Corriente eléctrica Tabla de contenido Introducción Concepto de fuente de corriente eléctrica

Corriente eléctrica
Tabla de contenido
• Introducción
• Concepto de fuente de corriente eléctrica
• Fuentes de corriente eléctrica
• Intensidad de corriente eléctrica
• Corriente continua y alterna
• Conductividad eléctrica
• Amperímetro y Voltímetro
• Ley de Ohm
• Factores de los cuales depende la resistencia eléctrica de un conductor
• Dependencia entre la resistencia y la temperatura
• Conclusión
• Bibliografía
Introducción
En las siguientes páginas se explican las fuentes de corriente eléctrica, su intensidad, los tipos de corriente,
continua y alterna, y la conductividad eléctrica. Luego se explica brevemente los aparatos de medición
amperímetro y voltímetro, seguidamente la Ley de Ohm para luego continuar con lo factores de los cuales
depende la resistencia eléctrica de un conductor y para finalizar se expresa en forma conceptual la
dependencia entre la resistencia y la temperatura.
El término corriente eléctrica, o simplemente corriente, se emplea para describir la tasa de flujo de carga que
pasa por alguna región de espacio. La mayor parte de las aplicaciones prácticas de la electricidad tienen que
ver con corrientes eléctricas. Por ejemplo, la batería de una luz de destellos suministra corriente al filamento
de la bombilla cuando el interruptor se conecta. Una gran variedad de aparatos domésticos funcionan con
corriente alterna. En estas situaciones comunes, el flujo de carga fluye por un conductor, por ejemplo, un
alambre de cobre. Es posible también que existan corrientes fuera de un conductor. Por ejemplo, una haz de
electrones en el tubo de imagen de una TV constituye una corriente.
Corriente eléctrica
Siempre que se mueven cargas eléctricas de igual signo se establece una corriente eléctrica. Para definir la
corriente de manera más precisa, suponga que las cargas se mueven perpendiculares a una superficie de área
A, como en la figura 27.1. (Esta sería el área de la sección transversal de un alambre, por ejemplo.) La
corriente es la tasa a la cual fluye la carga por esta superficie. Si Q es la cantidad de carga que pasa por esta
rea en un intervalo de tiempo t, la corriente promedio, Ipro, es igual a la carga que pasa por A por unidad
de tiempo:
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Fig. 27.1 Cargas en movimiento a través de un área A. La tasa de flujo de carga en el tiempo a través del área
se define como la corriente I. la dirección de a la cual la carga positiva fluiría si tuviera libertad de hacerlo.
Si la tasa a la cual fluye la carga varía en el tiempo, la corriente también varía en el tiempo, y definimos a la
corriente instantánea I como el límite diferencial de la ecuación:
La unidad de corriente del Sistema Internacional es el ampere (A).
Esto significa que 1ª de corriente es equivalente a 1C de carga que pasa por el área de la superficie en 1s.
Fig. 27.2. Una sección de una conductor uniforme de área de sección transversal A. los portadores de carga se
mueven con una velocidad vd y la distancia que recorren en un tiempo t esta dada por x = vdt. El número
de portadores de cargas móviles en la sección de longitud x está dado por nAvdt , donde n es el nmero de
portadores de carga móviles por unidad de volumen.
Las cargas que pasan por la superficie en la figura 27.1 pueden ser positivas negativas o de ambos signos. Es
una convención dar a la corriente la misma dirección que la del flujo de carga positiva. En un conductor como
el cobre la corriente se debe al movimiento de electrones cargados negativamente. Por lo tanto, cuando
hablamos de corriente en un conductor ordinario, como un alambre de cobre, la dirección de la corriente es
opuesta a la dirección del flujo de los electrones. Por otra parte, si se considera un haz de protones cargados
positivamente en un acelerador, la corriente está en la dirección del movimiento de los protones. En algunos
casos gases y electrolitos, por ejemplo la corriente es el resultado del flujo tanto de cargas positivas como
negativas. Es común referirse a una carga en movimiento (ya sea positiva o negativa) como un portador de
carga móvil. Por ejemplo, los portadores de carga en un metal son los electrones.
Es útil relacionar la corriente con el movimiento de partículas cargadas. Pan ilustrar este punto, considere la
corriente en un conductor de área de sección transversal A (figura 27.2). El volumen de un elemento del
conductor de longitud x (la regin sombreada en la figura 27.2) es A x. Si n representa el nmero de
portadores de carga móvil por unidad de volumen, entonces el número de portadores de carga móvil en el
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elemento de volumen es nA Por lo tanto, la carga Q en este elemento es
Q= Nmero de cargas x carga por partícula = (nA x)q
Donde q es la carga en cada partícula. Si los portadores de cargas se mueven con una velocidad vd la distancia
que se mueven en un tiempo t es x = vdt. En consecuencia, podemos escribir q en la forma
Q = (nAvdt)q
Si dividimos ambos lados de la ecuación por t, vemos que la corriente en el conductor está dada por
Fuentes de corriente eléctrica
La energía eléctrica apenas existe libre en la Naturaleza de manera aprovechable. El ejemplo más relevante y
habitual de esta manifestación son las tormentas eléctricas. La electricidad tampoco tiene una utilidad
biológica directa para el ser humano, salvo en aplicaciones muy singulares, como pudiera ser el uso de
corrientes en medicina, resultando en cambio normalmente desagradable e incluso peligrosa, según las
circunstancias. Sin embargo es una de las más utilizadas, una vez aplicada a procesos y aparatos de la más
diversa naturaleza, debido fundamentalmente a su limpieza y a la facilidad con la que se la genera, transporta
y convierte en otras formas de energía. Para contrarrestar todas estas virtudes hay que reseñar la dificultad que
presenta su almacenamiento directo en los aparatos llamados acumuladores.
La generación se lleva a cabo mediante técnicas muy diferentes. Las que suministran las mayores cantidades y
potencias de electricidad aprovechan un movimiento rotatorio para generar corriente continua en una dinamo
o corriente alterna en un alternador. El movimiento rotatorio resulta a su vez de una fuente de energía
mecánica directa, como puede ser la corriente de un salto de agua o la producida por el viento, o de un ciclo
termodinámico. En este último caso se calienta un fluido, al que se hace recorrer un circuito en el que mueve
un motor o una turbina. El calor de este proceso se obtiene mediante la quema de combustibles fósiles,
reacciones nucleares y otros procesos.
La generación de energía eléctrica es una actividad humana básica, ya que está directamente relacionada con
los requerimientos actuales del hombre. Todas la formas de utilización de las fuentes de energía, tanto las más
habituales como las denominadas alternativas o no convencionales, agreden en mayor o menor medida el
ambiente, siendo de todos modos la energía eléctrica una de las que causan menor impacto.
Las Fuentes de Corriente Eléctrica
• Un generador químico: es considerado una pila en la cual la diferencia de potencial entre los polos es
mantenida gracias a las reacciones químicas internas que son capaces de liberar energía que mantiene
la diferencia de potencia.
• Los Generadores Magnéticos: se basan en el hecho que cuando varia un campo magnético se produce
un campo eléctrico y como consecuencia una corriente. Estos efectos fueron descubiertos por Michael
Faraday y Joseph Henry, quienes observaron que la variar la magnitud de un campo magnético en una
región cercana al conductor, aparece un campo eléctrico.
• El Par Termoeléctrico: es un generador capaz de transformar calor en energía eléctrica. Un uso
importante de este generador esta dada en medidas y regulación de la temperatura.
• El Efecto Fotoeléctrico: es el fenómeno que ocurre cuando un rayo de luz incide sobre la superficie de
un metal alcalino y éste es capaz de emitir electrones. Un dispositivo basado en este hecho es llamada
célula fotoeléctrica, capaz de transformar energía radiante en energía eléctrica. Ella constituye el
fundamento básico de los instrumentos o mecanismos regulados por la luz, tales como la televisión, el
cien y el abrir y cerrar las puertas eléctricas.
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• El Efecto Piezoeléctrico: es el fenómeno que ocurre cuando hay aparición de cargas positivas y
negativas al comprimir y dilatar ciertos cristales (cuarzo). Los generadores que son capaces de
funcionar mediante este fenómeno, se caracterizan porque cuando son sometidos a presiones débiles,
originan potenciales pequeños que pueden ser amplificados. Este tipo de generador es usado en
micrófonos, tocadiscos y estabilizadores de frecuencia.
Intensidad de corriente eléctrica:
Una corriente eléctrica consiste en el flujo de partículas cargadas. Ésta definición es aplicable a los
iones de cada solución electrolítica a los de un gas ionizado, o a los electrones de un conductor metálico.
A fin de que se produzca una corriente eléctrica, debe aplicarse un campo eléctrico para mover las
partículas cargadas que se desplazaran en una dirección determinada y realizando un trabajo o energía
potencial eléctrica.
En un conductor metálico los portadores de carga son los electrones (−) por lo que su desplazamiento se
producirá del extremo del conductor de menor potencial hacia el extremo de mayor potencial o en
términos de signos desde el polo negativo hacia el positivo.
En una disolución salina los portadores de carga son iones (átomos o grupos de átomos con carga
eléctrica) tanto positivos como negativos; cuando se somete dicha disolución a una diferencia de
potencial constante como la producida entre los bornes de una pila, se generarán movimientos de carga
de sentidos opuestos; las cargas positivas se desplazaran por la disolución del extremo de mayor
potencial al de menor potencial o lo que es lo mismo, del polo positivo de la pila al polo negativo, y las
negativas en sentido contrario.
Algo semejante sucede en un medio gaseoso ionizado como el que se produce en el interior de un tubo
fluorescente o de neón sometido a una diferencia de potencial intensa.
Si en un tiempo T pasan N partículas, cada una con carga q a través de una sección del conductor, la
carga total Q que ha pasado es: Q= N. q y la intensidad de la corriente es la cantidad de carga eléctrica
(q) que pasa a través de una sección del área (A) de un conductor, por una unidad de tiempo T.
La intensidad de la corriente eléctrica es la cantidad de carga (q) que pasa por una sección del conductor en
una unidad de tiempo (t).
Esta definición puede escribirse en forma de ecuación así:
En donde:
I: es la intensidad de de la corriente.
q: es la carga que pasa por la sección del conductor.
t: es el tiempo que tarda en pasar dicha carga.
Corriente continua
Representación de la tensión en corriente continua.
La corriente continua (c.c.) es el flujo continuo de electricidad a través de un conductor entre dos puntos de
distinto potencial. A diferencia de la corriente alterna (c.a.), en este caso, las cargas eléctricas circulan siempre
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en la misma dirección del punto de mayor potencial al de menor potencial. Aunque comúnmente se identifica
la corriente continua con la corriente constante (por ejemplo la suministrada por una batería), es continua toda
corriente que mantenga siempre la misma polaridad.
Corriente alterna
Se denomina corriente alterna (abreviada CA en castellano y AC en inglés) a la corriente eléctrica en la que
la magnitud y dirección varía cíclicamente, en oposición a la corriente continua, en la que la dirección (esto es
que pasa por cero) siempre permanece constante.
La forma de onda de la corriente alterna más comúnmente utilizada es la de una onda senoidal, con lo que se
consigue una transmisión más eficiente de la energía. Sin embargo, en algunas aplicaciones, se utilizan otras
formas de onda, tales como la triangular o la cuadrada.
Conductividad eléctrica
La conductividad eléctrica es la capacidad de un medio o espacio físico de permitir el paso de la corriente
eléctrica a su través. También es definida como la propiedad natural característica de cada cuerpo que
representa la facilidad con la que los electrones pueden pasar por él. Varía con la temperatura. Es una de las
características más importantes de los electrolitos en solución, ya que representa la capacidad de éstos para
transportar la corriente eléctrica.
La conductividad es la inversa de la resistividad, por tanto
, y su unidad es el S/m (siemens por metro).
• Conductividad en los Gases: en forma general los gases en condiciones ordinarias no son buenos
conductores de la electricidad. Es ésta, la razón por la cual, un electroscopio permanece cargado
durante mucho tiempo cuando se coloca un gas alrededor de su caja. Una vez ionizado el gas, las
laminillas se cierran, porque existe una perdida o ganancia de electrones. De aquí se induce que la
corriente eléctrica en los gases no es mas que el movimiento de iones positivos y negativos, además
de electrones libres.
• Conductividad en las disoluciones: las disoluciones, tales como las bases, las sales y los ácidos, se
dice que son conductores de la electricidad llamándoles electrólitos. Las moléculas de esta sustancia
se disuelven en dos partes electrizadas, una llamadas catines y la otra llamada aniones.
• Conductividad en los metales: mientras en los líquidos y gases los transportadores de cargas son los
átomos o grupos de átomos que han perdido su carga, en los metales no tienen libertad para moverse
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de un lugar a otro. Son los electrones libres los portadores de cargas por lo que podemos decir: la
corriente en los metales esta constituida por los electrones libres en movimiento que se desplazan de
un lugar a otro.
El Amperímetro: La corriente es una de las cantidades más importantes que uno quisiera medir en un
circuito eléctrico. Se conoce como amperímetro al dispositivo que mide corriente. 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.
El voltímetro: El voltímetro es un aparato que mide la diferencia de potencial entre dos puntos. Para efectuar
esta medida se coloca en paralelo entre los puntos cuya diferencia de potencial se desea medir. La diferencia
de potencial se ve afectada por la presencia del voltímetro. Para que este no influya en la medida, debe de
desviar la mínima intensidad posible, por lo que la resistencia interna del aparato debe de ser grande.
Como rV es conocida, la medida de la intensidad I, permite obtener la diferencia de potencial. La resistencia
serie debe de ser grande, para que la intensidad que circule por el voltímetro sea despreciable. Se puede
cambiar de escala sin mas que cambiar la resistencia serie.
Un dispositivo que mide diferencias de potencial recibe el nombre de voltímetro
Resistencia y ley de OHM
Las cargas se mueven en un conductor para producir una corriente bajo la acción de un campo eléctrico dentro
del conductor. Un campo eléctrico puede existir en el conductor en este caso debido a que estamos tratando
con cargas en movimiento, una situación no electrostática.
Considere un conductor de área transversal A que conduce una corriente I. La densidad de corriente J en el
conductor se define como la corriente por unidad de área. Puesto que la corriente I=nqvdA, la densidad de
corriente es:
Donde J tiene unidades del Sistema Internacional A/m2. La expresión es válida sólo si la densidad de
corriente es uniforme y sólo si la superficie del área de la sección transversal A es perpendicular a la dirección
de la corriente. En general, la densidad de corriente es una cantidad vectorial:
A partir de esta definición, vemos otra vez que la densidad de corriente, al igual que la corriente, está en la
dirección del movimiento de los portadores de carga negativa.
Una densidad de corriente J y un campo eléctrico E se establece en un conductor cuando se mantiene una
diferencia de potencial a través del conductor. Si la diferencia de potencia es constante, la corriente también lo
es. Es muy común que la densidad de corriente sea proporcional al campo eléctrico.
(27.7)
Donde la constante de proporcionalidad recibe el nombre de conductividad del conductor. Los materiales
que obedecen la ecuación 27.7 se dice que cumplan la ley de Ohm, en honor de Simon Ohm (1787−1854).
Más específicamente, la ley de Ohm establece que
En muchos materiales (incluidos la mayor parte de los metales), la proporción entre la densidad de corriente y
el campo eléctrico es una constante, , que es independiente del campo eléctrico productor de la corriente.
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Los materiales que obedecen la ley de Ohm y que, en consecuencia, presentan este comportamiento lineal
entre E y J se dice que son óhmicos. El comportamiento eléctrico de la mayor parte de los materiales es
bastante lineal para pequeños cambios
de la corriente. Experimentalmente, sin embargo, se encuentra que no todos los materiales tienen esta
propiedad. Los materiales que no obedecen la ley de Ohm se dice que son no óhmicos. La ley de Ohm no es
una ley fundamental de la naturaleza sino más bien una relación empírica válida sólo para ciertos materiales.
Una forma de la ley de Ohm útil en aplicaciones prácticas puede obtenerse considerando un segmento de un
alambre recto de área de sección transversal A y longitud e, como se ve en la figura 27.4. Una diferencia de
potencial V =Vb Va se mantiene a través del alambre, creando un campo eléctrico en éste y una corriente. Si
el campo eléctrico en el alambre se supone uniforme, la diferencia de potencial se relaciona con el campo
eléctrico por medio de la relación
Por tanto, podemos expresar la magnitud de la densidad de la corriente en el alambre como
Conductor eléctrico
Se dice que un cuerpo es conductor eléctrico cuando puesto en contacto con un cuerpo cargado de
electricidad transmite ésta a todos los puntos de su superficie.
Generalmente es un elemento metálico capaz de conducir la electricidad cuando es sometido a una diferencia
de potencial eléctrico. Para que ello sea efectuado eficientemente, se requiere que posea una baja resistencia
para evitar pérdidas desmedidas por Efecto Joule y caída de tensión.
Para el transporte de la energía eléctrica el metal empleado universalmente es el cobre en forma de cables de
uno o varios hilos. Alternativamente se emplea el aluminio, metal que si bien tiene una conductividad
eléctrica del orden del 60% de la del cobre es, sin embargo, un material mucho más ligero, lo que favorece su
empleo en líneas de transmisión de energía eléctrica
Factores de los cuales depende la resistencia de un conductor:
Desde la época de Ohm hasta nuestros días, se han venido haciendo experimentos con el objeto de conocer la
mayor o menor capacidad de los materiales para conducir electricidad. Los resultados obtenidos a través de
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esos experimentos han conducido a decir que el valor de la resistencia de un conductor depende de la
longitud, el área de la sección y el material del cual esta fabricado.
De acuerdo a todo esto podemos escribir que:
• La resistencia R del conductor es directamente proporcional a la longitud L.
• La resistencia es inversamente proporcional al área A del conductor.
• La resistencia depende del material del conductor a través de una constante que designaremos con la
letra ro (p) y que llamaremos resistividad o resistencia especifica.
R = p. L / A
R: es la resistencia del conductor
P: es la resistividad o resistencia especifica
A: es el área o sección del conductor
Dependencia entre la resistencia y la temperatura:
Sabemos que la resistencia en conductores metálicos es producto de choques de los portadores de cargas con
los obstáculos que encuentran en su camino. Al chocar pierden velocidad y energía pero el campo eléctrico les
hace recuperar esa velocidad. Esa energía del campo, gastada en lograr que los portadores de carga recuperen
su energía hace que el conductor aumente su temperatura.
Si llamamos R1 a la resistencia del conductor a la temperatura T1 r R2 la resistencia de la temperatura T2, se
tendrá que la variación de la resistencia R2 − R1 se debe a la relación de temperatura. Ésta variación de
resistencia, producto de la variación de temperatura es proporcional a la variación inicial, pudiéndose escribir:
R2 − R1 = . R1 (T2 − T1)
Si llamamos "t a la variación de temperatura podemos escribir:
R2 − R1 = . R1"t
Donde:
R2: Resistencia final
R1: Resistencia inicial
: coeficiente de temperatura (ºC−1)
T2: Temperatura final
T1: Temperatura inicial
Tabla de valores de coeficientes de temperatura:
Material
Aluminio
Cobre
Coeficiente (ºC−1)
4 . 10−3
3,9 .10−3
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Plata
Oro
Tungsteno
Platino
Constatán
Hierro
Nicromio
Mercurio
Níquel
Zinc
3,8 .10−3
3,4 .10−3
4,6 . 10−3
3,9 . 10−3
2 . 10−3
6,5 . 10−3
4 . 10−3
8,9 . 10−3
6 . 10−3
3,7 . 10−3
Conclusión
Corriente Eléctrica: es el movimiento ordenado y permanente de las partículas cargadas de un conductor, bajo
la influencia de un campo eléctrico.
Fuentes de Corriente Eléctrica: son dispositivos capaces de transformar las diferentes formas de energía
química, mecánica o térmica, en energía eléctrica necesaria para producir la diferencia de potencial entre dos
puntos.
Bibliografía
• Ely Brett y William Suarez. (2000). Teoría y práctica de física de 2do año de diversificado. Caracas−
Venezuela: Distribuidora Escolar S.A.
• Rita Amelli. (2003). Física 2 ciclo diversificado. Caracas− Venezuela: Salesiana
• Raymond A. Serway. Física Tomo II. Cuarta Edición. McGraw−Hill
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