)
Físico nacido en Alemania que estudió las ondas
electromagnéticas en las que se basan la radio y la televisión.
Demostró que la electricidad se propaga en forma de ondas
electromagnéticas que viajan a la velocidad de la luz. La unidad
de frecuencia, el hercio, se llama así en su honor.
GUILLERMO MARCONI (1874 - 1937)
Este italiano, ingeniero y físico, es conocido como el inventor del
telé grafo sin hilos, que daría lugar a la radio. Recibió el premio
Nobel de Física por la importancia de sus trabajos.
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Las dos teorías fundamentales en las que se apoyan todas las ramas de la
ingeniería eléctrica son las de circuitos eléctricos y la electromagnética.
Muchas ramas de la ingeniería eléctrica, como potencia, máquinas
eléctricas, control, electrónica, comunicaciones e instrumentación, se
basan en la teoría de circuitos eléctricos.
La teoría de circuitos también es valiosa para estudiantes que se
especializan en otras ramas de las ciencias físicas, porque los circuitos
son un buen modelo para el estudio de sistemas de energía en general
En ingeniería eléctrica, a menudo interesa comunicar o la transferir energía
a partir de un punto a otro. Para hacer esto se requiere un interconexión de
dispositivos eléctricos. Tal interconexión se conoce como un circuito
eléctrico, y cada componente del circuito se conoce como un elemento.
Un circuito eléctrico es una interconexión de elementos eléctricos
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Circuito eléctrico de un radio trasmisor
Circuito eléctrico simple
1.2- SISTEMA DE UNIDADES
Algunas unidades básicas SI
Algunas unidades derivadas SI
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1.3.-CARGA Y CORRIENTE
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Carga es una propiedad eléctrica de los partículas atómicas de las
que se compone la materia, medida en coulombs ( C )
El Coulomb es definido como la carga llevada por 6.242 x1018 electrones
Si 6.242 x1018 electrones pasan a través de un alambre, podemos decir que la carga que
pasa a través del alambre es 1C
LEY DE COULOMB
Movimiento al azar de electrones libres en un conductor
conductores, Aisladores, y Semiconductores
Según la estructura de la materia los materiales pueden ser clasificados
como conductores aisladores y semiconductores
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Corriente eléctrica Es la velocidad de cambio de la carga respecto al
tiempo, medida en amperes
Por convención se considera al flujo de corriente como el movimiento de
cargas positivas (Benjamín Franklin 1706-1790)
dt
dqi
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La carga transferida entre el tiempo t0 y t se obtiene integrando ambos miembros de
la ecuación i=dq/dt
0t
tidtq
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André-Marie Ampère (1775-1836), matemático y físico francés, sentó las
bases de la electrodinámica. Definió la corriente eléctrica y desarrolló una
manera de medirla en la década de 1820.
Matemáticamente, la relación entre la corriente i, la carga q y el tiempo t es
Donde: la corriente se mide en amperes (A); 1 ampere = 1 coulomb/segundo
La carga transferida entre el tiempo t0 y t se obtiene integrando ambos
miembros de la ecuación (1.1). Se obtiene
(1.1).
(1.2).
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Existen varios tipos de corriente; es decir, la carga puede variar con el tiempo
de diversas maneras.
Una corriente directa (cd) es una
corriente que permanece constante en
el tiempo.
Una corriente alterna (ca) es una
corriente que varía senoidalmente con
el tiempo.
Dirección de corriente
Dirección convencional de corriente
Dirección del flujo de electrones
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15 15
Cuando las cargas son separadas
de un cuerpo y transferido a otro,
una diferencia de potencial o
voltaje resulta entre ellos
La tensión vab entre dos puntos a y b en un circuito
eléctrico es la energía (o trabajo) necesaria para mover
una carga unitaria desde a hasta b
dq
dwvab
coulombmetroNewtonCoulombjoulevolt /1/11
Tensión (o diferencia de potencial) es la energía requerida para
mover una carga a través de un elemento, medido en volts
1.4 TENSIÓN
(1.3)
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Alessandro Antonio Volta (1745-1827), físico italiano, inventó
la batería eléctrica, la cual brindó el primer flujo continuo de
electricidad, y el capacitor.
Su invención de la batería en 1796 revolucionó el uso de la
electricidad. La publicación de su obra en 1800 marcó el inicio
de la teoría de los circuitos eléctricos.
Dos representaciones equivalentes de la misma tensión vab:
a) el punto a tiene 9 V más que el punto b,
b) el punto b tiene 9 V más que el punto a.
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1.5 POTENCIA Y ENERGÍA
Aunque corriente y tensión son las dos variables básicas en un circuito
eléctrico, no son suficientes por sí mismas.
Para efectos prácticos, se necesita saber cuánta potencia puede manejar
un dispositivo eléctrico.
Para relacionar potencia y energía con tensión y corriente, recuérdese de la
física que
Potencia es la variación respecto del tiempo de entrega o
absorción de la energía, medida en watts (W).
Esta relación se escribe como
(1.5)
Donde. p es la potencia, en watts (W);
w es la energía, en joules (J), y
t es el tiempo, en segundos (s).
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De las ecuaciones (1.1), (1.3) y (1.5) se desprende que:
(1.6)
(1.7) Potencia instantánea
Potencia absorbida por un elemento Potencia entregada por un elemento
Potencia absorbida o entregada por un elemento
vip vip
19 19
La convención pasiva de signos se satisface cuando la corriente entra
por la terminal positiva de un elemento y p = +VI . Si la corriente entra por
la terminal negativa , p = - VI
Fig. Polaridades de referencia para la potencia con el uso de la convención pasiva
del signo: a) absorción de potencia, b) suministro de potencia
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La ley de la conservación de la energía debe cumplirse en cualquier circuito
eléctrico. Por esta razón, la suma algebraica de la potencia en un circuito, en
cualquier instante, debe ser cero:
(1.8)
A partir de la ecuación (1.6), la energía absorbida o suministrada por un
elemento del tiempo t0 al tiempo t es
(1.9)
Energía es la capacidad para realizar trabajo, medida en joules (J).
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POTENCIA
Potencia en sistemas eléctricos
Dado que nuestro interés es la potencia eléctrica, necesitamos
expresiones para P en términos de cantidades eléctricas. Recordando
que voltaje es definido como trabajo por unidad de carga y corriente es la
razón de transferencia de carga.
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RESISTENCIA
La resistencia de un material depende de varios factores
El tipo de material
La longitud del conductor
El área de la sección transversal
La temperatura
: resistividad en ohm-metros (-m)
l: longitud en metros (m)
A : área de la sección transversal, (m2).
Donde:
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Resistividad () de materiales comunes
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Efectos de la temperatura
En el caso de la mayoría de los conductores, la resistencia se incremente al
elevarse la temperatura, debido al mayor movimiento molecular en el interior
del conductor, que obstaculiza el flujo de la carga. La resistencia se incrementa
casi en forma lineal al elevarse la temperatura.
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La temperatura de Intercepta y Coeficientes para Materiales Comunes
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Tipos de resistores
Resistores fijos
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Resistores de potencia
Resistores integrados
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Resistores variables
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Código de
colores para
resistores
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DIAGRAMAS DE UN CIRCUITO
DIAGRAMA DE BLOQUES.- describe un circuito o un sistema en forma
simplificada .
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DIAGRAMA PICTORICO.- Son un tipo de diagrama que provee detalles
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DIAGRAMA ESQUEMATICO.- Se usan símbolos estándar para representar
los componentes.
a) Esquema usando el símbolo lámpara
b) Esquema usando el símbolo resistencia
Circuito eléctrico Circuito eléctrico o una red eléctrica es una
interconexión de elementos eléctricos unidos entre si
en una trayectoria cerrada de forma que pueda fluir
continuamente una corriente eléctrica
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Elementos de circuitos
Hay dos tipos de elementos de los circuitos eléctricos: elementos pasivos
y elementos activos. Un elemento activo es capaz de generar energía,
mientras que un elemento pasivo no.
Elementos pasivos:
Resistencias, capacitores y inductores
Elementos activos:
Generadores, baterías y amplificadores operacionales
Los elementos activos mas importantes son las fuentes de tensión o de
corriente, que generalmente suministran potencia al circuito conectado a
ellas
Hay dos tipos de fuentes: independientes y dependientes
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Una fuente independiente ideal es un
elemento activo que suministra una tensión
o corriente especificada y que es
totalmente independiente de los elementos
del circuito
Una fuente dependiente ideal (o controlada)
es un elemento activo en el que la
magnitud de la fuente se controla por medio
de otra tensión o corriente
Existen cuatro posibles tipos de fuentes dependiente, a saber.
1. Fuente de tensión controlada por tensión (FTCT)
2. Fuente de tensión controlada por corriente (FTCC)
3. Fuente de corriente controlada por tensión (FCCT)
4. Fuente de corriente controlada por corriente (FCCC)
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Calcule la potencia suministrada o absorbida por cada elemento de la figura
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