Semana 5
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Indicadores de logro:
3.11. Analiza y construye creativamente circuitos eléctricos en serie o en paralelo, siguiendo esquemas e instrucciones escritas.
Introducción
Introducción
Alguna vez te has preguntado cómo es posible que podamos cargar los teléfonos móviles directamente del toma corriente de la casa cuando es evidente que no necesitan una cantidad de corriente tan grande y cómo es posible que requieran la misma corriente que una refrigeradora o un microondas. Para responder estas y otras incógnitas, nos enfocaremos en conocer acerca de los circuitos eléctricos, los cuales permiten este tipo de hazañas mencionadas.
Los circuitos eléctricos son elementos básicos de todos los dispositivos electrónicos, desde los aparatos de radio y TV hasta las computadoras y los automóviles. Las mediciones científicas, en los campos de la física, la biología y la medicina, utilizan circuitos eléctricos. En el contenido de la semana pasada estudiamos los principios básicos de la corriente eléctrica y en este contenido aplicaremos tales principios para analizar los circuitos de corriente directa (CD), que implican combinaciones de baterías y resistores.
La complejidad de un circuito dependerá de lo que se presente lograr con él; en este caso, aprenderemos los principios básicos que servirán como una introducción a la electrónica.
¿Qué debes saber?
¿Qué debes saber?
1. Componentes de un circuito de corriente directa
La semana pasada mencionamos brevemente los elementos básicos para hacer un circuito eléctrico, pero en este apartado los revisaremos más a detalle y los aplicaremos en diferentes circuitos.
Cuando se estudia un circuito, lo más importante es poder leer y comprender un esquema sobre la forma en la que este se conecta. Las simbologías para describir a un objeto como una batería suelen ser diferentes y las hay de varios tipos; en física la simbología más utilizada es la mostrada en la figura 1.
Las fuentes de voltaje (Fig. 1) son dispositivos que proporcionan la energía a un circuito para mover las cargas. Existen diferentes fuentes de voltaje y cada una convierte otro tipo de energía a energía eléctrica; por ejemplo, el suministro de energía eléctrica en las casas de El Salvador suele venir de fuentes como la energía de las represas hidráulicas, la energía de la combustión del petróleo y, actualmente, la energía solar. En casos más comunes, las baterías eléctricas convierten la energía química de sus componentes internos en corriente eléctrica. Las fuentes de voltaje tienen una dirección en la que envían la corriente y otra en la que la reciben. Si observas el símbolo de la batería en la figura 1, se ven dos líneas paralelas, una más larga que la otra; la línea más larga indica por dónde sale la corriente y la más corta por dónde entra.
El concepto de resistencia se mencionó a detalle la semana anterior y también se habló sobre un dispositivo que funciona como una resistencia, el cual se puede utilizar para disminuir o restringir la cantidad de corriente que pasa por una parte específica del circuito. Solo falta indicar que las resistencias son un elemento indispensable para trabajar con circuitos eléctricos.
Ya aprendimos que todos los materiales tienen cierta resistencia por sí mismos; sin embargo, cuando los cables son muy delgados, como en el caso de un circuito eléctrico (donde se agregan resistencias que son grandes), la resistencia del cable es muy pequeña como para agregarla a los datos del circuito; entonces, esta suele ignorarse (Fig. 1).
Figura 1. Simbología para describir elementos en un circuito eléctrico.
Los interruptores son elementos importantes de los circuitos, imagina tener un foco en tu casa y no poder apagarlo o encenderlo porque no tienes un interruptor, estos dispositivos se encargan de abrir (cortar el suministro de corriente) o cerrar (permitir que la corriente fluya) un circuito (Fig.1).
Las conexiones a tierra son un mecanismo de seguridad de los circuitos eléctricos que protegen al cableado de sobrecargas de energía; en la mayoría de casas suele tenerse una conexión a tierra, que consiste en una varilla recubierta de cobre que permite paso de la corriente hacia este en caso de una descarga eléctrica, como la que se puede sufrir cuando cae un rayo en el sistema eléctrico.
2. Reglas de los circuitos de resistencias en serie y en paralelo
Estudiaremos lo que pasa cuando conectamos dos o más resistencias y la importancia de la forma en que se conectan. Además, en un circuito debe cumplirse el principio de conservación de cargas que vimos en la semana 3, donde la carga que sale de la batería debe ser la misma que regresa; de igual forma ocurre con la corriente eléctrica, la corriente inicial siempre será igual que la final.
Cuando dos o más resistores se conectan extremo con extremo a lo largo de una sola trayectoria, como se muestra en la figura 2a, se dice que están conectados en serie. Los resistores podrían ser resistores simples, bombillas (Fig. 2b), elementos calefactores u otros dispositivos resistivos. Cualquier carga que pase a través de la resistencia 1 (R1) también lo hará por R2 y luego por R3 (Fig. 2a); así que, la misma corriente I pasa a través de cada resistor. En este caso, la corriente que pasa por cada una de las resistencias es la misma, sin embargo, el voltaje cambia cada vez que pasa por una de ellas; a esto se le llama caída de potencial. Pero el voltaje total en el circuito sigue siendo el mismo al entrar que al salir por el principio de conservación de cargas, por tanto, esto responde a la ecuación 1.
V = V1 + V2 + V3 = IR1 + IR2 + IR3
Ecuación 1. Cálculo del voltaje para un circuito de resistencias en serie, donde se aplica el principio de conservación de cargas.
Si observas la ecuación 1, podrás notar que el potencial total es la suma de los potenciales que pasan en cada una de las resistencias; además, la corriente no ha cambiado en ninguna de las resistencias, es decir, que esta se conserva intacta cuando pasa por un grupo de resistencias en serie. Ahora bien, la ecuación 1 puede escribirse como muestra de la ecuación 2, donde podemos observar más a detalle que la ecuación aplicada es la ley de Ohm. Con este cálculo podemos redibujar nuestro circuito sin necesidad de afectar el resultado final de este (Fig. 2c).
V = IReq; donde Req = R1 + R2 + R3
Ecuación 2. Ley de Ohm aplicada a un circuito en serie, donde la resistencia total o equivalente Req es el equivalente a la suma total de todas las resistencias en serie.
Figura 2. Circuito de resistencias en serie (a). Circuito de bombillas en serie que es un equivalente al caso a (b). Rescritura del literal a, donde se considera a Req como la suma de las tres resistencias (c).
Otra forma sencilla de conectar resistores es en paralelo, de tal modo que la corriente de la fuente se divide en ramas o trayectorias separadas (Fig. 3a y 3b). El cableado en casas y edificios se distribuye de manera que todos los dispositivos eléctricos estén en paralelo; por ejemplo, si se desconecta un dispositivo R1 (Fig. 3a) o una de las bombillas (Fig. 3b), la corriente hacia los otros dispositivos no se interrumpe. Pero este no es el caso de un circuito en serie, donde si un dispositivo se desconecta, la corriente sí se interrumpe hacia todos los demás.
En un circuito en paralelo (Fig. 3a), la corriente total I que sale de la batería se divide en tres trayectorias separadas, donde I1, I2 e I3 son las corrientes que pasan a través de cada resistor: R1, R2 y R3, respectivamente.
Como la carga eléctrica se conserva, la corriente I que llega al punto A se divide; pero esta debe ser igual a la corriente que llega al punto B cuando se juntan nuevamente las tres corrientes, cumpliéndose así la ecuación 3.
I = I1 + I2 + I3
I = V/R1 + V/2 + V/R3
Ecuación 3. La corriente I que pasa por el punto A se divide en tres corrientes diferentes que dependerán de la resistencia que se encuentran en el camino, pero cuando todas las corrientes llegan el punto B, se suman y vuelven a ser igual a I. La parte inferior de la ecuación muestra cómo se aplica la ley de Ohm a cada una de las corrientes.
I = V/Req; donde 1/Req = 1/R1 + 1/R2 + 1/R3
Ecuación 4. Representación de la resistencia equivalente para un circuito en paralelo, donde el inverso multiplicativo de la resistencia equivalente Req es igual a la suma de los inversos multiplicativos de cada una de las resistencias en paralelo.
Igual que en el caso de las resistencias en serie, podemos aplicar la ley de Ohm como se observa en la parte inferior de la ecuación 3; sin embargo, quien se conserva constante en este caso es el voltaje, o más bien, la energía que pasará por cada resistencia. Finalmente, si se aplica una matemática similar a la utilizada para obtener algo semejante a la ecuación 2, obtendremos como resultado la ecuación 4, que indica la resistencia equivalente en término de la suma de las resistencias que están en el circuito en paralelo (Fig. 3).
Figura 3. Circuito de resistencias en paralelo (a). Circuito de bombillas en paralelo, que es un equivalente al caso a (b). Rescritura del literal a, donde se considera que el inverso multiplicativo de la resistencia equivalente Req es igual a la suma de los inversos multiplicativos de cada una de las resistencias en paralelo (c).
Práctico
Práctico
A. Resolución de ejercicios
Si un circuito de tres resistencias iguales que están en serie toman 300 mA de su batería de 1.5 V, ¿cuál es la resistencia que tiene cada una de las resistencias?
Dos bombillas de 45 Ω y dos de 65 Ω se conectan en serie.
a. ¿Cuál es la resistencia total del circuito?
b. ¿Cuál es la resistencia total si las cuatro se conectan en paralelo?
Un circuito que contiene una batería de 6.0 V se conecta con un resistor de 81.0 Ω. Si después de media hora el voltaje de la batería disminuye a 4.5 V, ¿cómo cambia la corriente en el circuito respecto del principio?
Calcular la corriente que pasa por el circuito de la figura 4, donde R1 = 10 Ω, R2 = 100 Ω y R3 = 85 Ω, y están siendo sometidos a un potencial de 22 V.
Figura 4. Esquema de circuito en serie.
5. Calcular la resistencia equivalente del circuito de la figura 5, donde R1 = 34 Ω, R2 = 12 Ω y R3 = 95 Ω, y están siendo sometidos a un potencial de 11 V.
Figura 5. Esquema de circuito en paralelo.
Teleclase
Teleclase
Los materiales complementarios pueden requerir un consumo adicional de datos o un mayor ancho de banda.
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