APUNTES DE FÍSICA II Profesor: José Fernando Pinto Parra UNIDAD 8 CORRIENTE ELÉCTRICA

Transcripción

1 APUNTES DE FÍSICA II Profesor: José Fernando Pinto Parra UNIDAD 8 CORRIENTE ELÉCTRICA CORRIENTE Y DENSIDAD DE CORRIENTE. La corriente eléctrica se define como la circulación o movimiento ordenado de cargas, producido en el seno de un conductor a fin de igualar una diferencia de potencial existente en sus extremos. El valor de la corriente eléctrica varía según la carga que, llevada por las partículas libres (electrones), atraviesa una sección recta del conductor en la unidad de tiempo. Lo que nos permite decir, que mientras no digamos lo contrario, los portadores de carga eléctrica serán los electrones. Si hemos hablado de movimiento de cargas, tendremos que hablar necesariamente del sentido de ese movimiento. Pues bien, recordando el tema anterior, este movimiento será contrario al campo eléctrico. Es decir, será tal que tendiendo a igualar la diferencia de potencial existente en sus extremos, se producirá un desplazamiento de menor a mayor potencial. Para terminar con este primer apunte sobre la corriente eléctrica, observad sobre la figura que el sentido que tomamos por convenio es contrario al real. Existen diferentes tipos de corriente que podemos encuadrar en tres grupos: CORRIENTE CONTINUA CONSTANTE: Es aquella que no varía con el tiempo de magnitud ni de sentido, alcanzando su valor de régimen casi instantáneamente. Esta es la de las pilas y baterías.

2 CORRIENTE PULSATORIA: La que varía en tiempo de magnitud, pero no de sentido. Su intensidad va variando a intervalos iguales de tiempo CORRIENTE ALTERNA: Es la corriente que varía con el tiempo de magnitud y de sentido, alcanzando un máximo positivo, y a continuación desciende para alcanzar un máximo positivo, repitiéndose de forma continua. Como ejemplo la que tenemos en los enchufes de nuestras casas (senoidal de frecuencia 50 Hz). La corriente eléctrica podemos decir que es una forma de energía es que se puede transformar fácilmente en otras formas de energía, así la corriente eléctrica, puede provocar principalmente tres efectos: Efecto calorífico: Este efecto se produce simplemente al pasar la corriente eléctrica por un conductor que presente una cierta resistencia al paso de la corriente, mediante este sistema tan simple y económico, podemos producir suficiente calor conocido como efecto Joule. Efecto luminoso: Enlazando con el efecto anterior, si calentamos mucho un trozo de metal, comienza a emitir luz. De una manera un poco más compleja, podemos producir el efecto de luminiscencia utilizado en las lámparas fluorescentes. Efecto magnético: La circulación de una corriente eléctrica a través de un conductor, crea un campo magnético a su alrededor, efecto que entre otras aplicaciones encuentra protagonismo en los motores eléctrico tan utilizado en nuestro entorno.

3 Intensidad de la corriente eléctrica. Definimos por tanto la intensidad de corriente eléctrica como la cantidad de carga eléctrica que atraviesa una sección de un conductor en la unidad de tiempo. Su formulación matemática es: Sabiendo que: La intensidad (I) se mide en amperios (A) en el S.I. La carga (Q) se mide en colombios (C) en el S.I. El tiempo (t) se mide en segundos (s) en el S.I. La ecuación anterior responde al caso en que la diferencia de potencial existente en los extremos del conductor, es constante, pero esto no siempre sucede y cuando varía, tendremos que buscar un valor medio de la intensidad resultante, que vendrá expresada por: Es decir, consideramos la variación de la carga en un intervalo de tiempo determinado. Y consecuentemente si deseamos el valor de la intensidad en un instante determinado, recurriremos a la expresión: Obteniéndose la expresión: Densidad de la corriente eléctrica. La densidad de corriente, designada por el símbolo J, es la corriente media por unidad de área del conductor, es decir, suponiendo una distribución uniforme de la corriente: En cuanto a sus unidades, J se mide en el S.I. en A/m 2. RESISTIVIDAD. La resistencia de un circuito eléctrico, cuya importancia en el circuito está acorde al de la fuente de alimentación o pila y conductor, ya que sin este componente no tendríamos circuito eléctrico, por ejemplo, una bombilla no es más que una resistencia que al pasar la

4 corriente eléctrica, debido a sus características de forma y construcción, provoca luz, lo que permite decir, que la resistencia eléctrica (R) es la oposición que todo conductor presenta al paso de la corriente eléctrica. Ante esta definición, hemos de considerar que no todos los conductores presentan la misma resistencia al ser sometidos a una diferencia de potencial en sus extremos, dependiendo de los siguientes factores: Cantidad de electrones libres que tenga el conductor (cuanto mayor sea su número, menor su resistencia). Choques que experimentan en su desplazamiento estos portadores de carga (los electrones pueden chocar con otros electrones o con partes de átomos no fluyentes), así a mayor número de choques menor velocidad de desplazamiento y proporcionalmente produce una disminución de la corriente. Para cuantificar estos factores, recurrimos a la siguiente relación: Donde en el sistema internacional: R es la resistencia y se expresa en ohmios (Ω), L es la longitud del conductor y se mide en metros (m), A es el área del conductor y se expresa en metros cuadrados (m 2 ) y ρ es la resistividad y se representa en Ω.m. Resistividad o resistencia específica, representada por ρ. Es una constante característica de la naturaleza del conductor, un aislante perfecto, vendría definido por un valor de ρ= y un conductor perfecto ρ=0. La siguiente tabla, muestra los valores de ρ para algunas de las sustancias más características. MATERIAL Resistividad (ρ) en (Ωm) a 20 ºC Plata 1, Cobre 1, Aluminio 2, Hierro Oro 2, Estaño 1, Plomo Madera De 108 a 1011 Vidrio De 1010 a 1014 Cuarzo Silicio 6, Carbón

5 RESISTENCIA. Cuando diseñamos un componente pensado en obtener un determinado valor resistivo, le denominamos resistor o simplemente resistencia. Sus principales símbolos son: La resistencia eléctrica se mide mediante un instrumento denominado óhmetro u ohmímetro. LEY DE OHM Si aumentamos la tensión de una pila, hacemos que por el circuito haya más intensidad, si aumentamos la Resistencia de un circuito eléctrico, la Intensidad disminuye, como podemos ver aquí existe una importante relación entre las tres magnitudes básicas de la electricidad: Voltaje, Intensidad y Resistencia, esta relación se conoce como la Ley de Ohm y se enuncia de la manera siguiente: Entre dos puntos de un circuito, la intensidad de la corriente eléctrica que circula, es directamente proporcional a la diferencia de potencial aplicado e inversamente proporcional a la resistencia que existe entre dichos puntos, es decir: Que como ya sabemos en el S.I. la intensidad viene dada en amperios (A), la tensión en voltios (V) y la resistencia en ohmios (Ω). En función de lo visto, podemos redefinir las tres unidades mencionadas de la siguiente forma: AMPERIO: Intensidad de corriente que circula por un conductor de un ohmio cuando entre sus extremos se aplica un voltio. OHMIO: resistencia de un conductor cuando al aplicar entre sus extremos un voltio circula un amperio. VOLTIO: tensión que debe existir entre los extremos de un conductor de un ohmio para que circule un amperio.

6 ASOCIACIÓN DE RESISTENCIAS En un circuito eléctrico, es frecuente encontrarnos con más de una resistencia y en estos casos, a fin de proceder al estudio de dicho circuito, es conveniente poder simplificarlo, procediendo a asociar estas resistencias. Para ello se sustituyen dos o más resistencias por una única llamada resistencia equivalente, que consume la misma energía que el conjunto de las sustituidas. Esta asociación puede ser: ASOCIACIÓN EN SERIE: Sus características: Se conecta una resistencia a continuación de otra. La intensidad de corriente que circula por ellas es la misma. La diferencia de potencial a la que está sometida cada una depende del valor óhmico de la resistencia. La suma de las diferencias de potencial de cada resistencia, será igual a la diferencia de potencial a la que se encuentre sometida la resistencia equivalente. Teniendo en cuenta la Ley de Ohm: Dividiendo por I, obtenemos: Luego podemos decir que la resistencia equivalente de una asociación de dos o más resistencia en serie tiene un valor óhmico igual al resultado de sumar el valor de las resistencias que queremos asociar. ASOCIACIÓN EN PARALELO: Sus características: Se conectan las resistencias, de tal forma que tengan sus extremos conectados a puntos comunes.

7 La intensidad de corriente que circula por la resistencia equivalente es igual a la suma de las intensidades que circulan por cada una de las resistencias que estamos asociando. La diferencia de potencial a la que están sometida cada resistencia es la misma que la existente en sus extremos común. Así, podemos decir que la inversa de la resistencia equivalente a una asociación en paralelo de dos o más resistencias, es igual a la suma de las inversas de las resistencias que estando en paralelo queremos asociar a fin de calcular su resistencia equivalente. ASOCIACIÓN MIXTA DE RESISTENCIAS: Se entiende por asociación mixta, cuando existe una combinación de resistencias en serie y en paralelo. Para el cálculo de la resistencia equivalente de esta combinación de resistencias, se procede a resolver por separado las agrupaciones serie y paralelo, anteriormente estudiadas. Si el circuito es complejo, muchas veces es conveniente, ir dibujando los diferentes circuitos resultantes de los pasos intermedios dados en cada agrupación, facilitando así los cálculos posteriores. Todo esto, se verá más claramente en la resolución del los diferentes ejercicios que se plantean.

8 ASOCIACIÓN EN ESTRELLA Y EN TRIÁNGULO: Este tipo de asociaciones, que tienen su importancia en diversos circuitos electrotécnico, como en el arranque de motores eléctricos (que se verá en unidades posteriores a esta), se explicarán directamente sobre su formulación matemática a través de su esquema, sin entrar en su demostración. Para transformar una conexión triángulo en estrella: Para transformar una conexión estrella en triángulo Si imaginamos la siguiente figura, y observándola detenidamente, en que están superpuestas ambas configuraciones, se podrán aprender mejor las anteriores fórmulas. Posteriormente, cuando en siguientes temas, se traten los términos admitancia e impedancia, sería conveniente revisar estas fórmulas. Para profundizar en lo dicho ver: Para completar el aprendizaje de esta pregunta, es necesario realizar múltiples ejercicios, a fin de adquirir destreza en su realización así como manejar adecuadamente las unidades oportunas (siempre que sea posible en el S.I.)