Fundamentos de Circuitos eléctricos PDF

Fundamentos de Circuitos eléctricos  tercera edición Fundamentos de Circuitos eléctricos Charles K. Alexander Cleveland State University Matthew N. O. Sadiku Prairie View A&M University...

Fundamentos de Circuitos eléctricos  tercera edición Fundamentos de Circuitos eléctricos Charles K. Alexander Cleveland State University Matthew N. O. Sadiku Prairie View A&M University Traducción Aristeo Vera Bermúdez Traductor profesional Carlos Roberto Cordero Pedraza Catedrático de Ingeniería Electrónica y Comunicaciones Secretaría de Marina Armada de México, CESNAV Revisión técnica Francisco Martín del Campo Profesor de Circuitos Eléctricos Universidad Iberoamericana, Ciudad de México MÉXICO AUCKLAND BOGOTÁ BUENOS AIRES CARACAS GUATEMALA LISBOA LONDRES MADRID MILÁN MONTREAL NUEVA YORK SAN FRANCISCO SAN JUAN SAN LUIS NUEVA DELHI SANTIAGO SÃO PAULO SIDNEY SINGAPUR TORONTO Director Higher Education: Miguel Ángel Toledo Castellanos Director editorial: Ricardo A. del Bosque Alayón Editor sponsor: Pablo Eduardo Roig Vázquez Editora de desarrollo: Paula Montaño González Supervisor de producción: Zeferino García García FUNDAMENTOS DE CIRCUITOS ELÉCTRICOS Tercera edición Prohibida la reproducción total o parcial de esta obra, por cualquier medio, sin la autorización escrita del editor. DERECHOS RESERVADOS © 2006 respecto a la segunda edición en español por McGRAW-HILL/INTERAMERICANA EDITORES, S.A. DE C.V. A subsidiary of The McGraw-Hill Companies, Inc. Prolongación Paseo de la Reforma 1015, Torre A Piso 17, Colonia Desarrollo Santa Fe, Delegación Álvaro Obregón C. P. 01376, México, D. F. Miembro de la Cámara Nacional de la Industria Editorial Mexicana, Reg. Núm. 736 ISBN 970-10-5606-X Traducido de la tercera edición de: FUNDAMENTALS OF ELECTRIC CIRCUITS, THIRD EDITION Copyright © MMVI by The McGraw-Hill Companies, Inc. All rights reserved. Previous editions © 2004, and 2000. ISBN 0-07-326800-3 1234567890 09875432106 Impreso en México Printed in Mexico Dedicada a nuestras esposas, Kikelomo y Hannah, cuya comprensión y ayuda hicieron posible la realización de este libro. Matthew y Chuck Contenido Prefacio xii 2.9 Resumen 64 Agradecimientos xvi Preguntas de repaso 66 Visita paso a paso xx Problemas 67 Nota para el estudiante xxiii Problemas de mayor extensión 78 Acerca de los autores xxv Capítulo 3 Métodos de análisis 81 PARTE 1 Circuitos de cd 2 3.1 Introducción 82 Capítulo 1 Conceptos básicos 3 3.2 Análisis nodal 82 3.3 Análisis nodal con fuentes de tensión 88 1.1 Introducción 4 3.4 Análisis de lazo 93 1.2 Sistemas de unidades 4 3.5 Análisis de lazo con fuentes de 1.3 Carga y corriente 6 corriente 98 1.4 Tensión 9 3.6 Análisis nodal y de lazo por 1.5 Potencia y energía 10 inspección 100 1.6 Elementos de circuitos 15 3.7 Comparación del análisis nodal con el de 1.7 Aplicaciones 17 lazo 104 1.7.1 Tubo de imagen del televisor 3.8 Análisis de circuitos con PSpice 105 1.7.2 Recibos de consumo de electricidad 3.9 Aplicaciones: Circuitos transistorizados 1.8 Solución de problemas 20 de cd 107 1.9 Resumen 23 3.10 Resumen 112 Preguntas de repaso 24 Preguntas de repaso 113 Problemas 24 Problemas 114 Problemas de mayor extensión 27 Problemas de mayor extensión 126 Capítulo 2 Leyes básicas 29 Capítulo 4 Teoremas de circuitos 127 2.1 Introducción 30 4.1 Introducción 128 2.2 Ley de Ohm 30 4.2 Propiedad de linealidad 128 2.3 Nodos, ramas y mallas 35 4.3 Superposición 130 2.4 Leyes de Kirchhoff 37 4.4 Transformación de fuentes 135 2.5 Resistores en serie y división de tensión 43 4.5 Teorema de Thevenin 139 2.6 Resistores en paralelo y división de 4.6 Teorema de Norton 145 corriente 45 4.7 Derivación de los Teoremas de Thevenin y 2.7 Transformaciones estrella-delta 52 Norton 149 2.8 Aplicaciones 58 4.8 Máxima transferencia de potencia 150 2.8.1 Sistemas de iluminación 4.9 Comprobación de teoremas de circuitos 2.8.2 Diseño de medidores de cd con PSpice 152 vii viii Contenido 4.10 Aplicaciones 155 7.5 Respuesta escalón de un circuito RC 273 4.10.1 Modelado de fuentes 7.6 Respuesta escalón de un circuito RL 280 4.10.2 Medición de la resistencia 7.7 Circuitos de primer orden con 4.11 Resumen 160 amplificadores operacionales 284 Preguntas de repaso 161 7.8 Análisis transitorio con PSpice 289 Problemas 162 7.9 Aplicaciones 293 Problemas de mayor extensión 173 7.9.1 Circuitos de retraso 7.9.2 Unidad de flash fotográfico 7.9.3 Circuitos relevadores 7.9.4 Circuitos de encendido de un automóvil Capítulo 5 Amplificadores 7.10 Resumen 299 operacionales 175 Preguntas de repaso 300 5.1 Introducción 176 Problemas 301 5.2 Amplificadores operacionales 176 Problemas de mayor extensión 311 5.3 Amplificador operacional ideal 179 5.4 Amplificador inversor 181 5.5 Amplificador no inversor 183 5.6 Amplificador sumador 185 Capítulo 8 Circuitos de segundo orden 313 5.7 Amplificador diferencial 187 8.1 Introducción 314 5.8 Circuitos con amplificadores operacionales 8.2 Determinación de valores iniciales en cascada 191 y finales 314 5.9 Análisis de circuitos con amplificadores 8.3 Circuito RLC en serie sin fuente 319 operacionales con PSpice 194 8.4 Circuito RLC en paralelo sin fuente 326 5.10 Aplicaciones 196 8.5 Respuesta escalón de un circuito RLC en 5.10.1 Convertidor digital-analógico serie 331 5.10.2 Amplificadores para instrumentación 8.6 Respuesta escalón de un circuito RLC en 5.11 Resumen 199 paralelo 336 Preguntas de repaso 201 8.7 Circuitos generales de segundo orden 339 Problemas 202 8.8 Circuitos de segundo orden con Problemas de mayor extensión 213 amplificadores operacionales 344 8.9 Análisis de circuitos RLC con PSpice 346 8.10 Dualidad 350 Capítulo 6 Capacitores e inductores 215 8.11 Aplicaciones 353 8.11.1 Sistema de encendido de un automóvil 6.1 Introducción 216 8.11.2 Circuitos suavisadores 6.2 Capacitores 216 8.12 Resumen 356 6.3 Capacitores en serie y en paralelo 222 Preguntas de repaso 357 6.4 Inductores 226 Problemas 358 6.5 Inductores en serie y en paralelo 230 Problemas de mayor extensión 367 6.6 Aplicaciones 233 6.6.1 Integrador 6.6.2 Diferenciador 6.6.3 Computadora analógica 6.7 Resumen 240 PARTE 2 Circuitos de ca 368 Preguntas de repaso 241 Problemas 242 Capítulo 9 Senoides y fasores 369 Problemas de mayor extensión 251 9.1 Introducción 370 9.2 Senoides 371 9.3 Fasores 376 Capítulo 7 Circuitos de primer orden 253 9.4 Relaciones fasoriales de elementos de circuitos 385 7.1 Introducción 254 9.5 Impedancia y admitancia 387 7.2 Circuito RC sin fuente 254 9.6 Las leyes de Kirchhoff en el dominio 7.3 Circuito RL sin fuente 259 frecuencial 389 7.4 Funciones singulares 265 9.7 Combinaciones de impedancias 390  Contenido ix 9.8 Aplicaciones 396 12.4 Conexión estrella-delta balanceada 512 9.8.1 Desfasadores 12.5 Conexión delta-delta balanceada 514 9.8.2 Puentes de ca 12.6 Conexión delta-estrella balanceada 516 9.9 Resumen 402 12.7 Potencia en un sistema balanceado 519 Preguntas de repaso 403 12.8 Sistemas trifásicos desbalanceados 525 Problemas 403 12.9 PSpice para circuitos trifásicos 529 Problemas de mayor extensión 411 12.10 Aplicaciones 534 12.10.1 Medición de la potencia trifásica 12.10.2 Instalación eléctrica residencial 12.11 Resumen 543 Capítulo 10 Análisis senoidal en estado Preguntas de repaso 543 estable 413 Problemas 544 10.1 Introducción 414 Problemas de mayor extensión 553 10.2 Análisis nodal 414 10.3 Análisis de lazo 417 10.4 Teorema de superposición 421 Capítulo 13 Circuitos magnéticamente 10.5 Transformación de fuentes 424 acoplados 555 10.6 Circuitos equivalentes de Thevenin y Norton 426 13.1 Introducción 556 10.7 Circuitos de ca con amplificadores 13.2 Inductancia mutua 557 operacionales 431 13.3 Energía en un circuito acoplado 564 10.8 Análisis de ca con el uso de PSpice 433 13.4 Transformadores lineales 567 10.9 Aplicaciones 437 13.5 Transformadores ideales 573 10.9.1 Multiplicador de capacitancia 13.6 Autotransformadores ideales 581 10.9.2 Osciladores 13.7 Transformadores trifásicos 584 10.10 Resumen 441 13.8 Análisis con PSpice de circuitos Preguntas de repaso 441 magnéticamente acoplados 586 Problemas 443 13.9 Aplicaciones 591 13.9.1 El transformador como dispositivo de aislamiento 13.9.2 El transformador como dispositivo Capítulo 11 Análisis de potencia de ca 457 de acoplamiento 11.1 Introducción 458 13.9.3 Distribución de potencia 11.2 Potencia instantánea y promedio 458 13.10 Resumen 597 11.3 Máxima transferencia de potencia Preguntas de repaso 598 promedio 464 Problemas 599 11.4 Valor eficaz o rms 467 Problemas de mayor extensión 611 11.5 Potencia aparente y factor de potencia 470 11.6 Potencia compleja 473 11.7 Conservación de la potencia de ca 477 11.8 Corrección del factor de potencia 481 Capítulo 14 Respuestas en frecuencia 613 11.9 Aplicaciones 483 14.1 Introducción 614 11.9.1 Medición de la potencia 14.2 Función de transferencia 614 11.9.2 Costo del consumo de electricidad 14.3 La escala de decibeles 617 11.10 Resumen 488 14.4 Diagramas de Bode 619 Preguntas de repaso 490 14.5 Resonancia en serie 629 Problemas 490 14.6 Resonancia en paralelo 634 Problemas de mayor extensión 500 14.7 Filtros pasivos 637 14.7.1 Filtro pasabajas 14.7.2 Filtro pasaaltas Capítulo 12 Circuitos trifásicos 503 14.7.3 Filtro pasabanda 14.7.4 Filtro rechazabanda 12.1 Introducción 504 14.8 Filtros activos 642 12.2 Tensiones trifásicas balanceadas 505 14.8.1 Filtro pasabajas de primer orden 12.3 Conexión estrella-estrella balanceada 509 14.8.2 Filtro pasaaltas de primer orden x Contenido 14.8.3 Filtro pasabanda 16.7 Resumen 745 14.8.4 Filtro rechazabanda (o de muesca) Preguntas de repaso 746 14.9 Escalamiento 648 Problemas 747 14.9.1 Escalamiento de magnitud Problemas de mayor extensión 754 14.9.2 Escalamiento de frecuencia 14.9.3 Escalamiento de magnitud y de frecuencia 14.10 Respuesta en frecuencia utilizando PSpice 652 Capítulo 17 Las series de Fourier 755 14.11 Computación con MATLAB 655 17.1 Introducción 756 14.12 Aplicaciones 657 17.2 Series trigonométricas de Fourier 756 14.12.1 Receptor de radio 17.3 Consideraciones de simetría 764 14.12.2 Teléfono de tonos por teclas 17.3.1 Simetría par 14.12.3 Red de separación 17.3.2 Simetría impar 14.13 Resumen 663 17.3.3 Simetría de media onda Preguntas de repaso 664 17.4 Aplicaciones en circuitos 774 Problemas 665 17.5 Potencia promedio y valores rms 778 Problemas de mayor extensión 673 17.6 Series exponenciales de Fourier 781 17.7 Análisis de Fourier con PSpice 787 17.7.1 Transformada discreta de Fourier 17.7.2 Transformada rápida de Fourier 17.8 Aplicaciones 793 PARTE 3 Análisis avanzado 17.8.1 Analizadores de espectro de circuitos 674 17.8.2 Filtros 17.9 Resumen 796 Capítulo 15 Introducción a la transformada Preguntas de repaso 798 de Laplace 675 Problemas 798 15.1 Introducción 676 Problemas de mayor extensión 807 15.2 Definición de la transformada de Laplace 677 15.3 Propiedades de la transformada Capítulo 18 Transformada de Fourier 809 de Laplace 679 15.4 Transformada inversa de Laplace 690 18.1 Introducción 810 15.4.1 Polos simples 18.2 Definición de la transformada 15.4.2 Polos repetidos de Fourier 810 15.4.3 Polos complejos 18.3 Propiedades de la transformada 15.5 Integral de convolución 697 de Fourier 816 15.6 Aplicación de las ecuaciones 18.4 Aplicaciones en circuitos 829 integrodiferenciales 705 18.5 Teorema de Parseval 832 15.7 Resumen 708 18.6 Comparación de las transformadas de Fourier Preguntas de repaso 708 y de Laplace 835 Problemas 709 18.7 Aplicaciones 836 18.7.1 Modulación de amplitud 18.7.2 Muestreo 18.8 Resumen 839 Capítulo 16 Aplicaciones de la transformada Preguntas de repaso 840 de Laplace 715 Problemas 841 16.1 Introducción 716 Problemas de mayor extensión 847 16.2 Modelos de los elementos de un circuito 716 16.3 Análisis de circuitos 722 Capítulo 19 Redes de dos puertos 849 16.4 Funciones de transferencia 726 16.5 Variables de estado 730 19.1 Introducción 850 16.6 Aplicaciones 737 19.2 Parámetros de impedancia 850 16.6.1 Estabilidad de una red 19.3 Parámetros de admitancia 855 16.6.2 Síntesis de red 19.4 Parámetros híbridos 858  Contenido xi 19.5 Parámetros de transmisión 863 Apéndice C Fórmulas matemáticas A-16 19.6 Relaciones entre parámetros 868 Apéndice D PSpice para Windows A-21 19.7 Interconexión de redes 871 19.8 Cálculo de los parámetros de dos puertos Apéndice E MATLAB A-46 utilizando PSpice 877 Apéndice F KCIDE para circuitos A-65 19.9 Aplicaciones 880 19.9.1 Circuitos transistorizados Apéndice G Respuestas a los problemas con 19.9.2 Síntesis de red en escalera número impar A-75 19.10 Resumen 889 Preguntas de repaso 890 Problemas 890 Bibliografía B-1 Problemas de mayor extensión 901 Índice I-1 Apéndice A Ecuaciones simultáneas e inversión de matrices A Apéndice B Números complejos A-9  Prefacio Uno se preguntará por qué se selecciono la foto del NASCAR para la portada. En realidad, se seleccionó por varias razones. Obviamente, es muy excitante, ya que se trató de que McGraw-Hill modificara el auto que va a la delantera con el logo de la compañía pegado sobre el y a “Alexander y Sadiku” ¡al otro lado del auto! Otra razón, no tan obvia, es que la mitad del costo de un auto nuevo lo representa su electrónica (¡circuitos!). Sin embargo, la razón más im- portante es que un ¡auto ganador necesita de un “equipo” para lograrlo! Y trabajar juntos como equipo es muy importante para el ingeniero exitoso y al- go que se fomenta ampliamente en este texto. CARACTERÍSTICAS Conservadas de ediciones anteriores Los objetivos principales de la tercera edición de este libro se mantienen igua- les con respecto a la primera y segunda ediciones, a fin de presentar el aná- lisis de circuitos de una manera que sea más clara, más interesante, y más fácil de comprender que en otros textos, y para ayudar al estudiante a que co- mience a ver la “diversión” de la ingeniería. Este objetivo se logra de las for- mas siguientes: Introducción y resumen en cada capítulo Cada capítulo inicia con un análisis acerca de cómo desarrollar las habi- lidades que contribuyan al éxito en la solución de problemas así como al éxito en la profesión o con una plática orientada a la profesión sobre al- guna subdisciplina de la ingeniería eléctrica. A esto lo sigue una intro- ducción que vincula el capítulo con los capítulos anteriores y plantea los objetivos de dicho capítulo. Éste finaliza con un resumen de los puntos y fórmulas principales. Metodología en la solución de problemas El capítulo 1 presenta un método de seis pasos para resolver problemas sobre circuitos, el cual se utiliza de manera consistente a lo largo del tex- to y de los suplementos multimedia a fin de promover las prácticas más actuales para la solución de problemas. Estilo de la escritura amigable para el estudiante Todos los principios se presentan de una manera clara, lógica y detalla- da. Tratamos de evitar redundancias y detalles superfluos que podrían ocultar los conceptos e impedir la comprensión total del material. Fórmulas y términos clave encerrados en recuadro Las fórmulas importantes se encierran en un recuadro como una forma de ayudar a los estudiantes a clasificar qué es esencial y qué no; asimis- mo, se definen y destacan términos clave, a fin de asegurar que los estu- diantes perciban claramente la esencia de la materia. xii  Prefacio xiii Notas al margen Las notas al margen se utilizan como una ayuda pedagógica y sirven a varios propósitos: sugerencias, referencias cruzadas, mayor exposición, advertencias, recordatorios para no cometer errores comunes y estrategias para la solución de problemas. Ejemplos desarrollados Al final de cada sección, se incluyen abundantes ejemplos completamen- te trabajados los cuales se consideran como parte del texto y se explican con toda claridad, sin que se pida al lector que complete los pasos. De este modo se proporciona a los estudiantes una comprensión adecuada de la solución y la confianza para que resuelvan problemas por cuenta pro- pia. Algunos de éstos se resuelven de dos o tres formas para facilitar su comprensión y la comparación de los diferentes métodos. Problemas de práctica Para proporcionar a los estudiantes la oportunidad de practicar, a cada ejemplo ilustrativo le sigue de inmediato un problema práctico con la res- puesta. Los estudiantes pueden seguir el ejemplo paso a paso para resol- ver el problema práctico sin hojear páginas o buscar al final del libro las respuestas. El problema de práctica busca también verificar que el estu- diante haya comprendido el ejemplo anterior. Esto reforzará la compren- sión del material antes de pasar a la siguiente sección. En ARIS se encuentran disponibles para los estudiantes, las soluciones completas a los problemas de práctica. Secciones de aplicación La última sección en cada capítulo se dedica a las aplicaciones prácticas de los conceptos examinados en el mismo. Cada capítulo cuenta al me- nos con uno o dos problemas o dispositivos prácticos, lo cual ayuda a que los estudiantes apliquen los conceptos a situaciones de la vida real. Preguntas de repaso Se incluyen diez preguntas de repaso de opción múltiple al final de cada capítulo, con sus respuestas. Su propósito es describir los pequeños “tru- cos” que quizá no abarquen los ejemplos y los problemas de fin de capí- tulo. Sirven como un dispositivo de autoevaluación y ayudan a los estudiantes a determinar qué tan bien han llegado a dominar el capítulo. Herramientas de cómputo A fin de reconocer el requerimiento de la ABET® relativo a la integra- ción de herramientas computarizadas, el uso de PSpice, MATLAB y KCIDE para circuitos se fomenta de manera amigable para el estudian- te. PSpice se aborda al principio del texto de tal forma que los estudian- tes se familiaricen y lo utilicen a lo largo del texto. El apéndice D sirve como un tutorial sobre PSpice para Windows. MATLAB también se pre- senta al principio del libro con un tutorial que se encuentra disponible en el apéndice E. KCIDE para circuitos es nuevo en este libro. Es un siste- ma de software muy novedoso y actualizado que se diseñó para ayudar al estudiante a incrementar la probabilidad de éxito en la solución de pro- blemas y se presenta en el apéndice F. Gusto por la historia Bosquejos históricos a través del texto proporcionan perfiles de pioneros importantes y eventos relevantes al estudio de la ingeniería eléctrica. Estudio del amplificador operacional al principio del texto El amplificador operacional (op amp) como elemento básico se presenta al principio del texto. xiv Prefacio Amplia cobertura de las transformadas de Fourier y de Laplace Para facilitar la transición entre el curso de circuitos y los cursos de seña- les y sistemas, las transformadas de Fourier y de Laplace se abordan cla- ra y ampliamente. Los capítulos se presentan de tal manera que el profesor interesado en el tema pueda ir desde las soluciones de los circuitos de pri- mer orden hasta el capítulo 15. Lo anterior facilita una secuencia muy na- tural a partir de Laplace, después con Fourier y terminando con ca. Lo nuevo en esta edición Un curso sobre análisis de circuitos es quizás la primera experiencia que ten- gan los estudiantes a la ingeniería eléctrica. Se han incluido algunas nuevas características a fin de ayudar a los estudiantes a que se familiaricen con la materia. Ejemplos ampliados El desarrollo de ejemplos a detalle de acuerdo con el método de los seis pasos para la solución de problemas, proporciona una guía para el estu- diante con el fin de que resuelva los problemas de una manera consisten- te. Al menos un ejemplo en cada capítulo se presenta de esta forma. Introducción a los capítulos EC 2000 Con base en el nuevo CRITERIO 3, basado en destrezas de la ABET, es- tas presentaciones de capítulo se dedican a analizar cómo los estudiantes pueden adquirir las destrezas que los conducirán a mejorar de manera muy significativa sus carreras como ingenieros. Debido a que estas des- trezas son de vital importancia para el estudiante durante sus años uni- versitarios, así como a lo largo de su carrera, se usará el encabezado “Mejore sus habilidades y su carrera”. Problemas de tarea Más de 300 problemas nuevos al final de cada capítulo ofrecen a los es- tudiantes mucha práctica y refuerzan los conceptos fundamentales sobre la materia. Íconos en los problemas de tarea Los íconos se utilizan para resaltar los problemas relacionados con el di- seño en ingeniería, así como también los problemas que pueden resolver- se utilizando PSpice o MATLAB. KCIDE para circuitos apéndice F El nuevo apéndice F ofrece un tutorial del software acerca del Ambiente de diseño integral para la obtención del conocimiento (KCIDE para cir- cuitos), el cual se encuentra disponible en ARIS. Organización Este libro se escribió para un curso sobre análisis de circuitos lineales que abarque dos semestres o tres trimestres. Es factible utilizarlo también para un curso de un semestre, mediante la elección adecuada por parte del profesor de los capítulos y las secciones. Está dividido claramente en tres partes. La parte 1, que consiste de los capítulos 1 al 8, estudia los circuitos de cd. Abarca las leyes y teoremas fundamentales, las técnicas de circuitos, así como los elementos pasivos y activos.  Prefacio xv La parte 2, que incluye del capítulo 9 al 14, aborda los circuitos de ca. Presenta los fasores, el análisis senoidal en estado estable, la potencia de ca, los valores rms, los sistemas trifásicos y la respuesta en frecuencia. La parte 3, que consiste de los capítulos 15 al 19, estudia las técnicas avanzadas para el análisis de redes. Ofrece una sólida introducción a la transformada de Laplace, las series de Fourier, la transformada de Fou- rier y al análisis de las redes de dos puertos. El material en las tres partes es más que suficiente para un curso de dos se- mestres, de manera que el profesor debe elegir cuáles capítulos o secciones deberá abordar. Las secciones que se marcan con un signo de daga (†) pue- den saltarse, explicarse en forma breve o asignarse como tareas. Es posible omitirlas sin pérdida de continuidad. Cada capítulo tiene una gran cantidad de problemas, agrupados de acuerdo con las secciones del material relacionado, y son lo suficientemente variados para que el profesor elija algunos como ejemplos y asigne otros para que se trabajen en casa. Como se comentó con anterioridad, se utilizan tres íconos en esta edi- ción. Se utiliza (el ícono PSpice) para denotar los problemas que requieran ya sea PSpice en el proceso de su solución, donde la complejidad del circuito sea tal que PSpice pueda facilitar el proceso de solución y donde PSpice pue- de utilizarse para verificar si un problema ha sido resuelto de manera correc- ta. Se utiliza (el ícono de MATLAB) para denotar problemas donde se requiere de MATLAB en el proceso de solución, donde tenga sentido utilizar MATLAB por la naturaleza del problema y su complejidad, y donde MATLAB pueda lle- var a cabo una buena verificación para ver si el problema ha sido resuelto de manera correcta. Por último, se utiliza (el ícono de diseño) para identificar los problemas que ayuden al estudiante a desarrollar las destrezas necesarias en el diseño en la ingeniería. Los problemas de mayor dificultad están marcados con un asterisco (*). Los problemas que tienen una mayor profundidad se en- cuentra a continuación de los problemas al final de capítulo. En su mayor par- te son problemas de aplicación que requieren de destrezas aprendidas en el capítulo en particular. Prerrequisitos Al igual que con la mayor parte de los cursos introductorios de circuitos, los principales prerrequisitos son la física y el cálculo. Si bien resulta de utilidad en la última parte del libro, no se requiere tener familiaridad con los núme- ros complejos. Una ventaja muy importante de este texto es que TODAS las ecuaciones matemáticas y fundamentos de física que el estudiante necesita, se encuentran incluidas en el texto. Suplementos Esta obra cuenta con interesantes complementos que fortalecen los procesos de enseñanza-aprendizaje, así como la evaluación de éstos. Mismos que se otorgan a profesores que adoptan este texto para sus cursos. Para obtener más información y conocer la política de entrega de estos materiales, contacte a su representante McGraw-Hill o envíe un correo electrónico a marketinghe @mcgraw-hill.com xvi Prefacio Ambiente de diseño integral para la obtención del conocimiento (KCIDE para circuitos) Este nuevo software desarrollado en la Universidad Estatal de Cleveland y financiado por la NASA, está diseñado a fin de ayudar al estu- diante para que trabaje en un problema sobre circuitos de una manera orga- nizada utilizando la metodología de los seis pasos en la solución de problemas del texto. KCIDE para circuitos permite que el estudiante solucione un pro- blema de circuitos en PSpice y MATLAB, mantenga un registro de la evolu- ción de su solución y guarde un registro de sus procesos para futura referencia. Además, el software genera de manera automática un documento en Word y/o una presentación en PowerPoint. El apéndice F consiste en una descripción de cómo utilizar este software. En la dirección http://kcide.fennresearch.org/, la cual se encuentra enlazada a ARIS, se pueden encontrar ejemplos adicio- nales. El paquete de software se puede bajar de la red sin ningún costo. Reconocimientos Queremos expresar nuestro reconocimiento por la ayuda que recibimos de nuestras esposas (Hannah y Kikelomo), nuestras hijas (Christina, Tamara, Jen- nifer, Motunrayo, Ann y Joyce), hijo (Baixi), y a todos los miembros de nues- tras familias. Queremos agradecer al siguiente equipo editorial y de producción de McGraw-Hill: Suzanne Jeans, editor; Michael Hackett, editor en jefe; Miche- lle Flomenhoft y Katie White, editores de desarrollo; Peggy Lucas y Joyce Watters, administradores del proyecto; Carrie Burger, investigador de fotogra- fía; y Rick Noel, diseñador; así como a los agentes libres Pamela Carley y George Watson, y Vijay Kataria de The GTS Companies. Asimismo, recono- cemos el gran esfuerzo de Tom Hartley de la University of Akron por su eva- luación detallada de los diferentes elementos del texto. Queremos agradecer a Yongjian Fu y a su excelente equipo de estudian- tes Bramarambha Elka y Saravaran Chinniah por su esfuerzo en el desarrollo de KCIDE para circuitos. Agradecemos sus esfuerzos en ayudarnos a conti- nuar mejorando este software. Esta tercera edición se ha visto beneficiada en gran medida de los siguien- tes revisores y asistentes a simposiums (en orden alfabético): Jean Andrian, Florida International Thomas G. Cleaver, University of University Louisville Jorge L. Aravena, Louisiana Randy Collins, Clemson University State University David Dietz, University of New Les Axelrod, Illinois Institute of Tech- Mexico nology Bill Diong, The University of Texas Alok Berry, George Mason at El Paso University Shervin Erfani, University Tom Brewer, Georgia Institute of of Windsor Technology Alan Felzer, California State Susan Burkett, University of Polytechnic University, Pomona Arkansas Bob Grondin, Arizona State Rich Christie, University of University Washington Bob Hendricks, Virginia Polytechnic Arunsi Chuku, Tuskegee University Institute and State University  Prefacio xvii Sheila Horan, New Mexico State Tamara Papalias, San Jose State University University Hans Kuehl, University of Southern Owe Petersen, Milwaukee School of California Engineering Jack Lee, University of Texas, Craig Petrie, Brigham Young Austin University Long Lee, San Diego State Michael Polis, Oakland University University Aleksandar Prodic, University of Sam Lee, University of Oklahoma Toronto Jia Grace Lu, University of Ceon Ramon, University of California, Irvine Washington Hamid Majlesein, Southern Prentiss Robinson, California State University & A&M College Polytechnic University, Pomona Frank Merat, Case Western Reserve Raghu Settaluri, Oregon State University University Shayan Mookherjea, University Marwan Simaan, University of of California, San Diego Pittsburgh Mahmoud Nahvi, California Robin Strickland, University of Polytechnic State University, Arizona San Luis Obispo Kalpathy Sundaram, University of Scott Norr, University of Minnesota, Central Florida Duluth Russell Tatro, California State Barbara Oakley, Oakland University University Xiao Bang Xu, Clemson University De la misma forma, queremos agradecer a los revisores de ediciones anteriores quienes han contribuido al éxito de este libro hasta el momento. Bogdan Adamczyk, Grand Valley Erik Cheever, Swarthmore College State University Fow-Sen Choa, University of Keyvan Ahdut, University of the Maryland, Baltimore County District of Columbia Chiu H. Choi, University of Hamid Allamehzadeh, Eastern New North Florida Mexico University Thomas G. Cleaver, University of Jorge L. Aravena, Louisiana State Louisville University Michael J. Cloud, Lawrence Idir Azouz, Southern Utah University Technological University John A. Bloom, Biola University Mehmet Cultu, Gannon University Kiron C. Bordoloi, University of Saswati Datta, University of Louisville Maryland, Baltimore County James H. Burghart, Cleveland State Mohamed K. Darwish, Brunel University University (United Kingdom) Phil Burton, University of Limerick Shirshak Dhali, Southern Illinois Edward W. Chandler, Milwaukee University School of Engineering Kevin D. Donohue, University of Amit Chatterjea, Purdue University, Kentucky Fort Wayne Fred Dreyfus, Pace University xviii Prefacio Amelito G. Enriquez, Emeka V. Maduike, New York Cañada College Institute of Technology Ali Eydgahi, University of Maryland Claire L. McCullough, University Eastern Shore of Tennessee at Chattanooga Gary K. Fedder, Carnegie Mellon José Medina, State University of University New York, College of Technology Cynthia J. Finelli, Kettering at Delhi University Damon Miller, Western Michigan Rob Frohne, Walla Walla College University Andreas Fuchs, Pennsylvania State Martin Mintchev, University University, Erie of Calgary Tayeb A. Giuma, University of North Philip C. Munro, Youngstown Florida State University Chandrakanth H. Gowda, Tuskegee Sarhan M. Musa, Prairie View University A&M University Duane Hanselman, University of Ahmad Nafisi, California Maine Polytechnic State University, Reza Hashemian, Northern Illinois San Luis Obispo University Nader Namazi, The Catholic Hassan Hassan, Lawrence University of America Technological University Sudarshan Rao Nelatury, Villanova Rod Heisler, Walla Walla College University Amelito G. Henriquez, University Habib Rahman, St. Louis University of New Orleans V. Rajaravivarma, Central H. Randolph Holt, Northern Connecticut State University Kentucky University Hadi Saadat, Milwaukee School of Reza Iravani, University of Engineering Toronto Robert W. Sherwood, Germanna Richard Johnston, Lawrence Community College Technological University Elisa H. Barney Smith, Boise State William K. Kennedy, University University of Canterbury Terry L. Speicher, Pennsylvania State (New Zealand) University Albert M. Knebel, Monroe James C. Squire, Virginia Military Community College Institute William B. Kolasa, Lawrence David W. Sukow, Washington and Lee Technological University University Roger A. Kuntz, Penn State Erie, The Fred Terry, Christian Brother Behrend College University Sharad R. Laxpati, University of Les Thede, Ohio Northern Illinois at Chicago University Choon Sae Lee, Southern Methodist Constantine Vassiliadis, Ohio University University Venus Limcharoen, Thammasat Sam Villareal, The University of University Texas at Dallas Bin-Da Lio, National Cheng Kung Promos Vohra, Northern Illinois University, Taiwan University Joseph L. LoCicero, Illinois Institute Chia-Jiu Wang, University of of Technology Colorado at Colorado Springs  Prefacio xix Xingwu Wang, Alfred University Hewlon Zimmer, U.S. Merchant Sandra A. Yost, University of Detroit, Marine Academy Mercy Por último, queremos agradecer la retroalimentación recibida de los profesores y estudiantes que han utilizado las ediciones anteriores. Queremos que esto se siga haciendo, por lo que por favor sigan enviándonos sus correos electrónicos o envíenlos al editor. Nos pueden contactar en [email protected] en el caso de Charles Alexander y [email protected] para Matthew Sadiku. C.K. Alexander y M.N.O. Sadiku  VISITA PASO A PASO El objetivo principal de este libro es presentar el análisis de circuitos de una manera más clara, más interesante y más fácil de comprender que en otros textos. Para usted, estudiante, se presentan aquí algunas características que le ayudarán a estudiar y a tener éxito en este curso. 1.5 Potencia y energía 11 Un nuevo programa de arte le da vida a los diagramas de Para relacionar potencia y energía con tensión y corriente, recuérdese de la física que circuitos y mejora los conceptos fundamentales que se Potencia es la variación respecto del tiempo de entrega o absorción de la ener- gía, medida en watts (W). presentan a través del texto. Esta relación se escribe como  dw i i p (1.5) + + dt v v donde p es la potencia, en watts (W); w es la energía, en joules (J), y t es el tiempo, en segundos (s). De las ecuaciones (1.1), (1.3) y (1.5) se desprende – – que p = +vi p = – vi dw dw dq p  ·  vi (1.6) a) b) dt dq dt Figura 1.8 20 Capítulo 1 Conceptos básicos o sea Polaridades de referencia para la potencia con el uso de la convención pasiva del sig- no: a) absorción de potencia, b) suminis- † p  vi (1.7) tro de potencia. 1.8 Solución de problemas Aunque los problemas por resolver durante la carrera individual variarán en La potencia p en la ecuación (1.7) es una cantidad que varía con el tiempo y complejidad y magnitud, los principios básicos que deben seguirse son siem- se llama potencia instantánea. Así, la potencia absorbida o suministrada por Si las direcciones de tensión y corrien- pre los mismos. El proceso que se describirá aquí lo han practicado los auto- un elemento es el producto de la tensión entre los extremos del elemento y la te son como se muestra en la figura res a lo largo de muchos años de resolución de problemas con estudiantes, corriente a través de él. Si la potencia tiene signo , se está suministrando o 1.8b), se tiene la convención activa de para solucionar problemas de ingeniería en la industria y en la investigación. la está absorbiendo el elemento. Si, por el contrario, tiene signo , está sien- signos y p = +vi. Primero se listan los pasos y después se explican. do suministrada por el elemento. Pero, ¿cómo saber cuándo la potencia tiene signo negativo o positivo? 3A 3A 1. Definir cuidadosamente el problema. La dirección de corriente y polaridad de tensión desempeñan un papel 2. Presentar todo lo que se sabe sobre el problema. primordial en la determinación del signo de la potencia. Por lo tanto, es im- + – 3. Establecer una serie de soluciones alternativas y determinar la que ofre- portante que se preste atención a la relación entre la corriente i y la tensión ce la mayor probabilidad de éxito. v en la figura 1.8a). La polaridad de tensión y dirección de corriente deben 4V 4V 4. Intentar una solución del problema. ajustarse a las que aparecen en la figura 1.8a) para que la potencia tenga sig- – + no positivo. Esto se conoce como convención pasiva de signos. Por efecto de 5. Evaluar la solución y comprobar su exactitud. la convención pasiva de los signos, la corriente entra por la polaridad positi- 6. ¿El problema ha sido resuelto satisfactoriamente? Si es así, se presenta va de la tensión. En este caso, p  vi o vi  0 implica que el elemento es- a) b) la solución; de lo contrario, se regresa al paso 3 y se repite el proceso. tá absorbiendo potencia. En cambio, si p  vi o vi  0, como en la figura Figura 1.9 Dos casos de un elemento con una absor- 1.8b), el elemento está liberando o suministrando potencia. ción de potencia de 12 W: a) p  4  3  1. Definir cuidadosamente el problema. Ésta es quizá la parte más impor- 12 W, b) p  4  3  12 W. tante del proceso, ya que se convierte en el fundamento de los demás pa- sos. En general, la presentación de problemas de ingeniería es un tanto La convención pasiva de signos se satisface cuando la corriente entra por la incompleta. Se debe hacer todo lo posible por cerciorarse de comprender terminal positiva de un elemento y p = +vi. Si la corriente entra por la termi- el problema en forma tan completa como quien lo presenta. El tiempo nal negativa, p = –vi. 3A 3A dedicado a la clara identificación del problema ahorrará considerable + – tiempo y frustración posteriores. El estudiante puede clarificar la enun- 1.8 Solución de problemas 21 ciación de un problema en un libro de texto pidiéndole a su profesor que A menos que se indique otra cosa, en este texto se seguirá la convención pasiva de signos. Por ejemplo, el elemento en los dos circuitos de la figura 4V 4V le ayude a comprenderla mejor. Un problema luación que se le presente pormenorizada en lallevar puede in- a correcciones que conduzcan des- dustria podría requerir la consulta a varios pués aindividuos. una solución Enexitosa. este paso es También puede desembocar en el ensayo de 1.9 tiene una absorción de potencia de 12 W, porque una corriente positiva + – importante formular preguntas que deban responderse nuevas antesMuchas alternativas. de continuar veces es recomendable establecer por com- entra a la terminal positiva en ambos casos. En la figura 1.10, en cambio, el con el proceso de solución. Si existen pleto tales una preguntas, solución se antes debe deconsultar poner números en las ecuaciones. Esto ayu- elemento suministra una potencia de 12 W, porque una corriente positiva a) b) a los individuos o recursos apropiados dará para aobtener verificarlassus respuestas corres- resultados. entra a la terminal negativa. Desde luego, una absorción de potencia de 12 Figura 1.10 pondientes. Con estas respuestas se puede depurar 5. Evaluar el problema la solución y usar esa su exactitud. Se debe evaluar todo lo y comprobar W es equivalente a un suministro de potencia de 12 W. En general, Dos casos de un elemento con un sumi- depuración como enunciación del problema paray el realizado resto sidel decidir la proceso soluciónde es aceptable, la cual el lector estaría dis- nistro de potencia de 12 W: a) p  4  solución. Potencia absorbida  Potencia suministrada 3  12 W, b) p  4  3  12 W. puesto a presentar a su equipo, jefe o profesor. 2. Presentar todo lo que se sabe sobre6.el¿Elproblema. problema El lector ha sidoyaresuelto está prepa- satisfactoriamente? Si es así, se presenta rado para escribir todo lo que sabe sobrela el problema solución; deylosus posibles se contrario, solu- regresa al paso 3 y se repite el proceso. ciones. Este importante paso ahorrará tiempo Ahora se y frustración debe presentar posteriores. la solución o probar otra alternativa. En este pun- 3. Establecer una serie de soluciones alternativas y determinar to, presentar la solución la podría que ofre- poner fin al proceso. A menudo, sin em- ce la mayor probabilidad de éxito. Casi todolaproblema bargo, tendrádevarias presentación ru- una solución conduce a una mayor depuración tas posibles a la solución. Es altamentede deseable identificar la definición tantas de esas del problema, y el proceso continúa. Seguir este proceso rutas como sea posible. En este punto también se debe determinar llevará finalmente a una conclusión las he- satisfactoria. rramientas de que se dispone, como PSpice y MATLAB y otros paquetes de software que pueden reducir enormemente el esfuerzo Este proceso se examinae incrementar ahora en relación con un estudiante del curso de la exactitud. Hay que destacar unafundamentos vez más quedeelingeniería tiempo que se dedi- eléctrica y computacional. (El proceso básico se que a la cuidadosa definición del problema y a laa investigación aplica también casi cualquierde méto- curso de ingeniería.) Téngase presente que aun- dos alternativos de solución rendirán quedespués grandes dividendos. se simplificaron los pasos Evaluar para aplicarlos a problemas 22 de tipo académi- Capítulo 1 Conceptos básicos las alternativas y determinar cuál co, ofrece la mayorformulado el proceso probabilidad debede seguirse éxito siempre. Considérese un ejemplo puede ser difícil, pero bien valdrásimple. el esfuerzo. Se debe documentar mi- en la figura 1.21. Usar el análisis nodal requiere despejar sólo una incógnita. nuciosamente este proceso, ya que deberá volver a él si el primer méto- Éste es el método más sencillo. do no da resultado. 4. Intentar una solución del problema. Éste es el momento en que realmen- te se debe proceder a la solución del problema. Se debe documentar de Ejemplo 1.10 Determine la corriente que fluye por el resistor de 8 de la figura 1.19. i1 i3 manera minuciosa el proceso que se siga, para presentar una solución de- 2 v1 4 tallada si tiene éxito, o para evaluar el proceso si no se tiene. Una eva- Solución: + v – + v4 – 2 i2 1. Definir cuidadosamente el problema. Éste es un ejemplo sencillo, pero + + – 5V – + 3V de inmediato es posible advertir que no se conoce la polaridad en la fuen- Lazo 1 v8 8 Lazo 2 te de 3 V. Hay las siguientes opciones. Podría preguntar al profesor cuál – 1.9 Resumen 23 debía ser la polaridad. De no ser posible esto, debe decidir qué hacer en seguida. Si hay tiempo para resolver el problema de las dos maneras, pue- Así, ahora hay un muy alto grado de confianza en la exactitud de la res- de determinar la corriente cuando la fuente de 3 V es positiva en el ex- Figura 1.21 puesta. tremo superior y luego en el inferior. Si no hay tiempo para ello, suponga Uso del análisis nodal. 6. ¿El problema ha sido resuelto satisfactoriamente? Si es así, se presenta una polaridad y después documente detalladamente su decisión. Supón- la solución; de lo contrario, se regresa al paso 3 y se repite el proceso. gase que el profesor dice que la fuente es positiva en el extremo inferior, Este problema ha sido resuelto satisfactoriamente. como se muestra en la figura 1.20. 2 En consecuencia, 4 se determina i8 usando el análisis nodal. 2. Presentar todo lo que se sabe sobre el problema. Registrar todo lo que sabe sobre el problema implica en este caso rotular claramente el circui- 4. Intentar una solución del problema. Primero se escriben todas las ecua- 5 V –+ 8 ciones 3V que se necesitan para hallar i8. La corriente a través del resistor de 8 es de 0.25 A y circula hacia abajo por to, para que defina lo que busca. el resistor de 8. Dado el circuito de la figura 1.20, debe determinar i8. v1 v1 Figura 1.19 i8  i2, i2  , i8  8 8 Verifique entonces con el profesor, de ser razonable, para saber si el pro- Ejemplo ilustrativo. blema ha sido apropiadamente definido. v1  5 v1  0 v1  3   0 2 8 4 3. Establecer una serie de soluciones alternativas y determinar la que ofre- ce la mayor probabilidad de éxito. En esencia pueden usarse tres técni- Es posible resolver ahora para v1. Pruebe la aplicación de este proceso en algunos de los problemas más difíci- Problema cas para resolver este problema. Más adelante descubrirá que podría 2 4 les que están al final de este capítulo. de práctica 1.10 emplear el análisis de circuitos (con el uso de las leyes de Kirchhoff y la i8 v1  5 v1  0 v1  3 ley de Ohm), el análisis nodal y el análisis de malla. – 8c   d 0 5V + 3V 2 8 4 – 8 + Determinar i8 mediante el análisis de circuitos conducirá finalmente a lleva a (4v1  20)  (v1)  (2v1  6)  0 una solución, pero es probable que implique más trabajo que el análisis no- v1 2 dal o de malla. Determinar i8 mediante el análisis de lazo requerirá escribir Figura 1.20 7v1  14, v1  2 V, i8    0.25 A Definición del problema. 8 8 1.9 Resumen dos ecuaciones simultáneas para hallar las dos corrientes de malla indicadas 1. Un 5. Evaluar la solución y comprobar su exactitud. Ahora puede recurrirse a circuito eléctrico consta de elementos eléctricos conectados entre sí. la ley de tensión de Kirchhoff (LTK) para comprobar los resultados.2. El Sistema Internacional de Unidades (SI) es el lenguaje internacional de medición, el cual permite a los ingenieros comunicar sus resultados. De v1  5 25 3 i1      1.5 A las seis unidades principales pueden derivarse las unidades de las demás 2 2 2 cantidades físicas. i2  i8  0.25 A 3. La corriente es la velocidad del flujo de carga. v1  3 23 5 dq i3     1.25 A i 4 4 4 dt i1  i2  i3  1.5  0.25  1.25  0 (Verificación.) 4. La tensión es la energía requerida para mover 1 C de carga por un ele- mento. Al aplicar la LTK al lazo 1, dw 5  v2  v8  5  (i1  2)  (i2  8) v dq  5  ((1.5)2)  (0.25  8) 5. La potencia es la energía suministrada o absorbida por unidad de tiem-  5  3  2  0 (Verificación.) (Checks.) En el capítulo 1 se presenta una metodolo- Aplicando la LVK al lazo 2, po. También es el producto de tensión y corriente. p dw  vi v8  v4  3  (i2  8)  (i3  4)  3 dt gía de seis pasos para la solución de proble-  (0.25  8)  (1.25  4)  3  2  5  3  0 (Verificación.) (Checks.) 6. De acuerdo con la convención pasiva de los signos, la potencia adopta signo positivo cuando la corriente entra por la polaridad positiva de la tensión a lo largo de un elemento. mas y se incorpora en ejemplos resueltos a 7. Una fuente de tensión ideal produce una diferencia de potencial especí-