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5 Electricidad Electricidad Conoce Conoce Fíjate Si en un circuito mixto se dan datos de las magnitudes eléctricas de algunos de los componentes, es muy probable que la resolución del circuito no precise seguir los siguientes pasos planteados. En este tipo de circuitos, es importante saber aplicar las características de los circuitos serie y paralelo en las partes del circuito conectadas en serie o en paralelo, respectivamente. Fig. 47. Agrupaciones mixtas de resistencias. 9V 9V I t V=9V t Fig. 48. Circuito mixto. 20 k 60 k 20 k 60 k Fig. 49. Circuitos intermedios para la obtención del circuito equivalente final. I t V Rt 30 k R 24 = 15 k R 234 = 10 k R=90 t k 4.3. Circuito mixto Un circuito mixto es aquel cuyos componentes se conectan unos en serie y otros en paralelo. Características de un circuito mixto La resistencia equivalente es igual a la suma de todas las resistencias para los tramos en serie y a la R (mezcla entre serie y paralelo) inversa de la suma de las inversas de las resistencias t para los tramos en paralelo. La intensidad de corriente de todos los elementos I = I = ... = I que están en serie en una misma rama es la misma. s1 s2 sn La tensión de los elementos que están en paralelo V = V = ... = V es la misma. p1 p2 pn La potencia generada es igual a la potencia con- P = P + P + ... + P sumida. g 1 2 n • Asociación de resistencias La resistencia total (R t ) del circuito equivalente es igual a la resistencia equivalente que va resultando de resolver las resistencias totales de los tramos en serie y en paralelo hasta obtener una única resistencia. • Resolución de un circuito mixto Resolver un circuito mixto consiste en calcular la tensión, la intensidad de corriente y la potencia de todos los componentes del circuito. EJERCICIO RESUELTO 5 Calcula la tensión, la intensidad de corriente y la potencia de todos los componentes del siguiente circuito en paralelo: a. Representación de la tensión de los generadores: b. Representación de la intensidad de corriente de todos los componentes: c. Representación de la tensión de los receptores: d. Indicación de los nodos: e. Esquema eléctrico del circuito equiva- I1 nodo A lente: V =9V g I g I 5 20 k V 1 60 k V 5 I 3 V 3 V 2 30 k 10 k nodo B V =9V g I g 5k 20 k 5k 9V 30 k 10 k 60 k I 5 I 4 V 4 I 1 20 k 5k V 1 60 k V 5 I 3 V 3 V 2 30 k 10 k I 4 I t V=9V t V 4 I t V Rt R=90 t k f. Cálculo de la tensión total (V t ) y la resistencia total (R t ) del circuito equivalente: V t = V g = 9 V R 24 = R 2 + R 4 = 5·10 3 Ω + 10·10 3 Ω = 15·10 3 Ω R 234 = 1 / (1/R 3 + 1/R 24 ) = 1 / (1/30·10 3 Ω + 1/15·10 3 Ω) = 10·10 3 Ω R t = R 1 + R 234 + R 5 = 20·10 3 Ω + 10·10 3 Ω + 60·10 3 Ω = 90·10 3 Ω = 90 K g. Cálculo de la intensidad total del circuito equivalente (I t ) aplicando la ley de Ohm en la resistencia total del circuito equivalente: I t = V Rt / R t = V t / R t = 9 V / 90·10 3 Ω = 1·10 –4 A = 0,1 mA h. La intensidad de corriente que circula por el circuito equivalente es la misma que la que atraviesa el generador del circuito original y todos los elementos en serie con él, como las resistencias R 1 y R 5 : I g = I 1 = I 5 = I t = 1·10 –4 A = 0,1 mA i. Cálculo de la tensión de las resistencias R 1 y R 5 aplicando la ley de Ohm: V 1 = R 1 × I 1 = 20·10 3 Ω × 0,1·10 –3 A = 2 V V 5 = R 5 × I 5 = 60·10 3 Ω × 0,1·10 –3 A = 6 V j. La tensión que soporta la resistencia R 3 es la misma tensión que hay entre los nodos A y B del circuito inicial y, por tanto, entre los bornes de la resistencia equivalente intermedia R 234 . Esta tensión se puede calcular conociendo la intensidad de corriente que pasa por dicho circuito, que es la misma que la que circula por el circuito equivalente final I t : I t = I 234 = 1·10 –4 A = 0,1 mA V 3 = V 234 = V AB = R 234 × I 234 = 10·10 3 Ω × 0,1·10 –3 A = 1 V k. Para calcular las intensidades de corriente restantes utilizamos el primer circuito intermedio. Conociendo la tensión entre los nodos A y B se puede calcular la intensidad de corriente que pasa por la resistencia R 3 y por la R 24 aplicando la ley de Ohm. La intensidad de corriente que pasa por la resistencia R 24 es la misma intensidad de corriente que pasa por R 2 y R 4 por estar en serie: V AB = V 3 = V 24 = 1 V I 3 = V 3 / R 3 = 1 V / 30·10 3 Ω = 3,33·10 –5 A I 24 = V 24 / R 24 = 1 V / 15·10 3 Ω = 6,66·10 –5 A = I 2 = I 4 l. Cálculo de la tensión en las resistencias R 2 y R 4 aplicando la ley de Ohm: V 2 = R 2 × I 2 = 5·10 3 Ω × 6,66·10 –5 A = 0,5·10 4 Ω × 0,66·10 –4 A = 0,33 V V 4 = R 4 × I 4 = 10·10 3 Ω × 6,66·10 –5 A = 0,1·10 5 Ω × 6,66·10 –5 A = 0,66 V EJERCICIOS 30. Calcula la resistencia equivalente de las agrupaciones de resistencias que aparecen en la figura 47. 31. Calcula el circuito equivalente de los circuitos mixtos de la figura 48. 32. Resuelve el circuito mixto de la figura 50 considerando los valores de los instrumentos de medida utilizados. ¿Qué voltaje tiene la pila? 118 Tecnologías II - Editorial Donostiarra Tecnologías II - Editorial Donostiarra V g 5 Fig. 50. Circuito mixto con aparatos de medida. Fig. 51. Circuito equivalente intermedio (2). Fig. 52. Circuito equivalente intermedio (1). Comprobación en las potencias: R = 10 kW 234 P g = P 1 + P 2 + P 3 + P 4 + P 5 P g = V g × I g = 9 V × 10 –4 A = 9·10 –4 W P 1 = V 1 × I 1 = 2 V × 10 –4 A = 2·10 –4 W P 2 = V 2 × I 2 = 0,33 V × 6,6·10 –5 A = 2,2·10 –5 W P 3 = V 3 × I 3 = 1 V × 3,33·10 –5 A = 3,33·10 –5 W P 4 = V 4 × I 4 = 0,66 V × 6,6·10 –5 A = 4,4·10 –5 W P 5 = V 5 × I 5 = 6 V × 10 –4 A = 6·10 –4 W R = 15 kW 24 119
5 Electricidad Electricidad Conoce Conoce 5. Montajes eléctricos sencillos: inversor de giro Fíjate Los mismos circuitos se pueden hacer con relés y controlar su funcionamiento con finales de carrera con el fin de que el motor se pare cuando llegue a un tope. Este mecanismo nos serviría, por ejemplo, para controlar un toldo que se extiende o se recoge al accionar un interruptor. 6. Efectos de la corriente eléctrica: electromagnetismo corriente Fig. 53. La corriente eléctrica crea un campo magnético. S N conductor campo magnético batería El flujo aumenta Fig. 54. La variación del flujo magnético genera una corriente eléctrica. Fig. 55. Símbolo eléctrico del transformador. El flujo disminuye Fíjate En los transformadores de tensión, la relación entre el número de vueltas de la espira o la tensión del devanado primario y el secundario se denomina relación de transformación. R t (adimensional) = N 1 / N 2 = V 1 / V 2 donde: R t : relación de transformación N: número de espiras (adimensional) V: tensión (en voltios) 1: primario 2: secundario Para conseguir la inversión de giro de un motor de corriente continua se puede optar por usar un conmutador, un conmutador doble o un conmutador de cruce: Conmutador. Conmutador doble. Conmutador de cruce. Observa que las resistencias que se han colocado en serie con el motor en algunos de los circuitos producen una menor intensidad de corriente y, por tanto, un giro más controlado del motor. El electromagnetismo es la rama de la física que estudia los fenómenos eléctricos y magnéticos unificados. Entre los efectos electromagnéticos podemos destacar dos: • Una corriente eléctrica crea un campo magnético a su alrededor. Si la corriente eléctrica circula por un conductor enrollado a una barra de hierro, se crea un imán temporal o electroimán. • La variación del flujo de un campo magnético en una espira cerrada genera una corriente eléctrica. Este movimiento de electrones recibe el nombre de corriente inducida. Entre los elementos electromagnéticos más utilizados tenemos: • Relé. Es un conmutador electromagnético. Consta de una bobina que, al ser alimentada, crea un campo magnético que atrae una pletina metálica, con lo cual cambia la conexión del circuito de potencia. • Transformador. Es un componente electromagnético capaz de cambiar el valor de la tensión o la intensidad de corriente en corriente alterna. Pueden ser elevadores o reductores de tensión, según si la tensión del devanado secundario es superior o inferior a la tensión del devanado primario, respectivamente. (electroimán) conexiones del primario devanado primario núcleo ferromagnético Fig. 56. Estructura de un relé. Fig. 57. Estructura de un transformador. conexiones del secundario devanado secundario 7. Máquinas eléctricas básicas: dinamo y motor de corriente continua La dinamo es un generador eléctrico de corriente continua que obtiene energía eléctrica a partir de energía mecánica de rotación. Por ejemplo, antes se utilizaban mucho en las bicicletas, para alimentar una pequeña bombilla que permitía alumbrar el camino según se pedaleaba. El motor de corriente continua es una máquina eléctrica que obtiene energía mecánica de rotación a partir de energía eléctrica. Ambas máquinas tienen la estructura que se muestra a continuación. Según dónde se accione (en los bornes de la parte eléctrica o en el eje de la parte mecánica), la máquina eléctrica funciona como motor o como generador, respectivamente. Fig. 58. Estructura de una máquina de corriente continua. 8. Generación de corriente eléctrica: el alternador Las máquinas eléctricas de corriente alterna son más complejas. Existen motores y generadores de corriente alterna. El generador de corriente alterna recibe el nombre de alternador. En las centrales eléctricas donde se genera electricidad de corriente alterna, los alternadores tienen un papel vital. A partir del movimiento de los álabes de las turbinas se transmite dicho movimiento a los ejes del alternador para generar la corriente. EJERCICIOS 33. Copia en tu cuaderno el siguiente dibujo e identifica las partes de una máquina eléctrica de corriente continua. 34. ¿Qué elemento electromagnético se usa para modificar los valores de la tensión o la intensidad de corriente? ¿Qué tipo de corriente eléctrica usa dicho elemento? 35. Calcula el número de espiras del devanado primario de un transformador sabiendo que en el devanado secundario hay 500 espiras y que la tensión de éste es de 250 V cuando en el primario es de 50 V. Indica, además, cuál es la relación de transformación. 120 Tecnologías II - Editorial Donostiarra Tecnologías II - Editorial Donostiarra carcasa eje rotor escobillas 5 Fig. 59. Máquina eléctrica de corriente continua desmontada. Para saber más Los alternadores son máquinas eléctricas trifásicas, es decir, crean corriente alterna en tres fases desfasadas entre sí 120°. Fíjate La energía eléctrica se produce en tres fases, se transporta en tres fases y se consume monofásica (consumidores) o trifásica y monofásica (industrias). Fig. 60. Alternador. imanes colector Para saber más Las máquinas eléctricas de corriente alterna se pueden clasificar en máquinas asíncronas y máquinas síncronas. Entre las asíncronas predomina el uso de motores, por ser más robustos, mientras que en las síncronas el uso fundamental se destina a los generadores. 121
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