3.1.5 Diferencia de potencial o voltaje, corriente eléctrica

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POTENCIAL ELÉCTRICO

Cuando un cuerpo se encuentra dentro del campo gravitatorio de la Tierra tiene una energía potencial gravitacional. De manera análoga, una carga eléctrica situada dentro de un campo eléctrico tendrá una energía potencial eléctrica o simplemente un potencial eléctrico, pues la fuerza que ejerce el campo es capaz de realizar un trabajo al mover la carga.

Toda carga positiva o negativa, tiene un potencial eléctrico debido a su capacidad para realizar trabajo sobre otras cargas.

Un potencial eléctrico es positivo si al conectar un cuerpo a tierra, por medio de un conductor eléctrico, los electrones fluyen desde el suelo al cuerpo y será negativo si se da en viceversa.

El potencial eléctrico (V) en cualquier punto de un campo eléctrico es igual al trabajo (T) que se necesita realizar para transportar la unidad de carga positiva (q) desde el potencial cero (tierra) hasta el punto considerado, por tanto

V = T = joules = Volt q coulomb

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En términos prácticos, no es tan

importante conocer el potencial

eléctrico existente en determinado

punto de un campo eléctrico, sino

cuál es la diferencia de potencial

entre estos dos puntos y con ello

determinar la cantidad de trabajo

necesario para mover cargas

eléctricas de un punto a otro.

Si existen dos puntos A y B y tienen

diferente potencial, es decir se

necesita realizar diferente trabajo

para llevar la unidad de carga

positiva hasta el punto A o hasta el

punto

B,

entonces

podemos

determinar la diferencia de potencial

(V

B

– V

A

) de distinta posición

de un trabajo y otro, a lo que se le da

el nombre de diferencia de potencial

o voltaje.

V

AB

= (V

B

– V

A

)

La diferencia de potencial entre

placas con cargas d e la misma

magnitud, pero de signo contrario,

se determina a partir del siguiente

análisis.

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Una fuerza eléctrica igual al producto de la intensidad del campo electrico por el valor de la carga F = Eq

La fuerza eléctrica realiza un trabajo para llevar la carga q desde B hasta A, recorriendo la distancia d entre las placas, en el que se obtiene multiplicando la fuerza por la distancia WBA = (Eq)dBA

A partir de la ecuación del potencial eléctrico, el trabajo es:

WBA =VBA q

Igualando las dos expresiones resulta

VBA q = Eq dBA

Simplificando y eliminando la carga q se tiene:

VBA = Ed y E =K q VBA = kq r2 r

VBA = diferencia de potencial entre dos punto de un campo eléctrico uniforme en Voltios (V).

E = Intensidad del campo eléctrico uniforme, en V/m (Voltios sobre metros).

d = distancia entre los dos puntos, en metros (m)

V = EP q V = Voltaje

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CORRIENTE ELÉCTRICA

La parte de la física encargada del estudio de las cargas eléctricas en movimiento dentro de un conductor recibe el nombre de electrodinámica

La corriente eléctrica es un movimiento de las cargas negativas a través de un conductor.

Como los protones están fuertemente unidos al núcleo del átomo, son los electrones los que en realidad tienen la libertad de moverse en un material conductor. Por ello puede decirse que la corriente eléctrica se origina por el movimiento o flujo electrónico a través de un conductor, el cual se produce debido a que existe una diferencia de potencial y los electrones circulan de una terminal negativa a una positiva.

cuando dos cuerpos cargados con diferente potencial se conectan mediante un alambre conductor, las cargas se mueven del punto de potencial eléctrico más alto al más bajo, lo cual genera una corriente eléctrica instantánea que cesara cuando el voltaje sea igual en todos los puntos.

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Sin embargo los electrones no se desplazan a la misma velocidad, en general el promedio es de 10 cm/s.

Esto se explica por que cada electrón obliga al siguiente a moverse en forma instantánea, tal como sucede como el movimiento de un tren cuyo desplazamiento puede ser lento, pero al comenzar su avance la transmisión del movimiento es instantánea desde la maquina guía hasta el último vagón.

El flujo de electrones se presenta en los metales, en los líquidos llamados electrolitos y en los gases.

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Los electrolitos son soluciones capaces de conducir la corriente eléctrica, tal es el caso d e los ácidos, bases y sales que al ser diluidos en agua se disocian en sus átomos constituyentes, los cuales reciben el nombre de iones.

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Existen dos tipos de corriente eléctrica, la continua (CC) o directa (cd) y la alterna (CA).

La corriente continua se origina cuando el campo eléctrico permanece constante, esto provoca que los electrones se muevan siempre en el mismo sentido, es decir de negativo a positivo. (En el sentido convencional

La corriente alterna se origina cuando el campo eléctrico cambia alternativamente de sentido, por que los electrones oscilan de uno a otro lado del conductor, así en un instante el polo positivo cambia a negativo y viceversa

Cuando un electrón cambia de sentido efectúa una alternancia, dos alternancias consecutivas constituyen un ciclo, el numero de ciclos por segundo recibe el nombre de frecuencia, en la mayoría de los países de América la corriente alterna es de 60 ciclos/segundo.

Ejemplos donde se utilizan corriente continua, relojes, radios, celulares control remoto, todos aquellos que usen alguna batería.

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INTENSIDAD DE LA CORRIENTE ELÉCTRICA

La intensidad de la corriente eléctrica es la cantidad de carga eléctrica que pasa por cada sección de un conductor en un segundo.

Por tanto se representa mediante la siguiente formula

I = q t Donde:

I= Intensidad de la corriente eléctrica en C/s = Ampere = A

q = Carga eléctrica que pasa por cada sección de un conductor en coulombs C t = tiempo en que tarda en pasar la carga q en segundos.

La unidad empleada en el SI para medir la intensidad de la corriente eléctrica es el ampere (A), por definición un ampere equivale al paso de una carga de un coulomb a través de una sección de un conductor en un segundo.

De uso muy frecuente en la práctica es el miliampere (mA) que equivale a 1 X10-3 A

1 A = 1 C es decir A = C 1 seg s

Para medir la intensidad de la corriente eléctrica se utiliza un aparato llamado amperímetro.

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RESISTENCIA ELÉCTRICA

Todos los materiales presentan cierta oposición al flujo de electrones o corriente eléctrica, pero unos obstruyen la circulación más que otros.

Esto se debe a que en los átomos de algunos materiales los electrones externos son cedidos con relativa facilidad, disminuyendo la resistencia al paso de la corriente.

Como se sabe, la corriente eléctrica circula con relativa facilidad en los metales, por ello se utilizan en la construcción de circuitos para conducir la energía eléctrica y se denominan conductores

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Entre los materiales conductores y dieléctricos hay otro tipo de sustancias denominadas semiconductores, como el germanio y el silicio.

LA NATURALEZA DEL CONDUCTOR:

Si tomamos alambres de la misma longitud y sección transversal de los siguientes materiales, plata, cobre, aluminio y hierro, podemos verificar que la plata tiene una menor resistencia y que el hierro es el de mayor valor entre los cuatro

LA LONGITUD DEL CONDUCTOR:

A mayor longitud mayor resistencia. Si se duplica la longitud del alambre, también lo hace su resistencia.

SU SECCIÓN TRANSVERSAL:

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LA TEMPERATURA:

En el caso de los metales su resistencia aumenta casi en forma proporcional a su temperatura, sin embargo el carbón

disminuye su resistencia al

incrementarse la temperatura, por que la energía que produce la elevación de la temperatura libera más electrones.

La resistencia que corresponde a cada material recibe el nombre de resistencia especifica o resistividad.

La resistividad de una sustancia a una determinada temperatura esta definida como la resistencia de un alambre de dicha sustancia de 1 m de largo y de 1m2

A medida que la resistividad de un alambre aumenta, disminuye su capacidad de conducir la corriente eléctrica. Por ello la conductividad (σ) se emplea para especificar la capacidad de un material para conducir la corriente y se define como la inversa de la resistividad

Conductividad = 1

resistividad σ= 1

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Resistividad de algunos materiales

Metal

ρ en Ω-m a 0

o

C

Plata

1.06 X10

-8

Cobre

1.72 X10

-8

Aluminio

3.21 X10

-8

platino

11.05 X10

-8

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EL OHM, UNIDAD EMPLEADA PARA MEDIR RESISTENCIA

ELÉCTRICA.

La unidad empleada para medir la resistencia eléctrica es el ohm en honor al físico alemán George Simón Ohm, quien en 1841 recibió la medalla Copley de la Sociedad Real de Londres, por la publicación de un trabajo sobre corrientes eléctricas.

El ohm cuyo símbolo se escribe con la letra griega omega Ω, se define como la resistencia opuesta a una corriente continua de electrones por una columna de mercurio a 0 ⁰C de 1mm2 de sección

transversal y 106.3 cm de largo.

En el Sistema Internacional de Unidades, la unidad de resistencia es el volt/ampere, por tanto 1 ohm es la relación entre estos últimos.

1 Ω = 1 V

1 A

En conclusión se puede decir que la resistencia de un alambre conductor a una determinada temperatura, es directamente proporcional a su longitud e inversamente proporcional al área de su sección transversal

R = ρ L A Donde:

R = resistencia del conductor en

ρ= Resistividad del material de que esta hecho el conductor en Ω-m

L = longitud del conductor en metros (m).

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VARIACIÓN DE LA RESISTENCIA CON LA TEMPERATURA

Como se ha mencionado la resistencia eléctrica de los conductores metálicos aumenta casi en forma proporcional a su temperatura. Experimentalmente se ha demostrado que cuando se desea calcular la resistencia R de un conductor a una cierta temperatura t, si se conoce su resistencia R a una temperatura de 0 ⁰C, se puede utilizar la expresión.

Rt = R0 (1+αt)

Donde :

Rt = Resistencia del conductor en Ω a cierta temperatura.

R0 = resistencia del conductor en Ω a 0 ⁰C

α = coeficiente de temperatura de la resistencia del material conductor en ⁰C-1 indica como varia la resistencia

del material por cada grado centígrado de incremento de temperatura.

t= temperatura del conductor en ⁰C

Coeficientes de

temperaturas para algunas

sustancias

sustancia

α en

⁰C

-1

Acero

3.0 X 10

-3

Plata

3.7 X 10

-3

Cobre

3.8 X 10

-3

Platino

3.9 X 10

-3

Hierro

5.1 X 10

-3

Níquel

8.8 X 10

-3

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LEY DE OHM

George Simón Ohm, físico y profesor alemán utilizo en sus experimentos instrumentos de medición bastante confiables y observo que si aumenta la diferencia de potencial en un circuito, mayor es la intensidad de la corriente eléctrica, también comprobó que al incrementar la resistencia del conductor, disminuye la intensidad de la corriente eléctrica

Con base en esas observaciones enuncio en 1827 la ley que lleva su nombre :

La intensidad de la corriente eléctrica que pasa por un conductor en un circuito es directamente proporcional a la diferencia de potencial aplicado a sus extremos e inversamente proporcional a la resistencia del conductor.

Matematicamente esta ley se expresa de la siguiente manera. I = V y V = IR

R

Donde V= Diferencia de potencial aplicado a los extremos del conductor en Volts.

R = Resistencia del conductor en ohms. I= Intensidad de la corriente en Amperes

Al despejar la resistencia de la expresión matemática de la Ley de Ohm, tenemos que: R = V

I

Con base en la ecuación anterior la ley de Ohm define la unidad de resistencia eléctrica de la siguiente manera:

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LIMITACIONES DE LA LEY DE OHM

1.

Se puede aplicar a los metales, mismos que reciben el nombre de

conductores óhmicos, pero no al carbón a los materiales utilizados en los

transistores, es decir a los semiconductores, mismos que se llaman

conductores no óhmicos, pues no siguen la ley de ohm, ya que su

resistencia no permanece constante cuando se aplican voltajes

diferentes.

2. Al utilizar esta ley debe recordarse que la resistencia cambia con la

temperatura pues todos los materiales se calientan por el paso de la

corriente.

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