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Energia Electrica 2

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Energia Electrica segunda parte

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  • TECNOLOGA DE LA ENERGA

    ENERGA ELECTRICA: Unidades

    Conceptos bsicos de circuitos elctricos Elementos activos y pasivos

    Elementos de circuitos. Conductores, nudos, ramas y mallas

    Anlisis de circuitos elctricos

    3 B ELECTRNICA 2009

  • E.E.T N 460 Guillermo Lehmann Departamento de Electrnica

    TECNOLOGA DE LA ENERGA

    2009 3 B Electrnica 2

    Alessandro Volta 1745 - 1827 Esta circulacin interminable del fluido elctrico puede parecer paradjica, pero no deja de ser verdadera y real, y puedes sentirla en tus manos.

    Alessandro Volta

    a teora de los circuitos elctricos comenz en realidad el 20 de marzo de 1800, cuando el fsico italiano Alessandro Volta anunci

    su invento: la batera elctrica. Este magnfico aparato le permiti a Volta producir corriente elctrica, un flujo de electricidad continuo y estable, en oposicin a la electricidad esttica, producida en descargas por mquinas elctricas anteriores como la botella de Leyden y el electrforo del mismo Volta. Volta naci en la ciudad de Como, cuando sta formaba parte del Imperio Austriaco. A la edad de 18 aos realizaba experimentos elctricos y mantena correspondencia con investigadores europeos de renombre. En 1782 se hizo profesor de fsica en la Universidad de Padua, donde se envolvi en una controversia con otro conocido pionero elctrico, Luigi Galvani, profesor de anatoma en Bolonia. Los experimentos de Galvani con ranas, lo haban conducido a creer que la corriente elctrica era electricidad animal causada por los mismos organismos. Volta, por otra parte, sostena que la corriente elctrica era electricidad metlica, cuya fuente eran las sondas de diferentes metales insertadas en las patas de la rana. Ambos tenan razn. Hay una electricidad animal y Galvani alcanz la fama como fundador de la fisiologa nerviosa. El gran invento de Volta, sin embargo, revolucion el uso de la electricidad y dio al mundo uno de sus mayores beneficios, la corriente elctrica. Napolen lo hizo senador y posteriormente conde del Imperio Francs. Despus de la derrota de Napolen, los austriacos le permitieron a Volta regresar a su estado de ciudadano italiano con todas las consideraciones inherentes. Volta recibi un reconocimiento 54 aos despus de su muerte cuando a la unidad de

    fuerza electromotriz se le dio oficialmente el nombre de Volt.

    Andr Marie Ampre 1775 - 1836 Llamar a la primera tensin elctrica y a la segunda corriente elctrica

    Andr Marie Ampre

    l 11 de septiembre de 1820 se ley en la Academia Francesa de Ciencias la emotiva relacin del descubrimiento del fsico dans

    Hans Christian Oersted de que la corriente elctrica produce un efecto magntico. Un miembro de la Academia, un profesor de matemticas francs, Andr Marie Ampre, se emocion profundamente y al cabo de una semana haba repetido el experimento de Oersted, dndole una explicacin matemtica y, adems, habiendo descubierto que las corrientes elctricas en conductores paralelos ejercen una fuerza magntica de uno al otro. Ampre naci en Lyon, Francia y desde muy temprana edad haba ledo todas las grandes obras de la biblioteca paterna. A los 12 aos asisti a la biblioteca de Lyon, y como la mayora de los mejores trabajos sobre matemticas estaban en latn, domin esta lengua en unas cuantas semanas. A despecho de dos abrumadoras tragedias personales (a la edad de 18 aos presenci la ejecucin en la guillotina de su padre, por los revolucionarios franceses y despus su joven y bella esposa muri sbitamente a tan slo 4 aos de su matrimonio) Ampre fue un brillante y prolfico cientfico. Formul muchas de las leyes de la electricidad y el magnetismo y fue padre de la electrodinmica. La unidad de corriente elctrica, el Ampere, tiene ese nombre en su honor desde 1881.

    L E

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    1. UNIDADES

    Tabla 1. Magnitudes fundamentales del Sistema Internacional (S.I.) Magnitud Smbolo Unidad S.I. Abreviatura Longitud L, l metro m

    Masa M, m kilogramo kg Tiempo T, t segundo s

    Intensidad de corriente I, i amperio A

    Tabla 2. Magnitudes derivadas Magnitud Smbolo Unidad S.I. Abreviatura

    Carga elctrica Q, q Coulomb (Culombio) C Potencial elctrico V, v Volt (Voltio) V

    Resistencia R Ohm (ohmio) Conductancia G Siemens S Inductancia L Henry (henrio) H

    Capacitancia (capacidad) C Faraday (faradio) F Frecuencia f Hertz (hertzio) Hz

    Fuerza F, f Newton N Energa, trabajo W, w Joule (julio) J

    Potencia P, p Watt (vatio) W Flujo magntico Weber Wb

    Densidad de flujo magntico B Tesla T

    Tabla 3. Mltiplos y submltiplos. Prefijo Factor Smbolo

    exa 1 x 1018 E peta 1 x 1015 P tera 1 x 1012 T giga 1 x 109 G

    mega 1 x 106 M kilo 1 x 103 K

    UNIDAD 1 mili 1 x 10-3 m

    micro 1 x 10-6 nano 1 x 10-9 n pico 1 x 10-12 p

    femto 1 x 10-15 f atto 1 x 10-18 a

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    2. CONCEPTOS BSICOS DE CIRCUITOS ELCTRICOS 2.1. CAMPO ELCTRICO

    Estamos en presencia de un campo elctrico cuando una carga elctrica en una regin del espacio determinada sufre fuerzas de atraccin o repulsin.

    2.2 POTENCIAL ELCTRICO. DIFERENCIA DE POTENCIAL Debido a la fuerza de su campo elctrico, una carga tiene la capacidad de efectuar un trabajo al

    mover a otra carga por atraccin o repulsin. La capacidad de una carga para realizar trabajo se llama potencial elctrico. Cuando dos cargas no son iguales, debe haber entre ellas una diferencia de potencial.

    Si el trabajo necesario para mover una carga Q de 1 culombio, desde la posicin A a la B, es de 1 joule, entonces se dice que el punto B tiene un potencial de un voltio respecto del punto A;

    [ ]

    =

    CJV 11

    El voltio tambin puede definirse como la diferencia de potencial elctrico entre dos puntos a lo largo de un conductor que lleva una corriente constante de un Ampere, cuando la potencia disipada entre los dos puntos es de un Watt. La potencia P es el producto de la corriente y la diferencia de voltaje, ivP = iPv = . En consecuencia:

    [ ] [ ][ ][ ][ ]CJ

    s

    Cs

    J

    AWV

    11

    1

    1

    111 =

    ==

    La unidad bsica de la diferencia de potencial es el volt [ ]V . El smbolo de la diferencia de potencial es V e indica la capacidad de efectuar un trabajo para que los electrones se muevan (corriente elctrica). Como se usa el volt como unidad, la diferencia de potencial tambin recibe el nombre de voltaje.

    Si a las dos caras o cuerpos cargados mencionados anteriormente se los interconecta con un conductor elctrico, se establecer entre ellos un flujo de electrones del cuerpo cargado negativamente al cargado positivamente. Este flujo se mantendr hasta que la diferencia de cargas elctricas entre los cuerpos quede neutralizada. Este flujo de electrones no es otra cosa que una corriente elctrica.

    Existen dispositivos que establecen en forma permanente una diferencia de potencial entre sus terminales (cuyo valor puede ser constante o variar peridicamente), tales como las bateras, generadores, alternadores, celdas fotovoltaicas, etc. Tales dispositivos se denominan en forma genrica fuentes de alimentacin o fuentes de tensin.

    2.3. CORRIENTE Y CARGA ELCTRICA La unidad de intensidad de corriente elctrica, el Ampere o Amperio [A], se define como la

    intensidad que atraviesa dos conductores paralelos de longitud infinita y seccin nula, separados un metro en el vaco y entre los que existe una fuerza de [ ]mN /102 7 . Sin embargo, un concepto

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    ms intuitivo es considerar la corriente elctrica como cargas en movimiento, y en este caso, un amperio es equivalente a un Coulomb (culombio) de carga que pasa a travs de una superficie en un segundo. Utilizando magnitudes variables con el tiempo se tiene ( )

    dtdq

    ti = . La unidad de carga, el

    Coulomb o Culombio [ ]C , es equivalente a un amperio por segundo.

    (a) (b) Figura 2.1.-

    El movimiento de cargas puede ser positivo o negativo. Los iones movindose hacia la izquierda, dentro de un lquido o un plasma, como se indica en la figura 2.1 (a), producen una corriente de intensidad i hacia la izquierda. Si estos iones atraviesan una superficie S a un ritmo de un culombio por segundo, por lo tanto la intensidad es de un amperio. Los iones negativos movindose hacia la derecha, como lo indica la figura 2.1 (b), dan lugar tambin a una corriente que se desplaza hacia la izquierda. Se define como sentido convencional o tcnico de la corriente a aqul que establece una circulacin desde el potencial positivo o mayor hacia el potencial negativo o menor. El sentido electrnico de la corriente se define como la circulacin de electrones hacia el potencial positivo del campo elctrico.

    Los electrones son idnticos para todas las sustancias (los de cobre son iguales que los del vidrio o la madera), siendo stas, las partculas ms importantes en los mecanismos de la conduccin elct