1- Electrodinámica
En el siglo XVIII, se realizaron diversos experimentos para demostrar que la electricidad podía pasar de un cuerpo a otro. El más famoso fue el realizado por el holandés Musschebroek en la ciudad de Leyden, al que se le conoce con el nombre de botella de Leyden.
La acción de someter los extremos de un cuerpo a una diferencia de potencial, produce un movimiento continuo y ordenado de cargas en una misma dirección, que se denomina “corriente eléctrica”. El estudio de las cargas en movimiento se denomina “electrodinámica”.
Sentido de la corriente eléctrica: Durante prácticamente todo el siglo XIX, se pensó que el sentido de la corriente era de positivo a negativo (sentido convencional). Sin embargo, con el conocimiento de la estructura atómica, sabemos que su sentido es de negativo a positivo (sentido electrónico). Por lo tanto, diremos que un cuerpo está cargado positivamente cuando ha perdido electrones y negativamente, cuando ha captado electrones.
2. Corriente Eléctrica
Es el flujo de electrones que circulan a través de un conductor. Se puede obtener como la cantidad de carga que circula a través de una sección transversal del conductor en un cierto intervalo de tiempo. En el sistema internacional (S.I.) se mide en Ampere [A].
Intensidad de corriente eléctrica = carga / tiempo
I: Intensidad de corriente (A),
q: carga eléctrica (Coulomb),
t: tiempo (s).
La unidad de intensidad de corriente en el sistema internacional se mide en C/s, unidad que se denomina ampere (A)
Suele utilizarse con mucha frecuencia una unidad de intensidad menor, denominada mili ampere (mA).
1A = 1000m A
2.2- Efectos de la corriente eléctrica
El paso de la corriente eléctrica a través de los conductores tiene diferentes efectos dependiendo de la naturaleza de los conductores y la intensidad de la corriente.
a) Efecto fisiológico: se produce al pasar corriente por organismos vivos. Dicha corriente actúa directamente sobre el sistema nerviosos provocando contracciones nerviosas. Cuando esto ocurre se habla de un shock eléctrico.
b) Efecto térmico: También conocido como Efecto Joule es causado por los choques de los electrones libres contra los átomos de los conductores. Producto de estos choques los átomos incrementan su energía de vibración y el material se calienta. Este efecto se aprovecha en estufas, anafres, secadores de pelo, etc.
c) 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 su posición. Este efecto es quizás el más importante desde el punto de vista de la tecnología.
d) Efecto lumínico: se pone de manifiesto cuando al pasar la corriente a través del filamento se enciende una bombilla eléctrica. La energía eléctrica se transforma en energía luminosa, es el caso de los tubos fluorescentes, tubos de descarga y diodos luminosos.
e) Efecto químico: Se manifiesta cuando ciertas reacciones químicas que ocurren cuando la corriente eléctrica atraviesa las soluciones electrolíticas. Por ejemplo, si una corriente atraviesa agua con ácido, este se descompone en oxigeno e hidrogeno.
4.1- Factores que determinan la resistencia de un conductor
– Longitud (L): La resistencia será mayor mientas más largo sea el conductor, debido a que el número de choques de los electrones también será mayor.
– Sección transversal (S) o (A) : Mientras mayor sea la sección transversal del conductor, menor será su resistencia, porque permite el paso de un mayor número de cargas elementales a través de ella.
– Naturaleza del material: Debido a la composición molecular, los materiales presentan distinto grado de resistencia, lo que queda representado por el coeficiente de resistividad que se representa por la letra griega ρ.
En la tabla se presentan los valores de resistividad eléctrica de algunas sustancias:
|
Resistividad eléctrica a la temperatura ambiente |
|
|
Material |
ρ en (Ωmm2/ m) |
|
Aluminio |
0,028 |
|
Cobre |
0,17 |
|
Wolframio |
0,059 |
|
Plomo |
0,206 |
|
Hierro |
0,10 |
|
Mercurio |
0,95 |
|
oro |
0,024 |
|
Plata |
0,016 |
|
Tungsteno |
0,055 |
|
Constantan |
0,489 |
|
Nicrom |
1,1 |
|
Ferroníquel |
0,08 |
|
Cinc |
0,06 |
Relacionando los factores anteriormente mencionados, podemos establecer que:
R: Resistencia, ρ: Resistividad, L: largo, S o A: Sección transversal (Área)
La constante de proporcionalidad corresponde al coeficiente de resistividad y su valor es característico para cada sustancia. En el sistema internacional se expresa en “Ω• m”
4.2- Resistencia y temperatura
La agitación térmica de las partículas del conductor aumenta, ya sea por el calor suministrado desde afuera o por los propios choques entre electrones y átomos. Como consecuencia de este aumento de choques, los electrones libres serán detenidos más frecuentemente, por lo que la intensidad de corriente disminuirá.
La ecuación R = R0 (1 + α • Δt) , permite determinar la resistencia R0 de un conductor a cualquier temperatura, conocida su resistencia a t 0 .
Los coeficientes “α” dependen de cada material.
R0 es la resistencia del conductor a 0°C
|
Coeficiente de temperatura α |
|
|
Material |
α en (°C) -1 |
|
Aluminio |
0,0039 |
|
Cobre |
0,00393 |
|
Wolframio |
0,059 |
|
Plomo |
0,0027 |
|
Hierro |
0,0052 |
|
Mercurio |
0,00088 |
|
oro |
0,0034 |
|
Plata |
0,0038 |
|
Tungsteno |
0,0041 |
|
Constantan |
0,0003 |
|
Nicrom |
0,0004 |
El físico alemán George Ohm (1789-1854), determinó que para que exista una corriente eléctrica que circule por un conductor, es necesario que exista una tensión eléctrica en sus extremos; en consecuencia, debe existir una relación entre la tensión a la que es sometido un circuito y la intensidad de corriente que circula por él.
Estableciendo una analogía entre una corriente eléctrica y una de líquido, Ohm descubrió que la intensidad de la corriente era directamente proporcional a la tensión, si se trata de un circuito completo o, en el caso de un conductor, a la diferencia de potencial entre sus extremos; algo similar a lo que sucede en una cañería de agua en que el caudal es proporcional a la diferencia de presión entre los extremos de la parte considerada.
V = R x
Donde: R es la constante de proporcionalidad entre V e I.
Luego, despejando la expresión propuesta se tiene que:
R = V / i
La constante R corresponde a la resistencia eléctrica.
Ley de Ohm: V = I • R I = V / R R = V / I
Ejemplo1:
– Calcular la resistencia de un artefacto eléctrico si al someterlo a una tensión de 12V circula una corriente de 20mA.
Solución:
R = 12v/ 0,02A
R= 600 Ohm
Ejemplo 2:
– Hállese la resistencia de una estufa que consume 3 amperios a una tensión de 120 voltios.
Solución: Aplicamos la ley de Ohm:
R = V / i
R = 120 v / 3 A
R = 40 Ohm
Ejemplo 3:
– ¿Qué diferencia de potencial hay que aplicar a un reóstato de 30 ohmios para que circulen a través de él 5 amperios?
Solución: Aplicamos la ley de Ohm:
V = i • R
V = 5 • 30
V = 150 V
6- Circuitos de corriente continua
Es la asociación de elementos conductores que hace posible la circulación de una corriente eléctrica.
En un circuito en serie las resistencias se conectan en forma sucesiva, de manera que en el camino entre una resistencia y la fuente de alimentación siempre hay otra resistencia que se interpone.
V1 = i • R1 ; V2 = i • R2 ; V3 = i • R3
Donde V1, V2, y V3 son las tensiones entre sus extremos respectivos e i la intensidad de corriente que las atraviesa, igual para todas ellas.
V = V1 + V2 + y V3 = i • R1 + i • R2 + i • R3 = i • (R1 + R2 + R3)
Si se aplica la Ley de Ohm a la asociación en su conjunto, se tiene:
V = i • Re
Por lo tanto para el circuito en serie de resistencias R1, R2, R3:
Re → Resistencia equivalente: es la suma de las resistencias individuales. Es decir, la resistencia total del sistema.
b) Circuito en paralelo
Este tipo de conexión corresponde a dos o más resistencias cuyos terminales llegan a los mismos nodos en cada extremo. Este tipo de conexión de resistencias se da, por ejemplo, en la instalación domiciliaria de los artefactos eléctricos (estos constituyen una resistencia eléctrica).
En una conexión de resistencias en paralelo:
– La suma de las intensidades que se generen en cada resistencia es igual a la intensidad total del circuito:
i total = i1 + i2 + i3 + ...+ in
– La tensión es igual en cada resistencia y es la que la fuente proporciona :
Vtotal = V1 = V2 = V3 =…= Vn
Aplicando la ley de OHM a cada lado de la igualdad:
. Simplificando por V resulta:
La resistencia equivalente es tal, que su valor recíproco es la suma de los valores recíprocos de las resistencias individuales.
b) Circuito mixto
Corresponde a una combinación serie-paralelo. La resistencia equivalente en este caso se determina según la disposición particular de las resistencias del circuito y su relación entre sí.
