1. Introducción
2. Definiciones
3.
4.
5.
Efectos
de la corriente sobre el organismo
6.
7.
- Recordatorio
- Seguridad
y salud: instrucciones operativas. - Primeros
auxilios en caso de accidente eléctrico - Conexión
a tierra - Los
peligros eléctricos - Como
podemos obtener corriente alterna
Si
una batería se utiliza para establecer una corriente eléctrica en un conductor,
existe una transformación continua de energía química almacenada en la batería
a energía cinética de los portadores de carga. Esta energía cinética se
pierde rápido como resultado de las colisiones de los portadores de carga con
el arreglo de iones, ocasionando un aumento en la temperatura del
conductor. Por lo tanto, se ve que la energía química almacenada en la
batería es continuamente transformada en energía térmica. Considérese un
circuito simple que consista de una batería cuyas terminales estén conectadas a
una resistencia R, como en la figura 4.3. La terminal positiva de la batería
está al mayor potencial. Ahora imagínese que se sigue una cantidad de
carga positiva 
Q
moviéndose alrededor del circuito desde el punto a a través de la batería y de
la resistencia, y de regreso hasta el punto a.
El punto a es el punto de referencia que está aterrizado y su potencial
se ha tomado a cero. Como la carga se mueve desde a hasta b a través de
la batería su energía potencial eléctrica aumenta en una cantidad V Q (donde
V es el potencial en b) mientras que la energía potencial química en la batería
disminuye por la misma cantidad. Sin
embargo, como la carga se mueve desde c hasta d a través de la resistencia,
pierde esta energía potencial eléctrica por las colisiones con los átomos en la
resistencia, lo que produce energía térmica. Obsérvese que si se
desprecia la resistencia de los alambres interconectores no existe pérdida en
la energía en las trayectorias bc y da. Cuando la carga regresa al punto
a, debe tener la misma energía potencial (cero) que tenía al empezar.
Un
circuito consta de una batería o fem E y de una resistencia R. La carga
positiva fluye en la dirección de las manecillas del reloj, desde la terminal
negativa hasta la positiva de la batería. Los puntos a y d están
aterrizados.
La rapidez con la cual la carga Q pierde
energía potencial cuando pasa a través de la resistencia está dada por :
U Q
=
V = IV
t t
donde I es la corriente en el circuito. Es cierto que la carga vuelve a
ganar esta energía cuando pasa a través de la batería. Como la rapidez
con la cual la carga pierde la energía es igual a la potencia perdida en la
resistencia, tenemos :
P = IV
En este caso, la potencia se suministra a la resistencia por la
batería. Sin embargo, la ecuación anterior puede ser utilizada para
determinar la potencia transferida a cualquier dispositivo que lleve una
corriente I, y tenga una diferencia de potencial V entre sus terminales.
Utilizando la ecuación anterior y el hecho de que V=IR para una resistencia, se
puede expresar la potencia disipada en las formas alternativas :
P=
I²R = V²
R
Cuando I
está en amperes, V en volts, y R en ohms, la unidad de potencia en el SI es el
watt (W). La potencia perdida como calor en un conductor de resistencia R
se llama calor joule; sin embargo, es frecuentemente referido como una perdida
I²R.
Una batería o cualquier dispositivo que produzca energía eléctrica se llama
fuerza electromotriz, por lo general referida como fem.
Ejemplo. Potencia en
un calentador eléctrico
Se construye un calentador eléctrico aplicando una diferencia de
potencial de 110V a un alambre de nicromo cuya resistencia total es de
8?. Encuéntrese la corriente en el alambre y la potencia nominal del
calentador.
Solución
Como V=IR, se tiene :
Se puede encontrar la potencia nominal utilizando P=I²R :
P = I²R = (13.8 A)² (8) = 1.52 kW
Si se duplicaran el voltaje aplicado, la corriente se duplicaría
pero la potencia se cuadruplicaría.
electricidad
se refieren a las corrientes eléctricas. Por ejemplo, la batería de una
lámpara suministra corriente al filamento de la bombilla (foco) cuando el
interruptor se coloca en la posición de encendido. Una gran variedad de
aparatos domésticos funcionan con corriente alterna. En estos casos
comunes, el flujo de carga se lleva a cabo en un conductor, como un alambre de
cobre. Sin embargo, es posible que existan corrientes fuera del
conductor. Por ejemplo, el haz de electrones en un cinescopio de TV
constituye una corriente
movimiento a través de un área A. La dirección de la
corriente es en la dirección en la cual fluirían las cargas positiva.
Siempre
que cargas eléctricas del mismo signo están en movimiento, se dice que existe
una corriente. Para definir la corriente con más precisión, supongamos
que las cargas se mueven perpendicularmente a un área superficial A como en la
figura 4.1. Por ejemplo, esta área podría ser la sección trasversal de un
alambre. La corriente es la rapidez con la cual fluye la carga a través de esta
superficie. Si Q es la cantidad de carga que pasa a través de esta
área en un tiempo t, la corriente promedio, Ip, es igual a la razón de la
carga en el intervalo de tiempo :
Ip = Q
t
Si la rapidez con que fluye la carga varía con el tiempo, la
corriente también varía en el tiempo y se define la corriente instantánea, I,
en el límite diferencial de la expresión anterior :
I
= dQ
dt
La unidad de corriente en el SI es el ampere (A), donde : 1A
= 1 C/s
Es decir, 1 A de corriente equivale a que 1 coulomb de carga que
pase a través de la superficie en 1 s. En la práctica con frecuencia se
utilizan unidades más pequeñas de corriente, tales como el miliampere
(1mA=10¯³A) y el microampere (1µA=10¯6 A).
Cuando las cargas fluyen a través de la superficie en la figura
4.1, pueden ser positivas, negativas o ambas. Por convención se escoge la
dirección de la corriente como la dirección en la cual fluyen las cargas
positivas. En un conductor como el cobre, la corriente se debe al
movimiento de los electrones cargados negativamente. Por lo tanto, cuando
hablamos de corriente en un conductor ordinario, como el alambre de cobre, la
dirección de la corriente será opuesta a la dirección del flujo de
electrones. Por otra lado, si uno considera un haz de protones cargados
positivamente en un acelerador, la corriente está en la dirección del
movimiento de los protones. En algunos casos, la corriente es el
resultado del flujo de ambas cargas positiva y negativa. Esto ocurre, por
ejemplo, en los semiconductores y electrólitos. Es común referirse al
movimiento de cargas (positivas o negativas) como el movimiento de portadores
de carga. Por ejemplo, los portadores de carga en un metal son los
electrones.
Resistencia
Es
la oposición de un material al flujo de electrones. La resistencia R del
conductor esta dada por :
R = V
I
De
este resultado se ve que la resistencia tiene unidades en el SI de volts por
ampere. Un volt por un ampere se define como un ohm () :
1=
1 V/A
Es
decir, si una diferencia de potencial de 1 volt a través de un conductor
produce una corriente de 1 A, la resistencia del conductor es 1. Por
ejemplo, si un aparato eléctrico conectado a 120 V lleva corriente de 6 A, su
resistencia es de 20.
Las bandas de colores en un resistor representan un código que representa el
valor de la resistencia. Los primeros dos colores dan los dos primeros
dígitos del valor de la resistencia el tercer color es el exponente en
potencias de diez de multiplicar el valor de la resistencia. El último
color es la tolerancia del valor de la resistencia. Por ejemplo, si los
colores son naranja, azul, amarillo y oro, el valor de la resistencia es 36X104
o bien 360K, con una tolerancia de 18K (5%).
Las
bandas de colores en un resistor representan un código que representa el valor
de la resistencia.
Código de
colores para resistores.
Resistividad
El
inverso de la conductividad de un material se le llama resistividad p :
p = 1
ô
Resistividades
y coeficientes de temperatura para varios materiales.
Densidad de corriente
Considérese un conductor con área de sección trasversal A que
lleva una corriente I. La densidad de corriente J en el conductor se
define como la corriente por unidad de área. Como I = nqvdA, la densidad
de corriente está dada por :
J
= I
A
donde J tiene unidades en el SI de A/m2. En general la densidad de
corriente es una cantidad vectorial. Esto es,
J= nqvd
Con base en la definición, se ve también que la densidad de
corriente está en la dirección del movimiento de las cargas para los portadores
de cargas positivos y en dirección opuesta a la del movimiento de los
portadores de carga negativos.
Una densidad de corriente J y un campo eléctrico E se establecen
en un conductor cuando una diferencia de potencial se mantiene a través del
conductor. Si la diferencia de potencial es constante, la corriente en el
conductor será también constante.
Con mucha frecuencia, la densidad de corriente en un conductor es
proporcional al campo eléctrico en el conductor. Es decir,
J=ôE
Conductividad
Con mucha frecuencia, la densidad de corriente en un conductor es
proporcional al campo eléctrico en el conductor. Es decir,
J=ôE
donde la constante de proporcionalidad ô se llama la conductividad
del conductor. Los materiales cuyo comportamiento se ajustan a la
ecuación anterior se dice que siguen la ley de Ohm, su nombre se puso en honor
a George Simon Ohm.
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