Teoría de Circuitos de Corriente Directa

Para entender la teoría de circuitos eléctricos, pero en especial la teoría de circuito de corriente directa (CD = Corriente Directa), debemos empezar por las partículas más pequeñas, que hasta hoy en día conocemos como átomos, y todos éstos átomos están formados por protones, neutrones y electrones. Los protones tienen una carga eléctrica positiva. Los neutrones no tienen carga eléctrica es decir, son neutros, mientras que los electrones tienen una carga eléctrica negativa. Los átomos están unidos por potentes fuerzas de atracción que existen entre el núcleo de los átomos y los electrones en su capa exterior.

Cuando estos protones, neutrones y electrones están juntos dentro del átomo, son completamente estables. Pero si los separamos unos de otros, estos ejercerán una fuerza para volver a su estado formal y comenzar a ejercer un potencial de atracción llamado diferencia de potencial.

Ahora, imaginemos que creamos un circuito cerrado, estos electrones sueltos comenzarán a moverse y regresarán a los protones debido a su atracción creando un flujo de electrones. Este flujo de electrones se llama corriente eléctrica . Los electrones no fluyen libremente a través del circuito ya que el material por el que se mueven crea una restricción al flujo de electrones. Esta restricción se llama resistencia.

Entonces, todos los circuitos eléctricos o electrónicos básicos constan de tres cantidades eléctricas separadas pero muy relacionadas llamadas:

• Voltaje, (v)
• Corriente (i)
• Resistencia, (Ω).

Voltaje Eléctrico

Cuando hablamos de voltaje ( V ), nos referimos a la energía potencial de un suministro eléctrico almacenado en forma de una carga eléctrica. Se puede pensar en voltaje como aquella fuerza que empuja a los electrones a través de un conductor y cuanto mayor es el voltaje, mayor es su capacidad para "empujar" los electrones a través de un circuito dado. Como la energía tiene la capacidad de hacer el trabajo, esta energía potencial se puede describir como el trabajo requerido en "Joules" para mover electrones en forma de una corriente eléctrica alrededor de un circuito desde un punto u a otro nodo.

La diferencia de potencial entre dos puntos se mide en "voltios" también se le nombra como "volts", con el símbolo de circuito V , o minúscula " v ", y la energía se nombra con una E mayúscula, también tenemos el caso de que en libros nos aparezca una "fem" para indicar una fuerza electromotriz. Luego, cuanto mayor es el voltaje, mayor es la presión (o fuerza de empuje) y mayor es la capacidad para trabajar.

Hay que entender dos cosas fundamentales:

• Cuando el voltaje no tiene variación en la tensión frente al tiempo, se le conoce como corriente directa.
• Cuando el voltaje si tiene variación frente al tiempo, se le conoce como corriente alterna.

El voltaje se mide en voltios, definiéndose un voltio como la presión eléctrica requerida para forzar una corriente eléctrica de un amperio a través de una resistencia de un ohmio. Los voltajes generalmente se expresan en voltios con prefijos usados ​​para denotar submúltiplos de voltaje tales como microvoltios ( μV = 10 -6 V ), milivoltios ( mV = 10 -3 V ) o kilovoltios ( kV = 10 3 V ).

¡Atención! El voltaje puede ser positivo o negativo.

Las baterías o las fuentes de alimentación se utilizan principalmente para producir una fuente de tensión constante de CD (Corriente Directa), como 5v, 12v, 24v, etc. en circuitos y sistemas electrónicos. Mientras que las fuentes de tensión de CA (corriente alterna) están disponibles para la iluminación doméstica e industrial, así como para la transmisión de potencia. El suministro de tensión de red en México actualmente es de 110 volts de corriente alterna, y en algunos estados del país se usa 127 volts.

La mayoría de los circuitos electrónicos en general operan una tensión de corriente directa de entre 1,5 V y 24 V. El símbolo de circuito para una fuente de tensión constante dada generalmente como un símbolo de la batería con un resultado positivo, + y negativo, - señal que indica la dirección de la polaridad. El símbolo del circuito para una fuente de tensión alterna es un círculo con una onda sinusoidal dentro.

Símbolos de Voltaje

Una de las analogías más comunes para representar la tensión eléctrica es entre un tanque de agua y un suministro de voltaje. Cuanto mayor sea el tanque de agua por encima de la salida, mayor será la presión del agua a medida que se libere más energía, cuanto mayor sea el voltaje, mayor será la energía potencial a medida que se liberen más electrones.

El voltaje siempre se mide como la diferencia entre dos puntos cualquiera en un circuito y el voltaje entre estos dos puntos se conoce generalmente como " caída de voltaje ". Tenga en cuenta que la tensión puede existir en un circuito sin corriente, pero la corriente no puede existir sin tensión .

Corriente Eléctrica

La corriente eléctrica ( i ) , es el movimiento o flujo de carga eléctrica y se mide en amperios , símbolo i , para la intensidad. Es el flujo continuo y uniforme de los electrones (las partículas negativas de un átomo) alrededor de un circuito que están siendo "empujados" por la fuente de voltaje. En realidad, los electrones fluyen desde el terminal negativo (-) al terminal positivo (+) del suministro y para facilitar la comprensión del circuito, el flujo de corriente convencional supone que la corriente fluye desde el terminal positivo al negativo.

En general, en los diagramas de circuito el flujo de corriente a través del circuito por lo general tiene una flecha asociada con el símbolo, I , o minúscula i para indicar la dirección real del flujo de corriente. Sin embargo, esta flecha generalmente indica la dirección del flujo de corriente convencional y no necesariamente la dirección del flujo real.

Lo podemos ver claro en los ejercicios resueltos de la Ley de Kirchhoff

Flujo de Corriente Convencional

Como explicamos anteriormente, el flujo de la corriente es un punto importante para analizar circuitos eléctricos, temas que veremos en otros artículos. El diagrama dearriba muestra el movimiento de la carga positiva alrededor de un circuito cerrado que fluye desde el terminal positivo de la batería, a través del circuito y regresa al terminal negativo de la batería. Este flujo de corriente de positivo a negativo se conoce generalmente como flujo de corriente convencional.

Entonces , el flujo de corriente convencional proporciona el flujo de corriente eléctrica de positivo a negativo y es lo contrario en la dirección del flujo real de electrones.

Flujo de Electrones

El flujo de electrones alrededor del circuito es opuesto a la dirección del flujo de corriente convencional que va de negativo a positivo. La corriente real que fluye en un circuito eléctrico está compuesta de electrones que fluyen desde el polo negativo de la batería (el cátodo) y regresan al polo positivo (el ánodo) de la batería.

Esto se debe a que la carga en un electrón es negativa por definición y, por lo tanto, es atraída por el terminal positivo. Este flujo de electrones se llama flujo de electrones real. Por lo tanto, los electrones en realidad fluyen alrededor de un circuito desde el terminal negativo al positivo.

Tanto el flujo de corriente convencional y el flujo de electrones real son utilizadas por muchos libros de texto. De hecho, no importa en qué dirección fluye la corriente por el circuito, siempre que la dirección se use de manera consistente en todo análisis y cálculo. La dirección del flujo de corriente no afecta lo que hace la corriente dentro del circuito. En general, es mucho más fácil comprender el flujo de corriente convencional, de positivo a negativo. Esto para fines académicos es mucho más fácil interpretar.

En los circuitos electrónicos, una fuente de corriente es un elemento de circuito que proporciona una cantidad específica de corriente, por ejemplo, 1A, 5A 10A, etc., con el símbolo de circuito para una fuente de corriente constante dada como un círculo con una flecha adentro que indica su dirección.

La corriente se mide en amperios y un 'amper' se define como el número de electrones o carga ( Q en coulombs) que pasa en un cierto punto en el circuito en un segundo, ( t en segundos).

La corriente eléctrica generalmente se expresa en amperios con prefijos usados ​​para denotar micro amper ( μA = 10^-6 A ) o miliamperios ( mA = 10^-3 A ). Tenga en cuenta que la corriente eléctrica puede ser de valor positivo o negativa en función de su dirección de flujo alrededor del circuito.

La corriente que fluye en una sola dirección se llama corriente directa o CD y la corriente que alterna el flujo de ida y de vuelta a través del circuito se conoce como corriente alterna , o CA . Si la corriente de CA o CD solo fluye a través de un circuito cuando una fuente de voltaje está conectada a él con su "flujo" se limita tanto a la resistencia del circuito como a la fuente de tensión que lo empuja.

También, como las corrientes alternas (y voltajes) son periódicas y varían con el tiempo el valor “eficaz” o “RMS”, (Root Mean Squared) dado como I rms produce la misma pérdida de potencia promedio equivalente a una corriente continua I promedio . Las fuentes de corriente son lo opuesto a las fuentes de tensión porque les gustan las condiciones de circuito corto o cerrado pero odian las condiciones de circuito abierto ya que no fluirá corriente.

Usando la analogía del tanque de agua, la corriente es el equivalente del flujo de agua a través de la tubería con el flujo que es el mismo en toda la tubería. Cuanto más rápido es el flujo de agua, mayor es la corriente. Tenga en cuenta que la corriente no puede existir sin tensión, por lo que cualquier fuente de corriente, ya sea que CD o CA es atraída por condiciones de un circuito cerrado, pero detesta cualquier condición de circuito abierto ya que esto evita que fluya.

Resistencia

La Resistencia es la capacidad de un material para resistir o prevenir el flujo de corriente o, más específicamente, el flujo de carga eléctrica dentro de un circuito. El elemento del circuito que hace esto perfectamente se llama "Resistencia".

La resistencia es un elemento de circuito medido en ohmios , símbolo griego ( Ω , Omega) con prefijos utilizados para denotar Kilo-ohms ( kΩ = 10^3 Ω ) y mega-ohms ( MΩ = 10^6 Ω ). Tenga en cuenta que la resistencia no puede ser negativa en valor solo positiva.

Símbolos de Resistencia

La cantidad de resistencia que posee una resistencia está determinada por la relación de la corriente y tensión a través de ella que determina si el elemento del circuito es un:

• Buen material conductor es de baja resistencia.
• Mal material conductor es de alta resistencia..

Cuando nos referimos a la baja resistencia, hacemos mención por ejemplo a 1Ω o menos, ya que esto implica que el circuito es un buen conductor hecho de materiales como cobre, aluminio o carbono, mientras que una resistencia alta, la podríamos considerar de 1MΩ (Mega Ohm) o más, implica que el circuito es un mal conductor hecho de materiales aislantes como vidrio, porcelana o plástico.

Pero no solo eso, también tenemos otro término muy usado en la electricidad y electrónica, el material "semiconductor", generalmente visto en materiales como el silicio o el germanio, es un material cuya resistencia se encuentra a medio camino entre la de un buen conductor y un buen aislante. De ahí el nombre "semiconductor". Los semiconductores se utilizan para hacer diodos y transistores, etc.

La resistencia puede ser de naturaleza lineal o no lineal, pero nunca negativa. La resistencia lineal obedece a la Ley de Ohm ya que el voltaje a través de la resistencia es linealmente proporcional a la corriente a través de ella. De otra forma la resistencia no lineal, no obedece a la Ley de Ohm pero tiene una caída de voltaje que es proporcional a cierta potencia de la corriente.

La resistencia es pura y no se ve afectada por la frecuencia con la impedancia de la corriente alterna (CA) de una resistencia que es igual a su resistencia de corriente directa (CD) y, como resultado, no puede ser negativa. Recuerde que la resistencia siempre es positiva y nunca negativa.

Una resistencia se clasifica como un elemento de circuito pasivo y, como tal, no puede suministrar energía ni almacenar energía. En cambio, las resistencias absorben energía que aparece como calor y luz. La potencia en una resistencia siempre es positiva independientemente de la polaridad del voltaje y la dirección de la corriente.

Para valores de resistencia muy bajos, por ejemplo mili-ohms, ( mΩ ) a veces es mucho más fácil utilizar el recíproco de resistencia ( 1 / R ) en lugar de resistencia ( R ). El recíproco de resistencia se llama conductancia simbolizada con la letra ( G ) y representa la capacidad de un conductor o dispositivo para conducir electricidad.

En otras palabras, la facilidad con que fluye la corriente y los altos valores de conductancia implican un buen conductor como el cobre, mientras que los valores bajos de conductancia implican un mal conductor como la madera. La unidad de medida estándar dada para la conductancia es Siemen , símbolo ( S ).

La unidad utilizada para la conductancia es mho (ohm deletreado hacia atrás), que está simbolizado por un signo de Ohm invertido ℧ .

La relación entre Voltaje ( v ) y Corriente ( i ) en un circuito de Resistencia constante ( R ) produciría una relación de línea recta I*V con pendiente igual al valor de la resistencia como se muestra en la siguiente imagen.

Resumen

Bien, se ha tratado de explicar de manera general al voltaje eléctrico , la corriente y la resistencia y observar como están estrechamente relacionados entre sí. La relación entre Voltaje , Corriente y Resistencia forma la base de la ley de Ohm. En un circuito lineal de resistencia fija, si aumentamos el voltaje, la corriente aumenta, y de manera similar, si disminuimos el voltaje, la corriente disminuye. Esto significa que si el voltaje es alto, la corriente es alta, y si el voltaje es bajo, la corriente es baja.

Del mismo modo, si aumentamos la resistencia, la corriente disminuye para un voltaje dado y si disminuimos la resistencia, la corriente aumenta. Lo que significa que si la resistencia es alta, la corriente es baja y si la resistencia es baja, la corriente es alta.

Entonces podemos ver que el flujo de corriente alrededor de un circuito es directamente proporcional ( α ) a la tensión, pero inversamente proporcional ( 1 / α ) a la resistencia.

Un resumen básico de las tres unidades se da a continuación.

• La diferencia de voltaje o diferencia de potencial es la medida de la energía potencial entre dos puntos en un circuito y se conoce comúnmente como "caída de voltaje".
• Cuando una fuente de voltaje está conectada a un circuito cerrado, la tensión producirá una corriente que fluye alrededor del circuito.
• En las fuentes de tensión continua, los símbolos + (positivo) y - (negativo) se utilizan para indicar la polaridad del suministro de tensión.
• El voltaje se mide en voltios o volts y tiene el símbolo V para voltaje o E para energía eléctrica.
• El flujo de corriente es una combinación de flujo de electrones a través de un circuito.
• La corriente es el flujo continuo y uniforme de la carga en el circuito y se mide en Amperios o Amperios y tiene el símbolo I .
• La corriente es directamente proporcional al voltaje ( I α V)
• El valor efectivo (rms) de una corriente alterna tiene la misma pérdida de potencia promedio equivalente a una corriente continua que fluye a través de un elemento resistivo.
• La resistencia es la oposición a la corriente que fluye alrededor de un circuito.
• Los bajos valores de resistencia implican un conductor y los altos valores de resistencia implican un aislante.
• La corriente es inversamente proporcional a la resistencia.
• La resistencia se mide en ohms y tiene el símbolo griego Ω o la letra R.