Nivel: Cuarto Año Medio 2011. ELECTRODINÁMICA. Primera Parte.

Internado Nacional
“BARROS ARANA”
Depto. de Física.
Nivel: Cuarto Año Medio 2011.
ELECTRODINÁMICA.
Primera Parte.
Corriente Eléctrica.
Consideremos un alambre o un conductor metálico en el cual se establece un

campo eléctrico E . Este campo eléctrico se puede establecer, uniendo los extremos
del conductor a los polos o terminales de una pila o una batería. Sabemos que en el
alambre existe un gran número de electrones libres, tales electrones quedarán sujetos
a la acción de una fuerza eléctrica debido al campo, y puesto que son libres, entrarán
inmediatamente en movimiento. Como los electrones poseen carga negativa, su
desplazamiento tendrá sentido contrario al campo eléctrico Por tanto, el establecer un
campo eléctrico en un conductor metálico, produce un flujo de electrones en dicho
conductor, fenómeno que se denomina corriente eléctrica.
En los conductores líquidos también se puede provocar una corriente eléctrica.
Al establecer un campo eléctrico en la solución comienzan a desplazarse los iones
positivos y iones negativos en sentidos contrarios. Por tanto, la corriente eléctrica en
un conductor líquido está constituida por el movimiento de iones.
En los gases es posible establecer una corriente eléctrica, como sucede en las
lámparas de vapor de mercurio o cuando una chispa salta de un cuerpo a otro a través
del aire. En estos casos la corriente está constituida por el movimiento de iones
positivos, iones negativos y también de electrones libres.
Corriente eléctrica convencional.
Supongamos una carga negativa que se desplaza con cierta velocidad y está
dirigida, por ejemplo, hacia la izquierda. Se observa que este movimiento equivale al
de una carga positiva de igual valor, que se desplaza con la misma rapidez pero en
sentido contrario. Este supuesto permite establecer la convención siguiente:”una carga
negativa en movimiento siempre se deberá imaginar como una carga positiva que se
mueve en sentido contrario”.( es decir, la corriente real son electrones en movimiento y
la convencional supone cargas positivas en movimiento).

E

E
Corriente
real
Corriente
convencional
1
Intensidad de corriente.
La intensidad de corriente eléctrica ( i ) es la medida de la carga ( Q ) que
pasa, por unidad de tiempo ( t ) a través de una sección transversal del conductor.
Es decir:
i
Q
t
Observe que cuanto mayor sea la cantidad de carga que pasa a través
de la sección durante un tiempo determinado, tanto mayor será la intensidad de la
corriente en dicha sección.
La unidad de la intensidad de corriente en el sistema internacional será el
coulomb por segundo (
1A 
C
). Esta unidad se denomina ampere (símbolo A)
s
C
Por tanto, si en la sección de un conductor existe una corriente de 1 A , ello
s
significa que por dicha sección está circulando una carga de 1C en cada lapso de 1 s.
Efectos de la corriente eléctrica.
El paso de la corriente eléctrica a través de los conductores tiene diferentes
efectos dependiendo de la naturaleza de los conductores y de la intensidad de la
corriente.
a) Efecto fisiológico: Se produce al pasar corriente por organismos vivos. Dicha
corriente actúa directamente sobre el sistema nervioso provocando contracciones
nerviosas. Cuando esto ocurre se habla de un shock eléctrico.
b) Efecto térmico-lumínico: También conocido como efecto Joule. Es causado por
los choques de los electrones libres contra los átomos de los conductores. Producto de
estos choques los átomos incrementan su energía de vibración y el material se
calienta.
c) Efecto Químico: Se manifiesta al producirse reacciones químicas, las que ocurren
cuando la corriente eléctrica atraviesa las soluciones electrolíticas. Se utiliza en la
galvanoplastia.
d) Efecto magnético: Se manifiesta a través de la generación de campos magnéticos
que aparecen en las cercanías de un conductor por el cual circula una corriente
eléctrica. Este efecto es el más importante desde el punto de vista de la tecnología.
Corriente continua (CC) y corriente alterna (CA).
Se denomina corriente continua (CC), cuando las cargas se desplazan
continuamente en un mismo sentido en el conductor. La corriente continua es
proporcionada por las pilas, baterías o acumuladores de automóviles. El campo
eléctrico aplicado permanece constante.
Pero la corriente eléctrica que suministran las empresas públicas de
electricidad en casi todas las ciudades del mundo, no es corriente continua. El campo
eléctrico establecido cambia periódicamente de sentido. Por consiguiente, las cargas
eléctricas en el conductor oscilarán, desplazándose unas veces en un sentido y otras
en sentido contrario. Entonces la corriente eléctrica que circula cambia periódicamente
de sentido, por lo cual se denomina corriente alterna (CA)
2
Resistencia eléctrica (R).
Suponga un conductor sólido AB conectado a una batería. Sabemos que la
batería establece una diferencia de potencial VAB en los extremos de este conductor, y
por consiguiente una corriente de intensidad i pasará a través de él.
Las cargas móviles que constituyen la corriente eléctrica, aceleradas por el
voltaje VAB, realizarán choques contra los átomos o moléculas del conductor, por lo
cual habrá una oposición que éste ofrecerá al paso de la corriente eléctrica a través de
él. Esta oposición podrá ser mayor o menor, dependiendo de la naturaleza del
conductor conectado entre A y B. Obviamente en el conductor será mayor o menor, la
corriente i dependiendo de dicha oposición.
Para caracterizar el impedimento que un conductor ofrece al paso de la
corriente a través de él, se define una magnitud denominada Resistencia Eléctrica (R)
del conductor, de la manera siguiente:
V AB
La unidad en el sistema internacional será volt/ampere. Esta unidad se
i
denomina OHM y se representa por la letra griega omega mayúscula (  )
R
Es decir:
1 
V
i
En los diagramas de circuitos eléctricos, un elemento que posee resistencia se
denomina resistor y se representa por el símbolo de línea quebrada
Si un
tramo de circuito posee una resistencia muy pequeña (despreciable), tal tramo se
representa en los diagramas de circuito mediante una línea delgada continua.
Considere el siguiente circuito:
A
D
R
i
B
C
Designemos por i la corriente que pasa por el circuito. Recordando la definición de
resistencia
eléctrica, podemos escribir para el tramo AB del circuito, la relación
siguiente V AB  R ABi
o VA  VB  RABi Como sabemos RAB  0 , tendremos que
VA  VB , entonces, dos puntos situados sobre un tramo de resistencia despreciable
poseen el mismo potencial.
Es claro que al pasar de B hacia C, habrá una reducción o “caída” en el
potencial, pues la resistencia R del tramo BC no es despreciable. La diferencia de
potencial entre B y C está dada por VB  VC  Ri . De modo que VB  VC , es decir, el
potencial disminuye a lo largo de la resistencia, desde el valor VB hasta el valor VC
De la misma manera que el tramo AB, en el tramo CD no habrá variación del
potencial porque la resistencia de dicho tramo es cero.
3
Con base al análisis anterior, es fácil concluir que la gráfica de la variación de
potencial V, a lo largo del circuito desde A hasta D, tiene el siguiente aspecto:
V
A
B
C
D
Resistividad de un material.
La experiencia nos muestra que si consideramos un conductor, el valor de su
resistencia R dependerá de sus características geométricas de longitud y del área de
la sección transversal. Al realizar mediciones cuidadosas se observa que la resistencia
del conductor es directamente proporcional a su longitud ( R L ) y que la resistencia
es inversamente proporcional al área transversal o sección ( R
1
) Por tanto, cuanto
A
más grueso sea el conductor tanto menor será su resistencia. Podemos escribir
entonces que R
L
A
Si introducimos una constante de proporcionalidad apropiada, podemos transformar la
relación anterior en una igualdad. Esta constante, que se representa por la letra griega
 , se denomina resistividad eléctrica y corresponde a una propiedad característica
del material que constituye el conductor, por lo tanto podemos expresar: R  
L
.
A
Tabla de resistividad eléctrica a la temperatura ambiente.
MATERIAL
 (ohm.m etro)
Aluminio
2.6 x 10-8
Cobre
1,7 x 10-8
Níquel-cromo
100 x 10-8
Plomo
22 x 10-8
Fierro
10 x 10-8
Mercurio
94 x 10-8
Plata
1,5 x 10-8
tungsteno
5,5 x 10-8
Ley de Ohm.
 Qué es un conductor óhmico
George Simon Ohm, en siglo pasado, realizó varios experimentos midiendo los
voltajes (y las corrientes respectivas) que se aplicaban a diversos conductores hechos
de diferentes sustancias. Entonces halló que para muchos materiales, principalmente
los metales, la relación entre la tensión o potencial y la corriente se mantenía
constante, es decir,
4
(V AB ) (V AB ) (V AB ) V AB
=


 Constante
i3
i
i1
i2
V
Pero el valor AB representa el valor de la resistencia R Por tanto, Ohm concluyó
i
que para tales condiciones la R permanecía constante. Este resultado se conoce
como La Ley de Ohm y puede sintetizarse de la manera siguiente: “Para un gran
número de conductores, (principalmente los metales), el valor de la resistencia
permanece constante y no depende de la tensión aplicada al conductor.
Comentarios:
1. Los conductores que cumplen con esta Ley reciben el nombre de conductores
óhmicos. Pero debemos recordar que existen materiales que no obedecen la
Ley de Ohm, es decir, al variar el voltaje que se aplica a un conductor
determinado, se modifica el valor de la resistencia de dicho conductor, pues
cambia su resistividad.
2. Es claro que la expresión V AB  Ri es válida, independientemente de que el
conductor obedezca o no la Ley de Ohm. Naturalmente si el conductor es
óhmico, el valor de R es esta expresión siempre será el mismo, en tanto que en
el caso de un conductor no óhmico, el valor de R variará según el voltaje
aplicado.

La gráfica voltaje versus intensidad de corriente.
VAB
VAB
i
i
(a)
(b)
Para los conductores óhmicos , el valor de la R permanece constante. Por tanto si
construimos el gráfico Voltaje versus corriente, obtendremos una reccta ascendente
que pasa por el origen, es decir la relación entre el voltaje y la corriente es
directamente proporcional. Es fácil observar que la pendiente o inclinación de esta
recta representa el valor de la resistencia eléctrica.
Si el conductor no obedece la Ley de Ohm, la gráfica Voltaje versus corriente
no será una línea recta y puede presentar diferentes aspectos, dependiendo de la
naturaleza del conductor.
El gráfico (a) representa a un conductor óhmico y la gráfica (b) presenta dos
formas posibles de un conductor no óhmico.
Cuestionario y ejercicios:
1.
2.
3.
4.
¿Qué se entiende por corriente eléctrica?
¿Por qué no puede existir una corriente eléctrica en un material aislante?.
¿De qué formas puede proporcionarse una campo eléctrico a un conductor?.
¿Cuál es la diferencia entre una corriente real y una corriente convencional?.
5

5. Un campo eléctrico E que apunta hacia la izquierda, se aplica a un conductor.
¿Cuál será el sentido de la corriente de electrones en el conductor, ¿cuál será
el sentido de la corriente convencional en dicho conductor?.
6. ¿Cuál es la diferencia entre una corriente circulando en un conductor sólido y
en un conductor líquido ¿Cuál transporta materia?
7. Suponga que fuera posible contar el número de electrones que pasan a través
de la sección de un conductor en el cual se estableció una corriente eléctrica.
Si durante ese intervalo de tiempo t  10 s pasan 2.0 x 1020 electrones por
esa sección, determine
a) La cantidad de carga Q en Coulomb, que corresponde a este número de
electrones.
b) La intensidad de corriente en amperes que pasa por una sección del conductor.
8. ¿Cuáles son los efectos de la corriente eléctrica?
9. ¿Qué tipo de corriente entrega una piula y una batería?.
10. ¿Qué tipo de corriente entrega la Compañía de electricidad en los hogares?.
11. ¿Cuál tipo de corriente se usa generalmente para bajos voltajes?.
12. Cuando un foco dado se conecta a una batería que le aplica un voltaje
VAB  6volt , se observa que su filamento es recorrido por una corriente de 2 A.
a) ¿cuál es la resistencia de este filamento?.
b) Si este foco luminoso se conectara a una pila que le diese un voltaje de 1,5 volt
¿Qué intensidad de corriente pasaría por su filamento?.
c) Cuando este foco se conecta a otra fuente, por su filamento pasa una corriente
de 1,5 A ¿qué voltaje es aplicado ahora al foco?
13. Observe el circuito que se muestra en la figura de este ejercicio. Recordando la
convención para representar resistencias eléctricas, responda:
F
A
B
C
E
D
a) ¿Cuáles son los tramos del circuito que tienen resistencia despreciable?
b) ¿En qué tramos la resistencia no puede ser despreciable
c) ¿Cuáles son los valores de las tensiones V AB , VCD , V EF
14. En el circuito del ejercicio anterior, suponga que la corriente que pasa por la
sección A es de 0,30ª, y que los resistores BC y DE tienen resistencias
RBC 15 y RDE  25
a) ¿Cuál es la intensidad de corriente que pasa por el resistor BC? ¿y por el
resistor DE?.
b) Determine el valor de los voltajes BC y DE.
c) ¿Cuáles son los valores de las diferencias de potencial AD y AF?.
15. Una batería aplica un voltaje constante a un conductor de cobre, y establece en
el mismo una corriente de 2.0 A. Este conductor se sustituye por otro, también
de cobre e igual longitud, pero con un diámetro dos veces mayor que el
primero.
6
a) ¿La resistencia del segundo alambrees mayor o menor que la del primero?
¿cuántas veces?.
b) ¿Cuál es la intensidad de la corriente que pasará por el segundo conductor?.
16. Consulte la Tabla de resistividad y responda.
a) Considerando el cobre y el tungsteno ¿cuál de ellos es mejor conductor de la
electricidad?.
b) Suponga que el único criterio para escoger un material a emplear en la
fabricación de alambres de conexión sea el hecho de ser buen conductor. En
este caso ¿cuál sería el material de los conductores eléctricos que tendríamos
en nuestras casas?.
17. La figura de este ejercicio muestra el diagrama Voltaje versus corriente para
cierto resistor.
VAB
a) ¿Es óhmico este elemento?
b) ¿Cuál es el valor de su resistencia cuando
está sometido a un voltaje de 20 volt.?
20 V
i (A)
0.50
18. Considerando el elemento del ejercicio anterior, responda:
a) Al duplicar el voltaje aplicado ¿Qué sucede con el valor de la corriente que
pasa por el resistor?.
b) Al duplicar el voltaje que se le aplica ¿qué sucede con el valor de su
resistencia?.
19. Para un resistor dado se obtuvo el gráfico voltaje versus corriente que se
muestra en la figura.
V
a) ¿Es óhmico este resistor?.
15 v
b) ¿Cuál es el valor de su resistencia cuando
10 v
está sometido a una tensión de 10 Volts?.
c) ¿Y cuál es el valor de su resistencia cuando
el voltaje es de 15 volts?.
0.10
0.20
Para tu autoevaluación, en el próximo envío se anexarán las respuestas al
cuestionario.
7
i (A)