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 $V_{terminal}$ y viene dada por $V_{terminal} = ε - I r$ , 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 $R_{s} = R_{1} + R_{2} + R_{3} + ⋯ = \sum_{i = 1}^{N} R_{i}$ .
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
$R_{eq} = {(\frac{1}{R_{1}} + \frac{1}{R_{2}} + \frac{1}{R_{3}} + ⋯)}^{−1} = {(\sum_{i = 1}^{N} \frac{1}{R_{i}})}^{−1} .$
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.

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.

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.

Un circuito RC es aquel que tiene un resistor y un condensador.
La constante de tiempo $τ$ para un circuito RC es $τ = R C .$
Cuando un condensador inicialmente no cargado $(q = 0 en t = 0)$ 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 $I_{0} = ε / R .$
Si un condensador con una carga inicial Q se descarga a través de un resistor a partir de $t = 0$ , 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.

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.