CORRIENTE ELECTRICA. Diferencia de Potencial Eléctrico. Conductores y aislantes

Transcripción

1 CORRENTE ELECTRCA Diferencia de Potencial Eléctrico. Un objeto de masa m siempre caerá desde mayor altura hasta menor altura. Donde está a mayor altura el objeto posee mayor energía potencial gravitatoria y donde está a menor altura, posee menor energía potencial gravitatoria. Un objeto siempre tenderá a moverse desde lugares de mayor energía potencial gravitatoria a lugares de menor energía potencial gravitatoria. Algo similar ocurre con las cargas eléctricas. Un cuerpo con carga eléctrica positiva siempre se moverá desde lugares donde posee mayor energía potencial eléctrica hacia lugares donde posee menor energía potencial eléctrica. Aquellos puntos donde la carga positiva tiene mayor energía potencial eléctrica, se dice que poseen mayor potencial eléctrico. De la misma manera a aquellos puntos donde la carga positiva tiene menos energía potencial eléctrica se dice que poseen menor potencial eléctrico. A un cuerpo con carga negativa le sucede lo contrario: siempre se moverá desde puntos de menor potencial eléctrico hasta puntos de mayor potencial eléctrico. En definitiva una carga eléctrica sólo se moverá entre dos puntos que presenten una diferencia de potencial. Cotidianamente llamamos Voltaje a la diferencia de potencial. Los beneficios de la electricidad no se conocieron sino hasta el año 1800 cuando Alessandro Volta produjo el primer flujo continuo de carga eléctrica, tras la invención de la pila eléctrica. En el S. la unidad de medida de voltaje o diferencia de potencial es el volt (V), en honor a este gran científico francés. Conductores y aislantes Hay materiales cuyos electrones pueden moverse libremente a través de ellos, esto hace que puedan conducir la electricidad, por lo que se llaman conductores (por ejemplo el agua y los metales). Existen otros materiales que no conducen la electricidad, son los aislantes eléctricos o dieléctricos (el vidrio, la madera seca, el plástico, la goma).

2 Un conductor eléctrico, como un cable de metal, posee en su interior millones de átomos con sus respectivos electrones libres. Cuando el cable se conecta a un dispositivo que entrega una diferencia de potencial, por ejemplo una pila, sus electrones libres ocuparán la energía que le entrega la pila para desplazarse a través del material. Los signos + y que aparecen inscritos en las pilas y baterías indican los extremos de mayor potencial (+) y de menor potencial (-). Al conectar un cable a la pila o batería, los electrones se moverán desde el extremo de menor potencial al de mayor potencial. Pero el circuito debe cerrarse y para eso los electrones deben pasar por dentro de la pila. Al observar el diagrama podrás advertir que cuando los electrones llegan al extremo +, pasarán por dentro de la pila desde mayor potencial a menor potencial. Para que esto sea posible la pila entrega a las cargas eléctricas una fuerza electromotriz (fem) Figura 12. Los electrones se mueven desde el potencial bajo al potencial alto Recuerda que la carga eléctrica no se crea, así es que sería un error pensar que la pila o batería entrega cargas al circuito. Son los electrones libres del cable los que se mueven, debido a la presencia de una diferencia de potencial. La intensidad de corriente eléctrica La intensidad de la corriente eléctrica corresponde a la rapidez con que las cargas se mueven dentro de un conductor, es decir, la cantidad de carga que pasa por una sección transversal del conductor en un tiempo determinado. Q t. (2) En el S.. la cantidad de carga se mide en coulomb (C) y el tiempo en segundo (s),

3 por lo que la unidad de intensidad de corriente en el S.. es el C/s, llamada Ampere (A). 1 A = 1 C/s, Como esta unidad es algo grande, se utilizan los submúltiplo de ella: el miliàmpere (ma) y el microampere ( A) Un ma=10-3 A, es decir, corresponde a la milésima parte de un ampere. Un A = 10-6 A, es decir, la millonésima parte de un ampere. Dirección convencional de la corriente Si bien es cierto que los electrones se desplazan desde el extremo negativo hacia el extremo positivo de la pila o batería, por convención se ha establecido que la dirección de la corriente es aquella que seguirían los portadores de carga positiva. En los metales, la dirección de la corriente eléctrica es contraria a la dirección de las cargas que se mueven, en cambio en los fluidos conductores se desplazan tanto cargas negativas como iones positivos. La dirección de la corriente eléctrica corresponde a la dirección de los iones positivos. La dirección de la corriente eléctrica convencional corresponde a la dirección de cargas positivas, es decir, a la dirección contraria a aquella que siguen los electrones

4 CRCUTOS ELÉCTRCOS SMBOLOGÍA UTLZADA Generadores de corriente continua. Pilas o baterías Cables conectores nterruptores Resistencias eléctricas Voltímetros V Amperímetros A Ampolletas El siguiente esquema representa un buen ejemplo de un circuito eléctrico simple. Consta de una batería y una resistencia (que puede ser una ampolleta), además de los cables y del interruptor. Al cerrar el interruptor, se establece de inmediato una diferencia de potencial en el circuito y todos los electrones tienden a desplazarse, moviéndose con velocidades muy pequeñas, aproximadamente de 0.1 milímetros por segundo. Figura 13. Circuito simple

5 Resistores y resistencia eléctrica. Todos los elementos que forman parte de un circuito (cables, ampolletas, televisores, pilas, baterías, motores radios, etc) presentan una característica llamada resistencia eléctrica (R). Esta característica se presenta en mayor o menor medida en diferentes resistores y corresponde a una tendencia a evitar que fluya corriente eléctrica por el material. La resistencia eléctrica es la cuantificación de la oposición a la corriente eléctrica. Mientras más resistencia eléctrica posea un elemento, menor será la intensidad de corriente en él. Para aumentar la intensidad de corriente será necesario aumentar el voltaje. Esto puede representarse matemáticamente en la siguiente relación: V.. (3) R Donde es la intensidad de corriente, V es el voltaje en los extremos del resistor y R es la resistencia eléctrica del resistor. La unidad de medida de la resistencia eléctrica se llama ohm y se representa con la letra griega ( ) en honor a George Simon Ohm, físico alemán que hace unos 200 años estableció en forma experimental esta relación matemática. La unidad de medida corresponde a 1 volt partido en 1 ampere. 1 La resistencia de un cable metálico depende de varios factores que se pueden resumir en dos: forma del conductor y material de que está hecho. La forma se refiere a la 1V 1A longitud y al área de la sección transversal del conductor. A Figura 14. Área de la sección transversal y largo del conductor. L

6 Se ha comprobado experimentalmente que la resistencia de un conductor es directamente proporcional a su longitud e inversamente proporcional al área de su sección transversal, sin embargo también influye una característica propia de cada material, llamada resistividad eléctrica que se representa con la letra griega Rho (. El valor de rho puede variar con la temperatura del material. Existen tablas en que se muestran los valores de rho para diversos materiales a determinadas temperaturas). Por lo tanto la resistencia eléctrica de un cable queda determinada por la relación L R A. (4) Mientras más grueso es el cable menor es la resistencia eléctrica que tiene y mayor es la corriente que pasa a través de él. Qué materiales tienen mayor valor de, los conductores o los aislantes? Conductores ohmicos y no onhmicos. Existen algunos elementos en el que el valor de la resistencia no cambia, es decir, mantiene su resistencia constante e independiente del voltaje aplicado. A este tipo de conductores se les llama ohmnicos. Si se grafica el voltaje aplicado v/s la intensidad de corriente que se obtiene, la gráfica resulta ser una línea recta, como la que muestra la figura. Mientras mayor es la resistencia del conductor, más inclinada es la recta. V Figura 15

7 V Otros conductores poseen resistencia eléctrica variable, se les llama conductores no ohmnicos. Al graficar el voltaje v/s la intensidad de corriente se obtiene una curva. la figura muestra un ejemplo de curva para un conductor no ohmnico Figura 16. CRCUTOS EN SERE En este tipo de circuitos los elementos están conectados uno a continuación del otro, formando un único camino para la corriente eléctrica, de modo que si se interrumpe el circuito, ya sea abriendo el interruptor o sacando algunos de los dispositivos conectados, entonces ya no circula corriente. Figura 17 V El voltaje que entrega la batería se reparte entre las dos ampolletas, de tal modo que a cada una le corresponde una cantidad proporcional al valor de la resistencia que posea. Eso significa que a la ampolleta de mayor resistencia le corresponde mayor voltaje. Si lo piensas bien esto es lógico, pues al tener mayor resistencia sus electrones necesitarán más energía para poder pasar a través de ella. Matemáticamente, esto se puede expresar despejando el voltaje de la ecuación (3), obteniéndose V R (5)

8 No olvides que el voltaje que entrega la batería se reparte entre las tres ampolletas (o las tres resistencias). En la figura 10, si V 1 es el voltaje en la ampolleta de resistencia R 1, V 2 es el voltaje en la ampolleta de resistencia R 2 y V 3 es el voltaje en la ampolleta de resistencia R 3 entonces el voltaje que entrega la pila es V = V 1 + V 2 +V 3. Sustituyendo las resistencias en la relación 5, se obtiene que corresponde a V = R 1 + R 2 + R 3, V = (R 1 +R 2 +R 3 ), pues la corriente es única del circuito en serie De donde se concluye que R 1 + R 2 + R 3 = R.(6) es la resistencia total del circuito. De esta relación se puede concluir que al aumentar la cantidad de componentes en circuito en serie también aumenta la resistencia total del circuito. Circuitos en paralelo En este tipo de circuito cada uno de los resistores está conectado directamente a la batería, por la que todos reciben el mismo voltaje. Pero la corriente no tiene un único camino, sino que cada resistor tiene su propia corriente. La corriente total del circuito corresponde a la suma de las corrientes de cada resistor. Figura 18

9 La cantidad de corriente que pasa por cada resistor depende del valor de su resistencia. Aquel que tenga mayor resistencia, tiene menor intensidad de corriente. Si consideramos que la suma de la intensidad de corriente de cada resistor es = y que el voltaje es único, entonces V V 1 1 1, lo que se reduce a V ( ) R R R 1 R R3, de donde se obtiene que la resistencia de un circuito cuyos elementos están conectados en paralelo está en la siguiente relación: 1 R R R R (7) El lado derecho de la ecuación 7 tendrá tantos términos como resistores estén conectados en paralelo. Mientras más resistores se conecten en paralelo menor será la resistencia del circuito. Esto parece lógico si se piensa que al haber más resistores conectados en paralelo también habrá más caminos para que fluya la corriente eléctrica, lo que significa que disminuye la resistencia total del circuito. nstrumentos de medición Amperímetro. Es el instrumento con que se mide la intensidad de corriente eléctrica en un punto del circuito. Se conecta en serie, debido a que la corriente que se desea medir debe pasar por el aparato. Par que la presencia del amperímetro no altere la intensidad de corriente del circuito, la resistencia eléctrica de este instrumento debe ser muy, muy pequeña. Voltímetro. Es el instrumento con que se mide el voltaje entre dos puntos del circuito, por lo que se debe conectar en esos dos puntos en paralelo, impidiendo que la corriente que pase por el elemento testeado se vea alterada por la presencia del instrumento de medición conectado; es por esto que su resistencia eléctrica debe ser muy grande Estos dos instrumentos de medición suelen estar contenidos en un único aparato llamado multitester, en el que se puede elegir cuál de los dos instrumentos se va a utilizar.