ANÁLISIS DE CIRCUITOS Y SISTEMAS LINEALES

MAGNITUDES ELÉCTRICAS FUNDAMENTALES

Las propiedades físicas fundamentales de la corriente eléctrica son:

1. Intensidad ( I )
2. Tensión ( V )
3. Resistencia ( R )

Intensidad, Amperaje o Corriente ( I ):

Esta magnitud se define como la cantidad de electrones que fluyen por un conductor en unidad de tiempo. La unidad para medir la intensidad de corriente eléctrica es el amperio y se simboliza con la letra (A) en mayúscula. A su vez el amperio es el paso de un columbio (≈6.28 x 10 ¹⁸ electrones) en un segundo a través de un conductor.

Esta unidad del sistema internacional de unidades es nombrada así en honor a André-Marie Ampére. En las unidades del sistema internacional cuyo nombre proviene del nombre propio de una persona, la primera letra del   símbolo se escribe con mayúscula (A), en tanto que su nombre siempre empieza con una letra minúscula (amperio), salvo en el caso que inicie una frase o titulo.

Múltiplos: "mas usados"

1. kiloamperio (kA) = 1000 amperios
2. megaamperio (MA) = 1'000,000 amperios

Submúltiplos: "mas usados"

1. miliamperio (mA) = 0,001 amperio
2. microamperio (µA) = 0,000001 amperio

Para realizar la medición de la magnitud de la corriente, amperaje o intensidad, se utiliza un amperimetro que se conecta en serie (fig. 1) con el circuito eléctrico por donde fluye la corriente que se desea medir. Estos instrumentos los hay de tipo análogo (fig. 1) o digital (fig. 2). 

fig. 1

Existe otro tipo de equipo de medición (fig. 2) con el cual no es necesario interrumpir el circuito eléctrico (pinza amperimetrica) con la cual se mide la corriente que hay en un conductor o circuito eléctrico de manera no invasiva. Estos instrumentos permiten medir el amperaje tanto en corriente alterna (AC) como corriente continua (CC) o directa (DC).

fig. 2

Tension, Voltaje o Fuerza Electromotriz ( E ó U):

Es la diferencia de potencial existente entre dos cargas. La unidad para medir tension, Voltaje o Fuerza Electromotriz es el Voltio.

VOLTIO ( V ):
Es la diferencia de potencial que causa el paso de un columbio para producir un joule de trabajo. En otros terminos, voltio es la diferencia de potencial eléctrico que existe entre dos puntos de un circuito, por el cual circula una corriente de un amperio, cuando la potencia desarrollada entre estos puntos es de un vatio.

Esta unidad del sistema internacional de unidades es nombrada así en honor a Alessandro Volta. En las unidades del sistema internacional cuyo nombre proviene del nombre propio de una persona, la primera letra del   símbolo se escribe con mayúscula (V), en tanto que su nombre siempre empieza con una letra minúscula (voltio), salvo en el caso que inicie una frase o titulo.

Múltiplos: "mas usados"

1. kilovoltio ( kV ) = 1000 voltios
2. megavoltio ( MV ) = 1'000,000 de voltios

Submúltiplos: "mas usados"

1. milivoltios ( mV ) = 0,001 voltio
2. microvoltio ( µV ) = 0, 000001 voltios

Para realizar la medición de la magnitud del voltaje, se utiliza un voltimetro que se conecta en paralelo (fig. 3) con el circuito eléctrico cuya tensión se desea medir.

fig. 3

RESISTENCIA ( R ):

La resistencia se define como la oposición o dificultad que ofrece un conductor al paso de la corriente. La unidad fundamental para medir esta magnitud es el ohmio (Ω).

OHMIO (Ω)
Es la resistencia que ofrece una columna de mercurio de 106,3 cm de longitud y 1 mm² de sección al paso de la corriente.

Esta unidad del sistema internacional de unidades es nombrada así en honor a Georg Ohm. En las unidades del sistema internacional la unidad de la resistencia es ohmio (Ω).

Múltiplos: "mas usados"

1. kilohmio ( kΩ ) = 1000 ohmios
2. megaohmio ( MΩ ) = 1'000,000 ohmios

Submúltiplos: tiene muy poca utilización ya que el ohmio es de por sí una unidad muy pequeña.

El instrumento que se emplea para medir esta magnitud es el ohmetro (fig 4). Al usar este instrumento el circuito no debe tener tensión alguna, y debe conectarse en paralelo con el elemento que se desea medir. Es muy común el uso del ohmetro para medir continuidad, es decir, para ver si el circuito está o no interrumpido.

fig. 4

El instrumento para medir grandes resistencias, aislamientos de los conductores y fugas a tierra se denomina megóhmetro otelurómetro (fig. 5); se conoce también como "megger" aun que este  termino corresponde a la marca comercial del primer instrumento portátil medidor de aislamiento eléctrico introducido en la industria eléctrica en 1889. Es por tanto incorrecto el utilizar el termino "megger" como verbo en expresiones que se refieran a la utilización o medición de esta magnitud, ejemplo "se debe realizar el megeado del motor eléctrico".

En realidad estos equipos son un tipo especial de ohmetro (fig. 5) en el que la batería de baja tensión, de la que normalmente están dotados estos, se sustituye por un generador de alta tensión, de forma que la medida de la resistencia se hace con voltajes muy elevados.

fig. 5

Factores que afectan la resistencia de un conductor:

R = ρ . (L / S)

1. La longitud ( L ): a mayor longitud corresponde una mayor resistencia.
2. La sección ( S ): a mayor sección se tiene menor resistencia. Para determinar la sección se emplea comúnmente el termino calibre.
3. Coeficiente de resistividad ( ρ ): es la resistencia especifica que ofrece un material y que depende de su estructura física o naturaleza. Su valor se da en ohmios por milímetro cuadrado de sección sobre metro. Este valor para el cobre es 0,0172 Ω . mm²/m y para el aluminio es 0,028 Ω . mm²/m. 
4. La temperatura: Normalmente con el aumento de la temperatura aumenta la resistencia, pero se dan materiales en los cuales con el aumento de la temperatura disminuye la resistencia. Este comportamiento variable da origen a las termo-resistencias o termistores.

Resistencias NTC (coeficiente negativo de temperatura) (fig. 6): son elementos en los que su resistencia baja rápidamente al aumentar la temperatura. Se fabrican partiendo de óxidos semiconductores de algunos metales como Cr, Mn, Fe, etc.

fig. 6

Resistencias PTC (coeficiente positivo de temperatura) (fig. 7): son elementos con coeficiente de temperatura muy positivo, dentro de un margen de temperaturas determinado, fuera del cual el coeficiente puede ser cero o inclusive negativo. En general al aumentar la temperatura aumenta la resistencia. Se fabrican con mezclas de titanios de bario y estroncio. 

fig. 7

Otros factores de los cuales depende la resistencia de un conductor.

Resistencias dependientes de la iluminación (luz) LDR (fig. 8): 
Se denomina fotorresistencias a aquellos elementos cuya resistencia varía al cambiar las condiciones luminosas del ambiente. El valor de la resistencia disminuye a medida que aumenta la luz.

fig. 8

Resistencias dependientes de la tensión VDR (fig. 9):
Son elementos en los cuales el valor de la resistencia disminuye al aumentar la tensión aplicada. Se fabrican a base de carburo de silicio.

fig. 9

LEY DE OHM

Se refiere a la relación  existente entre las tres magnitudes fundamentales. Y se puede enunciar de la siguiente manera:

La intensidad es directamente proporcional a la tensión e inversamente proporcional a la resistencia.


Matemáticamente se expresa así:

De la cual se deducen las siguientes ecuaciones:

Nota: estas formulas se usan en circuitos con CC y en circuitos con CA puramente resistivos.

POTENCIA ELÉCTRICA

Al aplicar una tensión eléctrica entre los extremos de un conductor, los electrones libre adquieren movimiento y llegan a chocar con los iones; desde el momento en que inician su movimiento, los electrones ganan energía cinética, la que ceden a los iones positivos con los que chocan, haciéndole vibrar y aumentando su vibración.

El aumento de las vibraciones de  los iones se convierte en calor. La energía cedida por las cargas eléctricas será proporcional a la tensión eléctrica aplicada y a la cantidad de carga que pasa por el conductor; ésta, a su vez, es proporcional al flujo o corriente eléctrica que circula de un extremo a otro del conductor, en un tiempo determinado.

La potencia producida en el conductor se define como la energía cedida en la unidad de tiempo, o sea:

Y en función de la resistencia:

La unidad fundamental del potencial es el watt; pero comúnmente se emplea el kilo-watt, equivalente a 1000 watt, y el mili-watt es equivalente a la milésima parte de un watt.