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Conceptos fundamentales de electricidad




Enviado por Pablo Turmero



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    Índice
    CONCEPTOS FUNDAMENTALES DE ELECTRICIDAD

    1.1. Magnitudes eléctricas y unidades
    1.2. Componentes, dispositivos y circuitos
    1.3. Señales
    1.4. Leyes de Kirchhoff

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    2
    1.1 Magnitudes eléctricas y unidades
    Magnitud es una propiedad medible de un objeto o suceso.
    Propiedad medible: se le puede asignar un valor numérico basado en la experimentación.
    Ej.: tiempo, masa, carga, corriente, tensión, potencia
    Valor de una magnitud es el producto de un valor numérico y de una unidad.Unidad es una cantidad conocida del mismo tipo que se toma como referencia.
    Ej.: t = 9,82 s q = 7,5 µC i = 3,6 mA v = 9 V p = 60 W
    Magnitudes eléctricas fundamentales
    Carga, campo eléctrico, corriente, tensión, potencia …

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    3
    1.1 Magnitudes eléctricas y unidades
    Carga eléctrica
    Algunos objetos ejercen fuerzas a distancia sobre otros después de frotarlos. Se dice que están electrificados o cargados con electricidad (????????, elektron, ámbar en griego).
    Experimento: al frotar un bolígrafo atrae pedacitos de papel.

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    4
    1.1 Magnitudes eléctricas y unidades
    Existen dos clases de carga llamadas positiva (+) y negativa (-).
    Experimento: frotamos dos trozos de plástico y los acercamos.

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    5
    1.1 Magnitudes eléctricas y unidades
    La relación cuantitativa que relaciona la fuerza, las cargas y la distancia se llama ley de Coulomb
    (Gp:) q1

    (Gp:) qp

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    6
    Si hay N cargas podemos aplicar el principio de superposición:
    1.1 Magnitudes eléctricas y unidades
    ……..
    (Gp:) qp

    (Gp:) q1

    (Gp:) q2

    (Gp:) qN

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    7
    1.1 Magnitudes eléctricas y unidades
    Campo eléctrico
    El campo Ep es la fuerza por unidad de carga que actúa sobre qp.
    Suponemos que el campo eléctrico existe aunque no esté qp

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    1.1 Magnitudes eléctricas y unidades
    Tensión o diferencia de potencial
    La tensión eléctrica vAB en un punto A respecto a otro punto B es el trabajo por unidad de carga que hay que realizar para trasladar una carga de B a A.
    wAB es independiente del camino
    (Gp:) 2

    (Gp:) 1

    (Gp:) vAB
    (Gp:) +
    (Gp:) _

    Voltio
    [V]
    Trabajo wAB que hay que realizar:
    (Gp:) vBA
    (Gp:) +
    (Gp:) _

    (Gp:) B

    (Gp:) A

    (Gp:) qp

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    1.1 Magnitudes eléctricas y unidades
    Corriente
    Intensidad de corriente eléctrica es la carga eléctrica que pasa por unidad de tiempo a través de una sección.
    (Gp:) +
    (Gp:) +
    (Gp:) +
    (Gp:) +
    (Gp:) S

    (Gp:) Corriente instantánea

    (Gp:) Corriente media en

    (Gp:) Unidad: amperio (A)

    (Gp:) Conductores: cargas libres, hay corriente al aplicar
    Aislantes: cargas fijas, no hay corriente

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    1.1 Magnitudes eléctricas y unidades
    Potencia
    La potencia, p, que entrega una corriente al circular entre A y B es la energía que entrega por unidad de tiempo.
    (Gp:) A
    (Gp:) B
    (Gp:) vAB
    (Gp:) +
    (Gp:) _
    (Gp:) i
    (Gp:) q

    Energía que entrega (si wAB > 0) o absorbe (si wAB < 0) la carga q al pasar de A a B:
    En un circuito esta potencia es absorbida (si p > 0) o entregada (si p < 0) por un elemento.
    (Gp:) Unidad: vatio (W)

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    1.1 Magnitudes eléctricas y unidades
    Unidades y símbolos

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    Índice
    1. CONCEPTOS FUNDAMENTALES

    1.1. Magnitudes eléctricas y unidades
    1.2. Componentes, dispositivos y circuitos
    1.3. Señales
    1.4. Leyes de Kirchhoff

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    1.2. Componentes, dispositivos y circuitos
    Introducción
    Ingeniería es la ciencia y el arte de aplicar los conocimientos científicos en beneficio de la humanidad.
    Ingeniería Electrónica es la ciencia y el arte de diseñar componentes y circuitos en beneficio de la humanidad.
    Componente o dispositivo es un objeto físico que presenta unas relaciones determinadas de tensión y corriente.
    Circuito es un sistema de componentes interconectados.
    Elemento de circuito es un modelo matemático sencillo que relaciona la corriente con la tensión. Un componente se modela mediante uno o varios elementos. Puede haber varios modelos diferentes del mismo componente.
    El modelo del circuito se obtiene sustituyendo los componentes por sus modelos.

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    14
    1.2. Componentes, dispositivos y circuitos
    Ejemplo
    Modelos
    (Gp:) Componente
    (Gp:) Pila de 9 V

    (Gp:) Modelo ideal

    (Gp:) Modelo más aproximado

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    15
    1.2. Componentes, dispositivos y circuitos
    ¿Cómo se determina el modelo de un componente?
    (Gp:) 9,10 V

    Como los instrumentos no son exactos en realidad sólo se que la tensión de la pila está entre 9,04 V y 9,16 V
    (Gp:) Modelo

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    1.2. Componentes, dispositivos y circuitos
    (Gp:) Circuito formado por una pila y una resistencia

    (Gp:) Modelo

    VR = 9,10 V (calculado)
    VR = 8,75 V (medido)
    (Gp:) Si es necesaria más exactitud modelo más aproximado

    (Gp:) 9,10 V
    (Gp:) VR
    (Gp:) +
    (Gp:) _

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    17
    1.2. Componentes, dispositivos y circuitos
    Supongamos que añadiendo una resistencia podemos obtener un modelo más aproximado de la pila.
    (Gp:) modelo pila

    VF = 9,10 V
    R = 100 ?
    VR = 8,75 V
    RF = ?
    (Gp:) Modelo más aproximado de la pila
    (Gp:) 9,10 V
    (Gp:) 4 ?

    (Gp:) VF
    (Gp:) RF
    (Gp:) R
    (Gp:) VR
    (Gp:) +
    (Gp:) _

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    1.2. Componentes, dispositivos y circuitos
    Conductor ideal
    Mantiene la misma tensión en todos sus puntos (resistencia 0).
    (Gp:) +
    (Gp:) _
    (Gp:) v
    (Gp:) i

    v = 0
    (Gp:) i
    (Gp:) v

    Componente: conductor real
    Se utiliza para interconectar componentes

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    1.2. Componentes, dispositivos y circuitos
    Interruptor ideal
    Tiene dos estados: abierto (OFF) y cerrado (ON)
    Cuando está abierto no puede circular corriente. Cuando está cerrado equivale a un conductor.
    (Gp:) +
    (Gp:) _
    (Gp:) v
    (Gp:) i
    (Gp:) Abierto
    OFF

    (Gp:) +
    (Gp:) _
    (Gp:) v
    (Gp:) i
    (Gp:) Cerrado
    ON

    (Gp:) i
    (Gp:) v
    (Gp:) v = 0

    (Gp:) i
    (Gp:) v
    (Gp:) i = 0

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    20
    1.2. Componentes, dispositivos y circuitos
    Generador o fuente independiente de tensión ideal
    Mantiene entre sus terminales una tensión determinada independientemente de la corriente que la atraviesa.
    (Gp:) vg(t)
    (Gp:) +
    (Gp:) _
    (Gp:) v
    (Gp:) i

    (Gp:) i
    (Gp:) v
    (Gp:) vg(t)

    (Gp:) VG
    (Gp:) i
    (Gp:) +
    (Gp:) _
    (Gp:) v

    (Gp:) t
    (Gp:) vg(t)
    (Gp:) v

    (Gp:) t
    (Gp:) v
    (Gp:) VG

    (Gp:) i
    (Gp:) VG
    (Gp:) v

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    21
    1.2. Componentes, dispositivos y circuitos
    Generador o fuente independiente de corriente ideal
    Mantiene entre sus terminales una corriente determinada independientemente de la tensión entre ellos.
    (Gp:) i
    (Gp:) v
    (Gp:) ig(t)

    (Gp:) t
    (Gp:) ig(t)
    (Gp:) i

    (Gp:) t
    (Gp:) i
    (Gp:) IG

    (Gp:) i
    (Gp:) IG
    (Gp:) v

    (Gp:) ig(t)
    (Gp:) +
    (Gp:) _
    (Gp:) v
    (Gp:) i

    (Gp:) IG
    (Gp:) +
    (Gp:) _
    (Gp:) v
    (Gp:) i

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    22
    Índice
    1. CONCEPTOS FUNDAMENTALES

    1.1. Magnitudes eléctricas y unidades
    1.2. Componentes, dispositivos y circuitos
    1.3. Señales
    1.4. Leyes de Kirchhoff

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    1.3. Señales
    Introducción
    Una señal es una magnitud física cuyo valor contiene información.
    Los circuitos electrónicos procesan señales eléctricas (tensión o corriente). Si la señal no es eléctrica se convierte en eléctrica mediante un sensor. Después de procesada puede convertirse otra vez en una señal no eléctrica mediante un actuador.
    (Gp:) SENSOR
    (Gp:) CIRCUITO
    (Gp:) ACTUADOR
    (Gp:) Señal no eléctrica
    (Gp:) Señales eléctricas
    (Gp:) Señal no eléctrica

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    (Gp:) Forma de onda
    (Gp:) Tensión
    (Gp:) tiempo

    1.3. Señales
    Ejemplo: señal eléctrica del corazón (ECG)
    Ruido es toda señal no deseada que enmascara la información.

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    25
    1.3. Señales
    Ejemplo: señal de voz
    (Gp:) MICROFONO
    (Gp:) CIRCUITO
    (Gp:) ALTAVOZ
    PANTALLA

    (Gp:) Señal al decir 3 veces hola

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    26
    1.3. Señales
    Señal escalón
    (Gp:) Escalón unidad

    (Gp:) t
    (Gp:) u(t)

    (Gp:) v(t)
    (Gp:) A
    (Gp:) t0
    (Gp:) t

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    27
    1.3. Señales
    Señal pulso
    (Gp:) t1
    (Gp:) t2
    (Gp:) A

    Señal rampa
    (Gp:) r(t)
    (Gp:) t

    Rampa de pendiente unidad
    (Gp:) t0
    (Gp:) 1
    (Gp:) B
    (Gp:) t
    (Gp:) v(t)

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    28
    1.3. Señales
    Señal exponencial
    ? = constante de tiempo
    (Gp:) A
    (Gp:) t
    (Gp:) ?1
    (Gp:) ?2
    (Gp:) v(t)

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    29
    1.3. Señales
    Señal sinusoidal
    (Gp:) A = amplitud o valor de pico
    2·A = valor de pico a pico
    = frecuencia angular (rad/s)
    ? = ángulo de fase (rad)

    (Gp:) f = frecuencia (Hz)
    T = periodo (s)

    (Gp:) A
    (Gp:) -A
    (Gp:) T
    (Gp:) v(t)
    (Gp:) t

    (Gp:) función periódica

    Sumando sinusoides de diferentes frecuencias se puede aproximar cualquier señal (análisis de Fourier)

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    30
    1.3. Señales
    Valor medio y valor eficaz
    T = intervalo de tiempo en el que se calcula el valor medio o eficaz. En las señales periódicas T es el el periodo.
    Ejemplo: señal sinusoidal

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    Índice
    1. CONCEPTOS FUNDAMENTALES

    1.1. Magnitudes eléctricas y unidades
    1.2. Componentes, dispositivos y circuitos
    1.3. Señales
    1.4. Leyes de Kirchhoff

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    1.4. Leyes de Kirchhoff
    Leyes de Kirchhoff
    Son la aplicación a circuitos de los principios de conservación de la carga y de la energía.
    Nudo es el punto de interconexión de dos o más componentes.
    Malla es todo camino cerrado que contiene dos o más nudos.
    Mediante la aplicación de las leyes de Kirchhoff y las relaciones corriente-tensión de los elementos se puede analizar cualquier circuito.

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    33
    1.4. Leyes de Kirchhoff
    Ley de Kirchhoff de corrientes (KCL)
    La suma de corrientes que entran en una superficie cerrada es igual a la suma de corrientes que salen (conservación de la carga).
    (Gp:) A
    (Gp:) B
    (Gp:) C
    (Gp:) D
    (Gp:) E
    (Gp:) iE
    (Gp:) iD
    (Gp:) iC
    (Gp:) iB
    (Gp:) iA
    (Gp:) iR

    (Gp:) nudo A

    (Gp:) nudo B

    (Gp:) nudo C

    iB=iA
    iE=iD+iC
    iA+iC+iD=iB+iE
    iR=0

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    34
    1.4. Leyes de Kirchhoff
    Ley de Kirchhoff de tensiones (KVL)
    La suma algebraica de diferencias de tensión a lo largo de una malla es nula (conservación de la energía).
    (Gp:) vA
    (Gp:) A
    (Gp:) B
    (Gp:) C
    (Gp:) D
    (Gp:) E
    (Gp:) vB
    (Gp:) vD
    (Gp:) vC
    (Gp:) vE
    (Gp:) +
    (Gp:) +
    (Gp:) +
    (Gp:) +
    (Gp:) +
    (Gp:) _
    (Gp:) _
    (Gp:) _
    (Gp:) _
    (Gp:) _

    vA – vB= 0
    -vC – vD= 0
    vD + vE= 0
    (Gp:) A

    (Gp:) B

    (Gp:) C

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    35
    1.4. Leyes de Kirchhoff
    Nudo de referencia
    Es el nudo al que se asigna arbitrariamente una tensión de 0 V. Se suele escoger el nudo que tiene más elementos conectados. También recibe el nombre de masa del circuito y se identifica por alguno de los siguientes símbolos:
    Para simplificar se pone el símbolo de masa en todos los terminales que están a 0 V y no se dibuja el conductor de masa.
    (Gp:) A
    (Gp:) B
    (Gp:) C

    (Gp:) A
    (Gp:) B
    (Gp:) C

    (Gp:) El mismo circuito

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