Sistema eléctrico
Es una serie de elementos o componentes
eléctricos o electrónicos, tales como resistencias,
inductancias, condensadores,
fuentes, y/o
dispositivos electrónicos semiconductores,
conectados eléctricamente entre sí con el
propósito de generar, transportar o modificar señales
electrónicas o eléctricas.

Un circuito eléctrico tiene que tener estas
partes, o ser parte de ellas.
1. Por el tipo de señal: De corriente continua,
de corriente alterna y mixtos.
2. Por el tipo de régimen: Periódico,
Transitorio y Permanente.
3. Por el tipo de componentes: Eléctricos:
Resistivos, inductivos, capacitivos y mixtos.
Electrónicos: digitales, analógicos y
mixtos.
4. Por su configuración: En Serie y
Paralelo.
Características de los Sistemas
Eléctricos
1. Todo circuito eléctrico está
formado por una fuente de energía (tomacorriente),
conductores (cables), y un receptor que transforma la
electricidad en luz (lámparas),en movimiento
(motores), en calor (estufas).
2. Para que se produzca la
transformación, es necesario que circule corriente por
el circuito.
3. Este debe estar compuesto por elementos conductores,
conectados a una fuente de tensión o voltaje y
cerrado.
4. Los dispositivos que permiten abrir o cerrar
circuitos se llaman interruptores o llaves.
Conceptos básicos de un Sistema Eléctrico
-
Conductor eléctrico: Cualquier material que ofrezca poca resistencia al flujo de electricidad se denomina conductor eléctrico. La diferencia entre un conductor y un aislante, que es un mal conductor de electricidad o de calor, es de grado más que de tipo, ya que todas las sustancias conducen electricidad en mayor o en menor medida. Un buen conductor de electricidad, como la plata o el cobre, puede tener una conductividad mil millones de veces superior a la de un buen aislante, como el vidrio o la mica. En los conductores sólidos la corriente eléctrica es transportada por el movimiento de los electrones; y en disoluciones y gases, lo hace por los iones.
Los materiales en
los que los electrones están fuertemente ligados a los
átomos se conocen como aislantes, no conductores o
dieléctricos. Algunos ejemplos son el vidrio, la goma o
la madera
seca.
Un tercer tipo de material es un sólido en el que
un número relativamente pequeño de electrones puede
liberarse de sus átomos de forma que dejan un "hueco" en
el lugar del electrón. El hueco, que representa la
ausencia de un electrón negativo, se comporta como si
fuera una unidad de carga positiva. Un campo
eléctrico hace que tanto los electrones negativos como
los huecos positivos se desplacen a través del material,
con lo que se produce una corriente
eléctrica. Generalmente, un sólido de este
tipo, denominado semiconductor, tiene una resistencia mayor
al paso de corriente que un conductor como el cobre, pero
menor que un aislante como el vidrio. Si la
mayoría de la corriente es transportada por los electrones
negativos, se dice que es un semiconductor de tipo n. Si la
mayoría de la corriente corresponde a los huecos
positivos, se dice que es de tipo p.
En 1 cm ³ de cobre hay aproximadamente 1023
electrones de valencia.

La carga eléctrica es:
Q = n.q
n: número de electrones que circulan.
q: carga eléctrica de un electrón
[C].
-
Intensidad: El flujo de carga que recorre un
cable se denomina intensidad de corriente(i) o corriente
eléctrica, y es la cantidad de coulombs que pasan en
un segundo por una sección determinada del cable. Un
coulomb por segundo equivale a 1 amper, unidad de intensidad
de corriente eléctrica. La corriente es
dinámica.
i = q/t
i: intensidad [A]
t: tiempo
[s]
-
Campo eléctrico: Fuerza aplicada por unidad de carga.

E = F/q
E: campo eléctrico [N/C]
F: fuerza
[N]
La diferencia de potencial genera un campo
eléctrico.
-
Diferencia de potencial: La diferencia de
potencial es constante. Al circular partículas
cargadas entre dos puntos de un conductor se realiza trabajo.
La cantidad de energía necesaria para efectuar ese
trabajo sobre una partícula de carga unidad se conoce
como diferencia de potencial (V). Esta magnitud se mide en
volts. Cuando una carga de 1 coulomb se desplaza a
través de una diferencia de potencial de 1 volt, el
trabajo realizado equivale a 1 joule. Esta definición
facilita la conversión de cantidades mecánicas
en eléctricas.
L = V.q
L: trabajo
[J]
V: diferencia de potencial o tensión
[V]
La Tierra, un
conductor de gran tamaño que puede suponerse
sustancialmente uniforme a efectos eléctricos, suele
emplearse como nivel de referencia cero para la energía
potencial. Así, se dice que el potencial de un cuerpo
cargado positivamente es de tantos volts por encima del potencial
de tierra, y el
potencial de un cuerpo cargado negativamente es de tantos volts
por debajo del potencial de tierra.
Corriente eléctrica
Si dos cuerpos de carga igual y opuesta se conectan por
medio de un conductor metálico, por ejemplo un cable, las
cargas se neutralizan mutuamente. Esta neutralización se
lleva a cabo mediante un flujo de electrones a través del
conductor, desde el cuerpo cargado negativamente al cargado
positivamente (en ingeniería eléctrica, se considera
por convención que la corriente fluye en sentido opuesto,
es decir, de la carga positiva a la negativa). En cualquier
sistema continuo
de conductores, los electrones fluyen desde el punto de menor
potencial hasta el punto de mayor potencial. Un sistema de esa
clase se
denomina circuito eléctrico. La corriente que circula por
un circuito se denomina corriente continua (CC) si fluye siempre
en el mismo sentido y corriente alterna
(CA) si fluye alternativamente en uno u otro sentido. El flujo de
una corriente continua está determinado por tres
magnitudes relacionadas entre sí:
1- La diferencia de potencial en el circuito, que en
ocasiones se denomina fuerza electromotriz (fem) o
voltaje.
2- La intensidad de corriente.
3- La resistencia del circuito.
Elementos de un Sistema eléctrico
Los elementos de un circuito pueden ser activos y
pasivos. Elementos activos: son los que transforman una
energía cualquiera en energía
eléctrica, mediante un proceso que
puede ser reversible o no. Nos referimos a los generadores de
tensión y de corriente.
Elementos pasivos: son cuando almacenan, ceden o disipan
la energía que reciben. Se refiere a las resistencias,
bobinas y condensadores.
Estos elementos también se pueden tomar
como:
- Elementos activos: la tensión y la corriente
tienen igual signo.
- Elementos pasivos: la tensión y la corriente
tienen distinto signo.
1. Generadores de tensión: son parte integrante
indispensable en todo equipo electrónico o sistema de
medición. Como parte de un instrumento, es
de estas fuentes que
los diferentes circuitos
electrónicos obtienen la energía para operar, por
lo que, internamente, todo equipo está provisto de una de
ellas más o menos compleja, dependiendo de los requisitos
impuestos por
el circuito que debe alimentar.
Estos generadores, mantienen las características
de la tensión entre sus bornes, independientemente de los
elementos que componen el resto del circuito. Cuando esto no
ocurre así se dice que se comporta como un generador real
de tensión.
2. Generadores de corriente: es una corriente constante
por el circuito externo con independencia
de la resistencia de la carga que pueda estar conectada entre
ellos. Estos mantienen las características de la corriente
entre sus bornes, independientemente de los elementos que
componen el resto del circuito. Cuando esto no ocurre así
se dice que se comporta como un generador real de
corriente.
3. Fuente eléctrica: Es un circuito o dispositivo
eléctrico activo que provee una diferencia de potencial o
una corriente de manera confiable para que otros circuitos puedan
funcionar. A continuación se indica una posible
clasificación de las fuentes eléctricas:

Fuentes reales: A diferencia de las fuentes ideales, la
diferencia de potencial que producen o la corriente que
proporcionan fuentes reales, depende de la carga a la que
estén conectadas.
3.2 Fuente de tensión ideal: Es aquella que
genera tensión entre sus terminales constante e
independiente de la carga que alimente. Si la resistencia de
carga es infinita se dirá que la fuente está en
circuito abierto, y si fuese cero se estaría en un caso
absurdo, ya que según su definición una fuente de
tensión ideal no puede estar en cortocircuito.
3.3 Fuente de intensidad ideal: Aquella que proporciona
una intensidad constante e independiente de la carga que
alimente. Si la resistencia de carga es cero se dirá que
la fuente está en cortocircuito, y si fuese infinita
estaríamos en un caso absurdo, ya que según su
definición una fuente de intensidad ideal no puede estar
en circuito abierto.

Fuentes ideales: Las fuentes ideales son elementos
utilizados en la teoría
de circuitos para el análisis y la creación de modelos que
permitan analizar el comportamiento
de componentes electrónicos o circuitos reales. Pueden ser
independientes, si sus magnitudes son siempre constantes, o
dependientes en el caso de que dependan de otra
magnitud.
4.1 Fuente independiente: Es un generador de voltaje o
corriente que no depende de otras variables del
circuito.
4.2 Fuente dependiente: Es un generador de voltaje o
corriente cuyos valores
dependen de otra variable del circuito.
Elementos pasivos:
1. Resistores: Es un elemento pasivo. Se denomina
resistor a la oposición que encuentra la corriente
eléctrica para recorrerla. Su valor se mide
en ohmios y se designa con la letra griega omega mayúscula
(O). La materia
presenta 4 estados en relación al flujo de electrones.
Éstos son conductores, semiconductores,
resistores y dieléctricos. Todos ellos se definen por el
grado de oposición a la corriente eléctrica. Y
disipa la energía en forma irreversible.
2. Capacitores o
condensadores: Es un dispositivo formado por dos conductores o
armaduras, generalmente en forma de placas o láminas
separados por un material dieléctrico, que, sometidos a
una diferencia de potencial adquieren una determinada carga
eléctrica.
A esta propiedad de
almacenamiento de
carga se le denomina capacidad o capacitancia. En el Sistema
internacional de unidades se mide en Faradios (F), siendo 1
faradio la capacidad de un condensador en el que, sometidas sus
armaduras a una diferencia de potencial de 1 voltio, éstas
adquieren una carga eléctrica de 1 culombio.
3. Inductor o bobina: Es un componente pasivo que,
debido al fenómeno de la autoinducción, almacena
energía en forma de campo
magnético. Un inductor está constituido
usualmente por una bobina de material conductor,
típicamente cable de cobre. Existen inductores con
núcleo de aire o con
núcleo de un material ferroso, para incrementar su
inductancia. La inductancia es la capacidad de un dispositivo
para almacenar energía en forma de un campo
magnético.
Los capacitores e inductores suelen estar dentro de
estas dos categorías ya que adsorben energía cuando
se carga y asi mismo suministran energía cuando se
descargan.
Símbolos de algunos elementos
de un circuito eléctrico
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Es un conjunto de cables generalmente recubierto de un material aislante o protector. | ||
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Es una medida de la oposición que un material presenta a ser atravesado por un flujo de energía calórica o térmica | ||
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Es un elemento que causa oposición al paso de la corriente, causando que en sus terminales aparezca una diferencia de tensión (un voltaje). | ||
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Es un dispositivo eléctrico que produce luz mediante el calentamiento de un filamento metálico. | ||
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Es un dispositivo para cambiar el curso de un circuito. | ||
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Es un componente electrónico cuya resistencia disminuye con el aumento de intensidad de luz incidente. | ||
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Es un instrumento que sirve para medir la potencia de amperios eléctricos que está circulando por un Circuito eléctrico. | ||
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Es un dispositivo que convierte energía química en energía eléctrica por un proceso químico transitorio. La pila contiene un polo positivo o ánodo y el otro es el polo negativo o cátodo. | ||
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Es un instrumento que sirve para medir la diferencia de potencial entre dos puntos de un circuito eléctrico cerrado pero a la vez abiertos en los polos. | ||
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Es un dispositivo que tiene un contacto móvil que se mueve a lo largo de la superficie de una resistencia de valor total constante. | ||
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Es un dispositivo semiconductor que permite el paso de la corriente eléctrica en una única dirección con características similares a un interruptor. | ||
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Almacena energía eléctrica, usando procedimientos electroquímicos y que posteriormente la devuelve casi en su totalidad. | ||
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Es un dispositivo que almacena energía eléctrica, es un componente pasivo. | ||
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Es la relación entre el flujo magnético y la intensidad de corriente eléctrica. | ||
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Regulador de
Tensión
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Esta diseñado con el objetivo de proteger aparatos eléctricos y electrónicos delicados de variaciones de diferencia de potencial (tensión/voltaje), descargas eléctricas y "ruido" existente en la corriente alterna de la distribución eléctrica. | ||
Componentes de un sistema eléctrico
El sistema eléctrico consta básicamente de
los siguientes componentes:
1. Batería: La batería o acumulador, como
su propio nombre indica, transforma y almacena la energía
eléctrica en forma química. Esta energía
almacenada se utiliza para arrancar el motor, y como
fuente de reserva limitada para uso en caso de fallo del
alternador o generador. Por muy potente que sea una
batería, su capacidad es notoriamente insuficiente para
satisfacer la demanda de
energía de los sistemas e
instrumentos del avión, los cuales la descargarían
rápidamente. Para paliar esta insuficiencia, los aviones
están equipados con generadores o alternadores.

Componentes y secuencia para
construir una batería
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2. Generador/Alternador: Movidos por el giro del motor,
proporcionan corriente eléctrica al sistema y mantienen la
carga de la batería. Hay diferencias básicas entre
generadores y alternadores. Con el motor a bajo régimen,
muchos generadores no producen la suficiente energía para
mantener el sistema eléctrico; por esta razón, con
el motor poco revolucionado el sistema se nutre de la
batería, que en poco tiempo puede quedar descargada. Un
alternador en cambio,
produce suficiente corriente y muy constante a distintos
regímenes de revoluciones. Otras ventajas de los
alternadores: son más ligeros de peso, menos caros de
mantener y menos propensos a sufrir sobrecargas. El sistema
eléctrico del avión se nutre pues de dos fuentes de
energía: la batería y el generador/alternador. La
batería se utiliza en exclusiva (salvo emergencias) para
el arranque del motor; una vez puesto en marcha, es el alternador
el que pasa a alimentar el sistema eléctrico. El voltaje
de salida del generador/alternador es ligeramente superior al de
la batería. Por ejemplo, una batería de 12 volts.
suele estar alimentada por un generador/alternador de 14 volts. o
una batería de 24 volts. se alimenta con un
generador/alternador de 28 volts. Esta diferencia de voltaje
mantiene la batería cargada, encargándose un
regulador de controlar y estabilizar la salida del
generador/alternador hacia la batería.
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Despiece de un
alternador.
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Regulador de tensión que
forma conjunto con las escobillas
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Esquema eléctrico de un alternador con su
regulador electrónico mas el circuito de carga que lo
rodea formado por la batería, la lámpara de
control, el
interruptor de la llave y los circuitos de los elementos
receptores (luces, encendido, elevalunas etc.).
3. Amperímetro: Es el instrumento utilizado para
monitorizar el rendimiento del sistema eléctrico. En
algunos aviones el amperímetro es analógico, en
otros es digital, otros no poseen amperímetro sino que en
su lugar tienen un avisador luminoso que indica un funcionamiento
anómalo del alternador o generador, y en otros este
avisador complementa al amperímetro.
El amperímetro muestra si el
alternador/generador está proporcionando una cantidad de
energía adecuada al sistema eléctrico, midiendo
amperios. Este instrumento también indica si la
batería está recibiendo suficiente carga
eléctrica.
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Cables Rojo y
Negro
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Un valor positivo en el amperímetro indica que el
generador/alternador esta aportando carga eléctrica al
sistema y a la batería. Un valor negativo indica que el
alternador/generador no aporta nada y el sistema se está
nutriendo de la batería. Si el indicador fluctua
rápidamente indica un mal funcionamiento del
alternador.
4. Interruptor principal o "master": Con este
interruptor, el piloto enciende (on) o apaga (off) el sistema
eléctrico del avión, a excepción del
encendido del motor (magnetos) que es independiente. Si el
interruptor es simple, un mecanismo eléctrico activado por
la carga/descarga del alternador, cambia de forma
automática el origen de la alimentación del
sistema eléctrico, de la batería al alternador o
viceversa.
En la mayoría de los aviones ligeros este
interruptor es doble: el interruptor izquierdo, marcado con las
iniciales BAT corresponde a la batería y opera de forma
similar al "master"; al encenderlo el sistema eléctrico
comienza a nutrirse de la batería. El interruptor derecho,
marcado con ALT corresponde al alternador/generador; al
encenderlo, el sistema eléctrico pasa a alimentarse de la
energía generada por este dispositivo, cargandose la
batería con el excedente generado. Este desdoblamiento del
interruptor posibilita que el piloto excluya del sistema
eléctrico al alternador/generador en caso de mal
funcionamiento de este.

Este interruptor tiene un mecanismo interno de bloqueo
de manera que normalmente, el interruptor ALT solo puede
activarse con el interruptor BAT también
activado.

Materiales: De la calidad de los
materiales
empleados para hacer los contactos dependerá la vida
útil del interruptor. Para la mayoría de los
interruptores domésticos se emplea una aleación de
latón (60% cobre, 40% zinc). Esta aleación es muy
resistente a la corrosión y es un conductor
eléctrico apropiado. El aluminio es
también buen conductor y es muy resistente a la
corrosión.
En los casos donde se requiera una pérdida
mínima se utiliza cobre puro por su excelente
conductividad eléctrica. El cobre bajo condiciones de
condensación puede formar óxido de cobre en la
superficie interrumpiendo el contacto.
Para interruptores donde se requiera la máxima
confiabilidad se utilizan contactos de cobre pero se aplica un
baño con un metal más resistente al óxido
como lo son el estaño,
aleaciones de
estaño/plomo, níquel, oro o plata.
La plata es de hecho mejor conductor que el cobre y además
el óxido de plata conduce electricidad. El
oro aunque no conduce mejor que la plata también es usado
por su inmejorable resistencia al óxido.
5. Fusibles y circuit breakers: Los equipos
eléctricos están protegidos de sobrecargas
eléctricas por medio de fusibles o breakers. Los breakers
hacen la misma función
que los fusibles, con la ventaja que pueden ser restaurados
manualmente en lugar de tener que ser reemplazados. Los breakers
tienen forma de botón, que salta hacia afuera cuando se ve
sometido a una sobrecarga; el piloto solo tiene que pulsar sobre
el breaker ("botón") para volver a restaurarlo.
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Fusible
|
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Circuit
breakers
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Diagrama de un Circuit
breakers
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Partes de un
Fusible
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6. Otros elementos: Además de los elementos
anteriores, el sistema eléctrico consta de otros
componentes como: motor de arranque, reguladores, inversores de
polaridad, contactores, transformadores/rectificadores, etc... Para
facilitar la conexión de los equipos al sistema
eléctrico, los aviones disponen de una barra de corriente
("electrical bus") que distribuye la
corriente a todos ellos, simplificando sobremanera el cableado.
Puesto que los generadores producen corriente continua y los
alternadores corriente alterna, el sistema está provisto
de los correspondientes conversores, de corriente contínua
a alterna y viceversa.
Partes del Motor de
Arranque
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Partes del
Contactor
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7. Fallos eléctricos: La pérdida de
corriente de salida del alternador se detecta porque el
amperímetro dá una lectura cero o
negativa, y en los aviones que dispongan de ella, porque se
enciende la luz de aviso correspondiente. Antes de nada debemos
asegurarnos de que la lectura es
cero y no anormalmente baja, encendiendo un dispositivo
eléctrico, por ejemplo la luz de aterrizaje. Si no se nota
un incremento en la lectura del amperímetro, podemos
asumir que existe un fallo en al alternador. Si el problema
subsiste, chequear el breaker del alternador y restaurarlo si
fuera necesario. El siguiente paso consiste en apagar el
alternador durante un segundo y volverlo a encender (switch ALT). Si
el problema era producido por sobrevoltaje, este procedimiento
debe retornar el amperímetro a una lectura normal.Por
último, si nada de lo anterior soluciona el fallo, apagar
el alternador. Cuando se apaga el alternador, el sistema
eléctrico se nutre de la batería, por lo que todo
el equipamiento eléctrico no esencial debería ser
cortado para conservar el máximo tiempo posible la
energía de la batería.
En caso de fallo eléctrico en cualquier equipo,
chequear el breaker correspondiente y restaurarlo. Si el fallo
persiste no queda más remedio que apagar ese equipo. Es
importante desconectar el interruptor principal después de
apagar el motor, ya que si se deja activado puede descargar la
batería.
Clases de Sistemas Eléctricos
1. Circuito conectado en serie: Los aparatos de un
circuito eléctrico están conectados en serie cuando
dichos aparatos se colocan unos a continuación de otros de
forma que los electrones que pasan por el primer aparato del
circuito pasan también posteriormente por todos los
demás aparatos.
La intensidad de la corriente es la misma en todos los
puntos del circuito.
La diferencia diferencial de potencial entre los puntos
1 y 2 del circuito es tanto menor cuanto mayor es la resistencia
R1 que hay entre estos dos puntos. Igual ocurre los puntos 2 y 3
y 3 y 4. ( R, es la resistencia entre los puntos 1y 2,
etc.)
Por otra parte, la diferencia de potencia entre los
puntos A y B dependen de la suma total de las resistencias que
hay en el circuito, es decir, R1 + R2 +R3.
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2. Circuito conectado en paralelo: Los aparatos de un
circuito están conectados en paralelo cuando dichos
aparatos se colocan en distintas trayectorias de forma que, si un
electrón pasa por uno de los aparatos, no pasa por ninguno
de los otros. La intensidad de la corriente en cada trayectoria
depende de la resistencia del aparato conectado en ella. Por eso,
cuanto más resistencia tenga un aparato, menos electrones
pasarán por él y, por tanto, la intensidad de la
corriente en esa trayectoria será menor.
La diferencia de potencial entre dos puntos situados
antes y después de cada resistencia es exactamente igual
para cualquiera de las trayectorias, es decir, la diferencia de
potencial entre los puntos 1 y 2 es la misma que hay entre los
puntos 3 y 4, que a su vez es igual a la que hay entre los
puntos 5 y 6.
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Leyes de los Sistemas Eléctricos
Ley de Ohm.
La corriente fluye por un circuito eléctrico
siguiendo varias leyes definidas.
La ley básica
del flujo de la corriente es la ley de Ohm, así llamada en
honor a su descubridor, el físico alemán Georg Ohm.
Según la ley de Ohm, la
cantidad de corriente que fluye por un circuito formado por
resistencias puras es directamente proporcional a la fuerza
electromotriz aplicada al circuito, e inversamente proporcional a
la resistencia total del circuito. Esta ley suele expresarse
mediante la fórmula I = V/R, siendo I la intensidad de
corriente en amperios, V la fuerza electromotriz en voltios y R
la resistencia en ohmios. La ley de Ohm se aplica a todos los
circuitos
eléctricos, tanto a los de corriente continua (CC)
como a los de corriente alterna (CA), aunque para el
análisis de circuitos complejos y circuitos de CA deben
emplearse principios
adicionales que incluyen inductancias y capacitancias.
V = I x R
Donde:
V: diferencia de potencial o voltaje aplicado a la
resistencia, Voltios
I: corriente que atraviesa la resistencia,
Amperios
R: resistencia, Ohmios
Leyes de Kirchhoff.
Si un circuito tiene un número de derivaciones
interconectadas, es necesario aplicar otras dos leyes para
obtener el flujo de corriente que recorre las distintas
derivaciones. Estas leyes, descubiertas por el físico
alemán Gustav Robert Kirchhoff, son conocidas como las
leyes de Kirchhoff. La primera, la ley de los nudos, enuncia que
en cualquier unión en un circuito a través del cual
fluye una corriente constante, la suma de las intensidades que
llegan a un nudo es igual a la suma de las intensidades que salen
del mismo. La segunda ley, la ley de las mallas afirma que,
comenzando por cualquier punto de una red y siguiendo
cualquier trayecto cerrado de vuelta al punto inicial, la suma
neta de las fuerzas electromotrices halladas será igual a
la suma neta de los productos de
las resistencias halladas y de las intensidades que fluyen a
través de ellas. Esta segunda ley es sencillamente una
ampliación de la ley de Ohm.
a). Reglas de los nodos: En todo nodo se
cumple:

b). Regla de las mallas: En toda malla se cumple:

c). Regla de signos:
1. Al pasar a través de una pila del terminal positivo al negativo se considera positivo la f.e.m.
2. Al pasar a través de una pila del terminal negativo al positivo se considera negativa la f.e.m .
3. Al pasar a través de un resistor de mayor a menor potencial se considerará la existencia de una caída.
4. Al pasar a través de un resistor de menor a mayor potencial se considerará la existencia de una ganancia.
Ejemplos
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1. Ejemplo de Sistema eléctrico
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2. Ejemplo de Sistema eléctrico
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-
3. Ejemplo de Sistema eléctrico
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