Semana 4
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Indicadores de logro:
3.4. Indaga y describe con interés el trabajo realizado por una fuerza al mover una carga de prueba dentro de un campo eléctrico.
3.6. Representa y describe correctamente la corriente eléctrica e identifica con interés el amperio como unidad de medida.
Introducción
Introducción
La semana pasada aprendimos sobre las cargas eléctricas y la acción que genera la acumulación de cargas sobre otros cuerpos. En esta semana trabajaremos con cargas que se mueven a través de conductores, comprenderemos la corriente eléctrica a partir de fenómenos más familiares, como el flujo de agua dentro de una tubería, y conoceremos las limitantes de la corriente al pasar por diferentes materiales. También aplicaremos el principio del potencial aprendido la semana pasada, pues las cargas requieren de energía para moverse, la cual se expresa en términos del potencial.
En nuestra vida diaria con frecuencia manejamos corrientes eléctricas en cables y otros conductores; de hecho, la mayoría de los aparatos eléctricos dependen de corrientes eléctricas, por ejemplo: una bombilla eléctrica, un aparato calefactor de una estufa o de un calentador eléctrico, etc. Las corrientes eléctricas existen en conductores como cables, cuyos electrones cargados viajan a través de estos.
¿Qué debes saber?
¿Qué debes saber?
1. Corriente eléctrica
Si recordamos, las cargas eléctricas se pueden trasladar de un material a otro al frotar o friccionar, como es el caso de las barras de plástico o de vidrio con otros materiales. Podemos decir que necesitamos energía para arrancar cargas eléctricas a un objeto; sin embargo, hay otra manera de moverla y es utilizando la energía de la propia carga eléctrica, es decir, el potencial eléctrico que se forma entre la región de dos o más cargas.
Cuando aparece un campo eléctrico, se genera o existe simultáneamente un potencial eléctrico. Imagina que en lugar de tener un cuerpo eléctricamente aislado las cargas se movieran libremente en un material conductor, como en el caso de un cable de cobre, donde las cargas son fácilmente empujadas a través de este. Al flujo de cargas a través de un material, se le conoce como corriente eléctrica (Fig.1).
Si analizamos el concepto básico de la corriente, podríamos crear una analogía: imaginemos que en lugar de un cable conductor tuviéramos una tubería y en lugar de cargas en movimiento tuviéramos gotas de agua; el flujo de agua dentro de la tubería dependería de la cantidad de moléculas de agua que pasa por la tubería por cada segundo. Un ejemplo de flujo es: en esta tubería hay un flujo de 3 litros por segundo, y un flujo mayor a este sería: por esta tubería pasan 20 litros por segundo; matemáticamente hablando, esto podría expresarse como se muestra en la Ecuación 1a.
Esta es una analogía muy precisa porque, cuando se trata de corriente eléctrica, nos referimos a la cantidad de cargas eléctricas que pasan por unidad de tiempo.
Por ejemplo, la corriente que pasa por este cable es de 5 coulomb por segundo. En este caso, la corriente eléctrica se expresa matemáticamente como se indica en la Ecuación 1b.
a) Cagua = V/t
b) Icarga = Q/t
Ecuación 1a. Expresa la corriente de agua a través de una tubería en términos del volumen de agua por unidad de tiempo. Ecuación 1b. Es la expresión de la corriente eléctrica I que indica la cantidad de carga Q que pasa por un material en un determinado tiempo t.
Figura 1. Ilustración de la corriente eléctrica, donde las esferas representan a la carga que pasa por un segmento de material.
La unidad de medida para la corriente eléctrica es conocida como ampere (A), en honor al físico de origen francés André Ampére; en el SI 1 A = 1 C/s (un ampere es igual a un coulomb por segundo). Generalmente, los valores de corriente son pequeños, así que es muy común encontrar valores como 1 mA y 1 µA.
2. Ley de Ohm
Para poder producir y aprovechar las corrientes eléctricas, es necesario crear circuitos eléctricos; estos tienen una infinidad de usos dependiendo de la configuración que tengan. Pero independiente de la complejidad, los circuitos eléctricos deben cumplir ciertos requisitos para ser funcionales: primero, debe estar formado por elementos conductores (por ejemplo, cables de metales), que sirvan como carreteras para las cargas. Segundo, debe existir un generador de corriente, es decir, un dispositivo capaz de mover las cargas; en otras palabras, una fuente de voltaje que proporcione energía a las cargas para moverse. Algunas fuentes de voltaje son las baterías, las pilas, la conexión al cableado de una casa, etc. En consecuencia, al colocar una fuente de voltaje, automáticamente aparece una corriente eléctrica. Tercero, el último elemento indispensable es la aparición de una resistencia (R); este nuevo concepto se refiere a un regulador en el flujo de la corriente. La resistencia aparece inevitablemente en todos los circuitos debido a que los materiales conductores no tienen la capacidad de dejar pasar con libertad toda la carga que se mueve en ellos.
El científico Georg Simon Ohm descubrió que la cantidad de corriente que pasa por un cable es directamente proporcional al voltaje al que ha sido sometido. Por ejemplo: si se conecta un cable a una fuente de voltaje de 12 V, se puede obtener una corriente de 1 A; pero si duplicamos el voltaje a 24 V, la corriente también se duplica a 2 A.
Ahora bien, si los materiales evitan que la corriente se mueva libremente, entre mayor sea la resistencia que produce el material, menor será la corriente. El mismo Ohm descubrió que la corriente es inversamente proporcional a la resistencia del circuito; con estos conceptos, fue capaz de llegar a formular una ecuación conocida hoy en día como ley de Ohm (Ec. 2).
a) I = V/R
b) V = IR
c) R = V/I
Ecuación 2. Representaciones de la ley de Ohm.
Como los circuitos eléctricos involucran varios dispositivos a la vez, se han diseñado algunas simbologías para representarlos, con el fin de facilitar su comprensión. En la figura 2 se muestran las simbologías más comunes.
Figura 2. Esquema con simbología de la resistencia (R), la fuente de voltaje (V) y la dirección de la corriente eléctrica (I).
3. Resistencia y resistividad
Ya hablamos de la resistencia de manera general, así que en este apartado conoceremos más a detalle esta propiedad de los materiales.
La resistividad es una propiedad en los materiales y se puede entender como la dificultad que tendría una corriente I al pasar por uno de estos materiales; los valores de esta propiedad se han medido experimentalmente para la mayoría de materiales útiles para la conducción eléctrica (Fig. 3), y se refiere a la dificultad que presentan los materiales para conducir electricidad: entre mayor sea la resistividad, más difícil será el flujo de corriente.
La resistencia es una propiedad que involucra las propiedades del material como la resistividad y la geometría del mismo. Revisemos un ejemplo para comprender mejor el fenómeno: imaginemos un experimento en el que tengamos una carretera de 4 carriles de ancho y 1 km de largo, donde tengan que transitar 200 automóviles. Es obvio que dichos automóviles no pueden pasar al mismo tiempo, sino que deberán ir de 4 en 4 hasta que logren pasar todos, a razón de 4 automóviles por vez.
¿Qué pasaría si la carretera fuera de 16 carriles? Obviamente, el flujo de automóviles sería mayor que el caso anterior y pasarían más a la vez; además, si cambiamos las propiedades de la carretera (por ejemplo, haciéndola de concreto, de tierra, empedrada u otros materiales), esto podría afectar o beneficiar al flujo de automóviles. Si hacemos asociación de conceptos y pensamos que la carretera es un cable, el largo de esta representa el largo del cable, el ancho de esta equivale a la superficie del cable donde se pueden mover las cargas; el material de la carretera es equivalente al del cable, los automóviles representan a las cargas y el flujo de estos equivale a la corriente eléctrica.
Con esta analogía, podemos ver que el flujo de automóviles depende de las características de la carretera, por ejemplo, la longitud, el ancho y el material del que ha sido construida. Al igual que un cable, el cual depende de las propiedades de este, por ejemplo, su longitud, grosor y material del que está hecho. Matemáticamente, la resistencia de un material se define como se muestra en la ecuación 3.
En los circuitos eléctricos además de aprovechar la resistencia de los materiales, se utilizan dispositivos que aumentan la resistencia a la corriente en partes específicas del circuito que se llaman resistores, los cuales están compuestos de ciertas cantidades de material más resistivos, con el fin de obtener un valor específico de resistencia (Fig. 4).
Figura 3. Tabla de resistividad. La resistividad es menor para materiales conductores, es decir, que es más fácil para las cargas moverse por un conductor, mientras que los aislantes tienen alta resistividad. Como lo indica la tabla, las unidades de resistividad en el SI son Ω.m.
R = ρ(L/A); ρ = resistividad)
Ecuación 3. La resistencia que presenta un material depende de la resistividad del mismo ρ, la longitud L y del área transversal del cable. Las unidades en el SI se miden en Ohmios (Ω).
4. Conductividad y conductancia
La conductividad se refiere a la habilidad que presentan los materiales para permitir el paso de la corriente que atraviesa por un material. Es tal como suena: la conductividad es el opuesto a la resistividad; mientras que la resistividad indica la dificultad de paso de corriente, la conductividad indica la facilidad de paso. Es decir, cuando un material tiene una alta resistividad, su conductividad es baja y viceversa, de tal manera que una depende de la otra. Esto lo podemos apreciar en la ecuación 4a: mientras que las unidades de resistencia son Ω.m, los de conductividad son (Ω ‧ m)−1.
Lo mismo ocurre con la conductancia: es el inverso de la resistencia y puede expresarse como tal (Ec. 4b). La conductancia depende igualmente de: el material por el cual pasa la corriente, el área transversal del material y la longitud de este.
a) σ = 1/ρ
b) G = 1/R
Ecuación 4a. La conductividad σ es el inverso de la resistividad y sus unidades son (Ω.m)−1. Ecuación 4b. Representa a la conductancia G como el inverso de la resistencia, cuyas unidades son Ω−1.
Práctico
Práctico
A. Analiza y responde
¿Qué magnitud puede ser medida con las unidades ampere por segundo (A‧s)?
¿Pueden tener la misma resistencia un alambre de cobre y uno de plata de igual longitud? Explica.
Si se tiene un cable de cobre de resistividad ρ, de longitud L y de área transversal A, de manera que el cable tenga una resistencia R, ¿qué pasaría si se duplica el área transversal del cable? Indica si la resistencia va a aumentar o disminuir y expresa cuánto cambiaría respecto al caso inicial.
B. Resuelve los ejercicios
Si en un alambre fluye una corriente de 1.30 A, ¿cuál es la resistencia del alambre si está siendo sometida a 10 voltios?
Si una estación de servicio carga una batería usando una corriente de 6.70 A durante 5.0 h, ¿cuánta carga pasa a través de la batería?
¿Cuál es el diámetro de un alambre de tungsteno de 1.00 m de longitud, cuya resistencia es de 0.32 Ω?
¿Cuál es la resistencia de un alambre de cobre de 4.5 m de longitud y 1.5 mm de diámetro?
¿Cuál es la conductancia de un alambre de cobre de 4.5 m de longitud y 1.5 mm de diámetro?
Teleclase
Teleclase
Los materiales complementarios pueden requerir un consumo adicional de datos o un mayor ancho de banda.
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