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17

CORRIENTE ELÉCTRICA

COLEGIO TRILCE • COLEGIO TRILCE • COLEGIO TRILCE • COLEGIO TRILCE • COLEGIO TRILCE • COLEGIO TRILCE • COLEGIO

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

-

+

Ion positivo

-

Ion negativo Átomos neutros

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

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www.trilce.edu.pe 141

Temperatura y Calor

1

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 Lorentz 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 la dirección que les impone 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, esta se enciende de forma instantánea, a pesar de la poca velocidad de los electrones.

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

Dirección real

Dirección real

Dirección convencional

Dirección convencional

Fig. 4 La dirección 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 =

q t

Unidades:

q = coulomb (C) t = segundo (s) I = ampere (A)

Colegios

TR ILCE 142

Física RESISTENCIA ELÉCTRICA (R)

Se entiende por resistencia eléctrica a la oposición que presenta un material o sustancia al paso de una corriente

Ω).

eléctrica. La unidad de la resistencia eléctrica en el S.I. es el ohm (

Fig. 5

filamento

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

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).

R R =ρ

L A Representación esquemática

ρ

Donde "

" es la resistividad eléctrica del material, que es una característica propia de la sustancia con que está hecha

el conductor.

R

I L

A

Resistividad eléctrica a temperatura ambiente (20ºC)

MATERIAL

ρ (Ω . m) -8

Aluminio

2,6 x

10

Cobre

1,7 x

10

Níquel-cromo

100 x

-8 -8

10 -8

Plomo

22 x

10

Fierro

10 x

10

-8 -8

Mercurio

94 x

Plata

1,5 x

10 -8

10 -8

Tungsteno

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5,5 x

10

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Temperatura y Calor

1 Problemas resueltos 1.

Por un cable conductor circula una corriente de 8 A,

Resolución

¿qué carga atraviesa el conductor en 5 minutos? Como nos dan la cantidad de electrones, podemos Resolución

calcular la cantidad de carga que atraviesa el conductor multiplicando la carga de un electrón por el número

Reconociendo los datos tenemos :

de electrones, es decir:

I = 8 A t = 5 minutos

q = n . e

q = ???

q = 6 x 10

21

q = 9,6 x 10

-19

. 1,6 x 10

2

C

C

Cuidado debemos expresar el tiempo siempre en segundos, por lo tanto multiplicamos por 60 s y

Además el tiempo lo debemos tener en segundos, es

tendremos 5 x 60 = 300 s

decir: t = 5 . 60 s

q t

I =

t = 300 s

q 300

8 =



finalmente:

I=

q t

I =

9 , 6×102 300

q = 2400 C

2.

Si por un conductor circulan 6 x 10

21

electrones

I = 3,2 A

en cierta dirección durante 5 minutos, ¿cuál es la intensidad de corriente eléctrica?

Aprende más

Bloque I

1.

3. Respecto a la intensidad de corriente eléctrica, qué

Indique verdadero(V) o falso(F)

según corresponda,

respecto a la corriente eléctrica:

I.

I.

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

III.

2.

a)

V V V

b)

F F V

d)

V F V

e)

V F F

c)

V V F

Su unidad es el ampere (A) según el S.I.

III.

Su dirección en sentido convensional es la misma que el movimiento de los electrones.

a)

V F F

b)

F V V

d)

V F V

e)

V V V

c)

V V F

4. En la figura se muestra un conductor  y se indica la

Indique verdadero (V) o falso (F) según corresponda:

I.

tiempo. II.

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

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

En los metales está dada por el movimiento de los electrones.

II.

proposiciones son verdaderas:

dirección del campo eléctrico que hay en su interior, indique verdadero (V) o falso (F) según corresponda :

El movimiento de las cargas eléctricas que

E

conforman la corriente eléctrica se debe a la presencia de un campo eléctrico. II.

Los electrones se desplazan en la misma dirección que el campo eléctrico.

III.

En los metales el movimiento de los protones

I.

La dirección del movimiento de los electrones es

II.

La dirección convencional de la corriente eléctrica

III.

La dirección de la corriente eléctrica real es hacia

forman la corriente eléctrica.

a) V F V

b) F V V

d) F F V

e) V F F

hacia la derecha.

c) V V V

es hacia la derecha.

la izquierda.

Colegios

TR ILCE 144

Física a)

V V V

b)

F V F

d)

F F V

e)

F V V

c)

3. Unaintensidaddecorrienteeléctricade1,8Afluyea

V F F

través de un conductor. Halle el número de electrones que atraviesa la sección transversal en 8 s.

5.

Completar adecuadamente:

La resistencia eléctrica mide la ____________

6.

que

4. ¿Cuántos electrones fluyen a través de un foco cada

ofrecen ciertos materiales al paso de la ____________

segundo, si la intensidad de corriente a través del foco

eléctrica. Su unidad es el ___________ según el S.I.

es 1,25 A?

a)

oposición - fuerza - ampere

b)

oposición - corriente - ampere

c)

facilidad - corriente - ohm

d)

oposición - fuerza - ohm

e)

oposición - corriente - ohm

5.

ρ = 5,5 x 10-8 Ω.m) de 200 m de longitud -6

y una sección recta de 4 x 10

Si por un foco circula una intensidad de corriente eléctrica de 1,5 A , durante 20 minutos, halle la

6.

7.

30 C

b)

180

d)

1800

e)

300

c)

2

m .

La resistencia de una ducha eléctrica es un alambre de 120

cantidad de carga eléctrica que pasó por el foco. a)

H a l l e la resistencia(en ohm) de un alambre de tungsteno (

Ω,

¿ cuál será la resistencia (en ohm) de otra

ducha que tiene un alambre de la mitad

de longitud

y la tercera parte de sección recta?

120

pasaron 4200 C en 4

7 . Tenemos dos varillas de metal de la misma longitud

minutos, halle la intensidad de corriente eléctrica que

y la misma sección recta una de níquel-cromo y otra

circula por el calentador.

de cobre, empleando la tabla de resistividades, halle

Por un calentador eléctrico

la relación entre las resistencias eléctricas de ambas a)

17,5 A

b)

1,5

d)

1050

e)

300

c)

varillas.

1,75

8. La intensidad de corriente que se estableció en un

8.

Un alambre tiene una resistencia eléctrica igual a 50

conductor metálico es de 240 mA. Suponiendo que

Ω. Si triplicamos su longitud manteniendo su densidad

esta corriente se mantiene durante media hora, calcule

constante, ¿cuál es su nueva resistencia eléctrica (en ohm)?

la cantidad de carga eléctrica que atravesó la sección recta del conductor. 9. ¿Cuál debe ser la longitud (en m) de un alambre de cobre a)

232 C

b)

332

d)

532

e)

632

c)

de 0,5mm de diámetro para que tenga una resistencia

432

de 10

9. Determine la resistencia eléctrica

de un conductor

metálico hecho de cobre de 240 m de longitud -6

y 3 x 10

a)

2,72

d)

1,36

2

m

ρ

de sección recta (

Ω

b)

4,56

e)

3,52

-8

Cu

c)

Ω?

= 1,7 x 10

10.La resistividad de un conductor metálico varía según

Ω. m)

la ley:

Ω.m

ρ

-6

= 3 x 10

-7

+ 5 x 10

del conductor a 20 ºC fue 2,5

1,98

ρ

T, donde " " está en

y "T" es la temperatura en ºC. Si la resistencia

Ω;

halle su resistencia

a 60 ºC.

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

Bloque

III

2

.Calculelaresistenciaeléctricadelfilamento. -8 (ρ = 5,5 x 10 Ω . m) tungsteno m

1. ¿ Cuántos electrones pasan por minuto a través de la sección transversal de un alambre que lleva una

Ω

a)

60

d)

100

Bloque

b) 40

c)

intensidad de corriente de 1,8 A?

30

e) 150

II

2. Una varilla de metal mide 4 m de largo y 8 mm de

Ω), si la Ω.m. Dar respuesta

diámetro. Halle su resistencia eléctrica (en 1.

-8

¿Cuántos electrones por segundo pasan a través de

resistividad del metal es 1,76 x 10

una sección de alambre que lleva una intensidad de

en ohm.

corriente de 0,8 A?

2. Unaintensidaddecorrientefijade0,6Apasaatravés

3.

Un alambre de calibre número 10 tiene un diámetro

de un alambre. ¿Qué cantidad de carga pasa a través

de 2,55 mm. ¿Cuántos metros de alambre de cobre del

de su sección recta en 5 minutos?

número 10 se necesitará para tener una resistencia de

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Temperatura y Calor

1

1 4.

Ω? La resistividad del cobre es: 1,76 x 10-8 Ω.m.

5.

En el modelo de Bohr, el electrón de un átomo de

Un alambre de cobre de longitud "L" y sección

hidrógeno se mueve en una órbita circular de

transversal circular de radio "r", tiene una resistencia

5,3

eléctrica "R". ¿Cuál será la resistencia de otro alambre

determine la intensidad de corriente eléctrica en la

delmismomaterialperodelongitud"3L"yradio:r/2?

órbita.

x

-11

10

m

con

una

rapidez

radio 6

de 2,2 x 10

m/s,

Practica en casa 1.

III.

Indique verdadero (V) o falso (F) según corresponda:

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

I.

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

II.

Los metales tienen electrones que se arrancan con

6. En la figura se muestra un conductor y se indica la → dirección del campo eléctrico E que hay en su interior,

poca energía, formando estos los electrones libres. III.

indique verdadero (V) o falso (F) según corresponda.

En los gases el movimiento de los protones forma la corriente eléctrica.

2.

Relacione correctamente respecto a la corriente

E

eléctrica a través de un medio:

I.

Sólido

a)

Electrones

I.

El movimiento de los electrones es hacia la

II.

Líquido

b)

Protones

II.

El sentido de la corriente eléctrica real es hacia la

c)

Electrones y protones

III.

izquierda.

izquierda. III. Gaseoso

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

d)

3.

Iones positivos y negativos

Un conductor metálico está sometido a un campo

7.

Indique verdadero (V) o falso (F) respecto a la resistencia

eléctrico, indique las proposiciones correctas:

eléctrica:

I.

Los electrones se mueven en la misma dirección

I.

Es la oposición que presenta un cuerpo o sustancia

II.

Los protones se mueven en la misma dirección que

II.

Su u...