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Resumen

10.1 Fuerza electromotriz

  • Todas las fuentes de voltaje tienen dos partes fundamentales: una fuente de energía eléctrica que tiene una fuerza electromotriz (emf) característica y una resistencia interna r. La emf es el trabajo realizado por carga para mantener constante la diferencia de potencial de una fuente. La emf es igual a la diferencia de potencial entre los terminales cuando no fluye la corriente. La resistencia interna r de una fuente de voltaje afecta el voltaje de salida cuando fluye una corriente.
  • La salida de voltaje de un dispositivo se denomina voltaje de los terminales VterminalVterminal y viene dada por Vterminal=εIrVterminal=εIr, donde I es la corriente eléctrica y es positiva cuando fluye desde el terminal positivo de la fuente de voltaje y r es la resistencia interna.

10.2 Resistores en serie y en paralelo

  • La resistencia equivalente de un circuito eléctrico con resistores conectadas en serie es la suma de las resistencias individuales Rs=R1+R2+R3+=i=1NRiRs=R1+R2+R3+=i=1NRi.
  • Cada resistor en un circuito en serie tiene la misma cantidad de corriente que fluye a través de él.
  • La caída de potencial, o disipación de potencia, a través de cada resistor individual en una serie es diferente, y su total combinado es la entrada de la fuente de energía.
  • La resistencia equivalente de un circuito eléctrico con resistores conectados en paralelo es menor que la resistencia más baja de cualquiera de los componentes y puede determinarse mediante la fórmula
    Req=(1R1+1R2+1R3+)−1=(i=1N1Ri)−1.Req=(1R1+1R2+1R3+)−1=(i=1N1Ri)−1.
  • Cada resistor de un circuito paralelo tiene el mismo voltaje completo de la fuente que se le aplica.
  • La corriente que fluye por cada resistor en un circuito paralelo es diferente, dependiendo de la resistencia.
  • Si una conexión más compleja de resistores es una combinación de serie y paralelo, puede reducirse a una sola resistencia equivalente identificando sus distintas partes como serie o paralelo, reduciendo cada una a su equivalente y continuando hasta llegar a una sola resistencia.

10.3 Reglas de Kirchhoff

  • Las reglas de Kirchhoff pueden utilizarse para analizar cualquier circuito, simple o complejo. Las reglas de conexión en serie y en paralelo más sencillas son casos especiales de las reglas de Kirchhoff.
  • La primera regla de Kirchhoff, también conocida como regla de nodos, se aplica a la carga de un nodo. La corriente es el flujo de carga; por lo tanto, toda la carga que entra en el nodo debe salir.
  • La segunda regla de Kirchhoff, también conocida como regla de las tensiones, establece que la caída de voltaje alrededor de un bucle es cero.
  • Al calcular el potencial y la corriente utilizando las reglas de Kirchhoff, hay que seguir una serie de convenciones para determinar los signos correctos de los distintos términos.
  • Cuando varias fuentes de voltaje están en serie, sus resistencias internas se suman y sus emf se suman para obtener los valores totales.
  • Cuando varias fuentes de voltaje están en paralelo, sus resistencias internas se combinan en una resistencia equivalente que es menor que la resistencia individual y proporciona una corriente mayor que una sola celda.
  • Las celdas solares pueden conectarse en serie o en paralelo para aumentar el voltaje o la corriente, respectivamente.

10.4 Instrumentos de medición eléctrica

  • Los voltímetros miden el voltaje y los amperímetros la corriente. Los contadores analógicos se basan en la combinación de un resistor y un galvanómetro, un dispositivo que proporciona una lectura analógica de la corriente o el voltaje. Los contadores digitales se basan en convertidores analógico-digitales y proporcionan una medición discreta o digital de la corriente o el voltaje.
  • Un voltímetro se coloca en paralelo con la fuente de voltaje para recibir todo el voltaje y debe tener una gran resistencia para limitar su efecto en el circuito.
  • Un amperímetro se coloca en serie para obtener toda la corriente que circula por una rama y debe tener una pequeña resistencia para limitar su efecto en el circuito.
  • Los voltímetros y amperímetros estándar alteran el circuito al que están conectados y, por tanto, su precisión es limitada.
  • Los óhmetros se utilizan para medir la resistencia. La componente en el que se va a medir la resistencia debe estar aislada (retirado) del circuito.

10.5 Circuitos RC

  • Un circuito RC es aquel que tiene un resistor y un condensador.
  • La constante de tiempo ττ para un circuito RC es τ=RC.τ=RC.
  • Cuando un condensador inicialmente no cargado (q=0 en t=0)(q=0 en t=0) en serie no cargado con un resistor es cargado por una fuente de voltaje dc, el condensador se acerca asintóticamente a la carga máxima.
  • A medida que aumenta la carga del condensador, la corriente disminuye exponencialmente desde la corriente inicial I0=ε/R.I0=ε/R.
  • Si un condensador con una carga inicial Q se descarga a través de un resistor a partir de t=0t=0, entonces su carga disminuye exponencialmente. La corriente fluye en sentido contrario a cuando se carga y la magnitud de la carga disminuye con el tiempo.

10.6 Cableado doméstico y seguridad eléctrica

  • Los dos tipos de riesgos eléctricos son el térmico (potencia excesiva) y el de choque (corriente a través de una persona). Se emplean sistemas y dispositivos de seguridad eléctrica para evitar los riesgos térmicos y de choque.
  • La gravedad del choque viene determinada por la corriente, la trayectoria, la duración y la frecuencia de la ac.
  • Los disyuntores y fusibles interrumpen las corrientes excesivas para evitar riesgos térmicos.
  • El sistema de tres cables protege contra los riesgos térmicos y de choque, utilizando cables vivos/calientes, neutros y de tierra, y conectando a tierra el cable neutro y la caja del aparato.
  • Un interruptor de circuito de falla a tierra (GFCI) previene descargas eléctricas al detectar la pérdida de corriente en trayectorias involuntarias.
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