Cargas en movimiento

Corriente eléctrica

Si unimos dos conductores A y B inicialmente cargados, de potenciales diferentes, a un hilo conductor, se puede observar un paso de cargas de un lado a otro hasta que los potenciales eléctricos se igualen.

A

B

¿Cuál es la causa del movimiento de las cargas?

Naturaleza de la corriente eléctrica:

Esto se debe a la diferencia de potencial de los cuerpos A y B que estableció en el hilo conductor un campo eléctrico, y este, actuando sobre los electrones del hilo conductor, produjo una fuerza F= q E, que los hizo mover.

De este modo, la corriente se atribuye al desplazamiento de cargas eléctricas elementales. Los portadores de estas cargas son los IONES libres, en los líquidos conductores y en los gases ionizados.

En el caso de los conductores sólidos, los que en su mayoría son metales, los portadores de carga son los electrones; por lo tanto, esto es solamente un transporte de cargas negativas.

Corriente eléctrica

Si a través de una superficie, se traslada una carga total distinta de cero, se dice que a través de esta superficie pasa corriente eléctrica.

La corriente eléctrica puede pasar por los cuerpos sólidos (metales, semiconductores), por los líquidos (electrolitos) y por los gases (una descarga eléctrica).

Como se menciono anteriormente para que la corriente eléctrica pase es necesario que existan partículas con carga que puedan desplazarse, estas partículas reciben el nombre de portadores de carga y pueden ser electrones, iones o finalmente partículas macroscópicas , portadoras de carga excedente (partículas de polvo o gótitas con carga)

La corriente se produce, si dentro del cuerpo existe un campo eléctrico. Los portadores de carga participan en el movimiento térmico de las moléculas y , por consiguiente, se mueven con una velocidad aleatoria.

Cuando se conecta el campo eléctrico, al movimiento caótico de los portadores se superpone un movimiento ordenado con una cierta velocidad de desplazamiento.

Se puede deducir que la corriente eléctrica se puede definir como un movimiento ordenado de las cargas eléctricas.

Como característica cuantitativa de la corriente eléctrica, sirve la magnitud de la carga transportada a través de la superficie considerada en la unidad de tiempo. Esta magnitud se llama intensidad de corriente.

Podemos visualizar que la intensidad de corriente, es en esencia el flujo de carga a través de la superficie.

Ahora, si durante un intervalo de tiempo se transporta a través de la superficie una determinada carga q, la intensidad de la corriente se define como:

Su unidad en el sistema internacional es el ampere: un ampere es la corriente invariable que, si está presente en dos conductores paralelos de longitud infinita y separados por una distancia de un metro en el espacio vacío, provoca que cada conductor experimente una fuerza de exactamente 2 . 10^ (-7) N por metro de longitud.

Sentido de la corrienteEn los líquidos y gases conductores, las cargas positivas se mueven del potencial eléctrico más alto al potencial más bajó y las cargas negativas en sentido contrario.

Por convención, el sentido de la corriente coincide con el de los portadores positivos.

En los metales, resulta que el sentido real del desplazamiento de los electrones que constituyen la corriente, está en sentido contrario al sentido convencional de la corriente.

Tipos de corriente

Corriente continua (cc):

Si se mantiene constante la diferencia de potencial entre los puntos A y B dentro de un hilo conductor, la corriente que circula por él es constante. Si esta situación ocurre, diremos que tenemos una corriente continua. En muchos circuitos sencillos como los de las linternas eléctricas o taladros eléctricos, se utiliza este tipo de corriente.

Corriente alterna (ca):

Si la diferencia de potencial entré A y B cambia de sentido con una cierta frecuencia, la corriente que pasa por el hilo conductor cambia de sentido con esa frecuencia y se conoce como corriente alterna.

En los aparatos electrodomésticos, como tostadora, refrigeradores, televisores se utiliza este tipo de corriente.

Además es posible tener una corriente estacionaria (constante en el tiempo) cuando el material conductor forma una trayectoria cerrada, lo que se conoce como un circuito cerrado. Este concepto lo retomaremos luego.

Corriente estacionaria:

Resumen

La corriente eléctrica puede pasar por los cuerpos sólidos (metales, semiconductores) por los líquidos (electrolitos) y por los gases (una descarga eléctrica).

En los líquidos y gases conductores, las cargas positivas se mueven del potencial eléctrico más alto al potencial más bajó y las cargas negativas en sentido contrario.

En los metales, resulta que el sentido real del desplazamiento de los electrones que constituyen la corriente está en sentido contrario al sentido convencional de la corriente.

La corriente por unidad de área transversal se conoce como DENSIDAD DE CORRIENTE (J).

J= I/A = q n Vd

La unidad de la densidad de la corriente es: (A/m2)

Ejercicio

1. Se tiene una corriente de 0,5 A en el foco de una linterna durante 2 minutos. ¿Cuánta carga pasa por el foco en este tiempo? ¿Cuántos electrones son?

2. Si un instrumento registra una corriente de 3 nA durante dos minutos, ¿Cuánta carga pasa según esa medición? ¿Cuántos electrones son registrados?

3. Si se registra que por un cierto instrumento pasan 6,25. 10^(20) electrones. En un cuarto de minuto ¿cuánta es la carga registrada en Coulomb ? Y ¿Cuál es el valor de la corriente eléctrica?

Circuitos eléctricos

Fuerza electromotriz (f.e.m.)Para qué la corriente eléctrica perdure es necesario mantener la diferencia de potencial entre los extremos del conductor. Pero ¿cómo conseguirlo?. La forma de responder a esta pregunta ha dado origen a distintos procedimientos para generar energía eléctrica.

Los generadores de cualquier tipo, producen esa diferencia de potencial en los extremos de los circuitos conectados a ellos, suministrando la energía necesaria para movilizar las cargas.

El dispositivo o generador, que suministra la energía eléctrica suficiente para que se produzca una corriente estacionaria en un conductor se llama fuente de fuerza electromotriz (f.e.m.), y convierte la energía química o mecánica en energía eléctrica.

Como muestra la imagen, la fuente de fem realiza trabajo sobre la carga que la atraviesa, elevando su energía potencial en la cantidad de q por E

Este trabajo por unidad de carga es la fem (E), y su unidad es el Volt (V).

Podemos notar que el término fuerza electromotriz está mal usado, ya que la fem no es una fuerza, es energía por unidad de carga.

La fem, como diferencia de potencial entre dos puntos de un circuito, se mide mediante un instrumento llamado voltímetro, que debe conectarse de tal modo que una mínima parte de la corriente pase por ellos (conexión en paralelo)

Tipos de fem.

Cada circuito completo con una corriente estacionaria debe incluir algún dispositivo que proporcione una fem, conocido como fuente de fem, baterías, generadores eléctricos, células solares, células de combustible son ejemplos de fuentes de fem.

Todos estos dispositivos convierten energía de alguna forma (mecánica, química, térmica, etc), en energía potencial eléctrica y la transfieren al circuito eléctrico al cual están conectados.

Estas fuentes de fem se pueden clasificar en: fuente de fem ideal y fuente de fem real.

Fuente de fem ideal:

Mantienen constante la diferencia de potencial entre sus bornes (igual E), independiente de la corriente que pase por ella. Sin embargo, esta fuente es en realidad un concepto idealizado como el plano sin fricción y la cuerda sin masa.

Fuente de fem real:

La diferencia de potencial entre sus bornes disminuye con el aumento de la corriente. La razón, es que la carga que se mueve a través del material de cualquier fuente encuentra resistencia, a la que llamamos Resistencia interna de la fuente y la representamos con la letra r.

Representación entre una fem ideal y una real

Ley de OhmCuando aplicamos una diferencia de potencial V a los extremos de un conductor metálico, circula una corriente I por el conductor.

Pero, ¿cuál será la relación entre el voltaje V, la intensidad de corriente I y el material conductor?

Para los metales, el campo eléctrico es proporcional a la densidad de corriente J, es decir:

E/J = p p: es constante

Por otra parte la densidad de corriente eléctrica se definió como: J= I / A

Y la diferencia de potencial entré a y b se definió como: Vab = E L

Ahora igualando los dos campos descritos y realizando un análisis algebraico.

E = Vab / L = pJ

Organizando esta expresión se obtiene lo siguiente:

Vab/ I = p (L/A)

Al lado izquierdo de esta ecuación lo llamamos resistencia eléctrica R:

R= p (L/A)

Finalmente ocupando esta nueva definición se obtiene lo que se conoce como la Ley de Ohm.

V= R I

Se dice que un conductor sigue la ley de Ohm, si la corriente es proporcional a la diferencia de potencial o voltaje aplicado, es decir, que la resistencia R es constante.

Para otros conductores, siendo R variable, el conductor no sigue la Ley de Ohm.

De este modo, la resistencia eléctrica es una medida de la oposición que ejerce un material al flujo de carga a través de él. la unidad de resistencia eléctrica es el volt/ ampere que llamáremos ohm, letra omega del alfabeto griego.

Instrumentos de magnitudes eléctricas y simbología

Instrumentos de medición

Amperímetro: es un instrumento que mide la intensidad de corriente eléctrica y siempre se conecta en serie en el circuito

Voltímetro: es un instrumento que mide la diferencia de potencial entre dos puntos de un circuito eléctrico. Se conecta siempre en paralelo entre los puntos del circuito donde se desea medir la diferencia de potencial.

Multímetro o multitester: es un instrumento de mediciones eléctricas. En un solo aparato se ofrece la posibilidad de medir intensidad de corriente eléctrica, diferencia de potencial y resistencia eléctrica . Sirve además para corriente continúa y corriente alterna

Pilas eléctricas Son generadores químicos de fem, es decir, permiten aprovechar la energía producida por las reacciones químicas de las sustancias que las integran para movilizar electrones en un circuito.

Este fenómeno se denomina efecto voltaico, en honor al físico italiano Alejandro Volta, que fue descubridor e inventor. Fundamentalmente, la pila de Volta se construye con un vaso de vidrio con ácido sulfúrico diluido y dos placas metálicas, una de cobre y otra de zinc.

El líquido constituye el electrólito y las barras, los electrodos de la pila. El cobre es el electrodo o polo positivo y el zinc es el electrodo o polo negativo de la pila. Al poner en contacto los polos, mediante un alambre. Conductor, se establece una corriente continúa en el circuito.

Resistencia eléctrica

Como se vio anteriormente la resistencia eléctrica de un material está dada por:

Y su unidad de medida es el ohm:

La resistividadSe puede definir la resitividad de un material como el coeficiente entre las magnitudes del campo eléctrico y la densidad de corriente:

Cuanto más grande sea la resistividad, mayor será el campo necesario para ocasionar una densidad de corriente, o menor será la densidad de corriente ocasionada por un campo eléctrico dado. La resistividad se mide en el sistema internacional en (ohm m) =. m

p = E /J

El recíproco de la resistividad es la conductividad y su unidad de medida es. / m. Los buenos conductores tienen una conductividad mayor que los dieléctricos.

La resistividad de un material también se ve afectada por la temperatura, la mayoría de la veces la resistividad de un material aumenta con la temperatura.

Ejercicio

1. Una persona quiere conectar su equipo de música a unos parlantes lejanos.

A) si cada alambre debe medir 20 m de largo ¿qué diámetro de alambre de cobre debe utilizar para mantener la resistencia menor que 0,1 ohm por alambre?

B) si la corriente en cada bobina es de 4 A, ¿cuál es la diferencia de potencial, o caída de voltaje, a través de cada alambre?

Dato: resistividad del cobre: 1,72 .10^(-8) ohm m.

Energía y potencia en circuitos eléctricos.Fundamentalmente, los circuitos eléctricos son un medio para transportar energía de un medio a otro. Cuando las partículas cargadas se desplazan dentro de un circuito, se transfiere energía potencial eléctrica desde una fuente a un dispositivo en el que dicha energía se almacena o se convierte en otra forma; por ejemplo, en energía sonora en un aparato de sonido, en calor si se trata de un tostador o en luz si se trata de una ampolleta eléctrica.

Con esto podemos notar se realiza un trabajo sobre las cargas presentes en el circuito debido al campo eléctrico. Entonces se puede expresar este trabajo como el producto de la diferencia de carga Q y la diferencia de voltaje entre los dos puntos.

W= V QLa razón temporal de trasferencia de energía se conoce como Potencia y se representa por P. Y su unidad de medida en S.I. es watt (w=J/s)

W/t = P= V i

Si el elemento del circuito es una resistencia, la diferencia de potencial es V= i R, y la potencia eléctrica proporcionada a la resistencia por el circuito es:

A estas relaciones se les denomina ley de Joule o efecto Joule.

Ejercicio:

1. Un calorímetro contiene 100g de agua. Si durante 5 minutos por su resistencia circula una corriente de 2,5 A ¿cuánto varía la temperatura del agua, si durante ese tiempo un voltímetro conectado al circuito registra un valor de 6V? (Ce agua= 4186 J/kg C)

Resistencias en serie y en paralelo.

La resistencia equivalente de conexión de resistencias en serie, es igual a la suma de sus resistencias individuales.

El recíproco de la resistencia equivalente de conexión de resistencias en paralelos se determina a través de la sumas de los recíprocos de las resistencias parciales.