Corriente eléctrica. 1. Corriente eléctrica: Intensidad y densidad de corriente. 2. Ley de Ohm. Resistencia. Conductividad eléctrica.

Transcripción

1 Corriente eléctric 1. Corriente eléctric: ntensidd y densidd de corriente. 2. Ley de Ohm. Resistenci. Conductividd eléctric. 3. Potenci disipd en un conductor. Ley de Joule. Fuerz electromotriz. BBLOGRAFÍA:. TiplerMosc. "Físic". Cp. 25, vol 2, 5ª ed. SerwyJewett. "Físic". Cp.21. Vol 2. 3ª ed. MGUEL ÁNGEL MONGE BEGOÑA SAVON Deprtmento de Físic 1

2 ntroducción Luigi Glvni ( ) propone l teorí de l electricidd niml. Alejndro Volt ( ): nvent en 1800 l pil de volt, es l primer bterí cpz de producir corriente eléctric. Henry Cvendish reliz los primeros experimentos de conducción eléctric hci 1775, pero no los public. Georg Simon Ohm ( ) descubre l ley de Ohm. Georg Simon Ohm Hermnn Ludwig Ferdinnd Helmholtz ( ) descubre que l primer ley los circuitos eléctricos cumple l ley de l conservción de l energí. Jmes Prescott Joule ( ), descubridor de l equivlenci entre clor y energí, invent l solddur eléctric de rco.

3 Corriente eléctric: ntensidd y densidd de corriente. Se puede imginr un conductor como un esponj mojd. L prte sólid de l esponj l formn los ctiones, y confieren rigidez l sólido. Los electrones libres (en el cso de un metl) son como el líquido que se mueve libremente por el interior de l esponj, y se les denomin portdores de crg, crgs libres o crgs de conducción. Bjo l cción de un cmpo eléctrico, ls crgs libres se moverán. El flujo de crg eléctric por unidd de tiempo trvés de un superficie se denomin corriente eléctric. Medio conductor dq() t dt Unidd: Amperio 1A = 1C/s El sentido de l corriente eléctric coincide con el del cmpo E responsble de l corriente eléctric en cso de que los portdores de crg positivos. Si los portdores de crg son negtivos (como los electrones) l corriente tiene el sentido opuesto l movimiento de ls crgs eléctrics.

4 Corriente eléctric: densidd de corriente. Si en un medio conductor no existe un cmpo eléctrico: E 0 F qe 0 no ctú fuerz sobre los portdores de crg y no se moverán. El conductor está en equilibrio electrostático. Esto no implic que los portdores estén en reposo. Mejor hbrí que decir que no se produce un desplzmiento neto de crg en el conductor. Debido l tempertur, los portdores, electrones libres en los metles, están en un continuo movimiento letorio chocndo con los iones de l red cristlin del mteril de form que no se produce un flujo neto de crg lo lrgo del conductor. = Los e libres en l red se comportn como ls moléculs de un gs chocndo con los átomos de l red cristlin del mteril En equilibrio térmico y electrostático no hy flujo neto de crg trvés de un sección del conductor, y no hy corriente eléctric net. Por tnto: Pr que exist un corriente eléctric net en un conductor debe existir un cmpo eléctrico E en su interior.

5 Corriente eléctric: ntensidd Velocidd de desplzmiento o rrstre (v ) L velocidd de rrstre crcteriz el movimiento de los electrones dentro de un conductor sometido un cmpo eléctrico externo en l dirección en que se produce l corriente eléctric. Es inferior l velocidd de ls crgs en el interior del mteril debido que l moverse vn chocndo con los iones que formn el mteril. L corriente eléctric depende del tipo de portdores de crg, de l velocidd de los portdores, de l crg de los portdores y de por dónde circule l corriente eléctric. Llmremos: n: densidd de portdores de crg q: crg de cd portdor v : velocidd de cd portdor v No hy que confundir l densidd de portdores de crg, n, con l densidd de crg. L densidd de portdores de crg n es el número de crgs libres por unidd de volumen. Sus uniddes en el S.. son: [n]=1/m 3

6 Corriente eléctric: ntensidd Suponer que queremos clculr l crg eléctric que ps por un superficie dd S=A 1. Podemos imginr es superficie como l sección rect de un cble. q S=A 1 t=0 v L crg totl que ps por l superficie S en un tiempo Δt es función de l densidd de portdores n (portdores/m 3 ), l crg de cd uno y l velocidd l que se mueven v : Q qn Sv t Luego l corriente que circul por el cble de sección S es: Q t dq dt nqv d S q S v d=v Δt t=δt

7 Corriente eléctric: ntensidd Si l crg circul por un superficie A 2 cuy norml n no es prlel l velocidd de rrstre de ls crgs portdors, entonces hy que tener en cuent que solo l componente perpendiculr de l velocidd l superficie permite ls crgs psr por dich superficie. Esto hce que l crg totl que ps por se A 2 (que es igul l que circul por A 1 ) se: Como Q dq dt qn A2v t cos( ) S=A 1 A2 n v Q nqva 2 cos( ) nqv t S Es clro que l intensidd de corriente que circul por l sección del cble es igul se cul se l sección considerd. Es lo mismo que l corriente de gu que circul por un mnguer: sle el mismo gu por l boc de l mnguer unque cortemos l mnguer con el ángulo que se.

8 Corriente eléctric: ntensidd Ejemplo: Estime l velocidd de desplzmiento de los electrones libres en un cble de cobre de S= 3 mm 2 cundo ps un corriente de 10 A. Solución en los problems. ntent solucionrlo sin mirr el resultdo

9 Corriente eléctric: ntensidd y densidd de corriente. Densidd de corriente: L densidd de corriente, J, dice cuntos portdores de crg trviesn un superficie por unidd de superficie y tiempo. Es un vector Si l densidd de portdores es constnte y se mueven todos l mism velocidd. En generl: L densidd de corriente, J, nos dice cuntos portdores de crg trviesn un superficie por unidd de superficie y tiempo, y puede vrir de un punto otro del mteril. d nqv d ds nqv J nqv J J nqv ds v n S ds d nqvds JdS v n J ds J cos( ) ds S S v = ángulo que form l norml l superficie con l velocidd de ls crgs portdors.

10 v Corriente eléctric: ntensidd y densidd de corriente. Densidd de corriente y dirección de movimiento de ls crgs L densidd de corriente tiene el sentido del cmpo eléctrico plicdo y no el del movimiento de ls crgs portdors. Este resultdo se observ clrmente en el esquem siguiente. E v J n( q)( v ) nqv J nqv d J nqv J J nqv dt v v

11 Ley de Ohm: resistividd y resistenci eléctrics Siempre que hy un corriente eléctric debe existir un cmpo eléctrico E que mnteng l corriente. El cmpo E está dirigido de ls regiones de myor potencil ls de menor potencil: V Resistenci eléctric: Es un medid de l oposición que ejerce un mteril en un conductor concreto l flujo de crg trvés de él. Se define como: R V b V V b E dl Unidd: Ohmio 1=1V/A b E dl EL V R Ley de Ohm (simplificd)

12 Ley de Ohm: resistividd y resistenci eléctrics J E =conductividd 1 Ley de Ohm: estblece l relción entre el cmpo eléctrico en el interior de un mteril y l densidd de corriente producid por ese cmpo eléctrico. L relción entre l diferenci de potencil plicd y l corriente eléctric es l resistenci eléctric totl R: b b J V V E d d En generl se define l resistenci pr un conductor: b resistividd se mide en.m R b d A Si el conductor es de sección constnte, homogéneo e isótropo: R A Donde l es l longitud y A l sección rect.

13 Ley de Ohm: resistividd y resistenci eléctrics Resistenci eléctric 20ºC: Algunos ejemplos de resistividd eléctric L resistividd depende de l tempertur según el coeficiente. En primer proximción es dependenci es linel. ( T) (1 T) o Como se observ en l tbl, l vrición de l resistividd es enorme entre un conductor y un islnte. 0 (m) Coeficiente de tempertur (K 1 ) Plt 1, , Cobre 1, , Oro 2, , Aluminio 2, , Wolfrmio 5, , Níquel 6, , Hierro 9, Pltino 10, , Plomo 20, , Silicio , Germnio 0,46 4, Vidrio Curzo 7, Azufre Mder Dimnte 10 11

14 Ley de Ohm: resistividd y resistenci eléctrics Según su comportmiento l plicr un corriente, los mteriles se clsificn. V V Mteriles óhmicos Mteriles no óhmicos L resistenci no depende de l cíd de potencil ni de l intensidd (R es l pendiente de l curv V). L resistenci depende de l corriente de form no linel (R es l pendiente de l curv V).

15 Ley de Ohm: resistividd y resistenci eléctrics Se llm resistenci equivlente de un circuito o socición de resistencis, R eq, l vlor de l resistenci únic que hbrí que poner pr que l resistenci totl fuese l mism. Los csos más sencillos de socición de resistencis son resistencis en serie y en prlelo. Asocición de resistencis en serie: En este cso l corriente que circul por tods ls resistencis es l mism. R 1 R 2 A B C V AC = V AB V BC R eq n 1 R i

16 Ley de Ohm: resistividd y resistenci eléctrics Asocición de resistencis en prlelo: En este cso tods ls resistencis están sometids l mism cíd de potencil. R 1 1 A B = 1 2 R 2 2 n 1 1 R R eq 1 i

17 Ley de Joule: Potenci y energí Ley de Joule: Permite clculr l energí disipd por un resistenci en form de clor. U 2 =qv 2 Si durnte un intervlo de tiempo t por l resistenci R del circuito h psdo l cntidd de crg Q, l vrición de energí potencil que experiment dich cntidd de crg l psr desde l entrd l slid del circuito es: V 1 V 2 U 1 =qv 1 R U = qv = q (V 2 V 1 ) = q R Luego, l potenci disipd P (energí por unidd de tiempo) es: du dq P R R dt dt 2 du = dq R U qv 1 R P = 2 R = V = 2 V R vtio (W) qv 2 x L energí consumid por efecto Joule durnte cierto tiempo t será: t 2 W P( t) dt Pt R t 0 Si P no depende de t.

18 Fuerz electromotriz Fuerz electromotriz y bterís: El dispositivo que suministr l energí eléctric suficiente pr que se produzc un corriente estcionri en un conductor se llm fuente de fuerz electromotriz (fem). Convierte l energí químic o mecánic en energí eléctric r V fem R L fuente de fem reliz trbjo sobre l crg que l trvies, elevndo su energí potencil en (q V). Este trbjo por unidd de crg es suministrdo por l fuerz electromotriz, fem, de l bterí: =Fuerz Electro Motriz = V fem

19 Fuerz electromotriz Fuente de fem idel: Mntiene constnte l diferenci de potencil entre sus bornes e igul, independientemente de donde esté conectd. Fuente de fem rel: L diferenci de potencil entre sus bornes disminuye con el umento de l corriente l tener l fuente de potencil un resistenci intern r. V ε εr del V r r =Resistenci intern de l fuente de potencil. Rel L fem,, es l myor diferenci de potencil que puede suministrr un fuente de potencil. Cundo un fuente de potencil se conect un dispositivo, l diferenci de potencil l slid, en bornes, depende de l corriente que suministre, l resistenci intern r y l fem. = ΔV R