Chapter Vii. Fisica III. Circuitos de Corriente Continua-1

2013

CAPITULO VII Circuitos de Corriente Continua

OPTACIANO VÁSQUEZ GARCÍA

CAPITULO VII

I.

Circuitos de Corriente Continua

2013

INTRODUCCIÓN Llamase circuito eléctrico a la conexión de fuentes generadoras de potencia eléctrica con elementos tales como: resistencias, motores, calentadores, lámparas, condensadores, bobinas, etc. La conexión entre la fuente y la carga es hecha mediante soldaduras de alambres con las correspondientes cargas o con dispositivos diseñados previamente llamados terminales. La energía liberada por la fuente es aprovechada por los consumidores de carga. En algunos casos, muchos elementos de circuitos son conectados a la misma carga, la cual es llamada carga común para aquellos elementos. Varias partes del circuito son llamadas elementos del circuito, los cuales pueden estar instalados en serie o en paralelo análogamente análogamente como hemos visto en el capítulo sobre capacitores. capacitores. Decimos que un elemento se encuentra conectado en paralelo cuando aquellos son conectados a la misma diferencia de potencial como se muestra en la figura 7.1a. Por otro lado, cuando los elementos son conectados uno después de otros, tal que la corriente que pasa a través de cada uno de elementos es la misma, se dice que los elementos se encuentran en serie, como se muestra en la figura 7.1b

Figura 7.1.

El ementos ementos de un cir cuito conectados: conectados: ( a) en paral elo y (b) en en ser ser ie

Debe indicarse que con la finalidad de simplificar los esquemas de los elementos, en circuitos existen símbolos de representación de dichos elementos como los mostrados en la figura 7.2

Figura 7.2.

Representación Representación de elementos elementos de un cir cuit o

En general los circuitos presentan interruptores, los mismos que cuando se encuentran abiertos no permiten el flujo de corriente, mientras que cuando se encuentran cerrados fluye corriente a través del circuito al cual conectan. Por lo tanto podemos tener circuitos cerrados, a través de los cuales hay flujo de corriente, o circuitos abiertos a través de los cuales no fluye corriente. A veces en forma accidental se une dos cables, ocasionando un cortocircuito. Esta situación a veces no es deseable por la liberación de energía durante su ocurrencia llegando a veces a producir incendios en los circuitos correspondientes. Con la finalidad de evitar esto se usan los fusibles, dispositivos que cuando se eleva la temperatura automáticamente se interrumpe el flujo eléctrico. En circuitos eléctricos, algún punto del circuito es c onectado a tierra. Este punto es asignado arbitrariamente con un voltaje nulo o cero, y el voltaje de cualquier otro punto del circuito es definido con respecto a este punto es decir como la diferencia entre el potencial del punto del circuito menos el potencial de tierra.

II.

CALCULO DE LA CORRIENTE EN UN CIRCUITO Consideremos un circuito eléctrico como el mostrado en la figura7.3. En un tiempo dt aparece aparece en R una cantidad de energía en forma de calor dada por

dW R  V .dq  IRdq dW R  IR( Idt )  I 2 Rdt 301

(7.1)

CAPITULO VII

I.


2013

INTRODUCCIÓN Llamase circuito eléctrico a la conexión de fuentes generadoras de potencia eléctrica con elementos tales como: resistencias, motores, calentadores, lámparas, condensadores, bobinas, etc. La conexión entre la fuente y la carga es hecha mediante soldaduras de alambres con las correspondientes cargas o con dispositivos diseñados previamente llamados terminales. La energía liberada por la fuente es aprovechada por los consumidores de carga. En algunos casos, muchos elementos de circuitos son conectados a la misma carga, la cual es llamada carga común para aquellos elementos. Varias partes del circuito son llamadas elementos del circuito, los cuales pueden estar instalados en serie o en paralelo análogamente análogamente como hemos visto en el capítulo sobre capacitores. capacitores. Decimos que un elemento se encuentra conectado en paralelo cuando aquellos son conectados a la misma diferencia de potencial como se muestra en la figura 7.1a. Por otro lado, cuando los elementos son conectados uno después de otros, tal que la corriente que pasa a través de cada uno de elementos es la misma, se dice que los elementos se encuentran en serie, como se muestra en la figura 7.1b

Figura 7.1.

El ementos ementos de un cir cuito conectados: conectados: ( a) en paral elo y (b) en en ser ser ie

Debe indicarse que con la finalidad de simplificar los esquemas de los elementos, en circuitos existen símbolos de representación de dichos elementos como los mostrados en la figura 7.2

Figura 7.2.

Representación Representación de elementos elementos de un cir cuit o

En general los circuitos presentan interruptores, los mismos que cuando se encuentran abiertos no permiten el flujo de corriente, mientras que cuando se encuentran cerrados fluye corriente a través del circuito al cual conectan. Por lo tanto podemos tener circuitos cerrados, a través de los cuales hay flujo de corriente, o circuitos abiertos a través de los cuales no fluye corriente. A veces en forma accidental se une dos cables, ocasionando un cortocircuito. Esta situación a veces no es deseable por la liberación de energía durante su ocurrencia llegando a veces a producir incendios en los circuitos correspondientes. Con la finalidad de evitar esto se usan los fusibles, dispositivos que cuando se eleva la temperatura automáticamente se interrumpe el flujo eléctrico. En circuitos eléctricos, algún punto del circuito es c onectado a tierra. Este punto es asignado arbitrariamente con un voltaje nulo o cero, y el voltaje de cualquier otro punto del circuito es definido con respecto a este punto es decir como la diferencia entre el potencial del punto del circuito menos el potencial de tierra.

II.

CALCULO DE LA CORRIENTE EN UN CIRCUITO Consideremos un circuito eléctrico como el mostrado en la figura7.3. En un tiempo dt aparece aparece en R una cantidad de energía en forma de calor dada por

dW R  V .dq  IRdq dW R  IR( Idt )  I 2 Rdt 301

(7.1)

CAPITULO VII

Figura 7.3.


2013

Represent Representación ación de un cir cui to sim ple par a determi nar la cor r iente ient e que f lu ye a tr avé s de é l

Durante este mismo tiempo la fuente hace hace un trabajo para mover una carga (dq ( dq = Idt ) dado por

dW   dq   ( Idt )   Idt

(7.2)

Según la ley de conservación de la energía se tiene

dW  dW R   Idt  I 2 Rdt I 



R

La corriente también puede determinarse usando el criterio: alrededor del circuito completo debe ser nulo”

(7.3) “La suma algebraica de los cambios de potencial

Va    IR  Va I 

 R

Para determinar el signo de las diferencias de potencial en las resistencias y en las fuentes cuando la dirección de la corriente son las mostradas, se usan las r eglas mostradas en la figura 7.4,

Figura 7.4.

Reglas para determ determ in ar l a dif erencia de potencial en elementos elementos de un cir cuit o

Por otro lado, si la fuente tiene una resistencia interna apreciable como se muestra en la figura 7.5, la corriente que fluye a través del circuito se determina en la forma

Va    rI  RI  Va   (r  R) I I 

 rR

302

(7.4)

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(a)

Figura 7.5.

III.

(b)

Cir cuit o elé ctri co con u na f em qu e posee posee un a r esistencia esistencia i ntern a r y un a r esiste esistencia ncia de carga R, (b) cambi o en el el potencial pot encial elé ctr ico al r ededor ededor de un ci r cui to

RESISTENCIAS EN SERIE Y EN PARALELO Decimos que dos resistores R 1 y R 2 se encuentran conectados en serie con una fuente cuando son instalados como se muestra en la figura 7.6a. En este caso la corriente que fluye a través del circuito es la misma en cualquiera de los elementos.

Figura 7.6.

(a) Cir cuit o con con resistencias resistencias en serie, serie, (b) cir cir cui to equi equi valente

En este circuito, se observa que, la intensidad de corriente que fluye a través de cada uno de los resistores es la misma e igual a la intensidad de corriente en el resistor equivalente. Es decir

I1  I 2  I3  I eq

(7.5)

La diferencia de potencial total entre los puntos a y c es igual a la suma algebraica de las diferencias de potencial a través de cada uno de los resistores, esto es ,

V  Ieq Req  I1R1  I 2 R2  I 2 R3

(7.6)

Al remplazar la ecuación (7.5) en la ecuación (7.6) se obtiene un resistor equivalente R eq como se muestra en la figura 7.3b

Req  R1  R2  R2

(7.7)

El argumento anterior puede ser extendido para N resistores que se encuentran conectados en serie. En este caso la resistencia equivalente se escribe.

Req  R1  R2  ...  Ri  ...  RN 

N

R i

(7.8)

i 1

Debe observarse que si una resistencia R 1 es mucho mayor que la otra resistencia R i, entonces la resistencia equivalente es aproximadamente igual a la resistencia mayor R 1. En las figuras 7.7, se observa la forma como se instala las resistencias en serie en las prácticas de un laboratorio. 303

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(a)

(b)

(c)

Figura 7.7.

(a) I nstalación de resistencias en serie uti li zando un protoboar d, (b) I nstalación de resistencias utili zando cables y uni ones y (c) Instal ación de resistenci as en seri e usando term in ales metáli cos

En seguida consideremos dos resistencias R 1 y R 2 que son conectados en paralelos a una fuente de voltaje V, como se muestra en la figura 7.8a.

Figura 7.8.

(a) Cir cuito con resistencias en paralelo, (b) Cir cuito en paralelo con bombillas de luz (c) cir cuito equivalente

Por conservación de la corriente I, que pasa a través de la fuente de tensión puede dividirse en una corriente I 1, la cual fluye a través de la resistencia R 1 y una corriente I 2 que fluye a través de la resistencia R 2. Por otro lado, cada una de las resistencias satisface a la ley de OHM, es decir, V1= I1R 1 y V2 = I2R 2. Sin embargo la diferencia de potencial a través de cada uno de los resistores es la misma e igual a la diferencia de potencial en el resistor equivalente. La conservación de la corriente implica que

I  I1  I 2  I 3 

V R1

V



R2



1 1 1   V     R3  R1 R2 R3 

V

(7.9)

Los dos resistores en paralelo pueden ser remplazados por un resistor equivalente con V = IR eq como se muestra en la figura 7.3b. Comparando estos resultados, la resistencia equivalente para dos resistencias conectadas en paralelo está dada por la ecuación

1 Req



1 R1



1 R2



304

1 R3

(7.10)

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Este resultado puede generalizarse para N resistores en paralelo, obteniéndose

1 Req



1 R1



1 R2

 ..... 

1 Ri

 ... 

1 RN

N

 i 1

1 Ri

(7.11)

Cuando una resistencia R 1 es mucho más pequeña que otra resistencia R , entonces, la resistencia equivalente es i aproximadamente igual a la resistencia más pequeña R 1. En el caso de dos resistencias se tiene.

Req 

R1R2

R1R2

R1  R2

R2

 R1

(7.12)

Es decir, en un circuito la corriente fluirá ma yoritariamente por aquella resistencia cuyo valor sea más pequeño y por la resistencia grande fluirá una pequeña fracción de corrienteEn la figura 7.9, se muestra la instalación de resistencia en el laboratorio

(a)

(b)

(c)

Figura 7.9. (a) I nstalación de resistencias en par alelo ut il izando un protoboar d, (b) I nstalación de resistencias en paral elo util izando cables y un iones y (c) I nstalación de resistencias en paralelo u sando termi nal es

IV.

TRANSFORMACIONES TRÍANGULO ESTRELLA A veces los elementos pasivos no están conectados en serie o paralelo, resultando más complicada la resolución del circuito. Las otras dos formas estudiadas de conectar elementos son la conexión en estrella y la conexión en triángulo, las mismas que se muestran en la figura 7.10.

F igu r a 7.10.

Cir cuit o para tr ansform ar r esistencias de estr ell a a tr iángul os 305

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Si intentamos buscar una posibilidad de transformar una red en la otra, veremos que la resistencia vista entre los puntos 1 y 2 debe ser la misma en ambas redes. De tal forma que se cumplen las siguientes igualdades: Resistencia entre los nudos 1 y 2:

R1  R2  RC //(RA  RB ) 

RC ( RA  RB )

(7.13)

R A  RB  RC

Resistencia entre los nudos 2 y 3:

R2  R3  R A //(RB  RC ) 

RA ( RB  RC ) R A  RB  RC

(7.14)

(7.15)

Resistencia entre los nudos 1 y 3:

R1  R3  R B //(RA  RC ) 

RB ( RA  RC )

R A  RB  RC Si la transformación que queremos hacer es de triángulo a estrella, conoceremos el valor de R A, R B y R C, y deseamos calcular los valores de R 1, R 2 y R 3 de la estrella equivalente. A partir de las ecuaciones anteriores obtendremos:

R1 

R B RC R A  RB  RC

;

R2 

RA RC RA  RB  RC

R3 

;

RA RB RA  RB  RC

(7.16)

Que responden a la forma genérica de

Ri 

Producto de las resistencias conectadas al nudo i Suma de las resistencias del triángulo

(7.17)

Si la transformación que queremos hacer es de estrella a triángulo, conoceremos el valor de R 1,R 2 y R 3, y queremos calcular los valores de R A, R B y R C del triángulo equivalente. A partir de las ecuaciones de resistencias entre nudos tendremos:

R2 R1



R A R B

;

R3 R1



RA RC

;

R3 R2



RB RC

(7.18)

Sustituyendo aquí las expresiones anteriores de la transformación triángulo a estrella, obtendremos:

R A 

R1R2  R2R3  R3R1 R1

;

RB 

R1R 2  R 2R 3  R 3R1 R2

;

RC 

R 1R 2  R 2R 3  R 3R 1 R3

(7.19)

Que responden a la forma genérica de

Ri 

V.

Suma de los productos de las resitencias de la estrella tomadas por parejas Resistencia de la estrella conetada al nudo opuesto a Ri

(7.20)

LEYES DE KIRCHHOFF Con una o más fem’s unidas mediante conductores ideales a una o más resistencias eléctricas se forma un circuito eléctrico. La solución del circuito eléctrico implica determinar todas las corrientes que circulan, los voltajes en cada uno de los elementos eléctricos conectados, y las potencias eléctricas suministradas y consumidas. Para simplificar la lectura del circuito se definen algunos conceptos como rama eléctrica, nudo eléctrico y malla eléctrica. 306

CAPITULO VII


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Rama eléctrica: Es cualquier segmento del circuito, que contiene fem’s y/o resistencias eléctricas, y que es recorrida por una única corriente (la rama eléctrica tiene en cada uno de sus extremos u n nudo eléctrico).

Nudo eléctrico: Es todo punto de unión de tres o más ramas eléctricas, y a la cual confluyen distintas corrientes eléctricas.

Malla eléctrica es cualquier unión de ramas eléctricas formando una trayectoria cerrada. Las ecuaciones básicas para resolver un circuito eléctrico se derivan de la aplicación de las leyes de Kirchhoff , las cuales a su vez, se infieren de la validez de la conservación de la energía y de la conservación de la carga eléctrica. Se conocen como la ley de las mallas y la ley de los nudos, respectivamente.

5.1. PRIMERA LEY DE KIRCHOFF o La ley de nudos: Establece que: “La suma al gebrai ca de las corrientes en todo n udo elé ctrico debe ser siempre i gual a ” , es decir, cero

Figura 7.11. Apli cación de la pri mera ley de Ki rchh off Matemáticamente esta ley se expresa en la forma

 Iingreasan   I salen I  I1  I 2

(7.21) (7.22)

5.2. SEGUNDA LEY DE KIRCHOFF o llamada ley de mallas. Establece que: “La suma al gebraica de las dif erenci as de potenci al a tr avé s de cada un o de los elementos de un cir cuito que for man un ci rcui to cerr ado es nul o ” . Esto es



V i  0

(7.23)

circuito cerrado

Para aplicar la segunda ley de Kirchhoff se usa la regla de las diferencias de potencial tomadas en la sección anterior, obteniéndose

 R1I1  E1  R4 I 4  E4  E3  R3I 3  E 2  R2I 2  0

Figura 7.12. Apli cación de la pri mera ley de Ki rchh off

307

(7.24)

CAPITULO VII

VI.

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CIRCUITOS RC. 6.1

Proceso de carga de un capacitor

Consideremos el circuito eléctrico formado por una fuente de fem ε, una resistencia R, un condensador C y un interruptor S, conectado como se muestra en la figura 7.13a.

(a)

Figura 7.13.

(b)

(a) diagrama del ci rcui to RC para t < 0 y (b) diagrama de un ci rcui to RC para t > 0

Cuando el interruptor S se encuentra abierto la corriente a través del circuito es nula y el capacitor se encuentra completamente descargado, es decir [ q(t = 0) =0]. Si en el instante t = 0 se cierra el interruptor S , comenzará a fluir corriente a través del circuito como se muestra en la figura 7.13b. Esta corriente no es constante sino que depende del tiempo. En particular la corriente instantánea en el circuito inmediatamente después de cerrado el circuito es



I 0 

R

(7.25)

En este instante, la diferencia de potencial entre los terminales de la batería es la misma que en los extremos del resistor. Conforme transcurre el tiempo el capacitor comienza a cargarse y la diferencia de potencial entre sus bornes comienza a aumentar progresivamente. Siendo el voltaje a su través en cualquier tiempo

VC (t ) 

q (t ) C

(7.26)

Aplicando la segunda ley de Kirchhoff al circuito se obtiene

  I (t ) R    R

dq dt



q (t ) C q C

0

(7.27)

Donde se considera que la corriente en el circuito es I = +dq/dt . Debido a que la corriente I debe ser la misma en todas las partes del circuito, la corriente a través de la resistencia R es igual a la razón de cambio de la carga en las placas del capacitor. El flujo de corriente en el circuito será continuo e irá decreciendo a medida que el capacitor vaya incrementando su carga. El flujo de corriente finalizará cuando el capacitor se haya cargado completamente, adquiriendo una carga total Q. Ello se vuelve evidente cuando escribimos la ecuación en la forma.

R

dq dt

  

q C

(7.28)

Para determinar la carga en cualquier instante sobre el capacitor la ecuación diferencial se escribe en la forma

dq dt



1 R

308

( 

q

) C

(7.29)

CAPITULO VII


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Esta ecuación puede ser resuelta usando el método de separación de variables. El primer paso es separar los términos que involucran a la carga y al tiempo. Es decir

dq dt dq 1 dt    q R q  C RC (  ) C

(7.30)

Ahora se procede a integrar ambos lados de la ecuación y teniendo en cuanta los límites corr espondientes. q

dq

0

q  C





1

t

 dt

RC 0

(7.31)

De donde se obtiene

t  q  C     C RC   

ln 

(7.32)

Despejando la carga se tiene

q(t )  C 1  e t / RC   Q 1  et / RC 

(7.33)

Donde Q = Cε es la máxima carga almacenada en las placas del capacitor. La carga en función del tiempo puede graficarse como se muestra en la figura 7.14

Figura 7.14.

Carga en f unci ón del ti empo dur ante el pr oceso de carga de un capacitor

Una vez conocida la carga sobre el capacitor también se puede determinar la diferencia de potencial entre sus placas en cualquier instante esto es

VC (t ) 

q(t ) C



C 1  et / RC  C

  1  e t / RC 

(7.34)

La grafica del voltaje como función del tiempo tiene la misma forma que la gráfica de la carga en función del tiempo. De la figura se observa que después de un tiempo s uficientemente largo, la carga sobre el capacitor será

q(t  )  Q 1  e / RC   Q

(7.35)

En el mismo tiempo el voltaje entre sus placas será igual al voltaje aplicado por la fuente y la corriente a través del circuito será nula

V C 

q(t  ) C



C  C

 

(7.36)

La corriente que fluye a través del circuito en función del tiempo se obtiene derivando la ecuación de la carga obteniéndose

I (t ) 

dq(t ) dt



d

C 1  et / RC     e t / RC  R dt 

309

(7.37)

CAPITULO VII


I (t )  I 0et / RC

2013

(7.38)

El coeficiente que antecede al exponencial no es sino la corriente inicial I 0. La gráfica corriente en función del tiempo se observa en la figura

Figura 7.15.

I ntensidad de corri ente en fu nción del ti empo dur ante el proceso de carga de un capacitor

De la gráfica se observa que la corriente en el circuito disminuye exponencialmente y la cantidad τ = RC , se denomina constante de tiempo capacitiva y es el tiempo necesario para que el capacitor alcance aproximadamente el 63% de su carga total. En forma similar se puede expresar la diferencia de potencial en las placas del capacitor (figura 7.16), esto es

VC (t )   1  e t / 

Figura 7.16. 6.2.

(7.39)

Vol taje en funci ón del tiempo dur ante el proceso de carga de un capacitor

Proceso de descarga de un capacitor.

Supongamos que el interruptor S del circuito se encontraba cerrado durante un tiempo muy grande, es decir t >>> RC . Entonces el capacitor se ha cargado completamente para todos los fines prácticos alcanzando una carga Q , siendo la diferencia de potencial entre sus placas V = Q/C . Por otro lado, la diferencia de potencial en el resistor es nula debido a que no existe corriente fluyendo en el circuito I = 0 . Ahora supongamos que el interruptor S se cierra como se muestra en la figura 7.17b.

Figura 7.17.

Cir cui to uti li zado dur ante el proceso de descarga de un capacitor

En estas condiciones el capacitor comienza a descargarse fluyendo una corriente que decae exponencialmente a través del circuito. Es decir el capacitor actúa como una fuente que entrega corriente al circuito. El flujo de corriente se mantendrá hasta que el capacitor se haya descargado completamente. Se puede calcular la

310

CAPITULO VII

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dependencia de la carga y de la corriente en función del tiempo después del cierre del interruptor S, aplicando la segunda ley de Kirchhoff, como se muestra

VC  VR  0 

q (t ) C

 RI  0

(7.40)

La corriente que fluye desde la placa positiva es proporcional a la carga sobre dicha placa y de signo opuesto

I  

dq

(7.41)

dt

El signo negativo en la ecuación es una indicación de que la razón de cambio de la carga es proporcional al negativo de la carga en el capacitor. Esto se debe a que la carga en la placa positiva del capacitor se encuentra disminuyendo conforma la carga positiva abandona la placa positiva. Así, el cambio satisface la ecuación diferencial de primer orden

q C

 R

dq dt

0

(7.42)

Esta ecuación se puede resolver utilizando el método de separación de variables, es decir,

dq



q

1 RC

dt

(7.43)

La misma que se integra teniendo en cuenta los límites correspondientes, obteniéndose q

dq

Q

q





1

RC 

t

0

q t    RC Q

dt  ln 

(7.44)

O también

q(t )  Qe t / RC

(7.45)

El voltaje a través del capacitor será

VC (t ) 

q (t ) C



Q C

e  t / RC

(7.46)

Una grafica del voltaje en función del tiempo se muestra en la figura 7.18

Figura 7.18.

Di ferenci a de potencial en las placas de un capacitor en función del tiempo para el proceso de descarga del capacitor

La intensidad de corriente que fluye en el circuito durante el proceso de descarga del capacitor también decae exponencialmente y se encuentra que

I (t )  

dq dt



d

Qe  dt

t / RC

Q

  ( RC )e 

t / RC

(7.47)

La gráfica de la intensidad de corriente que fluye a través del circuito tiene la misma forma que el voltaje, en la figura 7.19 se muestra esta situación.

311

CAPITULO VII

Figura 7.19. VII.


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I ntensidad de corr iente en fu nción del tiempo para el proceso de descarga del capacitor

MEDICIONES ELECTRICAS 7.1. Medición de corrientes. Consideremos un circuito simple formado por una fuente de tensión, un interruptor y una resistencia instalados en serie como se muestra en la figura 7.20a. Si se quiere determinar la corriente que fluye por el circuito se abre el circuito como se muestra en la figura 7.20b y se instala en serie con los demás elementos un amperímetro como se muestra en la figura 7.20c.

Figura 7.20.

I nstalación de un amperímetro para medir l a in tensidad de corr iente que fl uye en un circuito

7.2. Medición de diferencias de potencial Supongamos ahora que se quiere determinar la diferencia de potencial en un elemento de un circuito eléctrico mostrado en la figura 7.21a. Para ello se instala el voltímetro en paralelo con dicho elemento como se muestra en la figura 7.21b.

Figura 7.21.

I nstalación de un voltímetro para medir l a dif erenci a de potenci al en un elemento de un circuito

7.3. Medición de resistencias

En algunas situaciones es necesario medir resistencias de los elementos que componen el circuito, para ello se utiliza los multimetros, en la escala de Ohmios y se procede como se muestra en la figura 312

CAPITULO VII

Figura 7.22.


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I nstalación de un mul tímetro para medir la resistencia de elemento.

Debe indicarse además que en circuitos se puede utilizar la ley de Ohm para determinar resistencias de elementos, instalando el circuito como se muestra en la figura

Figura 7.23.

VIII.

(a)Cir cuito para medir la resistencia de una bombil la, (b) diagrama del cir cuito y (c) circui to util izado par a medir la r esistenci a de un elemento de cer ámi ca.

MEDIDORES ELÉCTRICOS. 8.1. El galvanómetro. Los instrumentos más comunes para medir corrientes, diferencias de potencial y resistencia se basan en el funcionamiento del galvanómetro de bobina móvil. Este dispositivo está formado por una bobina montada en un cilindro de aluminio el cual se encuentra sostenido en el interior de un campo magnético cmo se muestra en la figura 7.24.

Figura 7.24.

Gal vanómetro de bobi na móvil utili zado como base en el diseñ o de medi dor es elé ctr icos. 313

CAPITULO VII


2013

Cuando a través de la bobina pasa una intensidad de corriente I g, la bobina sufre una desviación angular que es proporcional a la intensidad de corriente. Si ahora unimos a la bobina una aguja indicadora larga que está provista de una escala calibrada especialmente para medir corrientes, se obtendrá el valor correspondiente de la intensidad de corriente que fluye por el circuito. En la figura 7,24 se muestra la forma como es el diseño básico de un galvanómetro.

8.2. El amperímetro El amperímetro es un aparato que permite medir intensidades de corriente en la rama donde se instale. Debe ser conectado en serie al elemento cuya corriente se va a medir como se muestra en la figura 7.25. Debe instalarse de tal manera que las cargas ingresen por la terminal positiva y salgan por la terminal negativa. Idealmente el amperímetro debe tener una resistencia cero para que la corriente medida no se altere.

Figura 7.25.

(a) I nstalación de un amperímetro en un cir cuit o y (b) in stalaci ón de un galvanómetro para medir corr ientes.

El galvanómetro al ser sensible al paso de corriente se usa como amperímetro, pero debido a su resistencia pequeña se coloca en paralelo con este una resistencia pequeña R P llamada SHUNT como se muestra en la figura 7.25b. Si la resistencia del galvanómetro es R g y la intensidad de corriente que pasa por el es I g, la corriente en la resistencia en derivación será I sh. Entonces la aplicación de la primera ley de kirchhoff nos da

I  I g  I sh

(7.48)

Como a resistencia en derivación “shunt” y el galvanómetro están en paralelo, entonces las deferencias de potenciales en estos elementos serás

V g  I g Rg V sh  I sh Rsh

Figura 7.26.

(7.49) (7.50)

I ntensidades de corrient e en los elementos del amperímetr o construi do.

Igualando estas diferencias de potencial se obtiene

I sh 

R g R sh

I g

Al remplazar esta ecuación en la intensidad de corriente total se tiene

314

(7.51)

CAPITULO VII

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I  I g 

R g R sh

 Rsh   Rsh  Rg   

I g  I g  I 

(7.52)

De esta ecuación se deduce que cuanto menor es la resistencia del shunt tanto menor será la fracción de intensidad de corriente I que pase por el galvanómetro. Para que la intensidad de corriente Ig del instrumento G sea 1/n parte de la intensidad de corriente I se tiene

 Rsh   I   n  R sh  R6 

I

I g  I / n  R sh 

R g n 1

(7.53)

8.3. El voltímetro Permite medir diferencias de potencial de los elementos. Se instala en paralelo con el elemento cuya diferencia de potencial se desea medir como se muestra en la figura 7.27a. También es necesario tener en cuenta la polaridad del instrumento. El voltímetro ideal tiene una resistencia infinita que impida que sobre el pase una corriente muy pequeña de tal manera que no influya en la medida de la ddp. Cuando se usa un galvanómetro como voltímetro es necesario colocarle una resistencia grande en serie a fin de disminuir el paso de la corriente (véase la figura 7.27b).

Figura 7.27.

(a) I nstalación de un voltímetro en un cir cuit o y (b) in stalaci ón de un galvanómetr o para medir voltajes en u n cir cuito.

Cuando se mide con este instrumento una diferencia de potencial, por ejemplo la ddp en los extremos de R de la resistencia mostrada en la figura 7.28, tenemos

V  V2  V 1

(7.54)

Si se quiere una sensibilidad tal que la ddp en R produzca desviación completa de la escala

V R  ( Rs  Rg ) I g

(7.54)

Debido a que la resistencia de protección es mucho mayor que la del galvanómetro ( Rs >> Rg ), se tiene

R s 

V R I mas

 Rg 

V R I mas

(7.55)

La resistencia equivalente del voltímetro será

Re 

R ( R s  Rg ) R  R s  Rg

315



RRs R  Rs

(7.56)

CAPITULO VII

2013


Cuando la resistencia del elemento cuya diferencia de potencial va a ser medida es mucho menor que la resistencia del voltímetro construido, se tiene

Req  R

(7.57)

8.4. El puente de Wheatstone. Es un circuito especial representado en la figura 7.28, utilizado para medir resistencias desconocidas usando resistencias patrones o calibradas. Para ello se aplica las leyes de kirchooff o las ecuaciones de mallas circulantes para hallar las corrientes. Cuando el puente esta en equilibrio no fluye corriente por el galvanómetro en este caso se obtiene la resistencia desconocida Rx

Figura 7.28.

(a) in stalaci ón de un voltímetro construi do usando un galvanómetro para medir la dif erenci a de potenci al entr e los extr emos de una resistencia.

Aplicando las ecuaciones de mallas circulantes se tiene

  R2  I a  I b   Rx  I a  I c   rI a  0

 R1I b  Rg  I b  I c   R2  I b  I a   0

(7.58)

 R3 I c  Rx  I c  I a   Rg  I c  I b   0 Agrupando las ecuaciones para resolverlas se tiene

 r  R2  R x  Ia  R2 I b  Rg I c   R2 I a  ( R1  R2  Rg )I b  Rx I c  0

(7.59)

R x I a  Rg I b  (R3  Rx  Rg )I c  0 Resolviendo dichas ecuaciones se tiene

I b 

 R2 R3   R2 R x   R2 Rg   Rx R g

  R2 R g   R1Rx   Rx R2   Rx R g I c  

(7.60)

La intensidad de corriente que pasa por el galvanómetro será

I g  I b  I c 





316

 R2 R3  R1R x 

(7.61)

CAPITULO VII

2013


Cuando el puente se encuentra en equilibrio la corriente que fluye a través de dicho instrumento es nula. Por lo tanto

R2 R3  R1R x  0

R x 

R2 R1

(7.62)

R3

(7.63)

8.5. El potenciómetro El potenciómetro es un circuito que permite determinar fuerzas electromotrices de baterías, pilas, etc, comparándolas con fems patrones. La batería E 1cuya fem es ε1 es mayor que la fem εx .

Figura 7.29.

Cir cui to denomi nado potenciómetro uti li zado para determin ar fems desconocidas.

Para determinar la fem desconocida εx se procede de la siguiente manera: Se conecta el conmutador S a la fem ε0 y se ajustan los terminales deslizantes T y T’ hasta que no fluya corriente a través del galvanómetro. Si en esta posición la resistencia entre T y T’ es R 1, entonces la diferencia de potencial entre T y T’ será

VTT '  R1I 1 

Aplicando la ley de Kirchhoff a la malla I, se obtiene

 I1 R ' 1  I1R ''  0  ( R ' R '') I 1   1 

(a)

Aplicando la segunda ley de Kirchhoff a la malla II, nos permite obtener

 R2 I 2  R1 ( I 2  I 1 )   0  0 

Debido a que la corriente en el galvanómetro es nula ( I 2 = 0 ), la ecuación se reduce a

R1I 1   0 

(b)

Combinando las ecuaciones (a) y (b) se obtiene

  1     0  R´ R '' 

R1 

317

(c)

CAPITULO VII



2013


A continuación se pasa el conmutador S a la posición (2) y se repite el procedimiento, es decir, se ajusta el terminal deslizante hasta que no fluya corriente por el galvanómetro. Si en esta posición la resistencia la resistencia entre T y T’ es R 2, la diferencia de potencial es

VTT '  R2 I 1 

La aplicación de la ley de Kirchhoff a la malla I y II nos da

 I1 R ' 1  I1 R ''  0  ( R ' R '') I 1   1

(d)

 R g I 2  R2 ( I 2  I 1 )   x  0 

Debido a que la corriente en el galvanómetro es nula (I 2 = 0), la ecuación se reduce a

R2 I 1   x 

(e)

Combinando las ecuaciones (d) y (e), resulta

  1     x  R´ R '' 

R2  

De las ecuaciones (c) y (f) se tiene

 x  0

318



R2 R1

(7.64)

CAPITULO VII

I X.

2013


paralelo circula a través de la pila una corriente de de la pila y su 6 A . Determine la fem correspondiente resistencia interna r.

PROBLEM AS RESUELTOS

Probl ema 01 Una pila de fem = 1,06 V y resistencia interna r = 1,8 tiene una resistencia R = 6 conectada entre sus terminales. Determine: (a) la diferencia de potencial existente entre los terminales de la pila, (b) la corriente en el circuito y (c) la potencia disipada en la pila.

Solución En la figura se muestra el circuito cuando se instalan las dos resistencias en serie con la pila.

Solución En la figura se muestra el diagrama del circuito.

Aplicando la segunda ley de Kirchhoff al circuito se tiene

0 V  Vr  VR  VR  1

  rI1  R1I1  R2 I1  0   r (2 A)  1(2 A)  2(2 A)

Parte (b) Primero se determina la intensidad de corriente en el circuito, para esto se aplica la segunda ley de Kirchhoff. Es decir,

  2 r  6

V  V R  V r  0   RI  rI  0 I 

 R  r



2

(1)

En la figura se muestra el circuito cuando las dos resistencias son conectadas a los extremos de la pila pero ahora la conexión es en paralelo.

1,06 V 6   1,8 

I  0,136 A Parte (a) Diferencia de potencial en los extremos de la pila

Va  rI    Vb Vb  Va    rI  1, 06 V  1,8  (0,136 A)

Las resistencias R 1 y R 2 se encuentran en paralelo por tanto su resistencia equivalente será

Vb  Va  0,815 V

Re 

Parte (c). Potencia disipada por la pila. Esta potencia se disipa en la resistencia interna (calentamiento de la pila).

P  rI  1,8 (0,136 A) 2

R1R2 R1  R2



1(2) 1  2

2

  3

(2)

En la figura se muestra el circuito equivalente en donde se indica las polaridades en cada uno de los elementos.

2

P  33,29 W Probl ema 02 Una pila de fem tiene una resistencia interna r. Cuando se conectan en serie dos resistencias de y R entre los terminales de la pila R 1 = 1 2 = 2 circula una corriente de 2 A . Cuando entre los terminales se conectan las dos resistencias en 319

CAPITULO VII

I ac  I cd  I ce

Aplicando la segunda ley de Kirchhoff al circuito se tiene

I

V  V R  V r  0 e

2

  Re I 2  rI 2  0  

2 3

2013


(3)

Por razones de simetría se tiene

(6 A)  r(6 A)  0   6 r  4

 I cd  I ce

(3)

Resolviendo simultáneamente las ecuaciones (1) y (3) resulta

I bd  I cd

(4)

I be  I ce

(5)

Aplicando la primera ley de Kirchhoff al nudo d, se tiene.

r  0,5 

I de  I bd  I cd

  7 V

(6)

Remplazando la ecuación (4) en (6) resulta

Probl ema 02

I de  I bd  I bd  2I bd

En la red indicada todas las resistencias tienen el mismo valor R . La corriente I entra en el nudo a y sale por el nudo e . Halle las corrientes en las ramas . ab, bd y be

(7)

La diferencia de potencial entre los punto be se puede calcular por la rama be o por la rama bde , es decir.

Vbe  RI be

(8)

Vbe  Vbd  V de Vbe  RI bd  RI de Vbe  RI bd  2I bd Vbe  3I bd

(9)

Igualando las ecuaciones (8) y (9), resulta

Solución

I be  3I bd

El circuito presenta una simetría respecto a la línea . ade

Remplazando la ecuación (10) en (2)

La corriente que entra en el nudo a se reparte por igual por las ramas ab y ac . Es decir por cada una de estas ramas pasa una corriente

I 2

I ab  I ac 

I 2

(10)

(1)

 I bd  3I bd  I bd 

I 8

(11)

La sustitución de la ecuación (11) en la ecuación (10) nos da

En el nudo b, la corriente se divide en I be e I bd. Esto es

3 I  I  I be  3    I be  8 8

I ab  I be  I bd Probl ema 03

I 2

 Ibe  I bd

Para el circuito mostrado en la figura. Las lecturas del voltímetro indica 5,00 V mientras que el amperímetro indica 2,00 A y la corriente fluye en la dirección indicada. Determine: (a) El valor de la resistencia R y (b) el valor de la fem .

(2)

En forma análoga la corriente I ac en el nudo c se divide en dos corrientes 320

CAPITULO VII

2013


V R  I 2 R 7 5 V  [ A]( R )  R  2,14  3 Probl ema 04 Para el circuito mostrado en la figura. (a) Encuentre la diferencia de potencial entre los puntos a y b. (b) si laos puntos a y b están conectados por un cable con resistencia despreciable, encuentre la corr iente en la batería de 12 V

Solución En la figura se muestra el sentido de las corrientes escogidas y las polaridades en las resistencias.

Solución Aplicando la primera ley de Kirchhoff al nudo d se tiene

Parte a. En la figura se muestra el sentido de la corriente y las polaridades en las resistencias. Observe que como los puntos a y b no se encuentran en contacto por esa línea no habrá flujo de corriente

I A  I1  I 2 2 A  I1  I 2

(1)

Aplicando la segunda ley de Kirchhoff a la malla abcefga se tiene

V  V10  V2   V R  0   10( I A )  2 I A  LecV  0   10 (2 A)  2(2 A)  5 V  0   29 V

(2)

Aplicando la segunda ley de Kirchhoff a la malla defgh se tiene

Aplicando la segunda ley de Kirchhoff a la malla cdefc se tiene

V6V  V3  V R  0 6V  3 ( I1 )  Lecturavoltimetro  0 6 V  3 ( I1 )  5 V  0 I1 

1 3

A

V12V  V1  V2  V2   V1  V8V  V2   V1  0 12V 1 I  2 I  2 I 1 I  8V  2  I 1 I  0 4 V  9( I )

(3)

I  0,44 A

Remplazando la ecuación (3) en (1) resulta

2 A 

1 3

A  I2  I2 

7 3

A

Aplicando el Teorema de la trayectoria se tiene (4)

Cálculo de R. De la lectura del voltímetro se tiene 321

(1)

CAPITULO VII

2013


Va  2I  1I  8V  2 I  3(0)  10V  1(0)  Vb Va  Vb  5I  2V  5(0, 44)  2V

Va  Vb  0,22 V Parte B . Cuando los puntos a y b se encuentran conectados por un alambre se tiene el circuito siguiente.

Solución Parte (a). Para resolver el problema se usa las ecuaciones de mallas circulantes de Maxwell. Malla I.

24V  6 I1  5( I1  I 2 )  13( I1  I 3 )  0 24  24 I1  5I 2 13I 3  0 24 I1  5I 2  13I 3  24

Aplicando la primera ley de Kirchhoff al nudo a se tiene Malla II.

I1  I 2  I 3

10V  3I 2  5( I 2  I1 )  2( I 2  I 3 )  0

Aplicando la segunda ley de Kirchhoff a la malla abcda se tiene

10  5 I1  10 I 2  2 I 3  0 5 I1  10I 2  2 I 3  10

12V  1I1  2 I1  1I 3  10V  3I 3  1I1  0 2V  4 I1  4I 3

Malla III.

2 I1  2I 3  1

30V  2( I 3  I 2 )  13( I 3  I1 )  20 I 3  0 30  13 I1  2 I 2  35 I 3  0

Aplicando la segunda ley de Kirchhoff a la malla abcda se tiene

13 I1  2 I 2  35 I 3  30

10V  1I 3  2I 2  1I 2  8V  2I 2  3I 3  0

Resolviendo el sistema de ecuaciones resulta

5 I 2  4I 3  2 Resolviendo el sistema de ecuaciones se tiene

I1  0,465 A

I1 

I 2  0,430 A I 3  0,020 A

24 5

13

10 10

2

30

 2 35

24 5 5 10

Es decir la corriente que pasa a través de la batería de 12 V es I 1 = 465 mA.

I 2 

Probl ema 05 En el circuito eléctrico mostrado en la figura. Determine: (a) las corrientes I 1, I2 e I3; (b) la diferencia de potencial entre los puntos A y B y (c) la potencia disipada en la resistencia de 5 . Desprecie las resistencias internas de las baterías.

 2 35

24

24

13

5

10

2

13 30

25

24 5

13

13

 0,382 A

2

13

5 10

322

13

2

 2 35

 0,963 A

CAPITULO VII

I 3 

24 5

13

5

10

10

13

 2 30

24 5 5 10 13

13

2013


 0,770 A

2

Aplicando la segunda ley de Kirchhoff, se tiene

 2 35

50V  1, 2.10 I 0  0 6

Parte (b). Determinación de la diferencia de potencial entre A y B. para eso se usa el teorema de la trayectoria. Esto es

5

I 0  4,17.10 A Parte (b) Cálculo de la corriente en régimen estacionario. El capacitor después de un tiempo largo se carga completamente y por la rama donde se ubica no fluye corriente. Entonces el circuito se dibuja en la forma

V A  20 I 3  30V  VB V B  VA  30V  20(0, 77 A) V B  VA  15,4 V Parte (c). Para determinar la potencia disipada en R = 5, se determina primero la intensidad de corriente en dicho resistor.

I5  I1  I 2  0,382 A  0,963 A I5  1.345 A Aplicando la segunda ley de Kirchhoff se tiene

P5  I 52 R5  (1.345 A) 2 (5) P5  9,05 W

50V  1, 2.106  ( I  )  0, 6.106  ( I  )  0 50V  1,8.106 ( I  ) I   2,78.105 A

Probl ema 06

Se procede a determinar el voltaje y la carga en el capacitor

En el circuito eléctrico mostrado en la figura. ¿Cuál es la corriente eléctrica inicial suministrada por la fuente inmediatamente después de cerrado el interruptor. (b) ¿Cuál es la intensidad de corriente después de un largo tiempo del cierre del interruptor S. (c) Si el interruptor ha estado cerrado durante un tiempo largo y luego se abre, determine la corriente en función del tiempo que pasa a través del resistor de 600 k 

VC  V R 600k  VC  I  ( R)  2, 78.105 A(600.103  ) VC  16,68 V Qmax  VC (Cc )  16, 68V (2, 5.106 F ) Qmax  41,70 F Parte (c). Al abrir el interruptor S el condensador cargado completamente se descarga a través del resistor R = 600 k . Por tanto se tiene

Solución Parte (a). Corriente inicial. En este caso el capacitor se comporta como un conductor pues no tiene resistencia. El circuito entonces queda en la forma

Aplicando la segunda ley de Kirchhoff se tiene

VC  VR  0  323

q C

 RI  0

CAPITULO VII

q C

 R(



dq dt

)  0

dq

q

Qmax

q



dq

1



q

Aplicando la primera ley de Kirchhoff al nudo se tiene

dt RC

t

I A  I1  I 2

0

6 A  I1  I 2

dt RC 

 q  t    RC  Qmax   q  Qmaxe t / RC

ln 

Las resistencias R 1 y R 2 se encuentran en paralelo por lo que sus diferencias de potenciales entre sus extremos serán iguales. Es decir

V R  VR  R2 I 2  R1I1

q  [41, 70e t /1,5 ] F

2

I  

dt



d

[41, 70e dt 

I 2  2 I 1  t /1,5

5 t /1,5

I  2,78.10 e

1

30 I 2  60 I 1

La intensidad de corriente será

dq

2013


Resolviendo simultáneamente estas ecuaciones se tiene

] F 

6 A  I1  2I 1 I1  2 A

A

La potencia eléctrica disipada en la espiral R 1 es

Probl ema 07

P1  I12 R1  (2 A) 2 (60)

El calorímetro K tiene una espiral de resistencia R 1 = 60 Ω. La espiral R 1 se conecta a la red como se muestra en la figura. ¿A cuántos grados se calentarán 480 g de agua con que se llena el calorímetro, durante 5 minutos de fluir la corriente, si el amperímetro marca 6 A ?. Desprecie la resistencia del generador y del amperímetro y considere que R 2 = 30 Ω.

P1  240 W La energía disipada en la espiral será

E p  240 t  (240 J / s)(300 s) E P  7200 J  0, 24(7200)cal E P  17280 J En el caso de que se deprecien las pérdidas de energía, esta energía es utilizada en el calentamiento del agua. Es decir,

Q  E P mw ce , w T  17280 J 480 g (1cal / g.C ) T  17280 J

T  36C

Solución En la figura se muestran las corrientes y las polaridades en las resistencias.

Probl ema 08 En la figura se muestran dos voltímetros V 1 y V2 cuyas resistencias son R 1 = 3 k  y R 2 = 2 k , respectivamente, Sabiendo que R 3 = 3 k ; R 4 = 2 k ;  = 200 V y r = 15 . Determine las lecturas las lecturas de los voltímetros así como del amperímetro de resistencia despreciable cuando: (a) el interruptor S se encuentra abierto y (b) el interruptor S se encuentra cerrado.

324

CAPITULO VII

2013


V2  ( I a  Ib ) R1  [0,079 A  0,039 A](2000) V1  80 V Parte (b) Determinación de las lecturas de los medidores cuando S se encuentra cerrado. Es decir, el circuito se grafica en la forma mostrada en la figura

Solución Parte (a) Determinación de las lecturas de los medidores cuando S se encuentra abierto. Note que los voltímetros tienen resistencias considerables comparadas con las dos resistencias R 3 y R 4.

Uniendo los puntos de igual potencial se observa que R 1 se encuentra en paralelo con R 4 de igual forma los resistores R 2 y R 3 están en paralelo. Entonces sus resistencias equivalentes serán

Aplicando las ecuaciones de mallas circulantes de Maxwell, se tiene

200V  R1 ( I a  I b )  R2 ( I a  I b )  rI a  0 200  ( R1  R2  r ) I a  ( R1  R2 )  0 5015 I a  5000 I b  200

Re,1 

Malla b.

Re,2 

 R3 I b  R2 (I b  I a )  R1 (I b  I a )  R4I b  0 ( R1  R2 )I a  (R1  R2  R3  R4 )I b  0 5000 I a  10000 I b I a  2 I b Resolviendo simultáneamente anteriores resulta

las

R1R4 R1  R4 R2 R3 R2  R3

 

3000(2000) 3000  2000 2000(3000) 2000  3000

 1200   1200 

Aplicando las leyes de Kirchhoff

200V  (1200  1200  15) I A I A  0,083 A

ecuaciones

Las lecturas de los voltímetros serán

5015(2 I b )  5000I b  200 I b  0,039 A I a  0,079 A La lectura del voltímetro V 1 será

V1  Re.1I A  1200(0, 083 A)  99, 6 V

V2  Re.2 I A  1200(0, 083 A)  99, 6 V

Probl ema 08

V1  ( I a  I b ) R1  [0,079 A  0,039 A](3000) V1  120 V La lectura del voltímetro V 2 será

325

CAPITULO VII


2013

6. El amperímetro que se muestra en la figura da una

PROBLEMAS PROPUESTOS

lectura de 2 A. Determine I 1, I2 y ε.

1. Una batería de fem ε = 1,06 V y resistencia interna r = 1,8 Ω tiene una resistencia R = 6 Ω conectada entre sus terminales. (a) Hallar la diferencia de potencial existente entre las terminales de la batería, (b) la corriente que fluye en el circuito y (c) la potencia disipada en la batería. Rta: (a) 0,815 V; (b) 136mA; (c) 33,3W

2. Una pila de fem ε tiene una resistencia interna r .

7. Tres resistores de 100 Ω están conectados como se

Cuando se conecta en serie dos resistencias de 1 Ω y 2 Ω entre los terminales de la pila circula una corriente de 2 A. Cuando entre los terminales se conecta las dos resistencias en paralelo circula a través de la pila una corriente de 6 A. Halle la fuerza electromotriz ε y la resistencia interna de la pila.

muestra en la figura. La potencia máxima que puede ser entregada sin riesgo a cualquiera de los resistores es de 25 W . (a) ¿Cuál es el voltaje máximo que se puede aplicar a los terminales a y ?. (b) para el voltaje determinado en el inciso (a), b ¿Cuál es la potencia entregada a cada resistor?, ¿Cuál es la potencia total entregada?

3. Un circuito está formado por un generador de 500V

Rta: ( a) 75V; (b) 25W; 6,25W, y 6,25W; 37,5W

de fem y 0,75 Ω de resitencia interna, la línea de 100 m de longitud, 4 mm de diámetro y 1,75 μΩ cm de resistividad. Además hay n lámparas de incandescencia instaladas en derivación de 60 W y 240 Ω de resistencia cada una. Determine (a) el número de lámparas, (b) la caída de tensión en la línea, (c) el rendimiento del generador.

8. Una batería de ε = 6 V suministra corriente al circuito que se muestra en la figura. Cuando el interruptor de doble posición S está abierto como se muestra, la corriente en la batería es de 1 mA. Cuando el interruptor S se cierra a la posición 1, la corriente en la batería es 1,2 mA. Cuando el interruptor se cierra a la posición 2 la corriente en la batería es 2 mA. Determine las resistencias R 1, R 2 y R 3

Rta: (a) 355 l ámparas; (b) 247 V ; (c) 73,4%

4. Tres pilas cada una de fem ε = 1,5 V y una resistencia interna r = 1,4 Ω se conectan en serie entre los terminales de una batería desconocida de fem ε2 y resistencia interna r 2. Sabiendo que la resistencia total de los conductores es de 0,3 Ω. La corriente observada en el circuito es 1,17A. Cuando se invierten las conexiones a los terminales de la batería, se observa que la corriente es 0,26 A en sentido opuesto. (a) ¿Cuál es la fem de la batería?, (b) ¿Cuál es la diferencia de potencial entre los terminales de la batería con las conexiones originales?, (c) ¿Cuál es la diferencia de potencial entre los terminales de la batería después de invertir las conexiones?.

9. Una

tetera eléctrica tiene un interruptor multiposición y dos bobinas calefactoras. Cuando sólo una de las bobinas está conectada, la tetera, bien aislada, hierve toda su capacidad de agua en un intervalo de tiempo Δt . Cuando sólo se encuentra conectada la segunda bobina, es necesario un intervalo de tiempo 2Δ t , para hervir la misma cantidad de agua. Determine el tiempo que se requiere para hervir el líquido cuando ambas bobinas están conectadas: (a) en serie, (b) en paralelo.

5. Considere el circuito que se muestra en la figura. Determine: (a) la corriente en el resistor de 20Ω y (b) la diferencia de potencial entre los puntos a y b . Rta: (a) 227mA; (b) 5,68V

10. En la figura se muestra una red infinita de resistores. Cuál es la resistencia equivalente entre los bornes a y b. 326

CAPITULO VII

2013


resistencias R 4 y R 2 y (c) el potencial eléctrico del nodo 4. R1

R2

A

400Ω

300Ω

R3 700Ω

V1

115 V

V2

17 V

V3

95 V

11. En el circuito indicado en la figura si la intensidad de corriente en R3 = 100 Ω es la misma cuando ambos interruptores están abiertos o ambos están cerrados. Determine el valor de la resistencia R 1.

R4

Rta: R 1 = 600Ω

600Ω

R5

800Ω

15. En el circuito mostrado determine: (a) las intensidades de corriente I 1, I2 e I3; (b) Las potencias disipadas en los resistores de 6 Ω y 4Ω y (c) la energía disipada en 2 minutos por el resistor de 7Ω.

12. En el circuito eléctrico mostrado en la figura. Determine: (a) las intensidades de corriente en R 1, R 2, R 3; (b) la potencia liberada en la resistencia R 6. R1

R2

700Ω

900Ω

Rta: (a) I 1 = 5A; I 2 = -8A; I 3 = 2A; (b) P = 600W; P 6 4 = 676W; (c) E = 2400J

16. En cada una de las disposiciones mostradas en la figura, encuentre la resistencia equivalente. V1

125 V

R3

1.1kΩ

R4

V2

1.4kΩ

R5

R6

400Ω

200Ω

150 V

13. Sabiendo que la intensidad de corriente que fluye en la resistencia de 8,45 Ω es de 1,22 A. (a) ¿Cuál es la fem de la batería ideal?, (b) si se incrementa el valor de la resistencia de 17,2 Ω, la corriente que entrega la fuente aumentará, disminuirá o permanecerá igual?. Explique.

17. En el circuito eléctrico mostrado en la figura. Determine: (a) la intensidad de corriente que fluye a través de cada una de las fuentes, (b) la diferencia de potencial entre los puntos a y b.

Rta: (a) 103,9V; (b) disminuye

14. En el circuito eléctrico mostrado en la figura. Determine: (a) las intensidades de corriente en cada una de las resistencias, (b) la potencia liberada en la 327

CAPITULO VII

2013


18. En el circuito eléctrico mostrado en la figura.

resistor de 5 Ω y (b) la potencia entregada por la fuente de tensión.

Determine: (a) la intensidad de corriente que fluye a través de las resistencias de 4 Ω y 6Ω, (b) la diferencia de potencial entre los puntos a y b y (c) la potencia disipada en cada resistor.

R3

R8

R1

R2

100Ω

20Ω

4Ω

R7

R4

20Ω

R5

R6

15Ω

25Ω

6Ω

V1 R9 2Ω

10Ω

30 V

R10 3Ω

23. En el circuito eléctrico mostrado en la figura. Determine: (a) la lectura del voltímetro ideal y (b) la lectura del amperímetro ideal.

19. (a) Utilizar los argumentos de simetría para

Rta: V = 1,5 V; (b) I A = 395mA

determinar la resistencia equivalente de la red mostrada en la figura. (b) ¿Cuál es la intensidad de corriente en cada resistencia cuando una diferencia de potencial de 80 V se aplica entre los bornes A y B?. Rta: (a) 7,5 Ω; (b) I 1 = I 2 = 5,34A; I 3 = I 3 = 2,66A R5 10Ω

R1

10Ω

5Ω

R3

R6 A

24. Determine el valor de R para que la batería

B 2.5Ω

R2

10Ω

entregue una potencia de 50W .

5Ω

R4

R7 10Ω

20. En el circuito eléctrico mostrado en la figura. Determine: (a) la resistencia equivalente, (b) la corriente a través de la fuente de fem y (c) la potencia disipada en el circuito. R1

R2

6Ω

25. Determine la potencia disipada en la resistencia R

R3

12Ω

de la figura si ésta toma los valores de: 3, 5, 7, 15 y 20 Ω.

4Ω

R4 12Ω

R6 7Ω

12 V

V1

R5 3Ω

R7

R8

4Ω

3Ω

21. Determine la caída de tensión y la potencia disipada en el resistor de 20Ω del circuito mostrado. R1

R2

10Ω

50Ω

26. Determine la intensidad de corriente en cada una de las ramas del circuito mostrado en la figura.

R5 V1

20 V

R3

40Ω

15Ω

R4 30Ω

R6 20Ω

22. En el circuito mostrado en la figura. Determine: (a) La caída de tensión y la potencia disipada en el 328

CAPITULO VII

R1 5Ω

V2

R2

R2

R5

10Ω

10Ω

10Ω

10 V

V3

30 V

R3 V1

V1

R3 20Ω

R4

2013


12 V

R1

la intensidad de corriente en cada una de las resistencias, (b) la diferencia de potencial entre los puntos A y B y (c) ¿Cuál de los puntos se encuentra a mayor potencial A o B?.

las intensidades de corriente en cada uno de las resistencias y (b) la potencia eléctrica disipada en R 4 y R 5. R2

12Ω

20 V

V1

R3

30Ω

R4

20Ω

10Ω

31. En el circuito mostrado en la figura. Determine: (a)

50Ω

27. En el circuito mostrado en la figura. Determine (a)

R1

R4

10Ω

R5

8V

V3

16 V

V2

20 V

10Ω

40Ω

5Ω

R5

25Ω

V2

5V

R6 7Ω

28. En el circuito mostrado determine: (a) La potencia

32. En el circuito eléctrico determine las intensidades

entregada por la fuente, (b) la resistencia equivalente del circuito, (c) las intensidades de corriente en cada uno de los resistores

de corriente I 1, I2 e I3.

29. En el circuito mostrado en la figura, determine: (a)

33. En el circuito mostrado en la figura, determine: (a)

la corriente en cada una de las resistencias, (b) la potencia suministrada por la cada fem y (c) la potencia disipada en cada uno de los elementos resistivos.

la corriente en cada una de las resistencias, (b) la potencia suministrada por la cada fem, (c) la potencia disipada en cada uno de los elementos resistivos y (d) los potenciales en cada uno de los puntos indicados si el punto a está conectado a tierra.

R2 100Ω

V1

20 V

V3

V2

16 V R3

80Ω

R4 R1

50Ω

V2

d

c 12 V

120Ω

8V

R1

25Ω

12Ω

R2 R6

b

R4

e

30Ω

30. En el circuito mostrado en la figura, determine: (a) la corriente en cada una de las resistencias, (b) la potencia suministrada por la cada fem y (c) la potencia disipada en cada uno de los elementos resistivos y (d) la diferencia de potencial entre los puntos a y b

a

R5 10Ω

16 V

V3

25Ω

R3

48 V

V1

30Ω

R7

f

16Ω

g

34. En el circuito mostrado en la figura. Determine: (a) la corriente en cada una de las resistencias, (b) la potencia suministrada por cada fem, (c) la potencia disipada en cada uno de los elementos resistivos y 329

CAPITULO VII


2013

(d) los potenciales en cada uno de los puntos indicados si el punto a está conectado a tierra.

38. En el circuito mostrado la resistencia interna de la 35. En el circuito eléctrico mostrado en la figura.

fuente de tensión es 1Ω. Determine las indicaciones del amperímetro y el voltímetro ideales.

Determine: (a) la intensidad de corriente que fluye a través de las batería, (b) la diferencia de potencial entre las terminales de las baterías de 1,5 Ω y 2 Ω, de resistencias internas, respectivamente y (b) las intensidades de corriente que fluyen en las resistencias R3 , R4 y R6 . R6 150Ω

R4

39. En el circuito mostrado determine la lectura de los

100Ω

5

amperímetros ideales.

6

R3 50Ω

R7

80Ω

1

r1 1.5Ω

V1 3

2 25 V

r2 2Ω

V2 4 50 V

36. El amperímetro instalado en el circuito indica 300 mA. Determine: (a) la resistencia interna r de la fuente, (b) la lectura del voltímetro y (c) la intensidad de corriente en la resistencia de 4 Ω.

40. En un hornillo eléctrico las resistencias están conectadas según el circuito mostrado. Cuando se conectan los bornes A y B a una red, hierven 500 g de agua luego de cierto tiempo. ¿Qué cantidad de agua se puede hervir durante el mismo tiempo si se conectaran los bornes A y C?. La temperatura inicial del agua es la misma en ambos casos. Desprecie las pérdidas térmicas.

37. En el circuito determine la resistencia equivalente entre los puntos A y B

41. El calorímetro K tiene una espiral de resistencia R1 = 60 Ω. La espiral se conecta a la red como se muestra en la figura. ¿A cuántos grados se 330

CAPITULO VII

2013


calentarán 480 g de agua con que se llena el calorímetro, durante 5 minutos de fluir la corriente, si el amperímetro marca 6 A?. Desprecie la resistencia del generador y del amperímetro y considere que R2 = 30 Ω. Rta: T C f = 82°

45. El interruptor S del circuito RC mostrado en la figura se cierra en el instante t = 0 s. Encuentre la carga sobre el capacitor en el tiempo t = 4,2 ms. S Key = A E

42. En la figura ε es una batería de 120 V de fem, R2 =

12 V

R 1500Ω

C1

25µF

46. En la figura ε es una batería con una fem de 110 V ,

10 Ω, B es una tetera eléctrica. El amperímetro marca 2 A. ¿Cuánto tiempo tarda en hervir 0,5 litros de agua en la tetera, hallándose a la temperatura inicial de 4°C ?. Se desprecian las resistencias de la batería y del amperímetro. El rendimiento del hornillo de la tetera es de 76%.

K es un calorímetro con 500 g de kerosene. El amperímetro marca 2 A y el voltímetro 10,8 V . (a) ¿A qué es igual la resistencia de la espiral?. (b) ¿Cuál es el calor especifico del kerosene, si a los 5 min de fluir la corriente por la espiral R 1 el kerosene se ha calentado 5°C ?. Considere que en el calentamiento del kerosene se invierte el 80% del calor emitido por la espiral. (c) ¿Cuál es el valor de la resistencia en el reóstato R?. Desprecie la resistencia de la fuente y del amperímetro y el voltímetro tiene una resistencia infinita. Rta: (a) 5,4 Ω; (b) 2100 J/kg.°C; (c) 49,6 Ω

43. En el circuito eléctrico mostrado en la figura. Determine: (a) el valor de la resistencia R, (b) la diferencia de potencial entre los puntos a y b y (c) la potencia liberada en el resistor R. Rta: Rta: (a) R = 1Ω; (b) V ab = 5V; (c) P = 1W

47. El amperímetro instalado en el circuito indica una intensidad de corriente de 1 A. determine el valor de la fem ε y la intensidad de corriente que fluye en los demás resistores.

44. En el circuito mostrado en la figura. Determine: (a) La intensidad de corriente en cada una de las ramas del circuito y (b) los potenciales de cada uno de los puntos indicados

48. En el circuito

eléctrico mostrado en la figura. Determine las lecturas del amperímetro y del voltímetro. Cada una de las resistencias son de 2 Ω

331

CAPITULO VII

2013


53. Considere el circuito RC mostrado en la figura. Si 49. En el circuito eléctrico mostrado en la figura, se

en el instante t = 0 se cierra el interruptor S. Encuentre: (a) La constante de tiempo para el circuito, (b) la máxima carga sobre el capacitor y (c) la corriente inicial en el circuito.

desprecian las resistencias internas de las baterías. Determine: (a) las intensidades de corriente en cada una de las resistencias y (b) la potencia disipada e la resistencia de 4 Ω.

V1

S

R1

Key = A

50Ω

12 V

C1

55.7µF

R2 20Ω

50. El capacitor del circuito RC mostrado en la figura

54. En el circuito mostrado en la figura. Determine la

está inicialmente descargado. Si en el instante t = 0 el interruptor S es cerrado, encuentre: (a) la carga sobre el capacitor y (b) la corriente en el circuito un tiempo (τ = RC ) después de ser conectada la batería. S Key = A E

9V

intensidad de corriente en cada resistor y la carga en cada uno de los capacitores después de un tiempo largo de que el interruptor S ha sido: (a) abierto y (b) cerrado.

R 120Ω

C1

45µ

51. Si ε = 40 V , R1 = 80 Ω, R2 = 60 Ω, R3 = 40 Ω y el capacitor C = 4 μF está inicialmente descargado. Si en t = 0 se cierra el interruptor. Determine: (a) la intensidad de corriente en cada resistor inmediatamente después de cerrar el interruptor y (b) la carga final en el capacitor.

55. Nueve resistencias de 10 Ω cada una se conectan como se muestra en la figura y se aplica una diferencia de potencial de 50 V entre los puntos x e y. Determine: (a) la resistencia equivalente de esta red, (b) la intensidad de corriente en cada una de las nueve resistencias.

x

52. En el circuito mostrado en la figura. Determine: (a) la intensidad de corriente proporcionada por la batería, (b) la diferencia de potencial entre los extremos del capacitor y (c) la carga almacenada en el capacitor.

R4

R5

R6

10Ω

10Ω

10Ω

R1

R2

R3

10Ω

10Ω

10Ω

R7

R8

R9

10Ω

10Ω

10Ω

y

56. La figura muestra un circuito simplificado para una unidad fotográfica con flash. El circuito consiste de una batería de 9,00 V, un resistor de 50 kΩ, un capacitor de 140 μF, un bulbo flash y dos interruptores. Inicialmente el capacitor se encuentra descargado y los dos interruptores están abiertos. 332

CAPITULO VII

2013


Para cargar la unidad, el interruptor S 1 es cerrado; para encender el flash, el Interruptor S 2 (El cual es conectado a la cámara) es cerrado. ¿Cuánto tiempo le toma a la carga alcanzar 5 V en el capacitor?

C1

R1 65Ω

62µF 24Ω

R3 R2

15 V

V1 Key = A

13Ω

S

60. El capacitor del circuito RC mostrado en la figura se encuentra inicialmente descargado. Determine: (a) la corriente inicial de la batería inmediatamente después de cerrar el interruptor S; (b) La corriente estacionaria a través de la batería después de transcurrido un largo tiempo y (c) el voltaje máximo a través del capacitor.

57. En el circuito mostrado en la figura, suponga que el interruptor se encuentra abierto por un período de tiempo muy grande. Considerando que ε = 10 V , R1 = 50 kΩ, R2 = 100 kΩ y C = 10 μF . Si en el instante t = 0 dicho interruptor es súbitamente cerrado. Determine: (a) la constante de tiempo capacitiva antes de cerrar el interruptor, (b) la conste de tiempo capacitiva después de cerrar el interruptor y (c) la corriente que fluye por el interruptor como función del tiempo después de que el interruptor es cerrado.

S 2 1

E

Key = A

3

R1 1.2MΩ

R2

120 V

600kΩ

C

470uF

4

61. El circuito mostrado en la figura inicialmente se encuentra con ambos interruptores abiertos y los capacitores se encuentran completamente descargados. Asumiendo que la resistencia interna de la fuente de 50 V es despreciable. (a) ¿Cuál es la corriente de la batería inmediatamente después de cerrar S 1 manteniendo S 2 abierto?. (b) ¿Cuál es la corriente después de un tiempo largo de cerrar el interruptor S 1 y mantener S 2 abierto?. (c) ¿Cuál será las cargas en los capacitores M y N en estas condiciones?. (d) Si ahora se cierra el interruptor S2, ¿Cuál será las cargas sobre los capacitores M y N en régimen estacionario?.

58. El interruptor del circuito RC mostrado en la figura es cerrado en el instante t = 0. (a) ¿Cuál es la potencia liberada en cada una de las resistencias justo después de t = 0 y en el límite  → 0 ?. (b) ¿Cuál es la carga en el capacitor en el tiempo t = 0,35 ms?. (c) ¿Cuál es la energía almacenada en el capacitor en el límite  → 0 ?. (d) Si el voltaje de la fuente se duplica, ¿en qué factor varía su respuesta de la parte (c)?, explique.

S1 Key = A

R1 1500Ω

R2

3000Ω

C1

5µF

C2

10µ

S2 V1

50 V

Key = B R4

6000Ω

62. En el circuito mostrado en la figura, el interruptor K es inicialmente cerrado y S está abierto. (a)

59. Considere el circuito RC mostrado en la figura. Determine: (a) La constante de tiempo y (b) la corriente inicial para este circuito (c) se desea incrementar la constante de tiempo de este circuito mediante el ajuste del valor de la resistencia de 6,5 Ω. Podría la resistencia de éste resistor incrementarse o disminuirse para lograr el objetivo trazado. Explique

Encuentre la diferencia de potencial entre los puntos a y b; (b) Posteriormente S es también cerrado, ¿cuál es la diferencia de potencial entre los puntos a y b?; (c) Si ahora K es abierto y S sigue cerrado, ¿cuál es la constante de tiempo para la descarga del capacitor?, ¿Cuál es la corriente y la carga en función del tiempo?. Considere que la batería tiene un resistencia interna 1 Ω

333

CAPITULO VII

R3

R4

10Ω

50Ω

C1

65. El capacitor del circuito mostrado en la figura se encuentra inicialmente descargado cuando el interruptor S se encuentra abierto. (a) ¿Cuál es la corriente inicial en la batería inmediatamente después de cerrar el interruptor S?. (b) ¿Cuál es la corriente de la batería un tiempo largo después de cerrar el interruptor S?. (c) ¿Cómo varía la intensidad de corriente en la resistencia de 600 Ω en función del tiempo, después de abrir el interruptor S?

10µF

Key = B

S2 R1

R2

30Ω

30Ω

S1

V1

2013


S

V1 2

Key = A

48 V

Key = A

50 V

63. Suponga que la batería del circuito mostrado en la

200Ω

C1

figura tiene una resistencia interna de 0,75 Ω. (a) ¿Cuál será la diferencia de potencial entre los extremos de la batería cuando el interruptor se encuentra abierto?, (b) ¿Cuando el interruptor es cerrado la diferencia de potencial en la batería incrementará o disminuirá?. Explique. (c) Encuentre la diferencia de potencial en los extremos de la batería después de un tiempo largo después de haber sido cerrado el interruptor.

4

1 50uF R2 600Ω

66. En el circuito de la figura el capacitor tiene una capacitancia de 2,5 μF y la resistencia es de 0,5 MΩ. Antes de cerrar el interruptor, la caída de potencial a través del capacitor es 12 V, como se indica. Si el interruptor S se cierra en t = 0. (a) ¿Cuál es la corriente en R inmediatamente después de cerrar S?. (b) ¿Para qué tiempo el voltaje a través del capacitor es de 24 V ?. S

C1

Key = A

R1

64. El capacitor del circuito RC mostrado en la figura inicialmente se encuentra descargado cuando el interruptor S se encuentra abierto. Si en el instante t = 0 se cierra el interruptor S. (a) Determine la corriente estacionaria a través de la batería después de transcurrido un largo tiempo, (b) determine la diferencia de potencial entre los bornes del capacitor, (c) si la batería se desconecta del circuito abriendo nuevamente el interruptor S, determine la corriente en función del tiempo, (d) ¿Cuánto tiempo tardará el capacitor en descargarse hasta que la diferencia de potencial a su través sea de 1,00 V .

0.5MΩ

67. Para el circuito mostrado en la figura. En el instante t = 0 s el interruptor S está cerrado y en el instante t = 2 s está abierto. (a) Represente gráficamente el voltaje a través de C y la corriente a través de la resistencia de 5 MΩ entre t = 0 s y t = 10 s. (b) Determine el voltaje a través del capacitor en los tiempos t = 2 s y t = 8 s. S 2

3 Key = A

-3000t Rta: (a) 1A; (b) 20V; (c) I = 6e ; (d) 984μs

12 V

V1

S1

470uF

C1 R1

Key = A 1

R1

R2

R4

5MΩ

interruptor J1 es cerrado en t = 0. (a) Determine la carga en el capacitor en t = ∞, (b) la diferencia de potencial en el capacitor cuando t = 1,5τ , (c) la corriente en R1 en t = 0 y (d) la constante del tiempo capacitiva del circuito.

10µF 80Ω

4

68. En el circuito eléctrico mostrado en la figura, el

36 V R3

2MΩ

R2

40Ω

C E

2.5µF

36 V

V1

10Ω

R1

3

20Ω

334

CAPITULO VII

R1 V1

2013


abre, determine la corriente en función del tiempo que pasa a través del resistor de R2 = 2,5 k .

150Ω

J1

S R1

55 V

Key = A R2

Key = A

175Ω

C1

R3

1500Ω

750Ω

250pF R2

375 V

V1

R3

2500Ω

1.5µF

C1

125Ω

69. En el circuito RC mostrado en la figura el capacitor de 62 μF se encuentra inicialmente descargado cuando el interruptor S se encuentra abierto. (a) ¿Cuál es la intensidad de corriente inicial suministrada por la batería inmediatamente después de cerrado el interruptor S?, (b) ¿Cuál es la intensidad de corriente a través de la batería después de un tiempo muy largo de haber cerrado S?. (c) si después de haber mantenido el interruptor cerrado por un tiempo grande, se abre éste determine la intensidad de corriente en función del tiempo que pasa a través de la resistencia de 60 kΩ. S1 Key = A

V1

72. Los capacitores del circuito mostrado en la figura están inicialmente descargados cuando el interruptor S se encuentra abierto. Determine: (a) el valor de la corriente inicialmente suministrada por la batería inmediatamente después de cerrado el circuito, (b) la intensidad de corriente a través de la batería después de un tiempo muy grande de haber cerrado S y (c) las cargas finales sobre cada uno de los capacitores. Rta: (a) 3,42A; (b) 0,96A; (c) Q 10 = 259μC, Q5 = 43,2μC

R1 0.5MΩ

R2

50 V

60kΩ

C1

62µF

70. En el circuito mostrado en la figura, el interruptor es cerrado en el instante t = 0. Determine los valores numéricos de las siguientes cantidades: (a) la diferencia de potencial en el capacitor en t = ∞; (b) la diferencia de potencial en el capacitor en t = 2τ ; (c) la intensidad de corriente que pasa por R2 en t = 0 y (d) la constante de tiempo capacitiva.

73. En el circuito mostrado, determine: (a) la intensidad de corriente a través de cada una de las resistencias, (b) la carga sobre cada uno de los capacitores.

S R1 Key = A

150Ω

R2 3Ω

50Ω

R4 V1

R2

A

R1 2Ω

150Ω

R3

150 V C

50Ω

3mF V1

3V

V3

6V

V5

C2

V2

C1

5µF

12 V

7µF

3V

V4

8V

R3 12Ω R4

71. En el circuito mostrado en la figura el interruptor

6Ω

74. Un circuito está formado por un dínamo de 500 V

ha estado abierto por mucho tiempo y el capacitor está descargado. Si en el instante t = 0 es cerrado. Determine: (a) La intensidad de corriente en R3 = 750 Ω inmediatamente después de cerrado el interruptor, (b) La intensidad de corriente en R3 = 750 Ω después de un tiempo t = 1,25 τ después de cerrado el interruptor; (c) la intensidad de corriente en R2 = 2,5 kΩ en t = ∞; (d) la carga acumulada en el capacitor en t = ∞ y (e) Si el interruptor ha estado cerrado durante un tiempo largo y luego se

de fem y 0,75 Ω de resistencia interna, la línea de 1000 m de longitud, 4 mm de diámetro y 1, 75 μΩcm de resistividad; Además hay n lámparas de incandescencia instaladas en derivación de 60W y 240 Ω cada una. Determine: (a) el número de lámparas; (b) la caída de tensión en la línea y (c) el rendimiento del generador.

75. En el circuito RC mostrado en la figura los capacitores están inicialmente descargados cuando el interruptor K se encuentra abierto. (a) ¿Cuál es la 335

CAPITULO VII


2013

corriente a través de cada una de las resistencias inmediatamente después de cerrado el interruptor S?. (b) ¿Cuál es la intensidad de corriente a través de cada resistencia después de un tiempo muy grande de haber cerrado el interruptor?. (c) Cuál es la carga final sobre cada uno de los capacitores? Rta: (a) I 0 = 100mA; (b) I ∞ = 17mA; (c) Q 4 = 133μC; Q 6 = 300μC R2

R3

2kΩ

3kΩ

R4

C1

79. En el circuito mostrado en la figura la fem de la batería es de 110 V y su resistencia es despreciable. Si la resistencia del voltímetro es de 1 kΩ. Determine la lectura del amperímetro ideal y del voltímetro.

500Ω

C2

Rta: 0,22 A y 110V 4µF

6µF S

V1

R1 1kΩ

100 V

Key = A

76. En el circuito mostrado en la figura el capacitor está inicialmente descargado y el interruptor abierto. Determine: (a) la corriente que pasa a través del resistor de 1000 Ω, justo después de cerrar el interruptor y (b) la corriente en el resistor de 1000 Ω, 1 hora después de cerrar el interruptor.

V1

R2

100 V

80. En el circuito mostrado en la figura la fem de la batería es de 110 V y su re sistencia es despreciable. Si la resistencia del voltímetro es de 1 kΩ. Determine la lectura del amperímetro ideal y del voltímetro. Rta: 0,142A y 53,2V

2000Ω

C1

1000µF

R1 1000Ω

77. En el circuito mostrado en la figura determine: (a) La intensidad de corriente en cada una de las ramas del circuito, (b) La carga en cada uno de los capacitores cuando se cargan completamente. V3

R4

81. En el circuito mostrado en la figura la fem de la

9Ω

6V C1

V2

3V

4µF

R5

R2

R3

6Ω

5Ω

4Ω

3Ω

Rta: 0,57 A y 110V C2

R1

batería es de 110 V y su resist encia es despreciable. Si la resistencia del voltímetro es de 1 kΩ. Determine la lectura del amperímetro ideal y del voltímetro.

6µF

V1

9V

78. En el circuito mostrado en la figura la batería tiene una fem de 100 V. ¿Cuál es la lectura del voltímetro si su resistencia interna es de 2 kΩ?. Desprecie la resistencia interna de la batería. Rta 80 V

82. En el circuito mostrado en la figura la fem de la batería es de 120 V y su resist encia es despreciable. Si la resistencia del voltímetro es de 2 kΩ. Determine la lectura del amperímetro ideal y del voltímetro. Rta: 89 mA y 35,6 V 336

CAPITULO VII


2013

87. En la figura V 1 y V2 son dos voltímetros cuyas resistencias internas son R 1 = 3000Ω y R 2 = 2000Ω, respectivamente. Determine las lecturas de los voltímetros en los siguientes casos: (a) el interruptor K se mantiene abierto y (b) el interruptor K se encuentra cerrado. Se desprecia la resistencia interna de la batería. Rta: (a) V = 120V, V 2 = 100V 1 = 80V; (b) V 1 = V 2

83. Si el voltímetro tiene una resistencia interna de 1000 Ω. Determine la indicación de este instrumento cuando se le instala en el circuito tal como se muestra en la figura.

88. El amperímetro mostrado en la figura lee 2 A mientras que el voltímetro lee 2V. Con esta información determine las intensidades de corriente I1 e I2 así como el valor de R.

84. En el circuito mostrado en la figura, determine la lectura del amperímetro. Se desprecian resistencias internas de las baterías y amperímetro,

las del

89. En la figura V 1 y V2 son dos voltímetros cuyas resistencias internas son R 1 = 3000Ω y R 2 = 2000Ω, respectivamente. Determine las lecturas de los voltímetros y de los amperímetros en los siguientes casos: (a) el interruptor K se mantiene abierto y (b) el interruptor K se encuentra cerrado. Se desprecia la resistencia interna de la batería y de los amperímetros

85. ¡Qué intensidad de corriente marca el amperímetro de la figura si su resistencia es de 200 Ω. Desprecie la resistencia interna de las baterías.

86. En el circuito mostrado en la figura, determine la lectura del amperímetro. Se desprecian resistencias internas de las baterías y amperímetro.

las del

90. En el estado estacionario la carga sobre el capacitor de 5 μF del circuito mostrado en la figura es de 1000 μC . Determine: (a) la corriente a través de la batería y (b) los valores de las resistencias R 1, R 2 y R 3. Rta: (a) I = 25ª ; ( b) R Ω; R 1 = 0,4 2 = 10Ω; R3 = 6,67Ω

337

CAPITULO VII


2013

95. En el circuito mostrado cada uno de los resistores tienen el mismo valor R = 6 Ω Y la batería de resistencia interna despreciable tiene una fem  = 6  . Determine: (a) la resistencia equivalente del sistema, Las corrientes I 1, I2 e I3.

91. En el circuito mostrado en la figura, determine la diferencia de potencial entre los puntos a y b .

92. En el circuito eléctrico mostrado en la figura. Determine: (a) la corriente que fluye a través de cada una de las fuentes, (b) la potencia liberada en cada resistor y (c) la energía liberada en el resistor de 3 Ω en un intervalo de tiempo de 5 minutos.

96. En el circuito RC mostrado R = 540 MΩ y C = 120 μF . El interruptor es cerrado en t = 0. (a) ¿En qué tiempo alcanzarán el 36% de su máximo valor las siguientes cantidades: (a) la energía almacenada y (b) la potencia liberada en R?.

93. Considere que los medidores del circuito mostrado en la figura son perfectos. Determine: (a) resistencia equivalente, (b) La intensidad corriente I 1, (c) Las lecturas del amperímetro y voltímetro y (d) la potencia disipada por resistencia de 2 Ω.

La de del la

97. En el circuito RC mostrado en la figura, la batería tiene una fem de 4 V y una resistencia interna de 1Ω. Sabiendo que R 1 = 3Ω y R 2 = 2Ω, C1 = 2 μF; C2 = 8 μF; C3 = 4 μF; y C4 = 6 μF. Determine: (a) La intensidad de corriente a través de la resistencia R 1, (b) Las cargas en las armaduras de cada uno de los capacitores después de un tiempo muy grande y (c) la potencia entregada al circuito por la batería.

94. En el circuito mostrado en a figura cuando el interruptor K se abre el amperímetro marca 100 mA. Determine: (a) el valor de la resistencia desconocida R (b) la intensidad de corriente en cada una de las resistencias y c) la diferencia de potencial entre los puntos B y C. Rta: (a) 67,95Ω; (b)

98. En el circuito eléctrico mostrado en la figura. la batería tiene una fem  = 5  y una resistencia 338

CAPITULO VII

2013


interna de  = 1 . Las resistencias son R 1 = 3 Ω, R 2 = 4 Ω y R 3 = 2 Ω. Determine las cargas en cada una de las placas de cada uno de los capacitores.

102. En el circuito mostrado en la figura el amperímetro

99. En el circuito RC de la figura se coloca el

103. Los condensadores del circuito mostrado en la

ideal indica el paso de una intensidad de corriente de 3A dirigida de a hacia b. Encuentre: (a) la intensidad de corriente que pasa a través de los resistores de 8 Ω y 3 Ω y (b) la lectura del voltímetro ideal.

interruptor K en la posición A en el instante t = 0 s y después de una constante de tiempo (1τ) se pasa a la posición B. Determine: (a) el régimen transitorio completo de corriente y (b) el régimen transitorio de carga. Desprecie las resistencias internas de las baterías.

figura están inicialmente descargados. El interruptor S se cierra primero y después se cierra el interruptor K. (a) ¿Cuál es la corriente en la batería inmediatamente después de cerrar S?. (b) ¿Cuál es la intensidad de corriente de la batería un tiempo largo después de cerrar ambos interruptores?. (c) ¿Cuáles son las cargas finales en los condensadores? Y (d) Después de un tiempo prolongado se abre el interruptor K. ¿Cuál sería la corriente en el resistor de 150 Ω en función del tiempo? Rta: (a) 120mA; (b) 40mA; (c) Q 1 = 80μC, Q2 = 300μC S1 Key = A

100. Halle la resistencia equivalente entre los bornes x e

S2 R1

R2

100Ω

50Ω

Key = B

y de la red mostrada en la figura. R4

V1

C1

12 V

10µF

R3

150Ω

C2

50µF

60Ω

x

R1

R2

R3

40Ω

20Ω

20Ω

R5

20Ω

104. En el circuito eléctrico mostrado en la figura. R6

Determine: (a) Las corrientes en cada una de las fuentes, (b) La diferencia de potencial entre los puntos a y b y (c) La potencia disipada en la resistencia de 15 Ω.

30Ω

y

101. En el circuito eléctrico mostrado en la figura.

Rta: (a) I 1 = 1,15A; I 2 = 1,90A; I 3 =1,055A

Determine: (a) Las corrientes en cada una de las ramas, (b) La diferencia de potencial entre los puntos a y b y (c) La potencia disipada en la resistencia de 5 Ω.

R1

R6

a

20Ω

V2

15Ω

R4

65 V

30Ω

R2

b

V3

15Ω

V1

45 V

R5

75 V

10Ω

R3

R7

20Ω

20Ω

105. En el circuito mostrado en la figura, determine la intensidad de corriente a través de la fuente de tensión.

339

CAPITULO VII


2013

109. El interruptor S ha estado cerrado durante mucho tiempo de tal manera que el circuito eléctrico mostrado en la figura lleva una corriente constante. Considerando que C 1 = 3 μF , C 2 = 6 μF , R1 = 4 kΩ y R2 = 7 kΩ y la potencia entregada a R 2 es de 2,4 W . (a) Determine la carga en cada uno de los capacitores, (b) Suponga que ahora se abre el interruptor. Después de varios milisegundos, ¿Cuánto ha cambiado la carga en C 2?

106. Un tetraedro regular es una pirámide con su base triangular. Si en cada una de sus aristas se encuentran instaladas resistencias iguales de R = 20 Ω con uniones en su cuatro vértices. Una batería de 24 V es instalada a dos de sus vértices de la base del tetraedro. (a) ¿Cuál sería la resistencia equivalente entre dos vértices del tetraedro?. (b) ¿Cuál es la intensidad de corriente a través de la batería?.

107. En el circuito mostrado en la figura, suponga que el interruptor ha estado cerrado durante un tiempo suficientemente largo para que el capacitor se cargue por completo. Determine: (a) la intensidad de corriente en estado estacionario en cada uno de los resistores y (b) la carga Q del capacitor. (c) Ahora el interruptor se abre en t = 0. Escriba una ecuación para la intensidad de corriente a través de la resistencia de 15 Ω como función del tiempo y (d) determine el intervalo de tiempo necesario para que la carga del capacitor se reduzca a un quinto de su valor inicial. S

V1

9V

transmisión de señal eléctrica, como por ejemplo televisión por cable, a un gran número de usuarios. Cada usuario conecta una resistencia de carga R L entre la línea de transmisión y la tierra. Supuestamente la tierra se encuentra a potencial cero y es capaza de conducir corriente de cualquier tamaño entre cualquier conexión a tierra con una resistencia despreciable. Determine la resistencia equivalente entre los terminales del origen de la señal.

C1

R1 Key = A

110. El circuito muestra el modelo de un circuito para la

12kΩ

10µF

R2

15kΩ

R3

3kΩ

Rta. (a) I ∞ = 333mA; (b) Q = 50 μC; (d) t = 0,28s

108. El circuito mostrado en la figura contiene dos

111. Tres bombillas de 60 W, 120 V, están conectadas a

resistencias R 1 = 2 kΩ y R 2 = 3 kΩ, si como dos capacitores, C1 = 2 μF y C2 = 3 μF, conectados a una batería cuya fem es  = 120  . Antes de cerrar el interruptor S los capacitores se encuentran completamente descargados. Determine la carga q 1 q2, en cada uno de los capacitores después de cerrar los interruptores en función del tiempo.

una fuente de potencia de 220, como se muestra en la figura. Determine: (a) la potencia total entregada a las tres bombillas y (b) el voltaje aplicado a cada una de las bombillas. Suponer que la resistencia de cada bombilla es constante (aun cuando la resistencia varía considerablemente con la temperatura).

-167t Rta: q = 360(1 – e-167t )μC 1 = 240(1 – e )μC; q2

340

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2013

112. En el circuito mostrado en la figura, encuentre: (a) la corriente inicial que fluye a través de cada uno de los resistores cuando el interruptor es cerrado, (b) la corriente de régimen estacionario en cada resistor y (c) la energía final almacenada en capacitor y (d) la constante de tiempo capacitiva cuando el interruptor es abierto.

116. El galvanómetro descrito en el problema anterior puede ser utilizado para medir voltajes. En este caso se conecta en serie con el galvanómetro un resistor grande R p como se muestra en la figura. El efecto es limitar la corriente que pase por el galvanómetro cuando se apliquen voltajes elevados. La mayor parte de caída de potencial ocurre en el resistor en serie R P. Determine el valor de R P que permita medir al galvanómetro medir un voltaje aplicado de 100 V con una deflexión de escala completa.

113. (a) Usando argumentos de simetría muestre que la intensidad de corriente a través de cualquier resistor del circuito mostrado es I/3 o I/6. (b) Si cada uno de los resistores tienen una resistencia R, muestre que la resistencia equivalente entre los bornes a y b es R eq = (5/6)R.

117. Suponiendo que un galvanómetro tiene una resistencia interna de 60 Ω y requiere una intensidad de corriente de 0,5 mA para producir una deflexión de la escala completa. ¿Qué resistencia R sh debería conectarse en paralelo con el galvanómetro si la combinación debería utilizarse como un amperímetro el cual permite leer una intensidad de corriente de 100 mA para una deflexión de la escala completa?.

114. Un galvanómetro con una sensibilidad a escala completa de 1 mA requiere de un resistor de 900 Ω en serie para construir un voltímetro cuya lectura a escala completa sea de 1,00 V cuando sus terminales son conectados. ¿Qué resistencia es requerida para convertir al galvanómetro en un voltímetro que permita leer un voltaje de 50,0 V?.

118. Diseñe un voltímetro de rango múltiple capaz de obtener una deflexión de la aguja a escala completa para 1 V ; 10 V y 50 V , utilizando un galvanómetro cuya resistencia interna es de 50 Ω el cual permite una deflexión de la aguja a escala completa para 1 mA.

115. Un galvanómetro, el cual requiere de una intensidad de corriente de 1 mA para una deflexión de la escala completa, que tiene una resistencia interna de 60 Ω, puede ser utilizad o para medir intensidades de corriente mucho mayores. Para permitir que un operador pueda medir corrientes elevadas sin dañar el galvanómetro, se conecta a éste una resistencia muy pequeña (resistencia Shunt) en paralelo como se muestra en la figura permitiendo de esta forma que la mayoría de corriente fluya por la resistencia Shunt. Determine el valor de la resistencia Shunt a utilizar si se quiere medir corrientes de 10 A para una deflexión completa de la escala.

Rta: R 1 = 950 Ω, R 1 = 9 kΩ R 1 = 40 kΩ

119. Diseñe un voltímetro multirango capaz de obtener una deflexión de la aguja a escala completa para 200 mV, 2 V ; 20 V y 600 V , utilizando un galvanómetro cuya resistencia interna es de 5 Ω el cual permite una deflexión de la aguja a escala completa para 0,5 mA.

341

CAPITULO VII


2013

batería de resistencia interna despreciable proporciona una fem de 70 V y que la resistencia interna del galvanómetro es despreciable.

124. El circuito mostrado en la figura corresponde a un potenciómetro. Cuando se utiliza una batería estándar con una fem de 1,0186 V en el circuito y la resistencia entre a y d es de 36 Ω, el galvanómetro marca cero. Si la batería estándar es remplazada por una batería cuya fem es desconocida, el galvanómetro no registra el paso de corriente alguna cuando la resistencia entre a y d es ajustada a 48 Ω. Determine el valor de la fem  .

120. El galvanómetro tiene una resistencia interna de 20 Ω y requiere de 2 mA para una deflexión de la escala completa. ¿Cuáles serán los valores de las resistencias shunt necesarias para los tres rangos indicados.

121. Diseñe un amperímetro rango múltiple capaz de obtener una deflexión de la aguja a escala completa para 20 mA, 200 mA y 10A, utilizando un galvanómetro cuya resistencia interna es de 10 Ω el cual permite una deflexión de la aguja a escala completa para 1 mA.

125. En el circuito mostrado en la figura, la resistencia interna del voltímetro y del amperímetro so Rv = 1k  ; R A = 0,1  .. El resistor R tiene una resistencia de 10  . (a) ¿Cuáles son los valores de la corriente y la diferencia de potencial a través del resistor?. (b) ¿cuáles son la corriente y la diferencia de potencial medidas por el los medidores si se les considera ideales? Rta: (a) 10 A y 99 V

122. El puente de Wheatstone mostrado en la figura es utilizado para hacer medidas precisas de resistencias de alambres de conexión. Si R3 = 1 kΩ y el puente se encuentra balanceado mediante el ajuste de R1 tal que R1 = 2,5 R 2. Determine el valor de la resistencia desconocida R x.

126. En el circuito mostrado en la figura, la resistencia interna del voltímetro y del amperímetro so RV = 1 k  ; R A = 0,1  . El resistor R tiene una resistencia de 10 . (a) ¿Cuáles son los valores de la corriente y la diferencia de potencial a través del resistor?. (b) cuales son la corriente y la diferencia de potencial medidas por los medidores?

Rta: (a) IR = 9,9A; VR = 99V; (b) I R = 9,9A; VR = 100V

123. Suponga que el puente de Wheatstone mostrado en la figura del problema anterior se encuentra no balanceado. Determine la intensidad de corriente que pasa a través del galvanómetro cuando R x = R3 = 7 Ω, R2 = 21 Ω y R1 = 14 Ω. Suponga que la 342

CAPITULO VII


2013

127. Sea el circuito eléctrico mostrado en la figura. Se conocen: r = 1 Ω, R = 10Ω, la resistencia del voltímetro es Rv = 200 Ω. Calcular el error relativo de las indicaciones del voltímetro, el cual se obtiene al suponer que el voltímetro tiene una resistencia infinitamente grande y que por lo tanto no introduce distorsión alguna en el circuito.

130. ¿Cuáles son las lecturas del amperímetro y del voltímetro ideales cuando: (a) el interruptor está abierto, (b) el interruptor está cerrado? Rta: (a) I A = 8,73A; V = 13,1V; (b) I = 9,1A, V = 17V

128. Cada una de las celdas del circuito mostrado tiene una fem de 0,6 V una resistencia interna de r = 0,6  . (a) ¿Cuál es la fem neta del circuito?, (b) ¿Cuál es la resistencia interna total de las baterías del circuito?. (c) ¿Cuál es la resistencia neta de carga del circuito?, (d) ¿Cuál es el voltaje V5 a través del resistor R5?, (e) ¿Cuál es la potencia disipada en el resistor R7?.

131. En la figura ε es una batería con una fem de 120 V ; R1 = 10 Ω, R2 es la espiral del calentador eléctrico y R3 es una lámpara de iluminación la cual disipara una potencia de 1200 W . Si al cerrar el interruptor S el amperímetro indica 12 A. (a) ¿Cuáles son las intensidades de corriente que fluyen por la lámpara y por la espiral del calentador?. (b) ¿Cuáles es el valor de la resistencia de la lámpara de iluminación (c) ¿Cuál es el valor la resistencia de la espiral?. (d) ¿Cuánto tiempo demorará en hervir 500 g de agua en el calentador K si su temperatura inicial es 20°C . Considere que en el calentamiento del agua se invierte el 80% del calor emitido por la espiral. Desprecie la resistencia de la fuente y del amperímetro. (ce,w = 4186 J/kg.°C ). Rta: (a) I 3 = 10A; I 1 = 2A; (b) R 3 = 12Ω; R2 = 50Ω; (d) t = 1030 s

129. ¿Cuál es el valor de la intensidad de corriente en el galvanómetro del puente de Wheatstone no balanceado, mostrado en la figura?. Considere que la resistencia de la fuente de fem es despreciable y la resistencia interna del galvanómetro es 20Ω. Rta: I G = 0,499A

343

CAPITULO VII


2013

132. En el circuito mostrado en la figura V 1 = 20 V y V 2 = 15 V y las resistencias toman los valores siguientes: R1 = R2 = 10 ; R3 = 15 y R4 = R5 = 20  . Determine: (a) la corriente en cada una de las partes del circuito, (b) la potencia en el resistor R 1.

133. En la figura ε es una batería con una f.e.m. de 110

136. Complete la tabla de valores en el circuito

V y una resistencia interna de 5 Ω, K es un calorímetro con 500 g de kerosene. El amperímetro marca 2A, y el voltímetro, 10,8 V . (a) ¿A qué es igual la resistencia de la espiral?. (b) ¿A qué es igual el calor específico del kerosene, si a los 5 minutos de fluir la corriente por la espiral R 1 el kerosene se ha calentado 5ºC?. Considere que en el calentamiento del keroseno se invierte el 80% del calor emitido por la espiral. (c) ¿A qué es igual la resistencia del reóstato R?. El voltímetro y el amperímetro son ideales.

mostrado. Si el voltímetro indica 2,233 V.

Rta: (a) R C; (b) R = 44,5Ω 1 = 5,4Ω; (b) cK = 0,498cal/g°

134. Complete la tabla de valores para el circuito mostrado en la figura

137. En el circuito eléctrico mostrado en la figura y bajo las condiciones de régimen estable. Determine: (a) las intensidades de corriente I 1, I 2 e I3, (b) la carga en el capacitor

135. Complete la tabla de valores en el circuito

Rta: (a) I 1 = 1,38A, I 1 = 0,37A, I 1 = 1,02A; (b) 66μC

mostrado 344

CAPITULO VII

2013


138. En el circuito mostrado. (a) Determine el voltaje a

diferencia de potencial en los puntos 1 y 4 y potencial eléctrico del punto 3.

través del condensador. (b) Si la batería se desconecta, exprese la corriente del condensador en función del tiempo. (c) ¿Cuánto tiempo tardará en descargarse el condensador hasta que la diferencia de potencial a su través sea de un voltio?. (d) Si el condensador se reemplaza por una resistencia de 30 Ω ¿Cuáles son las intensidades de corriente que fluyen por las resistencias.

V3

R4

6

5

7

25Ω

5V

R5

12 V

V4

5Ω

R3 1

-3000t Rta: (a) V C = 20V; (b) I = 0,6e ; (c) t = 998μs

R2 V1

R1

2

V2 20 V

4

20Ω

(d) el

15Ω

0

10Ω

10 V

142. Para el circuito mostrado en la figura el capacitor está inicialmente descargado. Inicialmente S 1 es cerrado. En t = 0 el interruptor S 2 es cerrado manteniendo S 1 cerrado. (a) Determine la intensidad de corriente en R 1 inmediatamente después de cerrado el interruptor S 2; (b) Encuentre la diferencia de potencial cuando t = 1,5τ; (c) Calcular la carga sobre el capacitor en t = ∞; (d) Con el capacitor completamente cargado S 1 es abierto, determine la corriente de descarga así como la constante de tiempo para este proceso.

139. En el circuito mostrado en la figura, obtenga la carga en cada uno de los capacitores cuando se ha alcanzada el régimen permanente.

1

C1

C2

1uF

1uF

R1

4

500Ω

R2

2

C3

S1

3uF

200Ω

V1 10 V

Key = A 3

C6

R1

2uF V2 20 V

5

V1

R3

100 V

150kΩ

S2 Key = B

7

C1 800pF

800Ω

C4

2uF

6

C5

R2

175kΩ

R3

125kΩ

1uF 6 -4200t Rta: (a) 448mA; (c) 43nC; (d) I = 1,8.10 e .

140. En el circuito mostrado en la figura: (a) ¿Cuál debe ser la fem de la batería para que fluya una corriente de 2 A a través de la batería de 5 V , como se muestra?. Es correcta la polaridad de la batería que se indica?. (b) ¿cuánto tiempo toma producir 60 J de energía térmica en el resistor de 10 ?.

143. En el circuito mostrado en la figura el interruptor ha estado abierto por mucho tiempo y el capacitor está descargado. Si en el instante t = 0 es cerrado. Determine: = 150 Ω y en R (a) Las intensidades de corriente en R 3 4 = 70 Ω inmediatamente después de cerrado el interruptor, (b) La diferencia de potencial en el capacitor después de un tiempo t = 2τ después de cerrado el interruptor S; (c) la intensidad de corriente en R 4 = 70 Ω en t = ∞; (d) la carga acumulada en el capacitor en t = ∞ y (e) Si el interruptor ha estado cerrado durante un tiempo largo y luego se abre, determine la corriente en función del . tiempo que pasa a través del resistor de R 4 = 70

141. En el circuito eléctrico mostrado en la figura. Determine: (a) las intensidades de corriente en cada una de las resistencias, (b) la potencia eléctrica en R 3, (c) la 345

CAPITULO VII

S 1

6 Key = A

R1

R1

4

70Ω

Key = A

A

250Ω

R4

150Ω

R3 V

S

R4

5

150Ω

2013


3

150 V

V1

30Ω

R2

R2

175 V

400Ω

R3

300Ω

130µF

C 3mF

C1

147. Tres resistores idénticos R = 100 Ω y un capacitor

2

C = 1 nF están conectados a una batería de resistencia interna despreciable y de 30 voltios de fem, como se muestra en la figura. Los interruptores S1 y S2 están inicialmente cerrados y el interruptor S 3 está inicialmente abierto. Si un voltímetro ideal es conectado como se indica. (a) Determine la lectura del voltímetro. (b) Los interruptores S1 y S2 son ahora abiertos y el interruptor S3 es cerrado. Determine la carga Q almacenada en el capacitor después de que S 3 ha estado cerrado por mucho tiempo.

144.(a) Para el circuito mostrado en la figura el interruptor S es cerrado después de haber permanecido abierto por un tiempo prolongado. (i) ¿cuál es la corriente en R 1 inmediatamente después de cerrar S?, (ii) ¿Cuál es la diferencia de potencial en R 1 para t = ∞?; (iii) ¿Cuál será la carga en el capacitor después de t =1,7τ? (b) Para esta parte el interruptor S es abierto en t = 0, después de haber estado cerrado por mucho tiempo. Calcule la corriente en R 2 después de 1,27.10 -3 s.

V

S

-

+

0.000

Key = A R1 V

500Ω

DC 100MOhm

275Ω

R1 100Ω

R3

135 V

Key = A S1

95Ω

R2

V

125Ω

E

4.5µF

C

Key = B

S2

Key = D

S3

C1

1nF

30 V

R2

100Ω

R3

100Ω

145. El circuito mostrado en la figura está instalado hace mucho tiempo y el voltímetro es ideal. Determine: (a) la corriente a través de cada una de las fuentes de resistencia interna nula, (b) la lectura actual del

148. En el circuito mostrado en la figura

8,00 ;  = 6,00 ; 3 = 4,00 ; y C = 4,0 μF.

El Capacitor se encuentra inicialmente descargado. Si en el instante t = 0 se cierra el interruptor S. (a) halle la corriente en  inmediatamente después de cerrar S, (b) la corriente en cualquier tiempo y (c) la carga final en el capacitor.

voltímetro, (c) la carga en el capacitor C = 1 F. V2

R1 50Ω

V1

20 V C1

1µF

10 V

V

-

0.000

R2 V

+

50Ω

R3

 = 40;  =

50Ω

DC 10MOhm

146. En el circuito mostrado en la figura el interruptor S ha estado abierto por mucho tiempo y entonces es cerrado en t = 0 . (a) ¿Cuáles son las intensidades de corriente en cada resistencia inmediatamente después de cerrar S?. (b) Encuentre la carga y la diferencia de potencial en el capacitor C para t = ∞, (c) la diferencia de potencial en R 3, en el instante t = 2τ (τ es la constante de tiempo capacitiva?. (d) Si ahora se abre S, determine la constante de tiempo capacitiva para la descarga así como la intensidad de corriente de descarga. Considere que

149. En el circuito mostrado en la figura, (a) determine las intensidades de corriente en cada una de las resistencias y (b) la carga en cada uno de los capacitores en estado de régimen estacionario.

346

CAPITULO VII

2013


S

R2

Key = A

R1

150 V

V1

275MΩ

120MΩ

350pF

C1 R3

85MΩ

153. En el circuito eléctrico mostrado en la figura, la corriente I 1 = 3 A, mientras que los valores de ε y R son desconocidos. Determine las corrientes I 2 e I3

150. Para el circuito mostrado en la figura, el interruptor se cierra en t = 0 después de haber estado cerrado por mucho tiempo. (a) Calcular la carga en el capacitor cuando t = ∞; (b) Calcular la corriente en R 1 en t = 2τ; (c) Calcular la constante de tiempo capacitiva para el proceso de carga del capacitor; (d) Después de mucho tiempo de haber estado cerrado S, se abre en un nuevo t = 0, determine la diferencia de potencial en capacitor en cualquier tiempo.

154. En el circuito eléctrico mostrado en la figura. Determine: (a) las intensidades de corriente en cada una de las resistencias, (b) la potencia disipada en cada resistencia.

S Key = A R1 V1

350Ω

R3 R2

175 V

475Ω

40Ω

65pF

C1

151. Para el circuito mostrado en la figura, el interruptor

V1

S

R1

Key = A

125Ω

175 V

R2

20Ω

30Ω

6V

V1

S se cierra en t = 0 después de haber estado cerrado por mucho tiempo. (a) Calcular la carga en el capacitor cuando t = ∞; (b) Calcular la corriente en R 3 en t = ∞; (c) Calcular la corriente en R 1 en t = 0; (d) Calcular la corriente en R 2 en t = 2τ; (e) Calcular la constante de tiempo capacitiva para el proceso de carga del capacitor.

R1

R4

4V

V2

10Ω

155. En el circuito eléctrico mostrado en la figura. Determine: (a) la intensidad de corriente en cada una de las resistencias, (b) la diferencia de potencial entre A y B R4 7Ω

R2

R1

140Ω

R3 C1

170Ω

2Ω

V1

5V

10 V

R5

5Ω

4Ω

R6 R3

152. Para el circuito mostrado en la figura, el interruptor

R2

15 V

V3

3.25µF

V2

A

3Ω

6Ω

B

S se cierra en t = 0 después de haber estado cerrado por mucho tiempo. (a) Calcular la diferencia de potencial en R 1; R 2 y R 3 inmediatamente después de cerrar S; (b) Calcular la diferencia de potencial en R 1; R 2 y R 3 cuando t = ∞; (c) La carga en el capacitor cuando t = ∞; (d) Calcular la constante de tiempo para el proceso de carga así como para el proceso de descarga del capacitor.

156. En el circuito eléctrico mostrado en la figura, el amperímetro da una lectura de 2 A y el voltímetro lee 4 V. Encuentre la fem ε y la resistencia R

347

Chapter Vii. Fisica III. Circuitos de Corriente Continua-1

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