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Circuitos eléctricos

AP Física C: Electricidad y Magnetismo · Tema 11

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8:44

Circuitos eléctricos

Enciendes un interruptor, y la lámpara se enciende al instante. Así que los electrones deben estar corriendo por el cable —¿verdad? Para nada. Dentro de ese cable de cobre, los portadores avanzan lentamente…

Narración en inglés · Subtítulos en inglés + 中文 quemados en pantalla

11.1

Corriente Eléctrica

Syllabus

Objetivo de aprendizaje 11.1.A: Describir el movimiento de cargas eléctricas a través de un medio.

  • 11.1.A.1 La corriente es la tasa a la que la carga pasa a través de un área transversal de un cable.
    • Ecuación: $I = \dfrac{dq}{dt}$
    • 11.1.A.1.i La corriente dentro de un conductor consiste en portadores de carga que viajan a través del conductor con una velocidad de deriva promedio.
      • Ecuación: $I = nqv_d A$
    • 11.1.A.1.ii La carga eléctrica se mueve en un circuito en respuesta a una diferencia de potencial eléctrico, a veces referida como fuerza electromotriz, o $\mathrm{emf}$ ($\mathcal{E}$).
    • 11.1.A.1.iii Si la corriente es cero en una sección de cable, el movimiento neto de los portadores de carga en el cable también es cero, aunque los portadores de carga individuales no tendrán velocidad cero.
  • 11.1.A.2 La densidad de corriente es el flujo de carga por unidad de área.
    • Ecuación: $I = \int \vec{J} \cdot d\vec{A}$
    • 11.1.A.2.i La densidad de corriente está relacionada con el movimiento de los portadores de carga dentro de un conductor.
      • Ecuación: $\vec{J} = nq\vec{v}_d$
    • 11.1.A.2.ii La densidad de corriente es una cantidad vectorial.
    • 11.1.A.2.iii Una diferencia de potencial a través de un conductor crea un campo eléctrico dentro del conductor que es proporcional a la resistividad del conductor y a la densidad de corriente.
      • Ecuación: $\vec{E} = \rho\vec{J}$
  • 11.1.A.3 Si se da una función de densidad de corriente, la corriente total puede determinarse integrando la densidad de corriente sobre el área.
    • Ecuación: $I_{\text{tot}} = \int \vec{J}(r) \cdot d\vec{A}$
  • 11.1.A.4 Aunque la corriente es una cantidad escalar, tiene una dirección. Debido a que su dirección es relativa al portador de corriente y no al espacio, la corriente no obedece las leyes de adición vectorial y no tiene componentes vectoriales.
    • 11.1.A.4.i La dirección de la corriente convencional se elige para ser la dirección en la que se movería la carga positiva.
    • 11.1.A.4.ii En circuitos comunes, la corriente se debe realmente al movimiento de electrones (portadores de carga negativa).

Fuente: College Board AP Course and Exam Description

La corriente eléctrica 电流 es la tasa a la que la carga pasa por una sección transversal de un alambre, $I=\dfrac{dq}{dt}$, medida en amperios 安培. La corriente convencional apunta en la dirección en que se movería la carga positiva. Microscópicamente, una corriente es un lento arrastre de muchos portadores:

$$I=nqv_dA,$$

donde $n$ es el número de portadores por unidad de volumen, $q$ la carga que lleva cada uno, $v_d$ la velocidad de deriva 漂移速度, y $A$ el área de la sección transversal 横截面积.

Los portadores de carga derivan lentamente a través de un conductor para generar una corriente
Los portadores de carga derivan lentamente a través de un conductor para generar una corriente

Ejemplo resuelto. Un alambre de cobre con $A=1.0\times10^{-6}\ \text{m}^2$ y $n=8.5\times10^{28}\ \text{m}^{-3}$ transporta $1.7\ \text{A}$. Entonces $v_d=\dfrac{I}{nqA}=\dfrac{1.7}{(8.5\times10^{28})(1.6\times10^{-19})(1.0\times10^{-6})}\approx1.3\times10^{-4}\ \text{m/s}$ – los portadores se mueven más despacio que una caracola, aunque la señal viaje cerca de la velocidad de la luz.

La densidad de corriente 电流 densidad es el flujo de carga por unidad de área, $\vec{J}=nq\vec{v}_d$, relacionada con el campo que la impulsa mediante $\vec{E}=\rho\vec{J}$. En general, $I=\int\vec{J}\cdot d\vec{A}$; si $J(r)$ varía a lo largo del alambre, integre sobre la sección transversal para obtener la corriente total. Un punto de atención: la corriente tiene una dirección a lo largo de su cable, pero es una escalar 标量 – las corrientes no se suman como vectores, y no existen "componentes de corriente".

Un osciloscopio: el voltaje contra el tiempo revela cómo evolucionan la corriente y la carga en un circuito
Un osciloscopio: el voltaje contra el tiempo revela cómo evolucionan la corriente y la carga en un circuito
Vocabulario Entrenar
Inglés Chino Pinyin
Electric current/ɪˈlektrɪk ˈkʌrənt/ 电流 diàn liú
amperes/ˈæmpeəz/ 安培 ān péi
drift velocity/drɪft vəˈlɒsɪti/ 漂移速度 piāo yí sù dù
cross-sectional area/krɒs ˈsekʃənl ˈeərɪə/ 横截面积 héng jié miàn jī
Current density/ˈkʌrənt ˈdensɪti/ 电流密度 diàn liú mì dù
scalar/ˈskeɪlə/ 标量 biāo liàng
circuit diagram/ˈsɜːkɪt ˈdaɪəɡræm/ 电路图 diàn lù tú
series/ˈsɪəriːz/ 串联 chuàn lián
11.2

Circuitos Eléctricos

Syllabus

Objetivo de aprendizaje 11.2.A: Describir el comportamiento de un circuito.

  • 11.2.A.1 Un circuito está compuesto por bucles eléctricos, que pueden incluir cables, baterías, resistencias, bombillas, condensadores, inductores, interruptores, amperímetros y voltímetros.
  • 11.2.A.2 Un bucle eléctrico cerrado es un camino cerrado a través del cual las cargas pueden fluir.
    • 11.2.A.2.i Un circuito cerrado es aquel en el que las cargas podrían fluir.
    • 11.2.A.2.ii Un circuito abierto es aquel en el que las cargas no podrían fluir.
    • 11.2.A.2.iii Un cortocircuito es aquel en el que las cargas podrían fluir sin cambio en la diferencia de potencial.
  • 11.2.A.3 Un único elemento de circuito puede formar parte de múltiples bucles eléctricos.
  • 11.2.A.4 Los esquemas de circuitos son representaciones utilizadas para describir y analizar circuitos eléctricos.
    • 11.2.A.4.i Las propiedades de un circuito eléctrico dependen de la disposición física de sus elementos constitutivos.
    • 11.2.A.4.ii Los elementos del circuito tienen símbolos comunes que se utilizan para crear diagramas esquemáticos. Los elementos variables se indican mediante una flecha diagonal tachada sobre el símbolo estándar de ese elemento. (Símbolos: Batería, Bombilla, Interruptor, Condensador, Resistencia, Amperímetro, Voltímetro, Inductor.)

Declaración de límite: A menos que se indique lo contrario, todos los diagramas esquemáticos de circuitos se dibujarán utilizando corriente convencional.

Fuente: College Board AP Course and Exam Description

Un circuito es un conjunto de bucles cerrados construidos con cables, baterías, resistencias, focos, capacitores, inductores, interruptores y medidores; la carga solo puede fluir alrededor de un camino cerrado. Un elemento puede pertenecer a varios bucles a la vez – eso es lo que hace interesantes los problemas de múltiples bucles. Todo análisis comienza leyendo el diagrama del circuito 电路图: tracee cada bucle e identifique qué elementos comparten la misma corriente (en serie 串联) y cuáles comparten la misma diferencia de potencial (en paralelo 并联).

Explorar

Construir circuitos en serie y paralelo

En serie, la misma corriente fluye a través de cada bombilla y el voltaje se divide; en paralelo, cada rama recibe el voltaje completo. Cambia el modo para ver cómo cambia el brillo de las bombillas.

11.3

Resistencia, Resistividad y Ley de Ohm

Syllabus

Objetivo de aprendizaje 11.3.A: Describir la resistencia de un objeto utilizando sus propiedades físicas.

  • 11.3.A.1 La resistencia es una medida del grado en que un objeto se opone al movimiento de la carga eléctrica.
  • 11.3.A.2 La resistencia de un resistor con geometría uniforme es proporcional a su resistividad y a su longitud, e inversamente proporcional a su área transversal.
    • Ecuación: $R = \dfrac{\rho\ell}{A}$
    • 11.3.A.2.i La resistividad es una propiedad fundamental de un material que depende de su estructura atómica y molecular, y cuantifica qué tan fuertemente el material se opone al movimiento de la carga eléctrica.
    • 11.3.A.2.ii La resistividad de un conductor típicamente aumenta con la temperatura.
    • 11.3.A.2.iii La resistencia total de un resistor con geometría uniforme, pero fabricado con un material cuya resistividad varía a lo largo de su longitud, viene dada por $R = \int \dfrac{\rho(\ell)\,d\ell}{A}$.

Objetivo de aprendizaje 11.3.B: Describir las características eléctricas de los elementos de un circuito.

  • 11.3.B.1 La ley de Ohm relaciona la corriente, la resistencia y la diferencia de potencial a través de un elemento conductor de un circuito.
    • Ecuación: $I = \dfrac{\Delta V}{R}$
    • 11.3.B.1.i Los materiales que obedecen la ley de Ohm tienen una resistencia constante para todas las corrientes y se denominan materiales óhmicos.
    • 11.3.B.1.ii La resistividad de un material óhmico es constante independientemente de la temperatura.
    • 11.3.B.1.iii Los resistores también pueden convertir energía eléctrica en energía térmica, lo cual puede alterar la temperatura tanto del resistor como de su entorno.
    • 11.3.B.1.iv La resistencia de un elemento de circuito óhmico puede determinarse a partir de la pendiente de una gráfica de la corriente en el elemento en función de la diferencia de potencial a través del mismo.

Fuente: College Board AP Course and Exam Description

La resistencia 电阻 mide cuán fuertemente un objeto se opone al flujo de carga. Crece con la resistividad 电阻率 del material y la longitud del conductor, y disminuye con su área:

$$R=\frac{\rho\,\ell}{A}.$$

La ley de Ohm 欧姆定律 relaciona la corriente a través de un elemento con la diferencia de potencial a través de él:

$$I=\frac{\Delta V}{R}.$$
Un conductor más largo tiene más resistencia; uno más ancho tiene menos
Un conductor más largo tiene más resistencia; uno más ancho tiene menos

Ejemplo resuelto. Estire un alambre para duplicar su longitud: el volumen es fijo, así que el área se reduce a la mitad, y $R=\rho\ell/A$ se convierte en $\rho(2\ell)/(A/2)=4R$ – cuatro veces la resistencia. Un elemento es ohmico 欧姆性 si $R$ permanece constante (una línea recta por el origen en una gráfica de $I$–$\Delta V$); un filamento de foco, que se calienta, no lo es.

Explorar

Aplicar la ley de Ohm

Ley de Ohm $V=IR$: para una resistencia fija, la corriente es proporcional al voltaje. Aumenta la resistencia y el mismo voltaje impulsa menos corriente.

Vocabulario Entrenar
Inglés Chino Pinyin
resistivity/ˌriːzɪˈstɪvəti/ 电阻率 diàn zǔ lǜ
Ohm's law/əʊmz lɔː/ 欧姆定律 ōu mǔ dìng lǜ
ohmic/ˈəʊmɪk/ 欧姆性 ōu mǔ xìng
equivalent resistance/ɪˈkwɪvələnt rɪˈzɪstəns/ 等效电阻 děng xiào diàn zǔ
ideal battery/aɪˈdɪəl ˈbætəri/ 理想电池 lǐ xiǎng diàn chí
internal resistance/ɪnˈtɜːnl rɪˈzɪstəns/ 内阻 nèi zǔ
terminal voltage/ˈtɜːmɪnl ˈvəʊltɪdʒ/ 端电压 duān diàn yā
ammeter/ˈæmiːtə/ 电流表 diàn liú biǎo
voltmeter/ˈvəʊltmiːtə/ 电压表 diàn yā biǎo
Kirchhoff's loop rule/ˈkɜːkhɒfs luːp ruːl/ 基尔霍夫回路定则 jī ěr huò fū huí lù dìng zé
Kirchhoff's junction rule/ˈkɜːkhɒfs ˈdʒʌŋkʃn ruːl/ 基尔霍夫节点定则 jī ěr huò fū jié diǎn dìng zé
junction/ˈdʒʌŋkʃn/ 节点 jié diǎn
equivalent capacitance/ɪˈkwɪvələnt kəˈpæsɪtəns/ 等效电容 děng xiào diàn róng
RC circuit/ˌɑː ˈsiː ˈsɜːkɪt/ RC电路 RC diàn lù
time constant/taɪm ˈkɒnstənt/ 时间常数 shí jiān cháng shù
steady state/ˈstedi steɪt/ 稳态 wěn tài
11.4

Potencia Eléctrica

Syllabus

Objetivo de Aprendizaje 11.4.A: Describir la transferencia de energía hacia, desde o dentro de un circuito eléctrico en términos de potencia.

  • 11.4.A.1 La tasa a la que la energía es transferida, convertida o disipada por un elemento de circuito depende de la corriente en el elemento y de la diferencia de potencial eléctrico a través de él.
    • Ecuación: $P = I\Delta V$
    • Ecuación: $P = I^2 R = \dfrac{\Delta V^2}{R}$
  • 11.4.A.2 El brillo de una bombilla aumenta con la potencia; por lo tanto, la potencia puede usarse para predecir cualitativamente el brillo de las bombillas en un circuito.

Declaración de límite: AP Physics C: Electricidad y Magnetismo solo espera que los estudiantes analicen la transferencia de energía mecánica y eléctrica, aunque los estudiantes deben tener en cuenta que la energía eléctrica también puede disiparse en forma de energía térmica.

Fuente: College Board AP Course and Exam Description

Una carga $q$ que cae a través de una diferencia de potencial $\Delta V$ cede energía $q\Delta V$, por lo que la tasa de transferencia de energía en un elemento es

$$P=I\,\Delta V=I^2R=\frac{(\Delta V)^2}{R}.$$

En una resistencia toda se convierte en calor. Use la forma cuyas cantidades realmente conoce – y use la potencia para clasificar el brillo de los focos: más brillante = más potencia, no necesariamente más resistencia. En serie, la resistencia mayor es más brillante ($P=I^2R$, misma $I$); en paralelo, la menor lo es ($P=\Delta V^2/R$, mismo $\Delta V$).

Explorar

Leer una característica I-V

La potencia es $P=IV$. La línea I-V de un resistor es recta, pero una lámpara se curva al calentarse y su resistencia aumenta. El área bajo I-V se relaciona con la energía entregada.

11.5

Circuitos de Corriente Directa Compuestos

Syllabus

Objetivo de aprendizaje 11.5.A: Describir la resistencia equivalente de múltiples resistores conectados en un circuito.

  • 11.5.A.1 Los elementos del circuito pueden estar conectados en serie y/o en paralelo.
    • 11.5.A.1.i Una conexión en serie es aquella en la que cualquier carga que pase por un elemento del circuito debe continuar a través de todos los elementos de esa conexión y no tiene otra ruta disponible. La corriente en cada elemento en serie debe ser la misma.
    • 11.5.A.1.ii Una conexión en paralelo es aquella en la que las cargas pueden pasar por una de dos o más rutas. A través de cada ruta, la diferencia de potencial es la misma.
  • 11.5.A.2 Un conjunto de resistores en un circuito puede analizarse como si fuera un solo resistor con una resistencia equivalente $R_{\text{eq}}$.
    • 11.5.A.2.i La resistencia equivalente de un conjunto de resistores en serie es la suma de las resistencias individuales.
      • Ecuación: $R_{\text{eq},s} = \sum_{i} R_i$
    • 11.5.A.2.ii El inverso de la resistencia equivalente de un conjunto de resistores conectados en paralelo es igual a la suma de los inversos de las resistencias individuales.
      • Ecuación: $\dfrac{1}{R_{\text{eq},p}} = \sum_{i} \dfrac{1}{R_i}$
    • 11.5.A.2.iii Cuando los resistores están conectados en paralelo, el número de rutas disponibles para las cargas aumenta, y la resistencia equivalente del grupo de resistores disminuye.

Objetivo de aprendizaje 11.5.B: Describir un circuito con cables resistivos y una batería con resistencia interna.

  • 11.5.B.1 Las baterías ideales tienen resistencia interna despreciable. Los cables ideales tienen resistencia despreciable.
    • 11.5.B.1.i La resistencia de los cables que son buenos conductores normalmente puede despreciarse, porque su resistencia es mucho menor que la de otros elementos de un circuito.
    • 11.5.B.1.ii La resistencia de los cables solo puede despreciarse si el circuito contiene otros elementos que sí tienen resistencia.
    • 11.5.B.1.iii La diferencia de potencial que una batería suministraría si fuera ideal es la diferencia de potencial medida entre los terminales cuando no hay corriente en la batería y a veces se le conoce como su $\mathrm{emf}$ ($\mathcal{E}$).
  • 11.5.B.2 La resistencia interna de una batería no ideal puede tratarse como la resistencia de un resistor en serie con una batería ideal y el resto del circuito.
  • 11.5.B.3 Cuando hay corriente en una batería no ideal con resistencia interna $r$, la diferencia de potencial entre los terminales de la batería se reduce en comparación con la diferencia de potencial cuando no hay corriente en la batería.
    • Ecuación: $\Delta V_{\text{terminal}} = \mathcal{E} - Ir$

Objetivo de aprendizaje 11.5.C: Describir la medición de corriente y diferencia de potencial en un circuito.

  • 11.5.C.1 Los amperímetros se utilizan para medir la corriente en un punto específico de un circuito.
    • 11.5.C.1.i Los amperímetros deben conectarse en serie con el elemento en el que se está midiendo la corriente.
    • 11.5.C.1.ii Los amperímetros ideales tienen resistencia cero para que no afecten la corriente en el elemento con el que están en serie.
  • 11.5.C.2 Los voltímetros se utilizan para medir la diferencia de potencial eléctrico entre dos puntos en un circuito.
    • 11.5.C.2.i Los voltímetros deben conectarse en paralelo con el elemento entre cuyos extremos se está midiendo la diferencia de potencial.
    • 11.5.C.2.ii Los voltímetros ideales tienen resistencia infinita para que no fluya carga a través de ellos.
  • 11.5.C.3 Los amperímetros y voltímetros no ideales cambiarán las propiedades del circuito que se está midiendo.

Declaración de límite: A menos que se indique lo contrario, se asume que todas las baterías, cables y medidores son ideales. No se evaluarán circuitos con baterías de diferentes diferencias de potencial conectadas en paralelo.

Fuente: College Board AP Course and Exam Description

Reduzca las redes de resistencias a una resistencia equivalente 等效电阻: las resistencias en serie se suman ($R_{\text{eq}}=R_1+R_2+\cdots$), mientras que las resistencias en paralelo se suman como recíprocos ($\tfrac{1}{R_{\text{eq}}}=\tfrac{1}{R_1}+\tfrac{1}{R_2}+\cdots$ – siempre menor que la rama más pequeña). Reduzca la red paso a paso para encontrar la corriente de la batería, luego expanda hacia atrás para encontrar la corriente y el voltaje de cada elemento.

Ejemplo resuelto. Una batería de $12\ \text{V}$ impulsa una resistencia de $4.0\ \Omega$ y otra de $2.0\ \Omega$ en serie: $R_{\text{eq}}=6.0\ \Omega$, $I=2.0\ \text{A}$, los voltajes se dividen en $8.0\ \text{V}$ y $4.0\ \text{V}$, y la resistencia de $4.0\ \Omega$ disipa $P=I^2R=16\ \text{W}$.

Las resistencias en paralelo se combinan para dar una resistencia equivalente menor
Las resistencias en paralelo se combinan para dar una resistencia equivalente menor

Las baterías reales no son ideales. Modelice una batería como una batería ideal 理想电池 de fuerza electromotriz $\varepsilon$ en serie con su propia resistencia interna 内阻 $r$. Cuando circula corriente, parte de la fem se consume internamente, por lo que el voltaje terminal 端电压 – lo que realmente lee un voltímetro conectado a los terminales de la batería – disminuye:

$$\Delta V_{\text{terminal}}=\varepsilon-Ir.$$

Ejemplo resuelto. Una batería con $\varepsilon=12\ \text{V}$ y $r=0.50\ \Omega$ suministra $2.0\ \text{A}$: los terminales están a $\Delta V=12-2.0(0.50)=11\ \text{V}$. Sin corriente, un voltímetro lee los $12\ \text{V}$ completos.

Medidores: un amperímetro 电流表 va en serie en el punto cuya corriente desea medir (amperímetro ideal: resistencia cero); un voltímetro 电压表 va en paralelo a través del elemento (voltímetro ideal: resistencia infinita). Los medidores no ideales alteran el circuito que miden – un amperímetro real añade resistencia en serie, un voltímetro real roba corriente.

Vocabulario Entrenar
Inglés Chino Pinyin
parallel/ˈpærəlel/ 并联 bìng lián
Resistance/rɪˈzɪstəns/ 电阻 diàn zǔ
11.6

Regla de Mallas de Kirchhoff

Syllabus

Objetivo de aprendizaje 11.6.A: Describir un circuito o elementos de un circuito aplicando la regla de las mallas de Kirchhoff.

  • 11.6.A.1 Los cambios de energía en circuitos eléctricos simples pueden representarse en términos de cargas que se mueven a través de diferencias de potencial eléctrico dentro de los elementos del circuito.
    • Ecuación: $\Delta U_E = q\Delta V$
  • 11.6.A.2 La regla de las mallas de Kirchhoff es una consecuencia de la conservación de la energía.
    • 11.6.A.2.i La regla de las mallas de Kirchhoff establece que la suma de las diferencias de potencial a través de todos los elementos del circuito en una sola malla cerrada debe ser igual a cero.
      • Ecuación: $\sum \Delta V = 0$
    • 11.6.A.2.ii Los valores del potencial eléctrico en puntos de un circuito pueden representarse mediante una gráfica del potencial eléctrico en función de la posición dentro de una malla.

Fuente: College Board AP Course and Exam Description

Las cargas que se mueven a través de diferencias de potencial intercambian energía ($\Delta U_E=q\Delta V$), y la energía debe equilibrarse alrededor de cualquier camino cerrado. Esa es la regla de mallas de Kirchhoff 基尔霍夫回路定则:

$$\sum\Delta V=0\ \text{around any closed loop}.$$

El rigor con los signos gana estos problemas: cruzar una batería de $-$ a $+$ es $+\varepsilon$; cruzar una resistencia en la dirección de la corriente asumida es $-IR$ (en contra, $+IR$). Escriba una ecuación por cada malla independiente.

11.7

Regla de Nodos de Kirchhoff

Syllabus

Objetivo de aprendizaje 11.7.A: Describir un circuito o elementos de un circuito aplicando la regla de los nodos de Kirchhoff.

  • 11.7.A.1 La regla de los nodos de Kirchhoff es una consecuencia de la conservación de la carga eléctrica.
  • 11.7.A.2 La regla de los nodos de Kirchhoff establece que la cantidad total de carga que entra en un nodo por unidad de tiempo debe ser igual a la cantidad total de carga que sale de ese nodo por unidad de tiempo.
    • Ecuación: $\sum I_{\text{in}} = \sum I_{\text{out}}$

Fuente: College Board AP Course and Exam Description

La regla de nodos de Kirchhoff 基尔霍夫节点定则 es la conservación de la carga en un nodo 节点:

$$\sum I_{\text{in}}=\sum I_{\text{out}}.$$
La corriente se divide en un nodo: lo que entra es igual a lo que sale
La corriente se divide en un nodo: lo que entra es igual a lo que sale

Juntas, las dos reglas resuelven cualquier circuito de múltiples mallas: asigne una corriente a cada rama, escriba ecuaciones de nodo, luego ecuaciones de malla, y resuelva. Una respuesta negativa simplemente significa que la corriente fluye en dirección opuesta a su dirección asumida.

Dos ecuaciones de malla y una ecuación de nodo resuelven este circuito de dos baterías
Dos ecuaciones de malla y una ecuación de nodo resuelven este circuito de dos baterías

Ejemplo resuelto. En el circuito anterior, $\varepsilon_1=12\ \text{V}$ con $R_1=1.0\ \Omega$ a la izquierda, $\varepsilon_2=9.0\ \text{V}$ con $R_2=1.0\ \Omega$ a la derecha, y una resistencia central compartida $R_3=2.0\ \Omega$ que transporta $I_3=I_1+I_2$ (regla de nodo). Las dos ecuaciones de malla son

$$12=I_1+2(I_1+I_2)=3I_1+2I_2,\qquad 9=I_2+2(I_1+I_2)=2I_1+3I_2.$$

Resolviendo: $I_1=3.6\ \text{A}$, $I_2=0.60\ \text{A}$, por lo tanto $I_3=4.2\ \text{A}$ a través del centro. Verifique con la segunda malla: $2(3.6)+3(0.60)=9.0$ ✓.

11.8

Circuitos Resistor-Capacitor (RC)

Syllabus

Objetivo de Aprendizaje 11.8.A: Describir la capacitancia equivalente de múltiples capacitores.

  • 11.8.A.1 Un conjunto de capacitores en un circuito puede analizarse como si fuera un único capacitor con una capacitancia equivalente $C_{\text{eq}}$.
    • 11.8.A.1.i El inverso de la capacitancia equivalente de un conjunto de capacitores conectados en serie es igual a la suma de los inversos de las capacitancias individuales.
      • Ecuación: $\dfrac{1}{C_{\text{eq},s}} = \sum_{i} \dfrac{1}{C_i}$
    • 11.8.A.1.ii La capacitancia equivalente de un conjunto de capacitores en serie es menor que la capacitancia del capacitor más pequeño.
    • 11.8.A.1.iii La capacitancia equivalente de un conjunto de capacitores en paralelo es la suma de las capacitancias individuales.
      • Ecuación: $C_{\text{eq},p} = \sum_{i} C_i$
  • 11.8.A.2 Como resultado de la conservación de la carga, cada uno de los capacitores en serie debe tener la misma magnitud de carga en cada placa.

Objetivo de Aprendizaje 11.8.B: Describir el comportamiento de un circuito que contiene combinaciones de resistores y capacitores.

  • 11.8.B.1 La carga en un capacitor o la corriente en un resistor en un circuito RC pueden describirse mediante una ecuación diferencial fundamental derivada de la regla de mallas de Kirchhoff.
    • Ecuación: $\mathcal{E} = \dfrac{dq}{dt}R + \dfrac{q}{C}$
  • 11.8.B.2 La constante de tiempo ($\tau$) es una característica significativa de un circuito RC.
    • 11.8.B.2.i La constante de tiempo de un circuito RC es una medida de qué tan rápidamente se cargará o descargará el capacitor y se define como $\tau = R_{\text{eq}}C_{\text{eq}}$.
    • 11.8.B.2.ii Para un capacitor que se carga, la constante de tiempo representa el tiempo necesario para que la carga del capacitor aumente desde cero hasta aproximadamente el 63 % de su valor asintótico final.
    • 11.8.B.2.iii Para un capacitor que se descarga, la constante de tiempo representa el tiempo necesario para que la carga del capacitor disminuya desde totalmente cargado hasta aproximadamente el 37 % de su valor inicial.
  • 11.8.B.3 La diferencia de potencial a través de un capacitor y la corriente en la rama del circuito que contiene al capacitor cambian con el tiempo a medida que el capacitor se carga y descarga, pero ambos alcanzarán un estado estable después de un largo intervalo de tiempo.
    • 11.8.B.3.i Inmediatamente después de ser colocado en un circuito, un capacitor sin carga actúa como un cable, y la carga puede fluir fácilmente hacia o desde las placas del capacitor.
    • 11.8.B.3.ii A medida que un capacitor se carga, los cambios en la diferencia de potencial a través del capacitor afectan la carga en las placas del capacitor, la corriente en la rama del circuito en la que se encuentra el capacitor y la energía potencial eléctrica almacenada en el capacitor.
    • 11.8.B.3.iii La diferencia de potencial a través de un capacitor, la corriente en la rama del circuito en la que se encuentra el capacitor y la energía potencial eléctrica almacenada en el capacitor cambian todas con respecto al tiempo y se aproximan asintóticamente a condiciones de estado estable.
    • 11.8.B.3.iv Después de un largo tiempo, un capacitor que se carga se aproxima a un estado de estar completamente cargado, alcanzando una diferencia de potencial máxima a la cual hay cero corriente en la rama del circuito en la que se encuentra el capacitor.
    • 11.8.B.3.v Inmediatamente después de que un capacitor cargado comienza a descargarse, la cantidad de carga en el capacitor y la energía almacenada en el capacitor comienzan a disminuir.
    • 11.8.B.3.vi A medida que un capacitor se descarga, la cantidad de carga en el capacitor, la diferencia de potencial a través del capacitor y la corriente en la rama del circuito en la que se encuentra el capacitor disminuyen todas hasta que se alcanza un estado estable.
    • 11.8.B.3.vii Después de cargar o descargar durante tiempos mucho mayores que la constante de tiempo, el capacitor y la rama del circuito relevante pueden modelarse utilizando condiciones de estado estable.

Fuente: College Board AP Course and Exam Description

Descarga de un capacitor: τ = RC
Carga de un capacitor (RC)

Las redes de capacitores se reducen como resistencias pero con las reglas intercambiadas: las capacitancias en paralelo se suman ($C_{\text{eq}}=C_1+C_2$), en serie se suman como recíprocos – y los capacitores en serie deben transportar la misma carga en cada placa, por conservación de carga. Use la capacitancia equivalente 等效电容 para analizar la red, luego expanda hacia atrás.

En un circuito RC RC电路, la regla de mallas de Kirchhoff da la ecuación diferencial

$$\varepsilon=R\frac{dq}{dt}+\frac{q}{C},$$

cuyas soluciones son exponenciales con constante de tiempo 时间常数 $\tau=RC$:

$$q(t)=Q\big(1-e^{-t/RC}\big)\ \text{(charging)},\qquad q(t)=Q\,e^{-t/RC}\ \text{(discharging)},\qquad i(t)=\frac{\varepsilon}{R}e^{-t/RC}.$$

La corriente es máxima en el primer instante y decae – nunca "espera" al capacitor. Aprenda los dos límites: en $t=0$ un capacitor descargado actúa como un cable simple (corriente máxima); después de mucho tiempo está completamente cargado, no circula corriente en su rama, y actúa como una ruptura. En cualquier estado estacionario 稳态, tape la rama del capacitor con el dedo, resuelva el circuito de resistencias, luego lea el voltaje del capacitor desde el elemento al que está conectado.

La carga en un capacitor decae exponencialmente mientras se descarga
La carga en un capacitor decae exponencialmente mientras se descarga

Ejemplo resuelto. Con $R=5.0\ \text{k}\Omega$, $C=200\ \mu\text{F}$, y una batería de $10\ \text{V}$: $\tau=RC=1.0\ \text{s}$; corriente inicial $\dfrac{\varepsilon}{R}=2.0\ \text{mA}$; después de una constante de tiempo la carga es $q=CV(1-e^{-1})\approx1.3\times10^{-3}\ \text{C}$, aproximadamente el $63\%$ de la carga completa, y la corriente ha descendido al $37\%$ de su valor inicial.

Un circuito electrónico construido sobre una protoboard
Un circuito real en una protoboard: una resistencia y un capacitor juntos determinan qué tan rápido sube y baja el voltaje
11.8

Consejos para el examen

  • Relacione la corriente con el flujo de carga $I=\tfrac{dQ}{dt}$ y use $J=\sigma E$, $R=\tfrac{\rho L}{A}$ para la resistencia.
  • Aplique las leyes de Kirchhoff (nodo: carga; malla: energía) con convenciones de signo consistentes.
  • Analice los circuitos RC con cálculo: la carga y descarga dan exponenciales con constante de tiempo $\tau=RC$.
  • Combine resistencias (serie se suman, paralelo recíprocos) y rastree la potencia $P=IV=I^2R$.
  • En $t=0$ un capacitor actúa como un cable; después de mucho tiempo ($t\to\infty$) actúa como una rama abierta.

Lecciones interactivas sobre este tema

Trátalo paso a paso, con ejercicios de verificación instantánea.

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