1.1: Introducción

Poco Fondo y Perspectiva

Este texto se centra en el análisis de los circuitos eléctricos de CC (corriente continua). No asume conocimiento previo de cantidades eléctricas, sistemas o teoría de circuitos. Al igual que con cualquier nuevo esfuerzo, es importante definir la terminología y las herramientas a utilizar desde el principio. Estaremos examinando las cantidades eléctricas básicas, sus relaciones, terminología adecuada y una variedad de técnicas y teoremas de análisis que tienen amplia aplicación en el campo. En este sentido, nuestras “herramientas” analíticas son las matemáticas y estándares apropiados, y el método científico, que se detallan en este capítulo. La definición de cantidades eléctricas específicas y sus relaciones comienza en el Capítulo Dos. Diversas técnicas de análisis y teoremas se detallan en capítulos posteriores.

La investigación inicial sobre electricidad ocurrió a finales del siglo XVIII y principios del XIX por individuos como Alessandro Volta, André-Marie Ampère, Michael Faraday y Georg Ohm. Esta obra fue ampliada más tarde en el siglo XIX por Gustav Kirchhoff, James Clerk Maxwell, Léon Charles Thévenin y otros. A finales del siglo XIX y principios del siglo XX se vio la aplicación práctica de la teoría eléctrica para resolver problemas prácticos (es decir, el campo de la ingeniería eléctrica). Quizás los dos nombres más asociados a este periodo son Thomas Edison y Nikola Tesla. Numerosos otros individuos también hicieron contribuciones, eventualmente conduciendo a la era de la electrónica, entrando completamente en sí misma a mediados del siglo XX con la introducción de dispositivos de estado sólido como el transistor de unión bipolar. El ritmo de estos desarrollos ha sido bastante rápido. Por ejemplo, hace poco más de un siglo la persona promedio no tenía fácil acceso a algo tan sencillo como una linterna moderna. Para poner esto en perspectiva, si tuviéramos que escalar toda la historia humana desde el surgimiento del homo sapiens moderno hasta hoy en un solo año; la radio, la televisión, las computadoras digitales y todo lo demás aparecerían sólo dentro de las últimas dos horas antes de la medianoche del último día del año.

En este punto necesitamos distinguir entre electricidad y electrónica. El término electricidad tiende a referirse a las relaciones generales entre las cantidades eléctricas como voltaje y corriente. En el uso práctico, un sistema eléctrico tiende a referirse a un sistema donde la energía eléctrica se utiliza directamente para realizar alguna forma de trabajo físico. Los ejemplos incluyen sistemas de cableado comerciales y residenciales para iluminación, calefacción y similares. La generación y transmisión de energía eléctrica normalmente entraría en esta categoría, como la línea de transmisión de alto voltaje que se ve en la Figura 1.1.1 .

Figura 1.1.1 : Líneas de transmisión de 345,000 voltios.

En contraste, los sistemas electrónicos, o simplemente la electrónica, tienden a referirse a sistemas donde se utilizan señales eléctricas para representar, almacenar y/o manipular algún tipo de información. Esto abarca toda la gama, desde la radio y la televisión hasta los dispositivos informáticos, los teléfonos celulares, los instrumentos musicales no acústicos, etc. Algunas de estas aplicaciones pueden ser obvias, donde el individuo interactúa directamente con el dispositivo como un celular o una tableta. Por otro lado, la interacción humana puede ser mínima como con el sistema de gestión del motor de un automóvil moderno. Un buen ejemplo de un dispositivo moderno repleto de electrónica es la cámara réflex digital o Digital Single Lens Reflex. Estos dispositivos incluyen numerosos sensores electrónicos y actuadores para ajustarse a la luz ambiental, para el enfoque automático y similares. Un ejemplo se muestra en la Figura 1.1.2 . El uso y la escala de las líneas de transmisión de energía frente a las cámaras digitales pueden parecer muy separadas pero, en última instancia, ambas son posibles gracias a la aplicación de las leyes básicas de la teoría de los circuitos eléctricos.

Figura 1.1.2 : Una cámara réflex digital.

Otro buen ejemplo de la escala de cizallamiento de la diferencia es mirar un solo dispositivo eléctrico como un motor de CC. La figura 1.1.3 muestra un simple motor de hobby de CC, el tipo de dispositivo que podría usarse para un juguete motorizado. Este dispositivo funciona con 12 voltios, según está disponible a partir de una batería, y extrae solo unas centésimas de amplificador de corriente (para poner esto en perspectiva, la típica bombilla incandescente anticuada extrae entre medio y un amperio de corriente de una toma de 120 voltios).

Figura 1.1.3 : Un motor de hobby de CC

Compare esto con el motor de CC industrial que se ve en la Figura 1.1.4 . Este es un motor de 4000 caballos de fuerza que se utiliza para reducir las losas de cobre de ocho pulgadas de espesor hasta un grosor de 1/2 pulgada. Dibuja 4680 amperios como máximo a 700 voltios. Claramente empequeñece al técnico que está parado cerca.

Figura 1.1.4 : Un motor industrial de CC

Ahora que tenemos un poco de trasfondo y perspectiva, es momento de mirar las matemáticas, específicamente, cómo representamos y manipulamos valores que pueden ser muy, muy grandes o muy, muy pequeños, todo manteniendo la precisión adecuada.