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Electricidad y Electrónica
Industrial
Unidad 1
Electricidad Básica
1.1 Introducción a la Electricidad
1.2 Conceptos de Magnitudes Eléctricas
1.3 Circuito Eléctrico
1.4 Medición de Magnitudes Eléctricas
1.5 Conceptos Básicos de las leyes de
Ohm, Kirchhoff, Lenz, Faraday y Watts
1.6 Aplicación
INTRODUCCION A LA ELECTRICIDAD
La materia está formada por átomos (partículas muy pequeñas que no se ven a simple
vista) A su vez los átomos están formados por partículas aún más pequeñas: Los protones,
neutrones y electrones.
Los protones y neutrones están inmóviles en el centro del átomo (núcleo). Por el contrario,
los electrones son móviles y orbitan alrededor del núcleo del átomo y hay tantos electrones
como protones, por lo que el átomo se encuentra equilibrado eléctricamente.
Estas partículas subatómicas poseen una propiedad llamada carga eléctrica:
· Protones (+): partículas con carga eléctrica positiva.
· Neutrones (0): partículas sin carga (neutra).
· Electrones (-): partículas con carga eléctrica negativa.
Electrón
(carga negativa - )
Protón
(carga positiva +)
Neutrón
(carga neutra 0)
En situación normal los átomos contienen el mismo número de protones (+) que electrones (-),
por lo que los átomos presentan carga total nula (0). La materia en reposo es, por tanto, neutra.
Sin embargo, como los electrones están girando alrededor del núcleo, éstos pueden ser
arrancados de unos átomos y cedidos a otros átomos. Ello significa que la materia puede
cargarse positivamente o negativamente, dependiendo de si pierde o gana electrones.
La cantidad de carga que posee un cuerpo, sea positiva o negativa, se mide en Culombios (C).
Los cuerpos cargados positivamente o negativamente experimentan fuerzas de atracción y
repulsión, según su carga. Por ello, se puede decir que la carga es una forma de energía
(energía eléctrica).
Hay fenómenos que consiguen mover electrones de las órbitas externas de un átomo,
quedando entonces con una falta de cargas negativas.
A estos átomos se les conoce
como ion positivo.
“hueco”
Ion positivo
Átomo
A estos átomos se les
conoce como ion negativo.
Ion negativo
Al producirse el abandono de un electrón de su órbita queda en su lugar un “hueco”
el cual atraerá a un electrón de un átomo contiguo, de este modo se desencadena
una cascada de electrones arrancados de otros átomos contiguos para ir rellenando
huecos sucesivos, y así se produce una circulación de electrones.
Electrón libre
Electrón libre
Ion positivo
Electrón libre
Ion positivo
Ion positivo
Las seis fuentes de energía externa que son capaces de separar los electrones del
núcleo de un átomo son:
Por Inducción. Si se desplaza un
conductor eléctrico en el interior de un
campo magnético, aparece una diferencia
de potencial en los extremos del mismo.
Los
generadores
industriales
de
electricidad están basados en esta
propiedad electromagnética.
Por calentamiento. Cuando se calienta
una soldadura de dos metales distintos,
aparece una tensión eléctrica. Esta
tensión es muy pequeña, por lo que suele
tener aplicaciones para la medida de
temperaturas.
Por
transformación
química.
Al
sumergir dos metales diferentes, o un
metal y carbón, en una solución
apropiada, se origina una diferencia de
potencial entre los dos metales. Las pilas
se basan en este hecho.
Por presión. Algunos materiales tienen la propiedad de que, al serles aplicadas
fuerzas de compresión o de tracción, aparecen tensiones eléctricas en sus superficies.
Este fenómeno piezoeléctrico es característico de algunos cristales, principalmente
cuarzo, y tiene diferentes aplicaciones para la producción de pequeñas corrientes:
micrófono, reloj de cuarzo o mechero.
El reloj de cuarzo posee una pieza de cuarzo que sirve
para generar los impulsos necesarios que permitirán la
medición del tiempo.
Se diferencia de otros relojes (reloj de agua, reloj de
arena, etc.) en que la electricidad necesaria para activar el
cuarzo es proporcionada por una pila eléctrica, mientras
que en los otros los impulsos son generados por medios
físicos o mecánicos.
Por fricción. Al frotar dos objetos entre sí
puede producirse una diferencia de potencial
entre ellos. Por ejemplo, la electricidad estática
que suele acumular un coche está ligada al
rozamiento del aire con la carrocería y al propio
rozamiento de las ruedas. Igualmente, al frotar
una varilla de vidrio o plástico con un trozo de
lana aparece una acumulación de cargas de
diferente signo en ambos objeto.
Por acción de la luz. Al incidir los fotones de la luz sobre ciertos materiales aparece
un flujo de corriente de cierta importancia. Las células fotovoltaicas aprovechan esta
energía.
Las células fotovoltaicas del panel solar están construidas de materiales
semiconductores como el germanio y el silicio. Estas sustancias cuando reciben los
fotones de la luz producen una corriente de electrones (corriente eléctrica). A este
efecto se le conoce con el nombre de efecto fotovoltaico.
1.2 CONCEPTOS DE MAGNITUDES ELECTRICAS
Como recordamos, la materia está constituida
por moléculas, que a su vez están constituidas
por átomos.
El átomo, lo forman un núcleo que contiene
protones y neutrones, y alrededor de dicho
núcleo giran los electrones
Cuando el número de electrones y de protones son iguales en un átomo, se dice que el
átomo es neutro.
Cuando el número de electrones es menor que el de protones, se dice que el átomo está
cargado positivamente.
Y cuando el número de electrones es mayor que el de protones, se dice que está cargado
negativamente.
VOLTAJE
Para que los electrones se desplacen por un conductor es necesaria una diferencia de
potencial o voltaje (V) entre sus extremos.
Su unidad es el Voltio. Esto se consigue conectando cargas de distinto signo en sus extremos
UNIDADES DE TENSIÓN
CORRIENTE ELECTRICA
La intensidad de corriente (I) es la cantidad de carga eléctrica que pasa por una sección de
conductor en la unidad de tiempo. Se mide en amperios (A) en el Sistema Internacional (SI).
En la medición de la carga eléctrica, la
unidad que se emplea es el culombio.
Un culombio es igual a 6.26 trillones de
electrones aproximadamente, es decir,
6.260.000.000.000.000.000, y esto puede
darnos una idea de lo pequeñísimo que es
un electrón.
RESISTENCIA
Resistencia eléctrica es toda oposición que encuentra la corriente a su paso por un circuito
eléctrico cerrado, atenuando o frenando el libre flujo de circulación de las cargas eléctricas o
electrones.
Cualquier dispositivo o consumidor conectado a un circuito eléctrico representa en sí una
carga, resistencia u obstáculo para la circulación de la corriente eléctrica
El ohm es la unidad de medida de la resistencia que oponen los materiales al paso de la
corriente eléctrica y se representa con el símbolo o letra griega " " (omega). La razón por la
cual se acordó utilizar esa letra griega en lugar de la “O” del alfabeto latino fue para evitar
que se confundiera con el número cero “0”.
POTENCIA ELECTRICA
Energía o trabajo eléctrico es lo que hace moverse a un conjunto de cargas. Sólo
habrá trabajo cuando exista movimiento de cargas en el circuito.
La potencia es el trabajo desarrollado en la unidad de tiempo. Cuanto mayor sea la
potencia de un aparato, mayor será la energía o trabajo que pueda desarrollar o que consuma
en un tiempo determinado, por ello se trata de una característica fundamental de los
receptores eléctricos. Se mide en Watts [W].
1.3 CIRCUITO ELECTRICO
Un circuito eléctrico es un conjunto de elementos unidos entre si formando un camino cerrado por el que
puede circular corriente eléctrica.
El circuito básico está constituido por:
•
Un generador, que proporciona la diferencia de potencial. Puede ser una
batería para obtener una tensión continua o un alternador para obtener una
alterna.
•
Un receptor o carga que es todo aparato que consume energía eléctrica.
Por ejemplo, una lámpara, un horno eléctrico, un televisor, una lavadora, o
cualquier otro aparato que se alimente con electricidad.
•
Un conductor que une eléctricamente los distintos elementos del circuito.
Suele ser cable de cobre o de aluminio.
•
Un interruptor como elemento de control para permitir o cortar el paso a la
corriente.
Conectando los distintos elementos según el esquema se crea un circuito eléctrico en el que en el momento en que se
cierra el interruptor, se establece un flujo de corriente eléctrica que partiendo de la fuente de tensión atraviesa el
interruptor cerrado y por el conductor llega al receptor poniéndolo en funcionamiento, por último las cargas retornan
por el conductor hasta el generador.
Para que exista corriente eléctrica se deben cumplir una serie de condiciones: Debe existir un camino cerrado para el
paso de la corriente, ese camino constituye un circuito eléctrico. Cuando el interruptor está abierto se interrumpe el
circuito y el paso de la corriente.
El circuito debe estar constituido por elementos conductores (que permitan el paso de corriente, con mayor o menor
facilidad) En el circuito tiene que haber al menos una fuente de tensión que produzca la diferencia de potencial que
provoca el paso de corriente. Se puede hacer la siguiente clasificación de las partes que constituyen un circuito:
Elementos activos: son aquellos que aportan energía al circuito, es decir los generadores eléctricos.
Elementos pasivos: aquellos que consumen la energía aportada por los elementos activos y la transforman en otro tipo
de energía
Circuito serie.
Un circuito serie, es aquel que tiene conectados sus
receptores uno a continuación del otro.
La resistencia total del circuito es la suma de las resistencias que lo componen.
La corriente que circula es la misma por todos los elementos.
La fuerza electromotriz generada por el generador se reparte entre los distintos
elementos.
Circuito paralelo.
Un circuito paralelo,
es aquel que tiene
conectados
los
terminales de sus
receptores
unidos
entre si.
La resistencia total del circuito es la inversa de la suma de las inversas
de las resistencias que lo componen.
La corriente total que sale del generador se reparte por todos los elementos.
La fuerza electromotriz generada por el generador llega por igual a todos los elementos.
Circuito mixto.
Un circuito mixto, es aquel
que tiene elementos en
paralelo y en serie.
EJERCICIOS:
Encontrar la resistencia total o equivalente de las siguientes resistencias.
R1
R2
R3
R1
R2
R3
R4
R1
R2
R3
R1
R2
R3
R4
Video
Comportamiento del VOLTAJE, CORRIENTE y RESISTENCIA en los circuitos serie y paralelo.
CIRCUITO EN SERIE
CIRCUITO EN PARALELO
Vt = V1 + V2 + V3
Vt = V1 = V2 = V3
90 Ω
VOLTAJE
60 Ω
6V
30 Ω
4V
2V
It = I1 = I2 = I3
I1
CORRIENTE
I2
It = I1 + I2 + I3
I3
I1
I
I2
I3
I
RESISTENCIA
Rt = R1 + R2 + R3
Rt = 1 / [1/R1 + 1/R2 + 1/R3] .
1.4 MEDICION DE MAGNITUDES ELECTRICAS
MEDICION DE VOLTAJE A TRAVES DE
UN VOLTIMETRO
DEFINICION
Un voltímetro es aquel aparato o dispositivo que se utiliza a fin de medir,
de manera directa o indirecta, la diferencia potencial entre dos puntos de un circuito
eléctrico.
Para poder realizar la medición de
la diferencia potencial (VOLTAJE),
ambos puntos deben encontrarse
de forma paralela al elemento a
medir.
En otras palabras, que estén en
paralelo quiere decir que se
encuentre en derivación sobre los
puntos de los cuales se quiere
realizar la medición.
NOTA
Cuando
use
este
instrumento para medir voltaje de
corriente directa, asegúrese de
conectarlo de modo que el voltaje
en
la
terminal
positiva
del
instrumento y sea el lado positivo
del elemento del circuito.
MEDICION DE LA CORRIENTE ELECTRICA A TRAVES DE UN AMPERIMETRO
DEFINICION
Se conoce como amperímetro al dispositivo que mide la intensidad de
corriente eléctrica.
La corriente es una de las cantidades más importantes que uno quisiera medir en un
circuito eléctrico.
+
50V
-
Motor
La corriente que se va a medir debe pasar directamente por el amperímetro, debido a
que éste debe conectarse a la corriente. Los alambres deben cortarse para realizar las
conexiones en el amperímetro.
Cuando use este instrumento para medir corrientes continuas, asegúrese de conectarlo
de modo que la corriente entre en la terminal positiva del instrumento y salga en la
terminal negativa.
MEDICION DE RESISTENCIA A TRAVES DE UN OHMETRO Y MEGGER
DEFINICION OHMETRO
Aparato que mide el valor de las resistencias, y que de
forma obligatoria hay que colocar en paralelo al componente estando éste separado del
circuito (sin que le atraviese ninguna intensidad).
Mide resistencias en Ohmios (Ω).
DEFINICION MEGGER
El Megger o Megohmetro, es un instrumento con el cual se
realiza el análisis del aislamiento de un cable o de un devanado de un transformador o de un
motor para conocer la existencia o no de corrientes de fuga a través del aislamiento medido.
También sirve para medir la resistencia del suelo
y analizar los electrodos de la tierra.
Mide resistencias en Ohmios (Ω).
MEDICION DE POTENCIA A TRAVES DE UN WATTHORIMETRO
DEFINICION DE WATTHORIMETRO
Instrumento eléctrico que mide y registra la
integral con respecto al tiempo, de la potencia activa del circuito en que se conecta.
Esta integral de potencia es la energía consumida por el circuito durante al intervalo de
tiempo en que se realiza.
La energía eléctrica es especificada en Watts-hora debido a que es de uso común en la
industria, aunque en el sistema internacional de unidades la unidad de energía eléctrica
es el joule. 1 W hr = 3 600 j
Mide potencia eléctrica en watts x hora (Whr).
DEL CIRUITO ELECTRICO DIBUJA COMO HARIAS LA MEDICION DEL:
a).- El Voltaje en la Resistencia R2
b).- El flujo de corriente en la Resistencia R4
c).- La Resistencia en el resistor R3
Nota: Indique en que posición debe estar el
Selector del instrumento.
1.5 CONCEPTOS BÁSICOS DE LAS LEYES OHM, KIRCHHOFF, LENZ, FARADAY Y WATTS.
LA LEY DE OHM.
La ley de Ohm recibe este nombre del físico Alemán Georg Simon Ohm, el cual estableció la
relación entre el voltaje aplicado V, la corriente I, y la resistencia R.
Encontró que para un valor fijo de resistencia, circula una corriente para un voltaje aplicado.
Si el voltaje se duplica, también se duplica la corriente, si se triplica el voltaje se triplica la
corriente. Es decir, “Si se mantiene el valor de la resistencia constante, la corriente es
directamente proporcional al voltaje”.
Amperes, I
Esta relación se puede mostrar
en forma gráfica de la
siguiente manera:
Resistencia, R
3
2
1
0
10
20
30
Voltaje, V
Originalmente, esta relación la expresó Ohm de la siguiente forma:
V
R = ---I
Ejemplo:
Donde:
R = Resistencia Eléctrica en Ohms (Ω)
V = Voltaje (V)
I = Corriente en amperes (A)
Calcular la Resistencia del resistor de la gráfica anterior para 10, 20 y 30 V.
Solución:
A).- El Valor de la resistencia, para cuando V = 10V y I = 1A
10 V
R = ----- = 10 Ω
1A
B).- El Valor de la resistencia, para cuando V = 20V y I = 2A
20 V
R = ----- = 10 Ω
2A
c).- El Valor de la resistencia, para cuando V = 30V y I = 3A
30 V
R = ----- = 10 Ω
3A
Un término eléctrico que en este momento debemos incluir en nuestro aprendizaje es el de la
potencia eléctrica P, que se define como la medición de la capacidad de trabajo que se ha
desarrollado y se mide en Watts.
Cuando un Volt hace circular un Amper de corriente a través de 1 Ohm de resistencia, se
libera una cierta cantidad de calor y el resultado es 1 Watt de potencia. El trabajo, en este
caso es el calor creado.
La fórmula para determinar la potencia en una carga resistiva es la siguiente:
P=V*I
Donde:
P = Potencia Eléctrica en watts (W)
I = Corriente en amperes (A)
V = Voltaje en volts (V)
Esta expresión para la potencia eléctrica y la ley de Ohm se pueden relacionar mediante la
siguiente gráfica.
Potencia WATTS
Resistencia OHMS
Corriente AMPERES
Voltaje VOLTS
Ejemplo:
Un amperímetro localizado en la línea de fuerza que alimenta a un motor, lee 0.950 Amperes,
el voltaje en la terminales del motor es de 50V. ¿Cuál será la potencia de entrada al motor?
Solución:
Amperímetro
+
Usando
P=V*I
Sustituyendo
P = 50 * 0.950 = 47.5 Watts.
50V
-
Motor
Ejemplo:
Un tostador eléctrico tiene una resistencia de 15Ω. Cuando está caliente, ¿Cuál será la
intensidad de la corriente que fluirá al conectarlo a una línea de 120V?.
Solución:
Usando
V
I = ---R
Sustituyendo
120
I = ----- = 8 Amp.
15
Ley de OHM:
En cualquier circuito eléctrico la corriente, que fluye por
él, es directamente proporcional al voltaje aplicado, e
inverso a su resistencia.
Video
Realiza el siguiente ejercicio, dibujando el tipo de circuito y usando la ley de Ohm.
Circuito
Conexión
Voltaje de la Resistencia R1 Resistencia R2 Resistencia Rt Corriente I1
Fuente (V)
(Ohms)
(Ohms)
(Ohms)
(Amperes)
A
Serie
48
12
12
?
B
Paralelo
36
18
18
?
?
C
?
?
8
4
12
2
D
Paralelo
12
?
?
?
?
Corriente I2
Corriente It
(Amperes)
(Amperes)
?
?
?
2
4
Se tienen los siguiente valores.
R1=4Ω
R2=6Ω
R3=10Ω
R4=2Ω.
El Voltaje aplicado es de 12 Volts.
Determinar…
1). La resistencia equivalente de las resistencias 2 y 3.
2). La resistencia total del circuito.
3). La corriente total del circuito.
4). El voltaje en la resistencia 1.
5). El voltaje en las resistencias 2 y 3
(obvio es el mismo en ambas).
6). La corriente que circula por la resistencia 2.
7). La corriente que circula por la resistencia 3.
8). El voltaje en la resistencia 4.
LA LEY DE KIRCHHOFF.
Las leyes de Kirchhoff, reciben este nombre del científico Alemán Gustav Robert Kirchhoff.
Estas leyes son completamente simples pero extremadamente importantes.
La primera ley del Kirchhoff es llamada, Ley de CORRIENTES de Kirchhoff (LCK), y dice:
“La suma algebraica de las corrientes que entran en cualquier nodo es igual a cero”
I1 + I2 + I3 + I4 …..In = 0
---------------
Nodo 1
La segunda ley del Kirchhoff es llamada, Ley de VOLTAJES de Kirchhoff (LVK), y dice:
“La suma algebraica de los voltajes en cualquier malla es igual a cero”
V1 + V2 + V3 + V4 …..Vn = 0 ---------------
Malla 1
Para comprender e interpretar las leyes de kirchhoff se deberá entender claramente los
conceptos de nodo, malla y rama, para ello dibujaremos el siguiente circuito eléctrico.
NODO:
Se llama nodo al punto en el cual tres o más elementos tienen una conexión eléctrica
común.
Este circuito eléctrico tiene  nodos.



+ −
+
_


RAMA:
Se llama RAMA a la parte del circuito que contiene un sólo elemento y un nodo en cada
extremo.
Este circuito eléctrico tiene  ramas.

=




+ −
+
_



MALLA:
Una MALLA es simplemente cualquier trayectoria cerrada a través del circuito en la cual
ningún nodo se encuentra mas de una vez.
Este circuito eléctrico tiene 13 mallas.
1.2.3.4.-
A,1,3,2,A
1,B,4,3,1
2,3,5,C,2
3,4,D,5,3

A
B
5.- A,1,3,5,C,2,A
6.- 1,B,4,D,5,3,1
7.- A,1,B,4,3,2,A
8.- 1,B,4,D,5,3,1


+ −
9.- A,1,3,4,D,5,C,2,A
10.- A,1,B,4,D,5,3,2,A
11.- A,1,B,4,3,5,C,2,A
12.- 1,B,4,D,5,C,2,3,1
13.- A,1,B,4,D,5,C,2,A

+
_
C

14.- A,1,3,4,D,5,3,2,A
Esta trayectoria NO puede
formar una malla.
D
PRIMERA LEY DE KIRCHHOFF.
“La suma algebraica de las corrientes que entran en cualquier nodo es igual a cero”.

i2
i1
i3
A
B
i4
i5



+ −
i6
+
_
C
i7
D
i8

Primero lo que haremos es:
Identificar el número de nodos: 5
Identificar el número de ramas: 8
Identificar el número de mallas: 4
1,2,3,4, y 5
1-2, 1-3, 1-4, 2-3, 2-5, 3-4, 3-5 y 4-5
A, B, C y D 4 mallas de 13 posibles
Para resolver este circuito es necesario seguir los pasos siguientes:
1.- Aplicar el primer criterio
Iniciar del lado izquierdo del Nodo y luego en sentido de
Las manecillas de del reloj.
2.- Aplicar el segundo criterio
Para considerar si una corriente es + ó -, debemos basarnos en lo siguiente:
Si una corriente entra a un nodo es (+)
Si una corriente sale de un nodo es (-)
Las ecuaciones que resultan del circuito anterior aplicando la ley de corrientes de Kirchhoff
son:
i1 - i3 - i2 = 0
Nodo 1
- i1 + i4 - i6 = 0
Nodo 2
- i4 + i2 + i5 - i7 = 0
Nodo 3
- i5 + i3 + i8 = 0
Nodo 4
i6 + i7 - i8 = 0
Nodo 5
Ejercicio:
Encontrar las ecuaciones que resultan del siguiente circuito aplicando la ley de corrientes de
Kirchhoff. Así como indicar el número de nodos, ramas y mallas.

i1
i2

i3
A
i4
i5
B
i12
i13


C

i6
+ −
i7
E
D
i11
i10

F
i8
i9


Ahora encontraremos las corrientes desconocidas en este circuito.

60 mA
20 mA
i1
i4


i5

i6
40 mA
30 mA

Primero definiremos las ecuaciones de cada uno de los nodos.
i1 - 20 - 60 = 0
- i1 + i4 + i6 = 0
- i4 + 60 + i5 - 40 = 0
i5 + 20 - 30 = 0
- i6 + 40 - 30 = 0
Nodo 1
Nodo 2
Nodo 3
Nodo 4
Nodo 5
Simplificando y sustituyendo queda que: i1 = 80,
i4 = 70,
i5 = 50
e

60 mA
20 mA
i1
i4


i5

i6
40 mA
30 mA

i6 = 10
Ejercicio: Del siguiente circuito encontrar el valor de i1 (6 mA)
4 mA
10 mA
i1
Ejercicio: Del siguiente circuito encontrar el valor de i1 (8 mA) e i2 (5 mA)
i1
3 mA
i2
12 mA
+
_
4 mA
SEGUNDA LEY DE KIRCHHOFF.
La segunda ley de Kirchhoff es llamada, Ley de VOLTAJES de Kirchhoff (LVK), y dice:
“La suma algebraica de los voltajes en cualquier malla es igual a cero”.
Como en la primera ley de Kirchhoff, en la segunda ley identificaremos los mismo conceptos
iníciales (Número de Nodos, Ramas y Mallas).
a).- Para resolver este circuito es necesario seguir los pasos siguientes:
1.- Aplicar el primer criterio
Iniciaremos nuestro análisis en sentido de rotación de las manecillas del reloj a
partir de la fuente de mayor voltaje.
2.- Aplicar el segundo criterio
El signo algebraico que se indica en los voltajes de los elementos será utilizado para
dar la polaridad al voltaje en cada uno de ellos.
Aplicaremos la segunda ley Kirchhoff al siguiente circuito.
R1
b
a
c
− +
−
V R1
+
5V
+
_
30 V
V R2
R2
+
f
−
R3
+
−
+ −
V R3
e
15 V
d
Primero definiremos la de malla de este circuito.
30 - VR1 + 5 - VR2 + 15 - VR3 = 0
Lo que también se puede escribir como:
- VR1 - VR2 - VR3 = -30 -5 - 15
( -1 ) x
- VR1 - VR2 - VR3 = -30 -5 – 15
+ VR1 + VR2 + VR3 = 30 + 5 + 15
= 50
x ( -1 )
Ejercicio:
Aplicando la segunda ley de Kirchhoff (LVK), Establecer la ecuación de malla del siguiente
circuito y encontrar el valor del voltaje total de la fuente VT.
R1
− +
5Ω
VT = ?
+
_
5V
R2
IT = 3.5 A
R3
+ −
15 V
10 Ω
30 Ω