interacciones • campos y ondas / física 1º b.d. Corriente eléctrica En el capítulo anterior estudiamos situaciones donde las cargas permane- cían en reposo. Ahora analizaremos situaciones donde las cargas eléctricas están en movimiento. Denominamos corriente eléctrica al desplazamiento de cargas eléctricas por un medio conductor. Si en un medio conductor generamos un campo eléctrico, sobre cada carga perteneciente al medio actuará una fuerza eléctrica. Las cargas libres se pondrán en movimiento, ya que actúa sobre ellas una fuerza que las acelera. Esta fuerza tiene el mismo sentido del campo si la carga es positiva y sentido opuesto si la carga es negativa (fig 1). Podemos generar un campo eléctrico en un medio vinculándolo con cables conductores a una pila o una batería. Este tipo de dispositivos se llaman generadores o fuentes de corriente y los estudiaremos con mayor detalle en el capítulo 15. Analicemos dos situaciones: En la figura 2a conectamos los extremos de un conductor metálico a una batería. Las cargas libres del conductor son electrones de los orbitales menos ligados al átomo. Como su carga es negativa, se moverán en senti- do contrario al campo eléctrico. En la segunda situación, sumergimos dos barras metálicas en una solu- ción ácida o salina y las conectamos a una batería (fig 2b). Las cargas libres en la solución son iones positivos y negativos. Los positivos se moverán en el sentido del campo eléctrico y los negativos en sentido opuesto. En ambos casos tenemos desplazamiento de cargas eléctricas. Sola- mente nos ocuparemos del estudio del movimiento de cargas (electrones) en conductores metálicos. Fig. 1. La fuerza eléctrica sobre cargas positivas tiene el mismo sentido del campo eléctrico. La fuerza eléctrica sobre cargas negativas tiene sentido contrario al campo eléctrico. Fig. 2a. Fig. 2b. Los iones positivos se mueven en el sentido del campo eléctrico y los negativos en sentido contrario r F r F r E Corriente eléctrica CAPÍTULO 11 Editorial Contexto - www.editorialcontexto.com.uy - Canelones 1252 - 2901 9493
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Interacciones 4º - Capítulo 11 - Unidad 2 · Analizaremos circuitos formado por dos receptores y un generador. Los receptores pueden conectarse de dos formas distintas: en paralelo
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Denominamos corriente eléctrica al desplazamiento de cargaseléctricasporunmedioconductor.
Sienunmedioconductorgeneramosuncampoeléctrico,sobrecadacargapertenecientealmedioactuaráunafuerzaeléctrica.Lascargaslibresse pondrán en movimiento, ya que actúa sobre ellas una fuerza que lasacelera.Estafuerzatieneelmismosentidodelcamposilacargaespositivaysentidoopuestosilacargaesnegativa(fig1).
En lafigura2aconectamos losextremosdeunconductormetálicoaunabatería.Lascargaslibresdelconductorsonelectronesdelosorbitalesmenosligadosalátomo.Comosucargaesnegativa,semoveránensenti-docontrarioalcampoeléctrico.
En ambos casos tenemos desplazamiento de cargas eléctricas. Sola-mentenosocuparemosdelestudiodelmovimientodecargas(electrones)enconductoresmetálicos.
Fig. 1. La fuerza eléctrica sobre cargas positivas tiene el mismo sentido del campo eléctrico. La fuerza eléctrica sobre cargas negativas tiene sentido contrario al campo eléctrico.
Fig. 2a.
Fig. 2b. Los iones positivos se mueven en el sentido del campo eléctrico y los negativos en sentido contrario
Si observamos una lámpara encendida, sabemos que por ella circulacorriente.Pero¿quéobservamosenrealidad?Obviamente,novemoslascargaseléctricasmoviéndoseporelfilamentodelalámpara.Loqueapre-ciamosesunodelosefectosdelacorrienteeléctrica,elefecto térmico o efecto Joule.Todacorrienteeléctricaaumentalaenergíainternadelcon-ductorporelquecircula.Estoocurreporelaumentodevelocidaddeloselectronesyporelaumentodelafrecuenciadeloschoquesdelascargaslibrescuandosedesplazanporlaredcristalinadelmaterialconductor.Porlotantoaumentasutemperaturaygeneralmentecedeenergíaalambien-teenformadecalor.Silatemperaturadelconductoraumentalosuficientesetornaincandescenteyemiteluz,comoelfilamentodelalámparaoelrulodeunaestufaacuarzo.
Efecto magnético o efecto Oersted
Sicolocamosunabrújulacercadeunconductorconectadoaunaba-tería,suagujasedesvía(fig3).Estoocurreporquetodacorrienteeléctricageneraasualrededoruncampomagnético.Aestapropiedadseladeno-minaefecto magnético o efecto Oersted(fig4).Motores,timbresymu-chosotrosaparatosfuncionanbasadosenesteefecto,queenelcapítulo18estudiaremosconmayorprofundidad.
Efecto químico
Cuando una corriente eléctrica circula por un conductor puede pro-ducircambiosquímicos.Unejemploimportantedelefecto químicoeslaelectrólisis.Eselfenómenoenelcuálpormediodeunacorrienteeléctri-capodemosdescomponersustanciasenloselementosquelaforman.Seaplicaencromados,niqueladosyjoyería(bañosdeoroyplata).
El receptor transforma la energía potencial eléctrica en otro tipo deenergía,dependiendodesuutilidadpráctica.Ejemplosdereceptores:re-sistores,lámparas,estufas,motores,equiposdeaudio,yunsinfindeelec-trodomésticosyaparatosquefuncionaneléctricamente.
Fig. 3. Al establecerse una corriente eléctrica en el conductor, la aguja magnética de la brújula se desvía.
Fig. 4. Hans Christian Oersted (1777-1851) físico y químico danés. En 1820 descubrió la relación entre la electricidad y el magnetismo en un experimento muy sencillo, que llevó a cabo ante sus alumnos. Demostró que un hilo conductor de corriente podía mover la aguja de una brújula, sentando las bases del Electromagnetismo.
Los cables conductores son generalmente alambres metálicos recu-biertosdeunaprotecciónplástica.Unenloselementosyamencionados,proporcionandoalascargasuncaminocasisinoposición.
Algunoselementospresentanpolaridad,esdecirtienenunterminaldeconexiónpositivoyotronegativo,comounapila.Paracumplirsufuncióndeben conectarse al circuito respetando su polaridad. Otros elementoscomolaslámparasoresistoresnotienenpolaridad.
Para representar en forma simplificada los elementos de un circuitoeléctrico,seutilizanlossiguientessímbolos(fig6).
Sentido de la corriente eléctrica
Cuandolacomunidadcientíficacomenzóainteresarseporlosfenóme-nos eléctricos ya estaban bastante avanzados los estudios relacionadosconlahidrodinámica.Unodelosprimerosproblemasaresolvercuandolasciudadesfueroncreciendo,fuecómodistribuirelaguacorrienteycómodrenarlasaguasresidualesyfluvialeshaciaafueradelaciudadoaunríocercano.TambiénestuvierondemodaenelsigloXVIlosjardinesconfuen-tes y atracciones con agua. Esto favoreció la interpretación de los fenó-menos eléctricos basándose en los hidráulicos. A esta forma de explicar
Fig. 6. Símbolos que utilizaremos para los elementos de circuitos eléctricos.
quésucedealestablecerseunacorrienteeléctricaseladenominamodelo hidráulico de la corriente eléctrica.Deéstemodeloheredamosdenomi-nacionesqueseutilizanaúnhoy,basadasenconceptoshidrodinámicos:corrientedeagua,corrienteeléctrica;fuentedeagua,fuentedecorrienteeléctrica;flujodeagua,flujodecorriente.
Silacorrientecambiadesentidoperiódicamente,lacorrienteesalter-na. Por la instalación eléctrica domiciliaria circula una corriente de estetipo,quecambiadesentido100vecesenunsegundo.LaredeléctricadeUTEnosproporcionacorrientealternaconunafrecuenciade50Hz,esdecirconunperíodode0,020s.
Dosreceptoresestánconectados en paralelo, siestánconectadosalos mismos puntos del circuito, en el ejemplo de la figura 9a los puntos“A”y“B”.Aestospuntosselesdenominanudos.Sidesconectamosunodelosreceptores,elotroreceptorcierraelcircuito,porloquepuedeseguircirculando corriente por él (fig 9b). Si los receptores fueran lámparas, aldesconectarunalaotracontinúaencendida.
Fig. 9a. Los dos receptores en paralelo están conecta-dos a los puntos “A” y “B”
Fig. 9b. Si se desconecta un receptor, el circuito se cierra por el otro
-+
-+
Fig. 8. Sentido real de la corriente. Las cargas negativas se mueven de negativo a positivo
Fig. 7. Sentido convencional de la corriente. Las cargas positivas se mueven de positivo a negativo
Fig. 9c. Los dos receptores en serie están conectados uno a continuación de otro, solo tienen en común un punto.
Fig. 9d. Si se desconecta un receptor, el circuito no se cierra, no circula corriente eléctrica.
Dosreceptoresestánconectados en seriesiestánconectadosunoacontinuacióndelotro(fig9c).Loselementostienenunsolopuntoenco-mún,quenoestáconectadoauntercerelemento.Sidesconectamosunodeellos,abrimoselcircuitoydejadecircularcorrienteporelotro(fig9d).Sisetrataradelámparas,aldesconectarunaseapagalaotra.
Enlainstalacióneléctricadomiciliariatodosloselementosoelectrodo-mésticosseconectanenparalelo.Esonospermitehacercircularcorrientesolamente por el que necesitamos, independientemente de que los de-másesténencendidosono.(Imagínateelabsurdoqueseríaquetodoslosaparatosdebanfuncionaralavez).Laslucesqueadornanlosárbolesdenavidad,esunejemplodereceptores,enestecasolamparitas,conectadasenserie.Todaslaslámparasestánconectadasenserie.Unadeellastieneundispositivo,generalmentetérmico,quefuncionacomointerruptor.Alcortarelpasajedelacorriente,hacequetodasseapaguen;cuandovuelveadejarpasarcorriente,todaslaslámparasseenciendennuevamente.
Ejemplo 1
Uncircuitodecorrientecontinuaestá formado por un generador,treslámparasytresinterruptorescomomuestralafigura10.
a) Describecómoseencuentranconectadaslaslámparas.Lalámparas1y2estánconecta-das a los mismos puntos del cir-cuito,porloqueestánenparale-lo.Lalámpara3estáconectadaacontinuación, por lo que está enserieconrespectoa1y2.
b) ¿Qué lámparas se enciendenalcerrarelinterruptor3?Alcerrarelinterruptor3nosecie-rrauncircuito,porloqueningunadelastreslámparasseenciende.
c) ¿Qué interruptores debo ce-rrarparaqueseenciendalalám-para1?Debemos cerrar el interruptor 1para que el circuito se cierre porla lámpara1,peroestonoessu-ficiente porque el circuito estáabierto en el interruptor 3. Porlo tanto para que se encienda lalámpara1debemoscerrarlosinterruptores1y3.
Si por un conductor circula una corriente eléctrica, por una seccióntransversaldelmismopasaciertacantidaddecarga,yaqueestasseestándesplazandoporelconductor(fig11).
Fig. 12. André-Marie Ampère (1775 - 1836) matemá-tico y físico francés, generalmente considerado como uno de los descubridores del electromagnetismo. En 1822 estableció los principios de la electrodinámica. En 1827 publicó su Teoría matemática de los fenómenos electrodinámicos, donde expuso su famosa ley.
Fig. 11 . Las cargas en movimiento atraviesan la sección transversal del conductor.
¿Qué genera la fuente para que se establezca una corriente eléctrica por el conductor?
Para que las cargas circulen, la fuente realiza un trabajo sobre ellas.Cuandoelgeneradorlesrealizaestetrabajoalascargas,lescedeenergía.Lascargastransportandichaenergíaalosdiferentesreceptores,dondeestransformadaenotrotipodeenergía.Secumpleelprincipiodeconserva-cióndelaenergía:
Fig. 14. Alessandro Volta (1745-1827), Físico e inventor italiano famoso por desarrollar la pila eléctrica, que permite obtener corriente continua durante un tiempo prolongado.
a) Determinalaintensidadquecirculaporelresistor2.Deacuerdoalaleydelosnudos,I
T=I
1+I
2porlotantoI
T-I
1=I
2
Sustituyendo,0,120A-0,050A=I2
⇒ I2=0,070A
b) ¿Cuáldelosdosresistoresestáconectadoaunamayorddp?Comoestánconectadosalmismopardepuntosestánconectadosenparalelo,ysuddpesigual.
Instrumentos de medida
Elamperímetro eselinstrumentoquenospermitemedirlaintensidaddecorrienteenunpuntodelcircuito.Seconectaenserieconloselemen-tos del circuito (fig. 21). Recuerda que por componentes conectados enseriecirculalamismaintensidaddecorrienteeléctrica.
28) ¿Qué es un voltímetro? Explica como se conecta a un circuito paraquefuncionecorrectamente.
29) ¿Quéesuntester?
30) ¿Aquéseconsiderauninstrumentoideal?
31) ¿Existendichosinstrumentos?
Problemas
1) Por una sección transversal de un conductor circulan 30C de cargaenuntiempode10minutos.Calculalaintensidadporelconductor.Expresaelresultadoenmicroampereymiliampere.
2) Porunconductorcirculaunaintensidadde500mA.
a) Determinalacargaeléctricaquecirculaporunaseccióntransver-saldelconductorenuntiempode30s.
b) ¿Cuántos electrones corresponden a la carga calculada en lapartea?
3) Por un conductor circula una intensidad de corriente de 25µA. ¿Encuántotiempocircularáunacargaeléctricade2,0Cporunaseccióntransversaldelconductor?