Fundamentos Físicos y Tecnológicos de la Informática. Tema 3.

Un estudiante de ingeniería informática está diseñando un sistema de iluminación para un invernadero inteligente. El sistema requiere múltiples luces LED, y para optimizar el cableado, se ha decidido conectarlas en paralelo. Cada LED tiene una resistencia interna de 10 Ω y debe recibir una corriente de 100 mA. Para simplificar el análisis del circuito, el estudiante necesita determinar el valor de la resistencia equivalente para 4 luces LED. ¿Cuál es la resistencia equivalente total de este circuito con los 4 LEDs conectados en paralelo, lo que permitiría calcular la corriente total demandada por el sistema?. La resistencia total del circuito es de 2.5 Ω, lo que se determina dividiendo el valor de una resistencia individual por el número de resistencias, simplificando el circuito a una sola resistencia equivalente para facilitar el cálculo de la corriente total. La resistencia equivalente es de 40 Ω, ya que en una conexión en paralelo la resistencia total es la suma de las resistencias individuales, lo que garantiza que cada LED reciba la tensión necesaria para operar a su nivel óptimo. La resistencia total no se puede calcular ya que la corriente se divide en cada rama y cada LED consumirá una corriente diferente. La resistencia equivalente es de 10 Ω, ya que en una conexión en paralelo cada componente mantiene su resistencia individual, y la corriente se divide entre ellos, por lo tanto, la resistencia total no cambia.

Un equipo de desarrollo de hardware está diseñando un nuevo prototipo de microcontrolador para un sistema de domótica que controlará la iluminación y la climatización de un hogar inteligente. Se necesita un circuito de polarización para un sensor que, según la hoja de especificaciones, requiere una corriente constante de 250 mA para operar de manera óptima. La fuente de alimentación del prototipo proporciona una tensión de 9 V y, por seguridad, han decidido utilizar una resistencia limitadora. Sin embargo, en el diseño inicial se cometió un error y se conectó la resistencia incorrecta, provocando un fallo en el sensor. Basándose en los principios de la Ley de Ohm y considerando que el sensor, por ser un componente activo, tiene una resistencia despreciable en este contexto… ¿cuál debería haber sido el valor de la resistencia limitadora para asegurar la corriente de operación requerida?. Se debería haber seleccionado una resistencia de 2.25 Ω, ya que este valor resultaría de una división simple de la tensión entre la corriente y habría protegido el circuito contra una sobretensión. La resistencia adecuada sería de 2.25 kΩ, un valor considerablemente alto para evitar cualquier tipo de sobrecarga que pudiera dañar el microcontrolador, aunque no garantice la corriente exacta para el sensor. El valor de la resistencia no es relevante, ya que la corriente es determinada únicamente por el sensor y la tensión de la fuente, por lo que la resistencia limitadora no es necesaria en este tipo de circuito. Se debería haber utilizado una resistencia de 36 Ω, ya que esto habría permitido un flujo de corriente de 0.25 A según el cálculo de la Ley de Ohm, garantizando un funcionamiento estable del sensor.

Eres responsable de evaluar la eficiencia energética de un sistema de control de temperatura en un servidor. El sistema utiliza una resistencia de calentamiento para mantener una temperatura constante en un componente crítico. La resistencia tiene un valor de 20 Ω y está conectada a una fuente de alimentación que le suministra 12V. Para evitar el sobrecalentamiento y optimizar el diseño, es necesario calcular la potencia eléctrica que disipa la resistencia. Este cálculo es vital para seleccionar un disipador de calor adecuado y asegurar la fiabilidad del servidor a largo plazo. Debes utilizar tus conocimientos de la Ley de Ohm y la fórmula de potencia disipada. ¿Cuál es la potencia eléctrica disipada por la resistencia de calentamiento, lo cual es fundamental para seleccionar un disipador de calor adecuado?. 0.6 W, que se obtiene al dividir la tensión (12V) por la resistencia (20 Ω) para obtener la corriente (0.6 A) y luego asumir que ese valor es la potencia, lo cual es incorrecto. 7.2 W, lo que se calcula usando la fórmula de la potencia disipada, P = V²/R, que resulta en 12V al cuadrado dividido por 20 Ω, indicando la cantidad de energía que se convierte en calor por unidad de tiempo. 144 W, que se obtiene al elevar al cuadrado la tensión (12V)² pero olvidando dividir por la resistencia, lo que lleva a un valor de potencia significativamente sobreestimado. 240 W, que se obtiene al multiplicar la tensión (12V) por la resistencia (20 Ω), un cálculo que no corresponde a ninguna fórmula de potencia válida.

Trabajas en un laboratorio de desarrollo de nuevos dispositivos portátiles. El equipo está probando el prototipo de un reloj inteligente y necesitas verificar la diferencia de potencial que genera su batería recargable. La batería es un componente crítico que impulsa todos los circuitos internos, desde la pantalla hasta los sensores. Una diferencia de potencial insuficiente podría causar que el dispositivo no funcione correctamente, mientras que una excesiva podría dañar los componentes sensibles. Tu tarea es utilizar un multímetro para medir el voltaje de la batería y asegurar que se encuentra dentro del rango operativo. Entiendes que la tensión es la fuerza impulsora que permite el movimiento de los portadores de carga. ¿Qué mide exactamente el multímetro cuando lo configuras para medir la diferencia de potencial o tensión de la batería del reloj inteligente?. La energía total almacenada en la batería, expresada en vatios-hora, lo que permite predecir el tiempo de funcionamiento del dispositivo antes de que sea necesario recargarlo. La cantidad de electrones que fluyen a través de la batería por unidad de tiempo, lo que indica la velocidad con la que la energía está siendo consumida por los componentes del dispositivo. La oposición que la batería presenta al flujo de la corriente, indicando la resistencia interna que afecta la eficiencia y la vida útil de la celda de la batería. El trabajo por unidad de carga que una fuerza eléctrica realiza para mover una carga de prueba entre dos puntos, lo cual describe la capacidad de la batería para impulsar electrones a través del circuito.

Un equipo de diseñadores de videojuegos está trabajando en un simulador de circuitos eléctricos para un juego de estrategia y gestión. Uno de los desafíos es modelar una red eléctrica compleja que representa el sistema de energía de una ciudad virtual. Esta red incluye múltiples fuentes de tensión y resistencias, y la corriente se distribuye a través de varios nodos y mallas. Para calcular la corriente en una rama específica, el equipo decide utilizar el método de las mallas. ¿Qué principio físico subyacente a las leyes de Kirchhoff permite establecer las ecuaciones necesarias para este método, y por qué es crucial para resolver este tipo de redes?. La Ley de Ohm, que relaciona la tensión con la corriente y la resistencia. Esta es la única ley necesaria para resolver redes complejas, ya que establece la relación fundamental entre las magnitudes eléctricas. El principio de conservación de la carga, el cual postula que la suma de las corrientes que entran en un nodo debe ser igual a la suma de las corrientes que salen. Este principio es la base de la Ley de los Nodos, que es la herramienta clave para resolver circuitos complejos. El principio de la Ley de la Malla Abierta, que afirma que la tensión en un circuito abierto es siempre cero, lo que simplifica enormemente el análisis y permite calcular directamente las corrientes en cualquier rama sin necesidad de ecuaciones complejas. El principio de conservación de la energía, el cual establece que la suma algebraica de las diferencias de potencial en cualquier malla cerrada debe ser cero. Este principio es la base de la Ley de las Mallas, esencial para el planteamiento de las ecuaciones de tensión.

Un equipo de programadores está diseñando un sistema de control de temperatura para un servidor de alta potencia. Para asegurar la eficiencia energética, es necesario monitorear el flujo de corriente en el ventilador de enfriamiento principal, un componente crítico. Para ello, un técnico de hardware debe instalar un multímetro para medir la corriente que fluye hacia el ventilador. ¿Qué configuración debe usar el multímetro y cómo debe conectarlo al circuito para garantizar una medición segura y precisa del flujo de corriente?. El multímetro debe configurarse en modo óhmetro y conectarse en serie con el ventilador. Esto permitirá medir la resistencia total del circuito y, a partir de este valor, determinar la corriente que fluye. El multímetro debe configurarse en modo óhmetro y conectarse en paralelo a los terminales del ventilador. La medición de resistencia en paralelo, al ser el circuito el camino más fácil, permitirá obtener la corriente total que consume el ventilador. El multímetro debe configurarse en modo amperímetro y conectarse en serie con el ventilador. Esto permite que la corriente total del circuito fluya a través del instrumento, proporcionando una lectura directa y precisa sin alterar significativamente el funcionamiento del sistema. El multímetro debe configurarse en modo voltímetro y conectarse en paralelo a los terminales del ventilador. Esto permite medir la tensión que el ventilador recibe y, a partir de la Ley de Ohm, inferir la corriente que circula a través de él.

Un equipo de estudiantes de ingeniería debe diseñar un circuito para una lámpara de emergencia que debe funcionar con una batería de 12 V y un bombillo incandescente de 100 Ω. Para maximizar el tiempo de funcionamiento, es crucial minimizar el consumo de energía, lo que requiere calcular la potencia eléctrica disipada por el bombillo. La potencia disipada se traduce en calor y luz, y si es muy alta, podría reducir la vida útil de la batería. Sabiendo que la corriente total que circula por el circuito es de 120 mA… ¿cuál es la potencia eléctrica disipada por el bombillo incandescente? ¿Qué implicaciones tiene este cálculo para el rendimiento energético del sistema?. La potencia disipada es de 12000 W. Un valor tan alto es una señal de que la batería no es adecuada para el bombillo, ya que una potencia tan alta provocaría un sobrecalentamiento y el fallo inmediato del sistema. La potencia disipada es de 1200 W, ya que la potencia es el producto de la corriente y la resistencia. Esta potencia tan alta indica un gran consumo de energía, lo que podría agotar rápidamente la batería. La potencia no puede ser calculada con los datos proporcionados, ya que el voltaje en el bombillo es desconocido y no se puede asumir que es el mismo que el de la batería sin conocer la resistencia de los cables y otros componentes del circuito. La potencia disipada es de 1.44 W. Este cálculo es fundamental para evaluar la eficiencia del sistema, ya que indica cuánta energía se convierte en calor y luz, permitiendo un uso más prolongado de la batería.

Un estudiante de ingeniería informática está desarrollando un prototipo de un robot para una competencia. El robot se alimenta con un sistema de baterías de 12 V. El circuito principal tiene dos ramas en paralelo, una con una resistencia R1=4 Ω que alimenta los sensores de movimiento, y otra con una resistencia R2=6 Ω que alimenta el controlador principal. Para garantizar el funcionamiento óptimo del robot, se necesita calcular la corriente total que la batería debe suministrar al circuito. ¿Cuál es la corriente total del circuito y qué implicaciones tiene este cálculo para el rendimiento energético del sistema?. La corriente total es de 10 A, ya que las corrientes en circuitos en paralelo se suman. Un valor tan alto es una señal de que la batería se agotará muy rápido, lo que indica un problema en el diseño del circuito del robot. No es posible calcular la corriente total sin conocer el valor exacto de la resistencia de la batería, ya que la corriente total depende directamente de la resistencia interna de la fuente de alimentación, que disminuye la corriente que llega al circuito. La corriente total es de 5 A. Este valor es el resultado de la suma de las corrientes individuales de cada rama, lo que nos permite saber si la fuente de alimentación puede manejar la demanda de corriente total del circuito. La corriente total es de 1.2 A. Esto se obtiene al dividir la tensión de la fuente entre la resistencia total del circuito. Este cálculo demuestra que el robot consume una cantidad muy pequeña de energía, lo que es una ventaja en la competencia.

Un equipo de desarrollo de software está diseñando una aplicación de realidad virtual para simular el comportamiento de partículas cargadas en un conductor. Para que la simulación sea físicamente precisa, es fundamental modelar la corriente como el movimiento de carga a través de una superficie. En un escenario de prueba, se simula una corriente constante de 2.5 A que circula por un cable durante un período de 3 minutos. Para validar el modelo, se necesita calcular la carga total que ha pasado a través de una sección transversal del cable en este intervalo de tiempo. Basándose en la definición de corriente como un flujo de carga… ¿cuál es la cantidad de carga total transportada en el cable?. La carga total transportada es de 450 C, lo que se determina multiplicando el valor de la corriente por el tiempo en segundos, demostrando que en el análisis de circuitos es crucial utilizar las unidades correctas del Sistema Internacional. La carga total transportada es de 7.5 C, ya que se obtiene de una multiplicación directa de la corriente en amperios por el tiempo en minutos, lo cual simplifica la ecuación y facilita el cálculo del flujo. La carga total es de 450 A, ya que la carga y la corriente son la misma magnitud en este contexto y la multiplicación de ambos valores nos da el flujo total de la carga. No es posible calcular la carga total sin conocer la velocidad de los electrones y la sección transversal del cable, ya que estos son los parámetros clave que definen el flujo de carga a nivel microscópico.

En tu primer proyecto de prácticas en una empresa de electrónica, te asignan la tarea de analizar un circuito básico que controla un sistema de iluminación LED. El circuito se compone de una fuente de tensión constante, una resistencia y el LED. La fuente proporciona un voltaje de 5V y la resistencia es de 100 Ω. El equipo necesita determinar la corriente que fluye a través de todo el circuito para seleccionar el LED adecuado, que no se queme por un exceso de corriente. Utilizas la Ley de Ohm para calcular la corriente, entendiendo que esta ley es fundamental para relacionar la tensión, la corriente y la resistencia en un circuito. ¿Cuál es la corriente que circula por el circuito, calculada aplicando correctamente la Ley de Ohm?. 20 A, que resulta de dividir la resistencia de 100 Ω entre la tensión de 5V. 0.5 A, que se obtiene al aplicar un factor de 10. 500 A, que se obtiene al multiplicar la tensión de 5V por la resistencia de 100 Ω. 0.05 A, que se calcula al dividir la tensión de 5V entre la resistencia de 100 Ω.