2. Objetivos:
Objetivos: Después de completar
Después de completar
este módulo deberá:
este módulo deberá:
• Resolver problemas que involucren
Resolver problemas que involucren fem
fem,
,
diferencia de potencial terminal
diferencia de potencial terminal,
, resistencia
resistencia
interna
interna y
y resistencia de carga
resistencia de carga.
.
• Resolver problemas que involucren
Resolver problemas que involucren
ganancias y pérdidas de potencia
ganancias y pérdidas de potencia en un
en un
circuito simple que contenga resistencias
circuito simple que contenga resistencias
internas y de carga.
internas y de carga.
• Trabajar problemas que involucren el uso de
Trabajar problemas que involucren el uso de
amperímetros
amperímetros y
y voltímetros
voltímetros en circuitos CD.
en circuitos CD.
3. FEM y diferencia de
FEM y diferencia de
potencial terminal
potencial terminal
Circuito
abierto E = 1.5 V
La
La fem
fem E
E es la diferencia de potencial de
es la diferencia de potencial de circuito abierto
circuito abierto.
.
El
El voltaje terminal
voltaje terminal V
VT
T para circuito cerrado se reduce
para circuito cerrado se reduce
debido a
debido a resistencia interna
resistencia interna r
r dentro de la fuente.
dentro de la fuente.
Circuito
cerrado VT = 1.45 V
r
Aplicar la ley de Ohm a
Aplicar la ley de Ohm a
la batería
la batería r
r produce:
produce: VT = E - Ir
VT = E - Ir
4. Cómo encontrar la corriente en un
Cómo encontrar la corriente en un
circuito simple
circuito simple
Ley de Ohm:
Ley de Ohm: La corriente
La corriente I
I
es la razón de fem a
es la razón de fem a
resistencia total
resistencia total R + r
R + r.
.
I
R r
+
E
=
La multiplicación cruzada produce:
La multiplicación cruzada produce:
IR + Ir
IR + Ir =
= E
E;
; V
VT
T = IR
= IR
VT = E - Ir
VT = E - Ir
r
R
I
+
Batería
r
E
-
VT
VT = IR
5. Ejemplo 2.
Ejemplo 2. Una batería de
Una batería de 3 V
3 V tiene una
tiene una
resistencia interna de
resistencia interna de 0.5
0.5 Ω
Ω y se conecta a
y se conecta a
una resistencia de carga de
una resistencia de carga de 4
4 Ω
Ω. ¿Qué
. ¿Qué
corriente se entrega y cuál es la diferencia de
corriente se entrega y cuál es la diferencia de
potencial terminal
potencial terminal V
VT
T?
?
I
I = 0.667 A
= 0.667 A
I
I = 0.667 A
= 0.667 A
3 V
4 0.5
I
R r
=
+ Ω + Ω
E
=
V
VT
T =
= E
E – Ir
– Ir
V
VT
T = 3
= 3 V – (0.667 A)(0.5
V – (0.667 A)(0.5 Ω
Ω)
)
V
VT
T = 2.67 V
= 2.67 V
V
VT
T = 2.67 V
= 2.67 V
r = 0.5 Ω
R = 4 Ω
I
+ -
E = 3 V
r
R
6. Potencia en circuitos
Potencia en circuitos
Recuerde que la definición de potencia es trabajo o
Recuerde que la definición de potencia es trabajo o
energía por unidad de tiempo. Lo siguiente aplica:
energía por unidad de tiempo. Lo siguiente aplica:
Recuerde que la definición de potencia es trabajo o
Recuerde que la definición de potencia es trabajo o
energía por unidad de tiempo. Lo siguiente aplica:
energía por unidad de tiempo. Lo siguiente aplica:
2
2
; ;
V
P VI P I R P
R
= = =
La primera de estas normalmente se asocia con
La primera de estas normalmente se asocia con
las ganancias y pérdidas de
las ganancias y pérdidas de potencia
potencia a través de
a través de
fem
fem; las últimas dos se asocian más
; las últimas dos se asocian más
frecuentemente con
frecuentemente con cargas externas
cargas externas.
.
La primera de estas normalmente se asocia con
La primera de estas normalmente se asocia con
las ganancias y pérdidas de
las ganancias y pérdidas de potencia
potencia a través de
a través de
fem
fem; las últimas dos se asocian más
; las últimas dos se asocian más
frecuentemente con
frecuentemente con cargas externas
cargas externas.
.
7. Potencia, potencial y FEM
Potencia, potencial y FEM
I
+
Batería
r
E
-
VT
R
Considere un circuito simple:
Considere un circuito simple:
VT = E - Ir
VT = E - Ir
Voltaje
Voltaje
terminal
terminal
Multiplique cada término por
Multiplique cada término por I:
I:
VTI = EI - I2
r
VTI = EI - I2
r
La
La potencia entregada
potencia entregada al circuito externo es igual a
al circuito externo es igual a
la
la potencia entregada
potencia entregada en la fem menos la
en la fem menos la potencia
potencia
perdida
perdida a través de la resistencia interna.
a través de la resistencia interna.
La
La potencia entregada
potencia entregada al circuito externo es igual a
al circuito externo es igual a
la
la potencia entregada
potencia entregada en la fem menos la
en la fem menos la potencia
potencia
perdida
perdida a través de la resistencia interna.
a través de la resistencia interna.
8. Ejemplo 3.
Ejemplo 3. La batería de
La batería de 3 V
3 V en el
en el Ej. 2
Ej. 2 tenía
tenía
una resistencia interna de
una resistencia interna de 0.5
0.5 Ω
Ω y una
y una
resistencia de carga de
resistencia de carga de 4
4 Ω
Ω. Discuta la
. Discuta la
potencia usada en el circuito.
potencia usada en el circuito.
r = 0.5 Ω
R = 4 Ω
I
+ -
E = 3 V
r
R
I
I = 0.667 A
= 0.667 A
I
I = 0.667 A
= 0.667 A V
VT
T = 2.67 V
= 2.67 V
V
VT
T = 2.67 V
= 2.67 V
En el Ej. 2 se encontró:
En el Ej. 2 se encontró:
Potencia entregada en fem:
Potencia entregada en fem:
E
EI =
I = (3.0
(3.0 V)(0.667 A) = 2.0 W
V)(0.667 A) = 2.0 W
Potencia perdida en
Potencia perdida en r
r interna:
interna:
I
I2
2
r =
r = (0.667 A)
(0.667 A)2
2
(0.5
(0.5 Ω
Ω) = 0.222 W
) = 0.222 W
9. Ejemplo 3 (Cont.)
Ejemplo 3 (Cont.) Discuta la potencia
Discuta la potencia
usada en el siguiente circuito simple.
usada en el siguiente circuito simple.
r = 0.5 Ω
R = 4 Ω
I
+ -
E = 3 V
r
R
Potencia en fem:
Potencia en fem: EI = 2.00 W
EI = 2.00 W
Pérdida de
Pérdida de
potencia:
potencia:
I2
r = 0.222 W
I2
r = 0.222 W
Potencia perdida en R de carga
Potencia perdida en R de carga
externa:
externa:
I
I2
2
R =
R = (0.667)
(0.667)2
2
(4
(4 Ω
Ω) =
) = 1.78 W
1.78 W
V
VT
TI =
I = (2.67)(0.667 A) =
(2.67)(0.667 A) = 1.78 W
1.78 W
Esta potencia también se puede
Esta potencia también se puede
encontrar al usar
encontrar al usar V
VT
T =
= 2.67
2.67 V
V
La potencia real
La potencia real
se usa
se usa
externamente.
externamente.
10. Ejemplo 3 (Cont.)
Ejemplo 3 (Cont.) Discuta la potencia
Discuta la potencia
usada en el siguiente circuito simple.
usada en el siguiente circuito simple.
r = 0.5 Ω
R = 4 Ω
I
+ -
E = 3 V
r
R
Potencia en fem:
Potencia en fem: EI = 2.00 W
EI = 2.00 W
Pérdida de
Pérdida de
potencia en r
potencia en r
interna:
interna:
I2
r = 0.222 W
I2
r = 0.222 W
VTI = EI - I2
r
VTI = EI - I2
r 1.78 W = 2.00 W – 0.222 W
1.78 W = 2.00 W – 0.222 W
Potencia perdida en R de carga
Potencia perdida en R de carga
externa:
externa:
I2
R = VTI = 1.78 W
I2
R = VTI = 1.78 W
11. Una FEM
Una FEM que se descarga
que se descarga
Cuando una batería se descarga,
hay una GANANCIA en energía E
conforme la energía química se
convierte en energía eléctrica. Al
mismo tiempo, la energía se
PIERDE a través de la resistencia
interna Ir.
Cuando una batería se descarga,
hay una GANANCIA en energía E
conforme la energía química se
convierte en energía eléctrica. Al
mismo tiempo, la energía se
PIERDE a través de la resistencia
interna Ir.
En descarga: VBA = E - Ir
En descarga: VBA = E - Ir
12 V - (2 A)(1
12 V - (2 A)(1 Ω
Ω) = 12 V - 2 V = 10 V
) = 12 V - 2 V = 10 V
r
+ -
E
I =
I = 2 A
2 A
En descarga
En descarga
12 V, 1
12 V, 1 Ω
Ω
A
A B
B
Si V
Si VB
B= 20 V, entonces V
= 20 V, entonces VA
A = 30 V;
= 30 V; Ganancia neta = 10 V
Ganancia neta = 10 V
GANANCI
GANANCI
A
A
PÉRDID
PÉRDID
A
A
12. En carga:
En carga: Inversión del flujo a través de FEM
Inversión del flujo a través de FEM
Cuando una batería se carga
(corriente contra salida normal),
la energía se pierde a través de
cambios químicos E y también a
través de la resistencia interna
Ir.
Cuando una batería se carga
(corriente contra salida normal),
la energía se pierde a través de
cambios químicos E y también a
través de la resistencia interna
Ir.
En carga: VAB = E + Ir
En carga: VAB = E + Ir
-12 V - (2 A)(1
-12 V - (2 A)(1 Ω
Ω) = -12 V - 2 V = -14 V
) = -12 V - 2 V = -14 V
r
+ -
E
I =
I = 2 A
2 A
En carga
En carga
12 V, 1
12 V, 1 Ω
Ω
A
A B
B
Si V
Si VA
A= 20 V, entonces V
= 20 V, entonces VB
B = 6.0 V;
= 6.0 V; Pérdida neta = 14 V
Pérdida neta = 14 V
PÉRDID
PÉRDID
A
A
PÉRDID
PÉRDID
A
A
13. Ganancia de poder
Ganancia de poder para FEM
para FEM que se descarga
que se descarga
Cuando una batería se descarga,
existe una GANANCIA en potencia
EI conforme la energía química se
convierte en energía eléctrica. Al
mismo tiempo, la potencia se
PIERDE a través de resistencia
interna I2r.
Cuando una batería se descarga,
existe una GANANCIA en potencia
EI conforme la energía química se
convierte en energía eléctrica. Al
mismo tiempo, la potencia se
PIERDE a través de resistencia
interna I2r.
Ganancia neta de potencia: VBAI = E I- I2
r
Ganancia neta de potencia: VBAI = E I- I2
r
(12 V)(2 A) - (2 A)
(12 V)(2 A) - (2 A)2
2
(1
(1 Ω
Ω) = 24 W - 4 W = 20 W
) = 24 W - 4 W = 20 W
r
+ -
E
I =
I = 2 A
2 A
En descarga
En descarga
12 V, 1
12 V, 1 Ω
Ω
A
A B
B
Recuerde que la potencia eléctrica es o VI o I2
R
Recuerde que la potencia eléctrica es o VI o I2
R
14. Pérdida de potencia
Pérdida de potencia al
al cargar
cargar una batería
una batería
Cuando una batería se carga
(corriente contra salida normal),
la potencia se pierde a través de
cambios químicos EI y a través
de resistencia interna Ir2.
Cuando una batería se carga
(corriente contra salida normal),
la potencia se pierde a través de
cambios químicos EI y a través
de resistencia interna Ir2.
Pérdida neta de potencia = EI + I2
r
Pérdida neta de potencia = EI + I2
r
(12 V)(2 A) + (2 A)
(12 V)(2 A) + (2 A)2
2
(1
(1 Ω
Ω) = 24 W + 4 W =
) = 24 W + 4 W = 24 W
24 W
r
+ -
E
I =
I = 2 A
2 A
En carga
En carga
12 V, 1
12 V, 1 Ω
Ω
A
A B
B
Recuerde que la potencia eléctrica es o VI o I2
R
Recuerde que la potencia eléctrica es o VI o I2
R
15. Ejemplo 4:
Ejemplo 4: Un generador de
Un generador de 24 V
24 V se usa para
se usa para
cargar una batería de
cargar una batería de 12 V
12 V. Para el generador,
. Para el generador,
r
r1
1 = 0.4
= 0.4 Ω
Ω y para la batería
y para la batería r
r2
2 =
= 0.6
0.6 Ω
Ω.
.
La resistencia de carga es
La resistencia de carga es 5
5 Ω
Ω.
.
r
r2
2
+ -
E2
I
I
r
r1
1
+ -
E1
I
I
R
R
24 V
24 V
12 V
12 V
.4
.4 Ω
Ω
.6
.6 Ω
Ω
5
5 Ω
Ω
Primero encuentre la corriente
Primero encuentre la corriente I:
I:
24V 12V
5 0.4 0.6
I
R
Σ −
= =
Σ Ω + Ω + Ω
E
Corriente del circuito: I = 2.00 A
Corriente del circuito: I = 2.00 A
¿Cuál es el voltaje terminal
¿Cuál es el voltaje terminal
V
VG
G a través del generador?
a través del generador?
V
VT
T =
= E
E – Ir =
– Ir = 24 V – (2 A)(0.4
24 V – (2 A)(0.4 Ω
Ω)
) VG = 23.2 V
VG = 23.2 V
16. Ejemplo 4:
Ejemplo 4: Encuentre el voltaje
Encuentre el voltaje
terminal
terminal V
VB
B a través de la batería.
a través de la batería.
r
r2
2
+ -
E2
I
I
r
r1
1
+ -
E1
I
I
R
R
24 V
24 V
12 V
12 V
.4
.4 Ω
Ω
.6
.6 Ω
Ω
5
5 Ω
Ω
Corriente del circuito: I = 2.00 A
Corriente del circuito: I = 2.00 A
V
VB
B =
= E
E +
+ Ir =
Ir = 12 V + (2 A)(0.4
12 V + (2 A)(0.4 Ω
Ω)
)
VB terminal = 13.6 V
VB terminal = 13.6 V
Nota:
Nota: El voltaje terminal a través de
El voltaje terminal a través de
un dispositivo en el que la corriente
un dispositivo en el que la corriente
se invierte es
se invierte es mayor
mayor que su fem.
que su fem.
Para un dispositivo en descarga, el voltaje terminal
Para un dispositivo en descarga, el voltaje terminal
es
es menor
menor que la fem debido a la resistencia interna.
que la fem debido a la resistencia interna.
18. El amperímetro
El amperímetro
Un
Un amperímetro
amperímetro es un instrumento que se usa
es un instrumento que se usa
para medir corrientes. Siempre se conecta en
para medir corrientes. Siempre se conecta en
serie
serie y su resistencia debe ser
y su resistencia debe ser pequeña
pequeña (cambio
(cambio
despreciable en
despreciable en I
I).
).
Un
Un amperímetro
amperímetro es un instrumento que se usa
es un instrumento que se usa
para medir corrientes. Siempre se conecta en
para medir corrientes. Siempre se conecta en
serie
serie y su resistencia debe ser
y su resistencia debe ser pequeña
pequeña (cambio
(cambio
despreciable en
despreciable en I
I).
).
La lectura
La lectura
digital indica
digital indica
corriente en A
corriente en A
A
E
-
+
r
rg
g
El amperímetro
El amperímetro
tiene r
tiene rg
g interna
interna
El amperímetro extrae corriente suficiente
El amperímetro extrae corriente suficiente I
Ig
g para
para
operar el medidor;
operar el medidor; V
Vg
g = I
= Ig
g r
rg
g
19. Galvanómetro: Un amperímetro simple
Galvanómetro: Un amperímetro simple
0
0 10
10
20
20
10
10
20
20
N S
El galvanómetro usa el
El galvanómetro usa el
momento de torsión creado por
momento de torsión creado por
pequeñas corrientes como
pequeñas corrientes como
medio para indicar corriente
medio para indicar corriente
eléctrica.
eléctrica.
Una corriente
Una corriente I
Ig
g hace que la
hace que la
aguja se desvíe a izquierda o
aguja se desvíe a izquierda o
derecha. Su resistencia es
derecha. Su resistencia es
R
Rg
g.
.
La sensibilidad se determina mediante la
La sensibilidad se determina mediante la
corriente requerida para la desviación. (Las
corriente requerida para la desviación. (Las
unidades están en
unidades están en Amps/div.
Amps/div.)
) Ejemplos:
Ejemplos: 5
5
A/div; 4 mA/div.
A/div; 4 mA/div.
20. Ejemplo 5.
Ejemplo 5. Si 0.05 A causan una desviación
Si 0.05 A causan una desviación
de escala completa para el siguiente
de escala completa para el siguiente
galvanómetro, ¿cuál es su sensibilidad?
galvanómetro, ¿cuál es su sensibilidad?
0
0 10
10
20
20
10
10
20
20
N S
Suponga
Suponga R
Rg
g = 0.6
= 0.6 Ω
Ω y que
y que
una corriente hace que el
una corriente hace que el
puntero se mueva a “
puntero se mueva a “10
10.”
.”
¿Cuál es la caída de voltaje
¿Cuál es la caída de voltaje
a través del galvanómetro?
a través del galvanómetro?
( )
2.5mA
10div 25mA
div
I = =
V
Vg
g = (25 mA)(0.6
= (25 mA)(0.6 Ω)
Ω)
Vg = 15 mV
Vg = 15 mV
div
A
m
2.50
div
20
A
0.05
ad
Sensibilid =
=
21. Operación de un amperímetro
Operación de un amperímetro
Con frecuencia el
Con frecuencia el galvanómetro
galvanómetro es el elemento
es el elemento
operativo de amperímetros y voltímetros.
operativo de amperímetros y voltímetros.
Una
Una resistencia en derivación
resistencia en derivación
en paralelo con el galvanómetro
en paralelo con el galvanómetro
permite que la mayor parte de la
permite que la mayor parte de la
corriente
corriente I
I pase al medidor.
pase al medidor.
Todo el dispositivo se debe
Todo el dispositivo se debe
conectar en serie con el circuito
conectar en serie con el circuito
principal.
principal. I = Is + Ig
I = Is + Ig
R
Rg
g
I
I R
Rs
s
I
Is
s
I
Ig
g
La corriente
La corriente I
Ig
g es despreciable y sólo suficiente
es despreciable y sólo suficiente
para operar el galvanómetro.
para operar el galvanómetro. [
[ I
Is
s >> I
>> Ig
g ]
]
22. Regla del nodo en A:
Regla del nodo en A:
I = I
I = Ig
g + I
+ Is
s
Regla de voltaje para
Regla de voltaje para
amperímetro:
amperímetro:
0 = I
0 = Ig
gR
Rg
g – I
– Is
sR
Rs
s; I
; Is
sR
Rs
s = I
= Ig
gR
Rg
g
O
O I
Is
s = I - I
= I - Ig
g (I – I
(I – Ig
g)R
)Rs
s = I
= Ig
gR
Rg
g
g g
s
g
I R
R
I I
=
−
Resistencia en
Resistencia en
derivación
derivación
La corriente
La corriente I
Ig
g causa una
causa una
desviación de escala completa
desviación de escala completa
del amperímetro de resistencia
del amperímetro de resistencia
R
Rg
g.
. ¿Qué
¿Qué R
Rs
s se necesita para
se necesita para
leer la corriente
leer la corriente I
I de la
de la
batería
bateríaV
VB
B?
?
VB
-
+
Ammeter
Ammeter
R
R
I
Ig
g
I = 10 A
R
Rs
s
A
A
R
Rg
g I
Is
s
23. Ejemplo 6.
Ejemplo 6. Un amperímetro
Un amperímetro
tiene una resistencia interna
tiene una resistencia interna
de
de 5
5 Ω
Ω y proporciona
y proporciona
desviación de escala completa
desviación de escala completa
para
para 1 mA
1 mA. Para leer
. Para leer 10 A
10 A a
a
escala completa, ¿qué
escala completa, ¿qué
resistencia en derivación
resistencia en derivación R
Rs
s
se necesita? (vea la figura)
se necesita? (vea la figura)
VB
-
+
r
rg
g
Amperímetro
Amperímetro
R
R
5
5 Ω
Ω
I
Ig
g
1 mA
1 mA
I = 10 A
r
rg
g
A
A
g g
s
g
I R
R
I I
=
−
(0.001A)(5 )
10A (0.001
s
R
Ω
=
− Ω Rs = 5.0005 x 10-4
Ω
Rs = 5.0005 x 10-4
Ω
La derivación extrae
La derivación extrae 99.999%
99.999% de la corriente externa.
de la corriente externa.
24. Operación de un voltímetro
Operación de un voltímetro
El
El voltímetro
voltímetro se debe conectar en
se debe conectar en paralelo
paralelo y
y
tener
tener alta resistencia
alta resistencia de modo que no perturbe
de modo que no perturbe
el circuito principal.
el circuito principal.
Se agrega una
Se agrega una resistencia
resistencia
multiplicadora
multiplicadora R
Rm
m en serie
en serie
con el galvanómetro de
con el galvanómetro de
modo que muy poca
modo que muy poca
corriente se extraiga del
corriente se extraiga del
circuito principal.
circuito principal.
VB = IgRg + IgRm
VB = IgRg + IgRm
R
Rg
g
I
I
V
VB
B
I
Ig
g
La regla del voltaje produce:
La regla del voltaje produce:
R
Rm
m
25. I
Ig
gR
Rm
m = V
= VB
B - I
- Ig
gR
Rg
g
B g g
m
g
V I R
R
I
−
=
Resistencia
Resistencia
multipliadora
multipliadora
La corriente
La corriente I
Ig
g causa la
causa la
desviación de escala completa
desviación de escala completa
del medidor cuya resistencia
del medidor cuya resistencia
es
es R
Rg
g.
. ¿Que
¿Que R
Rm
m se necesita
se necesita
para leer el voltaje
para leer el voltaje V
VB
B de la
de la
batería?
batería?
VB = IgRg + IgRm
VB = IgRg + IgRm
B
m g
g
V
R R
I
= −
Que se simplifica a:
Que se simplifica a:
VB
Voltímetro
Voltímetro
R
R
I
R
Rm
m
R
Rg
g
26. Ejemplo 7.
Ejemplo 7. Un voltímetro
Un voltímetro
tiene una resistencia interna
tiene una resistencia interna
de
de 5
5 Ω
Ω y produce desviación
y produce desviación
de escala completa para
de escala completa para 1
1
mA
mA. Para leer
. Para leer 50 V
50 V escala
escala
completa, ¿qué resistencia
completa, ¿qué resistencia
multiplicadora
multiplicadora R
Rm
m se
se
necesita? (vea la figura)
necesita? (vea la figura)
Rm = 49995 Ω
Rm = 49995 Ω
La alta resistencia extrae corriente despreciable en el medidor.
La alta resistencia extrae corriente despreciable en el medidor.
B
m g
g
V
R R
I
= −
50V
5
0.001A
m
R = − Ω
VB
Voltímetro
Voltímetro
R
R
I
Ig
g
1 mA
1 mA
I
R
Rm
m
5
5 Ω
Ω
R
Rg
g
27. Resumen de fórmulas:
Resumen de fórmulas:
Potencia: VTI = EI - I2
r
Potencia: VTI = EI - I2
r
En carga: VT = E + Ir
En carga: VT = E + Ir
En descarga: VT = E - Ir
En descarga: VT = E - Ir
r
+ -
E
I
I
En carga
En carga
r
+ -
E
I
I
En descarga
En descarga
Potencia: VTI = EI + I2
r
Potencia: VTI = EI + I2
r
28. Resumen (continúa)
Resumen (continúa)
g g
s
g
I R
R
I I
=
−
B
m g
g
V
R R
I
= −
VB
Voltímetro
Voltímetro
R
R
I
R
Rm
m
R
Rg
g
VB
-
+
Amperímetro
Amperímetro
R
R
I
Ig
g
I
R
Rs
s
A
A
R
Rg
g