Download Clase 15 - Corriente Eléctrica

FÍSICA II
GRADO
Ingeniería Mecánica
Tema 3. Corriente eléctrica.
Reglas de Kirchhoff.
Prof. Norge Cruz Hernández
Tema 3. Corriente eléctrica.
Reglas de Kirchhoff. (3 horas)
3.1 Introducción
3.2 Densidad e intensidad de corriente eléctrica.
3.3 Ley de Ohm. Resistencias.
3.4 FEM de un generador. Efecto Joule. Relaciones de potencia en un
circuito.
3.5 Leyes de Kirchhoff para corriente continua.
Bibliografía
Clases de teoría:
- Física Universitaria, Sears, Zemansky, Young, Freedman
ISBN: 970-26-0511-3, Ed. 9 y 11.
Clases de problemas:
-Problemas de Física General, I. E. Irodov
-Problemas de Física General, V. Volkenshtein
- Problemas de Física, S. Kósel
-Problemas seleccionados de la Física Elemental, B. B. Bújovtsev, V.
D. Krívchenkov, G. Ya. Miákishev, I. M. Saráeva.
Libros de consulta:
-Resolución de problemas de física, V.M. Kirílov.
3.2 Densidad e intensidad de corriente eléctrica.
Corriente eléctrica: es todo movimiento de carga de una región a otra.
6
10 m s
movimiento aleatorio de
los electrones en un material
conductor cuando no hay campo
eléctrico.
movimiento
los electrones en
conductor cuando
eléctrico, donde
movimiento neto.
movimiento neto de cargas
aleatorio de
un material
hay campo
aparece un

vd velocidad de deriva
2
vd  10 m s
Corriente eléctrica: es todo movimiento de carga de una región a otra.
Movimiento de cargas positivas en un
medio.
-iones positivos que se mueven en
plasma .
-iones positivos que se mueven en una
disolución.
Movimiento de cargas negativas en un
medio.
-Electrones que se mueven en un
conductor a causa de un campo eléctrico.
-Iones negativos que se mueven en una
disolución.
Una misma corriente puede ser el resultado de movimiento de cargas
negativas o positivas.
dirección de la corriente
flujo de las cargas positivas
Movimiento de cargas positivas y negativas en una disolución de cloruro
de sodio.
Corriente eléctrica: es todo movimiento de carga de una región a otra.
dQ
I
dt
Intensidad de la corriente eléctrica: es
la carga que fluye por una sección
transversal por unidad de tiempo.
En el SI la intensidad de corriente se expresa en ampere:
C
1A  1
s
André Marie Ampere (1775-1836)
Tenemos un material que tenemos una concentración de partículas
portadoras de cargas de valor: n
Además, todas las partículas de mueven a la misma velocidad de
deriva vd al colocar el material en un campo eléctrico.
I
dQ  qnAvd dt 
dQ
I
dt
I  qnAvd
I
J
A
densidad de corriente
I
 qnvd
A
q0

J

qv d


J  nqvd

J

qv d


J  nqvd
q0


J  nqvd
independientemente del signo de la carga de los portadores
3.3 Ley de Ohm. Resistencias.


J  nqvd


vd  E


J  E
Ley de Ohm


J  E
Georg Simon Ohm (1787-1854)
físico alemán


J  E

  1

1 E
 
 J
conductividad del material
resistividad del material
resistividad y temperatura
 T   0 1   T  T0 
 0 es la resistividad del material a la temperatura de referencia T0
T0  0 C
0
T0  20 C
0
resistencia


E  J
V
I

L
A
V  RI
Ley de Ohm
en el SI R se expresa en ohm (Ω)
V
L
I
A
L
R
A
1
I V
R
obedece la ley de Ohm
resistor
no obedece la ley de Ohm
I
diodo
3.4 FEM de un generador. Efecto Joule. Relaciones de potencia en un
circuito.
Al colocar un conductor en un
campo eléctrico, se crea una
corriente.


E  J
Las cargas se van acumulando en
los extremos del conductor,
creando un campo eléctrico opuesto
al inicial.
Al cabo de muy poco tiempo el
campo se hace cero y la corriente
cesa.
Al cabo de muy poco tiempo el
campo se hace cero y la corriente
cesa.
Solamente continuará moviéndose las cargas (corriente eléctrica) si el
conductor forma parte de una espira.
Circuito eléctrico: camino conductor que forma una espira cerrada, por
donde se mueve una corriente eléctrica.
fuerza electromotriz
V
V
bomba de cargas
ε
f.e.m. ( ): en realidad es el trabajo que se realiza
por unidad de carga. SI volt (V).
bomba
de agua
fuerza electromotriz: es el efecto que hace fluir cargas de un potencial
menor a un potencial mayor.
fuerza electromotriz
V
V
f.e.m.

Fn
Es una fuerza que puede tener diferentes
orígenes no eléctricos. Se encarga de
transportar carga en contra de la caída de
potencial Vab.
q  qVab
fuente de f.e.m. no
conectada a un circuito
  Vab

Fn
fuente de
f.e.m.
ideal
está asociada con un proceso de
difusión de iones
fuente de f.e.m. ideal en un circuito
Vab  IR
  IR
símbolo de la fuente de f.e.m. en un circuito
 
fuente de f.e.m. real en un circuito
En realidad, la diferencia de potencial Vab (diferencia de tensión) en los
bornes de una fuente de f.e.m. no son igual si está conectado a un
circuito por donde circula una corriente, que cuando no está conectada.
  Vab
fuente de
f.e.m. real
La tensión en los bornes de esta batería
cuando no está conectada es de 12 V, pero
cuando está conectada a la bombilla la
tensión en sus bornes es menos de 12 V.
fuente de f.e.m. real en un circuito
resistencia interna de una fuente: es la resistencia que ofrece el propio
material de la fuente al paso de la corriente eléctrica.

b
r
a
fuente de f.e.m.
ideal

b
a
I
fuente de f.e.m.
real
Vab    Ir
símbolos en un circuito
Conductor con resistencia insignificante
Resistor
Fuente de f.e.m. ideal
Fuente de f.e.m. con resistencia interna
Voltímetro (mide diferencia de potencial)
Amperímetro (mide intensidad de corriente)
Condensador
uso de voltímetros y amperímetros
Se conecta en paralelo al dispositivo que
queremos medirle la diferencia de potencial.
Se conecta en serie al dispositivo al que le
queremos medir la corriente.
energía y potencia en circuitos eléctricos
Cuando una carga q pasa a través de un
elemento
de
un
circuito
(independientemente del elemento que
sea) la variación de energía potencial de
la carga es:
U  qVab
q  dQ
dU  Vab Idt
La energía entregada/liberada en
la unidad de tiempo (potencia):
P  Vab I
Una fuente de f.e.m. entregará potencia al circuito.
Un resistor recibirá potencia en el circuito.
potencia en un resistor
P  Vab I
Va
Vb
P  RI
2
2
ab
V
P
R
La energía transmitida al resistor se emplea en aumentar el movimiento
de las cargas (electrones). Estos, golpean con los átomos del material y
transfieren gran parte de su energía. La energía en el resistor se disipa a
razón de RI2 (Efecto Joule).
En este proceso, el resistor puede aumentar su temperatura, y en algunos
casos puede ocurrir su ruptura. Así, cada resistor tiene un límite de
potencia de trabajo (potencia nominal).
potencia de salida en una fuente de f.e.m.
P  Vab I
P    Ir I
P  I  rI
I
rI
2
representa la energía por unidad de
carga y unidad de tiempo que se
convierte de energía no eléctrica a
energía eléctrica en el interior de la
f.e.m.
2 representa la energía por unidad de
tiempo que se libera en la resistencia
interna de la f.e.m.
1
potencia de entrada en una fuente
1   2
Vab   2  Ir2
P2  IVab   2 I  I r2
2
2
Este fenómeno ocurre cuando le damos
carga a la batería de un coche a partir de
un generador potente.