Modelado de sistemas eléctricos.

Cómo ya se vio en la sección de “Modelos matemáticos”, se busca encontrar una representación matemática de los sistemas físicos, por lo tanto, se analiza cada uno de los componentes y se presenta un modelo de su comportamiento.

En los sistemas eléctricos, las leyes que los rigen son ya conocidas, como la ley de Ohm y las leyes de Kirchhoff, y de manera general los elementos a estudiar se puede dividir en 3 tipos, en elementos resistivos, inductivos y capacitivos.

  • Elementos resistivos. Son aquellos que se oponen al flujo de corriente, se define a la resistividad como la cantidad de voltaje requerido para que fluya la corriente, y matemáticamente se expresa como,
    \[
    R=\frac{V}{A}
    \]
  • Elementos capacitivos. Son aquellos elementos que debido a sus características pueden almacenar carga eléctrica, ésta capacidad  de almacenamiento se conoce como capacitancia y está dada por,
    \[
    C=\frac{q}{V}
    \]
  • Elementos inductivos. Son aquellos que elementos que debido a sus características, producen una razón de cambio en la corriente,
    \[
    L=\frac{v}{\dot{i(t)}}
    \]

En el caso de los sistemas eléctricos, también se deben tomar en cuenta algunas consideraciones,

1.- Todos los elementos resistivos a estudiar, son lineales, es decir, ninguno puede almacenar energía eléctrica, toda es disipada en forma de calor, tampoco presentan efectos capacitivos o inductivos.

Figura 1. Representación de una resistencia lineal.

La resistencia medida en un resistor lineal, sigue la siguiente ecuación matemática,

\[ R=\frac{v_{R}}{i} \]

donde $v_{R}$ es el voltaje en el resistor e $i$ es la corriente que fluye por el mismo, recuerde que la unidad de la resistencia es el Ohm $\ohm$ y si la corriente fluye de izquierda a derecha, es decir, de $v_{1}$ hacia $v_{2}$, se toma como positiva.

2.- Todos los capacitores son ideales, es decir puros,  pueden almacenar energía y  entregarla completamente al sistema.

Figura 2: Representación de un capacitor.

Recuerde que la unidad de medida de la capacitancia es el Faradio (F) y el voltaje en el capacitor puede ser obtenido a partir de la ecuación,

\[v_{C}=\frac{1}{C}\int i dt \]

donde C representa la capacitancia del capacitor y también se toma como dirección positiva que la corriente $i$ fluya de izquierda a derecha.

3.- Todos los elementos inductivos son ideales, es decir la bobina carece de resistencia al flujo de la corriente y por lo tanto no presenta pérdidas de energía.

Figura 2: Representación de un inductor.

 

La inductancia es la relación entre el voltaje inducido y la razón del cambio de la corriente en la bobina, matemáticamente esto también puede ser representado como el voltaje que hay en la bobina con la ecuación,

\[v_{L}=L\frac{di}{dt}\]

donde L representa la inductancia de la bobina, medida en Henrios (H) y se dice que tiene un voltaje positivo si la corriente $I$ fluye de izquierda a derecha.