1. OCTAVA EDICINPrincipios decircuitos elctricosFLOYD

2. PRINCIPIOS DECIRCUITOS ELCTRICOSOctava edicinThomas L. FloydTRADUCCINRodolfo Navarro SalasIngeniero MecnicoUniversidad Nacional Autnoma de MxicoREVISIN TCNICALuis Mauro Ortega GonzlezIngeniero Mecnico ElectricistaInstituto Tecnolgico y de Estudios Superiores de MonterreyCampus Estado de MxicoGustavo Prez LpezMaestro en CienciasInstituto Tecnolgico y de Estudios Superiores de MonterreyCampus Estado de Mxico 3. Datos de catalogacin bibliogrficaFLOYD, THOMAS L.Principios de circuitos elctricos. Octava edicinPEARSON EDUCACIN, Mxico, 2007ISBN: 978-970-26-0967-4rea: IngenieraFormato: 21 27 cm Pginas: 968Authorized translation from the English language edition, entitled Principles of electric circuits by Thomas L. Floyd published by PearsonEducation, Inc., publishing as PRENTICE HALL, INC., Copyright 2007. All rights reserved.ISBN 0-13-170179-7Traduccin autorizada de la edicin en idioma ingls, Principles of electric circuits por Thomas L. Floyd, publicada por Pearson Education,Inc., publicada como PRENTICE-HALL INC., Copyright 2007. Todos los derechos reservados.Esta edicin en espaol es la nica autorizada.Edicin en espaolEditor: Luis Miguel Cruz Castilloe-mail: luis.cruz@pearsoned.comEditor de desarrollo: Bernardino Gutirrez HernndezSupervisor de produccin: Jos D. Hernndez GarduoEdicin en inglsAcquisitions Editor: Kate LinsnerProduction Editor: Rex DavidsonDesign Coordinator: Diane ErnsbergerEditorial Assistant: Lara DimmickCover Designer: Candace RowleyCover art: GettyProduction Manager: Matt OttenwellerSenior Marketing Manager: Ben LeonardMarketing Assistant: Les RobertsSenior Marketing Coordinator: Liz FarrellOCTAVA EDICIN 2007D.R. 2007 por Pearson Educacin de Mxico, S.A. de C.V.Atlacomulco 500, 5 pisoCol. Industrial Atoto53519 Naucalpan de Jurez, Edo. de MxicoE-mail: editorial.universidades@pearsoned.comCmara Nacional de la Industria Editorial Mexicana. Reg. Nm. 1031.Prentice Hall es una marca registrada de Pearson Educacin de Mxico, S.A. de C.V.Reservados todos los derechos. Ni la totalidad ni parte de esta publicacin pueden reproducirse, registrarse o transmitirse, por un sistema derecuperacin de informacin, en ninguna forma ni por ningn medio, sea electrnico, mecnico, fotoqumico, magntico o electroptico,por fotocopia, grabacin o cualquier otro, sin permiso previo por escrito del editor.El prstamo, alquiler o cualquier otra forma de cesin de uso de este ejemplar requerir tambin la autorizacin del editor o de susrepresentantes.ISBN 10: 970-26-0967-4ISBN 13: 978-970-26-0967-4Impreso en Mxico. Printed in Mexico.1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 - 10 09 08 07 4. DEDICATORIAUna vez ms, a SheilaCon amor 5. PREFACIOLa octava edicin de Principios de circuitos elctricos proporciona una cobertura completa y di-rectade los fundamentos de componentes y circuitos elctricos. Explica y aplica las leyes funda-mentalesy los mtodos de anlisis de circuitos en diversos circuitos bsicos. Hace hincapi enaplicaciones, muchas de las cuales son nuevas en esta edicin, y la mayor parte de los captuloscontiene una seccin especial llamada Una aplicacin de circuito. Localizacin de fallas conti-nasiendo una parte importante de esta edicin, y muchos captulos incluyen una seccin espe-cialdedicada al tema.Lo nuevo en esta edicin La disposicin y el diseo del texto Archivos Multisim para ejemplos seleccionados Archivos Multisim 8, adems de Multisim 2001 y Multisim 7, para Localizacin de fallasy Anlisis de problemas La cobertura de fasores se cambi al captulo 11, Introduccin a la corriente alterna y alvoltaje alternos La cobertura de nmeros complejos se cambi al captulo 15, Circuitos RC Problemas nuevos en la mayor parte de los captulos Numerosas mejoras a lo largo del texto Innovadoras diapositivas en Power Point para cada captulo, disponibles en el CD-ROManexoCaractersticas Cada captulo inicia con un esquema de los temas a tratar, los objetivos del captulo, unalista de trminos clave, una referencia al sitio Web y una pequea introduccin. Cada seccin comienza con una introduccin y sus objetivos El apartado Una aplicacin de circuito al final de la mayor parte de los captulos Abundantes ilustraciones de alta calidad Biografas cortas de personajes clave en la historia de la electricidad Notas de seguridad localizadas en puntos apropiados a lo largo del texto e identificadasmediante un logotipo especial Gran cantidad de ejemplos resueltos Un Problema relacionado en cada ejemplo resuelto con sus respuestas al final del captulo Repasos de seccin con respuestas al final del captulo 6. VI PREFACIO La seccin Localizacin de fallas a lo largo de todo el libro. Un Resumen al final de cada captulo. Los Trminos clave se definen al concluir cada captulo y aparecen tambin en el glosariogeneral del libro. Una Lista de frmulas al finalizar cada captulo. Autoevaluacin y Respuestas por captulo. Un Examen de dinmica de circuitos que pone a prueba la comprensin del estudiante delo que sucede en un circuito a consecuencia de ciertos cambios o fallas. Las respuestas sedan al final del captulo. Un conjunto de problemas seccionado en cada captulo: los ms difciles sealados me-dianteun asterisco. Las respuestas a problemas de nmero impar aparecen al final dellibro. Un glosario general con las definiciones de todos los trminos clave y los resaltados en ne-gritasen el texto. El libro utiliza el sentido convencional de la corriente. (Una versin alterna de este textoutiliza la direccin del flujo de electrones).Recursos adicionales para el estudianteCD-ROM Multisim: este CD (totalmente en ingls), incluido en cada libro, contiene unaserie de archivos de circuito Multisim citados en el texto; muchos de ellos contienen fallasocultas. Todos estos archivos vienen en el CD-ROM en Multisim 2001, Multisim 7 yMultisim 8. Los archivos de versiones actualizadas de Multisim aparecern en el sitio Webwww.pearsoneducacion.net/floyd conforme el fabricante, Electronics Workbench, vaya desa-rrollndolas.Estos archivos Multisim se proporcionan para ser utilizados por cualquier usuario que po-seaprogramas de cmputo Multisim. Quien no tenga estos programas y desee adquirirlos po-drsolicitarlos en www.prenhall.com/ewb. Sin embargo, aun cuando los archivos de circuitohan sido creados para complementar lo expuesto en el saln de clases, en el libro de texto y enel laboratorio, no son indispensables para estudiar los circuitos de cd y ca, ni para el desarro-llode este libro.Sitio Web del libro (www.pearsoneducacion.net/floyd): este sitio Web, tambin en ingls,ofrece al estudiante la oportunidad de comprobar su propio progreso y responder preguntas deexmenes muestra.Recursos para el instructor (en ingls)Para tener acceso a los materiales complementarios en lnea, los instructores deben obtener unacontrasea. Vaya a www.prenhall.com, haga clic en el vnculo Instructor Resource Center, yluego en Register, para registrarse y obtener la contrasea de acceso de instructor. Dentro de las48 horas siguientes, recibir un correo electrnico de confirmacin incluyendo la contrasea so-licitada.Una vez que la tenga en su poder, ingrese al sitio e inicie una sesin para recibir instruc-cionescompletas sobre cmo bajar los materiales que desee utilizar.Diapositivas en Power Point Un juego completamente nuevo de innovadoras diapositivas enPower Point, creado por David M. Buchla, ilustra dinmicamente los conceptos clave presenta-dosen el texto. Cada diapositiva contiene un resumen con ejemplos, definiciones de trminosclave, y un examen para cada captulo. sta es una herramienta excelente para efectuar una pre-sentacinen el saln de clases como complemento del libro de texto. Otra carpeta de diapositivasincluye todas las figuras del texto a todo color, lo que le resultar muy til. Todo este material es-tdisponible en Internet. 7. PREFACIO VII11 INTRODUCCIN A LA CORRIENTEY AL VOLTAJE ALTERNOSESQUEMA DEL CAPTULO111 La forma de onda sinusoidal112 Fuentes de voltaje sinusoidal113 Valores sinusoidales de voltaje y corriente114 Medicin angular de una onda seno115 La frmula de la onda seno116 Introduccin a los fasores117 Anlisis de circuitos de CA118 Voltajes superpuestos de CD y de CA119 Formas de onda no sinusoidales1110 El osciloscopioUna aplicacin de circuitoOBJETIVOS DEL CAPTULO Identificar una forma de onda sinusoidal y medirsus caractersticas Describir cmo se generan las ondas seno Determinar los diversos valores de voltaje ycorriente de una onda seno Describir las relaciones angulares de una ondaseno Analizar matemticamente una forma de ondasinusoidal Utilizar un fasor para representar una onda seno Aplicar las leyes de circuito bsicas a circuitos deca resistivos Determinar voltajes totales que tienen tantocomponentes de ca como de cd Identificar las caractersticas de formas de onda nosinusoidales bsicas Utilizar un osciloscopio para medir formas deondaTRMINOS CLAVE Osciloscopio Peridico Periodo (T) Pulso Radin Rampa Tiempo de cada (tf) Tiempo de subida (tr) Valor instantneo Valor pico Valor pico a pico Valor promedio Valor rms Velocidad angularDESCRIPCIN PREVIA DE UNAAPLICACIN DE CIRCUITOEn la aplicacin de circuito, usted aprender cmo semiden seales de voltaje en un receptor de AM con unosciloscopio.VISITE EL SITIO WEB RELACIONADOAuxiliares de estudio para este captulo estndisponibles enhttp://www.pearsoneducacion.net/floydINTRODUCCINEn los captulos precedentes se estudiaron loscircuitos resistivos con corrientes y voltajes de cd. Estecaptulo proporciona una introduccin al anlisis decircuitos de ca en el cual se estudian las sealeselctricas que varan con el tiempo, en particular laonda seno. Una seal elctrica es un voltaje o unacorriente que cambian de manera consistente con eltiempo. En otras palabras, el voltaje o la corrientefluctan de acuerdo con cierto patrn llamado formade onda.Un voltaje alterno es uno que cambia de polaridadcon cierta rapidez. La forma de onda sinusoidal (ondaseno) es el tipo ms comn y fundamental porquetodos los dems tipos de formas de onda repetitivaspueden ser descompuestos en ondas senocompuestas. La onda seno es un tipo peridico deforma de onda que se repite a intervalos fijos.Se pone un nfasis especial en la forma de ondasinusoidal (onda seno) debido a su importanciafundamental en el anlisis de circuitos de ca. Tambinse introducen otras formas de onda, incluidas la depulso, la triangular, y la de diente de sierra. Sepresenta el uso del osciloscopio para visualizar ymedir formas de onda. Se examina el uso de fasorespara representar ondas seno. Amplitud Ancho de pulso (tW) Armnicos Ciclo Ciclo de trabajo Fase Fasor Forma de onda Frecuencia (f) Frecuenciafundamental Generador de funcin Grado Hertz (Hz) Onda seno OsciladorEsquemadel captuloLista deobjetivosbasados en eldesempeoTrminos clave FIGURA P1Apertura de captulo tpica.Descripcinprevia deUna aplicacinde circuitoReferenciaal sitio WebIntroduccinManual de recursos para el instructor Incluye soluciones a problemas de cada captulo, a lassecciones Una aplicacin de circuito (A Circuit Application), un archivo de examen, un archivode circuito Multisim resumido, y soluciones a ambos manuales de laboratorio. Disponible en elsitio Web.Prentice Hall Test Gen Es un banco de exmenes computarizado, disponible en lnea.Ilustracin de las caractersticas de los captulosApertura de captulo Cada captulo comienza como se muestra en la figura P-1. Cada aper-turade captulo incluye nmero y ttulo de ste, las secciones del texto y objetivos del captulo,una lista de trminos clave, descripcin previa de Una aplicacin de circuito, referencia a unaseccin del sitio Web y una breve introduccin.Apertura de seccin Cada seccin incluida en un captulo inicia con una breve introduccinque describe el tema en general y los objetivos. La figura P-2 muestra un ejemplo.Repaso de seccin Cada seccin concluye con un repaso, consistente en preguntas o ejerci-ciosque resaltan los principales conceptos estudiados. La parte superior de la figura P-2 muestraun ejemplo. Al final del captulo se dan las respuestas correspondientes.Ejemplos resueltos y problemas relacionados Alo largo de cada captulo, numerosos ejem-plosresueltos sirven para ilustrar y aclarar conceptos bsicos o procedimientos especficos. Cadaejemplo finaliza con un Problema relacionado que refuerza o ampla el ejemplo al requerir queel estudiante resuelva otro problema similar. Los ejemplos seleccionados incluyen un ejercicio decircuito Multisim. La figura P-3 muestra un ejemplo resuelto tpico y su Problema relacionado. 8. VIII PREFACIO1. Un resistor de 10 y uno de 22 estn conectados en paralelo a una fuente de 5 V. Cules el voltaje a travs de cada uno de los resistores?2. En la figura 6-10 est conectado un voltmetro a travs de R1. El voltmetro lee 118 V. Si us-tedlo cambia de lugar y lo conecta a travs de R2, cunto voltaje indicar? Cul es el vol-tajede fuente?3. En la figura 6-11, cunto voltaje indica el voltmetro 1? El voltmetro 2?4. Cmo estn relacionados los voltajes a travs de cada rama de un circuito en paralelo?VS R1 V R2 FIGURA 610R1 R2 50 VV1V2 FIGURA 61163 LEY DE LAS CORRIENTES DE KIRCHHOFFLa ley del voltaje de Kirchhoff se ocupa de los voltajes presentes en una sola trayectoria ce-rrada.La ley de la corriente de Kirchhoff es aplicable a corrientes que circulan por mltiplestrayectorias.Despus de completar esta seccin, usted debe ser capaz de: Aplicar la ley de las corrientes de Kirchhoff Enunciar la ley de las corrientes de Kirchhoff Definir el trmino nodo Determinar la corriente total sumando las corrientes de cada rama Determinar una corriente desconocida que circula por una ramaLa ley de las corrientes de Kirchhoff, abreviada a menudo como KCL, por sus siglas en in-gls,puede ser enunciada como sigue:La suma de las corrientes que entran a un nodo (corriente total de entrada) es igual a lasuma de las corrientes que salen de dicho nodo (corriente total de salida).Un nodo es cualquier punto o unin en un circuito donde dos o ms componentes estn co-nectados.En un circuito en paralelo, un nodo o unin es un punto donde se juntan las ramas dis-puestasen paralelo. Por ejemplo, en el circuito de la figura 6-12, el punto A es un nodo y el punto178 CIRCUITOS EN PARALELOB otro nodo. Inicie en la terminal positiva de la fuente y siga la corriente. La corriente total IT queviene de la fuente entra al nodo A. En este punto, la corriente se divide entre las tres ramas comose indica. Cada una de las tres corrientes de rama (I1, I2 e I3) sale del nodo A. La ley de las co-rrientesde Kirchhoff establece que la corriente total que entra al nodo A es igual a la corriente to-talque sale del nodo A; es decir,IT = I1 + I2 + I3Ahora, cuando se siguen las corrientes mostradas en la figura 6-12 a travs de las tres ramas,se advierte que regresan al nodo B. Las corrientes I1, I2 e I3 se encuentran en el nodo B e IT saleREPASO DE LASECCIN 6-2Cada seccin concluyecon preguntas de repasoCada seccin inicia conun prrafo introductorioObjetivos de la seccinbasados en el desempeoANLISIS DE CIRCUITOS RESISTIVOS EN SERIE-PARALELO 235Corrientes de ramaCon la frmula del divisor de corriente, la ley de la corriente de Kirchhoff, la ley de Ohm, o me-diantecombinaciones de stas, se puede calcular la corriente en cualquier rama de un circuito enserie-paralelo. En algunos casos, posiblemente se requiera la aplicacin repetida de la frmulapara encontrar una corriente dada. Los dos ejemplos siguientes ayudarn a entender el procedi-miento.(Observe que los subndices para las variables de corriente (I) concuerdan con los subn-dicesde R; por ejemplo, la corriente a travs de R1 se designa como I1.)EJEMPLO 78 Encuentre la corriente a travs de R2 y de R3 en la figura 7-19.VSR11.0 kR22.2 kR33.3 kIT22 VA FIGURA 719Solucin En primer lugar, identifique la relacin serie-paralelo. A continuacin, determine cunta co-rrienteentra al nodo A. sta es la corriente total. Para determinar IT, se debe conocer RT.R2R3R2 + R3(2.2 k)(3.3 k)2.2 k + 3.3 kRT = R1 + = 1.0 k + 1.32 k = 2.32 kIT =VSRT=22 V2.32 k= 1.0 k += 9.48 mAPara determinar la corriente a travs de R2, aplique la regla del divisor de corriente para dosramas como se dio en el captulo 6.3.3 k5.5 kR3R2 + R3I2 = a b9.48 mA= a = 5.69 mAbITAhora aplique la ley de la corriente de Kirchhoff para determinar la corriente a travs de R3.IT = I2 + I3I3 = IT - I2 = 9.48 mA - 5.69 mA = 3.79 mAProblema relacionado Se conecta un resistor de 4.7 k en paralelo con R3 en la figura 7-19. Determine la corrientea travs del nuevo resistor.Use el archivo Multisim E07-08 para verificar los resultados calculados en este ejemplo y pa-raconfirmar su clculo en el problema relacionado.Los ejemplos se ponenaparte del textoCada ejemplo contiene unProblema relacionadopertinente al ejemploLos ejemplos seleccionadoshacen referencia a unarchivo de circuitoMultisim relacionado FIGURA P2Apertura tpica y repaso de unaseccin. FIGURA P3Ejemplo resuelto tpico y suProblema relacionado. 9. Una aplicacin de circuito est incorporada aparte del texto Una serie de actividades relaciona la teora con la prcticaUNA APLICACIN DECIRCUITO 765convertida a la FI de 455 kHz. El amplificador de frecuencia intermedia, el cual se sintoniza a455 kHz, amplifica la frecuencia intermedia de amplitud modulada. La salida del amplificador defrecuencia intermedia se aplica a un detector de audio que elimina la frecuencia intermedia y dejaslo la envolvente, que es la seal de audio. La seal de audio es entonces amplificada y aplica-daal altavoz.1. En general, por qu es necesario un filtro sintonizado cuando se acopla una seal prove-nientede una antena a la entrada de un receptor?2. Qu es una trampa de ondas?3. Qu significa sintonizacin en grupo?REPASO DE LASECCIN 17-9Una aplicacin de circuitoEn la aplicacin de circuito del captu-lo11, se trabaj con un sistema recep-torpara aprender mediciones bsicasde ca. En este captulo, se utiliza otravez el receptor para ilustrar una aplica-cinde circuitos resonantes. Nos enfocaremos en una parte delextremo frontal del sistema receptor que contiene circuitos re-sonantes.En general, el extremo frontal incluye el amplificadorde RF, el oscilador local y el mezclador. En esta aplicacin de cir-cuito,el amplificador de RF es el foco. Por ahora no es necesariotener conocimientos de circuitos amplificadores.En la figura 17-54 se muestra un diagrama de bloques bsicopara un receptor de radio de AM. En este sistema particular, elextremo frontal incluye los circuitos utilizados para sintonizaruna estacin transmisora deseada mediante seleccin de frecuen-ciapara luego convertir dicha frecuencia en una intermedia estn-dar(FI). Las estaciones de radio de AM transmiten en el intervalode frecuencias de 535 a 1605 kHz. El propsito del amplificador deRF es tomar las seales captadas por la antena, rechazar todas lasseales excepto la seal de la estacin deseada, y amplificarla aun nivel ms alto.En la figura 17-55 se muestra un diagrama esquemtico de unamplificador de RF. El circuito de sintonizacin resonante en pa-ralelose compone de L, C1 y C2. Este amplificador de RF en par-ticularno dispone de un circuito resonante en la salida. C1 es unvaractor, el cual es un dispositivo semiconductor sobre el que ustedaprender ms en un curso posterior. Todo lo que necesita saberen este momento es que el varactor es bsicamente un capacitorvariable cuya capacitancia vara al cambiar el voltaje de cd pre-senteentre sus terminales. En este circuito, el voltaje de cd pro-Mezclador DetectorOsciladorlocalAmplificador depotencia de audioAltavozControl de volumenPreamplificadorde audioAmplificador Amplificador de FIde RFAntenaExtremo frontal FIGURA 1754Diagrama de bloques simplificado de un receptor bsico de radio.PREFACIO IX.01 .01SERIES INDEPENDENT0 20V 0.5AOVERLOADSAVE/RECALL MEASURE ACQUIRE AUTOSETCURSOR 1CH 1MENUFuente de potenciaNoisePulseOffsetTriFunction GeneratorAmpSquareFreqSine0 20V 0.5AOVERLOADONOFFSecciones de Localizacin de fallas Muchos captulos incluyen una seccin de Localizacinde fallas relacionada con los temas tratados en el captulo y que pone de relieve el razonamientolgico, as como un mtodo estructurado llamado APM (anlisis, planificacin y medicin) enlos casos en que es aplicable. Cuando se considera apropiado, se aplican mtodos particulares pa-rala reparacin de fallas, tales como divisin a la mitad.Una aplicacin de circuito Esta seccin especial al final de cada captulo (excepto en Caps. 1y 21) presenta una aplicacin prctica de algunos temas estudiados en el captulo. Cada una deestas aplicaciones incluye una serie de actividades, muchas de las cuales implican comparar di-seosde tarjetas de circuito con esquemas, analizar circuitos utilizando mediciones para determi-narsu operacin y, en algunos casos, desarrollar procedimientos de prueba simples. Losresultados y las respuestas se encuentran en el Manual de recursos para el instructor. La figura P-4ilustra una parte representativa de la seccin Una aplicacin de circuito.Material al final de cada captulo Los siguientes elementos pedaggicos se encuentran altrmino de cada captulo: Resumen Glosario de trminos clave Lista de frmulas Autoevaluacin Examen de dinmica de circuitos ProblemasUNA APLICACIN DECIRCUITO 767HARDCOPYVERTICAL HORIZONTAL TRIGGERLEVELTRIGGER MENUSET LEVEL TO 50%FORCE TRIGGERUTILITY CURSOR DISPLAYRUN/STOPPOSITIONHORIZONTALMENUSEC/DIV5 s 5 nsHOLDOFFPOSITIONCURSOR 2CH 2MENUVOLTS/DIV5 V 2 mVPOSITIONVOLTS/DIV5 V 2 mVMATHMENUPROBE COMP CH 1 CH 2 EXT TRIG5 VMENUSTRIGGER VIEWCh 1 0.2V 1msC3LC1C20.1470Ajuste 1 Ajuste 2 Ajuste 3Ajuste 4 Ajuste 5Salida B( D y E )Help7 8 94 5 61 2 30 . +/ArbUtilityStore/RecallBurstSweepModTriggerOutputSync OutputGraphLocalPeriodHiLevelLoLevelkHzA12345V V VV VFVOLTAGEMIN MAXCURRENTMIN MAXVOLTAGEMIN MAXCURRENTMIN MAXOVERLOAD + + +ABA/B OUTPUTSPARALLELA BA B5V 2APOWERVB C D ETriple Output Power Supply FIGURA 1757Disposicin de un banco de prueba.Grficos realistas de un instrumento y una tarjetade circuito FIGURA P4Parte de Una aplicacin de circuito tpica. 10. X PREFACIO Respuestas a repasos de seccin, problemas relacionados con ejemplos, autoevaluacin, yal examen de dinmica de circuitosSugerencias para la enseanza con el libro Principios de circuitos elctricosnfasis en el curso seleccionado y flexibilidad del texto Este libro de texto est diseadoprincipalmente para usarse en un curso de dos semestres, en el cual los temas de corriente direc-ta(Caps. 1 a 10) se imparten durante el primer semestre y los de corriente alterna (Caps. 11 a 21)en el segundo semestre. Estructurar un curso de un semestre que abarque los temas de ca y cd esposible, pero requerira de una cobertura muy selectiva y abreviada de muchos temas.Si las limitaciones de tiempo o el nfasis en el curso restringen los temas que pueden ser cu-biertos,como casi siempre ocurre, existen varias opciones para efectuar una cobertura selectiva.Las siguientes sugerencias para el caso de un tratamiento ligero o alguna omisin no necesaria-menteimplican que cierto tema sea menos importante que otros, sino que, en el contexto de unprograma especfico, es probable que ste no requiera la atencin impuesta a los temas funda-mentales.Como el nfasis en el curso, el nivel y el tiempo disponible varan de un programa aotro, la omisin o el tratamiento abreviado de temas seleccionados puede efectuarse sobre unabase individual. Por lo tanto, las siguientes sugerencias estn formuladas slo como gua general.1. Captulos que pueden ser considerados para omisin o cobertura selectiva: Captulo 8, Teoremas de circuitos y conversiones Captulo 9, Anlisis de ramas, lazos y nodos Captulo 10, Magnetismo y electromagnetismo Captulo 18, Filtros pasivos Captulo 19, Teoremas de circuitos en anlisis de CA Captulo 20, Respuesta en funcin del tiempo de circuitos reactivos Captulo 21, Sistemas trifsicos en aplicaciones de potencia2. Las secciones de Una aplicacin de circuito y Localizacin de fallas pueden ser omitidassin afectar otro material.3. Otros temas especficos pueden ser omitidos o cubiertos ligeramente seccin por seccina criterio del instructor.El orden en el cual ciertos temas aparecen en el texto puede ser modificado a criterio del instruc-tor.Por ejemplo, los temas sobre capacitores e inductores (Caps. 12 y 13) pueden ser cubiertos alfinal del curso de corriente directa, en el primer semestre, retrasando la cobertura de los temas decorriente alterna incluidos en las secciones 12-6, 12-7, 13-5, y 13-6 hasta el curso de corriente al-terna,en el segundo semestre. Otra posibilidad es cubrir los captulos 12 y 13 en el segundo se-mestre,pero el captulo 15 (Circuitos RC) inmediatamente despus del 12 (Capacitores), y el 16(Circuitos RL) enseguida del 13 (Inductores).Una aplicacin de circuito Estas secciones son tiles para motivar y para introducir aplica-cionesde conceptos y componentes bsicos. Las siguientes son sugerencias sobre cmo utilizarestas secciones: Como parte integral del captulo para ilustrar las posibilidades de aplicacin de los conceptosy componentes en una situacin prctica. Las actividades pueden ser asignadas como tarea. Como asignaciones de crditos extra. Como actividades en clase para promover el anlisis y la interaccin y ayudar a los estu-diantesa entender por qu necesitan conocer el material.Cobertura de circuitos reactivos Los captulos 15, 16 y 17 fueron diseados para proporcio-nardos mtodos de enseanza de estos temas sobre circuitos reactivos. 11. PREFACIO XILa primera alternativa es cubrir los temas con base en los componentes. Esto es, estudiar pri-merotodo el captulo 15 (Circuitos RC), acto seguido todo el captulo 16 (Circuitos RL), y, porltimo, todo el captulo 17 (Circuitos RLC y resonancia).La segunda alternativa es cubrir los temas con base en el tipo de circuito. Es decir, primero es-tudiartodos los temas relacionados con circuitos reactivos en serie, luego todos los temas de cir-cuitosreactivos en paralelo, y, por ltimo, todos los temas que se refieren a circuitos reactivos enserie-paralelo. Para facilitar este segundo mtodo, cada captulo est dividido en las siguientespartes: Parte 1: Circuitos en serie, Parte 2: Circuitos en paralelo, Parte 3: Circuitos en serie-pa-ralelo,y Parte 4: Temas especiales. Por lo tanto, para circuitos reactivos en serie, se cubre la Par-te1 de los tres captulos en secuencia. Para circuitos reactivos en paralelo, la Parte 2 de los trescaptulos en forma sucesiva. En el caso de circuitos reactivos en serie-paralelo, cubra la Parte 3de los tres captulos en secuencia. Finalmente, estudie la Parte 4 de los tres captulos.Para el estudianteCualquier carrera demanda trabajo duro, la de electrnica no es excepcin. La mejor manera deaprender un material nuevo es leyendo, pensando y realizando. Este texto est diseado para ayu-darlea lo largo de todo el camino ya que proporciona las generalidades y los objetivos de cadaseccin, numerosos ejemplos resueltos, ejercicios, y preguntas de repaso.Lea cada seccin del texto con cuidado y medite lo que ha ledo. Es posible que ocasionalmen-tenecesite leer la seccin ms de una vez. Resuelva cada problema de ejemplo paso a paso antesde abordar el problema relacionado. Despus de cada seccin responda las preguntas de repaso.Las respuestas a los problemas relacionados y las preguntas de repaso de seccin se encuentranal final del captulo.Repase el resumen del captulo, las definiciones de los trminos clave y la lista de frmulas.Realice la autoevaluacin de opcin mltiple y el examen de dinmica de circuitos. Verifique susrespuestas contra las que aparecen al final del captulo. Por ltimo, resuelva los problemas. La re-solucinde problemas es la manera ms efectiva de verificar su comprensin y consolidar losconceptos. Compruebe sus respuestas a los problemas de numeracin impar con las proporciona-dasal final del libro.Carreras de electrnicaEl campo de la electrnica es muy diverso, y las oportunidades de hacer carrera estn disponibles enmuchas reas. Dado que en la actualidad la electrnica se encuentra en tantas aplicaciones diferen-tes,y nueva tecnologa est siendo desarrollada a un ritmo extremadamente rpido, su futuro pareceilimitado. Difcilmente podra sealarse un rea de nuestras vidas que no haya sido mejorada en cier-togrado por la tecnologa electrnica. Quienes adquieran un conocimiento slido, bsico, de losprincipios elctricos y electrnicos y deseen continuar aprendiendo siempre estarn en demanda.La importancia de alcanzar un completo entendimiento de los principios bsicos contenidosen este texto no puede ser sobreestimada. La mayora de los empleadores prefiere contratar per-sonalque posea tanto fundamentos slidos como capacidad y deseo de aprender tcnicas y con-ceptosnuevos. Si usted est bien preparado en lo fundamental, cualquier empleador lo capacitaren los puntos especficos del trabajo al cual sea asignado.Existen muchos tipos de clasificaciones laborales para los que una persona con entrenamien-toen electrnica puede calificar. Algunas de las funciones de trabajo ms comunes se describencon brevedad en los prrafos siguientes.Tcnico de taller de servicio En esta categora, el personal tcnico interviene en la reparacino el ajuste de equipo electrnico tanto comercial como domstico que es regresado al distribui-doro fabricante para servicio. Algunas reas especficas incluyen televisiones, videocaseteras,reproductores de CD y DVD, equipo estreo, radios de banda civil y computadoras. Esta reatambin ofrece oportunidades de autoempleo.Tcnico en manufactura industrial El personal de manufactura participa en la evaluacin deproductos electrnicos al nivel de lnea de ensamble, o en el mantenimiento y la reparacin de fa-llasde sistemas electrnicos y electromecnicos utilizados en la evaluacin y manufactura deproductos. Casi todo tipo de planta de manufactura, sin importar su producto, utiliza equipo au-tomticoelectrnicamente controlado. 12. XII PREFACIOTcnico laboratorista Estos tcnicos intervienen en la creacin de tarjetas experimentales,prototipos y evaluacin de sistemas electrnicos nuevos o modificados en laboratorios de inves-tigaciny desarrollo. En general, trabajan codo a codo con los ingenieros en la fase de desarro-llode un producto.Tcnico de servicio de campo El personal de servicio de campo da servicio y repara equipoelectrnico, por ejemplo, sistemas de computacin, instalaciones de radar, equipo automtico deoperaciones bancarias y sistemas de seguridad en las instalaciones del usuario.Asistente de ingeniera/Ingeniero asociado El personal ubicado en esta categora trabaja es-trechamentecon los ingenieros en la implementacin de un concepto y en el diseo y desarrollobsicos de sistemas electrnicos. Los asistentes de ingeniera con frecuencia intervienen en unproyecto desde su diseo inicial hasta las primeras etapas de manufactura.Escritor tcnico Los escritores tcnicos recopilan informacin y luego la utilizan para escribiry producir manuales y material audiovisual. Un conocimiento amplio de un sistema en particular yla capacidad de explicar con claridad sus principios y operacin resultan esenciales.Ventas tcnicas Las personas tcnicamente entrenadas son demandadas como representantesde ventas de productos de alta tecnologa. La habilidad tanto para entender conceptos tcnicos deun producto como para comunicarlos a un cliente potencial es muy valiosa. En esta rea, igualque en la anterior, ser competente en la expresin oral y escrita es esencial. En realidad, tener lahabilidad para comunicarse bien es muy importante en cualquier trabajo tcnico porque se debeser capaz de registrar datos con claridad y de explicar procedimientos, conclusiones y accionesemprendidas de modo que otros puedan entender lo que se est haciendo.Eventos significativos en el campo de la electrnicaAntes de iniciar el estudio de circuitos elctricos, daremos un vistazo a algunos de los importantesdesarrollos que condujeron a la tecnologa electrnica de la actualidad. Los nombres de mu-chosde los pioneros en el campo de la electricidad y la electromagntica an persisten en trminosde unidades y cantidades conocidas. Nombres como Ohm, Ampere, Volta, Farad, Henry, Coulomb,Oersted, y Hertz son algunos de los ejemplos mejor conocidos. Otros ms ampliamente conoci-dos,tales como Franklin y Edison, tambin resultan significativos en la historia de la electricidady la electrnica debido a sus extraordinarias contribuciones. Biografas cortas de algunos de es-tospioneros, como la aqu mostrada, se encuentran en todo el texto.El inicio de la electrnica Los primeros experimentos con la electrnica implicaron corrienteselctricas en tubos de vaco. Heinrich Geissler (1814-1879) extrajo la mayor parte del aire con-tenidoen un tubo de vidrio y encontr que el tubo brillaba cuando era atravesado por una corriente.Posteriormente, Sir William Crookes (1832-1919) se dio cuenta de que en tubos de vaco la co-rrientepareca estar compuesta por partculas. Thomas Edison (1847-1931) experiment con bulbosde filamento de carbn con placas y descubri que haba una corriente del filamento caliente ha-ciauna carga positivamente cargada. Patent la idea pero nunca la utiliz.Otros precursores de la experimentacin midieron las propiedades de las partculas que fluanen tubos de vaco. Sir Joseph Thompson (1856-1940) midi las propiedades de estas partculas,llamadas ms tarde electrones.Aunque la comunicacin telegrfica inalmbrica se remonta a 1844, la electrnica es bsica-menteun concepto del siglo XX, que se inici con la invencin del amplificador de tubo de vaco.En 1904, John A. Fleming construy un tubo de vaco que permita el flujo de corriente en unasola direccin. Llamado vlvula Fleming, fue el precursor de los diodos de tubos de vaco. En1907, Lee deForest agreg una rejilla al tubo de vaco. El nuevo artefacto, llamado audiotrn, po-daamplificar una seal dbil. Al agregar el elemento de control, deForest se coloc a la vanguar-diade la revolucin electrnica. Gracias a una versin mejorada de su artefacto los servicios detelefona transcontinental y de radio fueron posibles. En 1912 en San Jos, California, un radioaficionado transmita msica con regularidad!En 1921 el secretario de comercio estadounidense, Herbert Hoover, expidi la primera licenciapara una estacin de radio; al cabo de dos aos ms de 600 licencias fueron expedidas. A finalesde los aos de 1920 en muchos hogares ya haba aparatos de radio. Un nuevo tipo de radio, el su-perheterodino,inventado por Edwin Armstrong, resolvi los problemas que se presentaban conB I O G R A F AGeorg Simon Ohm17871854Ohm naci en Bavaria yluch por aos para que lefuese reconocido su trabajoen la formulacin de larelacin de corriente,voltaje y resistencia. Estarelacin matemtica seconoce hoy en da como laley de Ohm, y la unidad deresistencia fue nombradaohm en su honor. (Crdito dela fotografa: Biblioteca delCongreso estadounidense,LC-USZ62-40943.) 13. PREFACIO XIIIla comunicacin de alta frecuencia. En 1923 Vladimir Zworykin, un investigador estadouniden-se,invent el primer tubo de imagen de televisin, y en 1927 Philo T. Farnsworth solicit una pa-tentepara un sistema de televisin completo.La dcada de 1930 contempl muchos desarrollos en la radio, incluyendo los tubos metlicos,el control de ganancia automtico, miniaparatos (de radio), antenas direccionales y ms. En estadcada tambin se inici el desarrollo de las primeras computadoras electrnicas. Las computado-rasmodernas remontan sus orgenes al trabajo de John Atanasoff en Iowa State University. Co-menzandoen 1937, ide una mquina binaria que poda realizar trabajos matemticos complejos.En 1939, Atanasoff y el estudiante graduado Clifford Berry construyeron una mquina binariallamada ABC (por Atanasoff-Berry Computer) que utilizaba tubos de vaco para la lgica y con-densadores(capacitores) para memoria. En 1939, el magnetrn, un oscilador de microondas, fueinventado en Inglaterra por Henry Boot y John Randall. En el mismo ao, el tubo de microondasklistrn fue inventado en Estados Unidos por Russell y Sigurd Varian.Durante la Segunda Guerra Mundial, la electrnica se desarroll con rapidez. El magnetrn yel klistrn hicieron posible la fabricacin del radar y la comunicacin de muy alta frecuencia. Lostubos de rayos catdicos fueron mejorados para utilizarse en sistemas de radar. El desarrollo de lacomputadora continu durante la guerra. En 1946, John von Neumann desarroll la primera compu-tadoracapaz de guardar programas, la ENIAC, en la Universidad de Pennsylvania. La dcada fi-nalizcon una de las invenciones ms importantes que alguna vez se haya realizado: el transistor.Electrnica de estado slido Los detectores de cristal utilizados en los primeros aparatos deradio fueron los precursores de los modernos instrumentos de estado slido. Sin embargo, la erade la electrnica de estado slido comenz con la invencin del transistor en 1947 en los labora-toriosBell. Los inventores fueron Walter Brattain, John Bardeen y William Shockley. Las tarje-tasde circuito impreso fueron introducidas en 1947, el ao en que se invent el transistor. Lafabricacin comercial de transistores comenz en Allentown, Pennsylvania, en 1951.La inversin ms importante en la dcada de 1950 fue el circuito integrado. El 12 de septiem-brede 1958, en Texas Instruments, Jack Kilby realiz el primer circuito integrado. Esta invencinliteralmente cre la era de la computadora y provoc arrolladores cambios en campos como elde la medicina, las comunicaciones, la manufactura y la industria del entretenimiento. Muchosmiles de millones de chips como se los llam a los circuitos integrados se han fabricadodesde entonces.La dcada de 1960 fue testigo del inicio de la carrera espacial y estimul el desarrollo de laminiaturizacin y las computadoras. La carrera espacial se constituy en la fuerza impulsora delos rpidos cambios que siguieron. El primer amplificador operacional lo dise Bob Widlaren Fairchild Semiconductor en 1965. Llamado A709, result muy exitoso, pero sufra de blo-queoy otros problemas. Ms tarde, el amplificador operacional ms popular que alguna vez sehaya construido, el 741, fue tomando forma en Fairchild. El 741 se convirti en el estndar de laindustria e influy en el diseo de los amplificadores operacionales de los siguientes aos.Hacia 1971, una nueva compaa que haba sido formada por un grupo proveniente de Fair-childintrodujo el primer microprocesador. Esta empresa fue Intel y el producto el chip 4004, elcual tena igual potencia de procesamiento que la computadora Eniac. Posteriormente en el mis-moao, Intel dio a conocer el primer procesador de 8 bits, el 8008. En 1975, la primera compu-tadorapersonal fue introducida por Altair, y apareci en la portada del nmero de enero de 1975de la revista Popular Science. La dcada de 1970 tambin atestigu la introduccin de la calcula-dorade bolsillo y de nuevos desarrollos de circuitos pticos integrados.Durante la dcada de 1980, la mitad de los hogares estadounidenses utilizaba conexiones decable en lugar de antenas de televisin. La confiabilidad, velocidad y miniaturizacin de artefac-toselectrnicos continu, incluyendo la evaluacin y calibracin automticas de tarjetas de cir-cuitoimpreso. La computadora se convirti en parte de la instrumentacin y fue creado el objetovirtual. La computadoras devinieron en el estndar en el banco de trabajo.Los aos de la dcada de 1990 atestiguaron la amplia aplicacin de Internet. En 1993 haba 130sitios Web; ahora hay millones. Las compaas se peleaban por establecer una pgina de inicio ymuchos de los primeros desarrollos de transmisin radial ocurrieron en paralelo con Internet. En1995, la FCC asign espacio espectral para un nuevo servicio llamado Servicio de Radio de AudioDigital (Digital Audio Radio Service). Hacia 1996, la FCC adopt estndares de televisin digitalpara la siguiente generacin de transmisiones televisivas. 14. XIV PREFACIOEl siglo XXI vio la luz en enero de 2001. Uno de los episodios de tecnologa ms importanteha sido el continuo y explosivo crecimiento de Internet. En Estados Unidos, su uso se ha incre-mentadoen ms del 100% desde el 2000 hasta el 2005. El resto del mundo experiment un creci-mientode casi el 200% durante el mismo periodo. La velocidad de procesamiento de lascomputadoras est aumentando a un ritmo constante, y la capacidad de los medios de almacena-mientode datos avanza a un paso asombroso. Se prev que los nanotubos de carbn van a ser elsiguiente paso para los microcircuitos de computadora, y con el tiempo van a reemplazar la tec-nologadel transistor.ReconocimientosMuchas personas talentosas han intervenido en la revisin de este libro: Principios de circuitoselctricos. Fue examinado y verificado a cabalidad en lo que concierne tanto a contenido como aprecisin. En Prentice Hall muchas personas contribuyeron en gran medida para la realizacin deeste proyecto a lo largo de las muchas fases de desarrollo y produccin, entre ellas Rex Davidson yKate Linsner, Lois Porter, cuya atencin a los detalles es increble, una vez ms realiz un notabletrabajo de edicin del manuscrito. Jane Lopez aport de nuevo las excelentes ilustraciones y el her-mosotrabajo grfico utilizados en el texto. David Buchla contribuy con una cantidad importantede material para esta revisin y emiti muchas recomendaciones. Igual que en la edicin previa,Gary Znyder cre los archivos de circuito para las funciones Multisim incluidas en esta edicin.Deseo expresar mi agradecimiento a los ya mencionados, as como a quienes ofrecieron valio-sassugerencias y crticas constructivas que ejercieron una gran influencia en este libro de texto.Las siguientes personas actuaron como revisores y proporcionaron una retroalimentacin perspicazpara esta edicin: Eldon E. Brown Jr., Cape Fear Community College; Montie Fleshman, NewRiver Community College; James Jennings, Community College of Southern Nevada; Ronald J.LaSpisa, University of Oklahoma; E. Ed Margaff, Marion Technical College; David Misner, Hut-chinsonCommunity College, y Gerald Schickman, Miami Dade Community College. Un agra-decimientoespecial para David Heiserman por su amplia evaluacin del texto.Otros instructores que utilizan la edicin previa contribuyeron significativamente con su par-ticipacinen una encuesta en lnea.Hamid Allamehzadeh ENMUTim Baker John A. Logan CollegeWalter Banzhaf University of HartfordJoseph Baumert NICCKenneth D. Belk Marion Technical CollegeSeddik Benhamida DeVry UniversityRick Buffaloe Idaho State UniversityRobert Cannella Jr. College of DuPageKen Carpenter University of New MexicoDan Celenti NYCCTJames Diehl Del Mar CollegeJames Dunn Boise State UniversityAnthony Edwards Rockingham Community CollegeTom Eppes University of HartfordLarry Gazaway Spokane Community CollegeDavid Grant Renton Technical CollegeMark Gray Cape Fear Community CollegeVictor Greenwood Northwest Technical InstituteOsman Gurdal JCSUJoshua Guttman Bergen Community CollegeRobert Heffner North Harris CollegeChristopher Henggeler Westwood CollegeH. Randolph Holt Northern Kentucky UniversityAndy Huertaz Albuquerque TVIMark Hughes Cleveland Community CollegeOsama Hussein New York City College of TechnologyJames Jazdzewski Gateway Technical CollegeDavid Jones Lenoir Community CollegeBenjamin Jun Ivy Tech State CollegeLynn Kelly New Mexico State UniversityRon LaSpisa U of OklahomaGeorge Lee Massasoit Community CollegeErik Mayer Bowling Green State UniversityPaul Mayer Eastern Maine Community CollegeStan Middlebrooks Herzing CollegeDave Misner Hutchinson Community CollegeJim Nutt NMSU-ALarry Patterson Belmont Technical CollegeDavid Phillips Linn State Technical CollegeJames Reardon New England Institute of TechnologyRick Reardon Eastern Maine Community CollegeSteven Rice C.O.T. University of MontanaBob Romano Cincinnati Technical and CommunityCollegeJimmie Russell DeVry UniversityManavi Sallick Miami Dade CollegeJoseph Santaniello Spartanburg Technical CollegeRobert Scoff The University of MemphisS.T. (Tom) Sharar Asheville-Buncombe Technical CollegeJames Smith Central Washington UniversityJames Stack Boise State UniversityRichard Sturtevant STCCTony Suranno Hagerstown Community CollegeGreg Szepanski Holyoke Community CollegePratap Reddy Talusani Houston Community CollegeRalph Tanner Western Michigan UniversityCalvin Taylor Centralia CollegeRon Tinckham Santa Fe Community CollegeDon Tosh Evangel UniversityDavid Tyree Vincennes UniversityRamon Vigil TVIPaul Vonderwell Vincennes UniversityHarold Wiebe Northern Kentucky UniversitySteven Wilson Spokane Community CollegeVenancio Ybarra, Jr. NHMCCD Cy-Fair CollegeSteve Yelton Cincinnati State Technical and CommunityCollegeTim Yoxtheimer Central Washington UniversityTom Floyd 15. CONTENIDO1 Cantidades y unidades 111 Unidades de medicin 212 Notacin cientfica 413 Notacin de ingeniera y prefijos mtricos 714 Conversiones de unidades mtricas 102 Voltaje, corriente y resistencia 1621 Estructura atmica 1722 Carga elctrica 2123 Voltaje, corriente y resistencia 2324 Fuentes de voltaje y de corriente 2625 Resistores 3226 El circuito elctrico 4027 Mediciones de circuito bsicas 4928 Seguridad elctrica 55Una aplicacin de circuito 573 Ley de Ohm 7231 La relacin de corriente, voltaje yresistencia 7332 Clculo de la corriente 7733 Clculo del voltaje 8034 Clculo de la resistencia 8235 Introduccin a la localizacin de fallas 84Una aplicacin de circuito 874 Energa y potencia 9741 Energa y potencia 9842 Potencia en un circuito elctrico 10043 Potencia nominal en resistores 10244 Conversin de energa y cada de voltaje en unaresistencia 10645 Fuentes de potencia 107Una aplicacin de circuito 1095 Circuitos en serie 11751 Resistores en serie 11852 Corriente en un circuito en serie 12053 Resistencia total en serie 12254 Aplicacin de la ley de Ohm 12655 Fuentes de voltaje en serie 13056 Ley del voltaje de Kirchhoff 13357 Divisores de voltaje 13758 Potencia en circuitos en serie 14459 Mediciones de voltaje 146510 Localizacin de fallas 150Una aplicacin de circuito 1556 Circuitos en paralelo 17261 Resistores en paralelo 17362 Voltaje en un circuito en paralelo 17663 Ley de las corrientes de Kirchhoff 17864 Resistencia total en paralelo 18265 Aplicacin de la ley de Ohm 18866 Fuentes de corriente en paralelo 19267 Divisores de corriente 19368 Potencia en circuitos en paralelo 19769 Aplicaciones de circuitos en paralelo 199610 Localizacin de fallas 204Una aplicacin de circuito 2087 Circuitos en serie-paralelo 22671 Identificacin de relaciones en serie-paralelo 22772 Anlisis de circuitos resistivos en serie-paralelo 23273 Divisores de voltaje con cargas resistivas 24074 Efecto de carga de un voltmetro 24575 Redes en escalera 24776 El puente Wheatstone 25377 Localizacin de fallas 258Una aplicacin de circuito 2628 Teoremas de circuitos y conversiones 28081 La fuente de voltaje de cd 28182 La fuente de corriente 28383 Conversiones de fuente 28584 El teorema de superposicin 28885 Teorema de Thevenin 29586 Teorema de Norton 30687 Teorema de transferencia de potencia mxima 310 16. XVI CONTENIDO88 Conversiones delta a Y ( a Y) y Y a delta(Y a ) 313Una aplicacin de circuito 3199 Anlisis de ramas, lazos y nodos 33491 Ecuaciones simultneas en el anlisis de circuitos 33592 Mtodo de la corriente en ramas 34493 Mtodo de la corriente de lazo 34794 Mtodo del voltaje en nodos 353Una aplicacin de circuito 36010 Magnetismo y electromagnetismo 370101 El campo magntico 371102 Electromagnetismo 375103 Dispositivos electromagnticos 381104 Histresis magntica 388105 Induccin electromagntica 390106 Aplicaciones de la induccin electromagntica 394Una aplicacin de circuito 39811 Introduccin a la corrientey al voltaje alternos 406111 La forma de onda sinusoidal 407112 Fuentes de voltaje sinusoidal 412113 Valores sinusoidales de voltaje y corriente 415114 Medicin angular de una onda seno 419115 La frmula de la onda seno 423116 Introduccin a los fasores 425117 Anlisis de circuitos de ca 431118 Voltajes superpuestos de cd y de ca 434119 Formas de onda no sinusoidales 4361110 El osciloscopio 443Una aplicacin de circuito 45012 Capacitores 466121 El capacitor bsico 467122 Tipos de capacitores 474123 Capacitores en serie 480124 Capacitores en paralelo 484125 Capacitores en circuitos de CD 486126 Capacitores en circuitos de CA 496127 Aplicaciones de los capacitores 502128 Circuitos de capacitor conmutados 507Una aplicacin de circuito 51013 Inductores 525131 El inductor bsico 526132 Tipos de inductores 532133 Inductores en serie y en paralelo 533134 Inductores en circuitos de CD 535135 Inductores en circuitos de CA 545136 Aplicaciones de los inductores 550Una aplicacin de circuito 55214 Transformadores 563141 Inductancia mutua 564142 El transformador bsico 565143 Transformadores elevadores y reductores 569144 Carga del devanado secundario 572145 Carga reflejada 574146 Igualacin de impedancia 576147 Caractersticas de un transformador no ideal(transformador real) 579148 Transformadores con tomas y devanadosmltiples 582149 Localizacin de fallas 587Una aplicacin de circuito 58915 Circuitos RC 600Parte 1: Circuitos en serieCon una introduccin a losnmeros complejos 601151 El sistema de los nmeros complejos 601152 Respuesta sinusoidal de circuitos RC en serie 610153 Impedancia de circuitos RC en serie 611154 Anlisis de circuitos RC en serie 614Parte 2: Circuitos en paralelo 626155 Impedancia y admitancia de circuitos RC enparalelo 626156 Anlisis de circuitos RC en paralelo 629Parte 3: Circuitos en serie-paralelo 635157 Anlisis de circuitos RC en serie-paralelo 635Parte 4: Temas especiales 642158 Potencia en circuitos RC 642159 Aplicaciones bsicas 6461510 Localizacin de fallas 653Una aplicacin de circuito 65816 Circuitos RL 677Parte 1: Circuitos en serie 678161 Respuesta sinusoidal de circuitos RL en serie 678162 Impedancia de circuitos RL en serie 679163 Anlisis de circuitos RL en serie 681Parte 2: Circuitos en paralelo 691164 Impedancia y admitancia de circuitos RLen paralelo 691165 Anlisis de circuitos RL en paralelo 694Parte 3: Circuitos en serie-paralelo 698166 Anlisis de circuitos RL en serie-paralelo 698Parte 4: Temas especiales 702167 Potencia en circuitos RL 702168 Aplicaciones bsicas 705 17. CONTENIDO XVII169 Localizacin de fallas 709Una aplicacin de circuito 71417 Circuitos RCL y resonancia 726Parte 1: Circuitos en serie 727171 Impedancia de circuitos RLC en serie 727172 Anlisis de circuitos RLC en serie 729173 Resonancia en serie 733Parte 2: Circuitos en paralelo 740174 Impedancia de circuitos RLC en paralelo 740175 Anlisis de circuitos RLC en paralelo 742176 Resonancia en paralelo 745Parte 3: Circuitos en serie-paralelo 749177 Anlisis de circuitos RLC en serie-paralelo 749Parte 4: Temas especiales 757178 Ancho de banda de circuitos resonantes 757179 Aplicaciones 761Una aplicacin de circuito 76518 Filtros pasivos 778181 Filtros pasabajas 779182 Filtros pasaaltas 786183 Filtros pasabanda 790184 Filtros rechazabanda 795Una aplicacin de circuito 79919 Teoremas de circuitos en anlisis de CA 809191 El teorema de superposicin 810192 Teorema de Thevenin 815193 Teorema de Norton 825194 Teorema de mxima transferencia de potencia 829Una aplicacin de circuito 83320 Respuesta en funcin del tiempo de circuitosreactivos 842201 El integrador RC 843202 Respuesta de un integrador RC a un solopulso 844203 Respuesta de integradores RC a pulsosrepetitivos 849204 Respuesta de un diferenciador RC a un solo pulso854205 Respuesta de diferenciadores RC a pulsosrepetitivos 859206 Respuesta de integradores RL a entradas de pulsos861207 Respuesta de diferenciadores RL a entradas depulsos 866208 Relacin de la respuesta en funcin del tiempo a larespuesta a la frecuencia 870209 Localizacin de fallas 873Una aplicacin de circuito 87621 Sistemas trifsicos en aplicacionesde potencia 887211 Introduccin a mquinas trifsicas 888212 Generadores en aplicaciones de potencia 889213 Tipos de generadores trifsicos 893214 Anlisis de fuente y carga trifsicas 899215 Potencia trifsica 905APNDICESA Tabla de valores para resistores estndar 914B Derivaciones 915C Codificacin de color para capacitores 920Respuestas a los problemas de nmero impar 924Glosario 938ndice 944 18. CANTIDADES Y UNIDADES1VISITE EL SITIO WEB RELACIONADOAuxiliares de estudio para este captulo estndisponibles enhttp://www.pearsoneducacion.net/floydINTRODUCCINEl lector debe estar familiarizado con las unidadesutilizadas en electrnica y saber cmo expresarcantidades elctricas en diversas formas por medio deprefijos mtricos. Las notaciones cientfica y deingeniera son herramientas indispensables, ya seaque utilice una computadora, una calculadora o querealice los clculos a la manera antigua.ESQUEMA DEL CAPTULO11 Unidades de medicin12 Notacin cientfica13 Notacin de ingeniera y prefijos mtricos14 Conversiones de unidades mtricasOBJETIVOS DEL CAPTULO Analizar el estndar SI Utilizar notacin cientfica (potencias de diez) pararepresentar cantidades Utilizar notacin de ingeniera y prefijos mtricospara representar cantidades grandes y pequeas Convertir una unidad con prefijo mtrico en otraTRMINOS CLAVE Exponente Notacin cientfica Notacin de ingeniera Potencia de diez Prefijo mtrico SINOTA DE SEGURIDADCuando se trabaje conelectricidad, siempredebe considerarseprimero la seguridad.Notas de seguridaden todo el libro lerecuerdan la importancia de laseguridad y proporcionan consejospara tener un lugar de trabajoseguro. En el captulo 2 se presentanmedidas de seguridad bsicas. 19. 2 CANTIDADES Y UNIDADES11 UNIDADES DE MEDICINEn el siglo XIX, las principales unidades de medicin y peso tenan que ver con el comercio.Conforme avanz la tecnologa, los cientficos e ingenieros vislumbraron la necesidad de uti-lizarunidades internacionales de medicin estndar. En 1875, en una conferencia convocadapor los franceses, representantes de dieciocho pases firmaron un tratado que estableca estn-daresinternacionales. En la actualidad, todos los trabajos de ingeniera y cientficos utilizanun sistema internacional de unidades mejorado. El Systme International dUnits, abreviadoSI.*Despus de completar esta seccin, usted debe ser capaz de: Analizar el estndar SI Especificar las unidades SI fundamentales Especificar las unidades complementarias Explicar qu son las unidades derivadasUnidades fundamentales y unidades derivadasEl sistema SI est basado en siete unidades fundamentales (en ocasiones llamadas unidades ba-se)y dos unidades complementarias. Todas las mediciones pueden ser expresadas como algunacombinacin de unidades fundamentales y complementarias. La tabla 1-1 enumera las unidadesfundamentales y la 1-2 las complementarias.La unidad elctrica fundamental, el ampere, es la unidad utilizada para medir la corriente elc-trica.La corriente se abrevia con la letra I (por intensidad) y utiliza el smbolo A (por ampere). Elampere es nico en el sentido de que utiliza en su definicin a la unidad fundamental de tiempo(t) (el segundo). Todas las dems unidades elctricas y magnticas (tales como voltaje, potenciay flujo magntico) utilizan varias combinaciones de unidades fundamentales en sus definicionesy se llaman unidades derivadas.Por ejemplo, la unidad de voltaje derivada, que es el volt (V), se define en funcin de unida-desfundamentales como el Como se puede ver, esta combinacin de unidadesm2 # kg # s-3 # A-1.fundamentales es muy complicada e imprctica. Por consiguiente, se utiliza el volt como unidadderivada. TABLA 11Unidades SI fundamentales.CANTIDAD UNIDAD SMBOLOLongitud Metro mMasa Kilogramo kgTiempo Segundo sCorriente elctrica Ampere ATemperatura Kelvin KIntensidad luminosa Candela cdCantidad de sustancia Mol mol TABLA 12Unidades SI suplementarias.CANTIDAD UNIDAD SMBOLOngulo plano Radian rngulo slido Esteradian sr*Todos los trminos que aparecen en negritas se incluyen en el glosario al final del libro. Los trminos queaparecen en gris y en negritas son trminos clave y tambin se definen al final del captulo. 20. UNIDADES DE MEDICIN 3Se utilizan smbolos literales para representar tanto cantidades como sus unidades. Se utilizaun smbolo para representar el nombre de la cantidad y otro para identificar la unidad de medi-cinde dicha cantidad. Por ejemplo, P representa potencia y W watt, que es la unidad de poten-cia.Otro ejemplo es voltaje. En este caso, la misma letra representa tanto la cantidad como suunidad. La V cursiva representa el voltaje y la V recta el volt, el cual es la unidad de voltaje. Porlo general, las letras cursivas representan la cantidad y las rectas la unidad de dicha cantidad.La tabla 1-3 enumera las cantidades elctricas ms importantes, junto con las unidades SI de-rivadasy sus smbolos. La tabla 1-4 enumera y relaciona las cantidades magnticas, junto con lasunidades SI derivadas y sus smbolos. TABLA 13Cantidades elctricas yunidades derivadas consmbolos SI.CANTIDAD SMBOLO UNIDAD SI SMBOLOCapacitancia C Faradio FCarga Q Coulomb CConductancia G Siemens SEnerga W Joule JFrecuencia f Hertz HzImpedancia Z OhmInductancia L Henry HPotencia P Watt WReactancia X OhmResistencia R OhmVoltaje V Volt V TABLA 14Cantidades magnticas yunidades derivadas consmbolos SI.CANTIDAD SMBOLO UNIDAD SI SMBOLOIntensidad de campo magntico H Ampere vueltas/metro At/mFlujo magntico fWeber WbDensidad de flujo magntico B Tesla TFuerza magnetomotriz Fm Ampere-vuelta AtPermeabilidad m Weber/ampere-vuelta # metro Wb/At #mReluctancia r Ampere-vueltas/weber At/Wb1. Cmo difiere una unidad fundamental de una derivada?2. Cul es la unidad fundamental elctrica?3. Qu significa SI?4. Sin recurrir a la tabla 1-3, enumere tantas cantidades elctricas como sea posible, incluidossus smbolos, unidades, y smbolos de unidad.5. Sin recurrir a la tabla 1-4, enumere tantas cantidades magnticas como sea posible, inclui-dossus smbolos, unidades, y smbolos de unidad.REPASO DE LASECCIN 1-1Las respuestas seencuentran al finaldel captulo. 21. 4 CANTIDADES Y UNIDADESLa notacin cientfica proporciona un mtodo conveniente para representar nmeros gran-desy pequeos y realizar clculos que implican tales nmeros. En notacin cientfica, una canti-dadse expresa como el producto de un nmero situado entre 1 y 10 y una potencia de diez. Porejemplo, la cantidad 150,000 se expresa en notacin cientfica como 1.5105, y la cantidad0.00022 como 2.2104.Potencias de diezLa tabla 1-5 enumera algunas potencias de diez, tanto positivas como negativas, y los nmerosdecimales correspondientes. La potencia de diez se expresa como un exponente de la base 10en cada caso (10x). Un exponente es un nmero al cual se eleva un nmero base. Indica la can-tidadde lugares que el decimal se mueve hacia la derecha o a la izquierda para producir el nme-rodecimal. Para una potencia positiva de diez, el punto decimal se mueve hacia la derecha paraobtener el nmero decimal equivalente. Por ejemplo, para un exponente de 4,104 = 1 * 104 = 1.0000. = 10,000Para una potencia negativa de diez, el punto decimal se mueve hacia la izquierda para obtener elnmero decimal equivalente. Por ejemplo, para un exponente de 4,10-4 = 1 * 10-4 = .0001. = 0.000112 NOTACIN CIENTFICAEn los campos de la electricidad y la electrnica, se presentan tanto cantidades muy pequeascomo muy grandes. Por ejemplo, es comn tener valores de corriente elctrica de slo unascuantas milsimas o incluso de unos cuantos millonsimos de ampere, o tener valores de re-sistenciahasta de varios miles o millones de ohms.Despus de completar esta seccin, usted debe ser capaz de: Utilizar notacin cientfica (potencias de diez) para representar cantidades Expresar cualquier nmero por medio de una potencia de diez Realizar clculos con potencias de diez TABLA 15Algunas potencias de diez positivas y negativas.106 = 1,000,000 10-6 = 0.000001105 = 100,000 10-5 = 0.00001104 = 10,000 10-4 = 0.0001103 = 1,000 10-3 = 0.001102 = 100 10-2 = 0.01101 = 10 10-1 = 0.1100 = 1 22. NOTACIN CIENTFICA 5Exprese cada nmero en notacin cientfica.(a) 200 (b) 5000 (c) 85,000 (d) 3,000,000Solucin En cada caso, corra el punto decimal un nmero apropiado de lugares hacia la izquierda paradeterminar la potencia positiva de diez.(a) (b)(c) (d)200 = 2 : 102 5000 = 5 : 10385,000 = 8.5 : 104 3,000,000 = 3 : 106Problema relacionado* Exprese 4750 en notacin cientfica.*Las respuestas se encuentran al final del captulo.EJEMPLO 11EJEMPLO 12 Exprese cada nmero en notacin cientfica.Solucin En cada caso, corra el punto decimal un nmero apropiado de lugares hacia la derecha para0.2 = 2 : 101 0.005 = 5 : 1030.00063 = 6.3 : 104 0.000015 = 1.5 : 105Problema relacionado Exprese 0.00738 en notacin cientfica.EJEMPLO 13(a) 0.2 (b) 0.005 (c) 0.00063 (d) 0.000015determinar la potencia negativa de diez.(a) (b)(c) (d)Exprese cada uno de los siguientes nmeros como un nmero decimal regular:(a) (b) (c) (d)1 * 105 2 * 103 3.2 * 10-2 2.50 * 10-6Solucin Corra el punto decimal a derecha o izquierda un nmero de lugares indicado por la potenciapositiva o negativa de diez, respectivamente.(a) (b)(c) (d)1 * 105 = 100,000 2 * 103 = 20003.2 * 10-2 = 0.032 2.5 * 10-6 = 0.0000025Problema relacionado Exprese el nmero 9.12103 como un nmero decimal regular.Clculos con potencias de diezLa ventaja de la notacin cientfica radica en que permite efectuar las operaciones de adicin,sustraccin, multiplicacin y divisin de nmeros muy pequeos y muy grandes.Adicin. Los pasos para sumar nmeros presentados en potencias de diez son los siguientes:1. Expresar los nmeros a ser sumados en la misma potencia de diez.2. Sumar los nmeros sin sus potencias de diez para obtener la adicin.3. Recuperar la potencia de diez comn, la cual es la potencia de diez de la adicin. 23. 6 CANTIDADES Y UNIDADESSume 2106 y 5107 y exprese el resultado en notacin cientfica.Solucin 1. Exprese ambos nmeros en la misma potencia de diez: .2. Sume3. Recupere la potencia comn de diez (106); la suma es .Problema relacionado Sume 3.1103 y 5.5104.52 * 106 = 5.2 : 1072 + 50 = 52.(2 * 106) + (50 * 106)EJEMPLO 14Sustraccin Los pasos para restar nmeros presentados en potencias de diez son los siguientes:1. Expresar los nmeros a ser restados en la misma potencia de diez.2. Restar los nmeros sin sus potencias de diez para obtener la diferencia.3. Restaurar la potencia comn de diez, la cual es la potencia de diez de la diferencia.Reste 2.51012 de 7.51011 y exprese el resultado en notacin cientfica.Solucin 1. Exprese cada nmero en la misma potencia de diez: ( ).2. Reste3. Restaure la potencia comn de diez (1011); la diferencia es .Problema relacionado Reste 3.5106 de 2.2105.7.25 : 10117.5 - 0.25 = 7.25.7.5 * 10-11) - (0.25 * 10-11EJEMPLO 15Multiplicacin Los pasos para multiplicar nmeros presentados en potencias de diez son lossiguientes:1. Multiplicar los nmeros directamente sin sus potencias de diez.2. Sumar la potencias de diez algebraicamente (los exponentes no tienen que ser los mismos).Multiplique 51012 y 3106 y exprese el resultado en notacin cientfica.EJEMPLO 16Solucin Multiplique los nmeros, y sume las potencias algebraicamente.(5 * 1012)(3 * 10-6) = 15 * 1012+(-6) = 15 * 106 = 1.5 : 107Problema relacionado Multiplique 3.2106 y 1.5103.Divisin Los pasos para dividir nmeros presentados en potencias de diez son los siguientes:1. Dividir los nmeros directamente sin sus potencias de diez.2. Restar la potencia de diez del denominador de la potencia de diez del numerador (las po-tenciasno tienen que ser las mismas). 24. NOTACIN DE INGENIERA Y PREFIJOS MTRICOS 7Divida 5.0108 entre 2.5103 y exprese el resultado en notacin cientfica.Solucin Escriba el problema de divisin con un numerador y un denominador, comoDivida los nmeros y reste las potencias de diez (3 de 8).5.0 * 1082.5 * 103 = 2 * 108-3 = 2 : 105Problema relacionado Divida 8106 entre 21010.5.0 * 1082.5 * 103EJEMPLO 171. La notacin cientfica utiliza potencias de diez. (Verdadero o falso)2. Exprese 100 como una potencia de diez.3. Exprese los siguientes nmeros en notacin cientfica:(a) 4350 (b) 12,010 (c) 29,000,0004. Exprese los siguientes nmeros en notacin cientfica:(a) 0.760 (b) 0.00025 (c) 0.0000005975. Realice las siguientes operaciones:(1 * 105) + (2 * 105) (3 * 106)(2 * 104)(a) (b)(c) (8 * 103) , (4 * 102) (d) (2.5 * 10-6) - (1.3 * 10-7)REPASO DE LASECCIN 1213 NOTACIN DE INGENIERA Y PREFIJOS MTRICOSLa notacin de ingeniera, una forma especializada de notacin cientfica, se utilizamucho en los campos tcnicos para representar cantidades grandes y pequeas. Enelectrnica, la notacin de ingeniera se emplea para representar valores de voltaje, co-rriente,potencia, resistencia, capacitancia, inductancia y tiempo, por nombrar algunos.Los prefijos mtricos se utilizan junto con la notacin de ingeniera como abreviaturapara ciertas potencias de diez que son mltiplos de tres.Despus de completar esta seccin, usted debe ser capaz de: Utilizar notacin de ingeniera y prefijos mtricos para representar grandes ypequeas cantidades Enumerar los prefijos mtricos Cambiar una potencia de diez dada en notacin de ingeniera a un prefijo mtrico Utilizar prefijos mtricos para expresar cantidades elctricas Convertir un prefijo mtrico en otroNotacin de ingenieraLa notacin de ingeniera es similar a la notacin cientfica. Sin embargo, en notacin de inge-nieraun nmero puede tener de uno a tres dgitos a la izquierda del punto decimal y el expo-nentede potencia de diez debe ser un mltiplo de tres. Por ejemplo, el nmero 33,000 expresado 25. 8 CANTIDADES Y UNIDADESen notacin de ingeniera es 33103. En notacin cientfica, se expresa como 3.3104. Comootro ejemplo, el nmero 0.045 expresado en notacin de ingeniera es 45103. En notacincientfica, se expresa como 4.5102.Exprese los siguientes nmeros en notacin de ingeniera:(a) 82,000 (b) 243,000 (c) 1,956,000Solucin En notacin de ingeniera,82 : 103(a) 82,000 se expresa como .(b) 243,000 se expresa como 243 : 103.(c) 1,956,000 se expresa como .1.956 : 106Problema relacionado Exprese 36,000,000,000 en notacin de ingeniera.Convierta cada uno de los siguientes nmeros en notacin de ingeniera:(a) 0.0022 (b) 0.000000047 (c) 0.00033EJEMPLO 19Solucin En notacin de ingeniera,2.2 : 103(a) 0.0022 se expresa como .(b) 0.000000047 se expresa como 47 : 109.(c) 0.00033 se expresa como .330 : 106Problema relacionado Exprese 0.0000000000056 en notacin de ingeniera.Prefijos mtricosEn notacin de ingeniera, los prefijos mtricos representan cada una de las potencias de diezms comnmente utilizadas. Estos prefijos mtricos se enumeran en la tabla 1-6 junto con sussmbolos y potencias de diez correspondientes.Se utilizan prefijos mtricos slo con nmeros que tienen una unidad de medida, tal comovolts, amperes y ohms, y preceden al smbolo de la unidad. Por ejemplo, 0.025 amperes puede serexpresada en notacin de ingeniera como 25 103. Esta cantidad, expresada utilizando un pre-fijomtrico, es 25 mA, la cual se lee 25 miliamperes. Observe que el prefijo mtrico mili ha TABLA 16Prefijos mtricos con sussmbolos, sus potencias dediez y sus valores.PREFIJOS MTRICOS SMBOLO POTENCIA DE DIEZ VALORfemto f 10-15un mil billonsimopico p 10-12un billonsimonano n 10-9un mil millonsimomicro m 10-6un millonsimomili m 10-3un milsimokilo k 103un milmega M 106un millngiga G 109un mil millonestera T 1012 un billnEJEMPLO 18 26. NOTACIN DE INGENIERA Y PREFIJOS MTRICOS 9reemplazado a 103. Como otro ejemplo, 100,000,000 ohms puede ser expresada como 100 106 . Esta cantidad, expresada utilizando un prefijo mtrico, es 100 M, la cual se lee 100 me-gohms.El prefijo mtrico mega ha reemplazado a 106.Exprese cada cantidad utilizando un prefijo mtrico:(a) 50,000 V (b) 25,000,000 (c) 0.000036 ASolucin (a)50,000 V = 50 * 103 V = 50 kV25,000,000 = 25 * 106 = 25 M(b)(c) 36 A0.000036 A = 36 * 10-6 A = MProblema relacionado Exprese utilizando prefijos mtricos:(a) 56,000,000 (b) 0.000470 AEJEMPLO 110Informacin para usuarios de calculadorasTodas las calculadoras cientficas y de grficos incluyen funciones para ingresar y desplegar n-merosen varios formatos. Las notaciones de ingeniera y cientfica son casos especiales de nota-cinexponencial (potencias de diez). La mayora de las calculadoras dispone de una teclaidentificada como EE (o EXP) que se utiliza para ingresar el exponente de nmeros. Para ingre-sarun nmero en notacin exponencial, primero se ingresa el nmero base, incluido el signo, yluego se oprime la tecla EE, y enseguida el exponente, incluido el signo.Las calculadoras cientficas y de grficos tienen pantallas de visualizacin para mostrar la po-tenciade diez. Algunas calculadoras muestran el exponente como un pequeo nmero elevado ala derecha de lo que muestra la pantalla.1. Exprese los siguientes nmeros en notacin de ingeniera:(a) 0.0056 (b) 0.0000000283 (c) 950,000 (d) 375,000,000,0002. Anote el prefijo mtrico apropiado para cada una de las siguientes potencias de diez:106, 103, 103, 106, 109 y 10123. Use un prefijo mtrico apropiado para expresar 0.000001 A.4. Use un prefijo mtrico apropiado para expresar 250,000 W.REPASO DE LASECCIN 1347.0 03Otras calculadoras lo muestran con una E pequea seguida por el exponente.47.0E03Advierta que, en general, no se muestra la base 10, sino que es implicada o representada por la E.Cuando se escribe el nmero, se tiene que incluir la base 10. El nmero mostrado anteriormentese escribe como 47.0103.Algunas calculadoras se activan en el modo de notacin cientfica o de ingeniera por mediode una funcin secundaria o terciaria, tal como SCI o ENG. Entonces los nmeros se ingresan enforma decimal regular. La calculadora los convierte automticamente al formato apropiado. Enotras calculadoras el modo se selecciona con un men.Siempre revise el manual del usuario de su calculadora particular para determinar cmo utili-zarlas funciones de notacin exponencial. 27. 10 CANTIDADES Y UNIDADES14 CONVERSIONES DE UNIDADES MTRICASEn ocasiones es necesario o conveniente convertir la cantidad de una unidad que tiene un pre-fijomtrico a otra, tal como de miliamperes (mA) a microamperes (mA). Recorriendo el pun-todecimal del nmero una cantidad apropiada de lugares hacia la izquierda o la derecha,segn la conversin de que se trate, se obtiene la conversin de unidad mtrica.Despus de completar esta seccin, usted debe ser capaz de: Convertir una unidad con un prefijo mtrico en otra Convertir entre mili, micro, nano y pico Convertir entre kilo y megaLas siguientes reglas bsicas son aplicables a conversiones de unidades mtricas:1. Cuando se convierte una unidad grande en otra ms pequea, el punto decimal se muevehacia la derecha.2. Cuando se convierte una unidad pequea en otra ms grande, el punto decimal se muevehacia la izquierda.3. Se determina el nmero de lugares que debe recorrerse el punto decimal encontrando ladiferencia en las potencias de diez de las unidades a convertir.Por ejemplo, cuando se convierten miliamperes (mA) en microamperes (A), el punto decimal serecorre tres lugares hacia la derecha porque existe una diferencia de tres lugares entre las dos uni-dades(mA es 103Ay A es 106 A). Los ejemplos siguientes ilustran algunas conversiones.EJEMPLO 111 mAConvierta 0.15 miliamperes (0.15 mA) a microamperes ( ).Solucin Recorra el punto decimal tres lugares hacia la derecha.0.15 mA = 0.15 * 10-3 A = 150 * 10-6 A = 150 MAProblema relacionado Convierta 1 mA en microamperes.Convierta 4500 microvolts (4500 V) a milivolts (mV).EJEMPLO 112Solucin Recorra el punto decimal tres lugares hacia la izquierda.4500 mV = 4500 * 10-6 V = 4.5 * 10-3 V = 4.5 mVProblema relacionado Convierta 1000 V a milivolts.EJEMPLO 113 mConvierta 5000 nanoamperes (5000 nA) a microamperes ( A).Solucin Recorra el punto decimal tres lugares hacia la izquierda.5000 nA = 5000 * 10-9 A = 5 * 10-6 A = 5 MAProblema relacionado Convierta 893 nA a microamperes. 28. CONVERSIONES DE UNIDADES MTRICAS 11Convierta 47,000 picofarads (47,000 pF) en microfarads (F).EJEMPLO 114Solucin Recorra el punto decimal seis lugares hacia la izquierda.47,000 pF = 47,000 * 10-12 F = 0.047 * 10-6 F = 0.047 MFProblema relacionado Convierta 10,000 pF a microfarads.Convierta 0.00022 microfarads (0.00022 F) a picofarads (pF).EJEMPLO 115Solucin Recorra el punto decimal seis lugares hacia la derecha.0.00022 mF = 0.00022 * 10-6 F = 220 * 10-12 F = 220 pFProblema relacionado Convierta 0.0022 F a picofarads.Convierta 1800 kilohms (1800 k) a megohms (M).EJEMPLO 116Solucin Recorra el punto decimal tres lugares hacia la izquierda.1800 k = 1800 * 103 = 1.8 * 106 = 1.8 MProblema relacionado Convierta 2.2 k a megohms.Cuando se suman (o restan) cantidades con diferentes prefijos mtricos, primero se convierteuna de la cantidades al mismo prefijo que la otra.Sume 15 mA y 8000 A y exprese la suma en miliamperes.EJEMPLO 117Solucin Cambie 8000 A a 8 mA y sume.15 mA + 8000 mA = 15 * 10-3 A + 8000 * 10-6 A= 15 * 10-3 A + 8 * 10-3 A = 15 mA + 8 mA = 23 mAProblema relacionado Sume 2873 mA a 10,000 A; exprese la suma en miliamperes1. Convierta 0.01 MV a kilovolts (kV).2. Convierta 250,000 pA a miliamperes (mA).3. Sume 0.05 MW y 75 kW y exprese el resultado en kW.4. Sume 50 mV y 25,000 V y exprese el resultado en mV.REPASO DE LASECCIN 14 29. 12 CANTIDADES Y UNIDADESRESUMEN SI es una abreviatura de Systme International dUnits y representa un sistema estandarizado de unidades. Una unidad fundamental es una unidad SI de la cual se derivan otras unidades SI. Existen siete unidadesfundamentales. La notacin cientfica es un mtodo estndar empleado para representar nmeros muy grandes y muy pe-queostal como si fuesen un nmero entre uno y diez (un dgito a la izquierda del punto decimal) mul-tiplicadopor una potencia de diez. La notacin de ingeniera es un mtodo estndar empleado para representar cantidades con dos o tres d-gitosa la izquierda del punto decimal multiplicados por una potencia de diez que es un mltiplo de tres. Los prefijos mtricos representan potencias de diez en nmeros expresados en notacin de ingeniera.TRMINOS CLAVE En el glosario incluido al final del libro tambin se definen estos trminos clave.Exponente Es el nmero al cual se eleva un nmero base.Notacin cientfica Sistema empleado para representar cualquier nmero como un nmero entre 1 y 10multiplicado por una potencia de diez apropiada.Notacin de ingeniera Sistema empleado para representar cualquier nmero como un nmero de uno,dos o tres dgitos multiplicado por una potencia de diez con un exponente que es mltiplo de 3.Potencia de diez Representacin numrica compuesta de una base de 10 y un exponente; el nmero 10elevado a una potencia.Prefijo mtrico Afijo que representa un nmero que es potencia de diez expresado en notacin de ingeniera.SI Sistema internacional estandarizado de unidades de medicin que se utiliza en todo trabajo de ingenie-ray cientfico; abreviatura francesa para Le Systme International dUnits.AUTOEVALUACIN Las respuestas se encuentran al final del captulo.1. Cul de los siguientes trminos no representa una cantidad elctrica?(a) corriente (b) voltaje (c) tiempo (d) potencia2. La unidad de corriente es(a) volt (b) watt (c) ampere (d) joule3. La unidad de voltaje es(a) ohm (b) watt (c) volt (d) farad4. La unidad de resistencia es(a) ampere (b) henry (c) hertz (d) ohm5. Hertz es la unidad de(a) potencia (b) inductancia (c) frecuencia (d) tiempo6. 15,000 Wes lo mismo que(a) 15 mW (b) 15 kW (c) 15 MW (d) 15 W7. La cantidad 4.7103 es lo mismo que(a) 470 (b) 4700 (c) 47,000 (d) 0.00478. La cantidad 56103 es lo mismo que(a) 0.056 (b) 0.560 (c) 560 (d) 56,000m9. El nmero 3,300,000 puede ser expresado en notacin de ingeniera como3300 * 103 3.3 * 10-6 3.3 * 106(a) (b) (c) (d) cualquier respuesta (a) o (c)10. Diez miliamperes pueden ser expresados como(a) 10 MA (b) 10 mA (c) 10 kA (d) 10 mA11. Cinco mil volts pueden ser expresados como(a) 5000 V (b) 5 MV (c) 5 kV (d) cualquier respuesta (a) o (c)12. Veinte millones de ohms pueden ser expresados como(a) 20 m (b) 20 MW (c) 20 M (d) 20 m 30. PROBLEMAS 13PROBLEMAS Las respuestas a problemas de nmero impar se encuentran al final del libro.SECCIN 12 Notacin cientfica1. Exprese cada uno de los nmeros siguientes en notacin cientfica:(a) 3000 (b) 75,000 (c) 2,000,0002. Exprese cada nmero fraccionario en notacin cientfica:(a) 1/500 (b) 1/2000 (c) 1/5,000,0003. Exprese cada uno de los nmeros siguientes en notacin cientfica:(a) 8400 (b) 99,000 (c)0.2 * 1064. Exprese cada uno de los nmeros siguientes en notacin cientfica:(a) 0.0002 (b) 0.6 (c)7.8 * 10-25. Exprese cada uno de los nmeros siguientes en notacin cientfica:32 * 103 6800 * 10-6 870 * 108(a) (b) (c)6. Exprese cada uno de los nmeros siguientes como un nmero decimal regular:2 * 105 5.4 * 10-9 1.0 * 101(a) (b) (c)7. Exprese cada uno de los nmeros siguientes como un nmero decimal regular:2.5 * 10-6 5.0 * 102 3.9 * 10-1(a) (b) (c)8. Exprese cada nmero de los siguientes como un nmero decimal regular:4.5 * 10-6 8 * 10-9 4.0 * 10-12(a) (b) (c)9. Sume los nmeros siguientes:(9.2 * 106) + (3.4 * 107) (5 * 103) + (8.5 * 10-1)(a) (b)(c)(5.6 * 10-8) + (4.6 * 10-9)10. Efecte las siguientes sustracciones:(3.2 * 1012) - (1.1 * 1012) (2.6 * 108) - (1.3 * 107)(a) (b)(c)(1.5 * 10-12) - (8 * 10-13)11. Realice las siguientes multiplicaciones:(5 * 103)(4 * 105) (1.2 * 1012)(3 * 102)(a) (b)(c)(2.2 * 10-9)(7 * 10-6)12. Realice las siguientes divisiones:(1.0 * 103) , (2.5 * 102) (2.5 * 10-6) , (5.0 * 10-8)(a) (b)(c)(4.2 * 108) , (2 * 10-5)SECCIN 13 Notacin de ingeniera y prefijos mtricos13. Exprese cada uno de los nmeros siguientes en notacin de ingeniera:(a) 89,000 (b) 450,000 (c) 12,040,000,000,00014. Exprese cada nmero en notacin de ingeniera:2.35 * 105 7.32 * 107 1.333 * 109(a) (b) (c)15. Exprese cada nmero en notacin de ingeniera:(a) 0.000345 (b) 0.025 (c) 0.0000000012916. Exprese cada nmero en notacin de ingeniera:9.81 * 10-3 4.82 * 10-4 4.38 * 10-7(a) (b) (c)17. Sume los nmeros siguientes y exprese cada resultado en notacin de ingeniera:(2.5 * 10-3) + (4.6 * 10-3) (68 * 106 ) + (33 * 106)(a) (b)(c)(1.25 * 106) + (250 * 103)18. Multiplique los nmeros siguientes y exprese cada resultado en notacin de ingeniera:(32 * 10-3)(56 * 103) (1.2 * 10-6)(1.2 * 10-6)(a) (b)(c) 100(55 * 10-3) 31. 14 CANTIDADES Y UNIDADES19. Divida los nmeros siguientes y exprese cada resultado en notacin de ingeniera:50 , (2.2 * 103) (5 * 103) , (25 * 10-6)(a) (b)(c)560 * 103 , (660 * 103)20. Exprese cada nmero del problema 13 en ohms por medio de un prefijo mtrico.21. Exprese cada nmero del problema 15 en amperes por medio de un prefijo mtrico.22. Exprese cada uno de los siguientes nmeros como una cantidad precedida por un prefijo mtrico:31 * 10-3 A 5.5 * 103 V 20 * 10-12 F(a) (b) (c)23. Exprese cada una de las cantidades siguientes por medio de prefijos mtricos:3 * 10-6 F 3.3 * 106 350 * 10-9 A(a) (b) (c)24. Exprese cada una de las cantidades siguientes por medio de prefijos mtricos:2.5 * 10-12 A 8 * 109 Hz 4.7 * 103 (a) (b) (c)25. Exprese cada cantidad convirtiendo el prefijo mtrico en una potencia de 10:(a) 7.5 pA (b) 3.3 GHz (c) 280 nW26. Exprese cada cantidad en notacin de ingeniera:m (a) 5 A (b) 43 mV (c) 275 k (d) 10 MWSECCIN 14 Conversiones de unidades mtricas27. Realice las conversiones indicadas:(a) 5 mA a microamperes (b) 3200 Wa miliwatts(c) 5000 kV a megavolts (d) 10 MW a kilowatts28. Determine lo siguiente:(a) El nmero de microamperes en 1 miliampere(b) El nmero de milivolts en 0.05 kilovolts(c) El nmero de megohms en 0.02 kilohms(d) El nmero de kilowatts en 155 miliwatts29. Sume las siguientes cantidades:50 mA + 680 mA 0.02 mF + 3300 pF(a) (b) 120 k2.2 M (c)30. Realice las siguientes operaciones:10 k , (2.2 k + 10 k) 250 mV , 50 mV 1 MW , 2 kW(a) (b) (c)RESPUESTASREPASOS DE SECCINSECCIN 11 Unidades de medicin1. Las unidades fundamentales definen las derivadas.2. Ampere.3. SI es la abreviatura de Systme International.4. Remtase a la tabla 1-3 una vez que haya compilado su lista de cantidades elctricas.5. Remtase a la tabla 1-4 una vez que haya compilado su lista de cantidades magnticas.SECCIN 12 Notacin cientfica1. Verdadero2. 1023. (a) 4.35 * 103 (b) 1.201 * 104 (c)2.9 * 1074. (a) 7.6 * 10-1 (b) 2.5 * 10-4 (c)5.97 * 10-75. (a) 3 * 105 (b) 6 * 1010 (c) 2 * 101 (d) 2.37 * 10-6 32. RESPUESTAS 15SECCIN 13 Notacin de ingeniera y prefijos mtricos5.6 * 10-3 28.3 * 10-9 950 * 103 375 * 1091. (a) (b) (c) (d)2. Mega (M), kilo (k), mili (m), micro (), nano (n), y pico (p).3. 1 mA (un microampere)4. 250 kW (250 kilowatts)SECCIN 14 Conversin de unidades mtricas1.2.3.4.0.01 MV = 10 kV250,000 pA = 0.00025 mA0.05 MW + 75 kW = 50 kW + 75 kW = 125 kW50 mV + 25,000 mV = 50 mV + 25 mV = 75 mVPROBLEMAS RELACIONADOS CON LOS EJEMPLOS114.75 * 103127.38 * 10-313 9120145.81 * 104151.85 * 10-5164.8 * 103174 * 1041836 * 109195.6 * 10-12110 (a) 56 M (b) 470 mA111 1000 mA112 1 mV113 0.893 mA114 0.01 mF115 2200 pF116 0.0022 M117 2883 mAAUTOEVALUACIN1. (c) 2. (c) 3. (c) 4. (d) 5. (c) 6. (b)7. (b) 8. (a) 9. (d) 10. (d) 11. (d) 12. (c) 33. VOLTAJE, CORRIENTEY RESISTENCIAESQUEMA DEL CAPTULO21 Estructura atmica22 Carga elctrica23 Voltaje, corriente y resistencia24 Fuentes de voltaje y de corriente25 Resistores26 El circuito elctrico27 Mediciones de circuito bsicas28 Seguridad elctricaUna aplicacin de circuitoOBJETIVOS DEL CAPTULO Describir la estructura bsica de los tomos Explicar el concepto de carga elctrica Definir voltaje, corriente y resistencia y analizar suscaractersticas Analizar una fuente de voltaje y una fuente de co-rriente Reconocer y analizar diversos tipos y valores de re-sistencias Describir un circuito elctrico bsico Realizar mediciones de circuito bsicas Reconocer los riesgos elctricos y practicar proce-dimientosde seguridadDESCRIPCIN PREVIA DE LAAPLICACIN DE UN CIRCUITOEn la seccin titulada Una aplicacin de un circuito, ve-rcmo se aplica la teora presentada en este captuloa un circuito prctico que simula ser una parte del sis-temade iluminacin de un automvil. Las luces de unautomvil son ejemplos de tipos simples de circuitoselctricos. Cuando usted enciende los faros delanterosy las luces traseras est conectndolos a la batera, lacual proporciona el voltaje y produce corriente en cadafoco. La corriente hace que los focos emitan luz. stostienen una resistencia que limita la cantidad de co-rriente.La luz del tablero de instrumentos puede serajustada en la mayora de los automviles en cuanto abrillantez. Al girar una perilla la resistencia del circuitocambia, por lo que la corriente cambia tambin. La co-rrienteque pasa por el foco determina su brillantez.VISITE EL SITIO WEB RELACIONADOApoyos complementarios de estudio para este captu-loestn disponibles enhttp://www.pearsoneducacion.net/floydINTRODUCCINLa aplicacin til de la tecnologa electrnica en situa-cionesprcticas requiere que primero se conozca la teo-rafundamental de una aplicacin dada. Una vez queusted haya dominado la teora, puede aprender a apli-carlaen la prctica. En este captulo y en lo que restadel libro, aprender a poner en prctica la teora en apli-cacionesde circuitos.En este captulo se introducen los conceptos teri-cosde corriente, voltaje y resistencia elctricos. Ustedaprender a expresar cada una de estas cantidades enlas unidades apropiadas y cmo se mide cada canti-dad.Se presentan los elementos esenciales que con-formanun circuito elctrico bsico y la manera deensamblarlos.Se presentan los tipos de artefactos que generanvoltaje y corriente. Adems, usted ver una variedad decomponentes que se utilizan para introducir resistenciaen circuitos elctricos. Se analiza la operacin de dispo-sitivosprotectores, tales como fusibles y disyuntores decircuito, y se introducen los interruptores mecnicosutilizados comnmente en circuitos elctricos. Tambinaprender cmo controlar y medir voltaje, corriente yresistencia empleando instrumentos de medicin.TRMINOS CLAVE Aislante Ampere Ampermetro tomo AWG Carga Circuito Circuito abierto Circuito cerrado Conductancia Conductor Corriente Coulomb Choque elctrico DMM Electrn Electrn libre Fuente de corriente Fuente de voltaje Ohm Ohmmetro Potencimetro Restato Resistencia Resistor Semiconductor Siemens Tierra Volt Voltaje Voltmetro2 34. ESTRUCTURA ATMICA 17El voltaje es esencial en cualquier tipo de circuito elctrico. El voltaje es la energa potencial de la cargaelctrica requerida para que el circuito trabaje. Tambin es necesaria la corriente para que operen los circui-toselctricos, pero se requiere voltaje para producirla. La corriente es el movimiento de electrones que tienelugar a travs del circuito. En un circuito elctrico, la resistencia limita la cantidad de corriente. Un sistemade distribucin de agua puede ser utilizado como analoga de un circuito simple. El voltaje puede ser conside-radoanlogo a la presin requerida para que el agua fluya por las tuberas. La corriente que pasa por losalambres, o conductores, puede ser considerada anloga al agua que circula por las tuberas. La resistenciapuede ser considerada anloga a la restriccin del flujo de agua que se produce al ajustar una vlvula.21 ESTRUCTURA ATMICAToda la materia se compone de tomos, y todos los tomos se componen de electrones,protones y neutrones. En esta seccin aprender acerca de la estructura de un tomo, lo cualincluye capas y rbitas de los electrones, electrones de valencia, iones y niveles de energa.La configuracin que presentan ciertos electrones en un tomo es el factor clave paradeterminar qu tan bien conduce la corriente elctrica un material conductor o semiconductor.Despus de completar esta seccin, usted debe ser capaz de: Describir la estructura bsica de los tomos Definir los trminos ncleo, protn, neutrn y electrn Definir el trmino nmero atmico Definir el trmino capa Explicar qu es un electrn de valencia Describir la ionizacin Explicar qu es un electrn libre Definir los trminos conductor, semiconductor y aislanteUn tomo es la partcula ms pequea de un elemento que conserva las caractersticas de di-choelemento. Cada uno de los 109 elementos conocidos tiene tomos que son diferentes de lostomos de todos los dems elementos. Esto da a cada elemento una estructura atmica nica. Se-gnel modelo bsico de Bohr, en un tomo se visualiza como una estructura de tipo planetarioque consta de un ncleo central rodeado por electrones que lo orbitan, tal como se ilustra en la fi-gura2-1. El ncleo se compone de partculas cargadas positivamente y llamadas protones, ascomo de partculas no cargadas que se denominan neutrones. Las partculas bsicas de carga ne-gativase llaman electrones.Electrn Protn Neutrn FIGURA 21Modelo de Bohr de un tomoque muestra los electrones enrbitas circulares alrededordel ncleo. En los electrones,las colas indican que estnen movimiento. 35. 18 VOLTAJE, CORRIENTE Y RESISTENCIACada tipo de tomo tiene un cierto nmero de electrones y protones que lo distingue de lostomos de todos los dems elementos. Por ejemplo, el tomo ms simple es el de hidrgeno, elcual tiene un protn y un electrn, como se ilustra en la figura 2-2(a). Otro ejemplo, el tomo dehelio, mostrado en la figura 2-2(b), tiene dos protones y dos neutrones en el ncleo ms dos elec-tronesque orbitan el ncleo.ElectrnNcleoElectrna) tomo de hidrgeno b) tomo de helioNcleoElectrn FIGURA 22Los dos tomos ms simples, hidrgeno y helio.Nmero atmicoTodos los elementos estn dispuestos en la tabla peridica de los elementos en un orden que vade acuerdo con su nmero atmico. El nmero atmico es igual al nmero de protones presentesen el ncleo. Por ejemplo, el nmero atmico del hidrgeno es 1 y el del helio es 2. En su estadonormal (o neutro), todos los tomos de un elemento dado tienen el mismo nmero de electronesy de protones; las cargas positivas igualan a las cargas negativas, y el tomo tiene una carga ne-tade cero que lo vuelve elctricamente neutro.Capas, rbitas y niveles de energaTal como se ha visto en el modelo de Bohr, los electrones describen rbitas alrededor del ncleoa ciertas distancias de ste y estn restringidos a dichas rbitas especficas. Dentro del tomo, ca-darbita corresponde a un nivel de energa diferente conocido como capa. Las capas se desig-nancon 1, 2, 3, y as sucesivamente, siendo la capa 1 la ms cercana al ncleo. Los electronesms alejados del ncleo estn a niveles de energa ms altos.De acuerdo con el modelo de Bohr para el tomo, las lneas espectrales del hidrgeno mues-tranque los electrones slo pueden absorber o emitir una cantidad de energa especfica que re-presentala diferencia exacta entre los niveles de energa. La figura 2-3 muestra dichos nivelesEnergaIonizacinn = 3n = 2Estado de tierra, n = 1 FIGURA 23Niveles de energa enhidrgeno. 36. ESTRUCTURA ATMICA 19dentro del tomo de hidrgeno. El nivel ms bajo (n = 1) se llama estado de tierra y representa eltomo ms estable con un solo electrn en la primera capa. Si este electrn adquiere una cantidadespecfica de energa absorbiendo un fotn, puede ascender hasta uno de los niveles de energa msaltos. En este estado alto, el electrn puede emitir un fotn que contenga exactamente la misma can-tidadde energa y regresar entonces al estado de tierra. Las transiciones entre los niveles de ener-gaexplican los diversos fenmenos que se presentan en la electrnica, tales como el color de laluz emitida por un diodo emisor de luz.Despus del trabajo de Bohr, Erin Schroedinger (1887-1961) propuso una teora matemticapara el tomo donde explica los tomos ms complicados. Schroedinger sugiri que el electrn po-seeuna propiedad de onda, y consider que el caso ms simple tiene un patrn de ondas estacio-nariastridimensionales producidas por vibraciones. Schroedinger teoriz que la onda estacionariade un electrn de forma esfrica slo poda tener ciertas longitudes de onda. Este modelo de me-cnicade ondas del tomo produjo la misma ecuacin para la energa del electrn en hidrgenoque el modelo de Bohr, pero en el modelo de mecnica de ondas, los tomos ms complicados po-danexplicarse considerando formas diferentes a esferas y aadiendo una designacin para laorientacin de una forma dada dentro del tomo. En ambos modelos, los electrones prximos alncleo tienen menos energa que los ms alejados, lo cual se constituy en el concepto bsico delos niveles de energa.La idea de niveles de energa discretos dentro del tomo sigue siendo el fundamento para en-tenderlo,y el modelo de mecnica de ondas ha tenido mucho xito en la prediccin de los nive-lesde energa de varios tomos. El modelo de mecnica de ondas del tomo utiliz el nmero decapa, llamado nmero cuntico principal, en la ecuacin de energa. Otros tres nmeros cunti-cosdescriben a cada electrn presente en el tomo. Todos los el