Republica Bolivariana de VenezuelaInstituto Universitario Politécnico ¨Santiago Mariño¨

Extensión PorlamarCircuitos Eléctricos

Capítulos I, II y III

Profesor: Realizado por:Ing. Julián Carneiro Tomas Marcano.

CI: 19.897.166

Porlamar, 06 de Junio de 2014

La ElectricidadEs el conjunto de fenómenos físicos relacionados con la presencia y flujo de

cargas eléctricas. Se manifiesta en una gran variedad de fenómenos como los rayos, laelectricidad estática, la inducción electromagnética o el flujo de corriente eléctrica.La electricidad es una forma de energía tan versátil que tiene un sinnúmero deaplicaciones, por ejemplo: transporte, climatización, iluminación y computación.

- Conceptos Básicos.

•Carga eléctrica: una propiedad de algunas partículas subatómicas, que determinasu interacción electromagnética..•Corriente eléctrica: un flujo o desplazamiento de partículas cargadaseléctricamente; se mide en amperios.•Campo eléctrico: un tipo de campo electromagnético producido por una cargaeléctrica incluso cuando no se está moviendo.•Potencial eléctrico: es la capacidad que tiene un campo eléctrico de realizartrabajo; se mide en voltios.•Magnetismo: La corriente eléctrica produce campos magnéticos, y los camposmagnéticos variables en el tiempo generan corriente eléctrica.

La electricidad se usa para generar:

•Luz mediante lámparas.•Calor, aprovechando el efecto Joule.•Movimiento, mediante motores que transforman la energía eléctrica en energíamecánica.•Señales mediante sistemas electrónicos, compuestos de circuitos eléctricos queincluyen componentes activos (tubos de vacío, transistores, diodos y circuitosintegrados) y componentes pasivos como resistores, inductores y condensadores.

Historia de la electricidad.

El fenómeno de la electricidad ha sido estudiado desde la antigüedad, perosu estudio científico sistemático no comenzó hasta los siglos XVII y XVIII. A finalesdel siglo XIX los ingenieros lograron aprovecharla para uso doméstico e industrial. Larápida expansión de la tecnología eléctrica la convirtió en la columna vertebral de lasociedad industrial moderna. Mucho tiempo antes de que existiera algúnconocimiento sobre la electricidad, la humanidad era consciente de las descargaseléctricas producidas por peces eléctricos. En textos del Antiguo Egipto que datan del2750 a. C. se referían a estos peces como “los tronadores del Nilo”, descritos como los“protectores” de los otros peces. Posteriormente, los peces eléctricos también fuerondescritos por los romanos, griegos, árabes naturalistas y físicos. Autores antiguoscomo Plinio el Viejo o Escribonio Largo, describieron el efecto de adormecimiento delas descargas eléctricas producidas por peces eléctricos y rayas eléctricas; además,sabían que estas descargas podían transmitirse por materias conductoras. Lospacientes que sufrían de enfermedades como la gota y el dolor de cabeza se tratabancon peces eléctricos con la esperanza de que la fuerte sacudida pudiera curarlos.Posiblemente el primer acercamiento al descubrimiento del rayo y su relación con laelectricidad, se atribuye a los árabes, que antes del siglo XV tenían la palabra árabepara rayo (raad) aplicado al rayo eléctrico.

Los desarrollos tecnológicos que produjeron la Primera RevoluciónIndustrial no hicieron uso de la electricidad. Su primera aplicación prácticageneralizada fue el telégrafo eléctrico de Samuel Morse (1833), que revolucionó lastelecomunicaciones. La generación de electricidad industrialmente comenzócuando, a fines del siglo XIX, se extendió la iluminación eléctrica de las calles y lascasas. La creciente sucesión de aplicaciones que esta forma de la energía produjohizo de la electricidad una de las principales fuerzas motrices de la SegundaRevolución Industrial. Este fue un tiempo de grandes inventores, como Gramme,Westinghouse, Von Siemens o Alexander Graham Bell. Entre ellos destacaronNikola Tesla y Thomas Alva Edison, cuya revolucionaria manera de entender larelación entre investigación y mercado capitalista convirtió la innovacióntecnológica en una actividad industrial.

Energía eléctrica.Se denomina energía eléctrica a la forma de energía que resulta de la

existencia de una diferencia de potencial entre dos puntos, lo que permite estableceruna corriente eléctrica entre ambos cuando se los pone en contacto por medio de unconductor eléctrico. La energía eléctrica puede transformarse en muchas otras formasde energía, tales como la energía lumínica o luz, la energía mecánica y la energíatérmica

Circuitos eléctricos.

Un circuito es una red eléctrica (interconexión de dos o más componentes,tales como resistencias, inductores, condensadores, fuentes, interruptores ysemiconductores) que contiene al menos una trayectoria cerrada. Los circuitos quecontienen solo fuentes, componentes lineales (resistores, condensadores, inductores)y elementos de distribución lineales (líneas de transmisión o cables) puedenanalizarse por métodos algebraicos para determinar su comportamiento en corrientedirecta o en corriente alterna. Un circuito que tiene componentes electrónicos esdenominado un circuito electrónico. Estas redes son generalmente no lineales yrequieren diseños y herramientas de análisis mucho más complejos.

Partes de un Circuito eléctrico.

•Componente: Un dispositivo con dos o más terminales en el que puede fluirinteriormente una carga.•Nodo: Punto de un circuito donde concurren más de dos conductores.•Rama: Conjunto de todas las ramas comprendidos entre dos nodos consecutivos.•Malla: Cualquier camino cerrado en un circuito eléctrico.•Fuente: Componente que se encarga de transformar algún tipo de energía en energíaeléctrica.•Conductor: Comúnmente llamado cable; es un hilo de resistencia despreciable(idealmente cero) que une los elementos para formar el circuito.

Los circuitos eléctricos se clasifican de la siguiente forma:

Regla divisora de tensiónUn divisor de tensión es una configuración de circuito eléctrico que reparte la

tensión de una fuente entre una o más impedancias conectadas en serie.Supóngase que se tiene una fuente de tensión conectada en serie con nimpedancias.Para conocer el voltaje en la impedancia genérica, se utiliza la ley de Ohm:

Sustituyendo la segunda ecuación en la primera se obtiene que el voltaje en laimpedancia genérica será:

Obsérvese que cuando se calcula la caída de voltaje en cada impedancia y serecorre la malla cerrada, el resultado final es cero, respetándose por tanto la segundaley de Kirchhoff.

Regla divisora de corriente.

Un divisor de corriente es una configuración presente en circuitoseléctricos que puede fragmentar la corriente eléctrica de una fuente entrediferentes impedancias conectadas en paralelo. El divisor de corriente es usadopara satisfacer la Ley de tensiones de Kirchhoff.

Supóngase que se tiene una fuente de corriente IC, conectada enparalelo con n impedancias. La polaridad negativa de la fuente IC - debe estarconectada al nodo de referencia. Las impedancias deben cerrar el circuito.El circuito dual del divisor de corriente es el divisor de tensión

Esquemático de un circuito eléctrico ilustrando divisor de corriente. RT. se refiere a la resistencia total del circuito a la derecha del resistor RX.

Circuito en serie.

Un circuito en serie es una configuración de conexión en la que los bornes oterminales de los dispositivos (generadores, resistencias, condensadores,interruptores, entre otros) se conectan secuencialmente. La terminal de salida de undispositivo se conecta a la terminal de entrada del dispositivo siguiente.Siguiendo un símil hidráulico, dos depósitos de agua se conectarán en serie si lasalida del primero se conecta a la entrada del segundo. Una batería eléctrica sueleestar formada por varias pilas eléctricas conectadas en serie, para alcanzar así elvoltaje que se precise.

Circuito en paralelo.

El circuito eléctrico en paralelo es una conexión donde los puertos deentrada de todos los dispositivos (generadores, resistencias, condensadores, etc.)conectados coincidan entre sí, lo mismo que sus terminales de salida.Siguiendo un símil hidráulico, dos tinacos de agua conectados en paralelo tendránuna entrada común que alimentará simultáneamente a ambos, así como una salidacomún que drenará a ambos a la vez. Las bombillas de iluminación de una casaforman un circuito en paralelo, gastando así menos energía.

Batería (pila - acumuladores).

La pila y batería son términos provenientes de los primeros tiempos de laelectricidad, en los que se juntaban varios elementos o celdas. La pila (por ejemplo,la estándar de 1,5 voltios o la recargable de 1,2) es una celda galvánica simple,mientras una batería consta de varias celdas conectadas en serie o paralelo.

El término acumulador se aplica indistintamente a uno u otro tipo, asícomo a los condensadores eléctricos o a otros métodos de acumulación, siendo deeste modo un término neutro capaz de englobar y describir a todos ellos.Las baterías se clasifican en dos grandes categorías:•Las celdas primarias: Transforman la energía química en energía eléctrica, demanera irreversible (dentro de los límites de la práctica). Cuando se agota lacantidad inicial de reactivos presentes en la pila, la energía no puede ser fácilmenterestaurada o devuelta a la celda electroquímica por medios eléctricos.•Las celdas secundarias: Pueden ser recargadas, es decir, que pueden revertir susreacciones químicas mediante el suministro de energía eléctrica a la celda, hasta elrestablecimiento de su composición original.

Fuentes dependientes.

Son fuentes dependientes aquellas cuya tensión o corriente esproporcional a la tensión o corriente por alguna rama del circuito.

A la constante de proporcionalidad se la llama genéricamente"ganancia".

Tipos de Fuentes dependientes.

•Fuente de tensión controlada por tensión.µ ≡ ganancia de tensión en cto. ab. (adimensional)

•Fuente de corriente controlada por corriente.β ≡ ganancia de corriente en cto. (adimensional)

•Fuente de tensión controlada por corriente.ρ ≡ resistencia de transferencia o transresistencia (Ω)

Donde:

•Fuente de corriente controlada por tensión.≡ transconductancia (Ω-1)

Donde:

Fuentes independientes.

Son los elementos que introducen energía en los circuitos. Tal aportación esel resultado de la transformación de otras formas energéticas. Por simplicidad, seempieza por el estudio de fuentes de energía continuas, entendiendo por tales lasque crean tensiones o corrientes constantes. Los dos modelos básicos empleados enel estudio de los circuitos eléctricos son: generadores de tensión y generadores decorriente. Cada uno de éstos se puede dividir en fuentes independientes odependientes y también en generadores reales o ideales.

Fuente de tensión.

Es aquel elemento del circuito que proporciona energía eléctrica con una determinada tensión v(t) que es independiente de la corriente que circula por él.

Fuente de corriente.

Es aquel elemento activo que proporciona energía con una determinada corriente(t) que es independiente de la tensión en bornes.