principios de circuitos electricos - floyd

FLOYD

FLOYD

OCTAVA EDICIN

OCTAVA

EDICIN

Principios decircuitos elctricos

Principios decircuitos elctricos

Este best seller sobre circuitos de cd y ca incluye ahora cambiossignificativos (muy positivos) para instructores y estudiantes. Como enediciones anteriores, Principios de circuitos elctricos, octava edicin,conserva sus mejores cualidades:

Cobertura amplia y directa de los fundamentos de componentes ycircuitos elctricos

Explicaciones y aplicaciones claras de las leyes fundamentales delos circuitos y anlisis en una amplia diversidad de circuitos bsicos,con nfasis en aplicaciones

Extensa cobertura del tema de localizacin y resolucin de fallas

Estos atributos lo convierten en la alternativa ideal para el saln de clases ypara quien desee iniciar una carrera en electrnica. En el estilo deredaccin claro y singularmente atractivo de Floyd, los conceptosesenciales se presentan y refuerzan de una forma creativa hasta que ellector adquiere una firme comprensin de todos los elementos claverelacionados con los circuitos elctricos. Y ahora, en respuesta a laabrumadora retroalimentacin de los usuarios, Principios de circuitoselctricos, octava edicin, ofrece ms ejemplos, ms aplicaciones prcticasy ms problemas, as como una mayor claridad sobre los conceptosdifciles para proporcionar una perspectiva del mundo real an msprctica para garantizar la comprensin total del material presentado.

En el sitio Web de este libro (www.pearsoneducacion.net/floyd) elestudiante encontrar material adicional; los instructores que utilicen estetexto en un curso pueden disponer tambin de varios recursos muy tiles yatractivos, entre ellos un Manual de recursos para el intructor, diapositivasen Power Point y el TestGen.

Vistenos en:www.pearsoneducacion.net

Octava edicin

Thomas L. Floyd

PRINCIPIOS DECIRCUITOS ELCTRICOS

TRADUCCINRodolfo Navarro SalasIngeniero MecnicoUniversidad Nacional Autnoma de Mxico

REVISIN TCNICALuis Mauro Ortega GonzlezIngeniero Mecnico ElectricistaInstituto Tecnolgico y de Estudios Superiores de MonterreyCampus Estado de Mxico

Gustavo Prez LpezMaestro en CienciasInstituto Tecnolgico y de Estudios Superiores de MonterreyCampus Estado de Mxico

Authorized translation from the English language edition, entitled Principles of electric circuits by Thomas L. Floyd published by PearsonEducation, Inc., publishing as PRENTICE HALL, INC., Copyright 2007. All rights reserved.

ISBN 0-13-170179-7

Traduccin autorizada de la edicin en idioma ingls, Principles of electric circuits por Thomas L. Floyd, publicada por Pearson Education,Inc., publicada como PRENTICE-HALL INC., Copyright 2007. Todos los derechos reservados.

Esta edicin en espaol es la nica autorizada.

Edicin en espaolEditor: Luis Miguel Cruz Castillo

e-mail: [email protected] de desarrollo: Bernardino Gutirrez HernndezSupervisor de produccin: Jos D. Hernndez Garduo

Edicin en inglsAcquisitions Editor: Kate LinsnerProduction Editor: Rex DavidsonDesign Coordinator: Diane ErnsbergerEditorial Assistant: Lara DimmickCover Designer: Candace RowleyCover art: GettyProduction Manager: Matt OttenwellerSenior Marketing Manager: Ben LeonardMarketing Assistant: Les RobertsSenior Marketing Coordinator: Liz Farrell

OCTAVA EDICIN 2007D.R. 2007 por Pearson Educacin de Mxico, S.A. de C.V.

Atlacomulco 500, 5 pisoCol. Industrial Atoto53519 Naucalpan de Jurez, Edo. de MxicoE-mail: [email protected]

Cmara Nacional de la Industria Editorial Mexicana. Reg. Nm. 1031.

Prentice Hall es una marca registrada de Pearson Educacin de Mxico, S.A. de C.V.

Reservados todos los derechos. Ni la totalidad ni parte de esta publicacin pueden reproducirse, registrarse o transmitirse, por un sistema derecuperacin de informacin, en ninguna forma ni por ningn medio, sea electrnico, mecnico, fotoqumico, magntico o electroptico,por fotocopia, grabacin o cualquier otro, sin permiso previo por escrito del editor.

El prstamo, alquiler o cualquier otra forma de cesin de uso de este ejemplar requerir tambin la autorizacin del editor o de susrepresentantes.

ISBN 10: 970-26-0967-4ISBN 13: 978-970-26-0967-4Impreso en Mxico. Printed in Mexico.1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 - 10 09 08 07

Datos de catalogacin bibliogrfica

FLOYD, THOMAS L.

Principios de circuitos elctricos. Octava edicin

PEARSON EDUCACIN, Mxico, 2007 ISBN: 978-970-26-0967-4 rea: Ingeniera

Formato: 21 27 cm Pginas: 968

Una vez ms, a SheilaCon amor

DEDICATORIA

PREFACIO

La octava edicin de Principios de circuitos elctricos proporciona una cobertura completa y di-recta de los fundamentos de componentes y circuitos elctricos. Explica y aplica las leyes funda-mentales y los mtodos de anlisis de circuitos en diversos circuitos bsicos. Hace hincapi enaplicaciones, muchas de las cuales son nuevas en esta edicin, y la mayor parte de los captuloscontiene una seccin especial llamada Una aplicacin de circuito. Localizacin de fallas conti-na siendo una parte importante de esta edicin, y muchos captulos incluyen una seccin espe-cial dedicada al tema.

Lo nuevo en esta edicin La disposicin y el diseo del texto Archivos Multisim para ejemplos seleccionados Archivos Multisim 8, adems de Multisim 2001 y Multisim 7, para Localizacin de fallas

y Anlisis de problemas La cobertura de fasores se cambi al captulo 11, Introduccin a la corriente alterna y al

voltaje alternos La cobertura de nmeros complejos se cambi al captulo 15, Circuitos RC Problemas nuevos en la mayor parte de los captulos Numerosas mejoras a lo largo del texto Innovadoras diapositivas en Power Point para cada captulo, disponibles en el CD-ROM

anexo

Caractersticas Cada captulo inicia con un esquema de los temas a tratar, los objetivos del captulo, una

lista de trminos clave, una referencia al sitio Web y una pequea introduccin. Cada seccin comienza con una introduccin y sus objetivos El apartado Una aplicacin de circuito al final de la mayor parte de los captulos Abundantes ilustraciones de alta calidad Biografas cortas de personajes clave en la historia de la electricidad Notas de seguridad localizadas en puntos apropiados a lo largo del texto e identificadas

mediante un logotipo especial Gran cantidad de ejemplos resueltos Un Problema relacionado en cada ejemplo resuelto con sus respuestas al final del captulo Repasos de seccin con respuestas al final del captulo

VI PREFACIO

La seccin Localizacin de fallas a lo largo de todo el libro. Un Resumen al final de cada captulo. Los Trminos clave se definen al concluir cada captulo y aparecen tambin en el glosario

general del libro. Una Lista de frmulas al finalizar cada captulo. Autoevaluacin y Respuestas por captulo. Un Examen de dinmica de circuitos que pone a prueba la comprensin del estudiante de

lo que sucede en un circuito a consecuencia de ciertos cambios o fallas. Las respuestas sedan al final del captulo.

Un conjunto de problemas seccionado en cada captulo: los ms difciles sealados me-diante un asterisco. Las respuestas a problemas de nmero impar aparecen al final dellibro.

Un glosario general con las definiciones de todos los trminos clave y los resaltados en ne-gritas en el texto.

El libro utiliza el sentido convencional de la corriente. (Una versin alterna de este textoutiliza la direccin del flujo de electrones).

Recursos adicionales para el estudiante

CD-ROM Multisim: este CD (totalmente en ingls), incluido en cada libro, contiene unaserie de archivos de circuito Multisim citados en el texto; muchos de ellos contienen fallasocultas. Todos estos archivos vienen en el CD-ROM en Multisim 2001, Multisim 7 yMultisim 8. Los archivos de versiones actualizadas de Multisim aparecern en el sitio Webwww.pearsoneducacion.net/floyd conforme el fabricante, Electronics Workbench, vaya desa-rrollndolas.

Estos archivos Multisim se proporcionan para ser utilizados por cualquier usuario que po-sea programas de cmputo Multisim. Quien no tenga estos programas y desee adquirirlos po-dr solicitarlos en www.prenhall.com/ewb. Sin embargo, aun cuando los archivos de circuitohan sido creados para complementar lo expuesto en el saln de clases, en el libro de texto y enel laboratorio, no son indispensables para estudiar los circuitos de cd y ca, ni para el desarro-llo de este libro.

Sitio Web del libro (www.pearsoneducacion.net/floyd): este sitio Web, tambin en ingls,ofrece al estudiante la oportunidad de comprobar su propio progreso y responder preguntas deexmenes muestra.

Recursos para el instructor (en ingls)

Para tener acceso a los materiales complementarios en lnea, los instructores deben obtener unacontrasea. Vaya a www.prenhall.com, haga clic en el vnculo Instructor Resource Center, yluego en Register, para registrarse y obtener la contrasea de acceso de instructor. Dentro de las48 horas siguientes, recibir un correo electrnico de confirmacin incluyendo la contrasea so-licitada. Una vez que la tenga en su poder, ingrese al sitio e inicie una sesin para recibir instruc-ciones completas sobre cmo bajar los materiales que desee utilizar. Diapositivas en Power Point Un juego completamente nuevo de innovadoras diapositivas enPower Point, creado por David M. Buchla, ilustra dinmicamente los conceptos clave presenta-dos en el texto. Cada diapositiva contiene un resumen con ejemplos, definiciones de trminosclave, y un examen para cada captulo. sta es una herramienta excelente para efectuar una pre-sentacin en el saln de clases como complemento del libro de texto. Otra carpeta de diapositivasincluye todas las figuras del texto a todo color, lo que le resultar muy til. Todo este material es-t disponible en Internet.

PREFACIO VII

Manual de recursos para el instructor Incluye soluciones a problemas de cada captulo, a lassecciones Una aplicacin de circuito (A Circuit Application), un archivo de examen, un archivode circuito Multisim resumido, y soluciones a ambos manuales de laboratorio. Disponible en elsitio Web.

Prentice Hall Test Gen Es un banco de exmenes computarizado, disponible en lnea.

Ilustracin de las caractersticas de los captulos

Apertura de captulo Cada captulo comienza como se muestra en la figura P-1. Cada aper-tura de captulo incluye nmero y ttulo de ste, las secciones del texto y objetivos del captulo,una lista de trminos clave, descripcin previa de Una aplicacin de circuito, referencia a unaseccin del sitio Web y una breve introduccin.

Apertura de seccin Cada seccin incluida en un captulo inicia con una breve introduccinque describe el tema en general y los objetivos. La figura P-2 muestra un ejemplo.Repaso de seccin Cada seccin concluye con un repaso, consistente en preguntas o ejerci-cios que resaltan los principales conceptos estudiados. La parte superior de la figura P-2 muestraun ejemplo. Al final del captulo se dan las respuestas correspondientes.Ejemplos resueltos y problemas relacionados A lo largo de cada captulo, numerosos ejem-plos resueltos sirven para ilustrar y aclarar conceptos bsicos o procedimientos especficos. Cadaejemplo finaliza con un Problema relacionado que refuerza o ampla el ejemplo al requerir queel estudiante resuelva otro problema similar. Los ejemplos seleccionados incluyen un ejercicio decircuito Multisim. La figura P-3 muestra un ejemplo resuelto tpico y su Problema relacionado.

11 INTRODUCCIN A LA CORRIENTEY AL VOLTAJE ALTERNOSESQUEMA DEL CAPTULO

111 La forma de onda sinusoidal 112 Fuentes de voltaje sinusoidal 113 Valores sinusoidales de voltaje y corriente 114 Medicin angular de una onda seno 115 La frmula de la onda seno 116 Introduccin a los fasores 117 Anlisis de circuitos de CA118 Voltajes superpuestos de CD y de CA 119 Formas de onda no sinusoidales 1110 El osciloscopio

Una aplicacin de circuito

OBJETIVOS DEL CAPTULO

Identificar una forma de onda sinusoidal y medirsus caractersticas

Describir cmo se generan las ondas seno Determinar los diversos valores de voltaje y

corriente de una onda seno Describir las relaciones angulares de una onda

seno Analizar matemticamente una forma de onda

sinusoidal Utilizar un fasor para representar una onda seno Aplicar las leyes de circuito bsicas a circuitos de

ca resistivos Determinar voltajes totales que tienen tanto

componentes de ca como de cd Identificar las caractersticas de formas de onda no

sinusoidales bsicas Utilizar un osciloscopio para medir formas de

onda

TRMINOS CLAVE

DESCRIPCIN PREVIA DE UNAAPLICACIN DE CIRCUITO

En la aplicacin de circuito, usted aprender cmo semiden seales de voltaje en un receptor de AM con unosciloscopio.

VISITE EL SITIO WEB RELACIONADO

Auxiliares de estudio para este captulo estndisponibles enhttp://www.pearsoneducacion.net/floyd

INTRODUCCIN

En los captulos precedentes se estudiaron loscircuitos resistivos con corrientes y voltajes de cd. Estecaptulo proporciona una introduccin al anlisis decircuitos de ca en el cual se estudian las sealeselctricas que varan con el tiempo, en particular laonda seno. Una seal elctrica es un voltaje o unacorriente que cambian de manera consistente con eltiempo. En otras palabras, el voltaje o la corrientefluctan de acuerdo con cierto patrn llamado formade onda.

Un voltaje alterno es uno que cambia de polaridadcon cierta rapidez. La forma de onda sinusoidal (ondaseno) es el tipo ms comn y fundamental porquetodos los dems tipos de formas de onda repetitivaspueden ser descompuestos en ondas senocompuestas. La onda seno es un tipo peridico deforma de onda que se repite a intervalos fijos.

Se pone un nfasis especial en la forma de ondasinusoidal (onda seno) debido a su importanciafundamental en el anlisis de circuitos de ca. Tambinse introducen otras formas de onda, incluidas la depulso, la triangular, y la de diente de sierra. Sepresenta el uso del osciloscopio para visualizar ymedir formas de onda. Se examina el uso de fasorespara representar ondas seno.

Amplitud Ancho de pulso (tW) Armnicos Ciclo Ciclo de trabajo Fase Fasor Forma de onda

Frecuencia (f) Frecuencia

fundamental Generador de funcin Grado Hertz (Hz) Onda seno Oscilador

Osciloscopio Peridico Periodo (T) Pulso Radin Rampa Tiempo de cada (tf)

Tiempo de subida (tr) Valor instantneo Valor pico Valor pico a pico Valor promedio Valor rms Velocidad angular

FIGURA P1

Apertura de captulo tpica.

Esquemadel captulo

Lista deobjetivosbasados en eldesempeo

Trminos clave

Descripcinprevia deUna aplicacinde circuito

Referenciaal sitio Web

Introduccin

VIII PREFACIO

La ley de las corrientes de Kirchhoff, abreviada a menudo como KCL, por sus siglas en in-gls, puede ser enunciada como sigue:

La suma de las corrientes que entran a un nodo (corriente total de entrada) es igual a lasuma de las corrientes que salen de dicho nodo (corriente total de salida).Un nodo es cualquier punto o unin en un circuito donde dos o ms componentes estn co-

nectados. En un circuito en paralelo, un nodo o unin es un punto donde se juntan las ramas dis-puestas en paralelo. Por ejemplo, en el circuito de la figura 6-12, el punto A es un nodo y el puntoB otro nodo. Inicie en la terminal positiva de la fuente y siga la corriente. La corriente total IT queviene de la fuente entra al nodo A. En este punto, la corriente se divide entre las tres ramas comose indica. Cada una de las tres corrientes de rama (I1, I2 e I3) sale del nodo A. La ley de las co-rrientes de Kirchhoff establece que la corriente total que entra al nodo A es igual a la corriente to-tal que sale del nodo A; es decir,

Ahora, cuando se siguen las corrientes mostradas en la figura 6-12 a travs de las tres ramas,se advierte que regresan al nodo B. Las corrientes I1, I2 e I3 se encuentran en el nodo B e IT sale

IT = I1 + I2 + I3

178 CIRCUITOS EN PARALELO

1. Un resistor de 10 y uno de 22 estn conectados en paralelo a una fuente de 5 V. Cules el voltaje a travs de cada uno de los resistores?

2. En la figura 6-10 est conectado un voltmetro a travs de R1. El voltmetro lee 118 V. Si us-ted lo cambia de lugar y lo conecta a travs de R2, cunto voltaje indicar? Cul es el vol-taje de fuente?

3. En la figura 6-11, cunto voltaje indica el voltmetro 1? El voltmetro 2?

4. Cmo estn relacionados los voltajes a travs de cada rama de un circuito en paralelo?

VS R2R1 V

FIGURA 610

V1

V2R1 R250 V

FIGURA 611

63 LEY DE LAS CORRIENTES DE KIRCHHOFFLa ley del voltaje de Kirchhoff se ocupa de los voltajes presentes en una sola trayectoria ce-rrada. La ley de la corriente de Kirchhoff es aplicable a corrientes que circulan por mltiplestrayectorias.

Despus de completar esta seccin, usted debe ser capaz de: Aplicar la ley de las corrientes de Kirchhoff

Enunciar la ley de las corrientes de Kirchhoff Definir el trmino nodo Determinar la corriente total sumando las corrientes de cada rama Determinar una corriente desconocida que circula por una rama

REPASO DE LASECCIN 6-2

Cada seccin concluyecon preguntas de repaso

Cada seccin inicia conun prrafo introductorio

Objetivos de la seccinbasados en el desempeo

ANLISIS DE CIRCUITOS RESISTIVOS EN SERIE-PARALELO 235

Corrientes de rama

Con la frmula del divisor de corriente, la ley de la corriente de Kirchhoff, la ley de Ohm, o me-diante combinaciones de stas, se puede calcular la corriente en cualquier rama de un circuito enserie-paralelo. En algunos casos, posiblemente se requiera la aplicacin repetida de la frmulapara encontrar una corriente dada. Los dos ejemplos siguientes ayudarn a entender el procedi-miento. (Observe que los subndices para las variables de corriente (I) concuerdan con los subn-dices de R; por ejemplo, la corriente a travs de R1 se designa como I1.)

Encuentre la corriente a travs de R2 y de R3 en la figura 7-19.EJEMPLO 78

VS

R1

1.0 k

R22.2 k

R33.3 k22 V

IT

A

FIGURA 719

Solucin En primer lugar, identifique la relacin serie-paralelo. A continuacin, determine cunta co-rriente entra al nodo A. sta es la corriente total. Para determinar IT, se debe conocer RT.

Para determinar la corriente a travs de R2, aplique la regla del divisor de corriente para dosramas como se dio en el captulo 6.

Ahora aplique la ley de la corriente de Kirchhoff para determinar la corriente a travs de R3.

Problema relacionado Se conecta un resistor de 4.7 k en paralelo con R3 en la figura 7-19. Determine la corrientea travs del nuevo resistor.

Use el archivo Multisim E07-08 para verificar los resultados calculados en este ejemplo y pa-ra confirmar su clculo en el problema relacionado.

I3 = IT - I2 = 9.48 mA - 5.69 mA = 3.79 mA IT = I2 + I3

= 5.69 mA= a3.3 k5.5 k b9.48 mAI2 = aR3

R2 + R3bIT

IT =VSRT

=22 V

2.32 k= 9.48 mA

= 2.32 k= 1.0 k + 1.32 k RT = R1 +R2R3

R2 + R3= 1.0 k +

(2.2 k)(3.3 k)2.2 k + 3.3 k

Los ejemplos se ponenaparte del texto

Cada ejemplo contiene unProblema relacionadopertinente al ejemplo

Los ejemplos seleccionadoshacen referencia a unarchivo de circuitoMultisim relacionado

FIGURA P2

Apertura tpica y repaso de unaseccin.

FIGURA P3

Ejemplo resuelto tpico y suProblema relacionado.

UNA APLICACIN DECIRCUITO 765

convertida a la FI de 455 kHz. El amplificador de frecuencia intermedia, el cual se sintoniza a455 kHz, amplifica la frecuencia intermedia de amplitud modulada. La salida del amplificador defrecuencia intermedia se aplica a un detector de audio que elimina la frecuencia intermedia y dejaslo la envolvente, que es la seal de audio. La seal de audio es entonces amplificada y aplica-da al altavoz.

1. En general, por qu es necesario un filtro sintonizado cuando se acopla una seal prove-niente de una antena a la entrada de un receptor?

2. Qu es una trampa de ondas?

3. Qu significa sintonizacin en grupo?

REPASO DE LASECCIN 17-9

Una aplicacin de circuitoEn la aplicacin de circuito del captu-lo 11, se trabaj con un sistema recep-tor para aprender mediciones bsicasde ca. En este captulo, se utiliza otravez el receptor para ilustrar una aplica-

cin de circuitos resonantes. Nos enfocaremos en una parte delextremo frontal del sistema receptor que contiene circuitos re-sonantes. En general, el extremo frontal incluye el amplificadorde RF, el oscilador local y el mezclador. En esta aplicacin de cir-cuito, el amplificador de RF es el foco. Por ahora no es necesariotener conocimientos de circuitos amplificadores.

En la figura 17-54 se muestra un diagrama de bloques bsicopara un receptor de radio de AM. En este sistema particular, elextremo frontal incluye los circuitos utilizados para sintonizaruna estacin transmisora deseada mediante seleccin de frecuen-

cia para luego convertir dicha frecuencia en una intermedia estn-dar (FI). Las estaciones de radio de AM transmiten en el intervalode frecuencias de 535 a 1605 kHz. El propsito del amplificador deRF es tomar las seales captadas por la antena, rechazar todas lasseales excepto la seal de la estacin deseada, y amplificarla aun nivel ms alto.

En la figura 17-55 se muestra un diagrama esquemtico de unamplificador de RF. El circuito de sintonizacin resonante en pa-ralelo se compone de L, C1 y C2. Este amplificador de RF en par-ticular no dispone de un circuito resonante en la salida. C1 es unvaractor, el cual es un dispositivo semiconductor sobre el que ustedaprender ms en un curso posterior. Todo lo que necesita saberen este momento es que el varactor es bsicamente un capacitorvariable cuya capacitancia vara al cambiar el voltaje de cd pre-sente entre sus terminales. En este circuito, el voltaje de cd pro-

Oscilador local

Amplificador de potencia de audio

Altavoz

Control de volumen

Preamplificador de audio

Amplificador de FIAmplificador de RF

Antena

Extremo frontal

Mezclador Detector

FIGURA 1754

Diagrama de bloques simplificado de un receptor bsico de radio.

PREFACIO IX

Secciones de Localizacin de fallas Muchos captulos incluyen una seccin de Localizacinde fallas relacionada con los temas tratados en el captulo y que pone de relieve el razonamientolgico, as como un mtodo estructurado llamado APM (anlisis, planificacin y medicin) enlos casos en que es aplicable. Cuando se considera apropiado, se aplican mtodos particulares pa-ra la reparacin de fallas, tales como divisin a la mitad.Una aplicacin de circuito Esta seccin especial al final de cada captulo (excepto en Caps. 1y 21) presenta una aplicacin prctica de algunos temas estudiados en el captulo. Cada una deestas aplicaciones incluye una serie de actividades, muchas de las cuales implican comparar di-seos de tarjetas de circuito con esquemas, analizar circuitos utilizando mediciones para determi-nar su operacin y, en algunos casos, desarrollar procedimientos de prueba simples. Losresultados y las respuestas se encuentran en el Manual de recursos para el instructor. La figura P-4ilustra una parte representativa de la seccin Una aplicacin de circuito.

Material al final de cada captulo Los siguientes elementos pedaggicos se encuentran altrmino de cada captulo:

Resumen Glosario de trminos clave Lista de frmulas Autoevaluacin Examen de dinmica de circuitos Problemas

UNA APLICACIN DECIRCUITO 767

HARDCOPY

HORIZONTALVERTICAL TRIGGERLEVEL

TRIGGER MENU

SET LEVEL TO 50%

FORCE TRIGGER

CURSOR DISPLAYUTILITY

MEASURE ACQUIRESAVE/RECALL AUTOSET

RUN/STOP

POSITION

HORIZONTALMENU

SEC/DIV

5 s 5 ns

HOLDOFF

POSITION

VOLTS/DIV

CURSOR 2

CH 2MENU

5 V 2 mV

POSITION

VOLTS/DIV

CURSOR 1

CH 1MENU

5 V 2 mV

MATHMENU

CH 1 CH 2 EXT TRIGPROBE COMP5 V

MENUS

TRIGGER VIEW

Ch 1 0.2V 1ms

C3

L

C1C2

0.1

470

.01

.01

Ajuste 1 Ajuste 2 Ajuste 3

Ajuste 4 Ajuste 5

Salida B

D E )( y

Fuente de potencia

Help

7 8 9

4 5 6

1 2 3

0 . +/

Arb

Utility

Noise

Store/Recall

Pulse

Burst

Tri

Sweep

Square

Mod

Sine Trigger

Output

OutputSync

Graph

Local

Function Generator

PeriodFreq

HiLevelAmp

LoLevelOffset

kHz

A

12

3

45

V V V

V V

F

VOLTAGE

MIN MAXCURRENT

MIN MAX

VOLTAGE

MIN MAXCURRENT

MIN MAX

INDEPENDENTSERIES

OVERLOAD + +

0 20V 0.5AOVERLOAD

+

0 20V 0.5AOVERLOAD

ON

OFF

A

B

A/B OUTPUTSPARALLEL

A B

BA5V 2A

POWER

V

B C D E

Triple Output Power Supply

FIGURA 1757

Disposicin de un banco de prueba.

Una aplicacin de circuito est incorporada aparte del texto Una serie de actividades relaciona la teora con la prctica

Grficos realistas de un instrumento y una tarjetade circuito

FIGURA P4

Parte de Una aplicacin de circuito tpica.

X PREFACIO

Respuestas a repasos de seccin, problemas relacionados con ejemplos, autoevaluacin, yal examen de dinmica de circuitos

Sugerencias para la enseanza con el libro Principios de circuitos elctricosnfasis en el curso seleccionado y flexibilidad del texto Este libro de texto est diseadoprincipalmente para usarse en un curso de dos semestres, en el cual los temas de corriente direc-ta (Caps. 1 a 10) se imparten durante el primer semestre y los de corriente alterna (Caps. 11 a 21)en el segundo semestre. Estructurar un curso de un semestre que abarque los temas de ca y cd esposible, pero requerira de una cobertura muy selectiva y abreviada de muchos temas.

Si las limitaciones de tiempo o el nfasis en el curso restringen los temas que pueden ser cu-biertos, como casi siempre ocurre, existen varias opciones para efectuar una cobertura selectiva.Las siguientes sugerencias para el caso de un tratamiento ligero o alguna omisin no necesaria-mente implican que cierto tema sea menos importante que otros, sino que, en el contexto de unprograma especfico, es probable que ste no requiera la atencin impuesta a los temas funda-mentales. Como el nfasis en el curso, el nivel y el tiempo disponible varan de un programa aotro, la omisin o el tratamiento abreviado de temas seleccionados puede efectuarse sobre unabase individual. Por lo tanto, las siguientes sugerencias estn formuladas slo como gua general.

1. Captulos que pueden ser considerados para omisin o cobertura selectiva: Captulo 8, Teoremas de circuitos y conversiones Captulo 9, Anlisis de ramas, lazos y nodos Captulo 10, Magnetismo y electromagnetismo Captulo 18, Filtros pasivos Captulo 19, Teoremas de circuitos en anlisis de CA Captulo 20, Respuesta en funcin del tiempo de circuitos reactivos Captulo 21, Sistemas trifsicos en aplicaciones de potencia

2. Las secciones de Una aplicacin de circuito y Localizacin de fallas pueden ser omitidassin afectar otro material.

3. Otros temas especficos pueden ser omitidos o cubiertos ligeramente seccin por seccina criterio del instructor.

El orden en el cual ciertos temas aparecen en el texto puede ser modificado a criterio del instruc-tor. Por ejemplo, los temas sobre capacitores e inductores (Caps. 12 y 13) pueden ser cubiertos alfinal del curso de corriente directa, en el primer semestre, retrasando la cobertura de los temas decorriente alterna incluidos en las secciones 12-6, 12-7, 13-5, y 13-6 hasta el curso de corriente al-terna, en el segundo semestre. Otra posibilidad es cubrir los captulos 12 y 13 en el segundo se-mestre, pero el captulo 15 (Circuitos RC) inmediatamente despus del 12 (Capacitores), y el 16(Circuitos RL) enseguida del 13 (Inductores).Una aplicacin de circuito Estas secciones son tiles para motivar y para introducir aplica-ciones de conceptos y componentes bsicos. Las siguientes son sugerencias sobre cmo utilizarestas secciones:

Como parte integral del captulo para ilustrar las posibilidades de aplicacin de los conceptosy componentes en una situacin prctica. Las actividades pueden ser asignadas como tarea.

Como asignaciones de crditos extra. Como actividades en clase para promover el anlisis y la interaccin y ayudar a los estu-

diantes a entender por qu necesitan conocer el material.

Cobertura de circuitos reactivos Los captulos 15, 16 y 17 fueron diseados para proporcio-nar dos mtodos de enseanza de estos temas sobre circuitos reactivos.

PREFACIO XI

La primera alternativa es cubrir los temas con base en los componentes. Esto es, estudiar pri-mero todo el captulo 15 (Circuitos RC), acto seguido todo el captulo 16 (Circuitos RL), y, porltimo, todo el captulo 17 (Circuitos RLC y resonancia).

La segunda alternativa es cubrir los temas con base en el tipo de circuito. Es decir, primero es-tudiar todos los temas relacionados con circuitos reactivos en serie, luego todos los temas de cir-cuitos reactivos en paralelo, y, por ltimo, todos los temas que se refieren a circuitos reactivos enserie-paralelo. Para facilitar este segundo mtodo, cada captulo est dividido en las siguientespartes: Parte 1: Circuitos en serie, Parte 2: Circuitos en paralelo, Parte 3: Circuitos en serie-pa-ralelo, y Parte 4: Temas especiales. Por lo tanto, para circuitos reactivos en serie, se cubre la Par-te 1 de los tres captulos en secuencia. Para circuitos reactivos en paralelo, la Parte 2 de los trescaptulos en forma sucesiva. En el caso de circuitos reactivos en serie-paralelo, cubra la Parte 3de los tres captulos en secuencia. Finalmente, estudie la Parte 4 de los tres captulos.

Para el estudianteCualquier carrera demanda trabajo duro, la de electrnica no es excepcin. La mejor manera deaprender un material nuevo es leyendo, pensando y realizando. Este texto est diseado para ayu-darle a lo largo de todo el camino ya que proporciona las generalidades y los objetivos de cadaseccin, numerosos ejemplos resueltos, ejercicios, y preguntas de repaso.

Lea cada seccin del texto con cuidado y medite lo que ha ledo. Es posible que ocasionalmen-te necesite leer la seccin ms de una vez. Resuelva cada problema de ejemplo paso a paso antesde abordar el problema relacionado. Despus de cada seccin responda las preguntas de repaso.Las respuestas a los problemas relacionados y las preguntas de repaso de seccin se encuentranal final del captulo.

Repase el resumen del captulo, las definiciones de los trminos clave y la lista de frmulas.Realice la autoevaluacin de opcin mltiple y el examen de dinmica de circuitos. Verifique susrespuestas contra las que aparecen al final del captulo. Por ltimo, resuelva los problemas. La re-solucin de problemas es la manera ms efectiva de verificar su comprensin y consolidar losconceptos. Compruebe sus respuestas a los problemas de numeracin impar con las proporciona-das al final del libro.

Carreras de electrnica El campo de la electrnica es muy diverso, y las oportunidades de hacer carrera estn disponibles enmuchas reas. Dado que en la actualidad la electrnica se encuentra en tantas aplicaciones diferen-tes, y nueva tecnologa est siendo desarrollada a un ritmo extremadamente rpido, su futuro pareceilimitado. Difcilmente podra sealarse un rea de nuestras vidas que no haya sido mejorada en cier-to grado por la tecnologa electrnica. Quienes adquieran un conocimiento slido, bsico, de losprincipios elctricos y electrnicos y deseen continuar aprendiendo siempre estarn en demanda.

La importancia de alcanzar un completo entendimiento de los principios bsicos contenidosen este texto no puede ser sobreestimada. La mayora de los empleadores prefiere contratar per-sonal que posea tanto fundamentos slidos como capacidad y deseo de aprender tcnicas y con-ceptos nuevos. Si usted est bien preparado en lo fundamental, cualquier empleador lo capacitaren los puntos especficos del trabajo al cual sea asignado.

Existen muchos tipos de clasificaciones laborales para los que una persona con entrenamien-to en electrnica puede calificar. Algunas de las funciones de trabajo ms comunes se describencon brevedad en los prrafos siguientes.

Tcnico de taller de servicio En esta categora, el personal tcnico interviene en la reparacino el ajuste de equipo electrnico tanto comercial como domstico que es regresado al distribui-dor o fabricante para servicio. Algunas reas especficas incluyen televisiones, videocaseteras,reproductores de CD y DVD, equipo estreo, radios de banda civil y computadoras. Esta reatambin ofrece oportunidades de autoempleo.

Tcnico en manufactura industrial El personal de manufactura participa en la evaluacin deproductos electrnicos al nivel de lnea de ensamble, o en el mantenimiento y la reparacin de fa-llas de sistemas electrnicos y electromecnicos utilizados en la evaluacin y manufactura deproductos. Casi todo tipo de planta de manufactura, sin importar su producto, utiliza equipo au-tomtico electrnicamente controlado.

XII PREFACIO

Tcnico laboratorista Estos tcnicos intervienen en la creacin de tarjetas experimentales,prototipos y evaluacin de sistemas electrnicos nuevos o modificados en laboratorios de inves-tigacin y desarrollo. En general, trabajan codo a codo con los ingenieros en la fase de desarro-llo de un producto.Tcnico de servicio de campo El personal de servicio de campo da servicio y repara equipoelectrnico, por ejemplo, sistemas de computacin, instalaciones de radar, equipo automtico deoperaciones bancarias y sistemas de seguridad en las instalaciones del usuario.Asistente de ingeniera/Ingeniero asociado El personal ubicado en esta categora trabaja es-trechamente con los ingenieros en la implementacin de un concepto y en el diseo y desarrollobsicos de sistemas electrnicos. Los asistentes de ingeniera con frecuencia intervienen en unproyecto desde su diseo inicial hasta las primeras etapas de manufactura.Escritor tcnico Los escritores tcnicos recopilan informacin y luego la utilizan para escribiry producir manuales y material audiovisual. Un conocimiento amplio de un sistema en particular yla capacidad de explicar con claridad sus principios y operacin resultan esenciales.Ventas tcnicas Las personas tcnicamente entrenadas son demandadas como representantesde ventas de productos de alta tecnologa. La habilidad tanto para entender conceptos tcnicos deun producto como para comunicarlos a un cliente potencial es muy valiosa. En esta rea, igualque en la anterior, ser competente en la expresin oral y escrita es esencial. En realidad, tener lahabilidad para comunicarse bien es muy importante en cualquier trabajo tcnico porque se debeser capaz de registrar datos con claridad y de explicar procedimientos, conclusiones y accionesemprendidas de modo que otros puedan entender lo que se est haciendo.

Eventos significativos en el campo de la electrnica Antes de iniciar el estudio de circuitos elctricos, daremos un vistazo a algunos de los importantesdesarrollos que condujeron a la tecnologa electrnica de la actualidad. Los nombres de mu-chos de los pioneros en el campo de la electricidad y la electromagntica an persisten en trminosde unidades y cantidades conocidas. Nombres como Ohm, Ampere, Volta, Farad, Henry, Coulomb,Oersted, y Hertz son algunos de los ejemplos mejor conocidos. Otros ms ampliamente conoci-dos, tales como Franklin y Edison, tambin resultan significativos en la historia de la electricidady la electrnica debido a sus extraordinarias contribuciones. Biografas cortas de algunos de es-tos pioneros, como la aqu mostrada, se encuentran en todo el texto.El inicio de la electrnica Los primeros experimentos con la electrnica implicaron corrienteselctricas en tubos de vaco. Heinrich Geissler (1814-1879) extrajo la mayor parte del aire con-tenido en un tubo de vidrio y encontr que el tubo brillaba cuando era atravesado por una corriente.Posteriormente, Sir William Crookes (1832-1919) se dio cuenta de que en tubos de vaco la co-rriente pareca estar compuesta por partculas. Thomas Edison (1847-1931) experiment con bulbosde filamento de carbn con placas y descubri que haba una corriente del filamento caliente ha-cia una carga positivamente cargada. Patent la idea pero nunca la utiliz.

Otros precursores de la experimentacin midieron las propiedades de las partculas que fluanen tubos de vaco. Sir Joseph Thompson (1856-1940) midi las propiedades de estas partculas,llamadas ms tarde electrones.

Aunque la comunicacin telegrfica inalmbrica se remonta a 1844, la electrnica es bsica-mente un concepto del siglo XX, que se inici con la invencin del amplificador de tubo de vaco.En 1904, John A. Fleming construy un tubo de vaco que permita el flujo de corriente en unasola direccin. Llamado vlvula Fleming, fue el precursor de los diodos de tubos de vaco. En1907, Lee deForest agreg una rejilla al tubo de vaco. El nuevo artefacto, llamado audiotrn, po-da amplificar una seal dbil. Al agregar el elemento de control, deForest se coloc a la vanguar-dia de la revolucin electrnica. Gracias a una versin mejorada de su artefacto los servicios detelefona transcontinental y de radio fueron posibles. En 1912 en San Jos, California, un radioaficionado transmita msica con regularidad!

En 1921 el secretario de comercio estadounidense, Herbert Hoover, expidi la primera licenciapara una estacin de radio; al cabo de dos aos ms de 600 licencias fueron expedidas. A finalesde los aos de 1920 en muchos hogares ya haba aparatos de radio. Un nuevo tipo de radio, el su-perheterodino, inventado por Edwin Armstrong, resolvi los problemas que se presentaban con

Georg Simon Ohm17871854

Ohm naci en Bavaria yluch por aos para que lefuese reconocido su trabajoen la formulacin de larelacin de corriente,voltaje y resistencia. Estarelacin matemtica seconoce hoy en da como laley de Ohm, y la unidad deresistencia fue nombradaohm en su honor. (Crdito dela fotografa: Biblioteca delCongreso estadounidense,LC-USZ62-40943.)

B I O G R A F A

PREFACIO XII I

la comunicacin de alta frecuencia. En 1923 Vladimir Zworykin, un investigador estadouniden-se, invent el primer tubo de imagen de televisin, y en 1927 Philo T. Farnsworth solicit una pa-tente para un sistema de televisin completo.

La dcada de 1930 contempl muchos desarrollos en la radio, incluyendo los tubos metlicos,el control de ganancia automtico, miniaparatos (de radio), antenas direccionales y ms. En estadcada tambin se inici el desarrollo de las primeras computadoras electrnicas. Las computado-ras modernas remontan sus orgenes al trabajo de John Atanasoff en Iowa State University. Co-menzando en 1937, ide una mquina binaria que poda realizar trabajos matemticos complejos.En 1939, Atanasoff y el estudiante graduado Clifford Berry construyeron una mquina binariallamada ABC (por Atanasoff-Berry Computer) que utilizaba tubos de vaco para la lgica y con-densadores (capacitores) para memoria. En 1939, el magnetrn, un oscilador de microondas, fueinventado en Inglaterra por Henry Boot y John Randall. En el mismo ao, el tubo de microondasklistrn fue inventado en Estados Unidos por Russell y Sigurd Varian.

Durante la Segunda Guerra Mundial, la electrnica se desarroll con rapidez. El magnetrn yel klistrn hicieron posible la fabricacin del radar y la comunicacin de muy alta frecuencia. Lostubos de rayos catdicos fueron mejorados para utilizarse en sistemas de radar. El desarrollo de lacomputadora continu durante la guerra. En 1946, John von Neumann desarroll la primera compu-tadora capaz de guardar programas, la ENIAC, en la Universidad de Pennsylvania. La dcada fi-naliz con una de las invenciones ms importantes que alguna vez se haya realizado: el transistor.

Electrnica de estado slido Los detectores de cristal utilizados en los primeros aparatos deradio fueron los precursores de los modernos instrumentos de estado slido. Sin embargo, la erade la electrnica de estado slido comenz con la invencin del transistor en 1947 en los labora-torios Bell. Los inventores fueron Walter Brattain, John Bardeen y William Shockley. Las tarje-tas de circuito impreso fueron introducidas en 1947, el ao en que se invent el transistor. Lafabricacin comercial de transistores comenz en Allentown, Pennsylvania, en 1951.

La inversin ms importante en la dcada de 1950 fue el circuito integrado. El 12 de septiem-bre de 1958, en Texas Instruments, Jack Kilby realiz el primer circuito integrado. Esta invencinliteralmente cre la era de la computadora y provoc arrolladores cambios en campos como elde la medicina, las comunicaciones, la manufactura y la industria del entretenimiento. Muchosmiles de millones de chips como se los llam a los circuitos integrados se han fabricadodesde entonces.

La dcada de 1960 fue testigo del inicio de la carrera espacial y estimul el desarrollo de laminiaturizacin y las computadoras. La carrera espacial se constituy en la fuerza impulsora delos rpidos cambios que siguieron. El primer amplificador operacional lo dise Bob Widlaren Fairchild Semiconductor en 1965. Llamado A709, result muy exitoso, pero sufra de blo-queo y otros problemas. Ms tarde, el amplificador operacional ms popular que alguna vez sehaya construido, el 741, fue tomando forma en Fairchild. El 741 se convirti en el estndar de laindustria e influy en el diseo de los amplificadores operacionales de los siguientes aos.

Hacia 1971, una nueva compaa que haba sido formada por un grupo proveniente de Fair-child introdujo el primer microprocesador. Esta empresa fue Intel y el producto el chip 4004, elcual tena igual potencia de procesamiento que la computadora Eniac. Posteriormente en el mis-mo ao, Intel dio a conocer el primer procesador de 8 bits, el 8008. En 1975, la primera compu-tadora personal fue introducida por Altair, y apareci en la portada del nmero de enero de 1975de la revista Popular Science. La dcada de 1970 tambin atestigu la introduccin de la calcula-dora de bolsillo y de nuevos desarrollos de circuitos pticos integrados.

Durante la dcada de 1980, la mitad de los hogares estadounidenses utilizaba conexiones decable en lugar de antenas de televisin. La confiabilidad, velocidad y miniaturizacin de artefac-tos electrnicos continu, incluyendo la evaluacin y calibracin automticas de tarjetas de cir-cuito impreso. La computadora se convirti en parte de la instrumentacin y fue creado el objetovirtual. La computadoras devinieron en el estndar en el banco de trabajo.

Los aos de la dcada de 1990 atestiguaron la amplia aplicacin de Internet. En 1993 haba 130sitios Web; ahora hay millones. Las compaas se peleaban por establecer una pgina de inicio ymuchos de los primeros desarrollos de transmisin radial ocurrieron en paralelo con Internet. En1995, la FCC asign espacio espectral para un nuevo servicio llamado Servicio de Radio de AudioDigital (Digital Audio Radio Service). Hacia 1996, la FCC adopt estndares de televisin digitalpara la siguiente generacin de transmisiones televisivas.

XIV PREFACIO

El siglo XXI vio la luz en enero de 2001. Uno de los episodios de tecnologa ms importanteha sido el continuo y explosivo crecimiento de Internet. En Estados Unidos, su uso se ha incre-mentado en ms del 100% desde el 2000 hasta el 2005. El resto del mundo experiment un creci-miento de casi el 200% durante el mismo periodo. La velocidad de procesamiento de lascomputadoras est aumentando a un ritmo constante, y la capacidad de los medios de almacena-miento de datos avanza a un paso asombroso. Se prev que los nanotubos de carbn van a ser elsiguiente paso para los microcircuitos de computadora, y con el tiempo van a reemplazar la tec-nologa del transistor.

ReconocimientosMuchas personas talentosas han intervenido en la revisin de este libro: Principios de circuitoselctricos. Fue examinado y verificado a cabalidad en lo que concierne tanto a contenido como aprecisin. En Prentice Hall muchas personas contribuyeron en gran medida para la realizacin deeste proyecto a lo largo de las muchas fases de desarrollo y produccin, entre ellas Rex Davidson yKate Linsner, Lois Porter, cuya atencin a los detalles es increble, una vez ms realiz un notabletrabajo de edicin del manuscrito. Jane Lopez aport de nuevo las excelentes ilustraciones y el her-moso trabajo grfico utilizados en el texto. David Buchla contribuy con una cantidad importantede material para esta revisin y emiti muchas recomendaciones. Igual que en la edicin previa,Gary Znyder cre los archivos de circuito para las funciones Multisim incluidas en esta edicin.

Deseo expresar mi agradecimiento a los ya mencionados, as como a quienes ofrecieron valio-sas sugerencias y crticas constructivas que ejercieron una gran influencia en este libro de texto.Las siguientes personas actuaron como revisores y proporcionaron una retroalimentacin perspicazpara esta edicin: Eldon E. Brown Jr., Cape Fear Community College; Montie Fleshman, NewRiver Community College; James Jennings, Community College of Southern Nevada; Ronald J.LaSpisa, University of Oklahoma; E. Ed Margaff, Marion Technical College; David Misner, Hut-chinson Community College, y Gerald Schickman, Miami Dade Community College. Un agra-decimiento especial para David Heiserman por su amplia evaluacin del texto.

Otros instructores que utilizan la edicin previa contribuyeron significativamente con su par-ticipacin en una encuesta en lnea.Hamid Allamehzadeh ENMUTim Baker John A. Logan CollegeWalter Banzhaf University of HartfordJoseph Baumert NICCKenneth D. Belk Marion Technical CollegeSeddik Benhamida DeVry UniversityRick Buffaloe Idaho State UniversityRobert Cannella Jr. College of DuPageKen Carpenter University of New MexicoDan Celenti NYCCTJames Diehl Del Mar CollegeJames Dunn Boise State UniversityAnthony Edwards Rockingham Community CollegeTom Eppes University of HartfordLarry Gazaway Spokane Community CollegeDavid Grant Renton Technical CollegeMark Gray Cape Fear Community CollegeVictor Greenwood Northwest Technical InstituteOsman Gurdal JCSUJoshua Guttman Bergen Community CollegeRobert Heffner North Harris CollegeChristopher Henggeler Westwood CollegeH. Randolph Holt Northern Kentucky UniversityAndy Huertaz Albuquerque TVIMark Hughes Cleveland Community CollegeOsama Hussein New York City College of TechnologyJames Jazdzewski Gateway Technical CollegeDavid Jones Lenoir Community CollegeBenjamin Jun Ivy Tech State CollegeLynn Kelly New Mexico State UniversityRon LaSpisa U of OklahomaGeorge Lee Massasoit Community CollegeErik Mayer Bowling Green State UniversityPaul Mayer Eastern Maine Community CollegeStan Middlebrooks Herzing College

Dave Misner Hutchinson Community CollegeJim Nutt NMSU-ALarry Patterson Belmont Technical CollegeDavid Phillips Linn State Technical CollegeJames Reardon New England Institute of TechnologyRick Reardon Eastern Maine Community CollegeSteven Rice C.O.T. University of MontanaBob Romano Cincinnati Technical and CommunityCollegeJimmie Russell DeVry UniversityManavi Sallick Miami Dade CollegeJoseph Santaniello Spartanburg Technical CollegeRobert Scoff The University of MemphisS.T. (Tom) Sharar Asheville-Buncombe Technical CollegeJames Smith Central Washington UniversityJames Stack Boise State UniversityRichard Sturtevant STCCTony Suranno Hagerstown Community CollegeGreg Szepanski Holyoke Community CollegePratap Reddy Talusani Houston Community CollegeRalph Tanner Western Michigan UniversityCalvin Taylor Centralia CollegeRon Tinckham Santa Fe Community CollegeDon Tosh Evangel UniversityDavid Tyree Vincennes UniversityRamon Vigil TVIPaul Vonderwell Vincennes UniversityHarold Wiebe Northern Kentucky UniversitySteven Wilson Spokane Community CollegeVenancio Ybarra, Jr. NHMCCD Cy-Fair CollegeSteve Yelton Cincinnati State Technical and CommunityCollegeTim Yoxtheimer Central Washington University

Tom Floyd

CONTENIDO

1 Cantidades y unidades 111 Unidades de medicin 212 Notacin cientfica 413 Notacin de ingeniera y prefijos mtricos 714 Conversiones de unidades mtricas 10

2 Voltaje, corriente y resistencia 1621 Estructura atmica 1722 Carga elctrica 2123 Voltaje, corriente y resistencia 2324 Fuentes de voltaje y de corriente 2625 Resistores 3226 El circuito elctrico 4027 Mediciones de circuito bsicas 4928 Seguridad elctrica 55

Una aplicacin de circuito 57

3 Ley de Ohm 7231 La relacin de corriente, voltaje y

resistencia 7332 Clculo de la corriente 7733 Clculo del voltaje 8034 Clculo de la resistencia 8235 Introduccin a la localizacin de fallas 84


4 Energa y potencia 9741 Energa y potencia 9842 Potencia en un circuito elctrico 10043 Potencia nominal en resistores 10244 Conversin de energa y cada de voltaje en una

resistencia 10645 Fuentes de potencia 107


5 Circuitos en serie 11751 Resistores en serie 11852 Corriente en un circuito en serie 12053 Resistencia total en serie 122

54 Aplicacin de la ley de Ohm 12655 Fuentes de voltaje en serie 13056 Ley del voltaje de Kirchhoff 13357 Divisores de voltaje 13758 Potencia en circuitos en serie 14459 Mediciones de voltaje 146510 Localizacin de fallas 150


6 Circuitos en paralelo 17261 Resistores en paralelo 17362 Voltaje en un circuito en paralelo 17663 Ley de las corrientes de Kirchhoff 17864 Resistencia total en paralelo 18265 Aplicacin de la ley de Ohm 18866 Fuentes de corriente en paralelo 19267 Divisores de corriente 19368 Potencia en circuitos en paralelo 19769 Aplicaciones de circuitos en paralelo 199610 Localizacin de fallas 204


7 Circuitos en serie-paralelo 22671 Identificacin de relaciones en serie-paralelo 22772 Anlisis de circuitos resistivos en serie-paralelo 23273 Divisores de voltaje con cargas resistivas 24074 Efecto de carga de un voltmetro 24575 Redes en escalera 24776 El puente Wheatstone 25377 Localizacin de fallas 258


8 Teoremas de circuitos y conversiones 28081 La fuente de voltaje de cd 28182 La fuente de corriente 28383 Conversiones de fuente 28584 El teorema de superposicin 28885 Teorema de Thevenin 29586 Teorema de Norton 30687 Teorema de transferencia de potencia mxima 310

XVI CONTENIDO

88 Conversiones delta a Y ( a Y) y Y a delta(Y a ) 313Una aplicacin de circuito 319

9 Anlisis de ramas, lazos y nodos 33491 Ecuaciones simultneas en el anlisis de circuitos 33592 Mtodo de la corriente en ramas 34493 Mtodo de la corriente de lazo 34794 Mtodo del voltaje en nodos 353


10 Magnetismo y electromagnetismo 370101 El campo magntico 371102 Electromagnetismo 375103 Dispositivos electromagnticos 381104 Histresis magntica 388105 Induccin electromagntica 390106 Aplicaciones de la induccin electromagntica 394


11 Introduccin a la corrientey al voltaje alternos 406

111 La forma de onda sinusoidal 407112 Fuentes de voltaje sinusoidal 412113 Valores sinusoidales de voltaje y corriente 415114 Medicin angular de una onda seno 419115 La frmula de la onda seno 423116 Introduccin a los fasores 425117 Anlisis de circuitos de ca 431118 Voltajes superpuestos de cd y de ca 434119 Formas de onda no sinusoidales 4361110 El osciloscopio 443


12 Capacitores 466121 El capacitor bsico 467122 Tipos de capacitores 474123 Capacitores en serie 480124 Capacitores en paralelo 484125 Capacitores en circuitos de CD 486126 Capacitores en circuitos de CA 496127 Aplicaciones de los capacitores 502128 Circuitos de capacitor conmutados 507


13 Inductores 525131 El inductor bsico 526132 Tipos de inductores 532133 Inductores en serie y en paralelo 533134 Inductores en circuitos de CD 535

135 Inductores en circuitos de CA 545136 Aplicaciones de los inductores 550


14 Transformadores 563141 Inductancia mutua 564142 El transformador bsico 565143 Transformadores elevadores y reductores 569144 Carga del devanado secundario 572145 Carga reflejada 574146 Igualacin de impedancia 576147 Caractersticas de un transformador no ideal

(transformador real) 579148 Transformadores con tomas y devanados

mltiples 582149 Localizacin de fallas 587


15 Circuitos RC 600Parte 1: Circuitos en serie

Con una introduccin a losnmeros complejos 601

151 El sistema de los nmeros complejos 601152 Respuesta sinusoidal de circuitos RC en serie 610153 Impedancia de circuitos RC en serie 611154 Anlisis de circuitos RC en serie 614

Parte 2: Circuitos en paralelo 626155 Impedancia y admitancia de circuitos RC en

paralelo 626156 Anlisis de circuitos RC en paralelo 629

Parte 3: Circuitos en serie-paralelo 635157 Anlisis de circuitos RC en serie-paralelo 635

Parte 4: Temas especiales 642158 Potencia en circuitos RC 642159 Aplicaciones bsicas 6461510 Localizacin de fallas 653


16 Circuitos RL 677Parte 1: Circuitos en serie 678

161 Respuesta sinusoidal de circuitos RL en serie 678162 Impedancia de circuitos RL en serie 679163 Anlisis de circuitos RL en serie 681

Parte 2: Circuitos en paralelo 691164 Impedancia y admitancia de circuitos RL

en paralelo 691165 Anlisis de circuitos RL en paralelo 694

Parte 3: Circuitos en serie-paralelo 698166 Anlisis de circuitos RL en serie-paralelo 698

Parte 4: Temas especiales 702167 Potencia en circuitos RL 702168 Aplicaciones bsicas 705

CONTENIDO XVII

169 Localizacin de fallas 709Una aplicacin de circuito 714

17 Circuitos RCL y resonancia 726Parte 1: Circuitos en serie 727

171 Impedancia de circuitos RLC en serie 727172 Anlisis de circuitos RLC en serie 729173 Resonancia en serie 733

Parte 2: Circuitos en paralelo 740174 Impedancia de circuitos RLC en paralelo 740175 Anlisis de circuitos RLC en paralelo 742176 Resonancia en paralelo 745

Parte 3: Circuitos en serie-paralelo 749177 Anlisis de circuitos RLC en serie-paralelo 749

Parte 4: Temas especiales 757178 Ancho de banda de circuitos resonantes 757179 Aplicaciones 761


18 Filtros pasivos 778181 Filtros pasabajas 779182 Filtros pasaaltas 786183 Filtros pasabanda 790184 Filtros rechazabanda 795


19 Teoremas de circuitos en anlisis de CA 809191 El teorema de superposicin 810192 Teorema de Thevenin 815193 Teorema de Norton 825194 Teorema de mxima transferencia de potencia 829


20 Respuesta en funcin del tiempo de circuitosreactivos 842

201 El integrador RC 843

202 Respuesta de un integrador RC a un solopulso 844

203 Respuesta de integradores RC a pulsosrepetitivos 849

204 Respuesta de un diferenciador RC a un solo pulso854

205 Respuesta de diferenciadores RC a pulsosrepetitivos 859

206 Respuesta de integradores RL a entradas de pulsos861

207 Respuesta de diferenciadores RL a entradas depulsos 866

208 Relacin de la respuesta en funcin del tiempo a larespuesta a la frecuencia 870

209 Localizacin de fallas 873Una aplicacin de circuito 876

21 Sistemas trifsicos en aplicacionesde potencia 887

211 Introduccin a mquinas trifsicas 888212 Generadores en aplicaciones de potencia 889213 Tipos de generadores trifsicos 893214 Anlisis de fuente y carga trifsicas 899215 Potencia trifsica 905

APNDICES

A Tabla de valores para resistores estndar 914

B Derivaciones 915

C Codificacin de color para capacitores 920

Respuestas a los problemas de nmero impar 924

Glosario 938

ndice 944

CANTIDADES Y UNIDADES


Auxiliares de estudio para este captulo estndisponibles enhttp://www.pearsoneducacion.net/floyd

INTRODUCCIN

El lector debe estar familiarizado con las unidadesutilizadas en electrnica y saber cmo expresarcantidades elctricas en diversas formas por medio deprefijos mtricos. Las notaciones cientfica y deingeniera son herramientas indispensables, ya seaque utilice una computadora, una calculadora o querealice los clculos a la manera antigua.

ESQUEMA DEL CAPTULO

11 Unidades de medicin12 Notacin cientfica13 Notacin de ingeniera y prefijos mtricos14 Conversiones de unidades mtricas


Analizar el estndar SI Utilizar notacin cientfica (potencias de diez) para

representar cantidades

Utilizar notacin de ingeniera y prefijos mtricospara representar cantidades grandes y pequeas

Convertir una unidad con prefijo mtrico en otra

TRMINOS CLAVE

Exponente Notacin cientfica Notacin de ingeniera Potencia de diez Prefijo mtrico SI

Cuando se trabaje conelectricidad, siempredebe considerarseprimero la seguridad.Notas de seguridaden todo el libro le

recuerdan la importancia de laseguridad y proporcionan consejospara tener un lugar de trabajoseguro. En el captulo 2 se presentanmedidas de seguridad bsicas.

NOTA DE SEGURIDAD

1

2 CANTIDADES Y UNIDADES

Unidades fundamentales y unidades derivadas

El sistema SI est basado en siete unidades fundamentales (en ocasiones llamadas unidades ba-se) y dos unidades complementarias. Todas las mediciones pueden ser expresadas como algunacombinacin de unidades fundamentales y complementarias. La tabla 1-1 enumera las unidadesfundamentales y la 1-2 las complementarias.

La unidad elctrica fundamental, el ampere, es la unidad utilizada para medir la corriente elc-trica. La corriente se abrevia con la letra I (por intensidad) y utiliza el smbolo A (por ampere). Elampere es nico en el sentido de que utiliza en su definicin a la unidad fundamental de tiempo(t) (el segundo). Todas las dems unidades elctricas y magnticas (tales como voltaje, potenciay flujo magntico) utilizan varias combinaciones de unidades fundamentales en sus definicionesy se llaman unidades derivadas.

Por ejemplo, la unidad de voltaje derivada, que es el volt (V), se define en funcin de unida-des fundamentales como el Como se puede ver, esta combinacin de unidadesfundamentales es muy complicada e imprctica. Por consiguiente, se utiliza el volt como unidadderivada.

m2 # kg # s-3 # A-1.

11 UNIDADES DE MEDICINEn el siglo XIX, las principales unidades de medicin y peso tenan que ver con el comercio.Conforme avanz la tecnologa, los cientficos e ingenieros vislumbraron la necesidad de uti-lizar unidades internacionales de medicin estndar. En 1875, en una conferencia convocadapor los franceses, representantes de dieciocho pases firmaron un tratado que estableca estn-dares internacionales. En la actualidad, todos los trabajos de ingeniera y cientficos utilizanun sistema internacional de unidades mejorado. El Systme International dUnits, abreviadoSI.*

Despus de completar esta seccin, usted debe ser capaz de: Analizar el estndar SI

Especificar las unidades SI fundamentales Especificar las unidades complementarias Explicar qu son las unidades derivadas

TABLA 11

Unidades SI fundamentales.CANTIDAD UNIDAD SMBOLO

Longitud Metro mMasa Kilogramo kgTiempo Segundo sCorriente elctrica Ampere ATemperatura Kelvin KIntensidad luminosa Candela cdCantidad de sustancia Mol mol

TABLA 12

Unidades SI suplementarias.CANTIDAD UNIDAD SMBOLO

ngulo plano Radian rngulo slido Esteradian sr

*Todos los trminos que aparecen en negritas se incluyen en el glosario al final del libro. Los trminos queaparecen en gris y en negritas son trminos clave y tambin se definen al final del captulo.

UNIDADES DE MEDICIN 3

Se utilizan smbolos literales para representar tanto cantidades como sus unidades. Se utilizaun smbolo para representar el nombre de la cantidad y otro para identificar la unidad de medi-cin de dicha cantidad. Por ejemplo, P representa potencia y W watt, que es la unidad de poten-cia. Otro ejemplo es voltaje. En este caso, la misma letra representa tanto la cantidad como suunidad. La V cursiva representa el voltaje y la V recta el volt, el cual es la unidad de voltaje. Porlo general, las letras cursivas representan la cantidad y las rectas la unidad de dicha cantidad.

La tabla 1-3 enumera las cantidades elctricas ms importantes, junto con las unidades SI de-rivadas y sus smbolos. La tabla 1-4 enumera y relaciona las cantidades magnticas, junto con lasunidades SI derivadas y sus smbolos.

TABLA 13

Cantidades elctricas yunidades derivadas consmbolos SI.

CANTIDAD SMBOLO UNIDAD SI SMBOLO

Capacitancia C Faradio FCarga Q Coulomb CConductancia G Siemens SEnerga W Joule JFrecuencia f Hertz HzImpedancia Z OhmInductancia L Henry HPotencia P Watt WReactancia X OhmResistencia R OhmVoltaje V Volt V

TABLA 14

Cantidades magnticas yunidades derivadas consmbolos SI.

CANTIDAD SMBOLO UNIDAD SI SMBOLO

Intensidad de campo magntico H Ampere vueltas/metro At/mFlujo magntico Weber WbDensidad de flujo magntico B Tesla TFuerza magnetomotriz Fm Ampere-vuelta AtPermeabilidad Weber/ampere-vuelta metro Wb/At mReluctancia r Ampere-vueltas/weber At/Wb

##m

f

1. Cmo difiere una unidad fundamental de una derivada?

2. Cul es la unidad fundamental elctrica?

3. Qu significa SI?

4. Sin recurrir a la tabla 1-3, enumere tantas cantidades elctricas como sea posible, incluidossus smbolos, unidades, y smbolos de unidad.

5. Sin recurrir a la tabla 1-4, enumere tantas cantidades magnticas como sea posible, inclui-dos sus smbolos, unidades, y smbolos de unidad.

REPASO DE LASECCIN 1-1Las respuestas seencuentran al finaldel captulo.


La notacin cientfica proporciona un mtodo conveniente para representar nmeros gran-des y pequeos y realizar clculos que implican tales nmeros. En notacin cientfica, una canti-dad se expresa como el producto de un nmero situado entre 1 y 10 y una potencia de diez. Porejemplo, la cantidad 150,000 se expresa en notacin cientfica como 1.5 105, y la cantidad0.00022 como 2.2 104.

Potencias de diez

La tabla 1-5 enumera algunas potencias de diez, tanto positivas como negativas, y los nmerosdecimales correspondientes. La potencia de diez se expresa como un exponente de la base 10en cada caso (10x). Un exponente es un nmero al cual se eleva un nmero base. Indica la can-tidad de lugares que el decimal se mueve hacia la derecha o a la izquierda para producir el nme-ro decimal. Para una potencia positiva de diez, el punto decimal se mueve hacia la derecha paraobtener el nmero decimal equivalente. Por ejemplo, para un exponente de 4,

Para una potencia negativa de diez, el punto decimal se mueve hacia la izquierda para obtener elnmero decimal equivalente. Por ejemplo, para un exponente de 4,

10-4 = 1 * 10-4 = .0001. = 0.0001

104 = 1 * 104 = 1.0000. = 10,000

12 NOTACIN CIENTFICAEn los campos de la electricidad y la electrnica, se presentan tanto cantidades muy pequeascomo muy grandes. Por ejemplo, es comn tener valores de corriente elctrica de slo unascuantas milsimas o incluso de unos cuantos millonsimos de ampere, o tener valores de re-sistencia hasta de varios miles o millones de ohms.

Despus de completar esta seccin, usted debe ser capaz de: Utilizar notacin cientfica (potencias de diez) para representar cantidades

Expresar cualquier nmero por medio de una potencia de diez Realizar clculos con potencias de diez

TABLA 15

Algunas potencias de diez positivas y negativas.

100 = 110-1 = 0.1101 = 1010-2 = 0.01102 = 10010-3 = 0.001103 = 1,00010-4 = 0.0001104 = 10,00010-5 = 0.00001105 = 100,00010-6 = 0.000001106 = 1,000,000

NOTACIN CIENTFICA 5

Exprese cada nmero en notacin cientfica.

(a) 200 (b) 5000 (c) 85,000 (d) 3,000,000Solucin En cada caso, corra el punto decimal un nmero apropiado de lugares hacia la izquierda para

determinar la potencia positiva de diez.

(a) (b)(c) (d)

Problema relacionado* Exprese 4750 en notacin cientfica.

*Las respuestas se encuentran al final del captulo.

3,000,000 = 3 : 10685,000 = 8.5 : 1045000 = 5 : 103200 = 2 : 102

EJEMPLO 11

EJEMPLO 13

Clculos con potencias de diez

La ventaja de la notacin cientfica radica en que permite efectuar las operaciones de adicin,sustraccin, multiplicacin y divisin de nmeros muy pequeos y muy grandes.

Adicin. Los pasos para sumar nmeros presentados en potencias de diez son los siguientes:

1. Expresar los nmeros a ser sumados en la misma potencia de diez.

2. Sumar los nmeros sin sus potencias de diez para obtener la adicin.

3. Recuperar la potencia de diez comn, la cual es la potencia de diez de la adicin.

EJEMPLO 12 Exprese cada nmero en notacin cientfica.

(a) 0.2 (b) 0.005 (c) 0.00063 (d) 0.000015Solucin En cada caso, corra el punto decimal un nmero apropiado de lugares hacia la derecha para

determinar la potencia negativa de diez.

(a) (b)(c) (d)

Problema relacionado Exprese 0.00738 en notacin cientfica.

0.000015 = 1.5 : 1050.00063 = 6.3 : 1040.005 = 5 : 1030.2 = 2 : 101

Exprese cada uno de los siguientes nmeros como un nmero decimal regular:

(a) (b) (c) (d)Solucin Corra el punto decimal a derecha o izquierda un nmero de lugares indicado por la potencia

positiva o negativa de diez, respectivamente.

(a) (b)(c) (d)

Problema relacionado Exprese el nmero 9.12 103 como un nmero decimal regular.

2.5 * 10-6 = 0.00000253.2 * 10-2 = 0.032

2 * 103 = 20001 * 105 = 100,000

2.50 * 10-63.2 * 10-22 * 1031 * 105


Sume 2 106 y 5 107 y exprese el resultado en notacin cientfica.

Solucin 1. Exprese ambos nmeros en la misma potencia de diez: .

2. Sume3. Recupere la potencia comn de diez (106); la suma es .

Problema relacionado Sume 3.1 103 y 5.5 104.

52 * 106 = 5.2 : 1072 + 50 = 52.

(2 * 106) + (50 * 106)

EJEMPLO 14

Sustraccin Los pasos para restar nmeros presentados en potencias de diez son los siguientes:

1. Expresar los nmeros a ser restados en la misma potencia de diez.

2. Restar los nmeros sin sus potencias de diez para obtener la diferencia.

3. Restaurar la potencia comn de diez, la cual es la potencia de diez de la diferencia.

Reste 2.5 1012 de 7.5 1011 y exprese el resultado en notacin cientfica.

Solucin 1. Exprese cada nmero en la misma potencia de diez: ( ).2. Reste3. Restaure la potencia comn de diez (1011); la diferencia es .

Problema relacionado Reste 3.5 106 de 2.2 105.

7.25 : 10117.5 - 0.25 = 7.25.

7.5 * 10-11) - (0.25 * 10-11EJEMPLO 15

Multiplicacin Los pasos para multiplicar nmeros presentados en potencias de diez son lossiguientes:

1. Multiplicar los nmeros directamente sin sus potencias de diez.

2. Sumar la potencias de diez algebraicamente (los exponentes no tienen que ser los mismos).

Multiplique 5 1012 y 3 106 y exprese el resultado en notacin cientfica.

Solucin Multiplique los nmeros, y sume las potencias algebraicamente.

Problema relacionado Multiplique 3.2 106 y 1.5 103.

(5 * 1012)(3 * 10-6) = 15 * 1012+ (-6) = 15 * 106 = 1.5 : 107

EJEMPLO 16

Divisin Los pasos para dividir nmeros presentados en potencias de diez son los siguientes:

1. Dividir los nmeros directamente sin sus potencias de diez.

2. Restar la potencia de diez del denominador de la potencia de diez del numerador (las po-tencias no tienen que ser las mismas).

NOTACIN DE INGENIERA Y PREFIJOS MTRICOS 7

Divida 5.0 108 entre 2.5 103 y exprese el resultado en notacin cientfica.

Solucin Escriba el problema de divisin con un numerador y un denominador, como

Divida los nmeros y reste las potencias de diez (3 de 8).

Problema relacionado Divida 8 106 entre 2 1010.

5.0 * 108

2.5 * 103= 2 * 108-3 = 2 : 105

5.0 * 108

2.5 * 103

EJEMPLO 17

1. La notacin cientfica utiliza potencias de diez. (Verdadero o falso)

2. Exprese 100 como una potencia de diez.

3. Exprese los siguientes nmeros en notacin cientfica:

(a) 4350 (b) 12,010 (c) 29,000,000

4. Exprese los siguientes nmeros en notacin cientfica:

(a) 0.760 (b) 0.00025 (c) 0.000000597

5. Realice las siguientes operaciones:

(a) (b)

(c) (d) (2.5 * 10-6) - (1.3 * 10-7)(8 * 103) , (4 * 102)(3 * 106)(2 * 104)(1 * 105) + (2 * 105)

REPASO DE LASECCIN 12

13 NOTACIN DE INGENIERA Y PREFIJOS MTRICOSLa notacin de ingeniera, una forma especializada de notacin cientfica, se utilizamucho en los campos tcnicos para representar cantidades grandes y pequeas. Enelectrnica, la notacin de ingeniera se emplea para representar valores de voltaje, co-rriente, potencia, resistencia, capacitancia, inductancia y tiempo, por nombrar algunos.Los prefijos mtricos se utilizan junto con la notacin de ingeniera como abreviaturapara ciertas potencias de diez que son mltiplos de tres.

Despus de completar esta seccin, usted debe ser capaz de: Utilizar notacin de ingeniera y prefijos mtricos para representar grandes y

pequeas cantidades Enumerar los prefijos mtricos Cambiar una potencia de diez dada en notacin de ingeniera a un prefijo mtrico Utilizar prefijos mtricos para expresar cantidades elctricas Convertir un prefijo mtrico en otro

Notacin de ingeniera

La notacin de ingeniera es similar a la notacin cientfica. Sin embargo, en notacin de inge-niera un nmero puede tener de uno a tres dgitos a la izquierda del punto decimal y el expo-nente de potencia de diez debe ser un mltiplo de tres. Por ejemplo, el nmero 33,000 expresado


en notacin de ingeniera es 33 103. En notacin cientfica, se expresa como 3.3 104. Comootro ejemplo, el nmero 0.045 expresado en notacin de ingeniera es 45 103. En notacincientfica, se expresa como 4.5 102.

Exprese los siguientes nmeros en notacin de ingeniera:

(a) 82,000 (b) 243,000 (c) 1,956,000Solucin En notacin de ingeniera,

(a) 82,000 se expresa como .(b) 243,000 se expresa como .(c) 1,956,000 se expresa como .

Problema relacionado Exprese 36,000,000,000 en notacin de ingeniera.

1.956 : 106243 : 103

82 : 103

Convierta cada uno de los siguientes nmeros en notacin de ingeniera:

(a) 0.0022 (b) 0.000000047 (c) 0.00033Solucin En notacin de ingeniera,

(a) 0.0022 se expresa como .(b) 0.000000047 se expresa como .(c) 0.00033 se expresa como .

Problema relacionado Exprese 0.0000000000056 en notacin de ingeniera.

330 : 10647 : 109

2.2 : 103

EJEMPLO 19

Prefijos mtricos

En notacin de ingeniera, los prefijos mtricos representan cada una de las potencias de diezms comnmente utilizadas. Estos prefijos mtricos se enumeran en la tabla 1-6 junto con sussmbolos y potencias de diez correspondientes.

Se utilizan prefijos mtricos slo con nmeros que tienen una unidad de medida, tal comovolts, amperes y ohms, y preceden al smbolo de la unidad. Por ejemplo, 0.025 amperes puede serexpresada en notacin de ingeniera como 25 103. Esta cantidad, expresada utilizando un pre-fijo mtrico, es 25 mA, la cual se lee 25 miliamperes. Observe que el prefijo mtrico mili ha

TABLA 16

Prefijos mtricos con sussmbolos, sus potencias dediez y sus valores.

PREFIJOS MTRICOS SMBOLO POTENCIA DE DIEZ VALOR

femto f un mil billonsimopico p un billonsimonano n un mil millonsimomicro un millonsimomili m un milsimokilo k un milmega M un millngiga G un mil millonestera T un billn1012

10910610310-310-6m10-910-1210-15

EJEMPLO 18

NOTACIN DE INGENIERA Y PREFIJOS MTRICOS 9

Exprese cada cantidad utilizando un prefijo mtrico:(a) 50,000 V (b) 25,000,000 (c) 0.000036 A

Solucin (a)(b)(c) 36 A

Problema relacionado Exprese utilizando prefijos mtricos:(a) 56,000,000 (b) 0.000470 A

M0.000036 A = 36 * 10-6 A =

25,000,000 = 25 * 106 = 25 M

50,000 V = 50 * 103 V = 50 kV

EJEMPLO 110

reemplazado a 103. Como otro ejemplo, 100,000,000 ohms puede ser expresada como 100 106 . Esta cantidad, expresada utilizando un prefijo mtrico, es 100 M, la cual se lee 100 me-gohms. El prefijo mtrico mega ha reemplazado a 106.

1. Exprese los siguientes nmeros en notacin de ingeniera:

(a) 0.0056 (b) 0.0000000283 (c) 950,000 (d) 375,000,000,000

2. Anote el prefijo mtrico apropiado para cada una de las siguientes potencias de diez:106, 103, 103, 106, 109 y 1012

3. Use un prefijo mtrico apropiado para expresar 0.000001 A.

4. Use un prefijo mtrico apropiado para expresar 250,000 W.


Informacin para usuarios de calculadoras

Todas las calculadoras cientficas y de grficos incluyen funciones para ingresar y desplegar n-meros en varios formatos. Las notaciones de ingeniera y cientfica son casos especiales de nota-cin exponencial (potencias de diez). La mayora de las calculadoras dispone de una teclaidentificada como EE (o EXP) que se utiliza para ingresar el exponente de nmeros. Para ingre-sar un nmero en notacin exponencial, primero se ingresa el nmero base, incluido el signo, yluego se oprime la tecla EE, y enseguida el exponente, incluido el signo.

Las calculadoras cientficas y de grficos tienen pantallas de visualizacin para mostrar la po-tencia de diez. Algunas calculadoras muestran el exponente como un pequeo nmero elevado ala derecha de lo que muestra la pantalla.

47.0 03

Otras calculadoras lo muestran con una E pequea seguida por el exponente.

47.0E03

Advierta que, en general, no se muestra la base 10, sino que es implicada o representada por la E.Cuando se escribe el nmero, se tiene que incluir la base 10. El nmero mostrado anteriormentese escribe como 47.0 103.

Algunas calculadoras se activan en el modo de notacin cientfica o de ingeniera por mediode una funcin secundaria o terciaria, tal como SCI o ENG. Entonces los nmeros se ingresan enforma decimal regular. La calculadora los convierte automticamente al formato apropiado. Enotras calculadoras el modo se selecciona con un men.

Siempre revise el manual del usuario de su calculadora particular para determinar cmo utili-zar las funciones de notacin exponencial.


14 CONVERSIONES DE UNIDADES MTRICASEn ocasiones es necesario o conveniente convertir la cantidad de una unidad que tiene un pre-fijo mtrico a otra, tal como de miliamperes (mA) a microamperes (mA). Recorriendo el pun-to decimal del nmero una cantidad apropiada de lugares hacia la izquierda o la derecha,segn la conversin de que se trate, se obtiene la conversin de unidad mtrica.

Despus de completar esta seccin, usted debe ser capaz de: Convertir una unidad con un prefijo mtrico en otra

Convertir entre mili, micro, nano y pico Convertir entre kilo y mega

Las siguientes reglas bsicas son aplicables a conversiones de unidades mtricas:

1. Cuando se convierte una unidad grande en otra ms pequea, el punto decimal se muevehacia la derecha.

2. Cuando se convierte una unidad pequea en otra ms grande, el punto decimal se muevehacia la izquierda.

3. Se determina el nmero de lugares que debe recorrerse el punto decimal encontrando ladiferencia en las potencias de diez de las unidades a convertir.

Por ejemplo, cuando se convierten miliamperes (mA) en microamperes (A), el punto decimal serecorre tres lugares hacia la derecha porque existe una diferencia de tres lugares entre las dos uni-dades (mA es 103 A y A es 106 A). Los ejemplos siguientes ilustran algunas conversiones.

Convierta 0.15 miliamperes (0.15 mA) a microamperes ( ).Solucin Recorra el punto decimal tres lugares hacia la derecha.

Problema relacionado Convierta 1 mA en microamperes.

0.15 mA = 0.15 * 10-3 A = 150 * 10-6 A = 150 MA

mAEJEMPLO 111

Convierta 4500 microvolts (4500 V) a milivolts (mV).Solucin Recorra el punto decimal tres lugares hacia la izquierda.

Problema relacionado Convierta 1000 V a milivolts.

4500 mV = 4500 * 10-6 V = 4.5 * 10-3 V = 4.5 mV

EJEMPLO 112

Convierta 5000 nanoamperes (5000 nA) a microamperes ( A).Solucin Recorra el punto decimal tres lugares hacia la izquierda.

Problema relacionado Convierta 893 nA a microamperes.

5000 nA = 5000 * 10-9 A = 5 * 10-6 A = 5 MA

mEJEMPLO 113

CONVERSIONES DE UNIDADES MTRICAS 11

Convierta 47,000 picofarads (47,000 pF) en microfarads (F).Solucin Recorra el punto decimal seis lugares hacia la izquierda.

Problema relacionado Convierta 10,000 pF a microfarads.

47,000 pF = 47,000 * 10-12 F = 0.047 * 10-6 F = 0.047 MF

EJEMPLO 114

Convierta 0.00022 microfarads (0.00022 F) a picofarads (pF).Solucin Recorra el punto decimal seis lugares hacia la derecha.

Problema relacionado Convierta 0.0022 F a picofarads.

0.00022 mF = 0.00022 * 10-6 F = 220 * 10-12 F = 220 pF

EJEMPLO 115

Convierta 1800 kilohms (1800 k) a megohms (M).Solucin Recorra el punto decimal tres lugares hacia la izquierda.

Problema relacionado Convierta 2.2 k a megohms.

1800 k = 1800 * 103 = 1.8 * 106 = 1.8 M

EJEMPLO 116

Cuando se suman (o restan) cantidades con diferentes prefijos mtricos, primero se convierteuna de la cantidades al mismo prefijo que la otra.

Sume 15 mA y 8000 A y exprese la suma en miliamperes.

Solucin Cambie 8000 A a 8 mA y sume.

Problema relacionado Sume 2873 mA a 10,000 A; exprese la suma en miliamperes

= 15 * 10-3 A + 8 * 10-3 A = 15 mA + 8 mA = 23 mA 15 mA + 8000 mA = 15 * 10-3 A + 8000 * 10-6 A

EJEMPLO 117

1. Convierta 0.01 MV a kilovolts (kV).

2. Convierta 250,000 pA a miliamperes (mA).

3. Sume 0.05 MW y 75 kW y exprese el resultado en kW.

4. Sume 50 mV y 25,000 V y exprese el resultado en mV.



RESUMEN SI es una abreviatura de Systme International dUnits y representa un sistema estandarizado de unidades. Una unidad fundamental es una unidad SI de la cual se derivan otras unidades SI. Existen siete unidades

fundamentales. La notacin cientfica es un mtodo estndar empleado para representar nmeros muy grandes y muy pe-

queos tal como si fuesen un nmero entre uno y diez (un dgito a la izquierda del punto decimal) mul-tiplicado por una potencia de diez.

La notacin de ingeniera es un mtodo estndar empleado para representar cantidades con dos o tres d-gitos a la izquierda del punto decimal multiplicados por una potencia de diez que es un mltiplo de tres.

Los prefijos mtricos representan potencias de diez en nmeros expresados en notacin de ingeniera.

TRMINOS CLAVE En el glosario incluido al final del libro tambin se definen estos trminos clave.

Exponente Es el nmero al cual se eleva un nmero base. Notacin cientfica Sistema empleado para representar cualquier nmero como un nmero entre 1 y 10multiplicado por una potencia de diez apropiada.Notacin de ingeniera Sistema empleado para representar cualquier nmero como un nmero de uno,dos o tres dgitos multiplicado por una potencia de diez con un exponente que es mltiplo de 3. Potencia de diez Representacin numrica compuesta de una base de 10 y un exponente; el nmero 10elevado a una potencia.Prefijo mtrico Afijo que representa un nmero que es potencia de diez expresado en notacin de ingeniera.SI Sistema internacional estandarizado de unidades de medicin que se utiliza en todo trabajo de ingenie-ra y cientfico; abreviatura francesa para Le Systme International dUnits.

AUTOEVALUACIN Las respuestas se encuentran al final del captulo.

1. Cul de los siguientes trminos no representa una cantidad elctrica?(a) corriente (b) voltaje (c) tiempo (d) potencia

2. La unidad de corriente es(a) volt (b) watt (c) ampere (d) joule

3. La unidad de voltaje es (a) ohm (b) watt (c) volt (d) farad

4. La unidad de resistencia es(a) ampere (b) henry (c) hertz (d) ohm

5. Hertz es la unidad de(a) potencia (b) inductancia (c) frecuencia (d) tiempo

6. 15,000 W es lo mismo que (a) 15 mW (b) 15 kW (c) 15 MW (d) 15 W

7. La cantidad 4.7 103 es lo mismo que (a) 470 (b) 4700 (c) 47,000 (d) 0.0047

8. La cantidad 56 103 es lo mismo que (a) 0.056 (b) 0.560 (c) 560 (d) 56,000

9. El nmero 3,300,000 puede ser expresado en notacin de ingeniera como (a) (b) (c) (d) cualquier respuesta (a) o (c)

10. Diez miliamperes pueden ser expresados como (a) 10 MA (b) 10 A (c) 10 kA (d) 10 mA

11. Cinco mil volts pueden ser expresados como(a) 5000 V (b) 5 MV (c) 5 kV (d) cualquier respuesta (a) o (c)

12. Veinte millones de ohms pueden ser expresados como (a) 20 m (b) 20 MW (c) 20 M (d) 20 m

m

3.3 * 1063.3 * 10-63300 * 103

m

PROBLEMAS 13

PROBLEMAS Las respuestas a problemas de nmero impar se encuentran al final del libro.

SECCIN 12 Notacin cientfica

1. Exprese cada uno de los nmeros siguientes en notacin cientfica:(a) 3000 (b) 75,000 (c) 2,000,000

2. Exprese cada nmero fraccionario en notacin cientfica:(a) 1/500 (b) 1/2000 (c) 1/5,000,000

3. Exprese cada uno de los nmeros siguientes en notacin cientfica:(a) 8400 (b) 99,000 (c)

4. Exprese cada uno de los nmeros siguientes en notacin cientfica:(a) 0.0002 (b) 0.6 (c)

5. Exprese cada uno de los nmeros siguientes en notacin cientfica:(a) (b) (c)

6. Exprese cada uno de los nmeros siguientes como un nmero decimal regular:(a) (b) (c)

7. Exprese cada uno de los nmeros siguientes como un nmero decimal regular:(a) (b) (c)

8. Exprese cada nmero de los siguientes como un nmero decimal regular:(a) (b) (c)

9. Sume los nmeros siguientes:(a) (b)(c)

10. Efecte las siguientes sustracciones:(a) (b)(c)

11. Realice las siguientes multiplicaciones:(a) (b)(c)

12. Realice las siguientes divisiones:(a) (b)(c)

SECCIN 13 Notacin de ingeniera y prefijos mtricos

13. Exprese cada uno de los nmeros siguientes en notacin de ingeniera:(a) 89,000 (b) 450,000 (c) 12,040,000,000,000

14. Exprese cada nmero en notacin de ingeniera:(a) (b) (c)

15. Exprese cada nmero en notacin de ingeniera:(a) 0.000345 (b) 0.025 (c) 0.00000000129

16. Exprese cada nmero en notacin de ingeniera: (a) (b) (c)

17. Sume los nmeros siguientes y exprese cada resultado en notacin de ingeniera:(a) (b)(c)

18. Multiplique los nmeros siguientes y exprese cada resultado en notacin de ingeniera:(a) (b)(c) 100(55 * 10-3)

(1.2 * 10-6)(1.2 * 10-6)(32 * 10-3)(56 * 103)

(1.25 * 106) + (250 * 103)(68 * 106 ) + (33 * 106)(2.5 * 10-3) + (4.6 * 10-3)

4.38 * 10-74.82 * 10-49.81 * 10-3

1.333 * 1097.32 * 1072.35 * 105

(4.2 * 108) , (2 * 10-5)(2.5 * 10-6) , (5.0 * 10-8)(1.0 * 103) , (2.5 * 102)

(2.2 * 10-9)(7 * 10-6)(1.2 * 1012)(3 * 102)(5 * 103)(4 * 105)

(1.5 * 10-12) - (8 * 10-13)(2.6 * 108) - (1.3 * 107)(3.2 * 1012) - (1.1 * 1012)

(5.6 * 10-8) + (4.6 * 10-9)(5 * 103) + (8.5 * 10-1)(9.2 * 106) + (3.4 * 107)

4.0 * 10-128 * 10-94.5 * 10-6

3.9 * 10-15.0 * 1022.5 * 10-6

1.0 * 1015.4 * 10-92 * 105

870 * 1086800 * 10-632 * 103

7.8 * 10-2

0.2 * 106


19. Divida los nmeros siguientes y exprese cada resultado en notacin de ingeniera:(a) (b)(c)

20. Exprese cada nmero del problema 13 en ohms por medio de un prefijo mtrico. 21. Exprese cada nmero del problema 15 en amperes por medio de un prefijo mtrico. 22. Exprese cada uno de los siguientes nmeros como una cantidad precedida por un prefijo mtrico:

(a) (b) (c)23. Exprese cada una de las cantidades siguientes por medio de prefijos mtricos:

(a) (b) (c)24. Exprese cada una de las cantidades siguientes por medio de prefijos mtricos:

(a) (b) (c)25. Exprese cada cantidad convirtiendo el prefijo mtrico en una potencia de 10:

(a) 7.5 pA (b) 3.3 GHz (c) 280 nW26. Exprese cada cantidad en notacin de ingeniera:

(a) 5 A (b) 43 mV (c) 275 k (d) 10 MW

SECCIN 14 Conversiones de unidades mtricas

27. Realice las conversiones indicadas:(a) 5 mA a microamperes (b) 3200 W a miliwatts (c) 5000 kV a megavolts (d) 10 MW a kilowatts

28. Determine lo siguiente:(a) El nmero de microamperes en 1 miliampere(b) El nmero de milivolts en 0.05 kilovolts (c) El nmero de megohms en 0.02 kilohms (d) El nmero de kilowatts en 155 miliwatts

29. Sume las siguientes cantidades:(a) (b) 120 k 2.2 M (c)

30. Realice las siguientes operaciones:(a) (b) (c)

RESPUESTAS

REPASOS DE SECCIN

SECCIN 11 Unidades de medicin

1. Las unidades fundamentales definen las derivadas. 2. Ampere. 3. SI es la abreviatura de Systme International. 4. Remtase a la tabla 1-3 una vez que haya compilado su lista de cantidades elctricas.5. Remtase a la tabla 1-4 una vez que haya compilado su lista de cantidades magnticas.

SECCIN 12 Notacin cientfica

1. Verdadero 2. 102

3. (a) (b) (c)4. (a) (b) (c)5. (a) (b) (c) (d) 2.37 * 10-62 * 1016 * 10103 * 105

5.97 * 10-72.5 * 10-47.6 * 10-12.9 * 1071.201 * 1044.35 * 103

1 MW , 2 kW250 mV , 50 mV10 k , (2.2 k + 10 k)

0.02 mF + 3300 pF50 mA + 680 mA

m

4.7 * 103 8 * 109 Hz2.5 * 10-12 A

350 * 10-9 A3.3 * 106 3 * 10-6 F

20 * 10-12 F5.5 * 103 V31 * 10-3 A

560 * 103 , (660 * 103)(5 * 103) , (25 * 10-6)50 , (2.2 * 103)

RESPUESTAS 15

SECCIN 13 Notacin de ingeniera y prefijos mtricos

1. (a) (b) (c) (d)2. Mega (M), kilo (k), mili (m), micro (), nano (n), y pico (p).3. 1 A (un microampere)4. 250 kW (250 kilowatts)

SECCIN 14 Conversin de unidades mtricas

1.2.3.4.

PROBLEMAS RELACIONADOS CON LOS EJEMPLOS

111213 9120141516171819110 (a) 56 M (b) 470 A111 1000 A112 1 mV113 0.893 A114 0.01 F115 2200 pF116 0.0022 M117 2883 mA

AUTOEVALUACIN

1. (c) 2. (c) 3. (c) 4. (d) 5. (c) 6. (b)7. (b) 8. (a) 9. (d) 10. (d) 11. (d) 12. (c)

m

m

m

m5.6 * 10-1236 * 1094 * 1044.8 * 1031.85 * 10-55.81 * 104

7.38 * 10-34.75 * 103

50 mV + 25,000 mV = 50 mV + 25 mV = 75 mV0.05 MW + 75 kW = 50 kW + 75 kW = 125 kW250,000 pA = 0.00025 mA0.01 MV = 10 kV

m

375 * 109950 * 10328.3 * 10-95.6 * 10-3

VOLTAJE, CORRIENTEY RESISTENCIA

ESQUEMA DEL CAPTULO

21 Estructura atmica22 Carga elctrica23 Voltaje, corriente y resistencia24 Fuentes de voltaje y de corriente25 Resistores26 El circuito elctrico27 Mediciones de circuito bsicas28 Seguridad elctrica

Una aplicacin de circuito


Describir la estructura bsica de los tomos Explicar el concepto de carga elctrica Definir voltaje, corriente y resistencia y analizar sus

caractersticas Analizar una fuente de voltaje y una fuente de co-

rriente Reconocer y analizar diversos tipos y valores de re-

sistencias Describir un circuito elctrico bsico Realizar mediciones de circuito bsicas Reconocer los riesgos elctricos y practicar proce-

dimientos de seguridad

DESCRIPCIN PREVIA DE LA APLICACIN DE UN CIRCUITO

En la seccin titulada Una aplicacin de un circuito, ve-r cmo se aplica la teora presentada en este captuloa un circuito prctico que simula ser una parte del sis-tema de iluminacin de un automvil. Las luces de unautomvil son ejemplos de tipos simples de circuitoselctricos. Cuando usted enciende los faros delanterosy las luces traseras est conectndolos a la batera, lacual proporciona el voltaje y produce corriente en cadafoco. La corriente hace que los focos emitan luz. stostienen una resistencia que limita la cantidad de co-rriente. La luz del tablero de instrumentos puede serajustada en la mayora de los automviles en cuanto abrillantez. Al girar una perilla la resistencia del circuitocambia, por lo que la corriente cambia tambin. La co-rriente que pasa por el foco determina su brillantez.


Apoyos complementarios de estudio para este captu-lo estn disponibles en http://www.pearsoneducacion.net/floyd

INTRODUCCIN

La aplicacin til de la tecnologa electrnica en situa-ciones prcticas requiere que primero se conozca la teo-ra fundamental de una aplicacin dada. Una vez queusted haya dominado la teora, puede aprender a apli-carla en la prctica. En este captulo y en lo que restadel libro, aprender a poner en prctica la teora en apli-caciones de circuitos.

En este captulo se introducen los conceptos teri

principios de circuitos electricos - floyd

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