República Bolivariana de Venezuela. Ministerio del Poder Popular para la Educación. Unidad Educativa “Las Américas” Rubio- Estado Táchira.
Corriente y Resistencia Eléctrica
Material recopilado por: Prof. Luis J. Acero
Rubio, Abril de 2014.
CORRIENTE ELÉCTRICA Y RESISTENCIA. Electrodinámica. Es la parte de la física encargada del estudio de las cargas eléctricas en movimiento. Corriente Eléctrica. Es el movimiento ordenado y permanente de las cargas eléctricas de un conductor, bajo la influencia de un campo eléctrico. Se escoge por convención, que el sentido de la corriente eléctrica es el sentido en el cual fluyen las cargas positivas, es decir el sentido de la corriente a través de un circuito será del polo positivo de la pila al polo negativo. Cuando se habla de una corriente eléctrica se supondrá que estamos hablando de la corriente convencional hasta tanto no se diga lo contrario. Corriente Convencional. Es una corriente imaginaria, constituida por cargas positivas que se desplazan en sentido opuesto hacia las cargas negativas. Efectos De La Corriente Eléctrica. La corriente eléctrica es de gran importancia y utilidad por el conjunto de efectos que producen los conductores por los cuales atraviesa y los alrededores. Entre esos efectos tenemos: 1. Efecto Térmico: Se produce cuando un conductor es atravesado por una corriente eléctrica, trayendo como consecuencia que dicho conector se caliente. En este caso la energía eléctrica es convertida en energía calorífica, tal como ocurre cuando se calienta una plancha o una hornilla eléctrica en la cocina y cuando se pone en funcionamiento un calentador de agua. 2. Efecto Químico: Se produce cuando la corriente eléctrica es llevada a través de cierta sustancia, trayendo como consecuencia cambios químicos en dicha sustancia. Así por ejemplo, si una corriente atraviesa agua con ácido, este se descompone en oxígeno e hidrógeno. Por este efecto algunas sustancias son alteradas químicamente cuando son atravesadas por una corriente eléctrica. A las soluciones acuosas, conductoras de la corriente, se les da el nombre de soluciones electrolíticas. 3. Efecto Magnético: Se lleva a cabo cuando alrededor de los conductores que transportan las corrientes eléctricas se producen campos magnéticos. Así, cuando se acerca una aguja magnética a un conductor que transporta corriente se observa que la aguja se desvía bruscamente de posición. Este efecto también es observado cuando se coloca limaduras de hierro alrededor de un conductor por el cual circula una corriente, notándose que las limaduras forman círculos concéntricos
alrededor del conductor. De esta forma funcionan bajo este principio los electroimanes, los aparatos eléctricos de medición, el teléfono, entre otros. 4. Efecto Lumínico: Se pone de manifiesto cuando al pasar la corriente a través de filamento se enciende una bombilla eléctrica. La energía eléctrica se transforma en energía luminosa. Es el caso de los tubos fluorescentes, tubos de descargas y diodos luminosos. 5. Efecto Fisiológico: Afecta a hombres y animales y consiste en el paso de corriente a través del cuerpo humano y de los animales. Originando la electrocución. Aquí se tienen los aparatos electromedicina y el sacrificio por electroshock del ganado. Fuentes De Corriente Eléctrica. Son dispositivos capaces de transformar las diferentes formas de energía tales como: la energía química, mecánica o térmica, en la energía eléctrica necesaria para producir la diferencia de potencial entre dos puntos. Para que una corriente en un conductor se mantenga siempre, es necesario establecer una diferencia de potencial entre dos puntos. Esto se logra conectando el conductor a una fuente generadora de corriente, la cual debe consumir otro tipo de energía para que sea capaz de generar energía eléctrica. Así la batería consume energía química, el dinamo consume energía mecánica y ambos son capaces de mantener una diferencia de potencial. 1. Generador Químico: Es considerado una pila, en el cual la diferencia del potencial entre los polos es mantenida gracias a las reacciones químicas internas que son capaces de liberar energía que mantiene la diferencia de potencial. 2. Generador Magnético: Estos efectos fueron descubiertos por Michael Faraday y Joseph Henry quienes observaron que al variar la magnitud de un campo magnético en una región cercana a un conductor, aparece un campo eléctrico y este produce una corriente eléctrica. Se basa en el hecho que cuando varía un cambio magnético se origina un campo eléctrico y como consecuencia una corriente. 3. Par Termoeléctrico: Es un generador capaz de transformar calor en energía eléctrica. Un uso importante de este generador esta dado en la medida y regulación de la temperatura. 4. Efecto Fotoeléctrico: Es el fenómeno que ocurre cuando la energía de los fotones de luz incide sobre la superficie de metales alcalinos (Sodio, Potasio, Cesio) y estos son capaces de emitir electrones. Un dispositivo basado en este hecho es la llamada célula fotoeléctrica, la cual es capaz de transformar energía radiante en energía eléctrica. Si la luz es brillante la corriente es más intensa que cuando la luz
es débil. Ella constituye el fundamento básico de los instrumentos y mecanismos regulados por la luz tales como la televisión, el cine, el abrir y cerrar puertas eléctricas. 5. Efecto Piezoeléctrico: Es el fenómeno que ocurre cuando hay aparición de cargas positivas y negativos al comprimir y dilatar ciertos cristales. Los generadores que son capaces de funcionar mediante este fenómeno se caracterizan porque cuando son sometidos a presiones débiles se originan voltajes pequeños que posteriormente pueden ser amplificados. Este tipo de generador es usado en micrófonos y estabilizadores de frecuencia. Intensidad de Corriente Eléctrica: Si observamos la forma en que fluye el agua a través de una tubería, se debe tener presente lo que significa el gasto, es decir, el volumen de agua que es capaz de fluir por una sección del tubo en una unidad de tiempo. De acuerdo a esto debería ser medida en unidades de volumen entre unidades de tiempo, pudiéndose escribir m³/s o litros/s, refiriéndose a intensidades de corrientes de agua. De manera semejante se define la intensidad de la corriente eléctrica, que es la cantidad de carga (q) que pasa por una sección transversal del conductor en una unidad de tiempo (t) Formula:
En donde: I q t
Intensidad de la corriente Carga que pasa por la sección del conductor. Tiempo que tarda en pasar dicha carga.
Ampere: El ampere, es la corriente que circula, cuando por la sección transversal del conducto atraviesa la carga de un coulomb en cada segundo.
Unidades:
De acuerdo con la ecuación de intensidad eléctrica, no es más que el cociente entre una unidad de carga eléctrica Coulomb (C) y una unidad de tiempo segundo (S). Se ha convenido en llamar a esta unidad Ampere (A), o Amperio pudiéndose escribir:
Submúltiplos y Equivalencias. Frecuentemente, se utilizan submúltiplos del Ampere (A), tales como: Submúltiplos mili Amper
mA
micro Amper
µA
Equivalencias
1µA= 10 -6 A
Corriente Continua y Corriente Alterna. Cuando se establece un campo eléctrico en un conductor se origina en una corriente eléctrica, cuyo sentido convencional es el mismo del campo eléctrico. Si este campo eléctrico permanece constante también será constante el sentido de la corriente, desplazándose las cargas en un mismo sentido, teniéndose así una corriente continua (C.C). Este tipo de corriente es proporcionada por las baterías de los automóviles, las pilas como las usadas en linternas y radios, las dinamos y las células fotovoltaicas. De esta forma, una corriente continua es aquella en la cual las cargas eléctricas dentro de los conductos se desplazan en un solo sentido. Por otra parte, cuando un aparato eléctrico es enchufado en el toma corriente de nuestra casa, el campo eléctrico en el conductor varia periódicamente de sentido, trayendo como consecuencia que las cargas eléctricas en el conductor se desplazaran unas veces en un sentido y otras en sentido opuesto, Aquí se dice, que la corriente eléctrica que circula cambia periódicamente de sentido, por lo que se llama corriente alterna. Una corriente alterna es aquella cuyas cargas eléctricas dentro del conductor circulan en uno y otro sentido, trayendo como consecuencia que la corriente cambie constantemente de sentido. La corriente que llega a nuestros hogares a través del tendido eléctrico es una corriente alterna. Este tipo de corriente alterna puede ser transformada en corriente continua haciendo uso de unos dispositivos llamados rectificadores, que tienen como función convertir la corriente alterna en corriente continua rectificada.
Conductividad Eléctrica. Es la mayor o menos capacidad que tiene un cuerpo o sustancia para conducir electricidad. Según su capacidad para conducir la corriente eléctrica, las sustancias pueden ser clasificadas en conductores, aislantes o dieléctricos y semiconductores. Los Conductores: Los constituyen las sustancias que tienen muchas partículas cargadas libres y, como consecuencia, conducen fácilmente la corriente. Los Aisladores o Dieléctricos: Constituyen sustancias que tienen pocas partículas cargadas libres, por lo que la intensidad de corriente es pequeña, aun cuando la diferencia de potencial sea muy grande. Los Semiconductores: Son un grupo de sustancias que tienen propiedades intermedias entre los conductores y los aisladores. Estos son usados como simples dispositivos de control en los aparatos electrónicos. Conductividad en los Gases. En forma general, los gases en condiciones ordinarias no son buenos conductores de la electricidad. La corriente eléctrica en los gases no es más que el movimiento de iones positivos y negativos, además de electrones libres. Conductividad de las Disoluciones. A las disoluciones, tales como las bases, las sales y los ácidos, se dice que son conductores de electricidad, llamándoles electrolitos. Las moléculas de estas sustancias se disuelven en dos partes electrizadas, una llamada cationes (iones positivos) y a otra llamada aniones (iones negativos). De lo dicho se deduce que la corriente eléctrica en las disoluciones (líquidos) está constituida por el movimiento de iones positivos y negativos desplazándose en sentidos opuestos.
Conductividad En Los Metales. Mientras en los líquidos y gases los transportadores de cargas son los átomos o grupos de átomos que han perdido su carga, en los metales los átomos no tienen libertad para moverse de un lugar a otro. Por lo que podemos decir, la corriente en los metales está constituida por los electrones libres en movimiento que se desplazan de un lugar a otro. Amperímetros y Voltímetros. Un amperímetro es un instrumento utilizado para medir la intensidad de la corriente en un circuito. Este aparato consta de una toma por donde entra la corriente cuya intensidad se desea medir, y otra toma por donde sale la corriente. Consta también de una escala graduada donde la aguja marca la intensidad de la corriente. Consta también de una escala graduada donde la aguja marca o la intensidad de la corriente. Él se ha de conectar en serie con el circuito, donde se abre para intercalarlo. El aparato consta de una resistencia con un valor muy pequeño, con el objeto de no modificar sensiblemente la corriente que se desee medir. Esto hace que sea muy delicado y susceptible de dañarse si es conectado en forma correcta. Un voltímetro es un instrumento utilizado para medir la diferencia de potencial entre dos puntos de un circuito. Él se conecta en paralelo con el circuito, donde se coloca entre los extremos la lamparita. El voltímetro consta de una resistencia interna muy grande, para que la corriente que se desvía a través de el sea bastante pequeña, casi despreciable. Esto hace que la perturbación causada en el circuito por su introducción no sea notable. Resistencia Eléctrica. Se llama resistencia eléctrica, a la oposición que ofrece un conductor a la circulación de la corriente eléctrica a través de él. Se denotara con la letra R y se simbolizara en un circuito, llamado algunas veces resistor. Reóstato. Es un dispositivo usado en electricidad que tiene como finalidad variar a voluntad el valor de la resistencia de un circuito y como consecuencia, según se desee, variar la intensidad de la corriente. Ley De Ohm. Esta expresión es llamada así en honor al físico alemán George Simón Ohm, quien fue su descubridor. Su enunciado es:
La resistencia de un conductor metálico es proporcional a la diferencia de potencial aplicada a sus extremos e inversamente proporcional a la intensidad de corriente que por el circula. La ley de ohm no es aplicable en todos los casos, pues, tiene sus limitaciones: - Solo es válida para conductores sólidos. - Es aplicable solamente en corriente continua. - Es preciso tener en cuenta el calentamiento de los circuitos, pues, estos al variar la temperatura alteran las propiedades físicas y la resistencia eléctrica. - No se cumple en lámparas, rectificadores y amplificadores usados en radio y televisión. Unidades De Resistencia. Las unidades son:
Ohm El ohm es la resistencia de un conductor que al aplicarle la diferencia de potencial de un voltio, permite el paso de corriente de un Ampere. Influencia de la clase de material utilizado como conductor. Si se arman dos circuitos eléctricos con dos conductores de la misma sección e igual longitud, per de distinto material (cobre, estaño), se comprueba que la resistencia eléctrica es diferente en cada uno de los circuitos. Esto permite verificar que la resistencia eléctrica de un conductor con la misma longitud y sección es dependiente del material que lo constituye. De acuerdo a todo lo expresado se puede decir que la resistencia de un conductor es: Directamente proporcional a su longitud (L). Inversamente proporcional al área (A). Dependiente del material del cual está constituido el conductor, a través de una constante expresada mediante la letra (ρ) y que llamaremos resistividad o resistencia especifica.
Formula. Dónde:
R
Resistencia del conductor.
ρ
Resistividad o resistencia especifica.
A
Área o sección del conductor.
L
Longitud del conductor.
Resistividad. La resistencia específica o resistividad de un material, expresa la resistencia que presenta un conductor homogéneo de una unidad de longitud y una unidad de superficie de sección. Son importantes varias cosas: Si se desea obtener obtener un conductor de baja resistencia, este debe tener pequeña longitud y una gran área de sección recta Si se consideran varios alambres de igual longitud e igual área, pero fabricados de diferente material, el que posea menor resistencia y como consecuencia mayor conductividad. Unidades De La Resistividad. La resistividad se expresa en:
Tabla De Resistividades a Temperatura 20 ºC. Material
Resistividad (Ω . m)
Aluminio
2,8 · 10-8
Azufre
10 15
Carbón
3,5 · 10-7
Caucho
10 13
Cobre
1,7 · 10-8
Cuarzo
75 · 10-8
Constantán
4,9 · 10-7
Hierro
8,9 · 10-8
Mercurio
9,4 · 10-7
Nicromo
1,5 · 10-7
Níquel
7 · 10-8
Oro
2,44 · 10-8
Plata
1,5 · 10-8
Platino
1 · 10-8
Plomo
2,2 · 10-7
Tungsteno
5,5 · 10-7
Vidrio
10 - 1014
Dependencia Entre La Resistencia y La Temperatura. La resistencia de los conductores metálicos es producto de los choques de los portadores de carga con los obstáculos que encuentran en su camino. Al chochar pierden velocidad y energía, pero el campo eléctrico les hace recuperar esa velocidad. Esa energía del campo, gastada en lograr que los portadores de carga recuperen su energía, hace que el conductor aumenta su tempera El Coeficiente De Temperatura. Es el cambio en la resistencia, por unidad de resistencia, por cada grado de cambio en la temperatura.
Tabla De Valores de Coeficientes De Temperatura (° C -1) (1/°C)
Material
Coeficiente ( °C-1)
Aluminio
4 · 10-3
Cobre
3,9 · 10-3
Constantán
2 · 10-3
Hierro
6,5 · 10-3
Mercurio
8,9 · 10-3
Nicromo
4 · 10-4
Níquel
6 · 10-3
Oro
3,4 · 10-3
Plata
3,8 · 10-3
Platino
3,9 · 10-3
Tungsteno
4,6 · 10-3
Zinc
3,7 · 10-3