Instituto Universitario Politécnico Santiago Mariño

Extensión Porlamar

Análisis critico

(Circuitos eléctricos)

Realizado por:

Ali Márquez

C.I.: 21.727.779

Sección: 4A

Profesor: Lic. Julián Carneiro

Ingeniería industrial

Porlamar, mayo 2015

Historia de la electricidad

La electricidad ha existido siempre, es parte de la naturaleza. Esta electricidad natural se la denomina electricidad estática. Si seguimos una cronología de los observadores de este fenómeno, el primer lugar hay que dárselo al filósofo griego Tales de Mileto (600 años a.C.). Sus juegos con el ámbar le permitieron descubrir que si lo frotaba con un paño de lana éste atraía a pequeñas partículas como motas de polvo, ligeras plumas o hilos El ámbar es una resina fósil de los árboles de hace millones de años e igual que los griegos no sabían esto, tam-poco Mileto supo explicar por qué sucedían estos fenómenos cuando se entretenía con el ámbar. Pero a pesar de que sus conocimientos fueron por otros derroteros, como la astronomía, a Tales se le considera el primer científico de la historia e intentó dar respuesta a la pregunta que muchos otros científicos se harían más tarde: ¿De qué está hecho todo lo que hay en la naturaleza?

Resulta curioso que hasta el siglo XVII los investigadores no tuvieran otra vez su interés por el ámbar. Mil años después en 1660, el médico y físico inglés William Gilbert se percató que algunas sustancias se comportaban como el ámbar atrayendo sustancias, como el vidrio o el azufre y que otras, como el cobre o la plata no ejercían ninguna atracción. Al fenómeno lo llamo electricidad, por la palabra griega elektron que significa ámbar y a las primeras sustancias: eléctricas y a las segundas: aneléctricas. Gilbert y otros investigadores consideraban que la electricidad era algo que entraba en el ámbar cuando se le frotaba. Pero los secretos de este extraño fenómeno se mantuvieron todavía durante un tiempo. Y todos los experimentos que se realizaban no dejaban de ser fenómenos de laboratorio.

En el año 1747, Benjamín Franklin, frente a lo que habían mantenido alguno de sus colegas, propuso que no existían dos tipos de fluidos y creía que la electricidad era algo que estaba en todas las cosas y que ésta se podía presentar en exceso o en defecto, bautizando estas dos posibilidades su electricidad negativa como faltaba y electricidad positiva su exceso. Hoy día se mantienen estos términos, pero con una comprensión distinta del fenómeno. Se utiliza en las pilas con sus signos más y menos

La observación de la naturaleza llevo a Franklin a establecer una relación entre el ámbar y los rayos que caían al suelo. La potencia de la naturaleza tiene una de sus manifestaciones más bellas y terroríficas en el rayo. Es la electricidad en acción como resultado de una descarga eléctrica en una nube. La observación de los relámpagos fue fundamental para desvelar los secretos de la carga eléctrica. En su célebre experimento de 1752, Franklin hizo volar una cometa en medio de una tor-menta para

demostrar que el rayo era electricidad y lo probó al pasar éste a través de la cuerda húmeda a la cual había atado una llave. Cuando tocó la llave salieron chis-pas como con el ámbar o al tocar una alfombra o algún material como un pica-porte. El científico arriesgó su vida, otros habían muerto en el intento, y con ello salvo también la de muchos otros al inventarse el pararrayos o barra metálica que atrae los rayos y los conducen al suelo para descargarlos.

A pesar de este avance el ámbar todavía era un material de experimentación, hasta que tres décadas después, en 1780, fue cuando Luigi Galvani descubrió que la electricidad podía excitar la contracción muscular, sin embargo fue el conde Alessandro Volta quien explicó este comportamiento al observar distintos metales sumergidos en agua salada. Y lo más importante para la humanidad que esta se podía producir: los aparatos de Volta, sus "pilas" producían cargas eléctricas por medio de una reacción química originada con dos placas de zinc y cobre sumergidas en ácido sulfúrico. Las bautizó como corriente, término que seguimos utilizando hoy, incluidas las propias pilas que están basadas en el mimo principio.

Al mismo tiempo, Georg Simon Ohm sentó las bases del estudio de la circulación de las cargas eléctricas en el interior de materiales conductores. Pero para sentar las bases de nuestro mundo, impensable sin electricidad, hubo que fijarse en otra parte de la moneda: el magnetismo. En 1819, Hans Oersted descubrió que una aguja magnética colgada de un hilo se apartaba de su posición inicial cuando pasaba próxima a ella una corriente eléctrica y postuló que estas producían un efecto magnético. Lo que llevó al futuro telégrafo y a André Ampère a deducir que las corrientes eléctricas debían comportarse del mismo modo que lo imanes. Un anillo de hierro con carretes de cobre enrollados alrededor y separados por bramante fue el que utilizó Michael Faraday para descubrir la inducción electromagnética. Fue el primer transformador aunque no se utilizó como ya que Faraday no disponía de corriente alterna. Pero creó una terminología que todavía se emplea hoy: electrolito, electrolisis, ánodo y cátodo.

El croata-americano Nikola Tesla pensó que un día la fuerza de los rayos podía ser utilizada, estas imaginaciones le llevaron a inventar un tipo de transformador, el carrete de Tesla, que produce las señales de alta frecuencia empleadas en radio y televisión, demostrar que las máquinas funcionan mejor con corriente alterna que con continua y en 1888 inventar el motor de inducción. Los transformadores en una moderna central hacen que el transporte de la electricidad sea eficiente al elevar el voltaje producido. La

empresa Westing-house no tardo en utilizar este avance clave de la explotación industrial de la corriente alterna. En 1895 Westinghouse pone en servicio la primera planta de generación de electricidad comercial con su La Planta del Niagara.

Los experimentos de Faraday se volvieron matemáticas gracias a James Maxwell, quien en 1873 presentó sus ecuaciones que unificaban la descripción de los comportamientos eléctricos y magnéticos y su desplazamiento a través del espacio en forma de ondas. De manera sencilla se puede decir que la materia está formada por átomos y estos a su vez contienen electrones, diminutas partículas con carga negativa que giran entorno al núcleo con carga positiva; ciertas sustancias como los metales tienen electrones libres que pueden pasar de un átomo a otro. Este movimiento –y sobre todo cuando son obligados a ello– produce electricidad.

El electrón fue descubierto por J. J Thomson en 1897 y a la vez que explicaba los rayos catódicos probaba que existía una partícula aún más pequeña que el átomo. Ahora sólo quedaba domesticar a esta energía, que se ha convertido en indispensable, limpia, de bajo costo y de fácil trans-porte. Y por último, no podemos dejar de meter en la lista de hombres ilustres a Thomas Alva Edison. De niño fue expulsado del colegio porque los profesores creían que era retrasado. A los quince años trabajó de telegrafista, realizó mejoras en el funcionamiento del sistema y con el dinero ganado se dedicó a generar nuevos inventos. Y entre ellos estaba esa humilde bombilla y por supuesto enchufes para ellas. El 21 de octubre de 1879 consiguió el primer filamento que duraba incandescente 40 horas y con sólo 10 voltios. Con este gran avance comenzaría la universalización del uso de la electricidad. Pero para cambiar el mundo las bombillas tenían que mantenerse encendidas todo el día. Edison, para ello dio otro grande paso para la humanidad: la primera central eléctrica con generadores accionados por máquinas de vapor. 52 clientes fueron los primeros en iluminar su casa con electricidad. Con ello comenzaría esa distinción entre investigación básica y otra que suele llamarse aplicada o investigación y desarrollo.

El problema de la electricidad es hoy el mismo que hace cien años. Ha de ser producida en el momento en que se necesita. Esta cuestión no ha sido resuelta por la tecnología y todavía no se puede almacenar energía eléctrica para grandes consumos. A pesar de que las pilas duran cada vez más y los teléfonos móviles y ordenadores funcionan, no ocurre lo mismo en toda la industria. Pero lo que tal vez no pasaba hace doscientos años sí pasa ahora, el suministro no puede detenerse, si no nos vamos a encontrar con algún que otro problema para estar enchufados a la corriente eléctrica.

Efectivamente la electricidad nos ayuda y nos ha beneficiado grandemente en la vida cotidiana ya que la electricidad a mejorado el rendimiento en el transcurso del día y ha beneficiado a pequeñas y grandes empresas, cuando por fallas eléctrica la luz se suspende el país se paraliza ya que nos hemos vuelto independientes de ella.

La electricidad es muy indispensable ya que la encontramos en la gran parte de nuestro alrededor. La electricidad como la electrónica hoy en día son el pilar fundamental para que el mundo funcione.

La energía eléctrica

La Energía eléctrica es causada por el movimiento de las cargas eléctricas en el interior de los materiales conductores. Esta energía produce, fundamentalmente, 3 efectos: luminoso, térmico y magnético. Ej.: La transportada por la corriente eléctrica en nuestras casas y que se manifiesta al encender una bombilla.

Corriente eléctrica

La corriente eléctrica o intensidad eléctrica es el flujo de carga eléctrica por unidad de tiempo que recorre un material. Se debe al movimiento de las cargas (normalmente electrones) en el interior del material. En el Sistema Internacional de Unidades se expresa en C/s (culombios sobre segundo), unidad que se denomina amperio. Una corriente eléctrica, puesto que se trata de un movimiento de cargas, produce un campo magnético, un fenómeno que puede aprovecharse en el electroimán.

Sobre un resistor de 10 ohms se mantiene una corriente de 5 A durante 4 minutos. ¿Cuántos coulomb y cuantos electrones pasan a través de la sección transversal del resistor durante ese tiempo.

Solución

Tenemos:

Recuerde que:donde tenemos

Así:

Circuito Serie

Un circuito serie es aquel en el que el terminal de salida de un dispositivo se conecta a la terminal de entrada del dispositivo siguiente. El símil de este circuito sería una manguera, la cuál está recorrida por un mismo caudal (corriente). 

Una resistencia es cuándo pisamos de forma parcial dicha manguera, obstruyéndose de esta forma al flujo de corriente.

Respecto a las tensiones, estas son mayores en aquellas zonas de la manguera que pisamos más y por tanto se oponen más al paso de dicho corriente. La caída de tensión es mayor  en aquellas zonas que presentan una mayor obstrucción a la corriente.   

Y se cumple esto:

VTotal = V1 + V2 + .... Vn

La tensión total = a la suma de todas las fuentes conectadas en serie. Así si tenemos 2 pilas, una de 6 V y otra 9 V en un circuito, la tensión total del circuito será de 15 V.

Itotal = I1 = I2

Sobre el circuito discurre una única corriente, esto es, todos los componentes del circuito son recorridos por la misma corriente o intensidad, i. Más tarde la calcularemos.

RTotal = R1 + R2 ... Rn

La resistencia total es la suma de todas las resistencias.

1 / C Total = 1 / C1 + 1 / C2 .... 1 / Cn

La capacidad total es la suma de la inversa de las capacidades del circuito.

Qué pasa si desconectamos uno de los elementos del circuito, pues que se abre el circuito y tenemos un circuito abierto, NO PASA LA CORRIENTE, esto pasaba antes con la iluminación de navidad, si se nos fundía una bombilla el resto no funcionaba. 

Ejemplo de circuito serie y cálculos a aplicar:

Vamos a calcular la corriente del circuito (i total)y la caída de tensión que se produce en las resistencias a y b (Va y Vb) 

Cómo sabemos que en un circuito serie la corriente que discurre es única, ¿cómo calculamos esa corriente? 

Bien, para eso aplicaremos la Ley de Ohms del circuito, I = V / R.

- VTotal sabemos que es la que entrega la fuente de alimentación, en el caso de haber más fuentes se sumarían sus tensiones, por lo tanto son 9V.

- RTotal sabemos que es la suma de las resistencias del circuito, al ser un circuito serie.

Con lo que ya podemos calcular la corriente de nuestro circuito

-ITotal  = 9V / 130.000 ohmios =  0,00006923 A o lo que es lo mismo 0,06923 mA

Ahora vamos a calcular la caída de tensión en las resistencias a y b, aplicando de nuevo la ley de Ohms,  V = I x R.

Cómo sabemos que la corriente que discurre por ellas es la del circuito ITotal, aplicamos de nuevo la ley de ohms.

Va = ITotal x Ra      Va = 0,00006923 x 100.000 = 6,92 V

El cálculo de Vb os lo dejo a vosotros, sin embargo os digo que se puede saber directamente sin aplicar de nuevo esta fórmula. Recordáis a que era igual cuál era la tensión del circuito? eso es, la tensión del circuito es

igual a la de la fuente, por tanto si en una resistencia tenemos una caída de 6,92V, en la otra tendremos la diferencia hasta llegas a los 9V de la pila.

Circuito Paralelo

Un circuito paralelo es aquel en el que los terminales de entrada de sus componentes están conectados entre sí, lo mismo ocurre con los terminales de salida.

Respecto al símil hidráulico, es cómo si tuviéramos varias tuberías empalmadas a un mismo punto, y por tanto pasará mayor corriente en aquellas zonas cuya resistencia es menor. 

Cómo es lógico al final del empalme se recoge toda la corriente de agua, y por tanto circula el total de corriente del circuito.

El circuito seríe, en ese circuito había una única corriente en el circuito, ahora la cosa cambia, ahora tenemos VARIAS corrientes, tantas como ramas.

Sin embargo ahora tendremos una única tensión, que será igual a la de la fuente.

En las figuras siguientes vemos cómo es un circuito paralelo. Ambas figuras son idénticas, lo que pasa que lo he puesto de forma que lo recordemos con el símil hidráulico.

Tenemos una fuente de alimentación de 9V que alimenta a 2 ramas, una con una resistencia de 100K y otra con una resistencia de 10K, ¿por dónde crees que pasará más corriente? ¿Dónde estamos pisando más la tubería? Pues la estamos pisando más en la resistencia de 100K, por lo que

I2 será mayor que I1, por I1 pasará menos corriente al tener una resistencia mayor. 

 Vemos que la corriente total del circuito se divide en 2 corrientes que

dependen de las resistencias de cada rama, por tanto.

Ahora se cumple esto:

VTotal = Vfuente

La tensión total = a la tensión de la fuente de alimentación.

Itotal = I1 + I2

Ahora sobre el circuito ya NO discurre una única corriente, sino que discurren 2 corrientes, también dependerá dónde midamos dicha corriente claro está, pero a efectos prácticos ahora tenemos 2 corrientes. Si tuviéramos más ramas tendríamos más corrientes.

1 / RTotal = 1/R1 + 1/R2 ...+ 1/Rn

La resistencia total es la suma de la inversa todas las resistencias.

C Total = C1 + C2 .... + Cn

La capacidad total es la suma de todas las capacidades del circuito, vemos que ahora los cálculos se invierten respecto de los de un circuito serie. 

Ahora, que pasa si desconectamos una de las ramas? pues que el resto de circuito seguirá trabajando, el flujo de corriente ahora no se corta, y por tanto por nuestro circuito seguirá pasando la corriente.

Ejemplo de circuito paralelo y cálculos a aplicar.

Observemos el circuito anterior y calculemos sus parámetros.

Vamos a calcular la corriente del circuito (i total)y la caída de tensión que se produce en las resistencias a y b (Va y Vb) 

Cómo sabemos que en un circuito paralelo la corriente se divide en varias ramas, calcularemos la corriente que circula por cada rama, volviendo a aplicar la Ley de Ohm (I = V / R).

La tensión es la que nos da la fuente que son V=9V y si nos fijamos, dicha tensión se aplica tanto a las bornas de la R1 como a las bornas de la R2.

Así I1 = 9 / 100.000 =  0,09 mA (miliAmperios)

Así I2 = 9 / 10.000 = 0,9 ma (miliAmperios)

Y cuál es la intensidad total del circuito, pues la intensidad total del circuito será la suma de I1 e I2.

ITotal = 0,09 + 0,9 = 0,99 mA 

Otra forma de calcular la intensidad del circuito es considerando la resistencia equivalente del circuito paralelo, para ello empleamos la fórmula vista anteriormente 1 / RTotal = 1/R1 + 1/R2 ...+ 1/Rn

1 / R Total = 1 / 100.000 + 1 / 10.000  

1 / R Total = 100.000 + 10.000 / 100.000 * 10.000

1 / R Total = 110.000 / 1.000.000.000

1 / R Total = 0.00011 

R Total = 1 / 0.00011 = 9.090,90  Ohmios.

Por tanto la I Total = 9 V / 9.090,90 ohmios = 0,99 mA que coincide con la calculada por el método anterior.

Baterías (Pila acumuladores)

Cuando se unen mediante un conductor dos cuerpos entre los cuales existe una diferencia de potencial (d.d.p) o también llamada tensión, se produce un paso de corriente de uno a otro, que provoca la disminución gradual de dicha diferencia de potencial o tensión (Te recomendamos que si no sabes lo que es la tensión o d.d.p veas el enlace de la derecha magnitudes eléctricas). Al final, cuando el potencial se iguala, el paso de corriente eléctrica cesa (la tensión o d.d.p es igual a cero). Para que la corriente siga circulando debe mantenerse constante la diferencia de potencial. Y esto es precisamente lo que hacen las baterías y los acumuladores eléctricos. Mantener una d.d.p o tensión entre sus dos polos,

para que al conectar un receptor circule una corriente eléctrica de un polo al otro (del negativo al positivo).

Un acumulador es, por tanto, un aparato capaz de retener cierta cantidad de energía en su interior, suministrada externamente, para emplearla cuando la necesite.

Una batería está formada por varios acumuladores, y puede ser ácida o calina en función 'de la naturaleza del electrolito. Por ejemplo, las baterías de los coches son ácidas, porque contienen un electrolito de ácido sulfúrico en el que se sumergen una placa de plomo metálico y otra de dióxido de plomo.

Cuando se agota el plomo o el dióxido de plomo la batería está gastada y para recargarla se hace pasar una corriente eléctrica de la placa positiva a la negativa mediante un alternador o dinamo (o a veces conectándola al enchufe de casa), de manera que el sulfato de plomo se vuelve a des componer en plomo en la placa negativa, y en la positiva en dióxido de plomo.

Pero ¿Cuál es la diferencia entre una batería y un acumulador? Pues un Acumulador es una celda que almacena energía a través de un proceso electroquímico.

La Batería es el conjunto de estas celdas para lograr los voltajes necesarios. Por ejemplo, una batería de auto de 12V es un conjunto en serie de 6 celdas de plomo-ácido de 2V cada una.

La pila es un término que se suele usar cuando hablamos de generadores de electricidad basados en procesos químicos normalmente no reversibles, o acumuladores de energía eléctrica no recargables (aunque hoy en día las hay recargables); mientras que batería se aplica generalmente a los dispositivos electroquímicos semi-reversibles, o acumuladores de energía eléctrica que sí se pueden recargar.

Fuentes dependientes

Las fuentes de tensión y de corriente que se acaban de describir son elementos en los que la tensión y la corriente tienen valores fijos y, por tanto, no ajustables. Existen otro tipo de fuentes en los que los valores de v ó i no son fijos, sino que dependen de la tensión o corriente en otros puntos de la red; este tipo de generadores se conocen con el nombre de generadores dependientes o generadores controlados.

Pueden darse cuatro tipos de fuentes controladas, dependiendo de que cada generador suministre una tensión o una corriente y según sea la variable de control una v o una i.

Se muestran esquemáticamente estos generadores, donde el recuadro indica un circuito eléctrico (C.E.) Y el generador, propiamente dicho se representa mediante el rombo.

a) Se tiene un generador de tensión cuya magnitud depende de la tensión entre otros puntos del circuito (generador de tensión controlado por tensión).

b) Se tiene un generador de tensión cuya magnitud depende de una corriente (generador de tensión controlado por corriente).

c) Existe un generador de corriente cuya intensidad depende de la tensión entre dos puntos del circuito (generador de corriente controlado por tensión).

d) Se tiene un generador de corriente cuya intensidad es función de la corriente en otra parte del circuito (generador de corriente controlado por corriente). Los generadores dependientes se introdujeron históricamente en la teoría de circuitos para modelizar el comportamiento de elementos activos electrónicos, como por ejemplo las válvulas y los transistores.