FEM y Circuitos de corriente directa, CD tomado de Ohanian/Markert, 2009

Transcripción

1 FEM y Circuitos de corriente directa, CD tomado de Ohanian/Markert, 2009 Los circuitos eléctricos instalados en automóviles, casas, fábricas conducen uno de los dos tipos de corriente: Corriente directa (CD) o Corriente alterna (CA) 1

2 Para mantener fluyendo la corriente en los conductores del circuito se deben conectar las terminales a una bomba de electricidad : que suministra continuamente cargas eléctricas introduciéndolas por un extremo y sacándolas por el otro. La corriente alterna invierte periódicamente su dirección de flujo por el conductor: la corriente alterna oscila en forma sinusoidal en la dirección positiva y la dirección negativa. La corriente directa fluye constantemente por los conductores del circuito, permanece constante, excepto cuando se conecta o desconecta. Ejs. Acumulador de automóvil, baterías. Ejs. generador de central eléctrica. 2

3 Fuerza electromotriz, FEM Un alambre resistivo conectado a las terminales de una batería. La energía potencial U de una carga (positiva) es alta, cuanto está en la terminal positiva P de la batería. La energía potencial U decrece en forma gradual a medida que la carga recorre el alambre hacia la terminal negativa P. Después, la energía potencial vuelve a aumentar a medida que la carga atraviesa la batería (línea interrumpida) de P a P 3

4 Fuerza electromotriz, FEM Unidades: energía/ carga [=] J/C = volt A la FEM también se le llama voltaje o tensión de la fuente. Gráfica del potencial eléctrico, o energía potencial por coulomb de carga, en función de la posición a lo largo del conductor, para el circuito batería alambre. 4

5 Ejemplos de Fuentes de FEM Acumulador plomo-ácido Un acumulador de automóvil Pila seca alcalina Celda de 5 combustible

6 Circuitos En un circuito, la energía que recibe la carga de la fuente de FEM debe ser exactamente igual a la energía que pierde en el interior del alambre (conservación de energía). Balance de energía: + V = 0 + (V2 V1) = 0 NOTE: es positiva y V es negativa. 6

7 Circuitos de una malla Una linterna de mano contiene un foco conectado en serie con dos baterías Diagrama eléctrico: cada una de las baterías se representa por una pila de líneas paralelas, cortas y largas, con signos más y menos Resistencia interna de la batería: el electrolito presenta algo de resistencia que hace que la corriente tenga una caída de voltaje aun antes de salir por las terminales externas. La resistencia interna R, está en serie con la fem nominal (indicada en la batería, en ausencia de corriente) 7

8 Regla de voltaje de Kirchhoff Partiendo de la Ley de Ohm: V = - I R E incorporando éste resultado al balance de energía (Conservación de la energía): - I R = 0 Regla de voltaje de Kirchhoff cuando se recorre cualquier malla cerrada en un circuito, la suma de todas las FEM y todos los cambios de potencial a través de resistores y demás elementos del circuito debe ser igual a cero. Lo anterior nos es útil para encontrar el valor de la o las corrientes presentes en un circuito. Por lo tanto: I = / R 8

9 Ejemplo: circuitos de una malla Elección de una trayectoria de paso de la corriente para aplicar la regla de voltaje de Kirchhoff 9

10 Resolución del ejemplo 3 Circuito con dos baterías y dos resistores. 1 = 12.0 V y 2 = 15.0 V; R1 = 4.0 y R2 = 2.0. Cuál es la corriente en el circuito? 10

11 Circuitos con varias mallas La corriente I pasa a través de trayectorias alternativas en bifurcaciones o nodos Regla de corriente de Kirchhoff (Conservación de la energía): La corriente total que entra a un nodo es igual a la corriente que sale del nodo 11

12 Ejemplo: circuito con varias mallas El mismo circuito con sus cinco corrientes separadas. También se identifican tres nodos (A, B y C) 12

13 Ejemplo: circuito con varias mallas Tres mallas (1, 2 y 3) identificadas * Aplicar las reglas de voltaje y corriente de Kirchhoff hasta obtener suficientes ecuaciones para encontrar las incógnitas. 13

14 Convenciones de signo Cuando se atraviesa una fuente de FEM en la dirección de avance (de terminal a terminal +), el voltaje es positivo; en dirección inversa (de terminal + a terminal -), el voltaje es negativo. Al atravesar un resistor R en la dirección de la corriente I se se produce una caída de voltaje (negativo - IR ); al hacerlo en dirección contraria a la de la corriente I se produce un aumento de voltaje (positivo +IR ) 2010 by the McGraw-Hill Companies, Inc 14

15 Resolución de ejemplo 4 En el circuito mostrado, las fem son 1 = 12.0 V y 2 = 8.0 V; R1 = 4.0, R2 = 4.0 y R3 = 2.0. Calcular la corriente en cada resistor 15

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19 Tarea propuesta para que Ud. practique: Ahora intente resolver el mismo problema pero utilizando una de las siguientes opciones: 1) Que la fuente de FEM 2 esté invertida 2) Que una de las mallas sea el circuito completo, y la otra trayectoria sea la 1 ó la 2, (anteriormente propuestas) con lo que obtendrá un nuevo sistema de ecuaciones linealmente independientes. Compare el resultado con el del problema resuelto y analice. 19

20 Energía en circuitos; calor de Joule Potencia entregada por la fem Potencia disipada por un resistor Calentamiento Joule 20

21 Energía en circuitos; calor de Joule Resumen de las relaciones entre corrientes, resistencia, diferencia de potencial y potencia 21

22 Energía en circuitos; calor de Joule Algunos electrodomésticos basados en el calentamiento de Joule: a) Tostador b) Plancha c) Foco incandescente 22

23 Ejemplos: Energía en circuitos; calor de Joule 1) Un calentador eléctrico tiene dos posiciones: alto y bajo, controladas por un selector. Cuando se pone en bajo, se conectan en serie dos resistores eléctricos iguales y se emiten 275 watts; cuando se pone en alto, los dos resistores se conectan en paralelo. Cuál es la potencia entregada entonces? 2) Un tostador eléctrico usa 1200 W a 115 V. Cuánta corriente pasa por el tostador? Cuál es la resistencia de sus elementos calentadores? 23

24 El circuito RC: resistor - capacitor Un circuito RC está formado por un resistor y un capacitor conectados en serie a una batería 24

25 El circuito RC Circuito RC a la carga Corriente en un circuito RC Tiempo característico (constante de tiempo RC) Circuito RC 25

26 El circuito RC a) Carga en el capacitor del circuito RC en función del tiempo b) Corriente en el circuito RC en función del tiempo 26

27 El circuito RC Un circuito RC donde el capacitor se descarga a través del resistor. La flecha indica la dirección de la corriente 27

28 El circuito RC Circuito RC de descarga 28

29 El circuito RC a) Carga en un capacitor que se está descargando en función del tiempo b) Corriente en circuito RC de descarga, en función del tiempo 29

30 El circuito RC Un circuito RC convertible 30

31 Problemas adicionales SERIE 2 16) Para el circuito que se muestra a continuación, escriba todas las ecuaciones necesarias (linealmente independientes), de acuerdo a las Reglas de Kirchhoff que permitan conocer las corrientes I1 a I5. Escriba cómo quedarían las expresiones algebraicas para conocer el valor de cada corriente y en qué secuencia las resolvería. 31

32 Problemas adicionales SERIE 2 17) Charging a capacitor in an RC Circuit 32

33 Los riesgos de las corrientes eléctricas Una persona cierra un circuito eléctrico. La corriente entra por la mano y sale por los pies 33

34 Mediciones eléctricas Dos multímetros que se pueden usar como amperímetro o como voltímetro. Se usan los contactos para seleccionar la función y la escala de medición 34

35 Mediciones eléctricas a) Un circuito eléctrico b) Conexión correcta del amperímetro. El símbolo del amperímetro es un círculo con una A y dos terminales la corriente a medir entra por una de sus terminales y sale por la otra c) Conexión incorrecta del amperímetro 35

36 Mediciones eléctricas a) Conexión correcta del voltímetro. El símbolo del voltímetro es un círculo con una letra V, con dos terminales. Una terminal se conecta con el punto P y la otra con el punto P b) Conexión incorrecta del voltímetro 36

37 Mediciones eléctricas Esquema de un puente de Wheatstone 37

38 Repaso de resistores: Una corriente de 1.8 A pasa por la combinación de resistores y alambres resistivos que se muestra. Cuál es la diferencia de potencial a través de toda la combinación? Cuál es la corriente en cada resistor? 38

39 Ejemplo de varios electrodomésticos conectados a un contacto a) Tres electrodomésticos conectados al mismo contacto b) Diagrama eléctrico que muestra cómo están conectadas las resistencias 39

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