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 Clases de Electromagnetismo. Ariel Becerra 2007.www.fisica.ru 1.8. Corriente eléctrica. Ley de Ohm
Si un conductor aislado es introducido en un campo eléctrico entonces sobre las cargas libres q en el
conductor va a actuar una fuerza
. Como resultado en el conductor surge un desplazamiento
momentáneo de las cargas libres. Este proceso se termina cuando el campo eléctrico propio de las
cargas que aparecen sobre la superficie del conductor se compensa totalmente con el campo externo. El
campo electrostático resultante dentro del conductor es igual a cero.
Sin embargo, en los conductores puede, en ciertas condiciones, surgir un movimiento ordenado continuo
de las cargas libres. Tal movimiento se denomina corriente eléctrica. Como dirección de la corriente
eléctrica se suele tomar la dirección de movimiento de las cargas libres positivas. Para que exista
corriente eléctrica en el conductor es necesario crear en él un campo eléctrico.
La medida cuantitativa de la corriente eléctrica es la llamada Intensidad de corriente (corriente) , la cual
es una magnitud física escalar igual a la relación de la carga ∆ transportada a través de la sección
transversal del conductor (dibujo 1.8.1) en el intervalo de tiempo ∆ , con este intervalo:
∆
.
∆
Si la intensidad de corriente y su dirección no cambian con el tiempo, entonces esa corriente se llama
corriente continua.
Dibujo 1.8.1.
Movimiento ordenado de los electrones en un
conductor metálico y la corriente .
– área de la
sección transversal del conductor,
– campo
eléctrico.
En el sistema SI la intensidad de corriente se mide en amperios (A). La unidad de medida de corriente,
A, se establece a partir de la interacción magnética de dos conductores paralelos con corriente (ver tabla
del Sistema SI en www.fisica.ru).
La corriente eléctrica continua puede ser creada solamente en un circuito cerrado, en el cual las cargas
libres circulan por trayectorias cerradas. El campo eléctrico en diferentes puntos de ese circuito no
cambia con el tiempo. Por consiguiente el campo eléctrico en el circuito de corriente continua tiene la
característica de un campo electrostático congelado. Pero con el desplazamiento de la carga eléctrica en
el campo electrostático por una trayectoria cerrada, el trabajo de las fuerzas eléctricas es igual a cero
(ver 1.4. Trabajo y potencial). Por eso para la existencia de corriente continua es necesaria la presencia
en el circuito de un dispositivo capaz de crear y mantener una diferencia de potencial en las diferentes
partes del circuito por cuenta del trabajo de fuerzas de origen no electrostático. Estos dispositivos se
denominan fuentes de corriente continua. Las fuerzas de origen no electrostático que actúan sobre las
cargas libres se denominan fuerzas externas.
La naturaleza de las fuerzas externas puede ser muy variada. En las baterías ellas surgen como
resultado de procesos electroquímicos, en los generadores de corriente continua las fuerzas externas
surgen como resultado del movimiento de los conductores en un campo magnético. La fuente de
corriente en un circuito juega el mismo papel que una bomba que sirve para hacer correr líquido en un
sistema hidráulico cerrado. Por acción de las fuerzas externas las cargas eléctricas se mueven dentro de
la fuente de corriente en dirección contraria al campo (a las fuerzas del campo electrostático) y gracias a
ello en el circuito cerrado se puede mantener la corriente eléctrica constante.
Clases de Electromagnetismo. Ariel Becerra 2007.www.fisica.ru Al desplazarse las cargas eléctricas en el circuito de corriente continua, las fuerzas externas que actúan
dentro de la fuente de corriente realizan un trabajo.
La magnitud física igual a la relación del trabajo
de las fuerzas externas al desplazar la carga
desde el polo negativo de la fuente hasta el polo positivo, con la magnitud de esta carga, se denomina
fuerza electromotriz (FEM):
Entonces la FEM se determina por el trabajo realizado por fuerzas externas al desplazar una carga
unitaria positiva. La fuerza electromotriz, lo mismo que la diferencia de potencial, se mide en Voltios (V).
Cuando se desplaza una carga unitaria positiva en un circuito cerrado de corriente continua, el trabajo de
las fuerzas externas es igual a la suma de las FEM que actúan en el circuito, y el trabajo del campo
electrostático es igual a cero.
El circuito de corriente continua se puede dividir en sectores determinados. Los sectores en los cuales no
actúan fuerzas externas (es decir, aquellos que no contienen fuentes de corriente) se llaman
homogéneos. Los sectores que contienen las fuentes de corriente se denominan heterogéneos.
Al desplazar una carga positiva a lo largo de una parte del circuito, trabajo realizan tanto las fuerzas
electrostáticas (colombianas), como las externas. El trabajo de las fuerzas electrostáticas es igual a la
diferencia de potencial ∆
entre los puntos inicial (1) y final (2) del sector no homogéneo. El
trabajo de las fuerzas externas por definición es igual a la fuerza electromotriz
que actúa en dicho
sector. Por eso el trabajo total es igual a
se suele llamar tensión en el sector 1–2 del circuito. En el caso de un sector homogéneo
La magnitud
la tensión es igual a la diferencia de potencial:
El físico alemán G. Ohm en 1826 estableció experimentalmente que la intensidad de corriente que fluye
por un conductor homogéneo metálico (es decir por un conductor, en el cual no
actúan fuerzas externas), es proporcional a la tensión
en los extremos del
conductor:
1
donde
ó
,
.
La magnitud
se le llama resistencia eléctrica. El conductor que tiene resistencia se denomina
resistor. La relación mencionada expresa la Ley de Ohm para el sector homogéneo del circuito: la
corriente en el conductor es directamente proporcional a la tensión aplicada e inversamente proporcional
a la resistencia del conductor.
En el sistema SI la unidad de la resistencia eléctrica de los conductores es el ohm (ohmio). Una
resistencia de 1 ohmio tiene un sector del circuito, en el cual a una tensión de 1 V surge una corriente de
1 A.
Los conductores que se someten a la ley de Ohm se denominan lineales. La dependencia gráfica de
corriente contra tensión (dichas gráficas se denominan características voltio-amperio) se representa
con una línea recta que pasa por el origen de coordenadas. Hay que recalcar que existen muchos
materiales y dispositivos que no se someten a la ley de Ohm, por ejemplo el diodo semiconductor o la
lámpara de vacío. Inclusive en los conductores metálicos con corrientes muy altas se observa una
declinación de la ley lineal de Ohm ya que la resistencia eléctrica de los metales conductores crece con
el aumento de la temperatura.
Para el sector del circuito que contiene FEM, la ley de Ohm se escribe de la siguiente forma:
Esta relación se suele llamar ley generalizada de Ohm.
En el dibujo 1.8.2 se representa un circuito cerrado de corriente continua. El sector cd es homogeneo.
Clases de Electromagnetismo. Ariel Becerra 2007.www.fisica.ru Dibujo 1.8.2.
Circuito de corriente continua.
Por la ley de Ohm tenemos,
El sector ab contiene una fuente de corriente con FEM igual a
.
De acuerdo a la ley de Ohm para el sector no homogéneo,
. Sumando estas dos igualdades obtenemos:
Pero
. Por eso
Esta fórmula expresa la ley de Ohm para el circuito completo: la corriente en el circuito completo es
igual a la fuerza electromotriz de la fuente, dividida entre la suma de las resistencias de los sectores
homogéneo y no homogéneo del circuito.
La resistencia del sector no homogéneo en el dibujo 1.8.2 se puede considerar como resistencia
interna de la fuente de corriente. En este caso el sector ab en el dibujo 1.8.2 es un sector interno de la
fuente. Si unimos los puntos a y b con un conductor con resistencia muy pequeña en comparación con la
resistencia interna de la fuente (
), entonces en el circuito va a fluir una corriente de corto circuito:
La corriente del corto circuito es la máxima corriente que se puede obtener de la fuente dada con fuerza
electromotriz
y con resistencia interna . En las fuentes con muy poca resistencia interna la corriente
de corto circuito puede ser muy alta y puede provocar la destrucción del circuito o de la fuente. Por
ejemplo en las baterías de plomo que se usan en los automóviles la corriente de corto circuito puede ser
de unos cientos de amperios. Muy peligrosos son los cortos circuitos en las redes de iluminación que se
alimentan de las estaciones eléctricas (miles de amperios). Para evitar la acción destructiva de esas
corrientes grandes, en el circuito se conectan fusibles o dispositivos automáticos de defensa de las redes
eléctricas.
En muchos casos para evitar el peligro de la corriente de corto circuito a la fuente se conecta una
resistencia externa de balastaje. Entonces la resistencia es igual a la suma de la resistencia interna de
la fuente y la resistencia externa de balastaje.
Si el circuito externo está abierto, entonces
polos de la batería abierta es igual a su FEM.
, es decir la diferencia de potencial en los
Si la resistencia externa de sobrecarga R está conectada, y a través de la batería fluye una corriente ,
entonces la diferencia de potencial en sus polos es igual a
Clases de Electromagnetismo. Ariel Becerra 2007.www.fisica.ru En el dibujo 1.8.3 se representa esquemáticamente la fuente de corriente continua con una FEM igual a
y con una resistencia interna en tres régimenes: «trabajo mínimo», trabajo de sobrecarga y régimen
de corto circuito (c.c.). Se muestra el campo dentro de la batería y las fuerzas que actúan sobre las
cargas positivas:
– fuerza eléctrica,
– fuerza externa. En el régimen de corto circuito, el campo
eléctrico dentro de la batería desaparece.
Dibujo 1.8.3.
Representación esquemática de la fuente de corriente
continua: 1 – Batería abierta; 2 – batería cerrada con una
resistencia externa ; 3 – régimen de corto circuito.
Para la medición de las tensiones y las corrientes en los circuitos eléctricos de corriente continua se usan
dispositivos especiales: los voltímetros y los amperímetros.
Voltímetro: está diseñado para medir la diferencia de potencial que se aplica a sus cables de entrada.
Éste se conecta en paralelo con el sector del circuito donde se lleva a cabo la medición de la diferencia
de potencial. Cualquier voltímetro tiene cierta resistencia interna . Para que el voltímetro no haga una
redistribución sustancial de las corrientes al conectarlo al circuito, su resistencia interna debe ser grande
en comparación con la resistencia del sector del circuito donde se conecta. Para el circuito de la figura
1.8.4, esta condición se escribe de la forma:
/ , que pasa por el voltímetro, es mucho menor que la
Esta condición significa que la corriente
corriente
/ , que pasa por el sector del circuito que se mide.
Debido a que dentro del voltímetro no actúan fuerzas externas, la diferencia de potencial en sus cables
de entrada coincide por definición con la tensión. Por eso se puede decir que el voltímetro mide la
tensión.
Amperímetro: está diseñado para la medición de la corriente en el circuito. El amperímetro se conecta
en serie en un rompimiento del circuito para que por él pase toda la corriente a medir. El amperímetro
también tiene una resistencia interna
. A diferencia del voltímetro, la resistencia interna del
Clases de Electromagnetismo. Ariel Becerra 2007.www.fisica.ru amperímetro debe ser muy pequeña en comparación con la resistencia total de todo el circuito. Para el
circuito del dibujo 1.8.4 la resistencia del amperímetro debe satisfacer la condición
para que la corriente en el circuito no cambie al conectar el amperímetro.
Los dispositivos de medición (voltímetros y amperímetros) existen de dos tipos: análogos (indicador de
flecha) y digitales. Los digitales son dispositivos electrónicos complejos. Por lo general los dispositivos
digitales ofrecen una medición de más alta precisión.
Dibujo 1.8.4.
Conexión del amperímetro (A) y del
voltímetro (V) en un circuito eléctrico.