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20.1: Visión general

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    objetivos de aprendizaje

    • Describir la estructura de un circuito eléctrico e identificar elementos de un circuito de corriente continua

    Descripción general

    Una red eléctrica es una interconexión de elementos eléctricos como resistencias, inductores, capacitores, líneas de transmisión, fuentes de voltaje, fuentes de corriente e interruptores. Un circuito eléctrico es un tipo especial de red, una que tiene un bucle cerrado que da una ruta de retorno para la corriente. Las redes eléctricas que consisten únicamente en fuentes (tensión o corriente), elementos agrupados lineales (resistencias, capacitores, inductores) y elementos lineales distribuidos (líneas de transmisión) pueden analizarse mediante métodos algebraicos y de transformación. Un circuito resistivo es un circuito que contiene solo resistencias y fuentes ideales de corriente y voltaje. El análisis de circuitos resistivos es menos complicado que el análisis de circuitos que contienen capacitores e inductores. Si las fuentes son fuentes constantes (CC), el resultado es un circuito de CC. Una red que contiene componentes electrónicos activos se conoce como circuito electrónico. Dichas redes son generalmente no lineales y requieren herramientas de diseño y análisis más complejas.

    Circuitos: Una breve introducción a los circuitos eléctricos y el flujo de corriente para estudiantes introductorios de física.

    Circuitos de corriente continua

    La corriente continua (CC) es el flujo unidireccional de la carga eléctrica. La corriente continua es producida por fuentes como baterías, termopares, células solares y máquinas eléctricas de tipo conmutador del tipo dinamo. La corriente continua puede fluir en un conductor tal como un cable, pero también puede fluir a través de semiconductores, aisladores o incluso a través de un vacío como en haces de electrones o iones. La carga eléctrica fluye en una dirección constante, distinguiéndola de la corriente alterna (CA). Un término utilizado anteriormente para corriente continua fue corriente galvánica.

    Un circuito de corriente continua es un circuito eléctrico que consiste en cualquier combinación de fuentes de voltaje constante, fuentes de corriente constante y resistencias. En este caso, los voltajes y corrientes del circuito son independientes del tiempo. Un voltaje o corriente de circuito particular no depende del valor pasado de ningún voltaje o corriente de circuito. Esto implica que el sistema de ecuaciones que representan un circuito de CC no involucra integrales o derivadas con respecto al tiempo. Si se agrega un condensador o inductor a un circuito de CC, el circuito resultante no es, estrictamente hablando, un circuito de CC. Sin embargo, la mayoría de estos circuitos tienen una solución de CC. Esta solución le da al circuito voltajes y corrientes cuando el circuito está en estado estacionario de CC. Tal circuito está representado por un sistema de ecuaciones diferenciales. La solución a estas ecuaciones suele contener una parte variable en el tiempo o transitoria, así como una parte de estado constante o estacionario. Es esta parte de estado estacionario la que es la solución de CC. En electrónica, es común referirse a un circuito que es alimentado por una fuente de voltaje de CC como una batería o la salida de una fuente de alimentación de CC como un circuito de CC aunque lo que se quiere decir es que el circuito es alimentado por CC.

    Un simple circuito de CC se ilustra en. En diagramas de circuito como este, los elementos eléctricos están representados por símbolos y generalmente etiquetados con características apropiadas, como la resistencia r de una resistencia. El potencial eléctrico y la corriente también pueden etiquetarse en varios puntos del circuito. Sin embargo, tenga en cuenta que las convenciones de diagramas de circuitos difieren entre los libros de texto y los campos de materias, lo que lleva a que se utilicen diferentes símbolos para los mismos elementos de circuito.

    imagen

    Símbolos de elementos de circuito de ejemplo: un conjunto de elementos de circuito de ejemplo y sus símbolos asociados comúnmente utilizados en diagramas de circuito.

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    Un circuito simple: Un circuito simple de CC con una fuente de voltaje (V) y una resistencia (R). La corriente i que fluye a través del circuito está dada por la ley de Ohm.

    Leyes físicas relacionadas con el análisis de circuitos

    Una serie de leyes eléctricas se aplican a todas las redes eléctricas. Estas incluyen la ley de Ohm, que ha sido discutida en el módulo “Resistencia y Resistencias”, las leyes de corriente y voltaje de Kirchhoff, que están cubiertas en el módulo “Reglas de Kirchhoff”. Las dos leyes Kirchoff junto con la característica de corriente-voltaje (curva I-V) de cada elemento eléctrico describen completamente un circuito. Con estos, es posible calcular el potencial eléctrico y la corriente en cada punto del circuito. Además, el teorema de Norton y el teorema de Thévenin son útiles para analizar circuitos complicados.

    Fuentes de EMF

    La fuerza electromotriz (EMF) es el voltaje de voltaje generado por una batería o por la fuerza magnética según la Ley de Inducción de Faraday.

    objetivos de aprendizaje

    • Dar ejemplos de los dispositivos que pueden proporcionar la fuerza electromotriz

    Fuerza Electromotriz

    La fuerza electromotriz, también llamada EMF (denotada y medida en voltios) se refiere al voltaje generado por una batería o por la fuerza magnética según la Ley de Inducción de Faraday, que establece que un campo magnético variable en el tiempo inducirá una corriente eléctrica.

    La “fuerza” electromotriz no se considera una fuerza (ya que la fuerza se mide en newtons) sino un potencial, o energía por unidad de carga, medida en voltios. Formalmente, EMF se clasifica como el trabajo externo empleado por unidad de carga para producir una diferencia de potencial eléctrico en dos terminales de circuito abierto. Al separar las cargas positivas y negativas, se produce diferencia de potencial eléctrico, generando un campo eléctrico. La diferencia de potencial eléctrico creada impulsa el flujo de corriente si un circuito está conectado a la fuente de EMF. Cuando la corriente fluye, sin embargo, el voltaje a través de los terminales de la fuente de EMF ya no es el valor de circuito abierto, debido a las caídas de voltaje dentro del dispositivo debido a su resistencia interna.

    Los dispositivos que pueden proporcionar CEM incluyen celdas electroquímicas (baterías), dispositivos termoeléctricos, celdas solares, generadores eléctricos, transformadores e incluso generadores Van de Graaff (ejemplos mostrados en).

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    Ejemplos de generadores de fuerza electromotriz. : Una variedad de fuentes de voltaje (en sentido horario desde arriba a la izquierda): el Parque Eólico Brazos en Fluvanna, Texas (crédito: Folleto, Wikimedia Commons); la presa Krasnoyarsk en Rusia (crédito: Alex Polezhaev); una granja solar (crédito: Departamento de Energía de Estados Unidos); y un grupo de baterías de hidruro metálico de níquel (crédito: Tiaa Monto). La salida de voltaje de cada uno depende de su construcción y carga, y equivale a emf solo si no hay carga.

    En el caso de una batería, la separación de carga que da lugar a una diferencia de voltaje se logra mediante reacciones químicas en los electrodos; se puede pensar que las células voltáicas tienen una “bomba de carga” de dimensiones atómicas en cada electrodo.

    En el caso de un generador eléctrico, un campo magnético variable en el tiempo dentro del generador crea un campo eléctrico mediante inducción electromagnética, lo que a su vez crea una diferencia de energía entre los terminales del generador. La separación de carga tiene lugar dentro del generador, con electrones que fluyen lejos de un terminal y hacia el otro, hasta que, en el caso de circuito abierto, se acumula suficiente campo eléctrico para hacer desfavorable el movimiento adicional. Nuevamente la EMF es contrarrestada por el voltaje eléctrico debido a la separación de carga. Si se conecta una carga, este voltaje puede conducir una corriente. El principio general que rige la CEM en tales máquinas eléctricas es la ley de Inducción de Faraday.

    En la naturaleza, EMF se genera siempre que las fluctuaciones del campo magnético ocurren a través de una superficie. Un ejemplo de esto es el campo magnético de la Tierra variable durante una tormenta geomagnética, que actúa sobre cualquier cosa en la superficie del planeta, como una red eléctrica extendida.

    Puntos Clave

    • La corriente continua (CC) es el flujo unidireccional de la carga eléctrica. La corriente continua es producida por fuentes como baterías, termopares, células solares y máquinas eléctricas de tipo conmutador del tipo dinamo.
    • Un circuito de corriente continua es un circuito eléctrico que consiste en fuentes de voltaje constante, fuentes de corriente constante y resistencias. Es común referirse a un circuito que es alimentado por una fuente de voltaje de CC como un circuito de CC aunque lo que se quiere decir es que el circuito es alimentado por CC.
    • Varias leyes eléctricas se aplican a todas las redes eléctricas: la ley de Ohm, las leyes de corriente y voltaje de Kirchhoff, el teorema de Norton y el teorema de Thévenin. Con estos, es posible calcular el potencial eléctrico y la corriente en cada punto del circuito.
    • La EMF se clasifica como el trabajo externo empleado por unidad de carga para producir una diferencia de potencial eléctrico en dos terminales de circuito abierto.
    • Los dispositivos que pueden proporcionar EMF incluyen celdas electroquímicas, dispositivos termoeléctricos, células solares, generadores eléctricos, transformadores e incluso generadores Van de Graaff.
    • En la naturaleza, EMF se genera siempre que las fluctuaciones del campo magnético ocurren a través de una superficie.

    Términos Clave

    • característica de corriente-voltaje: Una característica de corriente-voltaje o curva I-V (curva de corriente-voltaje) es una relación entre la corriente eléctrica a través de un circuito, dispositivo o material, y el voltaje correspondiente, o diferencia de potencial a través de él.
    • circuito eléctrico: Una interconexión de elementos eléctricos como resistencias, inductores, condensadores, líneas de transmisión, fuentes de voltaje, fuentes de corriente e interruptores que tiene un bucle cerrado dando una ruta de retorno para la corriente.
    • corriente continua: Una corriente eléctrica en la que los electrones fluyen en una dirección, pero puede variar con el tiempo.
    • batería: Un dispositivo que produce electricidad por una reacción química entre dos sustancias.
    • fuerza electromotriz: (EMF) —El voltaje generado por una batería o por la fuerza magnética según la Ley de Faraday. Se mide en unidades de voltios, no newtons, y así, en realidad no es una fuerza.
    • La ley de inducción de Faraday: Es una ley básica del electromagnetismo que predice cómo interactuará un campo magnético con un circuito eléctrico para producir una fuerza electromotriz.

    LICENCIAS Y ATRIBUCIONES

    CONTENIDO CON LICENCIA CC, COMPARTIDO PREVIAMENTE

    CC CONTENIDO LICENCIADO, ATRIBUCIÓN ESPECÍFICA

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