La corriente eléctrica en los fenómenos cotidianos

LECCIÓN

3

Los fenómenos electromagnéticos

Simbología que usaremos en los circuitos eléctricos 3.1 La corriente eléctrica en los fenómenos cotidianos

¿Qué pasaría si te pidieran una lista de aparatos o dispositivos que funcionan con electricidad? ¿Cuántos aparatos o dispositivos eléctricos conoces o manipulas? La fuente de electricidad puede ser la toma de corriente (enchufe), pilas o baterías eléctricas. ¿Sería muy amplia tu lista?, ¿qué pasa si la pregunta se invierte? Es decir, ¿cuántos aparatos o dispositivos utilizas que no funcionen con electricidad?

La electricidad es el tipo de energía más empleada en la actualidad. ¿Pero sabes qué es la electricidad? La interacción de las cargas eléctricas (q) estáticas o en movimiento generan este fenómeno. Las cargas en reposo producen fuerzas sobre otras cargas cercanas, como lo estudiaste en el Bloque 2, con la fuerza de Coulomb. Cuando las cargas se desplazan generan corriente eléctrica (I), como en el Ateneo “¿Se prende el foco?”, que hiciste en la primera lección de este Bloque.

Allí construiste un circuito eléctrico, que es un trayecto o ruta cerrada de una corriente eléctrica, y viste que no todos los materiales encendieron el foco. Eso se debe a que no en todos circulan los electrones.

En los metales los electrones circulan libremente, por eso llamamos conductores a estos materiales; en cambio, en los materiales aislantes sus electrones no se mueven con libertad. La plata y el cobre son buenos conductores, mientras que el vidrio, el ámbar o el plástico, son aislantes.

En las actividades de las páginas 175, 176 y en el proyecto “Construye un dispositivo eléctrico” (páginas 194-195) podrás encontrar aplicaciones del circuito eléctrico.

4.12. Un circuito eléctrico, su representación esquemática y simbología de sus elementos. Sabemos que los electrones circulan del negativo al positivo, sin embargo, la convención aceptada dibuja el sentido de la corriente del positivo al negativo.

4.13. Los electrones viajan del negativo al positivo por el alambre: llamamos a esto corriente eléctrica.

e

¿Qué hace que se desplacen los electrones?

El voltaje o diferencia de potencial

Cuando electrificaste un globo en el Bloque 2, mencionamos que un cuerpo tiene carga negativa porque posee un exceso de electrones; y que si su carga es positiva se debe a que le faltan electrones. ¿Y qué ocurre si conectas un cuerpo con carga eléctrica negativa a otro que tiene carga positiva, por medio de un alambre conductor?

Sucede que los electrones en exceso de un cuerpo () pasarán por el alambre, al cuerpo () al que le faltan electrones, hasta que ambos equilibren su número de electrones, y generarán una corriente eléctrica en el alambre. Entonces, para que los electrones circulen, debe existir una carga positiva que atraiga a los electrones, y otra carga negativa en diferentes extremos de un conductor.

En el Bloque 2, páginas 82-83, viste que un objeto a una altura (h) tiene una energía potencial, que lo hará moverse en cuanto lo sueltes. Esta energía existe porque hay una fuerza gravitacional que atrae al objeto. Los electrones de la esfera cargada negativamente, experimentan entre sí una fuerza de repulsión y una de atracción hacia la esfera cargada positivamente, por lo que tienen una energía potencial eléctrica (E) que los hará moverse en cuanto tengan un conductor para desplazarse.

Para trabajar con electricidad es conveniente utilizar el potencial o voltaje (V), que es la energía potencial eléctrica por cada carga (q). Esto se puede escribir de la siguiente manera:

potencial eléctrico energía potencial elé ctrica ; carga V E q

En el SI la energía E se mide en joules (J), y la carga q en coulombs (C), como ya sabías. Pero de aquí surge una nueva unidad: el volt (V) que mide precisamente el voltaje o diferencia de potencial.

El voltaje varía a lo largo del circuito y cuando no hay potencial entre dos puntos de un circuito no hay corriente.

En el Ateneo

1. ¡Ponte las pilas!

Las pilas y las baterías funcionan por medio de reacciones químicas, y cuando los reactivos se acaban cesa la posibilidad de generar corriente eléctrica. Pero, ¿sabes de qué están hechas y para qué sirve cada una de ellas?

Pilas secas: son de zinc-carbono. Las más comunes se utilizan en aparatos sencillos y de bajo consumo.

No se pueden recargar, por lo que se deben desechar cuando dejan de producir voltaje.

Pilas alcalinas: se fabrican con zinc-dióxido de manganeso. Tienen larga duración, pero no son recargables.

Pilas de níquel-cadmio (NiCd): son recargables y se usan en aparatos electrónicos, como teléfonos celulares, cámaras fotográficas o computadoras portátiles.

Sin embargo, tienen memoria, es decir debes esperar hasta que se consuman por completo para recargarlas; ya que si no lo haces, en las siguientes ocasiones sólo se recargará una parte.

Pilas de níquel-hidruro metálico (NiMH): son recargables, como las de NiCd. Tienen varias ventajas sobre las de NiCd y las están desplazando del mercado, porque no poseen memoria y eso permite recargarlas en cualquier momento.

Las sustancias químicas que contienen las pilas son muy contaminantes, a tal grado que su descomposición, según su tamaño, puede llevar hasta seis meses. Por ello es importante que trates de utilizar pilas recargables. Además, para desechar las pilas descargadas (sea cual sea su composición) hay que colocarlas en una bolsa de plástico transparente y sellada con cinta adherible o un alambre para evitar escapes. Esta bolsa se debe colocar en los recipientes de basura con la leyenda “Inorgánica” y sellados para evitar que se mezcle con otros residuos. ■ Reúnete con un compañero o compañera e investiga si en tu localidad hay un lugar para el reciclado de pilas. ■ Elabora un cartel en el que expliques el riesgo de contaminación, cuando no se tiene cuidado al desechar las pilas. Describe también cómo manejarlas para su desecho y dónde se pueden llevar. ■ Consulta las sugerencias de la página 42. ■ Colócalo a la vista de tu comunidad escolar para que animes a muchas personas a participar en el cuidado del medio ambiente, y no vuelvas a tirar más pilas sin el procedimiento adecuado.

Intensidad de corriente

Ya que sabemos por qué se mueven los electrones en un conductor, podemos calcular cuánta carga (q) pasa por un punto dado en un tiempo determinado (t), es decir, lo que llamamos intensidad de corriente eléctrica (I). Esto lo podemos expresar matemáticamente:

intensidad carga eléctrica tiempo I q t

sección del conductor

conductor

4.14. La sección de un conductor es el área de corte del alambre. Cuanto más “grueso”, mayor será el área.

La unidad del SI en que se mide la intensidad de la corriente eléctrica es el ampere (A), que se define como la cantidad de carga que pasa por una sección del conductor por segundo (s), es decir: ampere coulombs segundo ; A C s

Se le dio este nombre en honor del físico matemático francés André Marie Ampére (1775-1836).

Con ciencia

1. André Marie Ampére

¿Te imaginas cómo pudo haber sido la vida de un científico en la época de la Revolución Francesa? Pues bien, André Marie Ampére vivió en aquel entonces y fue un prodigio desde los doce años.

Conoce más sobre este científico, mediante una búsqueda en Internet con las palabras clave: Marie Ampére ■ Escribe un reporte lo que más te interesó y, para que ejercites los conceptos que este científico propuso, realiza los retos 4 y 5 de la sección “Mis retos demuestro lo que sé y lo que hago”, de la página 200. Entrega tu trabajo a la profesora o el profesor.

2. Frankenstein y las corrientes eléctricas

En 1818 Mary Wollstonecraft Shelley publicó su novela

Frankenstein o El Prometeo moderno. Todos hemos oído hablar de esta fabulosa historia de terror, pero lo genial de su autora es que logró integrar los conocimientos científicos de su época cuando tenía sólo 18 años. ¿Basta una corriente eléctrica para dar vida a una persona? Hoy en día sabemos que la vida es mucho más complicada que un flujo de energía eléctrica.

Sin embargo, ¿has observado cómo salta una persona que por accidente recibe una descarga eléctrica?

Pues bien, Luigi Galvani (1747-1798) observó que cuando aplicaba corriente al anca de una rana, ésta se contraía de forma abrupta. Los nervios de los seres vivos son conductores de corrientes eléctricas. Con la siguiente actividad, tú podrás sentir una corriente mínima, pero sin ningún daño.

Necesitas

1 limón 1 clip 1 pedazo de alambre de cobre

Procedimiento

■ Encaja el clip y el pedazo de alambre de cobre en el limón, separados un centímetro aproximadamente. ■ Si colocas tu lengua en los extremos de los dos pedazos de alambre (cobre y el clip), sentirás un pequeño cosquilleo. ¿Ahora qué puedes decir acerca de la idea de Mary Shelley? En la actualidad se sabe que la contracción de los músculos de las ranas de Galvani es un reflejo, es decir, una respuesta simple, no aprendida, del sistema nervioso. Sin necesidad de usar la electricidad puedes experimentar un reflejo. ■ Siéntate de modo que tus pies no toquen el piso, es decir, déjalos colgando. ■ Date golpecitos debajo de la rodilla y sentirás cómo se mueve tu pierna, sin que puedas controlarla. Es posible que esto lo hayas experimentado con tu médico, ya que es una prueba útil para el diagnóstico de tu estado de salud.

En el Ateneo

1. Qué tan rápido

La forma como se conduce un impulso nervioso se relaciona con los iones de sodio y potasio que hay en un nervio, así se produce un pulso eléctrico (semejante al que estudiaste en el movimiento ondulatorio, y que los médicos llaman potencial de acción) que viaja a lo largo del nervio. Hermann von

Helmholtz (1821-1894) logró medir este impulso nervioso y encontró un valor promedio para la rapidez de conducción de 27.5 m/s. Es decir, la rapidez con que nuestros nervios transmiten una señal, por ejemplo, cuando tu cerebro ordena: “¡Retira de inmediato tu mano de la plancha!, que está caliente”. ¿Te gustaría comprobar qué tan rápido es esto?

Necesitas

1 regla 1 amigo que haga la prueba contigo ■ Con lo que sabes de distancias y velocidades, responde las siguientes preguntas: • ¿Puedes medir el tiempo que transcurre entre la caída de la regla y el que tú deberías detenerla para evitar que cayera? ¿Por qué? • ¿Puedes deducirlo, si sabes que es un movimiento rectilíneo acelerado y si conoces la distancia? ■ Encuentra la respuesta y coméntala en el salón de clase con tus compañeros y compañeras.

En cualquier parte de un conductor que tiene un ampere de intensidad, están pasando ¡6.25  10 18 electrones (1 C) cada segundo! Como esta cantidad es muy grande, las intensidades de las corrientes eléctricas que tú usarás en el laboratorio por lo general se expresarán en miliamperes (1 mA = 10 3 A) o microamperes (1 μA = 10 6 A).

Los conductores también presentan cierta resistencia al paso de la corriente. Por ello, parte de la energía eléctrica se transforma en calor, lo que permite innumerables aplicaciones, como el uso de la plancha, la tostadora o la parrilla eléctrica. Esta resistencia está relacionada con el tipo de material, la longitud del conductor y el grosor.

La intensidad de la corriente eléctrica (I) que pasa por un conductor tiene relación con la resistencia (R) del conductor y con la diferencia de potencial (V) de la fuente de poder. Cuanto mayor es esa diferencia, mayor es la intensidad de la corriente, mientras que si la resistencia es mayor, la intensidad es menor.

Esta relación fue determinada por el físico alemán Georg Simon Ohm (1789-1851), quien enunció una ley que lleva su nombre, y que dice: la intensidad de corriente (I) que pasa por un conductor, es directamente proporcional a la diferencia de potencial (V) o voltaje, e inversamente proporcional a la resistencia (R) que presenta.

4.15. Debes colocarte como se muestra en las fotografías y estar listo para tomar la regla con tus dedos, evitando que caiga al suelo.

¿Sabías...

...qué son los superconductores?

En 1911 el físico holandés Heike

Kamerlingh Onnes descubrió que algunos metales podían conducir la electricidad sin resistencia, si su temperatura era cercana a los ¡273 ºC bajo cero!

Dado que conseguir temperaturas tan bajas resulta muy costoso, el principal objetivo ahora es encontrar los llamados materiales superconductores que operen a temperaturas más altas.

En 1985 los físicos K. A. Müller y J. G. Bednorz descubrieron un material cerámico que podría ser superconductor a una temperatura un poco mayor (unos 240 ºC bajo cero). Por este trabajo ganaron el Premio Nobel en 1987. Desde entonces se han hallado compuestos que presentan superconductividad, a la temperatura de –109 °C, que se puede alcanzar con refrigeradores de aire. Además, se han descubierto algunos efectos superconductores a –23 °C, que es posible encontrar en muchos puntos de la superficie de nuestro planeta.

Los materiales superconductores se usan en la investigación científica y tecnológica. Si se lograra su comercialización, tendrían muchas aplicaciones tecnológicas, por ejemplo, que no se degrade la energía eléctrica al transportarla desde los centros de fabricación hasta los de consumo, también almacenarla y reducir el consumo de electricidad en los aparatos que funcionan con esta energía, por ejemplo, hacer que un televisor funcione todo un día con dos pilas. Podemos representar la ley de Ohm como: intensidad diferencia de potencial resist encia o sea I V R

Para obtener la definición de la unidad con que se mide la resistencia en el SI, se despeja la resistencia y tenemos:

R V I

Un conductor presenta la resistencia de un ohm (), cuando deja pasar la corriente de un ampere (A), si se aplica una diferencia de potencial de un volt (V): V A

Nota que el símbolo “V” se usa para voltaje en la ecuación R V , y para volts en V I . Ten cuidado porque en el primer caso representa la A magnitud, mientras que en el segundo, a su unidad.

En el Ateneo

Cálcula la resistencia

Lee el texto de abajo y resuelve los retos. Te sugerimos que realices los pasos para resolver los retos que se te plantean en las secciones “Mis retos demuestro lo que sé y lo que hago”, o desarrolles los que acuerdes con tu profesora o profesor.

Los alambres que se utilizan para conectar los elementos de un circuitos presentan poca resistencia al paso de la corriente, pero se pueden incluir elementos (por ejemplo, alambres de otros materiales) que poseen una mayor resistencia, con el fin de elevar su temperatura cuando la corriente circula a través de ellos. Éste es el principio por el que funcionan muchos aparatos eléctricos, cuyo objetivo es producir un intercambio de calor, como la plancha, el tostador de pan, u otros.

En México, y algunos otros países, el voltaje que se obtiene al conectar un dispositivo al enchufe, por lo general es de 120 V. Si conectaras la plancha y sabes que por ella circula una corriente de 7.5 amperes, ¿cuál sería su resistencia? Compara este resultado con la resistencia de 1 200 ohmios de los dedos de una mano. ¿Somos buenos conductores? ¿Cuánta corriente puede circular por una mano si tocara las terminales de una pila de 1.5 V? ¿Qué pasaría si el voltaje es mayor? Comenta en grupo tus resultados.

¿Sabías...

… que existen circuitos en serie y paralelo?

Tanto las pilas como las resistencias se pueden conectar en serie o en paralelo. En un circuito en serie, toda la corriente debe pasar por todos los elementos. Si uno falla, la corriente se interrumpe, por ejemplo las luces de Navidad. En un circuito en paralelo la corriente puede circular por los otros elementos del circuito, aunque uno de ellos deje de funcionar. Un ejemplo son las luces que tenemos en las casas.

Al conectar dos o más pilas en serie o paralelo, se tiene una batería. Si la batería se conecta en paralelo, el voltaje es el mismo que con una sola pila pero dura más tiempo, y si se conecta en serie, se suman los voltajes de cada una.

4.16. Cuando los elementos de un circuito están conectados en serie, la corriente es igual en todo el circuito. I I 1 I 2 I 3 … I n La resistencia total es la suma de todas.

R T R 1  R 2  R 3  …  R n

En el proyecto 4.1 de la página 194 podrás medir los voltajes de cada elemento.

4.17. Cuando los elementos de un circuito están conectados en paralelo el voltaje es igual para cada segmento del circuito. VV 1 V 2 V 3 … V n En este caso la resistencia total es la suma de los inversos de las resistencias.

1 111 1 ...    T 12 3 n R RRR R

En el proyecto 4.1 de la p. 194 podrás medir la corriente de cada elemento.

a

A

b

4.18.a El multímetro nos permite conocer tanto la intensidad de la corriente (amperaje), como la diferencia de potencial (voltaje) y la resistencia. Al conectar el multímetro debes seguir las indicaciones de medida de corriente y voltaje. 4.18.b Los amperímetros miden la corriente. Se conectan en serie.

4.18.c Los voltímetros miden el voltaje. Se conectan en paralelo.

En el Ateneo

Mido corriente y voltaje.

Procedimiento

■ Organiza un equipo con tres o cuatro compañeras y compañeros. El objetivo es que aprendas a manejar los dispositivos para medir la corriente y el voltaje de un circuito eléctrico. Para ello, construirás un dispositivo similar al que realizaste en el Ateneo “¿Se prende el foco?”, de la página 164.

Necesitas

2 pilas de 1.5 V 1 foco de lámpara de mano de 3 V 1 soporte para foco 1 multímetro o 1 amperímetro 1 voltímetro

Procedimiento para medir corriente

Antes de conectar el circuito debes escuchar y anotar las indicaciones de tu profesor o profesora para saber cómo se elige la escala de medición en el aparato y cómo seleccionas que mida corriente eléctrica, en el caso de que estés usando un multímetro.

Si los dispositivos no se conectan correctamente pueden estropearse. ■ Conecta el circuito como se muestra en la figura 4.18b. ■ Si tu instrumento es un multímetro, selecciona amperes, de manera que esté listo para medir la corriente. ■ Observa que el aparato esté conectado en serie. Para medir corriente, el amperímetro debe conectarse en serie. ■ Mide la corriente y anótala en tu cuaderno. Utiliza la información del recuadro “Con ciencia” de la página 15 para indicar la incertidumbre de tu medición.

Procedimiento para medir voltaje

■ Antes de conectar el circuito recuerda las indicaciones de tu profesor o profesora para elegir la escala de medición y selecciona la medición de voltaje si estás usando un multímetro. ■ Conecta el circuito como se muestra en la figura 4.18c. ■ Observa que el aparato está conectado en paralelo. Para medir voltaje se debe conectar el voltímec tro en paralelo. ■ Mide el voltaje y anótalo en tu cuaderno. Indica la incertidumbre de tu medición.

6

Con ciencia

1. El foco

Un foco o lámpara incandescente es un dispositivo que produce luz mediante el calentamiento, por el paso de corriente eléctrica a través de un filamento metálico.

El invento de la lámpara es una contribución de Thomas Alva Edison, quien, el 21 de octubre de 1879, dio a conocer una bombilla desarrollada por él, que permaneció encendida durante 48 horas ininterrumpidas. Sin embargo, otros inventores habían probado varios diseños en condiciones de laboratorio.

Un foco tiene un filamento de tungsteno muy fino, encerrado en una ampolla de vidrio en la que se ha hecho el vacío o rellenado con un gas no inflamable (o incombustible). Se completa con un casquillo metálico, en el que se disponen las conexiones eléctricas. Cuando la corriente entra por una de sus conexiones y circula por el filamento que tiene una mayor resistencia, lo calienta (con seguridad has observado que los focos se calientan), pero no se prende fuego porque no hay oxígeno adentro (por ello debe haber vacío o un gas inerte), y la corriente sale por la otra conexión.

Una forma de clasificar a los focos es por su potencia. La potencia se expresa como la energía ( E ) que se consume en un tiempo (t), mediante: P E t

En el caso del foco, E es la energía eléctrica.

Otra forma de expresar potencia en un dispositivo eléctrico es el producto del voltaje (V) que hay entre sus extremos por la intensidad (I) que lo recorre P VI

La unidad de la potencia en el Sistema Internacional es el watt (W), o vatio.

Ahora, cuando vayas a comprar un foco de ciertos watts, ya sabes qué significa. Analiza los retos 7 a 9, de la p. 200, y comienza el proyecto “Ahorradores de energía”, de la página 232.

4.19. Lámpara incandescente y su filamento encendido. Es la de menor vida útil, unas 1 000 horas, pero es la más popular por su bajo precio y el color cálido de su luz.

¿Qué aprendí en esta lección?

La corriente eléctrica es el paso de electrones de un cuerpo con carga eléctrica negativa a otro con carga eléctrica positiva por medio de un conductor.

Hay tres magnitudes importantes para estudiar el comportamiento de las corrientes eléctricas: la intensidad de corriente (I), la diferencia de potencial (V) y la resistencia al paso de la corriente (R).

La Ley de Ohm establece la relación entre estas tres cantidades y se expresa por: I V R

Hay circuitos eléctricos que pueden estar conectados en serie y paralelo.