Corriente Eléctrica, Circuitos de Corriente Continua y Ley de Ohm

INTRODUCCIÓN

¿Sabías que cada vez que enciendes tu teléfono o juegas con tu videoconsola, estás presenciando un espectáculo invisible y fascinante? Este espectáculo es la corriente eléctrica, una maravilla de la ciencia que fluye a nuestro alrededor constantemente. En este tema, exploraremos qué es la corriente eléctrica, cómo viaja a través de los cables y dispositivos, y por qué es fundamental para casi todo lo que nos rodea. Desde la carga de tu smartphone hasta las luces de tu habitación, todo depende de este flujo invisible de energía. Prepárate para sumergirte en un viaje electrizante donde desvelaremos los secretos de la corriente eléctrica y su impacto en nuestra vida cotidiana.

CORRIENTE ELÉCTRICA

Definición y Comportamiento en Conductores

• Corriente eléctrica definida como el movimiento de carga de una región a otra.
• En materiales conductores, como el cobre o el aluminio, algunos electrones están libres para moverse.
• Estos electrones libres se desplazan al azar, similar a las moléculas de un gas, pero a una velocidad mucho mayor, aproximadamente 106106 M/s.

Electrones en Situaciones Electroestáticas

• En condiciones electrostáticas, el campo eléctrico dentro de un conductor es nulo, por lo tanto, no hay corriente.
• A pesar de la ausencia de campo eléctrico, no significa que todas las cargas dentro del conductor estén inmóviles.
• Los electrones dentro de conductores metálicos se mueven de forma aleatoria y no escapan del material debido a la atracción hacia los iones positivos.
• Este movimiento aleatorio de los electrones no genera un flujo neto de carga en ninguna dirección, resultando en la ausencia de corriente.

DENSIDAD DEL FLUJO DE CORRIENTE. INTENSIDAD DE CORRIENTE

Deriva de las Cargas en Movimiento y su Interpretación

• La deriva de cargas en un conductor se interpreta en términos de trabajo y energía.
• El campo eléctrico efectúa trabajo sobre las cargas en movimiento.
• La energía cinética resultante se transfiere al conductor, incrementando la energía media de vibración de los iones y, por tanto, la temperatura del material.
• Este proceso a menudo resulta en el calentamiento del conductor.

Tipos de Cargas en Diferentes Materiales Conductores

• En metales, las cargas en movimiento son principalmente electrones.
• En gases ionizados y soluciones iónicas, las cargas incluyen electrones e iones positivos.
• En semiconductores, la conducción ocurre por electrones y por huecos (vacantes donde se pierden electrones, actuando como cargas positivas).

Convención de la Corriente y Definición de Intensidad

• Por convención, se considera que la corriente fluye en la dirección del flujo neto de carga positiva.
• La intensidad de corriente se define como la carga neta que fluye a través de un área por unidad de tiempo.
• La unidad del SI para la intensidad es el ampere; un ampere se define como un coulomb por segundo (1A = 1 C/s).

Una corriente convencional es tratada como un flujo de cargas positivas, sin importar si las cargas libres en el conductor son positivas, negativas o ambas.

1. En un conductor metálico, las cargas en movi- miento son electrones, pero la corrente aún apunta en la dirección en que fluirían las cargas positivas

Densidad de Corriente y su Relación con la Velocidad de Deriva

• La densidad de corriente (J) se relaciona con la velocidad de deriva de las cargas.
• Se considera un conductor con un área de sección transversal A y un campo eléctrico dirigido.
• La densidad de corriente es proporcional a la concentración de partículas con carga, la magnitud de la carga de cada partícula, la velocidad de deriva y el área de la sección transversal.
• Las unidades de densidad de corriente son amperios por metro cuadrado (A/m2).

Independencia del Signo de la Carga en la Corriente y Densidad de Corriente

• La dirección de la corriente y la densidad de corriente no dependen del signo de la carga en movimiento.
• Tanto la corriente como la densidad de corriente se describen en términos del valor absoluto de la carga.

CORRIENTE, VELOCIDAD DE ARRASTRE Y DENSIDAD DE CORRIENTE

Relación entre Corriente y Velocidad de Deriva

• La corriente se relaciona con la velocidad de deriva de las cargas en movimiento en un conductor.
• Se considera un conductor con un área de sección transversal A y un campo eléctrico dirigido.
• Las cargas libres en el conductor se suponen inicialmente positivas, moviéndose en la misma dirección que el campo eléctrico.

(00) > Corriente / = dQ

Concentración de Partículas y Velocidad de Deriva

• Suponiendo n partículas con carga por unidad de volumen en el conductor.
• Todas las partículas se mueven con la misma velocidad de deriva, vd.

Cálculo de la Intensidad de Corriente

• Se define la intensidad de corriente en términos de la carga que fluye a través de un área en el tiempo dt.
• La fórmula para calcular la intensidad de corriente es I-de=q n A va.

Densidad de Corriente

• La corriente por unidad de sección transversal se denomina densidad de corriente, representada por J. J === q n vd
• Las unidades de la densidad de corriente son amperios por metro cuadrado (A/m2).
• La densidad de corriente es independiente del signo de la carga, por lo que se utiliza el valor absoluto de la carga en las fórmulas.

Intensidad de Corriente en un Conductor

• La intensidad de corriente en un conductor es el producto de la concentración de partículas cargadas, la magnitud de la carga de cada partícula, la velocidad de deriva y el área de la sección transversal.

RESISTIVIDAD

Dependencia de la Densidad de Corriente en un Conductor

• La densidad de corriente en un conductor depende del campo eléctrico y las propiedades del material.
• Esta dependencia es compleja, pero para ciertos materiales, especialmente metálicos, es casi directamente proporcional al campo eléctrico.

Ley de Ohm

• La ley de Ohm establece que, para algunos materiales, la densidad de corriente es directamente proporcional al campo eléctrico.
• Descubierta por Georg Simon Ohm en 1826, esta ley es un modelo idealizado que describe bien el comportamiento de ciertos materiales, pero no es una descripción general de toda la materia.

Definición de Resistividad

• La resistividad (p) de un material se define como la razón entre las magnitudes del campo eléctrico (E) y la densidad de corriente (J).
• Las unidades de resistividad son ohm-metros (22·m).

Características de la Resistividad

• Un conductor perfecto tendría una resistividad igual a cero, mientras que un aislante perfecto tendría resistividad infinita.
• Los metales y aleaciones, con resistividades bajas, son buenos conductores.
• La resistividad de los aislantes es mucho mayor que la de los metales, en un factor del orden de 1022.

Conductividad Eléctrica y Térmica

• El inverso de la resistividad es la conductividad, con unidades de (2·m)-1.
• Los buenos conductores eléctricos suelen ser también buenos conductores de calor, y viceversa para los malos conductores.

Resistividad de los Semiconductores

• Los semiconductores tienen resistividades intermedias entre las de los metales y los aislantes.
• La resistividad de los semiconductores se ve afectada por la temperatura y la presencia de impurezas.

Conductores Óhmicos y No Óhmicos

• Los materiales que siguen la ley de Ohm se conocen como conductores óhmicos o lineales, donde la resistividad es constante a una temperatura dada y no depende del campo eléctrico.
• Los materiales que no siguen la ley de Ohm se conocen como no óhmicos o no lineales, donde la relación entre la densidad de corriente y el campo eléctrico es más compleja.

Elementos o materiales Conductividad resistividad Plata 0,6305 0,0164 cobre 0,5958 0,0172 oro 0,4464 0,0230 aluminio 0,3767 0,0278 Latón 0,1789 0,0590 Cinc 0,1690 0,0610 Cobalto 0,1693 0,0602 Niquel 0,1462 0,0870 hierro 0,1030 0,0970 Acero 0,1000 0,1000 platino 0,0943 0,1050 Estaño 0,0839 0,1200 plomo 0,0484 0,2815 Magnesio 0,0054 2.700 Cuarzo 0,0016 4.500 Grafito 0,0012 8.000 madera seca .0,0010 10.000 carbón 0,00025 40.000

RESISTIVIDAD Y TEMPERATURA

Incremento de la Resistividad con la Temperatura en Conductores Metálicos

• La resistividad de un conductor metálico aumenta generalmente al elevarse la temperatura.
• A mayor temperatura, los iones del conductor vibran con más amplitud.
• Esta mayor vibración aumenta la probabilidad de colisiones entre electrones en movimiento e iones.
• Las colisiones dificultan la deriva de los electrones a través del conductor, lo que reduce la intensidad de corriente.

Ecuación que Representa la Variación de Resistividad con la Temperatura

• Para un pequeño intervalo de temperatura, aproximadamente hasta 100°C, la variación de la resistividad en un metal se representa adecuadamente mediante la ecuación: p (T)=Po[1+a(T-To)]
• Donde:
• p (T) es la resistividad a la temperatura T.
• Po es la resistividad a una temperatura de referencia To (comúnmente 0°℃ o 20℃).
• a es el coeficiente de temperatura de la resistividad.

RESISTENCIA

Relación entre el Campo Eléctrico y la Densidad de Corriente en un Conductor

• Para un conductor con resistividad p, la relación entre el campo eléctrico E y la densidad de corriente J Se describe con la ecuación E= p J.
• Cuando se cumple la ley de Ohm, la resistividad p es constante e independiente de la magnitud del campo eléctrico, haciendo que E sea directamente proporcional a J.

Corriente y Diferencia de Potencial en un Conductor

• En la práctica, se presta más atención a la corriente total y la diferencia de potencial entre las terminales del conductor que a la densidad de corriente y el campo eléctrico.
• Si consideramos un conductor como un alambre con área transversal uniforme A y longitud L, con una diferencia de potencial V entre los extremos, la dirección de la corriente siempre va del extremo de mayor potencial al de menor.