Investigación Nº 3 - ITSA

Teoría Básica de los Circuitos Eléctricos DC

Circuito eléctrico

Un circuito eléctrico es una interconexión de elementos eléctricos unidos entre sí de forma que pueda fluir una corriente eléctrica.

En la figura 1 se puede ver un ejemplo circuito eléctrico. Se puede ver cómo los diferentes elementos están conectados entre sí mediante conductores o cables.

Figura 1. Ejemplo de circuito eléctrico.

Teoría de Circuitos

La Teoría de Circuitos es una herramienta matemática que nos permite calcular la tensión y la corriente eléctrica en los elementos de un circuito.

Mediante la Teoría de Circuitos se pueden realizar:

Análisis de circuitos: Conocer el comportamiento de un circuito dada una topología.

Síntesis de circuitos: Conocer la topología de un circuito dado un comportamiento.

Jhonatan J. Pulido Delgadillo

Investigación Nº 3 - ITSA

La Teoría de Circuitos no entra en el interior de los dispositivos, sino que utiliza modelos de los mismos y leyes físicas para conocer el valor de las variables un circuito.En la definición se han utilizado términos no conocidos hasta ahora, como el de tensión y corriente eléctrica. Estos conceptos son muy importantes, ya que las magnitudes que caracterizan el comportamiento de un circuito son precisamente la tensión y la corriente eléctrica de cada uno de sus dispositivos. Por tanto, éstas serán las incógnitas en cualquier problema de teoría de circuitos. A continuación se explicará el significado físico de estas magnitudes.

Circuito Cerrado

En este circuito se conocen el voltaje y la resistencia, de manera que podemos calcular la corriente usando la expresión (1) para la ley de Ohm. Por convención, la corriente sale del lado positivo de batería, atraviesa el resistor, y entra por el lado negativo de batería. El circuito se “cierra” a través de la batería, alcanzando el lado positivo. El concepto de circuito “cerrado” es muy importante. Por ejemplo, el terminal negativo de batería puede ser conectado a tierra, como muestra en la Fig A1.4 (nuevos símbolos eléctricos). Si no hay otra conexión a tierra, no puede establecerse otra corriente. Si, accidentalmente, el positivo de batería es conectado a tierra (línea punteada), se establecerá un nuevo circuito cerrado (positivo-tierra-tierra-negativo). Este nuevo circuito, de resistencia cero, cortocircuitaría la batería. Una conexión a tierra no altera un circuito cerrado. Sólo sirve para fijar un voltaje de referencia, el que, por convención, tiene cero volts.

Corto Circuito

Se denomina cortocircuito al fallo en un aparato o línea eléctrica por el cual la corriente eléctrica pasa directamente del conductor activo o fase al neutro o tierra en sistemas monofásicos de corriente alterna, entre dos fases o igual al caso anterior para sistemas polifásicos, o entre polos opuestos en el caso de corriente continua.

El cortocircuito se produce normalmente por los fallos en el aislante de los conductores, cuando estos quedan sumergidos en un medio conductor como el agua o por contacto accidental entre conductores aéreos por fuertes vientos o rotura de los apoyos.

Debido a que un cortocircuito puede causar importantes daños en las instalaciones eléctricas e incluso incendios en edificios, estas instalaciones están normalmente dotadas de fusibles, interruptores magneto térmicos o diferenciales a fin de proteger a las personas y las cosas.

Jhonatan J. Pulido Delgadillo

Investigación Nº 3 - ITSA

Magnitudes de un circuito: Tensión e intensidad

La corriente eléctrica o intensidad se define como el flujo de carga a través deun conductor eléctrico.

Para comprender esta definición se necesita introducir una serie de conceptos. En primer lugar hay que tener claro el concepto de carga. La carga, al igual que la masa, longitud y tiempo, es una propiedad de la materia; y se mide en Culombios (C). La física elemental establece que toda materia está formada por átomos, y que cada uno de ellos está compuesto por electrones, protones y neutrones. Por otro lado, la carga de un electrón es negativa (por convención) y de valor −1.602⋅10−19C y la del protón es positiva de la misma magnitud. De esta forma, un átomo con igual número de electrones y de protones tiene carga neutra, mientras que si el número de electrones es mayor que el de protones está cargado negativamente. Por otra parte, un conductor eléctrico posee electrones capaces de moverse a lo largo del conductor como respuesta a una fuerza electromotriz. Cuando en un conductor aplicamos un campo eléctrico las cargas son obligadas a moverse (sufren la acción de una fuerza por unidad de carga). El movimiento de cargas forma una corriente eléctrica. Como convención, se considera el flujo de corriente positivo cuando es opuesto al flujo de electrones, como puede verse en la figura 2.

Figura 2. Corriente eléctrica debido al movimiento de cargas en un conductor.

La corriente eléctrica se mide en Amperios (A = C/s ) y su definición matemática sería:

Dónde:

i: intensidad.q: carga.t: tiempo.

Jhonatan J. Pulido Delgadillo

Investigación Nº 3 - ITSA

Tensión o diferencia de potencial

La tensión o diferencia de potencial entre dos puntos de un circuito se define como el trabajo necesario para mover una carga unitaria entre dichos puntos. Se mide enVoltios (V).Vamos a intentar explicar esta definición. Para mover un electrón de un conductor en una dirección particular se requiere cierto trabajo o transferencia de energía. Este trabajo, que se conoce con el nombre de tensión o diferencia de potencial, lo lleva a cabo una fuerza electromotriz. Matemáticamente, podemos definir la tensión entre los puntos a y b de un circuito como:

Vab: Tensión entre a y b.w: Trabajo.q: Carga.

Como se puede deducir de la definición, las dimensiones del Voltio son:

Resistencia Eléctrica

Jhonatan J. Pulido Delgadillo

Investigación Nº 3 - ITSA

Se llama resistencia eléctrica de un conductor a la mayor o menor dificultad que ofrece al paso de la corriente. Los buenos conductores ofrecen poca resistenci a, los resistivos o malos mucha y los aislantes una resistencia total al paso de la corriente. Se representa por la letra R. La unidad de resistencia electrica es el ohmio y se designa por la letra griega Ω (omega). Se ha comprobado que dos conductores de la misma longitud y sección pero de distinto material, no ofrecen la misma resistencia electrica. A esa resistencia especifica del material se llama resistividad, y se representa por la letra griega ρ (ro). Con todo ello, la resistencia de un conductor depende de la longitud, seccion y resistividad, teniendo que:

Los resistores o resistencias son dispositivos que se caracterizan por oponerse en mayor o menor grado al paso dela corriente. En estos dispositivos se cumple la ley de ohm. (V= IR). Básicamente son, físicamente, un elemento resistivo, aislado, con puntas conectoras, tal como lo muestra la figura.

Ley de Ohm

Jhonatan J. Pulido Delgadillo

Investigación Nº 3 - ITSA

El fisico Ohm enuncio una ley que lleva su nombre y combina los dos fenomenos anteriores, diciendo: la intensidad de corriente que atraviesa un circuito es directamente proporcional a la tensión aplicada, e inversamente proporcional a la resistencia que opone el circuito:

Topología de un circuito

Jhonatan J. Pulido Delgadillo

Investigación Nº 3 - ITSA

Una rama representa a cualquier elemento de dos terminales dentro de un circuito.

Un nodo es el punto de interconexión de dos o más ramas.

Jhonatan J. Pulido Delgadillo

Investigación Nº 3 - ITSA

Un bucle es cualquier trayectoria cerrada dentro de un circuito, de forma que partiendo de uno nodo se vuelva de nuevo al nodo de partida sin pasar dos veces por el mismo nodo.

Potencia eléctrica

La potencia eléctrica es la relación de paso de energía por unidad de tiempo; es decir, la cantidad de energía entregada o absorbida por un elemento en un tiempo determinado (p = dW / dt). La unidad en el Sistema Internacional de Unidades es el vatio o watt, que es lo mismo.

Cuando una corriente eléctrica fluye en un circuito, puede transferir energía al hacer un trabajo mecánico o termodinámico. Los dispositivos convierten la energía eléctrica de muchas maneras útiles, como calor, luz (lámpara incandescente), movimiento (motor eléctrico), sonido (altavoz) o procesos químicos. La electricidad se puede producir mecánicamente o químicamente por la generación de energía eléctrica, o también por la transformación de la luz en las células fotoeléctricas. Por último, se puede almacenar químicamente en baterías.

Potencia en corriente continua

Cuando se trata de corriente continua (CC) la potencia eléctrica desarrollada en un cierto instante por un dispositivo de dos terminales, es el producto de la diferencia de potencial entre dichos terminales y la intensidad de corriente que pasa a través del dispositivo. Por esta razón la potencia es proporcional a la corriente y a la tensión. Esto es,

Jhonatan J. Pulido Delgadillo

Investigación Nº 3 - ITSA

Donde I es el valor instantáneo de la corriente y V es el valor instantáneo del voltaje. Si I se expresa en amperios y V en voltios, P estará expresada en watts (vatios). Igual definición se aplica cuando se consideran valores promedio para I, V y P.

Cuando el dispositivo es una resistencia de valor R o se puede calcular la resistencia equivalente del dispositivo, la potencia también puede calcularse como

Potencia Mecánica

Es aquella magnitud escalar que nos indica la rapidez con la que se puede realizar trabajo.

Donde; P : potencia.W: trabajo.t : tiempo.

La Energía Eléctrica

La energía eléctrica (E) es la forma más versátil de las energías manejadas por el hombre. Se define como el trabajo que puede realizar una potencia eléctrica dada en un tiempo dado. Por lo tanto la energía se puede calcular mediante la expresión siguiente:

La energía eléctrica se mide en Joules (J), sin embargo en el campo de la electricidad se suele utilizar el kW-h (kilowatt hora). Y esta unidad es la que aparece en las facturas de la empresa eléctrica.

1 kW-h = 3,6 Megajoule

En el ejemplo, si el horno estuviera funcionando 10 horas, la energía consumida sería:

Jhonatan J. Pulido Delgadillo

Investigación Nº 3 - ITSA

Energía = P.t = 11 kW * 10 horas = 110 kW-h.

Potencia de un Circuito Paralelo

La potencia total producida por el generador es igual a:

Las potencias consumidas en cada una de las resistencias son:

La suma de las potencias parciales de un circuito paralelo es igual a la potencia totalque suministra el generador:

Potencia en un Circuito Serie:

La potencia total que suministra el generador en un circuito serie se calculamultiplicando la tensión total del generador por la intensidad que suministra el mismo:

Las potencias consumidas en cada una de las resistencias se obtienen igual:

Se cumple que la suma de las potencias parciales de cada una de las resistencias de uncircuito serie es igual a la potencia total suministrada por el generador.

Tipos de Circuitos

Jhonatan J. Pulido Delgadillo

Investigación Nº 3 - ITSA

Los componentes de un circuito eléctrico se pueden conectar de distintas maneras. En función a como estén conectados distinguimos:

Circuito serie: los elementos están conectados uno a continuación del otro de forma que por todos ellos pase la misma intensidad de corriente.

Circuito paralelo: los elementos están colocados de manera que sus extremos estén conectados a puntos comunes (misma tensión).

Jhonatan J. Pulido Delgadillo

Investigación Nº 3 - ITSA

Circuito mixto: existen a la vez elementos conectados en serie y en paralelo.

Jhonatan J. Pulido Delgadillo