Circuitos de Corriente Continua

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CURSO DE ELECTROTECNIA PARA INGENIERIA MECANICA

UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE

FACULTAD DE INGENIERIAPAGE 3

CAPITULO 1

CIRCUITOS DE CORRIENTE CONTINUA

La ingeniera elctrica se preocupa de la conversin de otras formas de energa en energa elctrica, de su transmisin y distribucin y de su control y reconversin para su utilizacin ltima. La energa elctrica no es generalmente til al final por s misma; ms bien, para su utilizacin es convertida en energa mecnica por motores y relays; en energa calrica por hornos y estufas; en energa acstica por parlantes; en energa luminosa por lmparas y ampolletas; o en energa qumica por procesos electrolticos.

La energa elctrica es fcilmente convertible, es fcil de controlar y econmicamente conveniente para su transmisin a largas distancias.

El estudio de la ingeniera elctrica es el estudio de los dispositivos usados en la conversin y transmisin, con particular nfasis en las caractersticas internas requeridas para obtener los comportamientos externos deseados. En este captulo definiremos los conceptos bsicos necesarios introducindonos a la teora de circuitos, a travs de los circuitos de corriente continua.

1.1. UNIDADES ELECTRICAS BASICAS

La unidad ms elemental de electricidad es la Carga Elctrica. Las cargas pueden ser positivas (un protn) o negativas ( como un electrn) En el sistema mks la carga se mide en Coulomb. Por ejemplo, la carga de un electrn es igual a 1,591*10-10 coulomb. En consecuencia, se requieren alrededor de 6,2*1018 electrones para llegar a tener una carga de 1 coulomb.

La presencia de cargas elctricas da lugar de la aparicin de fuerzas en la regin que las rodea. Especficamente, dos cargas de igual signo se repelen y dos cargas de distinto signo se atraen, con una fuerza que es directamente proporcional al producto de la magnitud de las cargas e inversamente proporcional al cuadrado de su separacin. (Ley de Coulomb). Este efecto se describe diciendo que existe un campo de fuerza en la vecindad de la carga; a este campo de fuerza se le llama Campo Elctrico.

Expresado en forma cuantitativa

(1-1)

Donde: k = Constante del medio donde se encuentren las cargas

(Si el medio es el vaco, su valor es 9*109)

r = Distancia en metros, entre las cargas.

Q1 y q2 = Cargas elctricas en [Coulomb]

En todo caso, estamos ms interesados en el movimiento de cargas que en cargas estacionarias, ya que las cargas deben moverse para producir la transferencia de energa. Particularmente estamos interesados (aunque no exclusivamente) en aquellas situaciones donde el movimiento est confinado a un camino definido formado por materiales tales como cobre y aluminio, que son buenos conductores de electricidad. Por el contrario, otros materiales, tales como la porcelana, la mica, el vidrio, el aire bajo ciertas condiciones, son muy pobres conductores. Ellos son llamados Aisladores y son usados para confinar la electricidad a un camino especfico. Estos caminos son llamados Circuitos.

Se define como la intensidad de corriente o simplemente corriente elctrica, a la cantidad de carga que pasa por una seccin transversal de un material por unidad de tiempo. La unidad de corriente es el Amper; un amper es el paso de una carga de 1 coulomb en 1 segundo. Expresada cuantitativamente:

EMBED Equation.3

EMBED Equation.3 amp

(1-2)

Entonces

coulombs

(1-3)

donde q es la carga que fluye en t segundos

La corriente tiene direccin y sentido. La direccin de la corriente es la direccin en que fluyen las cargas positivas, es decir opuesta a la direccin del flujo de los electrones.

El movimiento de las cargas elctricas est relacionado con el cambio de energa. La Diferencia de Potencial entre dos puntos a y b en un circuito, es el trabajo o energa asociada con la transferencia de una unidad positiva de carga (1 coulomb), desde un punto al otro. En unidades mks, el trabajo o energa por unidad de carga es medida en volts. La energa asociada con el movimiento de una carga q a travs de una diferencia de potencial de e volts es

joules, o watt seg

(1-4)

Si se ha realizado trabajo en una unidad de carga y consecuentemente su energa potencial aumenta al ir desde a a b, entonces existe una subida de tensin (voltaje) en la direccin de a a b. En el sentido inverso, existe una cada de tensin (voltaje) en la direccin de b a a cuando una unidad de carga positiva pierde energa potencial al ir de b a a. Una diferencia de potencial asociada con una fuente de energa elctrica (como por ejemplo una batera) se le llama fuerza electromotriz. ( abreviada fem).

Cuando hay corrientes en un circuito, aparece otro tipo de campo de fuerzas en la vecindad del circuito. Este campo, llamado, campo magntico, existe simultneamente con el campo elctrico causado por las cargas. Es capaz de producir fuerzas en otros elementos que llevan corriente o en pedazos de fierro. Cuando la corriente que lo causa cambia en el tiempo, crea voltajes en circuitos vecinos, que son llamados tensiones o voltajes inducidos,.

La Potencia, o la razn a la cual la energa es transferida, es el cambio de energa por unidad de tiempo. Es decir

watts, o joules/seg (1-5)

Si la corriente y la tensin son funciones del tiempo, la energa total transferida en un intervalo de tiempo t, puede ser expresada como

EMBED Equation.3 watts seg, o joules

(1-6)

Cuando e e i son constantes, con valores E e I (independientes del tiempo), la energa transferida en un intervalo de tiempo t es

joules

(1-7)

La tabla 1-1. Resumen de unidades elctricas

Variable

ElctricaSmboloUnidad

(Sistema mks)Ecuacin

Relacionada

Cargaq, QCoulomb

Corrientei, IAmperi = dq/dt

Diferencia de Potencial, Voltaje o Tensine, E o

v, VVolte = W/q

Potenciap, PWattp = ei

Energa o TrabajoWJoule o watt segW = eq ,o

1.2 ELEMENTOS DE CIRCUITOS ELCTRICOS

Los circuitos elctricos pueden definirse como caminos cerrados o continuos, en las que quedan confinadas las corrientes elctricas, que puedan hacerse circular. En los circuitos elctricos la corriente circula solo por conductores. Esto contrasta con los campos elctricos, que dan lugar a fenmenos elctricos distribuidos en el espacio y el medio que los rodea.

Los circuitos elctricos pueden descomponerse en partes o elementos, que constituyen entidades independientes y poseen dos terminales y un camino conductor. Los elementos de circuito pueden clasificarse de numerosas formas. A veces es til clasificarlos, segn si convierten o inducen energa elctrica en el circuito o no. Un elemento activo es el que suministra energa elctrica al circuito (Baterias y Generadores) . Un elemento pasivo, no suministra energa elctrica al circuito. Un elemento activo es un transductor. Convierte la energa mecnica, luminosa, calrica, etc., en energa elctrica. En los circuitos se precisa al menos un elemento activo si la corriente ha de circular por l de modo indefinido.

Los elementos activos de circuitos son fuentes de energa elctrica y los elementos pasivos o bien la almacenan o la convierten en otras formas de energa. Los elementos pasivos, son entonces dispositivos que almacenan la energa o transductores.

El principio de la conservacin de la energa debe cumplirse tambin en los circuitos elctricos. Toda la energa que se convierta en elctrica debe almacenarse como energa elctrica o convertirse en otra forma de energa.

Elementos Activos. Fuentes ideales

Fuentes ideales de voltaje

Una fuente ideal de voltaje es un dispositivo elctrico que genera un voltaje prescrito entre sus terminales. La capacidad de una fuente de voltaje ideal para generar su voltaje de salida no se afecta por la corriente que debe suministrar a otros elementos del circuito. Otra forma de presentar la misma idea, se muestra a continuacin:

Una fuente ideal de voltaje suministra un voltaje prescrito a travs de sus terminales, independientemente de la corriente que fluye por ella. El circuito conectado a la fuente determina la cantidad.de corriente que suministra la fuente. i

La figura 2.9 muestra los smbolos con los cuales se representan las fuentes de voltaje que se utilizan a travs del libro. Obsrvese que el voltaje de salida de una fuente ideal puede ser una funcin del tiempo. En general, las notaciones de la figura se emplearn en este libro, si no se indica lo contrario. Una fuente de voltaje genrica se denominar por la letra minscula v. Si es necesario enfatizar que el voltaje producido por la fuente vara con el tiempo entonces, se utilizar la notacin v(t). Finalmente, una fuente de voltaje constante, corriente directa o CC, se indicar con la letra en mayscula V. Ntese que por medio de esta convencin la direccin de una corriente positiva es la de salida de sta, de la fuente de voltaje por el terminal positivo.

La nocin de una fuente ideal de voltaje se aprecia mejor dentro del contexto de la representacin fuente-carga de los circuitos elctricos, lo cual se mencionar frecuentemente en este libro. La figura 2.10 presenta la conexin de una fuente de energa con un circuito pasivo (un circuito que puede absorber y disipar. Las tres diferentes representaciones permiten ilustrar el significado conceptual, simblico y fsico del concepto fuente-carga.

En el anlisis de los circuitos elctricos, se escoge la aproximacin suministrada por los elementos ideales del circuito de la figura 2.10(b) para representar la realidad fsica de la figura 2.10( c).

Fuentes ideales de corriente

Una fuente ideal de corriente es un dis