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186 Charles Wheatstone (1802-1875), físico e inventor británico, conocido especialmente por su trabajo en electricidad. Nacido en Gloucester, trabajó de aprendiz en 1816 con su tío, un constructor de instrumentos musicales de Londres. En 1823 heredó el negocio y en 1829 inventó la concertina (familia del Acordeón). Autodidacta en el campo de la ciencia, se convirtió en profesor de filosofía experimental de la Universidad de Londres en 1834, y en 1837, junto con el ingeniero William Fothergill Cooke, patentó el primer telégrafo eléctrico británico. El instrumento eléctrico conocido como Puente de Wheatstone, aunque fue inventado por Samuel Hunter Christie, lleva su nombre porque fue Wheatstone el primero en aplicarlo para la medición de resistencias de los circuitos eléctricos. Otros inventos de Wheatstone son el estereoscopio (1838), un telégrafo gráfico y un péndulo electromagnético. En 1868 fue nombrado sir. ( ÷ ) PPUUEENNTTEE DDEE WWHHEEAATTSSTTOONNEE Es un circuito diseñado para obtener mediciones muy precisas de la resistencia eléctrica. El nombre de Puente de Wheatstone es en honor al físico británico Charles Wheatstone. Este circuito consiste en tres resistencias conocidas y una resistencia desconocida, conectadas entre sí en forma de diamante. Se aplica una corriente continua a través de dos puntos opuestos del diamante (A y C) y se conecta un galvanómetro como detector de cero a los otros dos puntos (B y D). Cuando todas las resistencias se nivelan (G = 0), las corrientes que circulan por los dos brazos del circuito se igualan, lo que elimina el paso de corriente por el galvanómetro. Variando el valor de una de las resistencias conocidas, el puente se puede ajustar a cualquier valor de la resistencia desconocida, que se calcula a partir de los valores de las otras resistencias. Así: CCoommoo nnoo hhaayy ccoorrrriieennttee eenn llaa rraammaa BBDD ((GG == 00)),, eennttoonncceess:: I1 = I2 IX = I3 AAddeemmááss ccoommoo II == 00,, eennttoonncceess VVBB == VVDD,, ddee ttaall mmaanneerraa qquuee:: VAB = VAD ⇒ I1 R1 = IX RX VBC = VDC ⇒ I2 R2 = I3 R3 Simplificando: 33 XX 22 11 RI RI RI RI = Resulta: 3 X 2 1 R R R R = Despejando la resistencia desconocida: 2 31 X R RR R = Electrodinámica III 187 LLEEYYEESS DDEE KKIIRRCCHHHHOOFFFF PPAARRAA RREESSIISSTTEENNCCIIAASS Ø PRIMERA LEY: DE LAS CORRIENTES Ó DE LOS NUDOS: Se basa en el Principio de Conservación de la Carga eléctrica, y dice que: “La suma algebraica de todas las corrientes dirigidas hacia un nudo es cero”. Nudo: Punto donde la corriente se divide en dos o más partes. ΣI = 0 ó ΣIllegan = ΣIsalen Ø SEGUNDA LEY: DE LOS VOLTAJES Ó DE LAS MALLAS: Se basa en el Principio de Conservación de la Energía, y dice que: “La suma algebraica de todos los voltajes tomados en una dirección determinada, alrededor de una malla es igual a cero”. Malla: Trayectoria cerrada en un circuito eléctrico. 0 V =∑ ⇒ ∑∑ =−ε 0RI Para determinar la diferencia de potencial entre dos puntos de una malla, se suele utilizar: ∑∑ =−+− 0RIVV BA ε EFECTO JOULE El equivalente eléctrico del calor es: Q = 0,24 W Donde: Q = calor (cal) W = energía eléctrica (J) EENNEERRGGÍÍAA EELLÉÉCCTTRRIICCAA:: W = ∆V I t = tRI2 = ( ) t R V 2 ∆ Donde: W = energía eléctrica (J) ∆V = tensión eléctrica (V) I = intensidad de corriente eléctrica (I) t = tiempo (s) R = resistencia eléctrica (Ω) Gustav Robert Kirchhoff El físico alemán Gustav R. Kirchhoff formuló dos leyes que permiten obtener el flujo de corriente que recorre las distintas derivaciones interconectadas de un circuito eléctrico. Junto con el químico alemán Robert W. Bunsen, inventó el espectroscopio, lo que les llevó al descubrimiento del cesio y del rubidio. 188 Medidores eléctricos Los medidores eléctricos permiten determinar distintas magnitudes eléctricas. Dos de estos dispositivos son el amperímetro y el voltímetro, ambos variaciones del galvanómetro. En un galvanómetro, un imán crea un campo magnético que genera una fuerza medible cuando pasa corriente por una bobina cercana. El amperímetro desvía la corriente por una bobina a través de una derivación (ilustrada debajo del amperímetro) y mide la intensidad de la corriente que fluye por el circuito, al que se conecta en serie. El voltímetro, en cambio, se conecta en paralelo y permite medir diferencias de potencial. Para que la corriente que pase por él sea mínima, la resistencia del voltímetro (indicada por la línea quebrada situada debajo) tiene que ser muy alta, al contrario que en el amperímetro. PPOOTTEENNCCIIAA EELLÉÉCCTTRRIICCAA:: P = ∆V I = RI2 = ( ) R V 2∆ Donde: W = energía eléctrica (J) ∆V = tensión eléctrica (V) I = intensidad de corriente eléctrica (I) R = resistencia eléctrica (Ω) INSTRUMENTOS DE MEDICIÓN ELÉCTRICA Existen diversos instrumentos de medición eléctrica, tales como, el voltímetro, el amperímetro, el ohmímetro, el vatímetro, etc. En este libro estudiaremos sólo dos de ellos: INSTRUMENTO MIDE SE CONECTA RESISTENCIA INTERNA Voltímetro Diferencia de potencial xy En paralelo Muy alta (si es ideal, infinita) Amperímetro Intensidad de corriente eléctrica En serie Muy baja (si es ideal, cero) X Y 189 Ejemplos Ilustrativos: 1. En el siguiente circuito eléctrico, determine la lectura del amperímetro A. a) 2 A b) 3 A c) 4 A d) 5 A e) 6 A Solución: En el siguiente circuito la intensidad de corriente que pasa por el amperímetro es I1 ; esto es: IA = I1 (1) Es decir que en nuestro problema consiste en determinar I1 • Trabajando con la malla : ABCDA - 2 I1 – 2I1 – 2 I1 - 44 – 2(I1 – I2) = 0 - 8 I1 + 2 I2 = 44 = 0 4 I1 – I2 = -22 (2) • Malla : ADEFA - 2 (I2 – I1) + 44 – 4 I2 + 44 = 0 - 6 I2 + 2 I1 + 88 = 0 I1 – 2 I2 = -44 (3) Solucionando el sistema de ecuaciones dado por las expresiones (2) y (3); esto es: Multiplicando a la expresión (2) por (3) y mostrando la expresión (3), obtenemos: 3(4 I1 – I2) – (I1 – 3 I2) = -66 + 44 12 I1 – 3 I1 – I1 + 3 I2 = -22 11 I1 = -22 → I1 = -2A ⇒ IA = 2A Rpta. a 190 2. En el siguiente circuito, halle la lectura del voltímetro ideal. La resistencia interna de la fuente es de 0,5Ω. a) 10 V b) 12 V c) 14 V d) 16 V e) 18 V Solución: En este circuito, se debe determinar la diferencia de potencial eléctrico entre los puntos M y N; esto es: ∆V = VN – Vn = ? Aplicando la segunda ley de KIRCHHOFF en cada malla, tenemos: • Tomando la malla ABNCDA -12 (I1 – I2) + 28 – 0,5 I1 = 0 -12,5 I1 + 12 I2 + 28 = 0 12,5 I1 – 12 I2 = 28 (1) • Trabajando con la malla EMFCNBE -4 I2 – 12(I2 – I1) = 0 12 I1 – 16 I2 = 0 → 12 I1 = 16 I2 → I2 = (3/4) I1 (2) Reemplazando (2) en (1): 12,5 I1 – 12 x (3/4) I1 = 28 12,5 I1 – 9 I1 = 28 3,5 I1 = 28 ⇒ I1 = 8A Reemplazando en (2): I2 = 6A Trabajando con la parte derecha de la malla superior, esto es: Donde '1I = I1 – I2 =8 – 6 = 2A ⇒ '1I – 2° Aplicando el teorema de la trayectoria: ⇒ VM – 1 x I2 + 10 '1I = VN VM – 6 + 10 x 2 = VN VM + 14 = VN ⇒ VN – VM = 14V ⇒ ∆ VNM = 14 V Rpta. c 191 PROBLEMAS PROPUESTOS 1. Hallar la corriente que circula por R = 3Ω (en Amperios) a) 1 b) 2 c) 3 d) 4 e) 5 2. En el circuito,determine la lectura del amperímetro (en Amperios) a) 2 b) 4 c) 5 d) 6 e) 8 3. En el circuito, calcular la corriente que circula por R =4Ω. (en Amperios) a) 1 b) 2 c) 3 d) 4 e) 5 4. Si la intensidad de la corriente por R = 2Ω es 6A. Determine Vxy en voltios a) 10 b) 20 c) 30 d) 40 e) 50 5. Calcular lo que marca el amperímetro, si el voltímetro marca 40v. Instrumentos ideales. a) 2A b) 4A c) 6A d) 8A 12V 2Ω 12Ω 3Ω 6Ω 3Ω 2Ω 6Ω 9Ω 6Ω x y A 10Ω 20Ω 10Ω V V A 13V 2Ω 1Ω 3Ω 17v 4Ω 4Ω 2Ω 1Ω 3Ω 2Ω 6Ω I = 4A V 192 e) 10A 6. En el circuito, calcular Vxy (en V) a) 0,5 b) 1 c) 1,5 d) 2,0 e) 2,5 7. En la figura, determine la resistencia equivalente (en Ω) entre A y B a) 2R/3 a) 3R/2 b) 4R/3 c) 5R/3 d) 7R/3 8. Calcula la intensidad de corriente (en Amperios) que fluye por la resistencia de 10Ω a) 0,2 b) 0,4 c) 0,3 d) 0,6 e) 0,5 9. Cada batería posee un voltaje de 8v. ¿Cuál es el voltaje (en V) entre a y b a) 40 b) 60 c) 32 d) 16 e) 24 10. En el circuito, determine la potencia (en W) disipada en la resistencia de 3 Ω a) 5/16 b) 16/5 c) 3/16 d) 16/3 R R R R A B R R R R 7v 12v 6v 10Ω 40Ω 30Ω 5Ω 20V 4Ω 2Ω 1Ω 10V 20V 3Ω X Y 2Ω 3Ω 6Ω 12V 2Ω E E E E E E b E E E a E 193 1 1 2 I 2 16V 8V24V 1 7 5 S 10V R1 2RA B V + - e) 16/6 11. En el siguiente tramo de circuito determinar la corriente (I) que fluye si se sabe que VA = 40V VB = 100V, V =140V, R1 = R2 = 20 Ω a) 1A b) 2A c) 3A d) 4A e) 5A 12. En el circuito mostrado hallar la corriente I a) 1A b) 3A c) 3A d) 4A e) 5A 13. Al cabo de que tiempo de cerrar la llave “S” hervirá el agua que inicialmente estaba a 40°C siendo su masa 576 g a) 1hora b) 2 horas c) 3 horas d) 4 horas e) 5 horas 14. La figura muestra parte de un circuito, si el amperímetro ideal indica 3A y el potencial eléctrico del punto A es 29V, el potencial del punto B será: a) 12V b) 10V c) 31V d) 39V e) 17V. 194