Circuitos Eléctricos

I. Introducción

El presenta trabajo representa un esfuerzo de síntesis que en teoría puede ayudar a un estudiante con conocimientos básicos de Física y Matemáticas a comprender el tema de la resolución de circuitos de CD y mas aún a resolver circuitos y poner en práctica los conocimientos obtenidos. Los temas se ligan de manera ordenada desde los conceptos básicos hasta las aplicaciones. Espero que el material sea de utilidad y que realmente cumpla con su propósito.

II. Variables eléctricas y elementos de circuitos

Carga eléctrica

Los científicos han descubiertos dos tipos de carga eléctrica: positiva y negativa. La carga positiva es transportada por las partículas subatómicas llamadas protones, y la negativa es transportada por los electrones. Cualquier cantidad de carga es por lo tanto un múltiplo entero de la carga de un protón o un electrón. Los científicos han encontrado también que las cargas producen fuerzas entre ellas. Las cargas del mismo signo se repelen, mientras que las cargas de signo diferente se atraen. Además en circuitos eléctricos (Un circuito eléctrico o red es un conjunto de componentes eléctricos interconectados que forman al menos una trayectoria cerrada) existe un principio de la conservación de la carga, lo que significa que la carga neta permanece constante, la carga no se puede crear o destruir [1].

Corriente eléctrica

La corriente eléctrica resulta del movimiento de las cargas eléctricas. La unidad del SI para la corriente eléctrica es el ampere cuyo símbolo es la A. La forma de representar una corriente constante en el tiempo es con la letra I, la “i” se usa para representar una corriente que varía con el tiempo [2]. 1 A es igual al flujo estable a través de un conductor de 1 C de carga pasando por un punto dado en 1 s, la corriente resultante es de 1 A. En general,

donde t es el símbolo para el tiempo. Es importante saber que la corriente tiene un sentido asociado [1].

Fuente de corriente

Una fuente de corriente es el elemento de un circuito que provee una corriente. La figura 1 muestra el símbolo de una fuente de corriente, esta fuente específica proporciona una corriente de 6 A en la dirección de la flecha y es idealmente independientemente del voltaje que se genera a través de sus terminales [3].

Figura 1.

Diferencia de potencial

La diferencia de voltaje (también llamado diferencia de potencial) entre dos puntos es el trabajo en joules requerido para mover 1 C de carga de un punto a otro. La unidad de voltaje del SI es el volt cuyo símbolo es V. El símbolo de cantidad es V o v, aunque también es popular E o e [3].

Fuente de voltaje

Una fuente de voltaje, por ejemplo una batería o un generador, provee un voltaje que idealmente no depende de la corriente que fluye a través de la fuente. La figura 2a muestra el símbolo de una batería, esta fuente provee un voltaje CD de 12 V. Este símbolo es también a menudo usado para una fuente de CD que no es una batería. Comúnmente los signos + y – no se ponen porque, por convención, la línea larga designa la terminal positiva y la corta la negativa. Otro símbolo para una fuente de voltaje de CD se muestra en la figura 2b [4].

Figura 2.

Fuentes dependientes

Las fuentes de las figuras 1 y 2 son fuentes independientes. Una fuente independiente de corriente provee una cierta corriente independiente del voltaje en sus terminales, una fuente de voltaje provee un cierto voltaje independientemente de la corriente necesaria. En contraste, una fuente dependiente (también llamada fuente controlada) provee un voltaje o una corriente que depende de un voltaje o una corriente en otra parte del circuito. Una fuente dependiente se representa en un circuito eléctrico por una forma de diamante. Por ejemplo, el circuito de la figura 3 contiene una fuente dependiente que proporciona un voltaje de 5 V1, el cual es cinco veces el voltaje V1 que aparece en una resistencia en otra parte del circuito. Hay cuatro tipos de fuentes dependientes; fuente de voltaje controlada por voltaje como se muestra en la Figura 3, fuente de voltaje controlada por corriente, fuente de corriente controlada por voltaje y fuente de corriente controlada por corriente. Las fuentes dependientes son importantes porque aparecen en los modelos de componentes electrónicos tales como amplificadores operacionales y transistores [5].

Figura 3.

Potencia

La razón a la cual un elemento absorbe o produce energía es la potencia absorbida o producida. Una fuente de energía produce o entrega potencia mientras que una carga la absorbe. En el SI la unidad de potencia es el watt con símbolo W. El símbolo para la potencia es P para una potencia constante y p para una potencia variable en el tiempo [2]. Si 1 J de trabajo es absorbida o entregada a una razón constante de 1 s, entonces la correspondiente potencia es 1 W. En general,

la potencia absorbida por un componente eléctrico es el producto del voltaje y la corriente si la flecha de la corriente entra por la terminal positiva de voltaje del componente.

Si la potencia calculada usando esta fórmula es positiva, se dice que el componente esta absorbiendo potencia. Si la potencia es negativa, el componente produce potencia, es decir es una fuente de energía eléctrica.

Energía

La energía eléctrica usada o producida es el producto de la potencia eléctrica y el tiempo sobre el cual se usa [1]:

Resistencia

En el flujo de corriente a través de un conductor, los electrones libres colisionan con átomos del conductor perdiendo parte de su energía cinética que se convierte en calor. Si se aplica un voltaje ayudará a que los electrones ganen energía y velocidad, pero las colisiones nuevamente disminuirán la energía y la velocidad.

La resistencia es la propiedad de los materiales de oponerse o resistir el movimiento de los electrones y hace necesario el aplicar un voltaje para producir un flujo de corriente. La unidad de resistencia del SI es el ohm cuyo símbolo es la letra griega omega mayúscula Ω. El símbolo de cantidad de la resistencia es R [5].

Ley de Ohm

En conductores metálicos y otro tipo de conductores, la corriente es proporcional al voltaje aplicado: por ejemplo si se duplica el voltaje se duplicará la corriente, si se triplica el voltaje, se triplicará la corriente y así sucesivamente. Si el voltaje aplicado V y la corriente resultante I tienen

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