Es el movimiento de los electrones lo que constituye la corriente eléctrica. Cada uno es una carga negativa de 1,59 X 10–19 culombios y, por lo tanto, es necesario que pasen 6,25 X 1018 electrones por segundo a través de la sección recta del conductor para que se obtenga la corriente de 1 amperio.
El sentido convencional de la corriente se considera como yendo de extremo positivo b al negativo a del conductor, o sea el inverso del verdadero que siguen los electrones y que se vio en la figura 1, y es el hecho de que los primeros investigadores de los fenómenos eléctricos desconocieran los electrones y sus propiedades, lo que explica que tal sentido convencional se fijara de esta forma.
Cuando los electrones no se desplazan de átomo a átomo, se dice que la electricidad es estática. Cuando se desplazan de átomo a átomo se dice que la electricidad es dinámica. De aquí que, físicamente, las electricidades estática y dinámica sean idénticas.
Unidades Eléctricas
Para expresar en forma cuantitativa los efectos de la electricidad, ha de haber unidades para las distintas magnitudes de potencial, corriente y potencia, del mismo modo que son necesarias unidades para las longitudes, áreas, velocidades y pesos. Las magnitudes eléctricas se manifiestan de modo diverso. Por ejemplo, la intensidad de la corriente (o simplemente corriente) se manifiesta por su efecto calorífico, como en el filamento de las lámparas de incandescencia; por sus efectos electrolíticos, como en los acumuladores o en los revestimientos metálicos, o por sus efectos mecánicos, como las fuerzas de atracción y repulsión entre dos conductores o entre corrientes eléctricas y polos magnéticos. En el sistema CGS (centímetro-gramo-segundo) electromagnético, la unidad fundamental de corriente o amperio cgs absoluto (abamperio) viene determinada por la fuerza que la corriente circulando por un hilo en forma de arco circular de 1 cm. de longitud y 1 cm. de radio ejerce sobre la carga magnética colocada en el centro de dicho arco. Cuando la fuerza ejercida es de 1 dina, el valor de la corriente es de 1 unidad cgs o abamperio. La unidad en el sistema práctico o MKS (metro-kilogramo-segundo) es el amperio, cuya magnitud es la décima parte del abamperio.
En el sistema CGS electrostático se determina la unidad de cantidad de electricidad por la fuerza ejercida entre dos cargas puntuales iguales separadas 1 cm. en el vacío. Cuando la fuerza entre ambas es de 1 dina, cada una de las cargas vale la unidad de cantidad o estatculombio. El columbio, o unidad en el sistema práctico MKS, vale 23 X 109 estatculombios.
En las definiciones de varias unidades eléctricas interviene el tiempo, por ser la fuerza igual al producto de una masa por una aceleración y estar comprendido el tiempo en el concepto de esta última. La cantidad de electricidad es un producto de corriente por tiempo (q = i ? t) y la energía un producto de potencia por tiempo (W = P ? t). La unidad de tiempo para todos los sistemas es el segundo.
Son de empleo corriente, tanto los sistemas CGS electromagnético y electroestático, como el MKS o práctico.
Unidades MKS o Prácticas
La unidad de corriente (I) es el amperio, el cual es la velocidad del flujo de electricidad o cantidad que fluye en la unidad de tiempo, correspondiendo en hidráulica al caudal de agua que se expresa en m3/segundos, galones/minutos, etc.
En el párrafo anterior de definió el abamperio en función de la fuerza ejercida por una corriente sobre una carga magnética unidad y el amperio como la décima parte del anterior. A objeto de poderlo determinar con facilidad experimentalmente, en 1894, se definió como amperio internacional:
"La corriente que al pasar por una solución de nitrato de plata, deposita este metal al régimen de 0,001118 g/seg."
Internacionalmente se ha fijado la magnitud del amperio por la medida absoluta de sus efectos magnéticos. Las unidades absolutas entraron en vigor el 1947. La diferencia entre las unidades internacionales y absolutas son tan pequeñas que no originan discrepancia alguna, salvo para mediciones de máxima precisión.
El amperio internacional equivale 0,999835 amperios absolutos. El amperio absoluto es la décima parte del amperio absoluto CGS o abamperio.
Cantidad (Q)
La unidad práctica o MKS de cantidad de electricidad es el columbio. Es la cantidad de electricidad que transporta la corriente de un amperio en un segundo. El columbio es análogo a la unidad de cantidad de agua en hidráulica, tal como el pie cúbico, el galón, etc.
De esta definición resulta evidente que una corriente eléctrica puede expresarse bien en columbios por segundo o bien en amperios. El columbio internacional equivale a 0,999835 columbios absolutos.
Diferencia de Potencial y Fuerza Electromotriz (V)
Diferencia de potencial y fuerza electromotriz (f.e.m.) son causas que tienden a originar un flujo de electricidad. La unidad de diferencia de potencia y de f.e.m. es el voltio y viene definida como "aquella diferencia de potencial y de f.e.m. que aplicada a los extremos de una resistencia de un ohmio, da lugar a la corriente de un amperio"
Para que circule corriente entre dos puntos es necesario que exista una diferencia de potencial entre los mismos.
La figura 2 muestra dos baterías A1 y A2 de 2 voltios de f.e.m. cada una. El terminal positivo de A1 tiene un potencial de + 2 voltios por encima de su terminal negativo, y lo mismo sucede con la batería A2. Los terminales negativos de ambas baterías se encuentran al mismo potencial, pues están conectadas mediante un conductor de cobre a lo largo del cual no circula corriente y por lo tanto no existe diferencia de potencial alguna entre los extremos de dicho conductor.
Por ello los puntos a y b deben encontrarse al mismo potencial de + 2 voltios. Si ahora cerramos el interruptor S, no circulará ninguna corriente desde a hacia b, pues la diferencia de potencial entre a y b es nula.
En la figura 3, la f.e.m. de la batería B1 es de 3 voltios y, por tanto, el potencial de su terminal positivo se encuentra a 3 voltios por encima del de su terminal negativo. La f.e.m. de la batería B2 vale 2 voltios y, por lo tanto el potencial de su terminal positivo se encuentra a 2 voltios por encima del de su terminal negativo. Los terminales negativos se encuentran al mismo potencial. Si tomamos este potencial común como cero, el punto c se encuentra a + 3 voltios, mientras que el punto d se encuentra a + 2 voltios. Por tanto, el punto c se encuentra a un potencial 3 – 2 = 1 voltio por encima del potencial de d. Cuando se cierra el interruptor S" circula una corriente desde c a d.
Medida de la tensión y de la corriente
La tensión o diferencia de potencial se mide corrientemente con un voltímetro. Por lo tanto, el voltímetro deberá conectarse entre los conductores cuya diferencia de potencial se trata de determinar, tal como lo indica la figura 4.
La corriente se mide ordinariamente con un amperímetro. Como la corriente es la cantidad de electricidad por segundo que circula por el conductor, el amperímetro deberá conectarse de forma que a través del mismo sólo pase aquella corriente que se trata de medir. Ello se logra cortando uno de los conductores de circuito e insertando el amperímetro. Como lo indica la figura 4. Cuando se ha conectado el amperímetro, la corriente pasa a través del mismo hacia la carga viene medida por el aparato. Un amperímetro no debe conectarse jamás en paralelo con la carga.
Resistencia (R)
Se ha dicho que una f.e.m. o diferencia de potencial tiende a originar un flujo o corriente eléctrica. Una resistencia tiende, por el contrario, a impedir el flujo. Cuando circula una corriente a través de una resistencia, se produce calor, lo que demuestra que tal resistencia convierte también la energía eléctrica en calorífica. En resumen, la resistencia es la propiedad que posee un circuito de impedir la circulación de la corriente y a la vez convertir la energía eléctrica en calor. De aquí que la f.e.m. tienda a producir flujo y la resistencia a impedirlo, y estos dos efectos viene relacionados por la Ley de Ohm. La cual será tratada más adelante.
Representación de las resistencias: La resistencia según su tipo se representa de la siguiente manera:
Resistencia y Temperatura
Resistividad
La resistencia de un conductor depende: de la longitud L(m), del área de la sección recta A(m2) y de su naturaleza.
Conductancia
La conductancia es la recíproca de la resistencia, y puede definirse como la facilidad de un circuito en dejarse atravesar por la corriente eléctrica. La unidad es la inversa del ohmio o mho. La conductancia viene expresada corrientemente por la letra G y se expresa de la siguiente manera:
Siendo ? la conductividad o conductancia específica de la sustancia; A representa la sección uniforme y L, la longitud.
Ejemplo: Determinar la conductancia de una barra de aluminio de 1,27 cm. de ancho por 10,16 cm. de alto y 6,10 de longitud.
Conductividad
Conductor: Sus iones pueden moverse libremente. Son buenos conductores los metales, las bases, las sales la tierra, el cuerpo humano, entre otros.
Aislador o dieléctrico: En condiciones normales no permiten el desplazamiento de sus iones. Entre los buenos aislantes (malos conductores) tenemos el caucho, el vidrio, los plásticos.
Semiconductores: Ocupan un estado intermedio entre los anteriores. Entre los principales podemos nombrar el carbono, el germanio y el silicio.
Movimiento de cargas en un conductor
Un campo E que actúa sobre las cargas libres en el interior de un conductor, determina en ellas un movimiento estableciéndose una corriente eléctrica (flujo de carga).
Los conductores pueden ser sólidos, líquidos o gaseosos. Las cargas positivas se desplazan en el sentido del campo, mientras que las negativas en sentido contrario al campo, como lo indica la figura 5.
En los conductores sólidos se consideran especialmente los metales. En electrólisis se hace referencia a los líquidos. Los gases, que normalmente son aislantes, se vuelven conductores por efecto del calor o de ciertas radiaciones.
Intensidad de la Corriente Eléctrica
Es la cantidad de de carga que atraviesa la sección de un conductor en la unidad de tiempo.
Si Q (coul) y t (seg.). I se expresa en amperios (A). También se usa el miliamperio (m A). Es equivalente a 0,001 A.
La corriente existe si entre dos puntos de un conductor hay una diferencia de potencial. El sentido de la corriente, convencionalmente, lo determina el movimiento de las cargas positivas, como se indico anteriormente.
Se denomina Corriente Continua a aquella corriente donde las cargas fluyen en un sólo sentido. Cuando el flujo de carga cambia periódicamente de sentido la corriente se llama Corriente Alterna.
Fuentes de Corriente Continua
Las armaduras de un condensador tienen una diferencia de potencial. Si las unimos con un conductor se establece una corriente, pero de muy corta duración. El condensador se descarga, su diferencia de potencial se reduce a cero.
Un generador (una pila, un acumulador, un dinamo) pueden mantener una diferencia de potencial entre dos puntos, necesaria para establecer una corriente.
Circuito externo: lo constituyen los conductores que une los bornes del generador.
Circuito Interno: lo constituyen los conductores que dan paso a la corriente dentro del generador.
Las pilas y los acumuladores se descargan con el tiempo. Pero éstos pueden volverse a cargar usando corrientes en sentido contrario a las de servicio.
Un generador de corriente continua se puede representar:
Ley de Ohm
La ley de Ohm dice que "en condiciones de equilibrio, la corriente en un circuito es directamente proporcional a la f.e.m. total que actúa en el circuito e inversamente proporcional a la resistencia total del circuito
La ley puede expresarse analíticamente de la siguiente forma:
I: es la corriente en amperios;
V: la f.e.m., voltaje o tensión en voltios;
R: la resistencia en ohmios.
Es decir, la corriente en amperios en un circuito es igual a la f.e.m. del mismo en voltios, dividida por la resistencia del circuito en ohmios. La diferencia potencial también puede representarse con la letra E, para indicar f.e.m. o tensión inducida. En el caso de la resistencia los ohmios suelen representarse con la letra griega omega (?); para indicar amperios se utiliza la letra A.
Ejemplos:
1. La resistencia de una bobina es de 41 ohmios. ¿Cuál es la corriente que circula a través del mismo cuando se conecta a una línea de 220 voltios?
Datos: R = 41 ohmios V = 220 v I = ? | Fórmula
| Solución
I = 5,37 A | |
2. La resistencia de un generador es de 4,8 ohmios, por el mismo pasa una corriente de 3,2 A ¿Cuál es la tensión entre los extremos del generador?
Datos: R = 4,8 ohmios I = 3,2 A V = ? | Fórmula
| Solución
V = 15,36 V | |
Combinación de Resistencias
Circuito serie
En un circuito en serie la corriente es igual en cada resistencia; el voltaje total es igual a la suma del voltaje en cada resistencia.
Circuito paralelo
La resistencia equivalente o total de un circuito paralelo viene dada por la fórmula:
Es decir:
El recíproco de la resistencia equivalente de un circuito paralelo es la suma de los recíprocos de las resistencias parciales.
Cuando el circuito paralelo está formado sólo por dos resistencias la resistencia total o equivalente será:
Ejemplo:
Distribución de la Corriente en un Circuito Paralelo
Circuito serie-paralelo
En general un circuito puede constar de grupos de resistencias en paralelo, en serie con otras resistencias, tal como lo indica la figura 9. Cuando se da este caso, cada grupo de resistencia en paralelo se sustituye previamente por la resistencia equivalente, y el conjunto queda reducido al caso de un circuito en serie.
Ejemplo: Dos resistencias de 8 y 12 ohmios respectivamente, están siendo alimentadas con una tensión de 115 voltios, a través de dos conductores en los cuales se encuentra una resistencia de 10 ohmios en c/u de ellos, tal como lo muestra la figura 9. Calcular la resistencia total del circuito y la intensidad total.
Quedando el circuito conformado por tres resistencias en serie.
Potencia Eléctrica
La potencia eléctrica es el vatio, y se define como sigue: "el vatio es la energía disipada en un segundo por una corriente constante de un amperio".
La potencia en vatio es, por tanto (en el caso de la corriente continua), igual al producto de los voltios por los amperios.
O sea:
Conclusión
La materia en su totalidad consiste en partículas extraordinariamente pequeñas llamadas partículas, compuesta a su vez por átomos. Éstos constan, por su parte, de un núcleo relativamente pesado en derredor del cual giran cargas eléctricas negativas muy pequeñas llamadas electrones. En las materias conductoras, algunos electrones de las capas más externas se hallan sujetos al núcleo de un modo menos rígido y pueden desplazarse de un átomo a otro cuando se les aplica diferencias de potencial relativamente débiles, y de esta forma da lugar a una corriente eléctrica. En las sustancias aislantes, todos los electrones se hayan fuertemente ligados al núcleo y las mayores diferencias de potencial sólo originan una corriente insignificante.
Al ser los electrones cargas negativas, el sentido convencional de la corriente resulta opuesto al del flujo de tales electrones. Éstos, cuando se hallan en reposo constituyen electricidad estática y cuando están en movimiento, electricidad dinámica.
La unidad electromagnética CGS de corriente es el abamperio, determinado por la fuerza que ejerce la corriente sobre la carga magnética unidad. La unidad práctica o MKS es el amperio, décima parte del abamperio. En el sistema electrostático CGS se define la unidad de cantidad o estatculombio como la fuerza ejercida entre dos cargas eléctricas iguales separadas 1 cm. La unidad práctica o MKS es el culombio. Que vale 3 X 109 estatculombios. A su vez, es en el sistema práctico o MKS donde se definen las unidades de fuerza electromotriz o diferencia de potencial, el voltio, y de resistencia eléctrica, el ohmio.
El voltaje o diferencia de potencial se mide con un voltímetro conectado entre los conductores de la línea y la corriente con un amperímetro intercalado en uno de ellos.
La Ley de Ohm se expresa de tres formas: I = V/R (amp.), V = I ? R (voltios), y R =V/I (ohmios).
Con la ley de Ohm se demuestra que las resistencias en serie se suman, o sea:
Bibliografía
Obra: Electricidad Industrial
Autor: Ch. L. Dawes.
Páginas: Desde pág. 7 hasta pág. 21
Editado por: Editorial Reverté, S.A.
Lugar y año de Edición: Caracas – Venezuela, 2.000
Obra: Física de 2 año Ciclo Diversificado
Autor: Rodríguez Pérez, Eduardo
Páginas: Desde pág. 17 hasta pág. 24
Editado por: Editorial Romor, C.A.
Lugar y año de Edición: Caracas – Venezuela, 1.998
Autor:
Freddy González
Marzo, 2009
República Bolivariana de Venezuela
Ministerio del Poder Popular para la Educación
Colegio "Gran Mariscal de Ayacucho"
Araure – Edo. Portuguesa
| Página siguiente |