Análisis y simulación de circuitos eléctricos en corriente continua. Miguel Alfonso Altuve Paredes
Al igual que en el ejemplo anterior, se llegará a la unidad deseada de dos maneras distintas:
1. Llevando la unidad a s y luego a ks:
2. Operando directamente sobre los valores de los exponentes:
20 ps = 20 × 10−12−3 ks = 20 × 10−15 ks = 2 × 10−14 ks
Ejemplo 1.1.3. Exprese 2000 µmol en kmol:
Solución:
Ejemplo 1.1.4. Exprese 35 × 10−2 MA en mA:
Solución:
En el análisis de circuitos eléctricos, los elementos eléctricos son abstracciones conceptuales que representan componentes eléctricos idealizados, como resistores, condensadores y bobinas. Los elementos eléctricos no existen físicamente y tienen propiedades ideales mientras que los componentes eléctricos sí existen físicamente y tienen propiedades distintas a las ideales. Los elementos eléctricos pueden ser pasivos o activos, lineales o no lineales. Estos conceptos serán esclarecidos más adelante.
Se puede definir un circuito eléctrico como una interconexión de elementos eléctricos, unidos entre sí en una vía cerrada, de modo que pueda circular una corriente eléctrica. Los circuitos eléctricos han sido usados para resolver innumerables problemas de la sociedad y para mejorar la calidad de vida de las personas. Las aplicaciones de los circuitos eléctricos van desde una simple linterna (baterías, cables y bombillo) hasta la construcción de la nave espacial New Horizons de la NASA1 utilizada para explorar Plutón.
Los circuitos eléctricos se usan en la generación, transmisión y consumo de la energía eléctrica, así como en el almacenamiento, transmisión y procesamiento de la información.
La carga eléctrica es una propiedad física intrínseca de las partículas subatómicas de la materia. En el SI, la carga eléctrica se mide en culombio y se utiliza el símbolo C para referirse a la unidad de la carga eléctrica. El símbolo de la cantidad de carga eléctrica es Q o q.
Existen dos tipos de carga eléctrica:
De lo anterior se puede deducir que −1 C es la cantidad de carga que hay en 6,24×1018 electrones (6,24 exaelectrones) y 1 C es la cantidad de carga que hay en 6,24×1018 protones (6,24 exaprotones).
Por otro lado, también se tiene que las cargas del mismo signo se repelen entre sí mientras que las cargas de signos opuestos se atraen entre sí.
Ejemplo 1.3.1. ¿Cuánta carga representan 70430 electrones?
Solución:
Ejemplo 1.3.2. ¿Cuántos protones se necesitan para obtener una carga de 20,3 µC?
Solución:
Si la carga eléctrica fluye en un circuito eléctrico, es decir, la carga se mueve de un punto a otro, entonces se produce una corriente eléctrica en el circuito eléctrico. La corriente eléctrica o intensidad eléctrica se define como la velocidad de cambio de la carga eléctrica con respecto al tiempo:
La unidad del SI de la corriente eléctrica es el amperio y se utiliza el símbolo A para referirse a la unidad de la corriente eléctrica. El símbolo de la cantidad de corriente eléctrica es I, para una corriente constante, e i o i(t), para una corriente variable en el tiempo.
Por otro lado, se define como corriente continua (cc) a una corriente eléctrica que permanece constante en el tiempo mientras que se define como corriente alterna (ca) a una corriente que varía sinusoidalmente en el tiempo. Este libro está dedicado al análisis de los circuitos en cc.
De la expresión 1.1 se desprende que si 1 C de carga eléctrica fluye por un punto dado en un conductor durante 1 s, entonces la corriente resultante será de 1 A, es decir,
La corriente eléctrica tiene una dirección asociada y esta es por convención igual al movimiento de cargas positivas, es decir, de los protones. No obstante, son los electrones (cargas negativas) los que producen la corriente eléctrica.
En un diagrama de circuito eléctrico, cada corriente I o i(t) debe tener asociada una flecha para indicar la dirección de referencia de la circulación de la corriente (dirección del flujo de corriente positiva), tal como se observa en la figura 1.1, sin embargo la dirección indicada puede no necesariamente ser la dirección del flujo real.
Figura 1.1: Dirección de referencia de la corriente eléctrica en un circuito eléctrico.
Si se conoce la corriente eléctrica, entonces la carga eléctrica transferida entre el tiempo t0 y t se obtiene como:
Ejemplo 1.4.1. Determine la corriente eléctrica que circula por un elemento de circuito en t = 2 s, si la carga eléctrica que entra a la terminal está dada por q(t) = t(t − 3) C.
Solución:
Evaluando i(t) en t = 2 s se obtiene: i(2) = 2 × 2 − 3 = 1 A.
Ejemplo