CORRIENTE ELECTRICA

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CORRIENTE ELÉCTRICA

INTRODUCCIÓN

Hasta el tema anterior estudiamos las propiedades y fenómenos de las cargas eléctricas en reposo, por ejemplo la fuerza de repulsión entre dos cargas o el campo eléctrico producido por una carga eléctrica. La característica común a todas estas propiedades, era que las cargas estaban en reposo, ahora vamos a estudiar que fenómenos ocurren cuando estas cargas las logramos mover constantemente. Muchos aparatos que nos rodean emplean la electricidad, por ejemplo: la radio, el televisor, la computadora, la plancha, la secadora de cabello, etc.; todos estos aparatos aprovechan las propiedades de las cargas eléctricas en movimiento. En este capítulo estudiaremos la corriente eléctrica, que no es otra cosa que las cargas eléctricas en movimiento.

CORRIENTE ELÉCTRICA

Se llama corriente eléctrica a todo movimiento de partículas cargadas a través de un medio, ya sea este sólido, líquido o gaseoso.

Los metales son los sólidos de estudio más interesante por su gran conductividad. Los átomos de los metales tienen electrones que se arrancan con poca energía. Cuando estos átomos se agrupan para formar la red atómica que constituye el metal, lo hacen dejando casi libres a estos electrones, que se comportan, en algunos aspectos, como si fueran un gas, denominado frecuentemente gas electrónico. Si se somete el conductor a la acción de un campo eléctrico, los electrones se ponen en movimiento, ya que toda carga situada en un campo eléctrico tiende a moverse dentro de él. A este flujo de electrones a través del metal, producido por el campo eléctrico, se le llama corriente eléctrica.

En el caso de los gases, el comportamiento guarda una cierta semejanza con el de los metales. Todo gas está generalmente compuesto de átomos neutros y átomos cargados; a estos últimos, según sea su carga, positiva o negativa, se les llama iones positivos o negativos. Al someter dicho gas a la acción de un campo eléctrico, los iones se ponen en movimiento, desplazándose los iones positivos en sentido contrario a los negativos. Este movimiento de iones es la

corriente eléctrica.

--

-

-E

Fig. 1 Movimiento de los electrones en un conductor metálico sometido a un campo eléctrico E.

+

-

-E

+

-Gas

Fig. 2 En un gas los iones positivos y negativos forman la corriente eléctrica.

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En el caso de los líquidos, la gran mayoría contiene iones positivos y negativos que al ser sometidos a un campo eléctrico se desplazan como en el caso de los gases. En el agua químicamente pura no existen casi iones, por lo cual no es prácticamente un medio conductor. Si se disuelve en ella alguna sustancia, como la sal común (cloruro de sodio, NaCl), aparecen muchos iones; en este caso, los iones Cl¯ y Na+, que son los elementos portadores de carga que convierten a

este líquido en un conductor. En la figura se muestra los iones cloruro y sodio rodeados de moléculas de agua.

Fig. 3 Al disolver sal común en agua se forman iones (Cl -) e iones sodio (Na+)

En resumen:

La corriente eléctrica es un flujo de partículas cargadas debido a una diferencia de potencial entre dos puntos de un conductor. En un conductor metálico la corriente eléctrica se debe a un flujo de electrones. En un conductor líquido o gaseoso, la corriente se debe a un flujo de iones positivos y negativos.

CORRIENTE ELÉCTRICA EN UN CONDUCTOR SÓLIDO

Como vimos en la sección anterior, la corriente eléctrica en los metales se produce por el movimiento de los electrones. Según la teoría de Drude y Lorente los electrones se mueven como proyectiles, que chocan constantemente con los átomos y también entre sí, en un movimiento al azar; a pesar de ello el efecto aparente que produce el campo eléctrico es que los electrones avanzan con una velocidad media constante en el sentido que les imprime dicho campo. Esta velocidad de los electrones es muy pequeña, del orden de cm/s; por ejemplo, en el cobre, su velocidad es de 0,03 cm/s. Sin embargo, la velocidad con que se propaga la energía que los electrones transmiten es, prácticamente, la velocidad de la luz en el vacío. Por esto, al cerrar el interruptor de la luz de una bombilla, ésta se enciende de forma instantánea, a pesar de la poca velocidad de los electrones.

Importante: El sentido convencional de la corriente en un cable conductor es opuesto al movimiento de los electrones

Sentido real Sentido real

Sentido convencional Sentido convencional

Fig. 4 El sentido de la corriente convencional es contrario al movimiento de los electrones.

INTENSIDAD DE CORRIENTE ELÉCTRICA ( I )

La intensidad de corriente eléctrica ( I ) es una cantidad física escalar que nos indica la cantidad de carga eléctrica que pasa a través de la sección transversal de un conductor en cada unidad de tiempo. Su unidad en el S.I. es el Amperio (A). Si por un cable conductor atraviesa una carga de un coulomb en un segundo , decimos que la intensidad de corriente por él es de un ampere.

Si la intensidad de la corriente eléctrica a través de un alambre de cobre es de 15 A , esto significa que en un segundo pasan 15 C a través de su sección transversal.

I =

t q

Unidades:q = coulomb (C)

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RESISTENCIA ELÉCTRICA (R)

Se entiende por resistencia eléctrica a la oposición que presenta un material o sustancia al paso de una corriente eléctrica. La unidad de la resistencia eléctrica en el S.I. es el ohm ().

filamento

Ley de Poulliet

La resistencia eléctrica (R) de un conductor rectilíneo es directamente proporcional a su longitud (L) e inversamente proporcional al área de su sección transversal (A).

A

L

R

R

Representación esquemática

Donde:  es la resistividad eléctrica del material, que es una característica propia de la sustancia con que está hecha

el conductor.

R

Resistividad eléctrica a temperatura ambiente (20ºC)

MATERIAL  ( . m)

Aluminio 2,6 x 10-8

Cobre 1,7 x 10-8

Niquel-cromo 100 x 10-8

Plomo 22 x 10-8

Fierro 10 x 10-8

Mercurio 94 x 10-8

Plata 1,5 x 10-8

Tungsteno 5,5 x 10-8

Fig. 5 El filamento de un foco esta hecho de tungsteno que ofrece una gran oposición al paso de corriente, de tal manera que se pone incandescente.

A L

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1. Por un cable conductor circula una corriente de 8 A, ¿qué carga atraviesa el conductor en 5 minutos?

Resolución:

Reconociendo los datos tenemos : I = 8 A

t = 5 minutos q = ???

Cuidado debemos expresar el tiempo siempre en segundos, por lo tanto multiplicamos por 60 s y tendremos 5 x 60 = 300 s

I = t q 8 = 300 q

q = 2400 C

Problemas resuelt os

3. Respecto a la intensidad de corriente eléctrica, que proposiciones son verdaderas:

I. Es la cantidad de carga que atraviesa la sección transversal de un conductor en cada unidad de tiempo.

II. Su unidad es el ampere (A).

III. Su sentido es el mismo que el movimiento de los electrones.

a) VFF b) FVV c) VVF

d) VFV e) VVV

4. En la figura se muestra un conductor y se indica la dirección del campo eléctrico que hay en su interior, indicar verdadero (V) o falso (F) según corresponda :

E

I. El sentido del movimiento de los electrones es hacia la derecha

II. El sentido convencional de la corriente eléctrica es hacia la derecha

III. El sentido de la corriente eléctrica real es hacia la izquierda

2. Si por un conductor circulan 4 x 1021 electrones en cierto

sentido durante 5 minutos, ¿cuál es la intensidad de corriente eléctrica?

Resolución:

Como nos dan la cantidad de electrones, podemos calcular la cantidad de carga que atraviesa el conductor multiplicando la carga de un electrón por el número de electrones, es decir:

q = n . e

q = 4 x 1021 . 1,6 x 10-19 C

q = 6,4 x 102 C

Además el tiempo lo debemos tener en segundos, es decir:

t = 5 . 60 s t = 300 s

finalmente: I =

t q I = 300 10 x 4 , 6 2

I = 2,13 A

Bloque I

1. Indicar verdadero(V) o falso(F) según corresponda, respecto a la corriente eléctrica.

I. En los metales esta dada por el movimiento de los electrones.

II. En los gases está dada por el movimiento de los iones.

III. En los líquidos está dada por el movimiento de los protones.

a) VVV b) FFV c) VVF

d) VFV e) VFF

2. Indicar verdadero (V) o falso (F) según corresponda:

I. El movimiento de las cargas eléctricas que conforman la corriente eléctrica se debe a la presencia de un campo eléctrico.

II. Los electrones se desplazan en el mismo sentido que el campo eléctrico.

III. En los metales el movimiento de los protones forman la corriente eléctrica

a) VFV b) FVV c) VVV

d) FFV e) VFF

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a) VVV b) FVF c) VFF d) FFV e) FVV

5. Completar adecuadamente:

La resistencia eléctrica es la ………. que ofrecen ci erto s materi ales al paso de la ……… eléctrica. Su unidad es el ………..

a) oposición - fuerza - ampere b) oposición - corriente - ampere c) facilidad - corriente - ohm d) oposición - fuerza - ohm e) oposición - corriente - ohm

6. Si por un foco circula una intensidad de corriente eléctrica de 1,5 A , durante 20 minutos, hallar la cantidad de carga eléctrica que pasó por el foco.

a) 30 C b) 180 C c) 120 C d) 1800 C e) 300 C

7. Por un calentador eléctrico pasaron 4200 C en 4 minutos, hallar la intensidad de corriente eléctrica que circula por el calentador.

a) 17,5 A b) 1,5 A c) 1,75 A d) 1050 A e) 300 A

8. La intensidad de corriente que se estableció en un conductor metálico es de 240 mA. Suponiendo que esta corriente se mantiene durante media hora, calcular la cantidad de carga eléctrica que atravesó la sección recta del conductor.

a) 232 C b) 332 C c) 432 C d) 532 C e) 632 C

9. Determinar la resistencia eléctrica de un conductor metálico hecho de cobre de 240 m de longitud y 3 x 10-6 m2 de sección recta (Cu = 1,7 x 10-8. m) a) 2,72  b) 4,56 c) 1,98

d) 1,36 e) 3,52

10. El filamento de un foco es un alambre de tungsteno de 20 cm de largo y sección tranversal de 2,75 x 10-10 m2.

Calcular la resistencia eléctrica del filamento. (tungsteno = 5,5 x 10-8 . m)

a) 60  b) 40 c) 30

d) 100 e) 150

Bloque II

1. ¿Cuántos electrones por segundo pasan a través de una sección de alambre que lleva una intensidad de corriente de 0,8 A?

2. Una intensidad de corriente fija de 0,6 A pasa a través de un alambre. ¿Qué cantidad de carga pasa a través de su sección recta en 5 minutos?

3. Una intensidad de 1,8 A fluye a través de un conductor. Hallar el número de electrones que atraviesa la sección transversal en 8 s.

4. ¿Cuántos electrones fluyen a través de un foco cada segundo, si la intensidad de corriente a través del foco es 1,25 A?

5. Hallar la resistencia de un alambre de tungsteno ( = 5,5 x 10-8•m) de 200 m de longitud y una sección

recta de 4 x 10-6 m2.

6. La resistencia de una ducha eléctrica es un alambre de 120 , ¿ cuál será la resistencia de otra ducha que tiene un alambre de la mitad de longitud y la tercera parte de sección recta?

7 . Tenemos dos varillas de metal de la misma longitud y la misma sección recta una de níquel-cromo y otra de cobre, empleando la tabla de resistividades, hallar la relación entre las resistencias eléctricas de ambas varillas.

8. Un alambre tiene una resistencia eléctrica igual a 50 . Si triplicamos su longitud manteniendo su densidad constante, ¿cuál es su nueva resistencia eléctrica?

9. ¿Cuál debe ser la longitud de un alambre de cobre de 0,5mm de diámetro para que tenga una resistencia de 10 ?

10. La resistividad de un conductor metálico varía según la ley  = 3 x 10-6 + 5 x 10-7 T, donde está en •m y T es

la temperatura en ºC. Si la resistencia del conductor a 20 ºC fue 2,5 ; hallar su resistencia a 60 ºC.

Bloque III

1. ¿ Cuántos electrones pasan por minuto a través de la sección transversal de un alambre que lleva una intensidad de corriente de 1,8 A?

2. Una varilla de metal mide 4m de largo y 8 mm de diámetro. Hallar su resistencia eléctrica, si la resistividad del metal es 1,76 x 10-8.m.

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Tarea domiciliaria

4. Un alambre de cobre de longitud L y sección transversal circular de radio "r", tiene una resistencia eléctrica "R". ¿Cuál será la resistencia de otro alambre del mismo material pero de longitud 3L y radio r/2?

5. En el modelo de Bohr, el electrón de un átomo de hidrógeno se mueve en una órbita circular de radio 5,3 x 10-11 m con una rapidez de

2,2 x 106 m/s, determine la intensidad de corriente

eléctrica en la órbita.

1. Indicar verdadero (V) o falso (F) según corresponda:

I. La corriente eléctrica es el movimiento de partículas cargadas a través de un medio.

II. Las metales tienen electrones que se arrancan con poca energía, formando estos los electrones libres. III. En los gases el movimiento de los protones forma la

corriente eléctrica.

2. Relacione correctamente respecto a la corriente eléctrica a través de un medio.

I. Sólido a) electrones

II. Líquido b) protones

III. Gaseoso c) Electrones y protones

d) Iones positivos y negativos

3. Un conductor metálico esta sometido a un campo eléctrico, indicar las proposiciones correctas:

I. Los electrones se mueven en la misma dirección que el campo.

II. Los protones se mueven en la misma dirección que el campo.

III. El sentido de la corriente coincide con la dirección del campo.

4. Indicar verdadero (V) o falso (F) según corresponda, respecto al sentido de la corriente eléctrica para los metales.

I. Coincide con el sentido del movimiento de los electrones.

II. Coincide con la dirección del campo eléctrico. III. Su sentido es contrario al movimiento de los

electrones.

5. Completar adecuadamente:

I. En los metales el movimiento de _________ forma la corriente eléctrica y en los gases es el movimiento de ___________ positivos o negativos.

II. El sentido convencional de la corriente eléctrica es contrario al movimiento de los ______________.

III. La unidad de intensidad de corriente eléctrica en el S.I. es ____________.

6. En la figura se muestra un conductor y se indica la dirección del campo eléctrico E que hay en su interior, indicar verdadero (V) o falso (F) según corresponda.

E

I. El movimiento de los electrones es hacia la izquierda. II. El sentido de la corriente eléctrica real es hacia la

izquierda.

III. El sentido de la corriente eléctrica convencional es a la derecha.

7. Indicar verdadero (V) o falso (F) respecto a la resistencia eléctrica.

I. Es la oposición que presenta un cuerpo o sustancia de paso de la corriente eléctrica.

II. Su unidad en el S.I. es el ampere.

III. Depende del material con que está hecho el cuerpo.

8. Por la resistencia de un foco circulan 8 A en un minuto, determine la cantidad de carga que circuló por dicha resistencia.

9. Por un conductor circuló una carga de 20 C en una centésima de segundo. ¿Qué corriente circuló por el conductor?

I

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11.A través de la sección transversal de un conductor han circulado 50 millones de electrones en 10-10 segundos.

Halle la intensidad de corriente.

12.Un alambre tiene una longitud de 5 m y una sección recta de 4 x 10-5m2. Si la resistividad del material es

de 12x10-4m, hallar su resistencia eléctrica.

13.¿Cuál debe ser la longitud de un alambre, cuya sección transversal es 2 x 10-3 m2 y de 10-6 . m de resistividad,

para que su resistencia sea de 3 ?

14.Hallar la resistencia de un alambre de 200 m de longitud y 3 x 10-5 m2 de sección recta, la resistividad del material

es 1,5 x 10-6 m.

15.Indicar verdadero (V) o falso (F) de las siguientes proposiciones:

I. La resistencia eléctrica es inversamente proporcional a su longitud y directamente proporcional al área de su sección transversal.

II. La resistencia eléctrica depende de la longitud y del área de la sección transversal.

III. La resistencia eléctrica es directamente proporcional a la resistividad eléctrica.

16.Un alambre de aluminio de longitud L y sección transversal circular de radio "r" tiene resistencia "R". Si la longitud del alambre se triplica y su radio disminuye a r/3, su nueva resistencia será:

17. ¿Cuál debe ser la longitud de un alambre de cobre de 0,4 mm de diámetro para que tenga una resistencia de 17 ? (Cu = 1,7 x 10-8  m)

18.Por un conductor circula una corriente eléctrica de intensidad 4 A. El número de electrones que pasa en 4 s por la sección transversal del conductor es:

19.Una corriente de 5 A pasa por un cable durante 4 min. ¿Cuántos electrones cruzan la sección transversal del cable?

20.Halle la cantidad de carga que circula desde t = 0 hasta t = 10 s.

I(A)

t(s) 5

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