Definición y áreas de interés Proyecto
Salón Hogar
L a G r a n E n c i c l o p e d
i a I l u s t r a d a d e l P r o y e c t o S a l ó n H o
g a r
Corriente
eléctrica
La Electrodinámica es la parte de la electricidad que estudia
las cargas eléctricas en movimiento a través de los conductores.
El término corriente eléctrica o simplemente
corriente, se emplea para describir la rapidez de flujo de carga
que pasa por alguna región del espacio. El potencial
eléctrico o voltaje es una especie de
“presión eléctrica” capaz de producir flujo de carga, es decir
una corriente dentro de un conductor. Cuando el flujo se lleva a
cabo en una sola dirección es una corriente directa o
continua; cuando el flujo va y viene es una
corriente alterna.
El flujo de carga se ve obstaculizado por la resistencia
que encuentra a su paso. La razón de cambio en la transferencia
de energía de una corriente eléctrica es la potencia
. La mayor parte de las aplicaciones prácticas de la
electricidad tienen que ver con corrientes eléctricas.
Introducción
Flujo de carga eléctrica
Para que exista una corriente eléctrica es necesario que las
cargas eléctricas estén sometidas a un campo eléctrico, de tal
manera que éste origine la fuerza necesaria para que las cargas
adquieran un movimiento definido. La carga fluye cuando hay una
diferencia de potencial entre los extremos de un conductor.
Cuando en los extremos de un conductor de electricidad están a
potenciales eléctricos distintos, se inicia un flujo de carga
que va del extremo de mayor potencial al de menor potencial.
Corriente eléctrica
La corriente eléctrica es el flujo de carga eléctrica. En un
conductor sólido son los electrones los que transportan la carga
por el circuito. Esto se debe a que los electrones pueden
moverse libremente por toda la red atómica. En los fluidos, el
flujo de carga eléctrica puede deberse tanto a los electrones
como a iones positivos y negativos. Hay que advertir que la
carga total de un cable que transporta una corriente es cero.
(El número de electrones del cable es igual al número de
protones de todos los núcleos atómicos).
Una corriente eléctrica se define como el
desplazamiento de cargas eléctricas a lo largo de un conductor.
Si se une mediante un conductor dos cuerpos cargados, los
electrones pasan de un cuerpo a otro, hasta que ambos estén al
mismo potencial eléctrico. Se establece por lo tanto una
corriente transitoria. Para que la corriente sea permanente
entre los dos puntos unidos por un conductor, debe existir una
diferencia de potencial permanente, es decir, un campo
eléctrico. Sólo en este caso, los electrones son impulsados por
una fuerza debida al campo eléctrico, originándose así la
corriente eléctrica.
Para ello se necesita un generador eléctrico, que es una máquina
que transforma energía mecánica en energía eléctrica y, a la vez
un dispositivo que mantiene una diferencia de potencial entre
sus polos. El polo negativo del generador es el de menor
potencial y el polo positivo el de mayor potencial.
Fuentes de voltaje La carga no fluye
a menos que haya una diferencia de potencial. Todo
dispositivo que suministre una diferencia de potencial
se llama fuente de voltaje.
Esos generadores de electricidad como las pilas,
acumuladores, baterías, dínamos, dan origen a una
corriente que circula en un solo sentido, por mantenerse
constante la polaridad de los bornes o polos del
generador. En este caso la corriente se llama continua o
directa y se representa por las inicial (D.C o C.C) o
por un segmento rectilíneo (-) .
Otros generadores de electricidad, como los que producen
corriente por magnetismo, llamados alternadores, dan origen a
corrientes que cambian de sentido muchas veces por segundo,
debido a que la polaridad de los bornes o polos cambia
periódicamente. En este caso la corriente se llama
alterna y se representa por las iniciales CA o por una
sinusoide (˜ ˜)
Cuando entre dos puntos de una región se produce un movimiento
de cargas eléctricas, ya sean positivas o negativas, se dice que
existe una corriente eléctrica. El sentido (convencional) de una
corriente eléctrica es el movimiento de las cargas positivas.
Por tanto, como las cargas positivas se mueven en la dirección
del campo eléctrico, el sentido de una corriente eléctrica es
siempre el del campo eléctrico aplicado o, lo que es igual, el
sentido de la corriente va siempre del punto de potencial
eléctrico más alto al de potencial eléctrico más bajo.
Intensidad de corriente
La corriente eléctrica es el flujo de cargas negativas que
atraviesan un conductor, de manera que el mismo número de cargas
que entran por uno de sus extremos sale por el otro. La
intensidad de una corriente eléctrica, o simplemente la
corriente es la cantidad de electricidad que atraviesa la
sección del conductor en la unidad de tiempo. Se representa por
I y es una magnitud escalar. Si por
un conductor ha circulado una carga q
durante un tiempo t, la intensidad
de la corriente es:
En el sistema internacional se emplea como unidad de intensidad
el amperio (A), que es el paso a través de un conductor
eléctrico de un Coulomb de carga eléctrica en un segundo:
Se denomina amperio en honor al científico francés Andre
Marie Ampère(1775-1836)
Suelen emplearse también el miliamperio (mA)
y el microamperio (mA)equivalente
respectivamente:
mA = 10-3 A
mA = 10-6A
Resistencia de un conductor
El concepto de resistencia eléctrica nace de la existencia de
materiales conductores y materiales aislantes y del hecho de que
no todos los materiales conducen con igual facilidad la
corriente eléctrica. Es decir, unos ofrecen más resistencia a su
paso que otros.
Cuando entre los extremos de un conductor se establece una
diferencia de potencial V, aparece
a través del mismo una corriente cuya intensidad
I depende de las dimensiones del
conductor, así como del material que lo constituye.
Si se modifica la diferencia de potencial, la
intensidad varía también, pero de forma que ambas magnitudes
permanecen directamente proporcionales, es decir, el cociente
V / I
se mantiene constante. Al representar V
en función de I en un sistema de
ejes rectangulares, se obtiene como gráfico una recta que pasa
por el origen de las coordenadas. Se concluye del gráfico que la
diferencia de potencial V aplicada
a los extremos del conductor es directamente proporcional a la
intensidad I de la corriente.
Es decir: VaI. Cuando una magnitud es
directamente proporcional a otra, la primera es igual a la
segunda multiplicada por una constante. En el caso estudiado la
constante se designa por R y se
llama resistencia del conductor. Lo anterior se expresa
matemáticamente mediante la siguiente ecuación: V = R.I Este resultado fue
descubierto en forma experimental por el físico alemán George
Simón Ohm (1789-1854).
Este hecho que se conoce con el
nombre de ley de Ohm, se enuncia del siguiente modo: “La
razón entre la diferencia de potencial
V aplicada a los extremos
de un conductor y la intensidad I
que, circula por él es una cantidad constante denominada
resistencia del conductor.” La resistencia de un
conductor se representa por R.
La unidad de resistencia en el sistema internacional se denomina
ohmio .
Ohmio es la resistencia de un conductor que bajo una diferencia
de potencial de un voltio permite el paso de un amperio.
Se representa por
.
Despejando I
en la ley de Ohm, se obtiene:
Lo cual permite otro enunciado de la mencionada ley: La
intensidad que circula por un conductor es directamente
proporcional a la diferencia de potencial existente entre sus
extremos, e inversamente proporcional a la resistencia del
mismo.
Factores de resistencia Experimentalmente puede comprobarse que la resistencia
de un conductor homogéneo y de sección constante a una
temperatura determinada es:
-Directamente proporcional a la longitud del conductor.
-Inversamente proporcional al área de su sección transversal
-Depende de la naturaleza del conductor
Estas conclusiones de carácter experimental se
denomina leyes de Pouillet y quedan resumidas
en la siguiente ecuación:
Siendo longitud del conductor (l),
la superficie de su sección transversal (S)
y el material de que está compuesto el conductor (p).
En términos generales, la resistencia de un conductor es
directamente proporcional a su longitud e inversamente
proporcional a su superficie siendo p
la constante de proporcionalidad que se llama
resistividad del conductor.
Se define la resistividad como
la resistencia de un conductor que tiene un metro
cuadrado de superficie y un metro de longitud. La
unidad de resistividad es el ohmio.metro (
.m)
Fuerza
electromotriz y potencia eléctrica
Considere un circuito que se compone de los siguientes
elementos:
G:
Generador de corriente continua
Re:
Resistencia del circuito externo.
La resistencia del conductor o conductores que van
conectados a los polos del generador
Ri:
Resistencia del circuito interno.
La resistencia del conductor o conductores que dan paso
a la corriente dentro del generador.
Si V es la diferencia de potencial
entre los extremos del generador, el trabajo o energía eléctrica
necesaria para desplazar una carga q
a través del circuito externo es: We
= q.V.
Si la carga q se desplaza en un
tiempo t y la intensidad de la
corriente es I, se tiene que
q = I.t y V=I.Re
Por consiguiente:
We
= I2 .Re
.t
Como la carga q no se acumula ni
se disipa en ninguna parte del circuito, en el tiempo
t considerado se habrá desplazado a
través del circuito interno una carga q
igual a la que se desplaza en el circuito externo.
En consecuencia, el trabajo o energía eléctrica para
desplazar la carga q en el circuito
interno es: Wi
= I2 .Re
.t El trabajo o energía eléctrica
total que proporciona el generador para desplazar la carga
q a través de todo circuito es:
W = We + Wi
O sea: Wi
= I2 .t (Re
+ Ri)
La fuerza electromotriz de un generador de corriente
continua (pila, batería, acumulador, dinamo, etc) es una
magnitud que se mide por el trabajo o energía que debe
suministrar el generador para transportar una unidad de
carga eléctrica a través de todo el circuito.
Al designar e a la fuerza
electromotriz, se tiene:
e = I. (Re
+ Ri).
La fuerza electromotriz se mide en las mismas unidades en que se
mide la diferencia de potencial.
Pero I es la intensidad
de la corriente en todo el circuito:
En consecuencia:
; Si la resistencia externa Re
es muy grande, es decir si
Rea,
V = e
Potencia eléctrica. Considere un circuito por el cual circula una corriente
de intensidad I. Si en un intervalo
de tiempo t entra por A una
cantidad de carga q = I.t, como
ésta no se acumula ni se disipa en ninguna parte del circuito,
se tendrá que por B sale la misma cantidad de carga en igual
tiempo. Por consiguiente, ha habido un transporte de carga q
desde el punto A , donde el potencial es VA
hasta el punto B donde el potencial es VB
. Se designa la diferencia de potencial VA
- VB
por V, la energía que suministra el
Generador por el transporte de la carga q
es:
W = q.V = I.t.V
La potencia eléctrica de un generador es una magnitud que se
mide por el trabajo o energía eléctrica que suministra el
generador por unidad de tiempo. Designando la potencia por
p se tiene:
O sea: P = V.I
La unidad S.I de potencia eléctrica se llama Watio (W).
En consecuencia:
1 Watio = (1
voltio).( 1amperio)
Cuando entre A y B se encuentra una resistencia óhmica
R toda la energía suministrada por
el generador se transforma en calor, pues las cargas eléctrica
(electrones) en su movimiento, chocan con los átomos o moléculas
de la red cristalina metálica, aumentando su estado de agitación
y elevando la temperatura del conjunto. Para el caso de una
resistencia óhmica se tiene que V = I.R
y la ecuación P = V.I puede
escribirse: P =
I2.
R Otra ecuación para la potencia es:
Efecto
calórico de la corriente eléctrica
Cuando una corriente eléctrica pasa a través de un conductor
metálico, éste se calienta y desprende calor pudiendo llegar a
la Incandescencia e incluso a la fusión si la intensidad de la
corriente es suficientemente elevada. Este fenómeno recibe el
nombre de efecto calórico o efecto joule en honor al físico
inglés que determinó sus leyes.
Si entre los puntos A y B está conectado un conductor metálico
(resistencia óhmica ) y la energía W
suministrada por el generador se transforma en una
cantidad de calor Q en dicha
resistencia, se tiene que la potencia eléctrica
P suministrada por el generador es:
Pero en un conductor metálico: P
= I2.
R. Comparando las anteriores ecuaciones
se tiene :
De donde:
Q = I2.
R.t
Si en el segundo miembro de la ecuación se expresa
I en Amperios,
R en Ohmios y
t en segundos, se tendrá que Q
viene expresado en Joules (unidades de trabajo). Para obtener la
expresión matemática de la ley de joule es necesario conocer
que, al transformarse el trabajo en calor, cada julio de lugar a
0,24 calorías:
a =
0,24 cal/joules.
Se tiene así:
Q = a.I2.R.tQ = aP.t
Esta ecuación se conoce con el nombre de ley de joule , la cual
expresa que la cantidad de calor que desprende un conductor
metálico por el paso de la corriente eléctrica es:
Directamente proporcional al cuadrado
de la intensidad de la corriente
Directamente proporcional a la
resistencia del conductor
Directamente proporcional al tiempo
durante el cual pasa la corriente
Ley de joule: La energía absorbida por un conductor
al ser recorrido por una corriente eléctrica se transforma
íntegramente en calor.
Las aplicaciones del efecto Joule: Calefacción,
lámparas de incandescencia, fusibles, Arco eléctrico.
Medida de
la energía eléctrica Para medir la energía eléctrica consumida en una casa,
fábrica, etc , se utiliza
la ecuación
De donde
W = P.t
Las Compañías que suministran electricidad toman como unidad
de potencia el Kilowatio (kW) y como unidad de tiempo la hora
(h). En consecuencia, si se tiene P
= 1 kW y t = 1hora, se obtiene la
unidad de energía llamada Kilowatio-hora (kWh).
.
; Si la resistencia externa 
