Circuitos iIIIeros captulos

Realizado por:Reyes Gustavo C.I. 24.438.109ING IndustrialCircuitos I seccin: 4A

Anlisis critico

Ya en el siglo VI antes de Cristo, el griego Tales de Mileto observ que, si frotaba un trozo de mbar, ste atraa trocitos de paja. Todos nosotros debemos haber hecho un experimento muy sencillo y parecido: frotando un bolgrafo con la ropa, ste atrae pequeos trozos de papel. Se trata de un fenmeno de atraccin elctrica. Tales tambin conocan los fenmenos magnticos. Saba que haba un cierto tipo de material -la magnetita- que atraa el hierro. Sin embargo, tuvo que pasar mucho tiempo, un siglo, en el 1660, hasta que estos fenmenos comenzaran a estudiarse seriamente. William Gilbert, propuso el nombre electricidad, que deriva del griego elektro, que significa mbar. Despus de Gilbert, el fsico alemn Otto Von Guericke invent, en el ao 1672, la primera mquina para producir una carga elctrica. Estaba formada por una esfera de azufre movida por una manivela, sobre la que se induca una carga cuando se apoyaba la mano sobre ella. Stephen Gray un fsico ingls, estudi principalmente la conductibilidad de los cuerpos y, despus de muchos experimentos, fue el primero en transmitir electricidad a travs de un conductor.

En sus experimentos tambin descubrieron que para que la electricidad, pudiera circular por el conductor, ste tena que estar aislado de tierra. Posteriormente se dedic tambin al estudio de otras formas de transmisin de la electricidad. El cientfico francs Charles Franois de Cisternay Du Fay fue el primero en distinguir claramente los dos tipos diferentes de carga elctrica: positiva y negativa. Dos trozos de mbar se repelan entre s. En el siglo XVII, la electricidad ya mereci la atencin de muchos investigadores. De aquella poca proviene la llamada botella de Leiden, que se invent en la ciudad holandesa de ese nombre en 1745. Estaba formada por una botella de vidrio recubierta por dos lminas de papel de estao, una en el interior y otra en el exterior. Si se cargaba una de las lminas con una mquina electrosttica, se produca una descarga violenta si se tocaban ambas lminas a la vez.

De la botella de Leiden derivan los condensadores, que permiten guardar ingentes cantidades de electricidad. Algunos cientficos llegaron a pensar que los movimientos de los planetas se deban a atracciones y repulsiones elctricas, pero Newton mostr que en realidad la responsable era la fuerza gravitatoria la atraccin entre los cuerpos. Benjamn Franklin dedic mucho tiempo a la investigacin de la electricidad, investig los fenmenos elctricos e invent el pararrayos en 1752. Su famoso experimento con una cometa o papalote demostr que la electricidad atmosfrica que provoca los fenmenos del relmpago y el trueno es de la misma naturaleza. El qumico britnico Joseph Priestley alrededor de 1766. Tambin demostr que una carga elctrica se distribuye uniformemente sobre la superficie de una esfera metlica hueca, y que en el interior de una esfera as no existen cargas ni campos elctricos. Charles de Coulomb invent una balanza de torsin para medir con precisin la fuerza que se ejerce entre las cargas elctricas. Con ese aparato confirm las observaciones de Priestley y demostr que la fuerza entre dos cargas tambin es proporcional al producto de las cargas individuales.

En los siglos XVIII y XIX se produjeron varios descubrimientos que posibilitaran, ms adelante, el uso de la electricidad. As, a finales del siglo XVIII, un anatomista italiano llamado Luigi Galvani estaba observando la contraccin de dos msculos de una rana muerta cuando eran tocados por dos hilos uno de hierro y otro de cobre que estaban en contacto entre ellos. Y Alessandro G. Volta interpreto correctamente el fenmeno descubierto por Luigi Galvani: que se crea una corriente elctrica siempre que tomamos un hilo formado por dos metales diferentes y lo ponemos en una solucin salina. El msculo hace de solucin salina y la corriente elctrica lo contrae. En honor a su amigo Luigi, Volta llamo a este fenmeno galvanismo. Este descubrimiento permiti a Volta inventar la pila que lleva su nombre. Consista en un gran nmero de discos de cobre y de hierro o zinc, alternados y separados por trozos de ropa mojados en una solucin salina. Todos los discos se amontonan o apilan de aqu el nombre de pila y entonces tenemos una batera, que crea corriente elctrica. Tambin obtuvo por primera vez en la historia una corriente continua y suficientemente estable. Ya no se dependa de la esttica. Con la pila de Volta, los cientficos ya tenan una fuente de electricidad para sus experimentos. La casualidad hizo que se produjeran otros avances.

En 1836, la pila fue mejorada por el britnico John Daniell, quien logr mayor estabilidad y duracin. Antes de esto, en 1819, el dans Hans Christian Oersted haca pruebas con un circuito elctrico generado por una pila. Para su sorpresa, observ que la aguja de una brjula que tena cerca del circuito se mova. Como la brjula se basta de una aguja magnetizada, este movimiento deba indicar que electricidad y magnetismo estaban relacionados. A finales de 1820, Oersted explicaba en una revista cientfica sus trabajos. Haba nacido el electromagnetismo. Ya no se poda hablar de dos fenmenos independientes, sino de dos manifestaciones diferentes del mismo fenmeno. La explicacin del descubrimiento de Oersted es que una corriente elctrica crea un campo magntico, es decir, un espacio a su alrededor donde se observan los fenmenos magnticos.

Alrededor de 1840, James Prescott Joule y el cientfico alemn Hermann von Helmholtz demostraron que los circuitos elctricos cumplen la ley de conservacin de la energa, y que la electricidad es una forma de energa. Siguiendo el descubrimiento de Oersted, Andr-Mari Ampre demostr que un solenoide cable enrollado en forme de resorte aumentaba considerablemente el campo magntico generado, en proporcin directa con la cantidad de vueltas que se le diera al cable. Esta idea de campo magntico se debe al cientfico ingls Michel Faraday (1791-1867) Vale la pena explicar unas cuantas cosas sobre Faraday. Hijo de una familia muy pobre y numerosa, tuvo que dejar los estudios y trabaj como encuadernador. Este trabajo le permita leer los libros cientficos que la gente traa a encuadernar. En una ocasin fue a unas conferencias del qumico Humphry Davy. Faraday tom nota de las conferencias y luego las encuaderno para regalrselas a Davy. ste quedo tan impresionado que contrat a Faraday como ayudante. A partir de entonces las cualidades de Faraday le llevaron a ser uno de los cientficos ms importantes de la historia. En cuestin, Faraday haba desarrollado el transformador y el generador elctrico e haba inventado el motor elctrico.

En 1823, William Sturgeon, aprovechando el efecto de los solenoides, invent el electroimn. El primero de ellos pudo levantar un peso de 4 Kg. En 1827, Georg Simon Ohm defini la resistencia elctrica y propuso la ley que lleva su nombre: Ley de Ohm. Heinrich Friederich Lenz, fsico estonio, es conocido principalmente por formular la ley de la oposicin de las corrientes inducidas que lleva su nombre, y que enuncio en 1833. Ley de Lenz: El sentido de las corrientes o fuerza electromotriz inducida es tal que se opone siempre a la causa que la produce, o sea, a la variacin del flujo. Realizo tambin importantes investigaciones sobre la conductividad de los cuerpos, en relacin con su temperatura, lo que luego fue ampliado y desarrollado por James Prescott Joule, por lo que pasara a llamarse "Ley de Joule". Samuel Finley Breese Morse, es principalmente conocido por la invencin del telgrafo elctrico y del cdigo que lleva su nombre: Enterado por aquella poca de los descubrimientos del francs Andr Marie Ampere sobre la corriente elctrica y el magnetismo, comenz a interesarse por los experimentos qumicos y elctricos, dedicndose durante varios aos a la puesta a punto del telgrafo, efectuando en 1837 y con gran xito las primeras pruebas. Tambin invent un alfabeto, que representa las letras y nmeros por una serie de puntos y rayas, (conocido actualmente como cdigo Morse) para poder utilizar su telgrafo. Len Foucault, fsico francs, se dedic al estudio del electromagnetismo y demostr la existencia de corrientes inducidas, parsitas, en los ncleos de circuitos magnticos. Charles Wheatstone, fsico e inventor ingls, especialmente conocido por ser el primero en aplicar, en 1844, el circuito elctrico que lleva su nombre (puente de Wheatstone), para medir resistencias elctricas. Gustav Robert Kirchhoff, formul las dos leyes sobre la distribucin de corrientes y tensiones en un circuito. En 1883, Nikola Tesla desarrolla un motor que poda funcionar con corriente alterna y ya no con continua. Thomas Alva Edison se opona al uso de esa corriente, pero sus esfuerzos fueron vanos.

Aos despus, George Westinghouse, compr a Nicola Tesla su patente para la produccin y transporte de corriente alterna, que impuls y desarroll dedic sus investigaciones a la corriente alterna. Posteriormente perfeccion el transformador, desarroll un alternador y adapt el motor de corriente alterna inventado por Nicola Tesla para su utilizacin prctica. Alexander Graham Bell. Debe su fama al invento del primer telfono realmente utilizable y a sus estudios sobre los efectos de la sordera. Desde los 18 aos, Bell haba trabajado sobre la idea de la transmisin del habla, y en 1876 patento el telfono. Una contribucin importante es la John Hopkinson, al desarrollo de la electricidad, fue el descubrimiento del sistema trifsico para la generacin y distribucin de la corriente elctrica, sistema que patent en 1882. Tambin se dedic al estudio de los sistemas de iluminacin, mejorando su eficiencia, as como al estudio de los condensadores y los fenmenos de carga residual. Por ltimo diremos que profundiz en los problemas de la teora electromagntica, propuestos por James Clerk Maxwell, y en 1883 dio a conocer el principio de los motores sncronos. Mientras que el fsico holands Heike Kamerlingh Oanes, se dedic principalmente al estudio de la fsica a bajas temperaturas, realizando importantes descubrimientos en el campo de la superconductividad elctrica. Tambin de dedic al estudio de la produccin y de los efectos de temperaturas extremadamente bajas, principalmente sobre gases y metales, consiguiendo la licuefaccin del helio por primera vez en 1908. Por todos sus trabajos recibi el premio Novel de Fsica

En 1913 Hendrik Antoon Lorentz entre sus numerosos trabajos destaca el desarrollo matemtico de la teora de Maxwell, sobre la propagacin de las ondas electromagnticas. Tambin desarroll la teora electromagntica de la luz y la teora electrnica de la materia, que forma parte de toda teora elctrica moderna. Junto con el fsico irlands George Francis Fitzgerald, formul una teora sobre la contraccin longitudinal de un cuerpo como resultado de su movimiento. Este efecto, conocido como la contraccin de Lorentz-Fitzgerald, predice ya la teora de la relatividad, que se deduce de las ecuaciones que llevan este nombre. En 1902, debido a su explicacin del fenmeno conocido como el efecto Zeeman- Lorentz comparti el Premio Nbel de Fsica con su colega holands Pieter Zeeman. Los estudios y experimentos sobre las propiedades elctricas de los gases y la conduccin elctrica a travs de los mismos se deben al fsico britnico Joseph John, tambin se le considera el descubridor del electrn. El descubrimiento del electrn lo realiz al comprobar que los rayos catdicos estaban formados por partculas cargadas negativamente (llamadas actualmente electrones), determinando posteriormente la relacin entre su carga y su masa.

Michael Idvorsky Pupin. Entre sus numerosos inventos destacan: la pantalla fluorescente que facilitaba la exploracin y registro de las imgenes radiolgicas obtenidas con los rayos X, y sobre todo, perfeccion la telefona a grandes distancias, al introducir bobinas de autoinduccin, dando lugar a la mejora de la transmisin en la gama de frecuencias audibles en las lneas de transmisin telefnica. Estas bobinas reciben en su honor el nombre de bobinas de Pupin y el mtodo tambin se denomina pupinizacin. Las investigaciones sobre la corriente alterna y el desarrollo del sistema trifsico de corrientes alternas es por el ingeniero e inventor de origen alemn Charles Proteus Steinmetz, cuyo nombre originario era Karl August Rudolf Steinmetz, tambin invento la lmpara de arco, con electrodo metlico. Sus trabajos contribuyeron en gran medida al impulso y utilizacin de la electricidad como fuente de energa en la industria. Robert Andrews Millikan. Este fsico y qumico estadounidense, es conocido principalmente por sus trabajos dentro de la fsica atmica y por haber descubierto, cuantitativamente, la carga del electrn. Los experimentos que le permitieron demostrar y medir la unidad elemental de carga (la que posee el electrn), comprobando que la carga elctrica solamente puede existir como mltiplo de esa carga elemental, se conocen hoy en da con el nombre de experimento de Millikan o de la gota de aceite. Entre sus otras aportaciones a la ciencia destacan su importante investigacin sobre los rayos csmicos, como l los denomin, y sobre los rayos X, as como la determinacin experimental de la constante de Planck. Desde muy joven, se dice que desde los 14 aos, Uglielmo Marconi ya se interes por la telegrafa sin hilos, y profundizando en las teoras de Hertz, hacia 1895 haba ya inventado un aparato con el que consigui enviar seales a varios kilmetros de distancia mediante una antena direccional. Este ingeniero y fsico italiano, es conocido, principalmente, como el inventor del primer sistema prctico de seales telegrficas sin hilos, que dio origen a la radio actual. Las marinas italiana y britnica pronto adoptaron su sistema y hacia 1907 haba alcanzado tal perfeccionamiento que se estableci un servicio trasatlntico de telegrafa sin hilos para uso pblico.

En 1909 Marconi recibi, junto con el fsico alemn Karl Ferdinad Braun, el Premio Nbel de Fsica por su trabajo. Las mayores aportaciones que tienen que ver con el desarrollo de las comunicaciones por radio, lo realiza el ingeniero estadounidense Edwin Howard Armstrong, al desarrollar una serie de circuitos y sistemas fundamentales para el avance de este sistema de comunicaciones. Ya en 1912, desarrollo el circuito regenerador, que permita la amplificacin de las dbiles seales de radio sin apenas distorsin, mejorando grandemente la eficacia de los circuitos empleados hasta el momento.

En 1918 desarrollo el circuito superheterodino, que dio un gran impulso a los receptores de amplitud modulada (AM). En 1920 desarrollo el circuito super-regenerador, muy importante en las comunicaciones con dos canales. En los aos 1930 desarroll el sistema de radiodifusin de frecuencia modulada (FM), que adems de mejorar la calidad de sonido aport, a las emisiones de radio, una mayor inmunidad frente a las interferencias externas, que el que soporta el sistema de amplitud modulada (AM). Este sistema de frecuencia modulada (FM) que hoy en da es el ms empleado en todo tipo de comunicaciones, tanto de radio como de televisin, no se empez a emplear comercialmente hasta despus de su muerte.

Alter Houser Brattain. Este fsico estadounidense, conjuntamente con los tambin fsicos estadounidenses William Shockley y John Bardeen inventaron un pequeo dispositivo electrnico llamado transistor, un diminuto aparato electrnico capaz de realizar la mayora de las funciones de los tubos de vaco, que se empleaban en los aparatos electrnicos de aquellos tiempos. Este importante descubrimiento se anunci por primera vez en 1948 pero no se termin de fabricar hasta 1952. Este importante invento ha contribuido, como ningn otro, al gran desarrollo actual de la electrnica y la informtica moderna, emplendose comercialmente en todo tipo de aparatos electrnicos, tanto domsticos como industriales. Por su trabajo con los semiconductores y por el descubrimiento del transistor, Walter Houser Brattain comparti con Shockley y Bardeen

En 1956 el Premio Nbel de Fsica John Bardeen Este fsico estadounidense, fue el primer cientfico que obtuvo dos veces el premio Nobel de Fsica y es conocido principalmente por el descubrimiento compartido del transistor. En 1951 se incorpor a la Universidad de Illinois, como profesor de fsica y electricidad. Fue miembro del centro de estudios avanzados de esta universidad y miembro del comit asesor de ciencia del presidente de EEUU. Desarroll una teora que explicaba la superconductividad, es decir, la desaparicin de la resistencia elctrica en ciertos metales y aleaciones a temperaturas cercanas al cero absoluto. Por estos trabajos comparti nuevamente, en 1972,

El Premio Nbel de Fsica con los fsicos estadounidenses Leon N. Cooper y John R. Schrieffer,por lo que l fue el primer cientfico que gan dos premios Nbel en la misma disciplina. Illian Bradford Shockley Este fsico estadounidense, es conocido principalmente por el descubrimiento compartido del transistor. Desde 1936 se dedic principalmente al estudio del ferromagnetismo, los semiconductores y la teora del estado slido. Sus investigaciones sobre los semiconductores le llevaron al desarrollo compartido del transistor en 1948, y por esta investigacin comparti en 1956 el Premio Nbel de Fsica con sus asociados John Bardeen y Walter H. Brattain. El uso de la electricidad no solo es un proceso tcnico sino que tambin es un cambio social, partiendo desde el alumbrado, hasta el uso de la electricidad para el funcionamiento de mquinas de proceso industrial, para telecomunicaciones, entre otros. Su consumo naci con los pases capitalistas los cuales utilizaban la energa para el funcionamiento de los electrodomsticos. La energa elctrica es indispensable para el uso de televisores, computadores, entre otros. El uso de la energa elctrica nos ha creado una necesidad de obtener objetos que funcionen con este servicio, hoy en da en nuestras casas existen muchos objetos los cuales necesitan de una gran cantidad de energa elctrica y de alguna manera estamos pagando por este servicio, aunque es muy til y aporta a la evolucin de la humanidad.

Hoy en da tambin se conocen diferentes maneras de procesarlas como elica, mareomotriz, paneles solares, generadores a combustibles entre otros. Detallando en el mismo tema de la electricidad de estn existen varios componentes uno de ellos los circuitos elctricos Uncircuito elctricoes un conjunto de operadores unidos de tal forma que permitan el paso o la circulacin de la corriente elctrica (electrones) para conseguir algn efecto til (luz, calor, movimiento, etctera).

Los circuitos elctricos son utilizados en cada uno de los aparatos elctricos que se utilizan diariamente por todas las personas. Muchos de estos circuitos son muy complejos y disponen de una gran variedad de elementos que en conjunto, hacen funcionar equipos tales como electrodomsticos u otros aparatos. Antes de trabajar proyectos de circuitos complejos, debe comenzarse por el fundamento, que es comprender los conceptos bsicos de voltaje, corriente elctrica, resistencia elctrica, etc. Es elemental poder diferenciar entre las conexiones en serie, paralelo y serie paralelo. Uncircuito elctrico, por lo tanto, es lainterconexin de dos o ms componentes que contiene una trayectoria cerrada. Dichos componentes pueden ser resistencias, fuentes, interruptores, condensadores, semiconductores y cables.

Problemas sobre corriente elctrica

1. -Sobre un resistor de 10 ohms se mantiene una corriente de 5 A durante 4 minutos. Cuntos coulomb y cuantos electrones pasan a travs de la seccin transversal del resistor durante ese tiempo.

Fig. Problema 1

SolucinTenemos:

Recuerde que:

donde tenemos

As:

2. En los extremos de un conductor hay una diferencia de potencial de 20 voltios cuando lo atraviesa una corriente de 4 amp. Calcular su resistencia

Solucin V = 20 Voltiosi = 4 amp. R = ? V = i * R

Undivisor de tensines una configuracin de circuito elctrico que reparte latensinde una fuente entre una o msimpedanciasconectadas enserie. Para conocer el voltajeen la impedancia genrica, se utiliza laley de Ohm:

Representa la resistencia aplicada a la ecuacin

Undivisor de corrientees una configuracin presente encircuitos elctricosque puede fragmentar lacorriente elctricade una fuente entre diferentesimpedanciasconectadas en paralelo. El divisor de corriente es usado para satisfacer laLey de tensiones de Kirchhoff.

Loscircuitos en serieson aquellos circuitos donde la energa elctrica solamente dispone de un camino, los elementos que la componen no pueden ser independientes. O sea aqu solamente existe un nico camino desde la fuente de corriente hasta el final del circuito (que es la misma fuente). Este mecanismo hace que la energa fluya por todo lo largo del circuito creado de manera tal que no hay ni independencia ni distincin en los diferentes lugares de este.

Elcircuito elctrico en paraleloes una conexin donde los puertos de entrada de todos los dispositivos (generadores,resistencias,condensadores, etc.) conectados coincidan entre s, lo mismo que sus terminales de salida. La conexin en paralelo se encuentra muy frecuentemente en las casas es all en donde se puede entender mejor. Pero una forma fcil de distinguirlo es identificar que lasresistenciasno se encuentren seguidas unas de otras, de esta forma si se desconecta una de las resistencias el circuito no se suspender.

Se denominabatera,batera elctrica,acumulador elctricoo simplementeacumulador, al dispositivo que consiste en una o msceldas electroqumicasque pueden convertir la energa qumica almacenada en electricidad. Cada celda consta de unelectrodopositivo, octodoy un electrodo negativo, onodoyelectrolitosque permiten que los iones se muevan entre los electrodos, facilitando que la corriente fluya fuera de la batera para llevar a cabo su funcin. Las bateras vienen en muchas formas y tamaos, desde las celdas en miniatura que se utilizan en audfonos y relojes de pulsera, a los bancos de bateras del tamao de las habitaciones que proporcionan energa de reserva a las centrales telefnicas y ordenadores de centros de datos.

Vamos a ver dos ejemplos de clculo de problemas de circuitos en serie y en paralelo.

Ejemplo 1: circuito en serieEn el circuito de la figura sabemos que la pila es de 4'5 V, y las lmparas tienen una resistencia de R1= 60 y R2= 30 . Se pide:1. Dibujar el esquema del circuito;2. calcular la resistencia total o equivalente del circuito, la intensidad de corriente que circular por l cuando se cierre el interruptor y las cadas de tensin en cada una de las bombillas.

Ejemplo 2: circuito paraleloEn el circuito de la figura sabemos que la pila es de 4'5V, y las lmparas son de 60 y 30, respectivamente. Calcular:1. La intensidad en cada rama del circuito, la intensidad total que circular y la resistencia equivalente.2. Dibujar el esquema del circuito.

Fuentes dependientesFuente dependiente de voltajeUna fuente dependiente de voltaje es una fuente en la que el voltaje entre sus terminales est determinado por un voltaje o una corriente que existe en otro lugar del circuito,figura.1.8.1.

Fuente de voltaje controlada por voltaje (FVCV).Fuente de voltaje controlada por corriente(FVCC).La variable controlante,x, puede ser tanto una corriente como un voltaje.

Fuente dependiente de corrienteUna fuente dependiente de corriente es una fuente en la que la corriente entre sus terminales, est determinada por una corriente o un voltaje que existe en otro lugar del circuito,figura 1.8.3.

Fuente de corriente controlada por voltaje (FCCV)Fuente de corriente controlada por corriente (FCCC)

Resumen de fuentes

Fuentes independientes

Fuente independiente de voltajeEn este elemento el voltaje es independiente de la corriente que pasa por sus terminales.La terminal superior esV0voltios positivo respecto a la inferior. En teora entrega potencia infinita.

Fuente independiente de corrienteEn este elemento la corriente que circula a travs de la fuente, es completamente independiente del voltaje. La flecha indica la direccin de la corriente; en teora entrega potencia infinita

Fuentes ControladasTenemos cuatro tipos posibles:

Fuente de tensin controlada por tensin. ganancia de tensin en cto. ab. (adimensional)

Fuente de corriente controlada por corriente. ganancia de corriente en ccto. (adimensional)

Fuente de tensin controlada por corriente. resistencia de transferencia o transresistencia ()

Donde:

Fuente de corriente controlada por tensin. transconductancia (-1)

Donde: