El cableado eléctrico en su hogar que mantiene su computadora portátil, cargador de teléfono y herramientas menores como refrigeradores y estufas en funcionamiento consiste en una serie de circuitos eléctricos interconectados. Estos están conectados a cualquier fuente de energía que suministre electricidad a su hogar.
El propósito de los circuitos es llevar la electricidad y su considerable potencial energético exactamente a donde necesita ir, y contener los efectos potencialmente dañinos de la electricidad en el proceso.
¿Qué está pasando dentro de todos esos cables, que en su mayoría están fuera de su vista? Para comenzar con lo básico, los electrones libres se moverán en presencia de un campo eléctrico, por razones físicas que se describirán más adelante. Si se les da una ruta de circuito cerrado en la que fluir, se puede crear un circuito eléctrico.
Un circuito simple consta solo de una fuente de voltaje (diferencia de potencial eléctrico); un medio a través del cual pueden fluir los electrones, generalmente un cable; y alguna fuente de resistencia eléctrica en el circuito. Sin embargo, la mayoría de los ejemplos del mundo real son mucho más complejos y existen múltiples tipos de circuitos eléctricos, todos los cuales son vitales para el flujo eficiente de electricidad.
Carga eléctrica y corriente
Los elementos conceptuales básicos en el mundo de la electricidad son la corriente, el voltaje y la resistencia. Antes de explorarlos, es necesario profundizar un poco más en la idea de los electrones libres. Un electrón por convención lleva una carga negativa con una magnitud de 1,60 × 10-19 culombios o C. Dado que es el flujo de electrones lo que determina la corriente, las cargas en un circuito fluyen alejándose del terminal negativo y en la dirección del terminal positivo.
La "carga unitaria" en física está estandarizada como positiva y tiene la misma magnitud que la cargamien un electrón. Una carga positiva colocada cerca de una terminal positiva experimentará "repulsión" y "querrá" alejarse de la terminal, con mayor fuerza a medida que la distancia se acerque a cero. En este estado, la carga tiene un potencial eléctrico más alto que a una cierta distancia más lejana.
Por lo tanto, una "carga" (se implica "positivo" a menos que se indique lo contrario) fluye desde áreas de voltaje más alto a áreas de voltaje más bajo. Esta es la diferencia de potencial o voltaje al que se hace referencia en física, y su magnitud determina en parte el flujo de corriente en un circuito. La corriente eléctrica se presenta en forma de corriente alterna (un flujo fásico "tembloroso") y de corriente continua (flujo uniforme); este último es el estándar moderno que se utiliza en las redes eléctricas.
- El flujo de corriente se mide mediante un dispositivo llamadoamperímetro. El mismo dispositivo se puede utilizar normalmente comovoltímetropara medir la diferencia de potencial.
Ley de Ohm
La sección anterior se puede resumir en gran medida mediante una simple ley matemática llamada ley de Ohm:
I = \ frac {V} {R}
dóndeIes actual enamperios(C / s), V es voltaje, o diferencia de potencial, envoltios(julios por C, o J / C; anote el término de energía en el denominador) yRes la resistencia enohmios (Ω).
En un circuito en serie, las resistencias de los individuosresistenciasse suman para calcular la resistencia del circuito en su conjunto. En los circuitos paralelos, sobre los que leerá pronto, la regla es:
\ frac {1} {R_ {tot}} = \ frac {1} {R_1} + \ frac {1} {R_2} +... + \ frac {1} {R_n}
dóndeR1, R2y así sucesivamente son los valores individuales de lanorteresistencias en el circuito paralelo.
Definición de un circuito
Un circuito es un circuito cerrado a través del cual fluye la carga eléctrica como resultado de un voltaje de conducción. La corriente es la tasa de flujo, medida como la cantidad de carga que pasa por un punto dado del circuito por unidad de tiempo.
A veces es útil pensar en la corriente en un circuito de cables como análogo al agua que fluye a través de las tuberías. El agua fluirá de regiones de alto potencial energético a regiones de menor potencial energético. Alguna fuente necesitaría luego usar energía para elevar el agua de modo que fluya cuesta abajo. Para tener un flujo continuo de agua, una vez que el agua llega al fondo, debe volver a elevarse hasta la parte superior.Esta acción de levantar el agua hasta la parte superior es esencialmente lo que hace una batería o fuente de energía en un circuito eléctrico.
El objetivo de un circuito es hacer algo útil con este flujo de carga. Todos los circuitos incluyen algún tipo de elemento resistivo que ralentiza el flujo de carga, al igual que una presa ralentiza el flujo de agua de un depósito. Si se agrega una bombilla a un circuito, por ejemplo, ralentiza el flujo de carga y transforma la energía asociada en luz.
Diagramas de circuito y elementos de circuito
A menudo es útil esbozar un diagrama de un circuito si se le da alguna combinación deV, yoyRy pidió que resolviera la cantidad desconocida. Para hacerlo, use un conjunto de símbolos para simplificar el boceto.
•••Dana Chen | Ciencia
Luego, estos símbolos se conectan con líneas rectas para crear un diagrama de circuito.
•••Dana Chen | Ciencia
Tipos de circuitos
Acircuito en serietiene elementos conectados en serie, o uno tras otro sin la ramificación del cable. La corriente que fluye a través de todos los elementos conectados en serie es la misma, sin importar cuántas resistencias se encuentren en el camino.
Acircuito paralelotiene elementos conectados en paralelo, es decir, un punto en las ramas del circuito, con cables que van a dos elementos diferentes, y luego las ramas se vuelven a unir.El voltaje en cada elemento conectado en paralelo es el mismo.
Uncircuito abiertoes uno en el que no puede fluir corriente porque el bucle se rompe en algún momento. Acircuito cerradoes uno en el que se forma el bucle completo y la corriente puede fluir. Claramente, este último tiende a ser más interesante de estudiar.
Acortocircuitoes uno en el que se puentean los elementos resistivos y el flujo de corriente es muy alto. Estos son generalmente indeseables, y los dispositivos llamados disyuntores se instalan en circuitos para "romper" (abrir) el circuito y detener el flujo de corriente para proteger contra daños al circuito y aparatos eléctricos, y para proteger contra incendios.
Ejemplos de circuitos eléctricos
1. Un circuito en serie incluye una fuente de alimentación de 9 V (una batería, en este caso) y cuatro resistencias con valores de resistencia de 1,5, 4,5, 2 y 1 Ω. ¿Cuál es el flujo de corriente?
Primero, calcule la resistencia total. Recordando la regla dada en una sección anterior, esto es simplemente 1.5 + 4.5 + 2 + 1 = 9 Ω. Por lo tanto, el flujo de corriente es
I = \ frac {V} {R_ {tot}} = \ frac {9} {9} = 1 \ text {A}
2. Ahora imagine el mismo voltaje y cuatro resistencias, pero con las resistencias de 1.5 Ω y 4.5 Ω colocadas en paralelo y las otras dispuestas de la misma manera que antes. ¿Cuál es el flujo de corriente?
Esta vez, calcule la resistencia en la parte paralela del circuito. Esto viene dado por 1 /R = 1/1.5 + 1/4.5 = 8/9 = 0.89. No olvide tomar el recíproco de este número para obtenerR!Esto viene dado por 1 / 0.89 = 1.13 Ω.
Ahora puede tratar esta parte del circuito como un solo elemento resistivo con una resistencia de 0.89 Ω, y todo el problema se resuelve como con un circuito en serie: Rnene = 1.125 + 2 + 1 = 4.13 Ω. Esto le permite resolver la corriente una vez más:V / Rnene= 9 V / 4,13 Ω =2,18 A.
3. Por último, basándose en la configuración del ejemplo anterior, combine las resistencias de 2 Ω y 1 Ω en un circuito paralelo, lo que da como resultado dos conjuntos de circuitos paralelos que están dispuestos en serie. ¿Cuál es el flujo de corriente ahora?
Resuelva para la resistencia del nuevo circuito paralelo: 1 /R= 1/1 + 1/2 = 1,5; R = 2/3 = 0,67 Ω. Por tanto, la resistencia total es 1,13 + 0,67 = 1,79 Ω. La corriente en el circuito nuevamente renovado es, por lo tanto, 9 V / 1.79 Ω =5,03 A.
Estos ejemplos ilustran que distribuir la resistencia a través de resistencias en paralelo aumenta la cantidad de corriente que fluye al reducir la resistencia total, ya que el voltaje no cambia.