19 Nov
Fundamentos de la Corriente Eléctrica
El estudio de la electricidad comienza con las cargas en movimiento y la corriente eléctrica, que se define como el movimiento ordenado de cargas eléctricas, principalmente electrones, a través de un conductor.
Analogía Hidráulica de los Conceptos Eléctricos
Para facilitar la comprensión, la electricidad se compara a menudo con los sistemas hidráulicos:
- La diferencia de potencial (o voltaje) equivale a la diferencia de altura del agua.
- La corriente eléctrica equivale al caudal que fluye.
- La resistencia equivale a un estrechamiento del caño.
- El interruptor equivale a una canilla (grifo).
- El conductor equivale a una manguera.
Sentido de la Corriente
El sentido de la corriente eléctrica fue establecido por Benjamin Franklin, quien creyó que la electricidad positiva se desplazaba del polo positivo al negativo. Este es el sentido convencional, que va del positivo al negativo y se sigue utilizando por razones históricas.
Más tarde se descubrió que los electrones son los que realmente se mueven, por lo que el sentido real de la corriente es del polo negativo al positivo.
Intensidad de Corriente Eléctrica
La intensidad de corriente eléctrica indica la cantidad de carga que pasa por un punto del conductor en un determinado tiempo. Su unidad de medida es el ampere (A), que representa el paso de un coulomb por segundo.
Medición y Generación de Energía Eléctrica
Instrumentos de Medición
Los aparatos que permiten medir magnitudes eléctricas son:
- El amperímetro: Mide la intensidad de la corriente y se conecta en serie.
- El voltímetro: Mide la diferencia de potencial y se conecta en paralelo.
Actualmente, ambos se combinan en un solo dispositivo llamado tester o multímetro, que también permite medir la resistencia eléctrica.
Generadores y Fuerza Electromotriz (f.e.m.)
El generador eléctrico es un dispositivo que mantiene una diferencia de potencial constante entre dos puntos del circuito, permitiendo que las cargas se mantengan en movimiento.
La fuerza electromotriz o f.e.m. representa la energía que el generador entrega al circuito por cada unidad de carga que lo atraviesa. Su unidad es el volt (V).
La Resistencia Eléctrica y la Resistividad
Definición de Resistencia
La resistencia eléctrica es la medida de la capacidad de un material de frenar a los electrones que forman una corriente eléctrica que circula por él. Los electrones que se desplazan dentro del material chocan con los átomos, lo que frena su movimiento. Las resistencias pueden tener valores fijos o variables y su magnitud se expresa en ohmios (Ω).
Resistencias Variables (Reóstatos)
Las resistencias variables, también llamadas reóstatos, permiten modificar la oposición al paso de la corriente al cambiar la longitud del conductor que atraviesa. Cuanto mayor sea la longitud recorrida, mayor será la resistencia.
Resistividad Eléctrica ($ ho$)
La resistencia eléctrica depende no solo de la forma del conductor, sino también del material con el que está hecho. Esa propiedad del material se llama resistencia específica o resistividad eléctrica ($ ho$). Es una característica propia de cada sustancia que indica qué tanto se opone al paso de la corriente.
Conductores y Aislantes
Un material con baja resistividad es un buen conductor (como cobre, plata o aluminio), mientras que uno con alta resistividad es un mal conductor o aislante (como vidrio o plástico).
Comportamiento de Materiales y Circuitos
Efecto de la Temperatura en la Resistividad
La resistividad eléctrica aumenta con la temperatura en los metales, porque las partículas vibran más y dificultan el movimiento de los electrones. En cambio, en los semiconductores, la resistividad disminuye al aumentar la temperatura, ya que el calor libera más portadores de carga.
Dependencia Geométrica de la Resistencia
La resistencia (R) de un conductor también depende de su longitud y de su sección transversal: un cable más largo ofrece más oposición al paso de la corriente, y uno más grueso ofrece menos. Por eso, para transportar corriente eléctrica a grandes distancias se usan conductores de gran diámetro, para reducir las pérdidas.
Superconductores
Los materiales conductores ideales serían aquellos con resistencia nula, llamados superconductores, que se comportan así solo a bajas temperaturas. Estos materiales permiten el paso de corriente sin pérdida de energía, y se utilizan en aplicaciones especiales como imanes potentes o trenes de levitación magnética.
El Efecto Joule
Cuando una corriente eléctrica circula, los electrones se mueven a través del material conductor y chocan con los átomos del mismo, generando calor. Ese efecto se llama efecto Joule, y es una manifestación de la transformación de energía eléctrica en térmica. Es el principio de funcionamiento de resistencias, estufas, planchas y hornos eléctricos.
Conexiones en Circuitos Eléctricos
Conexión en Serie
En una conexión en serie, los resistores están uno detrás del otro, por lo que la corriente es la misma en todos los componentes, pero la tensión se reparte entre ellos. Si uno se interrumpe, se corta todo el circuito.
Conexión en Paralelo
En una conexión en paralelo, los resistores están conectados entre los mismos dos puntos, por lo que la tensión es igual en cada rama, pero la corriente se divide. Si una rama se interrumpe, las otras siguen funcionando. En la práctica, los circuitos domésticos usan conexiones en paralelo, ya que permiten que cada artefacto funcione de manera independiente.
Resistencia Equivalente
También se estudia el equivalente resistivo, que es una sola resistencia que reemplaza al conjunto y produce los mismos efectos eléctricos (misma corriente total o misma tensión total según el tipo de conexión).
La Ley de Ohm y la Conductancia
Relación entre Magnitudes
La intensidad de corriente mide cuánta carga pasa por un punto del circuito por segundo, mientras que la diferencia de potencial o voltaje indica la energía que tiene cada carga para desplazarse. Ambos conceptos están relacionados con la resistencia del circuito y con la cantidad de energía que se transforma en forma de calor o trabajo útil.
La Ley de Ohm
La Ley de Ohm establece que la corriente, el voltaje y la resistencia están relacionados de manera directamente proporcional e inversamente proporcional, respectivamente. Si se aumenta el voltaje, la corriente aumenta; pero si se aumenta la resistencia, la corriente disminuye. Esta ley es la base del estudio de cualquier circuito eléctrico.
Conductancia Eléctrica
La conductancia eléctrica es la inversa de la resistencia: mide qué tan fácil pasa la corriente por un material. Si la resistencia es alta, la conductancia es baja, y viceversa.
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