Relación tensión‑corriente y características de componentes pasivos y activos en circuitos eléctricos

Características v‑i de los componentes pasivos y activos de los circuitos eléctricos

Se denominan componentes electrónicos a los dispositivos que forman parte de un circuito. Por su estructura física se pueden clasificar en discretos —aquellos que se encapsulan uno a uno (resistencia, condensador, etc.)— e integrados, que son los que contienen varios componentes discretos en un solo encapsulado, pudiendo llegar a ser de millones.

Clasificación por forma de funcionamiento

Por su forma de funcionamiento existen dos clasificaciones principales:

• Pasivos: Son aquellos que absorben energía. Ejemplos: resistencia, capacitor, inductor, diodo (en su comportamiento pasivo en ciertas condiciones), etc.
• Activos: Son aquellos que entregan o generan energía; actúan como fuentes de energía. Ejemplos: baterías, generadores, op‑amp (amplificador operacional), etc. Estos elementos a su vez pueden clasificarse según diversos criterios:

Clasificación de las fuentes

• Por su dependencia respecto al tiempo:
  • Fuentes de continua
  • Fuentes de alterna
• Por su aplicación en el circuito:
  • Fuentes ideales
  • Fuentes reales
• Por su valor:
  • Fuentes independientes
  • Fuentes dependientes

Leyes de Kirchhoff

Las leyes de Kirchhoff permiten aplicar la ley de Ohm en redes complejas que incluyen varias mallas y múltiples fuentes de voltaje. Se aplican en una red eléctrica que consta de cierto número de trayectorias cerradas (mallas) por donde circula corriente.

Primera ley de Kirchhoff (Ley de corrientes)

La suma de las corrientes que entran en una unión (nodo) es igual a la suma de las corrientes que salen de esa unión. En forma algebraica, la suma de todas las corrientes que entran y salen de un nodo es igual a cero.

Segunda ley de Kirchhoff (Ley de tensiones)

La suma de las fuerzas electromotrices (FEM, voltajes) alrededor de cualquier malla cerrada es igual a la suma de todas las caídas de tensión IR alrededor de dicha malla. En forma algebraica, la suma de todas las variaciones de potencial alrededor de una malla = 0.

Relaciones entre corriente y voltaje

La corriente es la intensidad o cantidad de carga eléctrica (electrones) que circula por un conductor, mientras que el voltaje es la diferencia de potencial que impulsa a las cargas a desplazarse. El movimiento de cargas sometidas a una resistencia genera disipación de energía en forma de calor.

Condensadores e inductores

Condensador (capacitor)

El condensador, o capacitor, es un elemento de dos terminales que consta de dos placas conductoras que almacenan cargas eléctricas separadas por un material aislante (dieléctrico).

El valor de la capacitancia es proporcional a la permitividad del dieléctrico y al área de las placas, e inversamente proporcional a la separación entre ellas. La fórmula es:

C = εk (A / d)

donde:

• C = capacitancia en faradios (F).
• ε = permitividad del vacío (ε₀), ε₀ = 8.85 × 10^-12 C²/(N·m²) = F/m.
• k = constante dieléctrica (permitividad relativa) del material.
• A = área de las placas en metros cuadrados (m²).
• d = separación entre las placas en metros (m).

Ejemplo: Calcular la capacidad de un condensador formado por dos placas paralelas de 820 cm² de superficie, con un dieléctrico de mica de 1 mm de espesor. Considere la constante dieléctrica de la mica k = 5.4.

Conversión de unidades: 820 cm² = 0.0820 m²; d = 1 mm = 0.001 m.

C = ε₀ · k · (A / d)

C = 8.85 × 10^-12 · 5.4 · (0.0820 / 0.001)

C = 3.9187 × 10^-9 F = 3.9187 nF

Inductancia

Inductor: Se define como un elemento de dos terminales que consta de un embobinado de N vueltas para introducir inductancia en un circuito eléctrico.

La inductancia es la propiedad de un dispositivo eléctrico por la cual una corriente variable con el tiempo induce un voltaje a través del dispositivo.

Fórmula para una bobina uniforme aproximada:

L = (N² μ S) / l

donde:

• L = inductancia (H).
• N = número de vueltas.
• μ = permeabilidad magnética del núcleo (H/m). Para el vacío, μ₀ = 4π × 10^-7 H/m.
• S = área de la sección transversal (m²).
• l = longitud del núcleo o del solenoide (m).

En el ejemplo del documento se indica el procedimiento:

Primero: A = π r² = π (0.005)²

l = 0.09 m

Ahora sustituimos:

L = (4π × 10^-7 H/m · 120² · (π (0.005)²)) / 0.09

L = 1.579 × 10^-5 H = 0.00001579 H

Reluctancia

Reluctancia

En las máquinas eléctricas se usan circuitos de materiales ferromagnéticos para conducir los campos magnéticos necesarios para su funcionamiento. El uso de este material se debe a que tienen una permeabilidad mucho más alta que el aire y, por tanto, el campo magnético tiende a permanecer dentro del material.

Reluctancia: Es la resistencia que un medio o circuito ofrece al paso del flujo magnético cuando es influenciado por un campo magnético. En un circuito magnético, la reluctancia desempeña un papel análogo al de la resistencia eléctrica en un circuito eléctrico. Su unidad se puede expresar como amperio·vueltas / weber (A·vueltas/Wb).

En un circuito magnético uniforme, la reluctancia está dada por:

R = l / (μ A)

donde:

• R = reluctancia (A·vueltas / Wb).
• l = longitud del circuito magnético (m).
• μ = permeabilidad magnética del material (H/m o Wb/(A·m)).
• A = área de la sección del núcleo magnético (m²).

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