Corriente eléctrica& circuitos de CD
75
Slide 1 / 75 Corriente eléctrica& circuitos de CD ©2009 Goodman & Zavorotniy
Transcript of Corriente eléctrica& circuitos de CD
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.
Slide 4 / 75
CorrienteSi 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.
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.
ΔQ es la cantidad de carga, Δt es el tiempo durante el que fluyó.
ΔQ ΔtI =
Slide 5 / 75
Corriente
La corriente, utiliza las unidades Culombios por segundo.
Las unidades pueden ser rescritas como Amperes (A).
1 A = 1 C/s
En amenudo, los amperes son denominados "amps".
I = ΔQ Δt
Slide 6 / 75
1 12 C de corriente atraviesan una terminal en un circuito en 10 segundos. ¿Cuál es la corriente que fluya a través de ese punto?
1,2 A
Slide 7 / 75
2 Un circuito tiene una corriente de 3 A. ¿Cuánto tardaría una carga de 45 C en recorrer el circuito?
15 s
Slide 8 / 75
Baterías
Terminal positiva
Terminal negativa
Una terminal es un conductor que permite el movimiento de la carga.
Las baterías convierten la energía química en energía eléctrica que mantiene la diferencia potencial.
La reacción química actúa como un escalar al llevar la carga a un voltaje mayor.
Slide 9 / 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?
266,67 s
Slide 10 / 75
ConclusionesEl circuito no puede tener interrupciones.
La bombilla debe estar ubicada entre el cable y la terminal.
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
¿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?
Slide 12 / 75
Conductores
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?
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".
I = V R
Otra forma de expresar esto es la siguiente:
R = V ó V = IR I
Pueden ver que un # = V A
Slide 14 / 75
4 Una linterna tiene una resistencia de 25 # y está conectada mediante un cable a una fuente de voltaje de 120 V. ¿Cuál es la corriente en la linterna?
4,8 A
Slide 15 / 75
5 ¿Cuál es la corriente en un cable que tiene una resistencia de 3 # si se aplican 1,5 V?
0,5 A
Slide 16 / 75
6 ¿Cuánto voltaje se necesita para generar una corriente de 0,70 A en una resistencia de 490 # ?
343 V
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 V?
120 #
Slide 18 / 75
Potencia eléctrica
La potencia se define como trabajo por unidad de tiempo
P = W t
si W = QV entonces sustituimos:
P = QV t
si I = Q entonces sustituimos: t
P = IV ¿Qué sucede si aumenta la corriente?
¿Qué sucede si disminuye el voltaje?
Slide 19 / 75
Potencia eléctricaPensémoslo 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.
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?
Flujo de agua
Rotación de la rueda
canal de aguas abajo
Slide 20 / 75
Potencia eléctrica¿Cómo podemos expresar de otra forma la potencia eléctrica utilizando la Ley de Ohm?
P = IV I = V R
(Ley de Ohm)
P = VV R
P = V2
R
¿Existe otra forma de expresar esto?
I = V puede expresarse como V = IR. R
Podemos sustiuir esto por potencia
P = I(IR)
P = I2R
Slide 21 / 75
Baterías
D(1,5 V) C
(1,5 V)
AAA (1,5 V)
AA (1,5 V)
9 V
D, C, AA, & AAA tienen el mismo voltaje; sin embargo, difieren en la cantidad de potencia que generan.
Por ejemplo, las baterías D pueden generar mayor corriente, y por lo tanto, más potencia.
Slide 22 / 75
8 El motor eléctrico de un automóvil de juguete tiene una resistencia de 17 # ; determina la potencia que ejerce sobre él una batería de 6-V.
2,118 W
Slide 23 / 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 V?
1,68 W
Slide 24 / 75
10 Una tostadora de 30Ω consume 560 W de potencia; ¿cuánta corriente fluye en la tostadora??
4,3 A
Slide 25 / 75
11 Cuando se aplican 30 V a través de una resistencia, se generan 600 W de calor; ¿cuál es la magnitud de la resistencia?
1,5 #
Slide 26 / 75
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
· 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 27 / 75
Resistividad& Resisitencia
Todos los conductores"conducen" una carga eléctrica en mayor o menor medida.
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 conductor.
R = #L A
Slide 28 / 75
- La resistencia, R, se mide en Ohms (Ω). Ω es la letra griega Omega.
- El área transversal, A, se mide en m2
- El largo, L, se mide en m
- La resistividad, ρ, se mide en Ωm
R = #L A
¿Cómo podemos determinar A de un cable?
Resistividad& Resisitencia
Slide 29 / 75
Resistencia
¿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
Resistividad de algunos conductores comunes a 20°CMaterial Resistividad (ρ)
PlataCobreOroAluminioTungstenoHierroPlatinoMercurioNicromo
Slide 30 / 75
12 Clasifique los siguientes materiales, del mejor al peor conductor.
A Hierro, cobre, platino
B Platino, hierro, cobre
C Cobre, hierro, platino
C
Resistividad de algunos conductores comunes a 20°CMaterial Resistividad (ρ)
PlataCobreOroAluminioTungstenoHierroPlatinoMercurioNicromo
Slide 31 / 75
13 ¿Cuál es la resistencia de un cable de cobre de 2 m de largo, cuya área transversal es de 0,2 mm2?
Slide 32 / 75
14 Un cable de aluminio con un largo de 900 m y un área transversal de 10 mm2 tiene una resistencia de 2,5 # . ¿Cuál es la resistividad del cable?
Slide 33 / 75
15 ¿Cuál es el diámetro de un cable ed cobre de 100 m de largo con una resistencia de 0,10 # ?
4,6 mm ó 0,0046 m
Slide 34 / 75
16 ¿Cuál es le largo de un cable de cobre que tiene una resistencia de 10 Ω y un diámetro de 3,2 mm?
4787,2 m
Slide 35 / 75
17 ¿Cuánto voltaje debe aplicarse en una resistencia de 450 Ω para que consuma 120 W de potencia?
232,4 V
Slide 36 / 75
18 Una resistencia de 10 # está adherida a una batería de 9 V. ¿Cuál es la corriente del circuito?
0,9 A
Slide 37 / 75
Diagramas de circuito
Dibujar esquemas de circuitos que sean realistas puede ser una tarea compleja. Por esta razón, tenemos símbolos comunes para representar cada uno de ellos.
Resistencia Batería Cable
*Nota: Los diagramas de circuito no muestran la ubicación física de las partes.
Slide 38 / 75
Diagramas de circuito
Dibuja un circuito simple que contenga una batería de 9 V con una resistencia de 3 Ω a través de las terminales. ¿Cuál es la magnitud y la dirección de la corriente?
La corriente convencional fluye de la terminal positiva a la terminal negativa.
R = 3#
V = 9 V
II = 3A
Slide 39 / 75
Diagramas de circuito
Existen dos formas de agregar una segunda resistencia al circuito.
R1 R2
V
R1
R2
V
En serie En paralelo
Todas las cargas deben moverse a través de ambas resistencias para llegar a la terminal negativa.
Las cargas pasan a través de R1 ó R2, pero no a través de ambas.
Slide 40 / 75
Diagramas de circuitoLos siguientes conjuntos de resistencias, ¿están en serie o en paralelo?
En serieEn paralelo
R1
R2
V
R1
R2V
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 41 / 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.
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 (Req).
Slide 42 / 75
Circuitos en serie: resistencia equivalente
¿Qué sucede con la corriente en el circuito de la derecha?
¿Qué sucede con el voltaje a medida que recorre el circuito?
R1 R2
V
Slide 43 / 75
1. La corriente que pasa por todas las partes de un circuito en serie es la misma.
Por ejemplo: I = I1 = I2
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: V = V1 + V2
R1 R2
V
Circuitos en serie: resistencia equivalente
Slide 44 / 75
Si V = V1 + V2 + V3 + ...
sustituimos la Ley de Ohm y la solución de V es: V = IR
IR = I1R1 + I2R2 + I3R3
pero como la corriente (I) es la misma en un circuito en serie, I = I1 = I2 = I3
IR = IR1 + IR2 + IR3
Ahora dividimos por I
Req = R1 + R2 + R3 + ...
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?
Circuitos en serie: resistencia equivalente
Slide 45 / 75
19 ¿Cuál es la resistencia equivalente en este circuito?
R1 = 5# R2 = 3#
V = 9 V
8 #
Slide 46 / 75
20 ¿Cuál es la corriente total en cualquier punto de este circuito?
R1 = 5# R2 = 3#
V = 9 V
1,125 A
Slide 47 / 75
21 ¿Cuál es la caída de voltaje en R1?
R1 = 5# R2 = 3#
V = 9 V
3,375 V
Slide 48 / 75
22 ¿Cuál es la caída de voltaje en R2?
R1 = 5# R2 = 3#
V = 9 V
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.
5,624 V
Slide 49 / 75
23 ¿Cuánta potencia utiliza R1?
R1 = 5# R2 = 3#
V = 9 V
6,32 W
Slide 50 / 75
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 R1?· ¿Cuál es la caída de voltaje en R2?· ¿Cuál es la potencia utilizada por R1?· ¿Cuál es la potencia utilizada por R2?
R1 = 10# R2 = 20#
V = 9 V
* 30 #* 0,3 A* 3 V* 6 V* 0,9 W* 1,8 W
Slide 51 / 75
24 ¿Cuál es la resistencia equivalente en este circuito?
R1 = 10# R2 = 20#
V = 9 V
30 #
Slide 52 / 75
25 ¿Cuál es la corriente total en cualquier punto de este circuito?
R1 = 10# R2 = 20#
V = 9 V
0,3 A
Slide 53 / 75
26 ¿Cuál es la caída de voltaje en R1?
R1 = 10# R2 = 20#
V = 9 V
3 V
Slide 54 / 75
27 ¿Cuál es la caída de voltaje en R2?
R1 = 10# R2 = 20#
V = 9 V
6 V
Slide 55 / 75
28 ¿Cuánta potencia utiliza R1?
R1 = 10# R2 = 20#
V = 9 V
0,9 W
Slide 56 / 75
29 ¿Cuánta potencia utiliza R2?
R1 = 10# R2 = 20#
V = 9 V
1,8 W
Slide 57 / 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 R1?· ¿Cuál es la corriente en R2?· ¿Cuál es la potencia utilizada por R1?· ¿Cuál es la potencia utilizada por R2?
R1 = 3#
R2 = 6#
V = 18V
* 2 #* 18 V* 6 A* 3 A* 108 W* 54 W
Slide 58 / 75
30 ¿Cuál es la resistencia equivalente del circuito?
R1 = 3#
R2 = 6#
V = 18V
2 #
Slide 59 / 75
31 ¿Cuál es el voltaje en cualquier punto del circuito?
R1 = 3#
R2 = 6#
V = 18V
18 V
Slide 60 / 75
32 ¿Cuál es la corriente en R1?
R1 = 3#
R2 = 6#
V = 18V
6 A
Slide 61 / 75
33 ¿Cuál es la corriente en R2?
R1 = 3#
R2 = 6#
V = 18V
3 A
Slide 62 / 75
34 ¿Cuál es la potencia utilizada en R1?
R1 = 3#
R2 = 6#
V = 18V
108 W
Slide 63 / 75
35 ¿Cuál es la potencia utilizada en R2?
R1 = 3#
R2 = 6#
V = 18V
54 W
Slide 64 / 75
Circuitos paralelos: Resistencia equivalente
1. La suma de las corrientes en cada una de las resistencias en un circuito paralelo es igual a la corriente de la batería.
Por ejemplo: I = I1 + I2
2. El voltaje en todas las resistencias en un circuito paralelo es el mismo.
Por ejemplo: V = V1 = V2
R1
R2
V
Slide 65 / 75
If I = I1 + I2 + I3
Rescribe la Ley de Ohm de I y sustituye por cada resistencia:
Si agregamos más resistencias en paralelo, ¿qué sucede con la resistencia del circuito?
V1R1
VR
V3R3
V2R2
++=
Además, como V = V1 = V2 = V3, podemos sustituir V por cualquier otro voltaje
VR1
VR
VR3
VR2
++=
El voltaje es un factor común, ¡entonces elimínalo!
1R1
VR
1R3
1R2
++= V( (
Divide por V para eliminar el voltaje de la ecuación.
1R1
1Req
1R3
1R2
++=
Circuitos paralelos: Resistencia equivalente
Slide 66 / 75
Medición
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.
Slide 67 / 75
Medición
La corriente se mide utilizado un amperímetro.
¿Cómo se debe colocar un amperímetro en un circuito para medir la corriente?
Los amperímetros van ubicados en serie en el circuito.
Para no interferir con la corriente, el amperímetro tiene muy poca resistencia.
Slide 68 / 75
Medición
Aunque existen elementos por separado para medir la corriente y el voltaje, también hay dispositivos para medir ambos (por separado).
Este dispositivo se denomina multímetro.
Los multímetros también pueden medir la resistencia.
Slide 69 / 75
Voltaje terminal
Req
Er
+
_
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 70 / 75
Voltaje terminal
Req
Er
+ _
El voltaje terminal (VT) 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 71 / 75
Voltaje terminal
Req
Er
_+
Decimos que el voltaje terminal es:
VT = E - Ir
La corriente máxima se dará cuando haya una corriente externa igual a cero.
Al intentar determinar la resistencia equivalente de un circuito, la resistencia interna de la batería es considerada como una resistencia en serie.
REQ = Rint + Rext
Slide 72 / 75
36 Una batería de 6V, 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
Slide 73 / 75
37 Una batería de 6V, 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?
4,91 V
Slide 74 / 75
38 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?
19,2 V
Slide 75 / 75
