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Movimiento de cargas y corriente eléctrica
La presencia de un campo eléctrico permanente en el seno de un conductor es la causa del
movimiento continuado de las cargas libres. En términos de potencial puede decirse que para que
se mantenga una corriente eléctrica es necesario que exista una diferencia de potencial constante
entre los extremos del conductor. Si ésta disminuye por efecto de la circulación de las cargas, el
campo eléctrico llega a hacerse nulo y cesa el movimiento. Esta es la situación que corresponde a
esos desplazamientos de carga que se producen cuando un conductor aislado se carga o
descarga eléctricamente.
Debido a su facilidad de manejo, en electrocinética para describir las propiedades del campo en el
interior de un conductor se recurre a la noción de diferencia de potencial, también denominada
tensión eléctrica porque de ella depende el movimiento de las cargas libres de un punto a otro. El
sentido de la corriente eléctrica depende no sólo del signo de la diferencia de potencial, sino
también del signo de los elementos portadores de carga o cargas móviles presentes en el
conductor.
En un conductor metálico los portadores de carga son los electrones (-), por lo que su
desplazamiento se producirá del extremo del conductor a menor potencial hacia el extremo a
mayor potencial, o en términos de signos desde el polo negativo hacia el positivo. En una
disolución salina los portadores de carga son iones tanto positivos como negativos; cuando se
somete dicha disolución a una diferencia de potencial constante, como la producida entre los
bornes de una pila, se generarán movimientos de carga de sentidos opuestos; las cargas
positivas se desplazarán por la disolución del extremo de mayor potencial al de menor potencial, o
lo que es lo mismo, del polo positivo de la pila al polo negativo, y las negativas en sentido
contrario. Algo semejante sucede en un medio gaseoso ionizado como el que se produce en el
interior de un tubo fluorescente o de neón sometido a una diferencia de potencial intensa.
Benjamín Franklin fue el primero en asignar un sentido de circulación a la corriente eléctrica en los
conductores metálicos. Él supuso que era la electricidad positiva la que, como un fluido sutil, se
desplazaba por el interior del conductor. Según dicha suposición, la corriente eléctrica circularía
del polo positivo al negativo. Más de un siglo después la moderna teoría atómica revelaba que los
electrones son los portadores de carga en los metales, de modo que el sentido real de la corriente
resulta ser justamente el opuesto al avanzado por Franklin. Por razones históricas y dado que en
la electrocinética el sentido de circulación de la corriente no tiene mayor trascendencia, se sigue
aceptando como sentido convencional el postulado por Franklin. Sin embargo, en otras partes de
la física, como la electrónica, la distinción entre ambos resulta importante.
EL ATOMO
Existe un numero relativamente escaso (100, aproximadamente) de átomos o elementos distintos
en la naturaleza. Ejemplos de ellos son : el hierro, el cobre, el oro, el silicio, etc. El átomo tiene
forma esférica como una pelota de tenis, pero es millones de veces mas pequeño que ésta. Por eso
en las figuras te presentamos loS átomos aumentando su tamaño real notablemente.Un átomo
(fig. 3) se compone de una parte central fija llamada núcleo y otra exterior llamada corteza.
R.FCTRONB
PROTONES
Fig. 3: Átomo.
NriHRONFS
Cada átomo, a su vez, esta constituido por tres partículas subatómicas* que se denominan: protón, neutrón, y electrón.
Fig. 4: Átomo de hidrógeno.
Observa la figura 4, en ella se representa un átomo con sus partículas
subatómicas. Para que puedas identificarlas hemos representado los
protones mediante un símbolo más (+) rodeado de un círculo, los
neutrones mediante un círculo, y los electrones mediante un
símbolo menos (-) rodeado de un círculo.
Los protones y los neutrones están en el núcleo.
Los electrones están en la corteza girando alrededor del núcleo a gran
velocidad.
El átomo que hemos representado en la figura 4 es el del hidrógeno
(recuerda que es uno de los átomos que componen la molécula de
agua). En el átomo de hidrógeno tenemos una partícula de cada tipo.
Fig. 5: Átomo de oxígeno.
En la figura 5 se representa un átomo de oxígeno. Como puedes ver,
el número de partículas es distinto al de el hidrógeno.
Cuando dos átomos tienen sus partículas distribuidas de la misma forma son átomos del
mismo elemento; si, por el contrario, la distribución de partículas es distinta, tenemos
átomos de distintos elementos.
Los átomos en estado normal poseen el mismo número de protones que de electrones; no
obstante, al aportarles energía (calor, luz , etc.) algunos electrones pueden abandonar el
átomo al que pertenecen (fig. 6).
Al abandonar un electrón el átomo al que pertenece, el número de electrones y protones del
átomo no es similar, decimos enton- Fig. 6: Átomo cargado. ees que el átomo está cargado
eléctricamente o que tiene carga eléctrica.
La carga eléctrica de un cuerpo es la diferencia entre el número de protones
y electrones del mismo.
Cuando un cuerpo tiene el mismo número de protones que de
electrones se dice que no tiene carga eléctrica. Pero si el número de
electrones es mayor, se dice que tiene carga eléctrica negativa;
mientras que, si el número de protones es mayor se dice que tiene
carga eléctrica positiva (fig. 7).
Partícula
Carga positiva
IVA
Carga
Electrón
Negativa
Protón
Positiva
Neutrón
Sin carga
carga negativa
Fig. 7: Átomos cargados.
Así pues, hay dos clases de carga:
• Carga eléctrica positiva. Es la que presentan aquellos cuerpos que han perdido un determinado
número de electrones.
• Carga eléctrica negativa. Es la que presentan aquellos cuerpos que han ganado electrones.
Electrones de valencia y libres
Los electrones se reparten dentro de la corteza de los átomos en distintas capas o niveles. Fíjate en
los electrones de la figura 8, como ves están repartidos en dos niveles. Un nivel externo con 6
electrones y otro nivel más interno con 2 electrones.
Fig. 8: Electrones de valencia.
La cantidad de electrones que contiene la capa situada más al exterior, determina, en gran parte, las
características del átomo en cuestión.
La forma en la que los átomos se unen entre sí depende de los electrones de la última capa de
cada átomo. Debido a esto, a los electrones de la última capa del átomo se les denomina electrones
de valencia.
En ciertos casos, debido al aporte de una energía externa, algún electrón de la última capa del átomo
puede desplazarse de un átomo a otro y por ello reciben el nombre de electrón libre.
El desplazamiento de electrones libres entre átomos se llama corriente eléctrica
Cuando los electrones se mueven de un punto a otro decimos que hay una corriente eléctrica (fig.
12).
Por ejemplo, si tocamos la puerta del automóvil del ejemplo anterior, que tiene cierta cantidad de
electricidad estática, recibimos una descarga eléctrica (calambre), debido a que los electrones
almacenados en la carrocería del automóvil se desplazan hacia el suelo a través de nuestro cuerpo.
FIG .
12. Corriente eléctrica.
Recuerda que hemos definido la electricidad como la acumulación de cargas o movimiento de
electrones. Por ello, para producir electricidad debemos generar carga eléctrica.
Las formas de provocar una diferencia de carga eléctrica y por ello
producir electricidad son:
1. Por frotamiento
Fig. 13: Por frotamiento.
Se produce al frotar dos cuerpos entre sí y pasar los electrones de uno
de los cuerpos al otro. Esto hace que un cuerpo se cargue
positivamente y el otro negativamente (fig. 13)
2. Por acción química
La fuentes básicas de electricidad producida por acción química son
las pilas y los acumuladores. Estudiemos con mayor detalle una pila
Fig. 14: Por acción química.
Las partes fundamentales de una pila son:
• Electrodos (dos placas de metales distintos separadas entre sí).
• Electrolito (líquido que cubre las placas).
La reacción química entre el electrolito y los electrodos produce un
desprendimiento de electrones en una de las placas y acumulación de
éstos en la otra.
Si unimos las placas por medio de un conductor, tenderán a igualarse
las cargas produciéndose una corriente eléctrica.
Fig. 15: Por calor.
3. Por calor
Se produce carga eléctrica porque algunos materiales al ser calentados desprenden electrones (fig. 1 5).
Fig. 16: Por acción luminosa
4. Por acción luminosa
Se produce porque algunos materiales generan carga eléctrica en sus
extremos cuando sobre ellos incide un haz de luz* (fig. 16).
5. Por acción piezoeléctrica
La piezoelectricidad es un fenómeno que se da en ciertos rnateria-les.
Consiste en que ciertos materiales al aplicarles una presión generan
carga eléctrica (fig. 17).
Fig. 17
Por acción piezo eléctrica.
6. Por acción magnética
Se basa en que al mover un conductor, que es un material por el que
pueden desplazarse los electrones, en una zona próxima a un imán, en
el conductor se induce una corriente eléctrica (fig. 18).
Las máquinas productoras de electricidad por magnetismo más
importantes son la dinamo y el alternador.
Fig. 18: Por acción magnética
MAGNITUDES ELÉCTRICAS
En todo circuito eléctrico se ponen de manifiesto una serie de magnitudes eléctricas como
son:
Fuerza electromotriz (F.e.m.)
Es la causa que origina el movimiento de los electrones en todo circuito eléctrico. Su unidad es
el voltio (V).
Diferencia de potencia! (d.d.p.)
También se conoce como tensión eléctrica y voltaje. Es el desnivel eléctrico existente entre dos
puntos de un circuito. Su unidad es el voltio (V). Se mide con un voltímetro. Se representa con la letra
(U).
Cantidad de electricidad (O).
Es el número total de electrones que recorre un conductor. Como la carga de d electrón es de
un valor muy pequeño, la unidad practica que se emplea es el Culombio (C).
( 1 Culombio = 6,3 x 1018e )
Q = Cantidad de electricidad. Q = I x T
Intensidad de corriente (I)
Es la cantidad de electricidad que atraviesa un conductor en la unidad de tiempo (1s). La
unidad es el amperio (A). Se mide con un amperimetro
I = Intensidad. T = tiempo
Q
I
TT
T
1c
1 A = ———
1s
A = Amperios.
C = Culombios.
s = segundos.
Densidad de corriente eléctrica (δ)
Es d número de amperios que circula por cada m/m2 de conductor, esto es, intensidad por
unidad de sección. La unidad es el A/^2 .
δ= Densidad de corriente. (A/mm2)
I = Intensidad (A).
s = Sección (m/m2).
I
δ = ————
s
Resistencia (R).
Es la dificultad que presenta un material al paso de la corriente eléctrica Se representa con la
letra (R), y su unidad es d ohmio (Ω). Dicha dificultad responde a la atracción de los núcleos sobre los
electrones en su propio desplazamiento.
Cada material posee una resistencia especifica característica, que se conoce con el nombre de
resistividad. Se representa con la letra griega « RO» (p).
MATERIAL
p (en Ω m/m2/m)
PLATA
0,015
COBRE
0,017
ALUMINIO
0,027
ESTAÑO
0,13
MERCURIO
0,94
Resistividad de algunos
materiales.
Por tanto la resistencia (R) de un
conductor depende directamente de
su resistividad y longitud y es
inversamente proporcional a su
sección. Se mide con un óhmetro. La
resistencia de un conductor valdrá por tanto: *
R = ρ ∙1/s
R = Resistencia (Ω).
p = Resistividad (Ω m/m2/m)
l = longitud (m).
s = sección (m/m2).
Ley de Ohm
El físico Ohm descubrió experimentalmente la relación que existe entre estas tres
magnitudes eléctricas: Intensidad, tensión y resistencia, estableciendo una ley que lleva su nombre
y dice así:
" En un circuito eléctrico la corriente que lo recorre es directamente proporcional a la tensión
aplicada e inversamente proporcional a la resistencia que presenta este.”
A = amperio = Intensidad (I)
Voltio =Tensión (U)
Ω= Ohmnio= Resistencia (R)
I=
U
─
R
1v
1A = ──
1Ω
Potencia eléctrica
Es la cantidad de trabajo desarrollada en la unidad de tiempo. En un circuito eléctrico .es igual
al producto de la tensión por la intensidad. Su unidad es el vatio (W). Se mide con un vatímetro. (Son
múltiplos del vatio (W) el Kilovatio (KW) y el Megavatio (MW).
(1KW = 1000W)
(1MW=1000.00W)
P*= Potencia (W)
U = Tensión (V)
1W- 1V. 1 A
I = Intensidad (A)
Junto con la fórmula de la ley de Ohm, se puede obtener las siguientes fórmulas de la potencia.
U
U2
U2
P = U∙I = U ∙ —— = ——- de donde P = —— en W
R
R
R
P = U. I = R . I . I = R. I de donde P = R . I2 en W
Energía Eléctrica
Es el trabajo desarrollado en un circuito eléctrico durante un tiempo determinado. Viene dada por la
fórmula: E = P. t en W s
. 1J = 1W∙1s
E = Energía
P = Potencia
t = Tiempo
J = Julio
W = Vatio
s = segundo
Esta unidad es muy pequeña por lo que se emplea otra de valor más elevado, el Kilovatio por hora (Kw. h)
El Kw. h es la unidad que miden los contadores de energía
1 Kw. h = 1000W. 3600 s = 3,6. 10 'JULIOS.
El coste de la energía es el resultado de multiplicar su valor por el precio unitario (Pu).