Teoría Corriente Continua

Corriente Continua

Descripción de Corriente Continua

Cuando se conecta una trayectoria conductora continua, como un alambre, con los terminales de una pila, obtenemos un circuito eléctrico. El dispositivo que recibe carga de una batería no siempre es un alambre, sino que puede ser una bombilla de luz, un aparato de sonido o cualquier otra cosa. Cuando se forma este circuito, la carga puede pasar por él de un terminal de la pila a otro. A este flujo de carga se le llama “Corriente Continua”.

Con más propiedad, la corriente eléctrica de un conductor se define como la cantidad neta de carga que pasa por él, por unidad de tiempo, en cualquiera de sus puntos. Así, la corriente media I se define como:

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Donde ∆Q es la cantidad de carga que pasa por una sección transversal del conductor en un punto dado, durante el intervalo ∆t. La corriente eléctrica se mide en Coulombs por segundo, unidad que recibe el nombre especial de ampere (abreviado amp o A) en honor del físico francés André Ampère.

Cuando se conecta un alambre conductor a las terminales de una pila, son en realidad los electrones con carga negativa los que fluyen por el alambre. Cuando se conecta primero el alambre, la diferencial de potencial entre las terminales de la batería crea un campo eléctrico dentro del alambre paralelo al mismo. De este modo, los electrones libres de un extremo del alambre son atraídos a la terminal positiva y, al mismo tiempo, en el otro extremo los electrones dejan la terminal negativa de la pila y entran al conductor. Así, hay un flujo continuo de electrones por el alambre, que se inicia tan pronto como éste se conecta a ambas terminales.

Cuando hablamos de la corriente que pasa por un circuito, sobreentendemos que es la dirección que tomaría una carga positiva. A esto suele llamarse corriente convencional. Cuando se desea hablar de la dirección del flujo de los electrones, se mencionará específicamente que se trata de la corriente de electrones. En los líquidos y en los gases se pueden mover tanto las cargas, o iones, positivas o negativas.

 

Ley de Ohm:

Para producir una corriente eléctrica en un circuito se necesita una diferencia de potencial. Fue George Simon Ohm quien estableció en forma experimental que la corriente de un conductor metálico es proporcional a la diferencia de potencial V aplicada a sus extremos.

La cantidad de corriente que pasa por un conductor no sólo depende del voltaje, sino también de la resistencia que el conductor ofrece al flujo de electrones, y mientras mayor es la resistencia, menor será la corriente para determinado voltaje V, quedando la relación:

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Los materiales o dispositivos que no cumplen con la ley de Ohm se llaman no óhmicos.

Todos los artículos eléctricos, desde las bombillas de luz hasta los calentadores o los amplificadores estereofónicos, ofrecen resistencia al flujo de corriente. Por lo general, los cables de conexión tienen una resistencia muy baja. En muchos circuitos, en especial en los aparatos electrónicos, se usan resistores para controlar la cantidad de corriente. Los resistores tienen resistencias desde menos de un ohm hasta millones de ohms. Los dos tipos principales de resistores son:

  • Potenciómetros: que consisten en una bobina de alambre fino.
  • Composición: que normalmente se fabrican con carbón semiconductor.

 

Resistividad:

Experimentalmente se ha encontrado que la resistencia de un alambre metálico es directamente proporcional a su longitud L e inversamente proporcional al área de su sección transversal A. Es decir:

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En la cual, ϕ, la constante de proporcionalidad, se llama resistividad y depende del material que se usa. Esta ecuación tiene sentido, ya que esperamos que la resistencia de un alambre grueso sea menor que la de uno delgado, puesto que uno grueso tiene más área por la cual pueden pasar los electrones.

 

Los valores típicos de ϕ, cuyas unidades son Ω·m, dependen de la pureza, el tratamiento térmico, la temperatura y otros factores. En general, la resistencia de los metales aumenta conforme aumenta la temperatura, a temperaturas más elevadas, los átomos se mueven con mayor rapidez y por tanto, se espera que interfieran más con el flujo de los electrones. Si el cambio de temperatura no es demasiado grande, la resistividad de los metales aumenta casi linealmente con la temperatura. Es decir:

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Donde ϕ0 es la resistividad a una determinada temperatura de referencia y α es el coeficiente térmico de la resistividad.

 

Superconductividad:

A bajas temperaturas, la resistividad de ciertos metales y sus compuestos o aleaciones se vuelve cero, según indican las técnicas de medición más precisas. Cuando un material está en estas condiciones se llama “superconductor”. El fenómeno de la superconducción fue por primera vez observado por H.K.Onnes en 1911 cuando enfriaba mercurio a -4,2K. Onnes encontró que, a esa temperatura, la resistencia del mercurio bajaba súbitamente a cero. En general, los superconductores adquieren este estado sólo cuando bajan más allá de determinada temperatura de transición, que suele estar unos cuantos grados arriba del cero absoluto. Se ha observado que, en ausencia de una diferencia de potencial, la corriente puede fluir durante años por un material superconductor en forma de anillo, sin una disminución apreciable. Las mediciones muestran que la resistividad de los superconductores es menor que 4·1025 Ω·m, que es más de 1016 veces menor que la correspondiente al cobre y, en la práctica, se le considera como cero.

Un uso importante de la superconductividad es el de hacer circular la corriente por un electroimán. En los imanes grandes se necesita una cantidad enorme de energía sólo para mantener la corriente, y esa energía se desperdicia en forma de calor. El uso de los superconductores a mayores temperaturas permitiría que los motores y generadores fueran mucho más pequeños. La transmisión de la energía a grandes distancias mediante los superconductores requeriría también de líneas de transmisión mucho menores y menos costosas.

 

Potencia eléctrica:

La energía eléctrica es útil porque se puede transformar con facilidad en otras formas de energía. Los aparatos transforman la energía eléctrica en térmica o en luz debido a que, por lo general, la corriente es grande y ocurren muchos choques entre los electrones en movimiento y los átomos del conductor. En cada choque, parte de la energía cinética del electrón se transfiere al átomo contra el cual choca. Como resultado de ello, la energía cinética de los átomos aumenta y, por tanto, aumenta la temperatura del elemento. La energía térmica resultante, que es energía interna, puede transmitirse en forma de calor por conducción o convección, al aire en un calefactor o al alimento en una estufa, por radiación al pan del tostador, o bien puede irradiarse en forma de luz.

Para calcular la potencia que es la rapidez de transformación de la energía, es:

 

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La carga que pasa por segundo, Q/t, es simplemente la corriente eléctrica I. Por tanto, llegamos a:

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FORMULARIO RESUMEN:

 

Intensidad de corriente:

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siendo: n= número de electrones por unidad de volumen; e= carga del electrón; s= sección del conductor; v= velocidad de los electrones.

 

Densidad de corriente:

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siendo: σ= conductividad.

 

Resistividad:

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Ley de Ohm para un hilo conductor:

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Factores de los que depende la resistencia:

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siendo: l= longitud del conductor; S= sección.

 

Variación de la resistividad con la temperatura:

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Trabajo de una corriente eléctrica:

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Potencia de una corriente eléctrica:

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Efecto Joule:

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Diferencia de potencial entre dos puntos del circuito:

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Diferencia de potencial entre sus bornes:

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Ley de Ohm generalizada:

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Diferencia de potencial entre dos puntos de un circuito:

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Leyes de Kirchhoff:

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Asociación de resistencias:

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Asociación de n generadores iguales:

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