Corriente eléctrica& circuitos de CD

Transcripción

1 Slide 1 / 75 Corriente eléctrica& circuitos de CD 2009 Goodman & Zavorotniy Slide 2 / 75 Circuitos Un circuito eléctrico es una ruta externa que pueden utilizar las cargas entre dos terminales por medio de un material conductor. Para que una carga fluya, la ruta debe ser completa e ininterrumpida. Un ejemplo de un material conductor utilizado para crear un circuito son los cables de cobre. Puedes pensar en un cable como una cañería en la que se mueve la carga. Slide 3 / 75 Circuitos Entonces, tanto las cargas negativas com opositivas fluyen dentro del circuito? Históricamente, las cargas positivas han sido identificadas como las que se mueven dentro del circuito. No fue hasta más adelante que comprendimos que era la carga negativa (electrones) la carga con movimiento libre. En la realidad, los electrones se mueven de la terminal negativa de la batería, a través de un conductor, a la terminal positiva. Esa es la verdadera corriente. Corriente Si bien la corriente real es el flujo de electrones de una terminal negativa a una positiva, utilizamos la corriente convencional para construir modelos de circuitos eléctricos. La corriente convencional es el flujo de cargas positivas de una terminal positiva a una terminal negativa. En adelante, utilizaremos la corriente convencional al referirnos a los circuitos eléctricos. Tanto la corriente convencional como la real llevan a las mismas predicciones pero fluyen en direcciones opuestas. ΔQ I = Δt La letra "I" es el símbolo de la corriente; se la define como la cantidad de carga que fluye a través de un conductor por unidad de tiempo. Slide 4 / 75 La corriente, por segundo. Slide 5 / 75 Corriente I = ΔQutiliza las unidades Culombios Δt ΔQ es la cantidad de carga, Δt es el tiempo durante el que fluyó. Slide 6 / C de corriente atraviesan una terminal en un circuito en 10 segundos. Cuál es la corriente que fluya a través de ese punto? Las unidades pueden ser rescritas como Amperes (A). 1 A = 1 C/s En amenudo, los amperes son denominados "amps". 1,2 A

2 Slide 7 / 75 2 Un circuito tiene una corriente de 3 A. Cuánto tardaría una carga de 45 C en recorrer el circuito? Baterías Slide 8 / 75 Una terminal es un Terminal positiva conductor que permite el movimiento de la carga. 15 s Terminal negativa Las baterías convierten la energía química en energía eléctrica que mantiene la diferencia potencial. Slide 9 / 75 La reacción química actúa como un escalar al llevar la carga a un voltaje mayor. Slide 10 / 75 3 Cuánto tardaría una carga eléctrica de 400 C en pasar a través de un cable de cobre si la corriente a través de el es de 1,5 A? Conclusiones El circuito no puede tener interrupciones. La bombilla debe estar ubicada entre el cable y la terminal. 266,67 s Se necesita una diferencia de voltaje para hacer funcionar la bombilla. La bombilla iluminará de cualquier manera, sin importar de qué lado de la batería esté ubicada. Qué está sucediendo en el circuito? Cuál es el rol de la batería? Slide 11 / 75 Slide 12 / 75 Conductores Qué acciona el movimiento de corriente en el circuito? Baterías (sólo una fuente) Las baterías actúan como una bomba, accionando la carga a través del circuito. Es la fuente de energía del circuito. Las cargas no experimentan una fuerza eléctrica a menos que exista una diferencia en la potencia eléctrica (voltaje). Por lo tanto, las baterías tienen una diferencia potencial entre sus terminales. La terminal positiva tiene un voltaje mayor al de la terminal negativa. Cómo afectará el voltaje a la corriente? Algunos conductores "conducen" mejor o peor que otros. Recuerden: un "conductor" es un material que permite el libre flujo de electrones. El flujo de electrones es sólo otra denominación de corriente. Otra forma de ver esto es entender que algunos conductores resisten la corriente en mayor o menor medida. Llamamos a esta capacidad resistencia, R. La resistencia se mide en ohms, mediante el símbolo griego omega (Ω) Cómo afecta la resistencia a la corriente?

3 Slide 13 / 75 Corriente vs resistencia & voltaje El aumento de la resistencia reduce la corriente. El aumento del voltaje aumenta la corriente. Podemos combinar estas relaciones en lo que denominamos "Ley de Ohm". Slide 14 / 75 4 Una linterna tiene una resistencia de 25 # y está conectada mediante un cable a una fuente de voltaje de 120. Cuál es la corriente en la linterna? I = R Otra forma de expresar esto es la siguiente: 4,8 A R = I = IR ó Pueden ver que un # = A Slide 15 / 75 Slide 16 / 75 5 Cuál es la corriente en un cable que tiene una resistencia de 3 # si se aplican 1,5? 6 Cuánto voltaje se necesita para generar una corriente de 0,70 A en una resistencia de 490 #? 0,5 A 343 Slide 17 / 75 7 Cuál es la resistencia de una bobina de reóstato, si a través de ella fluye una corriente de 0,05 A cuando se aplican 6? Potencia eléctrica La potencia se define como trabajo por unidad de tiempo P = W t Slide 18 / 75 si W = Q entonces sustituimos: 120 # P = Q t si I = Q entonces sustituimos: t P = I Qué sucede si aumenta la corriente? Qué sucede si disminuye el voltaje?

4 Pensémoslo de otra forma... EL agua en la parte superior tiene EPG & EC. A medida que cae, el agua pierde EPG y la rueda gira, realizando un trabajo. Cuado el agua cae, al final, se mueve más lentamente, habiendo realizado un trabajo. Slide 19 / 75 Potencia eléctrica Electric circuits are similar. A charge falls from high voltage to low voltage. In the process of falling energy may be used (light bulb, run a motor, etc). What is the unit of Power? Rotación de la rueda canal de aguas abajo Flujo de agua Slide 21 / 75 Cómo podemos expresar de otra forma la potencia eléctrica utilizando la Ley de Ohm? Slide 20 / 75 Potencia eléctrica Existe otra forma de expresar esto? I = puede expresarse como = IR. R Podemos sustiuir esto por potencia P = I P = R P = 2 R Slide 22 / 75 (Ley de Ohm) I = R P = I(IR) P = I 2 R Baterías 8 El motor eléctrico de un automóvil de D (1,5 ) C (1,5 ) AA (1,5 ) D, C, AA, & AAA tienen el mismo voltaje; sin embargo, difieren en la cantidad de potencia juguete tiene una resistencia de 17 # ; determina la potencia que ejerce sobre él una batería de 6-. que generan. AAA (1,5 ) 9 Por ejemplo, las baterías D pueden generar mayor corriente, y por lo tanto, 2,118 W más potencia. Slide 23 / 75 Slide 24 / 75 9 Cuál es el consumo de energía de una bombilla que consume una corriente de 0,28 A cuando está conectada a una batería de 6? 10 Una tostadora de 30Ω consume 560 W de potencia; cuánta corriente fluye en la tostadora?? 4,3 A 1,68 W

5 Slide 25 / Cuando se aplican 30 a través de una resistencia, se generan 600 W de calor; cuál es la magnitud de la resistencia? 1,5 # Tamaño de la "Tubería" Cómo podría afectar el cable del circuito a la corriente? Si el cable es como una tubería, y la corriente es como el agua que fluye a través de a tubería... Entonces si hubiera tuberías con agua fluyendo dentro de ellas, qué podríamos hacer con las tuberías para modificar la velocidad del agua (la corriente)? cambiar el área transversal de la tubería si aumentamos su tamaño, fluirá mayor cantidad de agua Slide 26 / 75 Slide 27 / 75 Resistividad& Resisitencia cambiar el largo de la tubería si aumentamos el largo de la tubería, también aumentará la cantidad de tiempo que tardará el agua en llegar al otro extremo de la misma Slide 28 / 75 Resistividad& Resisitencia Todos los conductores"conducen" una carga eléctrica en mayor o menor medida. R = #L A El último ejemplo también aplica para los conductores como un cable de cobre. Si disminuimos el largo (L) o aumentamos el área transversal (A), la conductividad aumentará. Además, la medición de la resistencia de un conductor se denomina resistividad. Cada material tiene una resistividad diferente. La resistividad se abrevia mediante la letra griega rho (#). Si combinamos lo que conocemos sobre A, L, y ρ, podemos determinar la resistencia total de un R = #L conductor. A Cómo es la resistencia de un buen conductor? Baja; la baja resistencia implica que las cargas eléctricas se mueven libremente en un conductor. # = RA L Slide 29 / 75 Resistencia Resistividad de algunos conductores comunes a 20 C Material Resistividad (ρ) Plata Cobre Oro Aluminio Tungsteno Hierro Platino Mercurio Nicromo - La resistencia, R, se mide en Ohms (Ω). Ω es la letra griega Omega. - El área transversal, A, se mide en m 2 - El largo, L, se mide en m - La resistividad, ρ, se mide en Ωm Cómo podemos determinar A de un cable? Slide 30 / Clasifique los siguientes materiales, del mejor al peor conductor. A B C Hierro, cobre, platino Platino, hierro, cobre Cobre, hierro, platino C Resistividad de algunos conductores comunes a 20 C Material Resistividad (ρ) Plata Cobre Oro Aluminio Tungsteno Hierro Platino Mercurio Nicromo

6 Slide 31 / 75 Slide 32 / Cuál es la resistencia de un cable de cobre de 2 m de largo, cuya área transversal es de 0,2 mm 2? 14 Un cable de aluminio con un largo de 900 m y un área transversal de 10 mm 2 tiene una resistencia de 2,5 #. Cuál es la resistividad del cable? Slide 33 / 75 Slide 34 / Cuál es el diámetro de un cable ed cobre de 100 m de largo con una resistencia de 0,10 #? 16 Cuál es le largo de un cable de cobre que tiene una resistencia de 10 Ω y un diámetro de 3,2 mm? 4,6 mm ó 0,0046 m 4787,2 m Slide 35 / 75 Slide 36 / Cuánto voltaje debe aplicarse en una resistencia de 450 Ω para que consuma 120 W de potencia? 18 Una resistencia de 10 # está adherida a una batería de 9. Cuál es la corriente del circuito? 0,9 A 232,4

7 Diagramas de circuito Slide 37 / 75 Dibujar esquemas de circuitos que sean realistas puede ser una tarea compleja. Por esta razón, tenemos símbolos comunes para representar cada uno de ellos. Diagramas de circuito Dibuja un circuito simple que contenga una batería de 9 con una resistencia de 3 Ω a Slide 38 / 75 través de las terminales. Cuál es la magnitud y la dirección de la corriente? I = 3A I R = 3# Resistencia Batería Cable *Nota: Los diagramas de circuito no muestran la ubicación física de las partes. Diagramas de circuito Existen dos formas de agregar una segunda resistencia al circuito. Slide 39 / 75 La corriente convencional fluye de la terminal positiva a la terminal negativa. Slide 40 / 75 Diagramas de circuito Los siguientes conjuntos de resistencias, están en serie o en paralelo? R 1 R 1 R1 R2 R1 R 2 R2 R 2 En serie Todas las cargas deben moverse a través de ambas resistencias para llegar a la terminal negativa. En paralelo Las cargas pasan a través de R1 ó R2, pero no a través de ambas. Slide 41 / 75 En paralelo En serie La "prueba" es marcar la ruta más corta a lo largo del circuito. Las resistencias que se encuentran en la misma ruta están en serie; las que no están en la misma ruta están en paralelo a las que sí. Slide 42 / 75 Resistencia equivalente Las resistencias y el voltaje de las baterías determinan la corriente. Los circuitos se pueden graficar como si tuvieran una única resistencia y batería. Circuitos en serie: resistencia equivalente Qué sucede con la corriente en el circuito de la derecha? R 1 R 2 Al reducir el circuito de esta manera, éste se vuelve más sencillo para estudiarlo. El proceso de reducción de la cantidad de resistencias en un circuito implica determinar la resistencia equivalente (R eq). Qué sucede con el voltaje a medida que recorre el circuito?

8 Slide 43 / 75 Circuitos en serie: resistencia equivalente Circuitos en serie: resistencia equivalente Si = Slide 44 / La corriente que pasa por todas las partes de un circuito en serie es la misma. R1 R2 sustituimos la Ley de Ohm y la solución de es: = IR IR = I1R1 + I2R2 + I3R3 pero como la corriente (I) es la misma en un circuito en serie, I = I1 = I2 = I3 Por ejemplo: I = I 1 = I 2 IR = IR1 + IR2 + IR3 2. La suma de la caída de voltaje en cada uno de las resistencias en un circuito en serie es igual al voltaje de la batería. Por ejemplo: = Slide 45 / 75 Ahora dividimos por I Req = R1 + R2 + R Para determinar la resistencia equivalente (Req) de un circuito en serie, suma los valores de todas las resistencias. Qué sucede con el valor total de las resistencias si agregamos más resistencias a un circuito en serie? Slide 46 / Cuál es la resistencia equivalente en este circuito? 20 Cuál es la corriente total en cualquier punto de este circuito? R 1 = 5# R 2 = 3# R 1 = 5# R 2 = 3# 8 # 1,125 A Slide 47 / 75 Slide 48 / Cuál es la caída de voltaje en R 1? 22 Cuál es la caída de voltaje en R 2? R 1 = 5# R 2 = 3# R 1 = 5# R 2 = 3# 3,375 5,624 Un buen método para verificar tu trabajo es ver si la caída de voltaje en todas las resistencias es igual al voltaje total del circuito.

9 Slide 49 / 75 Slide 50 / Cuánta potencia utiliza R 1? 6,32 W R 1 = 5# R 2 = 3# Ahora resolvamos: Cuál es la resistencia equivalente del circuito? Cuál es la corriente en cualquier punto del circuito? Cuál es la caída de voltaje en R 1? Cuál es la caída de voltaje en R 2? Cuál es la potencia utilizada por R 1? Cuál es la potencia utilizada por R 2? Slide 51 / 75 * 30 # * 0,3 A * 3 * 6 * 0,9 W * 1,8 W R1 = 10# R2 = 20# Slide 52 / Cuál es la resistencia equivalente en este circuito? 25 Cuál es la corriente total en cualquier punto de este circuito? R 1 = 10# R 2 = 20# R 1 = 10# R 2 = 20# 30 # 0,3 A Slide 53 / 75 Slide 54 / Cuál es la caída de voltaje en R 1? 27 Cuál es la caída de voltaje en R 2? R 1 = 10# R 2 = 20# R 1 = 10# R 2 = 20# 3 6

10 Slide 55 / 75 Slide 56 / Cuánta potencia utiliza R 1? 29 Cuánta potencia utiliza R 2? R 1 = 10# R 2 = 20# R 1 = 10# R 2 = 20# 0,9 W 1,8 W Slide 57 / 75 Slide 58 / 75 Ahora resolvamos: Cuál es la resistencia equivalente en el circuito? Cuál es el voltaje en cualquier punto del circuito? Cuál es la corriente en R 1? Cuál es la corriente en R 2? Cuál es la potencia utilizada por R 1? Cuál es la potencia utilizada por R 2? 30 Cuál es la resistencia equivalente del circuito? 2 # * 2 # * 18 * 6 A * 3 A * 108 W * 54 W = 18 = 18 Slide 59 / 75 Slide 60 / Cuál es el voltaje en cualquier punto del circuito? 32 Cuál es la corriente en R 1? 18 6 A = 18 = 18

11 Slide 61 / Cuál es la corriente en R 2? Slide 62 / Cuál es la potencia utilizada en R 1? 3 A 108 W = 18 = 18 Slide 63 / Cuál es la potencia utilizada en R 2? Slide 64 / 75 Circuitos paralelos: Resistencia equivalente 54 W 1. La suma de las corrientes en cada una de las resistencias en un circuito paralelo es igual a la corriente de la batería. R1 Por ejemplo: I = I 1 + I 2 R2 = El voltaje en todas las resistencias en un circuito paralelo es el mismo. If I = I1 + I2 + I3 Rescribe la Ley de Ohm de I y sustituye por cada resistencia: = + + R R1 R2 R3 Además, como = 1 = 2 = 3, podemos sustituir por cualquier otro voltaje = + + R R1 R2 R3 R Circuitos paralelos: Resistencia equivalente El voltaje es un factor común, entonces elimínalo! = ( R1 R2 R3 ( Divide por para eliminar el voltaje de la ecuación = + + Req R1 R2 R3 Si agregamos más resistencias en paralelo, qué sucede con la resistencia del circuito? Slide 65 / 75 Por ejemplo: = 1 = 2 El voltaje se mide mediante un voltímetro. Cómo se debe colocar el voltímetro en un circuito para medir la caída de voltaje? Los voltímetros se conectan en paralelo y miden la diferencia en potencial entre dos puntos. Debido a que los circuitos en paralelo tienen el mismo voltaje y a que el voltímetro tiene una resistencia muy alta, pasa muy poca corriente a través de él. Esto significa que afecta muy poco al circuito. Medición Slide 66 / 75

12 Slide 67 / 75 Medición Slide 68 / 75 Medición La corriente se mide utilizado un amperímetro. Cómo se debe colocar un amperímetro en un circuito para medir la corriente? Aunque existen elementos por separado para medir la corriente y el voltaje, también hay dispositivos para medir ambos (por separado). Los amperímetros van ubicados en serie en el circuito. Para no interferir con la corriente, el amperímetro tiene muy poca resistencia. Slide 69 / 75 Este dispositivo se denomina multímetro. Los multímetros también pueden medir la resistencia. Slide 70 / 75 oltaje terminal oltaje terminal R eq _ E r + Una batería es una fuente de voltaje Y una resistencia. Cada batería tiene una fuente de fuerza electromotriz y una resistencia interna. La fuerza electromotriz (FEM) es el proceso que conduce la carga de bajo a alto voltaje. Otra forma de pensar en esto es que la FEM es el voltaje que se mide cuando no hay una resistencia conectada al circuito Slide 71 / 75 r R eq + _ E El voltaje terminal ( T) es el voltaje que se mide cuando hay un voltímetro entre las terminales. Si no hay un circuito adherido, no fluye corriente, y la medida será igual a la FEM. En cambio, si hay un circuito adherido, la resistencia interna dará como resultado una caída de voltaje, y, com oconsecuencia, un voltaje terminal menor. (E - Ir) Slide 72 / 75 + r R eq oltaje terminal E _ Decimos que el voltaje terminal es: T = E - Ir La corriente máxima se dará cuando haya una corriente externa igual a cero. 36 Una batería de 6, con una resistencia interna de 1,5 Ω, está conectada en serie a una bombilla con una resistencia de 6,8 Ω. Cuál es la corriente del circuito? 0,72 A Al intentar determinar la resistencia equivalente de un circuito, la resistencia interna de la batería es considerada como una resistencia en serie. R EQ = R int + R ext

13 Slide 73 / Una batería de 6, con una resistencia interna de 1,5 Ω, está conectada en serie a una bombilla con una resistencia de 6,8 Ω. Cuál es le voltaje terminal de la batería? Slide 74 / Una resistencia de 25 Ω se conecta a través de las terminales de una batería cuya resistencia interna es de 0,6 Ω. Cuál es la FEM de la batería si la corriente en el circuito es de 0,75 A? 4,91 19,2 Slide 75 / 75