¿Qué es un circuito en serie?

Se llama circuito en serie a un tipo de circuito eléctrico provisto de un único camino para la corriente, que debe alcanzar a todos los bornes o terminales conectados en la red de manera sucesiva, es decir uno detrás de otro, conectando sus puntos de salida con el de entrada del siguiente.

Si lo explicamos con una metáfora hidráulica, tendremos dos o más depósitos de agua dispuestos de manera tal que la tubería de salida de uno es la de entrada del siguiente, y así sucesivamente.

Los circuitos en serie suministran a los terminales la misma cantidad de corriente en la misma idéntica intensidad, y provee al circuito de una resistencia equivalente igual a la suma de las resistencias de cada terminal conectado, pero siempre más alta que la mayor de ellas; esto significa que a medida que añadimos terminales, la resistencia incrementa (en vez de disminuir, como en los circuitos en paralelo).

Los circuitos en serie son útiles porque permiten la suma del voltaje, sobre todo en lo referido a generadores; esto es, permiten acumular la potencia de la red. Por eso ciertos aparatos emplean un número determinado de baterías para alimentarse: porque sólo así pueden alcanzar el voltaje requerido. Caso contrario requeriríamos una sola pila más potente y costosa.

Un circuito en serie es aquel circuito que tienes más de una resistencia, pero solo posee una vía por la cual fluyen los electrones (la electricidad). Esta corriente se mueve de un extremo a otro, sin ramificaciones, a través de las distintas resistencias que posea el circuito. Todos sus componentes se conectan sucesivamente, por lo tanto, el terminal de salida  se conecta al terminal de entrada del componente siguiente.

Elementos de un circuito en serie

Los conductores están hechos de material metálico, como cobre.
Los elementos que componen un circuito en serie no son en esencia distintos de los de un circuito de otro tipo. La diferencia sustancial es cómo están dispuestos. De ese modo, tenemos que un circuito en paralelo se compone de:

• Una fuente eléctrica. En donde se origina la energía que se transmite por el conductor.
• Un conductor. Usualmente elaborado de un material metálico (cobre, etc.) que va desde la fuente hasta los terminales y de vuelta, permitiendo el flujo electrónico que es la electricidad.
• Terminales o receptores. Que son cada uno de los dispositivos conectados a la red eléctrica, los cuales reciben la corriente y la transforman en otro tipo de energía: lumínica si son bombillas, cinética si son motores, etc.

Fórmulas

Para entender el funcionamiento de este tipo de circuitos, es necesario conocer su voltaje, resistencia, inductancia, intensidad y demás factores. En vista de ello, es importante conocer cada una de las fórmulas para calcular los diferentes componentes de un circuito en serie.

Voltaje

El voltaje en un circuito en serie es igual a la suma de las caídas de voltaje individuales. Por lo tanto, su fórmula es la siguiente:
Vf = V1 + V2 + V3… + Vn, donde “n” es la cantidad de voltajes individuales que estén conectados al circuito. ​

Intensidad de corriente

La corriente en un circuito en serie es igual en todos sus puntos. Las cargas circulan juntas a través de los cables del circuito eléctrico, avanzando al mismo ritmo en todos sus componentes. De igual forma, la velocidad a la que fluye la carga eléctrica es igual en todas partes. Matemáticamente, la fórmula se describe de la siguiente manera:
It = I1 = I2 = I3… In.

Resistencia total

La resistencia total en un circuito en serie es igual a la suma de las resistencias individuales. Para calcular el amperaje, es necesario calcular la resistencia total del circuito. Esto se realiza con la suma de todos y cada uno de los valores individuales de las resistencias eléctricas en serie. Su fórmula es:
R1 + R2 + R3 = RT.

Capacitancia

Se puede encontrar la capacitancia total de un circuito en serie al sumar los recíprocos o inversas de las capacitancias individuales y calcular la inversa del resultado. En vista de ello, la capacitancia total será menor que la capacitancia de cualquier elemento en el circuito. La fórmula a emplear es la siguiente:
1/Ct = 1/C1 + 1/C2 +1/C3… + 1/Cn.

Inductancia

Cuando los inductores están conectados en serie, la inductancia total es la suma de las inductancias de los inductores individuales.

Ley de Ohm

Georg Ohm fue quien descubrió que el flujo de corriente a través de un conductor está directamente relacionado con la resistencia y la tensión. Esto significa que, al multiplicar la corriente y la resistencia en un circuito, se puede encontrar la tensión. Algunas fórmulas para calcular esto son las siguientes:

• V = I x R.
• R =V / I.
• I =V / R.

“V” significa voltaje, “I” es la corriente o intensidad de la corriente y “R” es resistencia. Al obtener cada componente, solo se deben sustituir los valores de la fórmula para encontrar el cálculo requerido.

En conclusión, el uso de los circuitos en serie es necesario para la creación de diversos aparatos electrodomésticos. A pesar de ser un circuito radical con dependencia, es útil alcanzar un determinado voltaje a través de la conexión de dos o más cargas en un interruptor común.

Ejercicios Resueltos de Resistencias en Serie

1.- En el siguiente circuito,

a) calcule la resistencia total del circuito en serie,

b) la corriente de la fuente

c) Determine los voltajes V1, V2, y V3,

d) calcule la potencia disipada por R1, R2 y R3,

e) Determine la potencia entregada por la fuente y determine el resultado con el inciso c).

Lo primero que debemos observar en ese circuito es que tenemos solamente tres resistencias eléctricas de 2, 1 y 5 ohms, a su vez tenemos una fuente de tensión “voltaje” de 20 Volts, y por ella pasa una intensidad de corriente la cual no sabemos y tenemos que calcular. 

Inciso a) – Resistencias total del circuito.

Para poder calcular la RT  tenemos que sumar, ¡OJO! sumar las resistencias porque éstas se encuentran en serie, entonces:
RT=2Ω+1Ω+5Ω=8Ω
Esto significa que la Resistencia total equivale a 8 Ohms, y con ello resolvemos el inciso a).
¡¡Muy fácil!! sin tanta complicación, simplemente sumamos las resistencias que hay dentro.

Inciso b) – Corriente de la fuente

Para poder encontrar la corriente de la fuente, tenemos que relacionar las variables de tensión y resistencias equivalentes (la total), así que aplicamos la Ley del Ohm para poder resolver este inciso.
I=VR
Como nuestra tensión “voltaje” de la fuente es de 20 V, y la R equivalente es de 8 ohms, entonces;
I=VR=20v8Ω=2.5A
Por lo que a través del circuito tenemos una corriente de 2.5 Amperes, a su vez sabemos que por regla tenemos 2.5 Amperes en cada resistencia, o sea en la de 2, 1 y 5 ohms.

Inciso c) – Voltajes en V1, V2 y V3 

Ahora para el cálculo del voltaje o tensión en cada resistencia es muy fácil, simplemente aplicaremos la fórmula de la Ley del Ohm, pero despejando a “V” en función de sus otras dos variables, quedando de la siguiente forma.
V=I⋅R
Aplicamos en cada resistencia.
V1=(2.5A)(2Ω)=5V
V2=(2.5A)(1Ω)=2.5V
V3=(2.5A)(5Ω)=12.5V
Listo, con esto obtenemos el voltaje que hay en cada resistencia, ahora algo muy importante….
Sumemos todas los voltajes obtenidos.
VT=V1+V2+V3=5V+2.5V+12.5V=20V
La suma individual de la tensión en cada resistencia es igual a la fuente principal.

Inciso d) – Potencia disipada por cada resistencia

Para realizar el cálculo debido a la potencia disipada de cada resistencia, aplicamos la fórmula que se vio en el tema de Potencia Eléctrica ya que lo hayas comprendido es momento de calcular las potencias individuales.
P1=I⋅V1=(2.5A)(5V)=12.5W
P2=I⋅V2=(2.5A)(2.5V)=6.25W
P3=I⋅V3=(2.5A)(12.5V)=31.25W
La suma individual de las potencias nos da lo siguiente:
PT=P1+P2+P3=12.5W+6.25W+31.25W=50W
Un total de 50 Watts en la suma de cada una de las potencias.

Inciso e) – Potencia total de la fuente.

PT=I⋅V=(2.5A)(20V)=50W
Si observamos la potencia total es igual a la suma de las potencias individuales, por lo que podemos decir que en un circuito de resistencias en serie es posible calcular la potencia total a través del paso anterior.
Y listo, problema resuelto.

Ahora veamos otro ejemplo más.

2.- Determine la resistencia total, la corriente del circuito y el voltaje en la resistencia dos.

Resistencia total del circuito.

Para poder encontrar la resistencia total del circuito, sumamos las resistencias que tenemos:
RT=7Ω+4Ω+7Ω+7Ω=25Ω
Por lo que la resistencia total equivale a 25 Ohms, ahora podemos seguir resolviendo el ejercicio.

Corriente total del circuito.

Aplicando la Ley del Ohm, hacemos:
I=VR=50V25Ω=2A
Por lo que la corriente que pasa en el circuito es de 2 Amperes.
Ahora procedemos aplicar el siguiente cálculo de la tensión “voltaje” en la resistencia 2.

Voltaje en resistencia 2

V2=I⋅R2=(2A)(4Ω)=8V
Por lo que la tensión en la resistencia 2, es de 8 Volts.
y con eso resolvemos el problema.

3.- Dadas la resistencia total del circuito y la corriente, calcule el valor de R1 y el valor de la fuente de tensión. 

A diferencia de los ejercicios 1 y 2, este problema es un poco más complicado; pues en este caso tendremos que despejar algunas fórmulas pero NADA difícil, nada del otro mundo, así que lo primero que debemos analizar es lo que el problema pide.

El valor de la Resistencia 1

Como bien sabemos la resistencia total es la suma de cada una de las resistencias, entonces procedemos a colocar nuestra fórmula con las resistencias que existan.
RT=R1+R2+R3
Como el problema nos proporciona la resistencia total, entonces podemos despejar la que necesitamos.
RT−R2−R3=R1
Invertimos la ecuación (es decir, pasamos de un miembro al otro).
R1=RT−R2−R3
Y ahora si, empezamos a sustituir.
R1=12kΩ−4kΩ−6kΩ=2kΩ
Por lo que el valor de la resistencia que estamos buscando es de 2 Kilo Ohms (Kilos = 1000 Ohms).

El valor de la Fuente de tensión

Aplicando la Ley del Ohm, podemos encontrar nuestra voltaje total del circuito.
V=I⋅RT=(6mA)(12kΩ)=72V
Por lo que el valor de la fuente es de 72 Volts.
Recordemos que los 6mA (6 mili amperes) al multiplicarse con los 12 (kilo ohms), estas unidades se simplifican a la unidad, es decir a 1, por lo que la multiplicación es directa, entre el 6 y 12.