Rodrigo Ricardo

Circuito en serie: cálculo de caídas de voltaje con la ley de Ohm

Publicado el 4 noviembre, 2020

Una analogía de la montaña rusa

Imagina que tuvieras que impulsar un carro a través de una montaña rusa vendiendo una bicicleta estacionaria. Suena divertido para tus amigos, ¡pero bastante miserable para ti! La pista comienza en una gran elevación, baja la colina y luego vuelve a subir hasta donde comenzó. A lo largo del camino, la pista presenta irregularidades que resisten el movimiento del carro.

Esta es una analogía de cómo funciona un circuito en serie. La pista es el cable, el carro es el flujo de corriente, las partes rugosas de la pista son resistencias y tú pedaleando la bicicleta eres la batería. Desarrollemos esta analogía con un estudio en profundidad de un circuito en serie.

Circuitos en serie

Un circuito en serie es un circuito en el que la corriente eléctrica solo tiene una vía desde el terminal positivo de una batería, a través de al menos una resistencia, y de regreso al terminal negativo de la batería. Este diagrama muestra un circuito en serie básico como el que acabamos de describir:

circuito en serie

La batería empuja la corriente desde el terminal positivo a través de cada resistencia y de regreso al terminal negativo. En la analogía de la montaña rusa, no tendrías que pedalear cuando el carro salga de la parte superior de la montaña rusa: la gravedad hace el trabajo por ti. La corriente eléctrica también se mueve naturalmente de alto potencial a bajo potencial, pero es potencial eléctrico. Usted y la batería deben trabajar para hacer que el carro y la corriente pasen de un potencial bajo a un potencial alto. El siguiente diagrama muestra la diferencia de potencial de la batería y la resistencia de cada resistencia:

series_w_numbers

Cuando la corriente fluye a través de una resistencia, hay una caída de voltaje. El lado de la resistencia más cercano al lado de alto potencial de la batería (el terminal +) tiene un potencial más alto que el lado opuesto de la resistencia. La caída de voltaje es causada por la resistencia que usa la energía eléctrica para hacer algo como encender un motor. Usaremos la ley de Ohm y la regla de bucle de Kirchhoff para determinar las caídas de voltaje en las resistencias.

Ley de Ohm y regla de bucle de Kirchhoff

La ley de Ohm es la ecuación V = IR , donde V es para voltaje en voltios, I es para corriente en amperios (o amperios o A) y R es para resistencia en ohmios (o Ω). No podemos usar esta ecuación solo porque no conocemos la corriente a través de las resistencias. Aquí es donde entra la regla de Kirchhoff.

El voltaje es un cambio en el potencial eléctrico. Si arrancamos y nos detenemos en la misma ubicación en un circuito, no hay cambio de voltaje. Es como el carro moviéndose a través de una sección plana de la pista de la montaña rusa. El cambio de elevación es cero. En el lenguaje formal de la física, la regla del bucle de Kirchhoff establece que en un bucle cerrado, el cambio de voltaje es cero.

Tenemos que trazar un camino (recuerde que solo hay uno) a través del circuito y luego escribir el voltaje para cada resistencia y batería a lo largo del camino. Cuando nos movemos en la dirección del flujo de corriente, los voltajes a través de las resistencias son negativos.

Pasar del terminal negativo de la batería al terminal positivo es un aumento de voltaje, por lo que es positivo. Sumar todos estos voltajes y establecerlo igual a cero nos permitirá resolver la corriente en el circuito. Analicemos nuestro circuito de ejemplo para determinar el cambio de voltaje en cada resistor.

Análisis de circuitos

El siguiente diagrama muestra el bucle que seguiremos en el análisis del circuito:

lazo

Partiendo del punto rojo, nos movemos junto con la corriente hacia la derecha y llegamos a la resistencia de 20Ω. El voltaje a través de esta resistencia es negativo, ya que nos estamos moviendo desde el lado alto potencial para el lado de bajo potencial y está representado por -20 I . Hacemos lo mismo con las otras dos resistencias. El siguiente diagrama muestra la ecuación de voltaje para cada resistor:

Diagrama 4

Cuando llegamos a la batería, vamos del terminal negativo (potencial cero) al terminal positivo, que son 20 voltios de potencial eléctrico. ΔV es el potencial final – potencial inicial, que es 20 V – 0 V = +20 V. Ahora podemos sumar todos estos voltajes y establecer la suma igual a cero.

-20 yo + (-30 yo ) + (-40 yo ) + 20 = 0

Combinando términos semejantes y resolviendo para I , obtenemos:

-90 I = -20

Yo ≈ 0.22 A

Ahora podemos volver a cada resistor y conectar el amperaje en su ecuación de voltaje como se muestra en el siguiente diagrama:


Diagrama 5
calc

Observe que la suma de los voltajes en cada resistencia es aproximadamente igual al voltaje de la batería. Si no redondeamos el valor actual, la suma de los voltajes en cada resistor sería igual al voltaje de la batería.

Resumen de la lección

Repasemos lo que hemos aprendido …

Un circuito en serie es aquel en el que solo hay una ruta para que la corriente pase a través de las resistencias y la batería. Las baterías proporcionan una diferencia de potencial al circuito que empuja la corriente desde el lado de alto potencial de la batería (el +, o terminal positivo), a través de las resistencias, y de regreso al lado de bajo potencial de la batería (el -, o negativo, terminal). Las resistencias usan la corriente para hacer algo como encender un motor.

La ley de Ohm es V = IR y la regla de bucle de Kirchhoff establece que la suma de voltajes en un bucle cerrado debe ser igual a cero. Cada voltaje es negativo a través de una resistencia en un circuito en serie porque las resistencias utilizan la energía eléctrica proporcionada por la batería. Cuando se mueve en un bucle alrededor del circuito comenzando desde el lado positivo de la batería, el voltaje de cada resistencia es – IR , y la batería es el valor positivo de su voltaje. Sumar todos estos voltajes dará una ecuación con I como la única variable. Así es como se determina el valor actual en el circuito, que se puede volver a conectar a IR para que cada resistencia obtenga su caída de voltaje.

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