Pregrado
  1. Mecánica clásica  1.1. dinámica  1.1.1. Movimiento en una dimensión  1.1.2. Movimiento en dos dimensiones  1.1.3. projectile motion  1.1.4. Velocidad relativa  1.1.5. Movimiento circular uniforme  1.1.6. Movimiento circular no uniforme  1.1.7. Sistemas de referencia y transformaciones  1.2. Newton's Laws of Motion  1.2.1. Primera ley del movimiento  1.2.2. Segunda ley del movimiento  1.2.3. Tercera Ley del Movimiento  1.2.4. Aplicaciones de las leyes de Newton  1.2.5. Fricción y sus tipos  1.2.6. Diagrama de Cuerpo Libre  1.2.7. Restricciones y pseudo-fuerzas  1.3. Trabajo y energía  1.3.1. Trabajo realizado por la fuerza  1.3.2. Teorema trabajo-energía  1.3.3. Energía cinética  1.3.4. Energía potencial en la mecánica clásica  1.3.5. Fuerzas conservativas y no conservativas  1.3.6. Conservación de la Energía  1.3.7. Poder y eficiencia  1.4. Velocidad y colisiones  1.4.1. Momento lineal  1.4.2. Conservación del momento  1.4.3. Impulso y fuerza de impacto  1.4.4. Colisión elástica e inelástica  1.4.5. Centro de masa y velocidad  1.4.6. Propulsión de Cohetes  1.5. Movimiento rotacional  1.5.1. Torque y Momento Angular  1.5.2. Momento de inercia  1.5.3. Cinemática Rotacional  1.5.4. Energía Rotacional  1.5.5. Movimiento de rodadura  1.5.6. Precesión y movimiento giroscópico  1.6. Fuerza gravitacional  1.6.1. La ley de la gravitación universal de Newton  1.6.2. Energía potencial gravitatoria  1.6.3. Mecánica orbital  1.6.4. Leyes del movimiento planetario de Kepler  1.6.5. Campo y potencial gravitatorio  1.7. Mecánica de fluidos  1.7.1. Presión y el Principio de Pascal  1.7.2. Flotabilidad y el principio de Arquímedes  1.7.3. Dinámica de Fluidos y el Principio de Bernoulli  1.7.4. Viscosidad y la ley de Poiseuille  1.7.5. Tensión superficial y capilaridad  1.8. Oscilaciones y ondas  1.8.1. Movimiento Armónico Simple  1.8.2. Oscilaciones amortiguadas y forzadas  1.8.3. Oscilaciones acopladas y modos comunes  1.8.4. Propiedades y tipos de ondas  1.8.5. Ondas Sonoras y el Efecto Doppler  1.8.6. Interferencia de ondas y superposición
  2. Electromagnetismo  2.1. Electrostática  2.1.1. Carga eléctrica y propiedades  2.1.2. Ley de Coulomb  2.1.3. Electric field and electric potential  2.1.4. La Ley de Gauss  2.1.5. Capacitancia y Dieléctrico  2.1.6. Dipolo eléctrico y energía potencial  2.2. Circuitos eléctricos  2.2.1. Corriente y Resistencia  2.2.2. Ley de Ohm  2.2.3. Leyes de Kirchhoff  2.2.4. Circuito RC  2.2.5. Circuitos de CA y Reactancia  2.2.6. Electricidad y energía eléctrica  2.3. Magnetismo  2.3.1. Campos y Fuerzas Magnéticas  2.3.2. La Ley de Ampere  2.3.3. Momento dipolar magnético  2.3.4. Ley de Biot-Savart  2.3.5. Materiales Magnéticos y Histeresis  2.4. Inducción electromagnética  2.4.1. Ley de Faraday  2.4.2. La ley de Lenz  2.4.3. Autoinducción y mutua inducción  2.4.4. Transformadores y Circuitos Inductivos  2.5. Ecuaciones de Maxwell  2.5.1. La ley de Gauss para la electricidad  2.5.2. Ley de Gauss para el magnetismo  2.5.3. La ley de inducción de Faraday  2.5.4. Ley de Ampere-Maxwell  2.5.5. Ondas electromagnéticas
  3. Termodinámica  3.1. Leyes de la Termodinámica  3.1.1. Ley cero de la termodinámica  3.1.2. Primera ley de la termodinámica  3.1.3. Segunda Ley  3.1.4. Tercera Ley  3.2. Calor y trabajo  3.2.1. Transferencia de calor (conducción, convección, radiación)  3.2.2. Expansión térmica  3.2.3. Motores térmicos y refrigeradores  3.2.4. Ciclo de Carnot y eficiencia  3.3. Mecánica estadística  3.3.1. Distribución de Maxwell–Boltzmann  3.3.2. Entropía y Probabilidad  3.3.3. Función de partición  3.3.4. Estadísticas de Fermi–Dirac y Bose–Einstein
  4. Óptica  4.1. Óptica Geométrica  4.1.1. Reflexión y refracción  4.1.2. Espejos y lentes  4.1.3. Instrumentos Ópticos  4.1.4. El principio de Fermat  4.2. Óptica de ondas  4.2.1. Interferencia en la óptica de ondas  4.2.2. Difracción  4.2.3. Polarización  4.2.4. Coherencia y holografía
  5. Mecánica cuántica  5.1. Dualidad onda-partícula  5.1.1. Radiación de cuerpo negro en la dualidad onda-partícula en la mecánica cuántica  5.1.2. Efecto fotoeléctrico  5.1.3. Dispersión Compton  5.1.4. Longitud de onda de De Broglie  5.2. Ecuación de Schrödinger  5.2.1. Ecuación de Schrödinger independiente del tiempo  5.2.2. Partícula en una caja  5.2.3. Efecto túnel cuántico  5.2.4. Pozos de potencial y obstáculos  5.3. Estados Cuánticos  5.3.1. Función de onda  5.3.2. Operadores cuánticos  5.3.3. Principio de incertidumbre de Heisenberg  5.3.4. Momento angular y espín
  6. Relatividad  6.1. Relatividad especial  6.1.1. Transformaciones de Lorentz  6.1.2. Expansión del tiempo y contracción de la longitud  6.1.3. Energía y momento relativista  6.2. Relatividad general  6.2.1. Principio de Equivalencia  6.2.2. Métrica de Schwarzschild  6.2.3. Ondas gravitacionales  6.2.4. Agujeros negros y horizontes de eventos
  7. Física del estado sólido  7.1. Estructura cristalina  7.1.1. Redes de Bravais  7.1.2. Difracción de rayos X  7.1.3. Teoría de bandas  7.1.4. Fonones y vibraciones de red  7.2. Propiedades Eléctricas y Magnéticas  7.2.1. Conductores, Semiconductores e Aislantes  7.2.2. Superconductividad  7.2.3. Efecto Hall
  8. Física nuclear y de partículas  8.1. Estructura Atómica  8.1.1. Modelo Atómico  8.1.2. Energía de enlace nuclear  8.2. Radiactividad  8.2.1. Desintegración alfa, beta, gamma  8.2.2. Vida media  8.2.3. Fisión y Fusión Nuclear  8.3. Física de partículas  8.3.1. Modelo Estándar  8.3.2. Quarks y Leptones  8.3.3. antimateria  8.3.4. Interacciones fundamentales
  9. Astrofísica y cosmología  9.1. Evolución estelar  9.1.1. Formación estelar  9.1.2. Agujeros negros y estrellas de neutrones  9.1.3. Enanas blancas y supernovas  9.2. Cosmología  9.2.1. La Teoría del Big Bang  9.2.2. Materia oscura y energía oscura  9.2.3. Fondo cósmico de microondas

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Circuitos de CA y Reactancia


En el estudio del electromagnetismo en cursos de física de pregrado, "Circuitos de CA y reacción" es un tema importante. Los circuitos de corriente alterna (CA) difieren significativamente de los circuitos de corriente continua (CC) en términos de su estructura y el comportamiento de los componentes dentro de ellos. Entender estas diferencias es importante para entender cómo se aplican los circuitos de CA en el mundo real, como en sistemas eléctricos domésticos, dispositivos electrónicos y redes de distribución eléctrica.

Básicos de la corriente alterna (CA)

La corriente alterna se define por su capacidad para invertir periódicamente la dirección, mientras que la corriente directa fluye en la misma dirección. Esta inversión periódica ocurre a una frecuencia dada en hertz (Hz), que indica el número de ciclos por segundo. La frecuencia estándar para la CA doméstica en la mayoría de los países es de 50 Hz o 60 Hz.

En los circuitos de CA, el voltaje también alterna. El voltaje en un circuito de CA se puede describir matemáticamente como una onda sinusoidal. La forma general de una señal de voltaje se da como:

v(t) = V_m * sin(ωt + φ)

Donde:

  • v(t) es el voltaje instantáneo.
  • V_m es el voltaje máximo (amplitud).
  • ω es la frecuencia angular en radianes por segundo (relacionada con la frecuencia f por ω = 2πf ).
  • φ es el ángulo de fase.

El valor cuadrático medio (RMS) de un voltaje o corriente de CA se usa a menudo en lugar de los valores de pico. Esto se debe a que el valor RMS proporciona un valor promedio que es equivalente al valor de CC en términos del efecto térmico. Para una onda sinusoidal, la relación entre el valor de pico y el valor RMS es:

V_{rms} = V_m / √2

Componentes en circuitos de CA

Los circuitos de CA pueden contener resistencias, capacitores, inductores y componentes más complejos. El comportamiento de estos componentes en un circuito de CA puede diferir de su comportamiento en CC. Echemos un vistazo más profundo a cada uno.

Resistencias en circuitos de CA

Las resistencias obstruyen el flujo de corriente, y su efecto en los circuitos de CA es el mismo que en los circuitos de CC. Su resistencia no cambia con la frecuencia, por lo que para una resistencia con resistencia R, el voltaje y la corriente están en la misma fase.

Voltaje corriente

Capacitores en circuitos de CA

Los capacitores almacenan energía en forma de un campo eléctrico. En circuitos de CA, la capacidad del capacitor para pasar corriente depende de la frecuencia. La oposición al flujo de corriente a través de un capacitor se conoce como "reactancia capacitiva", representada por X_c y calculada como:

X_c = 1 / (ωC) = 1 / (2πfC)

Aquí, C es la capacitancia en faradios. A diferencia de las resistencias, el voltaje a través de un capacitor se retrasa con respecto a la corriente en 90 grados.

Voltaje corriente

Inductor en circuitos de CA

Los inductores almacenan energía en un campo magnético. La resistencia que un inductor ofrece a la CA se llama "reactancia inductiva", representada por X_l y dada por:

X_l = ωL = 2πfL

Aquí, L es la inductancia en henrios. El voltaje en el inductor adelanta a la corriente en 90 grados.

corriente Voltaje

Impedancia y relación de fase

La impedancia, representada por Z, mide cuánto un componente resiste el flujo de corriente de CA. Es una cantidad compleja que tiene en cuenta tanto la resistencia ( R ) como la reactancia ( X ). La impedancia se representa como:

Z = R + jX

Donde:

  • R es la parte resistiva.
  • X es la reactancia total (suma de X_l y X_c ).
  • j es la unidad imaginaria.

La magnitud de la impedancia se calcula como:

|Z| = √(R^2 + X^2)

El ángulo de fase θ entre el voltaje total y la corriente total se da por:

θ = atan(X / R)

Este ángulo de fase determina si el comportamiento del circuito es inductivo o capacitivo. Si θ es positivo, el circuito es inductivo, y si es negativo, es capacitivo.

Circuitos de CA en serie y paralelo

Circuito de CA en serie

En un circuito en serie, los componentes se organizan en orden en la misma ruta. La misma corriente fluye a través de cada componente, pero se aplica un voltaje diferente a cada uno de ellos. La impedancia total en un circuito en serie es la suma de las impedancias individuales:

Z_total = Z_1 + Z_2 + ... + Z_n

Por ejemplo, si una resistencia, un inductor y un capacitor están conectados en serie, la impedancia total es:

Z_total = R + j(X_l - X_c)

Circuito de CA en paralelo

En un circuito en paralelo, todos los componentes están conectados a los mismos dos puntos, proporcionando múltiples rutas para la corriente. La admitancia total ( Y ) es la suma de las admitancias individuales. La admitancia es el inverso de la impedancia:

Y = 1 / Z

Por lo tanto, la admitancia total para un circuito en paralelo es:

Y_total = Y_1 + Y_2 + ... + Y_n

Esta admitancia total puede convertirse de nuevo para encontrar la impedancia total:

Z_total = 1 / Y_total

Potencia en circuitos de CA

El análisis de la potencia en un circuito de CA es diferente al de un circuito de CC debido a la presencia de reactancia. La potencia en un circuito de CA se puede clasificar en tres tipos:

  • Potencia real (P): Es la potencia real consumida en un circuito y se mide en vatios (W). Se da por la fórmula:
P = V_rms * I_rms * cos(θ)
  • Potencia reactiva (Q): Es la potencia almacenada y liberada por inductores y capacitores en un circuito y se mide en voltios-amperios reactivos (VAR). Se da como:
Q = V_rms * I_rms * sin(θ)
  • Potencia aparente (S): Esta es la combinación de potencia real y potencia reactiva, medida en voltios-amperios (VA). Se calcula de la siguiente manera:
S = V_rms * I_rms

La relación entre estos tipos de potencia se expresa en el triángulo de potencia, que muestra visualmente cómo esta relación forma un triángulo rectángulo:

Triángulo de Potencia:

S^2 = P^2 + Q^2

Aquí, la potencia aparente S es la hipotenusa, la potencia real P es el lado adyacente, y la potencia reactiva Q es el lado opuesto del triángulo.

Comprender los circuitos de CA y la reactancia ilumina la compleja interacción de la resistencia, la reactancia capacitiva y la reactancia inductiva, lo que refina nuestra comprensión del comportamiento de la corriente alterna en diversas aplicaciones eléctricas y electrónicas. Este conocimiento apoya nuestro avance a través de estudios más avanzados en el campo del electromagnetismo e ingeniería eléctrica aplicada.


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