Tarea 3

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Universidad de Guadalajara.
Centro Universitario de Ciencias Exactas e Ingeniería.
Ingeniería Mecánica Eléctrica.
Circuitos Eléctricos I.
Tarea # 3. Fenómeno transitorio en bobinas y capacitores.
Díaz López Mario Alan.
Juárez Correa Sergio
Orozco Eguia Miguel esteban.
Arciniega Ríos Francisco.
Fenómenos Transitorios Eléctricos.
Al hablar de un fenómeno transitorio en los componentes de un circuito se refiere que cuando al menos uno de los componentes de un circuito eléctrico cambia alguna de sus propiedades, se inicia una etapa en la que también se modifican las variables que describen el estado del circuito (corrientes de ramas o mallas, o diferencias de tensión entre nodos), tendiendo hacia un estado de equilibrio compatible con dicho cambio.
Los cambios que con mayor frecuencia se estudian en los cursos de Electricidad y Magnetismo son debidos a la apertura o cierre de llaves eléctricas (Interruptores) Pero también pueden considerarse modificaciones bruscas de los valores de resistencias, capacitores, inductancias y/o fuentes que lo compongan.
Mientras las variables eléctricas evolucionan hacia el equilibrio, se dice que el circuito se encuentra en estado o régimen transitorio. Si no ocurren nuevos cambios, finalmente se alcanza el denominado estado, o régimen, estacionario. La frontera entre ambos estados es difusa, pero como se verá, pueden establecerse criterios cuantitativos basados en los valores de los componentes del circuito, que permiten distinguir, convencionalmente, entre ambos.
Un régimen transitorio es entonces aquella respuesta de un circuito eléctrico que se extingue en el tiempo, en contraposición al régimen permanente, que es la respuesta que permanece constante hasta que se varía, bien el circuito o bien la excitación del mismo.
Riesgos y Utilidad de los Fenómenos Transitorios.
Desde el punto de vista tecnológico, los transitorios son de gran importancia. Se producen en todos los circuitos (el encendido ya es un transitorio) y se suelen extinguir de forma natural sin causar problemas, pero existen casos donde se deben limitar pues pueden provocar un mal funcionamiento o incluso la destrucción de algún componente. Debe prestarse atención a los transitorios principalmente en las siguientes situaciones:
· Encendido. Transitorios en las líneas de alimentación pueden destruir algún componente. En los amplificadores operacionales o circuitos cmos puede presentarse el fenómeno de Latch-up ó enclavamiento.
· Conmutación de inductancias: relés, motores, actuadores electromagnéticos... Son peligrosos para el elemento de potencia que los gobierna. Se suelen proteger con diodos.
· Líneas de transmisión. En líneas de transmisión incorrectamente adaptadas se producen reflexiones que, en el caso de circuitos digitales, se comportan como transitorios. También estas líneas son susceptibles de captar ruidos de diversa procedencia que se acoplan a ellas llevando la señal fuera del margen de funcionamiento. Algunas familias digitales incluyen fijadores de nivel para proteger las entradas de estos transitorios.
Pero los transitorios también son útiles. Se utilizan en temporizadores, multivibradores, osciladores de relajación, fuentes de alimentación conmutadas, etc. En estos circuitos se produce algún tipo de conmutación en el circuito que es la que produce el transitorio. Cuando éste alcanza cierto nivel, se produce una nueva conmutación que genera otro transitorio.
Capacitancia.
Un capacitor tiene una capacitancia de 1 farad si 1 coulomb de carga es depositado dentro de las placas por una diferencia de potencial de 1V entre las placas.
C= donde;
C= Farads.
Q= Coulombs.
V= Volts.
Capacitor.
Un capacitor o también conocido como condensador es un dispositivo capaz de almacenar  energía a través de campos eléctricos (uno positivo y uno negativo). Este se clasifica dentro de los componentes pasivos ya que no tiene la capacidad de amplificar o cortar el flujo eléctrico.
Los capacitores se utilizan principalmente como filtros de corriente continua, ya que evitan cambios bruscos y ruidos en las señales debido a su funcionamiento.
 Placas metálicas: Estas placas se encargan de almacenar las cargas eléctricas.
 Dialéctico o aislante: Sirve para evitar el contacto entre las dos placas.
 Carcasa de plástico: Cubre las partes internas del capacitor.
Tipos de Capacitores
Existen diferentes tipos de capacitores ya sea por su tipo de material, por su construcción, su funcionamiento:
Electrolíticos.
Cuanto con dos polos, uno positivo y uno negativo .Sus aplicaciones está relacionadas con las fuentes de alimentación o para filtros. Para identificar la terminal de estos dispositivos solo basta con buscar la franja de color dentro de la carcasa o también identificando la terminal más corta.
Cerámicos.
No tiene polaridad, y tienen un código impreso en sus caras, los primeros dos números indica el valor y el tercer número es el número de ceros que se le agrega. Se utilizan para filtros, osciladores o para acoplar diferentes circuitos.
Tipo película.
 El material utilizado para este capacitor es el plástico, son no polarizados  y tienen un capacidad de auto reparación, se utilizan principalmente en aplicaciones de audio.
Tipo mica.
 Se utilizan cuando se requiere una gran estabilidad, ya sea por temperatura o por tiempo, también cuándo se tiene una carga eléctrica alta.
Súper capacitores.
 Estos capacitores son como los electrolíticos pero almacenan miles de veces más la energía, los convencionales por los regular están en el orden de los micro-faradios y estos súper-capacitores pueden llegar al orden de los 3,000 faradios.
Variables.
 Estos capacitores tienen la ventaja de poder variar su valor dentro de los rangos establecidos por la fabricación. Esto se logra gracias al deslizamiento  de las placas conductoras.Se utilizan en filtros y en aplicaciones de sintonización.
Conexión en serie de capacitores.
Este tipo de agrupamiento se puede sustituir por un capacitor equivalente (semejanza con la resistencia en paralelo);
Esta equivalencia siempre será menor al valor de los capacitores de menor valor del agrupamiento.
Para caso especial de dos capacitores en serie, la ecuación queda como;
La carga en cada capacitor individual es igual a la carga del capacitor equivalente;
+carga en cada capacitor individual es ogiaul a la carga del capacitor equivalente ;la resistencia en paralelo) ;rencia de pot
La ecuación anterior nos indica que la diferencia de potencial V, que proporcionaría la batería será igual a la diferencias de potencial en cada capacitor.
Conexión en paralelo de capacitores.
Este tipo de agrupamiento se puede sustituir por un capacitor equivalente como;
Esta equivalencia siempre será mayor a la que es mayor de los capacitores del agrupamiento.
Todos están conectados a la misma diferencia de potencial, por lo tanto;
+carga en cada capacitor individual es ogiaul a la carga del capacitor equivalente ;la resistencia en paralelo) ;rencia de pot
Circuitos de Primer Orden.
Los circuitos de primer orden son circuitos que contienen solamente un componente que almacena energía (puede ser un condensador o inductor), y que además pueden describirse usando solamente una ecuación diferencial de primer orden. Los dos posibles tipos de circuitos primer orden:
Circuito RC (Resistor y Condensador).
Circuito RL (Resistor e Inductor).
Circuitos RC.
Son circuitos activos formados por elementos resistivos y capacitivos. Se analiza el comportamiento de este circuito durante un periodo de tiempo transitorio.
Carga del capacitor.
Cuando se conecta la alimentación en un circuito RC (y en otros tipos de circuitos también) existe un período de tiempo durante el cual se producen variaciones en las corrientes y tensiones. A este período se lo llama régimen transitorio. Luego de un tiempo correspondiente a 5 constantes de tiempo, el circuito adquiere sus características definitivas, período conocido como régimen estable.
La constante de tiempo en un circuito RC se calcula como:
 τ =Constante de tiempo [segundos] R = Resistencia [Ω] C = Capacidad [F]
Al cerrar el circuito, en un primer momento no hay cargas en las placas del capacitor. Las primeras cargas se ubican en las placas con facilidad por lo que la corriente es máxima (el capacitor funciona como un conductor). Por la misma razón no hay diferencia de potencial entre los bornes del capacitor (como no la hay en un conductor).
A medida que van acumulándose más cargas, las mismas encuentran mayor dificultad debido a que son del mismo signo y se repelen. Por lo tanto la corriente cada vez es menor y aumenta la diferencia de potencial entre los bornes del capacitor.
Llega un momento en el que no hay prácticamente corriente que circule a través del capacitor debido a que la fuente no puede seguir transfiriendo cargas al mismo, comportándose como un circuito abierto. Por lo tanto la tensión en el capacitor es máxima.
Valor durante la carga en un circuito RC.
Corriente en el circuito.
Tensión sobre la resistencia.
Tensión sobre el capacitor.
Valores durante la descarga en un circuito RC.
Corriente en el circuito.
Tensión sobre la resistencia.
Tensión sobre el capacitor.
Bobinas.
Una bobina (inductor) es un elemento pasivo el cual es el encargado de generar su autoinducción, también capaz de generar su propio campo magnético.
La bobina está constituida por diversos elementos: Alambre o hilo de cobre esmaltado (usualmente se usa aluminio). Núcleo de aire o ferrosos (dependiendo la capacidad de magnetismo que le quieras dar)
Tipos de Bobinas.
Bobinas Fijas.
Como su nombre lo indica este tipo de bobina su valor es fijo y dentro de este grupo podemos encontrar bobinas con núcleo de aire y núcleo sólido.
Núcleo de Aire.
El conductor se arrolla sobre un soporte hueco y posteriormente se retira este quedando con un aspecto parecido al de un muelle. Este tipo de bobinas tienen baja incubación y se utilizan para señales de alta frecuencia como por ejemplo circuitos de radio, tv, transmisores.
Bobinas de Núcleo Solido.
Dentro de este grupo podemos encontrar diferentes tipos de núcleos ya sea hierro y ferrita.
Núcleo de Hierro.
Cuando es necesario un valor elevado de inductancia se construyen este tipo de bobinas con un alma en forma de “E” y “l” así se evitan perdidas de energía.
Núcleo de Ferrita.
El elemento ideal para los circuitos integrados gracias a su elevada inductancia y pequeño tamaño, son fabricados en forma de “E”.
Bobinas toroidales.
Las bobinas toroidales tienen una forma geométrica especial para su núcleo fabricado de ferrita y debido a esa forma presentan una gran eficiencia.
Actualmente se utilizan con mucha frecuencia en circuitos de filtro y en todo tipo de transformadores.
Régimen Transitorio de la Inductancia.
Cuando es conectada una fuente de voltaje en serie con una resistencia y una bobina (un inductor), el inductor se resiste al cambio de corriente y por tanto la corriente incrementa lentamente. Actuando de acuerdo con la ley de Faraday y la ley de Lenz, la cantidad de impedancia con respecto al crecimiento de la corriente es proporcional a la tasa de cambio de la corriente. Esto es, entre más rápido trates de hacer que cambie, más se resiste al cambio. La corriente se incrementa hasta el valor que tendría con solo el resistor estando presente porque una vez que la corriente deja de cambiar, el inductor no opondría ninguna impedancia. La tasa de este incremento es caracterizado por la constante de tiempo L/R. Establecer una corriente en un inductor almacena energía en la forma de un campo magnético formado por el embobinado del inductor. 
Carga de una Bobina.
Los inductores tienen las características exactamente opuestas a aquellas de un capacitor. Donde los capacitores almacenan energía en un campo eléctrico (producido por el voltaje entre dos placas), los inductores almacenan energía en un campo magnético. Por tanto, mientras la energía en un capacitor trata de mantener un voltaje constante a través de sus terminales, la energía almacenada en una bobina trata de mantener una corriente constante a través de sus devanados. 
Una bobina completamente descargada (sin campo magnético), sin corriente pasando a través de él, actuara inicialmente como un circuito abierto cuando se conecte a una fuente de voltaje (mientras trata de mantener cero corriente pasando), causando una caída total de voltaje entre sus terminales. Con el paso del tiempo, la corriente en la bobina se incrementa hasta el máximo valor permitido por la resistencia en serie, y la caída de voltaje a través de sus terminales cae correspondientemente. Una vez que esto sucede, la corriente a través de la bobina permanecerá en el máximo nivel, y esta se comportara esencialmente como un corto circuito. Voltaje del inductor
Tiempo transcurrido (segundos)
Cuando se cierra el interruptor, el voltaje a traves de la bobina inmediatamente sera el de la fuente de voltaje (actuando como un circuito abierto), y decaera hacía cero conforme al paso del tiempo (eventualmente actuando como si fuera un corto circuito).
La corriente por tanto comenzara siendo cero y progresivamente aumentara hasta que sea igual al valor del voltaje de la fuente de corriente dividido entre la resistencia del circuito.
Si se desconecta la fuente de voltaje del circuito el comportamiento es el opuesto, el colapso del campo magnetico en el inductor se opondra al cambio en el flujo de corriente atravez de el, lentamente disipando la energía almacenada a traves del resistor en el circuito, tal que la corriente que proporciona y el voltaje que ahora suministra la bobina lentamente disminuiran.
Descarga de una Bobina.
Una vez que se desconecta la fuente de poder del circuito y la bobina esta completamente cargada, la energía almacenada en la bobina será descargada hacía una carga resistiva (en esté caso al resistor en serie). La corriente continuará fluyendo en la misma dirección y gradualmente se reducirá a cero, al igual que el voltaje a traves de la bobina. 
Algo notable es que si la bobina es desconectada de la fuente de poder y no está conectada a ninguna carga, la corriente se detendría abruptamente debido a la falta de un circuito completo, estó causaria un fenomeno analogo al ariete de agua en el que el repentino cierre de una valvula puede generar un aumento desmedido de la presión de agua, en este caso es equivalente a un inmenso incremento del voltaje a través de las terminales de la bobina, como puede develarse de las ecuaciones mostradas arriba, y se podría observar un arco electrico o chispa en las terminales del interrupto, este fenomeno es aprovechado por ejemplo en las bobinas de los automoviles para generar el voltaje necesario para causar una chispa en las bujias para el encendido de la mezcla de aire y combustible dentro de los cilindros.
 
Bibliografía
Boylestad, R. L. (1972). Introductory Circuit Analysis (Vol. 2). Queensborough: Columbus Ohio.
Dirind. (s.f.). Obtenido de https://www.dirind.com/dim/monografia.php?cla_id=13
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Nave, M. O. (Agosto de 2000). Hyperphysics. Obtenido de http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbasees/hph.html
Ousafzai, S. (20 de Agosto de 2018). Electric Shocks. Obtenido de https://electric-shocks.com/rl-circuit-analysis/