CORRIENTE ELÉCTRICA
La corriente
eléctrica es el movimiento continuo y ordenado de cargas eléctricas de un lugar
a otro.
Pero ¿cómo
es que llega la electricidad a nuestros aparatos eléctricos? En el
interior de un conductor eléctrico, por ejemplo, un cable, se encuentran
millones de átomos con electrones libres vibrando. Si este cable se
encuentra conectado a las terminales de una fuente, como una pila, sus
electrones libres reciben la energía almacenada de la pila y empiezan a moverse
de una manera ordenada a través del conductor. El sentido correspondiente al
flujo de los electrones obedece a la ley de los signos, ya que son repelidos
por el terminal negativo de la pila y atraídos por el terminal positivo.
De esta manera, la
corriente eléctrica que circula por los cables no es más que un movimiento de
cargas eléctricas (en este caso los electrones del metal que forma el interior
del cable) desde el enchufe hasta el aparato eléctrico.
En
los
conductores sólidos, como los metales, son los electrones externos
al átomo los que se mueven con libertad, pero en los conductores líquidos
iónicos o gases iónicos (agua salada, ion de oxígeno), se pueden mover tanto
iones positivos como iones negativos. Los materiales que no son conductores, no
permiten el flujo de la corriente eléctrica y se denominan aislantes o
dieléctricos.
Efectos que produce la corriente
eléctrica
La
corriente eléctrica produce efectos en los materiales por los cuales circula la
carga y en el entorno del cuerpo por el cual fluye. Entre los efectos más
relevantes que produce la corriente eléctrica se encuentran:
Generación
de calor, por ejemplo, una plancha eléctrica.
Efectos
químicos, por ejemplo, la electrólisis.
Magnetismo,
por ejemplo, los electroimanes.
Desde
un punto de vista energético, se pueden interpretar los efectos que la
corriente eléctrica produce, ya que el movimiento de cargas implica transporte
de energía hacia algún lugar en el cual ocurrirá la transformación de la
energía hacia otras formas de energía, como la mecánica, la cinética, la
calórica, etc.
Intensidad
de corriente eléctrica
Para determinar
la intensidad de la corriente imagina que te encuentras observando una
competencia atlética, por ejemplo, una maratón, sería posible calcular la
intensidad de la corriente atlética si contamos el número de atletas que pasan
por la línea visual durante un intervalo de tiempo. Si comparamos esta
competencia con un conductor, en donde los atletas son los electrones libres,
entonces podríamos definir la intensidad de corriente eléctrica.
La intensidad de la corriente
eléctrica (i) es
la cantidad de carga neta (q) que circula por una sección transversal de un
conductor en un intervalo de tiempo (t).
La intensidad de corriente
eléctrica se puede escribir como:
La
unidad de la intensidad de corriente es el ampere o amperio, que se simboliza
con la letra A. Un amperio corresponde al paso de la carga de un culombio a
través de la sección transversal de un conductor durante un segundo. Para
muchos casos el amperio resulta ser una unidad muy grande, por lo cual es
habitual usar el microamperio (µA).
Fuentes de voltaje
Para
mantener constante una corriente eléctrica, es necesaria una "bomba
eléctrica" que mantenga la diferencia de potencial, así como una bomba de
agua mantiene la diferencia de nivel para que el agua fluya. Todo dispositivo
que genera una diferencia de potencial se conoce como fuente de voltaje.
Sentido de la corriente
Cuando las dos
terminales de una pila se conectan directamente a un conductor, como un
alambre, la corriente eléctrica supone el desplazamiento de los electrones
desde los puntos de menor potencial hasta los de mayor potencial. En el caso de
una pila, los llamados polos negativo (-) y positivo (+) representan puntos de
menor y mayor potencial, respectivamente; por lo cual el sentido del movimiento
de los electrones en el conductor se encuentra dado desde el polo negativo
hacia el polo positivo.
La fuerza electromotriz (e) de un generador es la
energía (E) que suministra el dispositivo por cada unidad de carga eléctrica
(Q) que recorre el circuito. La fuerza electromotriz se expresa como:
La
unidad de fuerza electromotriz en el SI es el julio sobre culombio (J/C), es decir,
el voltio (V).
De la ecuación
podemos obtener la energía (E) que produce un generador eléctrico y puesto que
esta energía coincide con el trabajo total (WT) realizado por el generador,
tenemos que:
Generadores eléctricos
La
función de un generador es la de suministrar energía a los electrones libres de
un conductor de tal modo que puedan recorrer la conexión eléctrica.
Los
generadores como las pilas y las
baterías producen un voltaje debido a reacciones químicas que ocurren en el
interior. Todas las pilas, baterías o acumuladores, tienen los mismos
componentes básicos: dos electrodos, uno positivo y otro negativo y, un
electrolito en el que se transfieren cargas iónicas entre los electrodos.
Las pilas
actuales de 1,5 V son pilas secas, en las cuales el electrodo positivo es una
barra de carbono, el electrodo negativo es un cilindro de cinc y el electrolito
una pasta de cloruro de cinc, cloruro de amoniaco y dióxido de manganeso.
Las pilas, que
encontramos en las calculadoras o relojes conocidas normalmente como baterías
de mercurio de 1,4 V, están compuestas por un electrodo negativo de cinc, un
electrodo positivo de óxido de mercurio y un electrolito de una disolución de
hidróxido de potasio.
Para
medir la intensidad de corriente que circula por una conexión, se utiliza un
instrumento denominado amperímetro.
Este artefacto se conecta intercalado al inicio o al final de la conexión, de
tal manera que la corriente pase a través de él. Todo instrumento que puede
indicar la presencia de corriente en una conexión se denomina galvanómetro. De acuerdo con su
calibración este instrumento puede medir intensidades de varios cientos de
amperios, es decir, se pueden realizar mediciones en amperios, miliamperios o
microamperios.
Resistencia eléctrica
Las planchas, las
bombillas y los fogones de las estufas eléctricas, así como algunos elementos
de ciertos aparatos eléctricos suelen ser llamados resistencias, debido a que
presentan una tendencia a evitar que una corriente eléctrica fluya a través de
ellos. Esta característica se conoce con el nombre de resistencia eléctrica
(R).
Cuando un voltaje
(V) se aplica a los extremos de un conductor eléctrico, fluye en el conductor
una corriente eléctrica i. De esta manera la resistencia del conductor se
expresa como:
El físico alemán
Georg Simon Ohm encontró que para muchos conductores, especialmente los
metales, la intensidad de corriente i que fluye a través de ellos es
directamente proporcional a la diferencia de potencial o voltaje V, es decir:
Asociación de
resistencias
En los circuitos eléctricos se utilizan conductores
que se caracterizan por su resistencia. Estos conductores utilizados para unir
el resto de los elementos de un circuito tienen una resistencia despreciable y
solamente las llamadas resistencias eléctricas tienen un valor significativo de
esta magnitud.
En un circuito
pueden usarse varias resistencias. En esta situación se define la resistencia
equivalente (R) de un conjunto de resistencias, como el valor de una
resistencia hipotética por la cual al aplicarle la misma diferencia de potencial
que al conjunto, circula la misma intensidad de corriente eléctrica que en el
conjunto. En la siguiente figura se representa la resistencia equivalente para
un conjunto de resistencias.
Resistencias en serie
Dos
o más resistencias se encuentran asociadas en serie cuando están conectadas
unas a continuación de otras, de tal forma que cada una de ellas hace parte del
circuito.
En
este caso, todas las cargas que circulan por la primera resistencia pasan por
la segunda y las que circulan por la segunda resistencia pasan por la tercera y
así sucesivamente. Por tanto, la intensidad de corriente que fluye por cada
resistencia siempre es la misma, es decir:
i = i1 = i2 = i3
En
una asociación en serie la diferencia de potencial en cada resistencia depende
del valor de resistencia de cada una. Sin embargo, el voltaje proporcionado por
la fuente será igual a la suma de la diferencia de potencial de cada
resistencia, por tanto:
Como
cada voltaje corresponde a la ley de Ohm, entonces:
En donde V1, V2 y
V3 corresponden a las diferencias de potencial existentes en los tres extremos
de cada una de las resistencias. Aplicando la ley de Ohm al conjunto de las
tres resistencias tenemos que:
Donde
V es la diferencia de potencial entre los extremos del conjunto y Req la
resistencia equivalente. Entonces según la ley de Ohm:
Así al
simplificar, la resistencia equivalente cuando existe una asociación de resistencias
en serie es:
La
resistencia equivalente a varias resistencias
asociadas en serie es igual a la suma de todas las resistencias conectadas.
Resistencias en
paralelo
En el caso de las
resistencias asociadas en paralelo, estas se encuentran unidas de sus extremos,
es decir, que cada una de ellas forma parte de una rama diferente que divide el
circuito, tal como se observa en la figura
Como las resistencias no se encuentran distribuidas
de la misma manera, las cargas que llegan al punto A se reparten:
Por la rama
en la cual se encuentra la resistencia R1
Por la rama en la cual se encuentra la resistencia R2
Por la rama en la cual se encuentra la resistencia
R3.
Por tanto, la
intensidad de corriente "se divide" por cada una de las ramas. Como
la carga eléctrica se conserva, el número de cargas que circulan por las tres
ramas corresponden al número de carga que ingresó en el punto A y que
posteriormente saldrá por el punto B, es decir:
Las cargas eléctricas no se
reparten por las diferentes ramas de forma aleatoria, estas se desplazan hacia
la rama del circuito en la cual la resistencia es menor. De esta manera, la
intensidad es menor por la rama del circuito en la que la resistencia es mayor.
En una asociación
en paralelo la diferencia de potencial en cada resistencia es la misma, ya que
cada resistencia se encuentra conectada al mismo punto, que en este caso corresponde al punto A. Así que:
El inverso de la
resistencia equivalente de varias resistencias asociadas en paralelo es igual a
la suma de los inversos de las resistencias que se asocien.
El circuito
eléctrico
Para hacer
funcionar un artefacto eléctrico es necesario lograr que los electrones libres
recorran varias veces el interior de los conductores. Así cada vez que
enciendes el televisor, el equipo de sonido o una linterna, haces fluir una
corriente de electrones en un circuito eléctrico.
Un circuito eléctrico es un conjunto de conductores
unidos a uno o varios generadores de corriente eléctrica, que mantienen el
flujo de electrones constante en el tiempo.
Además de los generadores existen otros elementos
que forman parte de un circuito: los interruptores, los conectores y los
aparatos eléctricos.
Los interruptores son dispositivos que permiten
interrumpir a voluntad el paso de la corriente por un circuito.
Los conectores son cables y demás conexiones que
unen los distintos elementos que forman el circuito. En general, son fabricados
a partir de los metales y, como tales, constituyen puntos de igual potencial
cada uno.
Los aparatos eléctricos son los instrumentos o los
dispositivos que funcionan cuando circula una corriente a través de ellos.
Todos los
elementos de los circuitos eléctricos suelen ser representados por medio de símbolos,
que son reconocidos mundialmente y que permiten simplificar el proceso de
diagramación de un circuito (tabla 6.2).
Para que un circuito funcione es necesario crear un
camino por el cual los electrones puedan circular. Cuando esto ocurre se dice
que el circuito está cerrado. Si se desconecta el interruptor o alguno de los
cables la corriente deja de fluir y se dice que el circuito está abierto.
Cuando las dos terminales de una pila se conectan
directamente con un alambre, la corriente eléctrica circula por este, pero no
llega a la bombilla y por tanto, no enciende. Esta conexión se denomina corto
circuito, y en ella el alambre se calienta tanto que puede producir un
incendio.
Cuando por error se provoca un corto circuito en
casa, se observa un chispazo, se presenta un olor a cable quemado y, muy
posiblemente, se bajan los tacos o se funden los fusibles.
Energía en los
circuitos
Un circuito eléctrico está formado por un generador,
que es el elemento encargado de producir y mantener la corriente, y por los
receptores (bombillas, motores y resistencias) que reciben la energía de la
corriente eléctrica y la transforman en otros tipos de energía.
Cuando se conecta
una bombilla a un generador, la energía produce un movimiento vibratorio de los
electrones del filamento de la bombilla. De esta energía, la mayor parte se
transforman en calor y la otra en luz.
Si una resistencia es sometida a una diferencia de
potencial D V, la energía potencial de la carga q que fluye a través de la
resistencia, disminuye y, por tanto se presenta una caída de potencial.
La variación de la energía y la diferencia de
potencial se relacionan mediante la expresión:
Potencia eléctrica
La potencia eléctrica es la rapidez con la cual se realiza un trabajo. En el caso de la potencia eléctrica, corresponde al trabajo realizado por el campo eléctrico durante cierto tiempo t.
Este trabajo que realiza el campo eléctrico sobre los electrones de una resistencia resulta ser la variación de la energía potencial, DEp. Por tanto, la potencia eléctrica P, se encuentra dada por la expresión:
La unidad de potencia es el vatio (W), que se define como 1 J/s. Otra unidad muy conocida de la potencia es el kilovatio (kW) equivalente a 1.000 vatios.
Cuando por una resistencia circula una corriente y el potencial en uno de sus extremos es cero y en el otro es V, la potencia que consume la resistencia está dada por la expresión:
El efecto Joule
Cuando por un conductor circula corriente eléctrica, parte de la energía se transforma en calor. Esto se debe a que los electrones en su movimiento chocan con las partículas del conductor, les transmiten parte de su energía y el conductor se calienta.
Esta energía se encuentra dada por la expresión:
Este fenómeno, que recibe el nombre de efecto Joule, es el fundamento de los fusibles, los cuales son dispositivos de seguridad utilizados para proteger un circuito de un exceso de corriente.
Si la corriente del circuito excede un valor predeterminado, el calor generado en la lámina metálica, provista en el interior del fusible, se funde y así genera un circuito abierto.
La resistencia interna de las fuentes de voltaje
En un circuito eléctrico la resistencia de los conectores es despreciable debido a que esta es ocasionada por los demás componentes. Hasta el momento no habíamos considerado la resistencia generada por la fuente de voltaje, sin embargo, realmente toda fuente tiene una resistencia interna debida a los choques entre los iones del electrolito.
Cuando un circuito se cierra, el voltaje V entre los polos positivo y negativo de la fuente resulta ser menor que el de la fem, pero cuando el circuito se abre, el voltaje V se iguala al de la fem. La caída de potencial cuando circula corriente se debe a la resistencia interna de la fuente r y a la resistencia R. Si llamamos Vr a la caída de potencial debido a r, entonces:
Las leyes de Kirchhoff
Para resolver circuitos más complejos como el que se observa en la si-guíente figura, ya no es suficiente la ley de Ohm. Por tal razón se recurre, a dos leyes muy prácticas que propuso Kirchhoff, a mediados del siglo XIX.
La primera ley, denominada la ley del nudo, se emplea para resolver aquellos puntos en los cuales se unen mínimo tres conductores, como ocurre en los puntos A y C. Kirchhoff en esta ley afirma que: en cualquier nudo, la suma de todas las corrientes que entran debe ser igual a la suma de todas las corrientes que salen, es decir:
i1 = i2 1 i3
La segunda ley, denominada ley de la malla o regla de los circuitos, se utiliza para considerar aquellas trayectorias cerradas, como ABCA, CDAC o ABCDA. Kirchhoff afirma en esta ley que: la suma algebraica de los cambios de potencial en torno a cualquier trayectoria cerrada de una malla debe ser cero.
Estas trayectorias cerradas se pueden comparar con el campo gravita-cional, por ejemplo, si se lanza una pelota verticalmente hacia arriba, esta gana energía potencial a medida que sube, pero pierde su energía cinética. Posteriormente, desciende perdiendo energía potencial hasta alcanzar su posición inicial. La diferencia de energía potencial al empezar y terminar la trayectoria es cero al igual que si una carga de prueba recorre todo el circuito y llega a la misma posición, su diferencia de potencial es cero.
Al aplicar esta ley en varias mallas, es necesario optar siempre por el mismo sentido, ya sea positivo o negativo.
Para resolver un circuito mediante las reglas de Kirchhoff, es conveniente tener en cuenta los siguientes aspectos:
■ Darle un sentido de forma arbitraria a la corriente que pasa por cada rama del circuito.
■ Usar siempre el mismo sentido al recorrer las trayectorias cerradas.
■ Determinar por medio de las reglas de Kirchhoff, el mismo número de ecuaciones que de incógnitas.
