CICUITO DE CORRIENTE CONTINUA

 

CIRCUITOS DE CORRIENTE CONTINUA

En el fascinante mundo de la electricidad y la electrónica, los circuitos de corriente continua (CC) se erigen como un pilar fundamental. A diferencia de sus homólogos de corriente alterna (CA), donde la corriente cambia de dirección periódicamente, los circuitos CC mantienen un flujo constante en una sola dirección, asemejándose al flujo de agua en una tubería. 

Un circuito CC es un sistema eléctrico cerrado en el que la corriente fluye en una dirección constante desde el polo negativo de una fuente de alimentación (como una batería) hacia el polo positivo. 

A diferencia de los circuitos de CA, donde la corriente cambia de dirección periódicamente, los circuitos CC mantienen un flujo constante, lo que los hace ideales para alimentar una amplia gama de dispositivos electrónicos.

COMPONENTES DEL CIRCUITO DE CORRIENTE CONTINUA

Un circuito eléctrico básico está conformado por: una fuente de alimentación, los conductores (cables), la carga y los elementos de control (interruptores).

Fuente de alimentación: La fuente de energía es el componente que proporciona la energía necesaria para que el circuito funcione. Puede ser una batería, un generador, un panel solar, un UPS, entre otros. La fuente de energía se conecta al circuito mediante los cables de alimentación.

Conductor: El conductor es un componente que permite el flujo de corriente eléctrica a través de él. Los conductores son generalmente cables o alambres que están hechos de materiales que tienen baja resistencia eléctrica, como cobre o aluminio. Los cables se utilizan para conectar los diferentes componentes del circuito entre sí y para permitir que la corriente fluya desde la fuente de energía a la carga.

Interruptor: El interruptor es un componente que controla la circulación de la corriente eléctrica en un circuito. Se utiliza para encender o apagar el circuito. Los interruptores pueden ser manuales o automáticos, dependiendo de la aplicación.

Carga: La carga es el componente que consume la energía eléctrica del circuito para realizar una tarea específica. Puede ser una bombilla, un motor, un ventilador o cualquier otro dispositivo eléctrico.

Estos cuatro componentes básicos son esenciales para la mayoría de los circuitos eléctricos, obviamente, mientras más complejo sea el circuito, se le van agregando más y más componentes.

A continuación, te mostramos los símbolos más comunes para cada uno de los componentes básicos de un circuito eléctrico:

Componentes Fundamentales de un Circuito CC:

·       Fuente de alimentación: La fuente de energía del circuito, como una batería o una fuente de alimentación de CC, proporciona la tensión (V) necesaria para impulsar la corriente.

·       Conductores: Los cables o alambres metálicos, generalmente de cobre, actúan como conductores, permitiendo que la corriente (I) fluya a lo largo del circuito.

·       Componentes activos: Estos elementos, como resistencias, diodos y transistores, controlan o limitan el flujo de corriente, determinando el comportamiento del circuito.

·       Carga: El componente que consume la energía eléctrica del circuito, como una lamparita, un motor o un dispositivo electrónico, es la carga.

Flujo de Corriente en un Circuito CC:

En un circuito CC, los electrones se mueven desde el polo negativo de la fuente de alimentación hacia el polo positivo. Este flujo constante de carga eléctrica se mide en amperios (A), representando la cantidad de carga que fluye por unidad de tiempo.

Ley de Ohm: La Clave para Comprender los Circuitos CC

La Ley de Ohm es una ley fundamental en los circuitos eléctricos que relaciona la tensión (V), la corriente (I) y la resistencia (R). Se expresa matemáticamente como:

V = I * R

·       Esta ley establece que la tensión en un circuito es directamente proporcional a la corriente e inversamente proporcional a la resistencia. Es una herramienta esencial para calcular corrientes, tensiones y resistencias en circuitos CC.

·       Aplicaciones de los Circuitos de Corriente Continua:

·       Los circuitos CC encuentran una amplia gama de aplicaciones en nuestra vida diaria, incluyendo:

·       Iluminación: Lámparas LED, linternas y otros dispositivos de iluminación.

·       Electrónica de consumo: Teléfonos celulares, computadoras, televisores y otros dispositivos electrónicos.

·       Sistemas de carga de baterías: Baterías de vehículos, dispositivos portátiles y sistemas de energía solar.

·       Control de motores: Motores eléctricos en electrodomésticos, herramientas eléctricas y vehículos.

·       Instrumentación y sensores: Sensores de temperatura, presión y otros parámetros físicos.

Los circuitos de corriente continua son una parte fundamental de la tecnología moderna, presentes en una gran variedad de dispositivos y sistemas. Comprender los principios básicos de estos circuitos, incluyendo la dirección del flujo de corriente, la Ley de Ohm y sus componentes esenciales, es esencial para cualquier persona interesada en electrónica, electricidad y tecnología.

 

 

 

 

FORMULAS Y EJERCICIOS:

 

INTENSIDAD DE CORRIENTE:

Si sabemos que la corriente eléctrica es el flujo de carga entre dos puntos de un material conductor, es lógico que nos podamos preguntar... ¿y cómo de rápido se desplazan dichas cargas? Para responder a esta pregunta, la Física establece una nueva magnitud que determina la rapidez con la que la carga fluye a través de un conductor. Dicha magnitud recibe el nombre de intensidad de corriente eléctrica o simplemente intensidad de corriente.

La intensidad de corriente (I) que circula por un conductor es la cantidad de carga (q) que atraviesa cierta sección de dicho conductor por unidad de tiempo (t).

I=qt

Unidad de Intensidad de Corriente

La intensidad de corriente en el S.I. es el amperio (A), en honor del físico francés André-Marie Ampère (1775-1836). De esta forma un amperio es la intensidad de corriente que se produce cuando por la sección de un conductor circula una carga de un culombio cada segundo.

1 amperio = 1 culombio1 segundo

Al igual que el culombio, el amperio es de una unidad muy grande, por lo que es común utilizar submúltiplos de esta:

·       miliamperio. 1 mA = 1·10-3 A

·       microamperio. 1 µA = 1·10-6 A

·       nano amperio. 1 nA=1·10-9 A

Para medirla se utiliza un instrumento denominado amperímetro.

EJERCICIO:

Si la intensidad de corriente que circula a través de la sección de un conductor es 30 mA, ¿Cuanta carga habrá atravesado dicha sección durante 2 minutos? ¿Cuántos electrones habrán circulado?
(datos: qe=1.6·10-19 C)

SOLUCION:

Datos

I = 30 mA = 30 · 10-3 A
t = 2 min = 2 · 60 s = 120 s
 

Aplicando la definición de intensidad de corriente:

I=qt⇒q=I·t = 30·10-3 A· 120 s ⇒q= 3.6 C

Si la carga total que circula es q= 3.6 C, y la carga de un electrón es qe=1.6·10-19 C, entonces el número de electrones ne que habrán circulado es:

ne=qqe=3.6 C1.6·10-19 C ⇒ne=2.25·1019 electrones

 

RESISTENCIA ELECTRICA

Cuando hablamos de resistencia eléctrica podemos estar refiriéndonos a una magnitud, que mide la dificultad con la que un conductor conduce la corriente, o bien a un elemento de un circuito (una pieza física que forma parte del mismo).

Todos los conductores eléctricos se oponen al paso de la corriente eléctrica en mayor o menor medida. Esto es debido a que los portadores de carga (electrones o iones) se encuentran con ciertas dificultades para desplazarse dentro del material del que forman parte. Esta oposición se denomina resistencia eléctrica de un conductor.

De forma experimental se puede demostrar que la resistencia eléctrica de un conductor depende de:

·       El material del que está compuesto.

·       La temperatura a la que se encuentra. Cuanto mayor es la temperatura mayor es su resistencia eléctrica

·       Su longitud. La resistencia aumenta proporcionalmente a la longitud del conductor.

·       Su sección. La resistencia disminuye proporcionalmente a la sección transversal del conductor.

Se denomina resistencia eléctrica de un conductor a la oposición que ofrece dicho conductor al paso de la corriente eléctrica. Matemáticamente:

R=ρ·lS

Donde:

·       R es la resistencia eléctrica. Su unidad de medida en el Sistema Internacional (S.I.) es el ohmio (Ω).

·       ρ es la resistividad del material. Su unidad de medida en el S.I. es el ohmio por metro (Ω·m)

·       l es la longitud del conductor. Su unidad de medida en el S.I es el metro (m)

·       S es la sección del conductor. Su unidad de medida en el S.I es el metro al cuadrado (m2)

Como hemos dicho, la unidad de la resistencia eléctrica es el ohmio (Ω), en honor del profesor de enseñanza secundaria George Simon Ohm (1787-1854).

EJERCICIO:

¿Qué longitud debe tener un hilo de carbono a 20º C para ofrecer una resistencia de 20 ohmios, si el hilo tiene un diámetro de 1 mm?
(Datos. ρcarbono-20ºC = 3500·10-8 Ω·m)

 

SOLUCION:

Datos

R = 20 Ω
d = 1 mm = 10-3 m
r = d/2 = 0.5·10-3 m
ρ = 3500·10-8 Ω·m

Resolución

Para calcular la longitud que debe tener el hilo, debemos utilizar la expresión de la resistencia:

R=ρ·lS

Dado que el hilo tiene forma de cilindro, una sección del cilindro es una circunferencia. Por tanto, S es el área de una circunferencia (S=π·r2):

R=ρ·lπ·r2 ⇒l=R·π·r2ρ

Sustituyendo los valores que conocemos:

l=20 Ω·π·(0.5·10-3 m)23500·10-8 Ω·m =20 Ω·π·2.5·10-7m23500·10-8 Ω·m⇒l=0.44 m

 

LEY DE OHM

La ley de Ohm establece la relación que guardan la tensión y la corriente que circulan por una resistencia. Su forma más célebre es:

V=I·R

Aunque a estas alturas de tus estudios estamos seguros de que sabes despejar cada variable sin problema, puedes ayudarte del triángulo anterior para obtener las magnitudes eléctricas implicadas.

• V es la caída de tensión (o diferencia de potencial) que se produce en la resistencia, y se mide en voltios en el Sistema Internacional (S.I.)
• I es la corriente que circula a través de la misma, y se mide en amperios en el S.I.
• R es la resistencia, y se mide en ohmios

Relación entre intensidad y tensión en un conductor

Fue el físico Georg Simon Ohm (1787-1854), profesor de secundaria, el primero en establecer la relación entre la tensión y la corriente que circulan por un conductor. Formalmente:

La intensidad de corriente que circula por un conductor es directamente proporcional a la diferencia de potencial que existe entre sus extremos e inversamente proporcional a su resistencia eléctrica.

I=VA-VBR

Donde:

• I: Es la corriente que circula por el conductor, medida en amperios (A)
• V_A, V_B son las tensiones en los extremos del conductor, con lo que V_A-V_B representa la caída de tensión o diferencia de potencial entre los extremos del mismo. Su unidad de medida en el Sistema Internacional (S.I.) es el voltio (V). En ocasiones a esta diferencia se la denota ΔV, o simplemente V, como ocurría en la expresión recogida al comienzo del apartado
• R es la resistencia eléctrica, es decir, la que el material conductor impone al paso de corriente. En el Sistema Internacional (S.I.) se mide en ohmios (Ω)

Finalmente, otra expresión alternativa es la forma:

I=V·G

En ella hemos tenido en cuenta la conductancia G del conductor, en lugar de su resistencia. Recuerda que la conductancia es la magnitud inversa de la resistencia, y se mide en siemens (S).

EJERCICIO:

Una pila de 9.5 V se conecta mediante un cable de resistencia despreciable a una resistencia:
a) ¿Cuál es la intensidad que circula por el circuito si la resistencia es de 20 Ω?
b) ¿Cuál debería ser la resistencia del conductor si por el circuito circula una intensidad de 1 A?

SOLUCION:

Cuestión a)

Datos
V_A-V_B = 9.5 V
R = 20 Ω

Resolución

I=VA-VBR

I=9.5 V20 Ω⇒I=0.475 A

Cuestión b)

Datos
V_A-V_B = 9.5 V
I = 1 A

Resolución

R=VA-VBI

R=9.5 V1 A⇒R=9.5 Ω

 

REFERENCIAS

Giacosa, N. S., Giorgi, S. M., & Maidana, J. A. (2012). Circuitos de corriente continua RC en serie: Un análisis de textos universitarios y de otros recursos con incorporación de TIC. Latin-American Journal of Physics Education, 6(3).

Juárez, A. R. (2019). Ley de Ohm. México:[fecha de Consulta 4 de octubre de 2023]. Recuperado de: https://d1wqtxts1xzle7. cloudfront. net/63362668/Ley_de_Ohm20200519-80557-1s4l288-with-coverpagev2. pdf.

https://www.youtube.com/watch?v=p1e8d9n7o_8. 

Intensidad y densidad de corriente Conductividad, Ley de Ohm

4.2

Intensidad y densidad de corriente Conductividad, Ley de Ohm

 Descubra cómo la Ley de Ohm gobierna la relación entre la intensidad de la corriente eléctrica y la densidad de corriente en diversos materiales y cómo esto afecta el diseño y funcionamiento de dispositivos electrónicos.

Explorando los Fundamentos: ¿Qué es la Ley de Ohm?

La Ley de Ohm es un principio fundamental en el campo de la electricidad y electrónica que establece la relación proporcional entre la diferencia de potencial aplicada a través de un conductor y la corriente eléctrica que pasa por él, siendo la constante de proporcionalidad la resistencia del material. . . . . . . . . . Esta ley es esencial para entender cómo se comportan los circuitos eléctricos y cómo podemos controlar la corriente que los recorre.

Es común representar la Ley de Ohm mediante la fórmula V=IR, donde V es la tensión o voltaje, I es la corriente y R es la resistencia. La ley nos ayuda a predecir el comportamiento de circuitos simples y complejos, y es una herramienta indispensable para ingenieros y técnicos en el diseño y análisis de sistemas eléctricos.

Relación entre Intensidad de Corriente y Densidad de Corriente

La intensidad de corriente eléctrica se define como la cantidad de carga que pasa por un punto en un circuito en un segundo y se mide en amperios. 

La intensidad de corriente es una magnitud escalar que representa la carga que fluye a través de la sección de un conductor por unidad de tiempo, mientras que la densidad de corriente es una magnitud vectorial cuyo flujo a través de una determinada superficie es precisamente la intensidad de la corriente. Un aspecto importante es la expresión que relaciona la densidad de corriente con magnitudes microscópicas de ésta como son el número de portadores de carga por unidad de volumen, la carga de cada portador y su velocidad de arrastre o desplazamiento. 

Por otro lado, la densidad de corriente es una medida de cantidad de corriente fluye a través de una unidad de área de sección transversal de un conductor. La Ley de Ohm también se puede aplicar para entender la relación entre estas dos cantidades, ya que la resistencia de un material afecta a ambas.

Seguidamente se estudia la ley de Ohm y se introduce el concepto de resistencia y las expresiones para la resistencia equivalente de resistencias en serie y en paralelo. Utilizando la expresión del vector densidad de corriente se llega a una ecuación vectorial para la ley de Ohm que relaciona los vectores densidad de corriente y campo eléctrico mediante la conductividad o su inversa la resistividad. Es importante presentar algunos valores numéricos de la conductividad (o de la resistividad) para conductores, semiconductores y aislantes, así como señalar que mientras que la resistividad de un conductor metálico aumenta con la temperatura, la de un semiconductor disminuye cuando aquélla se incrementa.

En un conductor de sección uniforme, a medida que aumenta la intensidad de corriente, también lo hace la densidad de corriente, siempre y cuando se mantengan constantes las demás condiciones físicas del conductor. Esta relación es crucial para diseñar conductores que puedan manejar determinadas cargas de corriente sin sobrecalentarse o fallar.

Importancia de la Conductividad en la Aplicación de la Ley de Ohm

La conductividad eléctrica es una propiedad que describe cuán eficientemente un material puede conducir la corriente eléctrica. La Ley de Ohm está íntimamente relacionada con esta propiedad, ya que la resistencia es inversamente proporcional a la conductividad. Los materiales con alta conductividad presentan baja resistencia y viceversa.

La comprensión de la conductividad es esencial al aplicar la Ley de Ohm, especialmente en la selección de materiales para componentes electrónicos. Los ingenieros deben elegir materiales que no solo cumplan con los requisitos de conductividad sino que también resistan las condiciones operativas, como altas temperaturas o ambientes corrosivos.

Casos Prácticos: Aplicaciones de la Ley de Ohm en la Tecnología Moderna

La Ley de Ohm tiene aplicaciones prácticas en casi todos los dispositivos electrónicos que usamos hoy en día. Desde el cálculo de la resistencia necesaria para los LED en nuestros hogares hasta el dimensionamiento de los elementos resistivos en los circuitos integrados de los teléfonos inteligentes, la ley de Ohm es una herramienta esencial.

Otro ejemplo es en la distribución de energía eléctrica, donde se utiliza para calcular la caída de tensión a lo largo de los cables de transmisión y asegurar una entrega eficiente de energía a los consumidores. La Ley de Ohm permite a los ingenieros diseñar sistemas seguros y eficientes a gran escala.

Ejercicios de la Ley de Ohm

Antes de comenzar, dejemos claros las unidades e incógnitas con las que se tiene que aplicar esta ley:

• I = Intensidad – Amperios (A)
• V = Voltaje – Voltios (V)
• R = Resistencia – Ohmios (Ω)

Ejercicio 1.  Calcula la intensidad de la corriente en el siguiente circuito.

–  Solución:  Antes de nada, lo mejor que se puede hacer antes de resolver un problema es recopilar los datos que tenemos.

En este problema vemos que:

• V = 40 V
• R = 10 Ω
• yo = ¿?

Como podéis ver, la flecha del sentido de la Intensidad sale por el terminal positivo de la fuente de tensión (la parte donde aparece el «+») por lo tanto, la intensidad será positiva.

Una vez visto que tenemos que despejar la  Intensidad , ponemos la ley de Ohm en función de esto y despejamos:

Yo = V / R = 40 / 10 = 4 A

Resultado: 4 A

Ejercicio 2.  Calcula la resistencia eléctrica del siguiente circuito.

–  Solución:  Al igual que en el anterior, ante todo primero vemos los datos con los que vamos a trabajar.

En este problema vemos que:

• V = 15v
• R= ¿?
• yo = 3A

En este caso nuestra incógnita es la  Resistencia , ponemos la ley de Ohm en función de esto y despejamos:

R = V / I = 15 / 3 = 5  Ω

Resultado: 3 Ω

Ejercicio 3.  Calcula la tensión del siguiente circuito.

–  Solución:  Veamos los datos que nos dan.

En este problema vemos que:

• V= ¿?
• R = 5 Ω
• yo = 4 A

Para despejar nuestra incógnita,  la tensión , ponemos la ley de Ohm en función de esta y despejamos:

V = I x R = 4 x 5 = 20 v

Resultado: 20 v

Retos y Consideraciones en el Uso de la Ley de Ohm en Ingeniería Eléctrica

A pesar de su amplia utilidad, la Ley de Ohm tiene limitaciones. No se aplica de manera universal a todos los materiales, especialmente en el caso de los semiconductores y materiales superconductores, cuyas propiedades eléctricas pueden cambiar sustancialmente con la temperatura, la luz o campos magnéticos externos.

En la ingeniería eléctrica moderna, los desafíos incluyen el diseño de componentes que funcionan correctamente bajo estas condiciones variables. Los ingenieros deben a menudo combinar la Ley de Ohm con otras leyes y principios de la física para diseñar dispositivos electrónicos más complejos y precisos.

Fundamentos de la Conductividad Eléctrica

La conductividad eléctrica es una propiedad intrínseca de los materiales que mide su capacidad para permitir el paso de la corriente eléctrica. En esencia, esta propiedad se define por la facilidad con la que los electrones se mueven a través de un material. Los conductores presentan una conductividad alta, mientras que los aislantes tienen una conductividad muy baja. Los semiconductores se encuentran en un punto intermedio y su conductividad puede ser ajustada mediante procesos de dopado.

Para entender la conductividad eléctrica, debemos considerar la naturaleza de los electrones y las fuerzas que actúan sobre ellos en un campo eléctrico. Cuando se aplica una diferencia de potencial a través de un material, los electrones comienzan a moverse, generando un flujo de corriente. La conductividad, entonces, está directamente relacionada con la cantidad de carga eléctrica que se traslada por unidad de tiempo y área transversal del material.

La Ley de Ohm y su Relación con la Conductividad

La Ley de Ohm es un principio fundamental en el campo de la electricidad y electrónica que establece la relación entre el voltaje (V), la corriente (I) y la resistencia (R) en un conductor. Matemáticamente se expresa como V = IR, donde V es la diferencia de potencial, I es la corriente que circula por el conductor y R es la resistencia que el conductor ofrece al paso de la corriente.

La conductividad eléctrica y la resistencia son conceptos inversamente proporcionales. Un material con alta conductividad tendrá una resistencia baja y viceversa. Esto significa que la Ley de Ohm también puede ser interpretada en términos de conductividad: un aumento en la conductividad de un material implica que una menor diferencia de potencial es necesaria para mantener una determinada corriente eléctrica.

Factores que afectan la conductividad en diferentes materiales.

Varios factores influyen en la conductividad de los materiales. La temperatura es uno de los más significativos; generalmente, para los conductores, un aumento en la temperatura resulta en una disminución de la conductividad debido al aumento de las colisiones entre los electrones y los átomos del material. Para los semiconductores, la conductividad aumenta con la temperatura ya que se liberan más electrones para la conducción.

Otros factores incluyen la estructura cristalina del material, la presencia de impurezas y el dopado en semiconductores. Las impurezas y los defectos en la red cristalina pueden tanto aumentar como disminuir la conductividad, dependiendo de su naturaleza y de cómo interactúan con los electrones del material.

Aplicaciones Prácticas de la Conductividad en la Tecnología Moderna

La conductividad eléctrica tiene aplicaciones prácticas extensas en la tecnología moderna. En la industria electrónica, se utilizan materiales con diferentes niveles de conductividad para crear componentes como resistencias, transistores y circuitos integrados. La adecuada de materiales conductores, semiconductores y aislantes es crucial para el diseño y funcionamiento de dispositivos electrónicos.

Además, la conductividad es esencial en la transmisión y distribución de energía eléctrica. Los materiales conductores se eligen cuidadosamente para maximizar la eficiencia y minimizar las pérdidas de energía durante el transporte de la electricidad desde las centrales generadoras hasta los consumidores finales.

Avances Recientes y Futuro de la Investigación en Conductividad Eléctrica

El campo de la conductividad eléctrica continúa evolucionando con el descubrimiento de nuevos materiales y la mejora de los existentes. Los avances en nanotecnología y materiales bidimensionales, como el grafeno, están abriendo nuevas posibilidades para dispositivos electrónicos más rápidos y eficientes.

El futuro de la investigación en conductividad eléctrica promete la integración de materiales avanzados en la fabricación de dispositivos electrónicos y en la creación de sistemas de energía más eficientes. La profunda comprensión de la conductividad eléctrica y sus aplicaciones continuarán siendo una parte vital del progreso tecnológico.

Implicaciones y aplicaciones

Los avances en la investigación de la conductividad eléctrica tienen un impacto significativo en nuestra vida diaria. Algunas de las aplicaciones más prometedoras incluyen:

• Electrónica de consumo: Dispositivos electrónicos más pequeños, más rápidos y más eficientes.
• Transporte: Vehículos eléctricos con mayor autonomía y baterías más duraderas.
• Medicina: Nuevos tratamientos para enfermedades y dispositivos médicos implantables.
• Energía: Generación y almacenamiento de energía más eficientes y sostenibles.

En resumen, la investigación en conductividad eléctrica es un campo dinámico y en constante evolución con un gran potencial para transformar nuestra sociedad. Los avances en este campo comenzarán impulsando la innovación en una amplia gama de industrias.