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Ficha temática

Carga y corriente elétrica

Recurso educativo que entrega los contenidos de física relacionados con la carga y corriente eléctrica. Contiene ilustraciones.

Carga y corriente eléctrica

La electricidad en nuestra vida cotidiana. Pensemos en los artefactos eléctricos y electrónicos con los que interactuamos a diario. Pensemos también en cómo funcionan hoy las industrias, los medios de comunicación y los medios de transporte. Todos ellos constituyen un conjunto muy grande de inventos sin los cuales resulta difícil imaginar nuestras vidas. Toda nuestra civilización depende de la electricidad. Hace poco más de cien años nada de lo descrito existía y la vida de las personas era muy distinta.

Es importante entender que la “luz eléctrica”, la radio, la televisión, etc. son invenciones del ser humano, pero la esencia en base a la cual funcionan: la electricidad, ha existido desde el origen del universo. La electricidad, como veremos, está en la materia y lo que hacemos es solamente utilizarla. En este capítulo aprenderemos las principales características de este fenómeno físico, comprenderemos cómo funcionan algunos inventos y conoceremos a los científicos que contribuyeron a su comprensión y desarrollo.

¿Qué entemos por electricidad?

La electricidad es una propiedad general de la materia, que existe en forma de “cargas”.  La electricidad se manifiesta a través de interacciones (fuerzas) a distancia entre cargas eléctricas o entre cuerpos cargados. Las cargas eléctricas residen en las apcrtículas elementales que constituyen el átomo.

Todo lo que existe en nuestro entorno, incluido nosotros y el aire, está constituido por átomos que poseen cargas eléctricas. Dichas cargas eléctricas son de dos tipos: positivas  (en este caso protones) y negativas (los electrones).  El átomo se encuentra normalmente en estado neutro; es decir, en ellos existe igual cantidad de cargas eléctricas positivas (+) como de negativas (–); o sea, igual cantidad de protones y electrones. Distintas circunstancias permiten modificar este equilibrio. Cuando ello ocurre decimos que los cuerpos están electrizados y manifiestan poderosas fuerzas de atracción o de repulsión.
En un modelo clásico de átomo las cargas positivas o protones, se encuentran agrupadas en el núcleo, que concentra la mayor parte de la masa del átomo. Las cargas negativas por su parte, es decir los electrones, se encuentran orbitando en una nube en torno al núcleo, con una masa casi despreciable comparada con el núcleo.
En el núcleo además, se encuentran otras partículas de masa similar a la del protón, pero que no tienen carga eléctrica es decir, los neutrones.

Si bien es cierto un electrón tiene la carga negativa exacta para neutralizar al protón positivo, sus masas son muy diferentes, ya que la masa de un protón es aproximadamente 1800 veces la masa de un electrón.

átomo

La electrostática corresponde al estudio de las fuerzas que ejercen las cargas cuando están en reposo (o su movimiento no es significativo), en contraposición con la electrodinámica, que corresponde al estudio de los fenómenos que se producen cuando las cargas eléctricas están en movimiento. En este último caso hablamos de corriente eléctrica y le asociamos efectos magnéticos.
Cuando un cuerpo está electrizado  se debe a que tiene un desequilibrio entre sus cargas eléctricas positivas o negativas. De acuerdo al modelo de átomo y considerando que la masa de lo electrones totalmente despreciable en comparación con la masa de los protones, es fácil concluir que si un cuerpo tiene carga positiva o negativa, se debe a que ha perdido o ganado electrones. Es lo que le ocurre, por ejemplo, a una peineta de plástico que ha sido pasada por el pelo. Habitualmente cundo se frota una peineta de plástico con los cabellos, desde éstos últimos se transfieren electrones al plástico, de tal forma que queda electrizada negativamente y adquiere la capacidad de atraer o repeler pequeños cuerpecitos como papel picado, hilachas, etc.

Cuando un cuerpo “adquiere carga eléctrica”, ya sea positiva o negativa, significa que el cuerpo cede o gana electrones. En efecto, no se genera carga eléctrica, sino que solamente se redistribuye. Cuando hay transferencia de carga entre cuerpos, son los electrones (cargas negativas)  los que se transfieren desde un cuerpo a otro, ya que tienen una masa más de 1800 veces menor que la masa de los protones, los que además se encuentran formando parte de los núcleos atómicos.

Conductores y aisladores

En algunas sustancias,  las cargas eléctricas pueden desplazarse a través de ellas. En tal caso decimos que la sustancia o el cuerpo formado de ella es un conductor eléctrico. Si por el contrario, en una sustancia o un cuerpo no existe esta  posibilidad de movimiento de las cargas, decimos que el cuerpo o la sustancia, es un aislador eléctrico. Ejemplos de aislador eléctrico es el vidrio, la madera seca, el cerámico, el plástico, el aire seco, el papel, etc.
Las sustancias que se consideran conductoras de la electricidad pueden ser sólidas (como los metales) o bien fluidos (líquidos o gases). Es importante destacar que en el caso de los conductores sólidos, sólo pude desplazarse la carga negativa, es decir los electrones, ya que su pequeña y casi despreciable masa en relación a los núcleos hace que puedan “saltar” desde un átomo a otro sin que se observe movimiento de msas en el interior de la sustancia. Ejemplo de buenos conductores sólidos son los metales, el carbón, y el grafito.
En los fluidos conductores por su parte, la carga que puede desplazarse no sólo corresponde a electrones, sino que también pueden ser iones (átomos cargados), protones o electrones. Un buen ejemplo de conductores fluido son los gases ionizados, las soluciones ácidas, alcalinas, etc.

Entre los materiales que nos rodean algunos son mejores conductores que otros. En situaciones ordinarias ellos pueden ordenarse del modo que se ilustra en la siguiente figura: desde aisladores (o malos conductores) a muy buenos conductores, pasando por un grupo de materiales denominados semiconductores.

Conductores y aisladores eléctricos

Es necesario tener presente que algunos materiales, considerados tradicionalmente aisladores, pueden no serlo tanto: un caso emblemático es el del agua. Si por agua entendemos la que sale de las llaves, la de ríos y mares, entonces estamos en presencia de un muy buen conductor eléctrico, pero lo es debido a las sales que se encuentran disueltas en ella. Sin embargo, el agua pura o destilada (H2O), es un muy buen aislador. Lo mismo ocurre con el aire que respiramos. Normalmente, cuando se trata de instalaciones eléctricas domésticas, es un muy buen aislador, pero en ciertas circunstancias se hace conductor. Esto es lo que sucede cuando observamos una chispa eléctrica o un rayo en una tormenta, que no es otra cosa que una gran chispa.

Interacciones eléctricas

Los cuerpos interactúan eléctricamente entre sí del siguiente modo: los que poseen cargas del mismo signo se repelen, los que poseen cargas de signos opuestos se atraen y los cuerpos electrizados (con cualquier signo) se atraen con los eléctricamente neutros. Es importante precisar que los protones y electrones no interactúan eléctricamente con los neutrones ya que éstos no tienen carga eléctrica.

Los métodos de electrización y algo más sobre la electricidad

Existen diferentes formas de electrizar un cuerpo. Aquí veremos dos:

1) Electrización por frotación: al frotar dos cuerpos de distinto material se transfieren cargas eléctricas  negativas (electrones) de uno al otro debido a que las estructuras atómicas presentan algunas asimetrías y el roce entre los cuerpo genera calor que excita a los electrones. En este caso, ambos cuerpos quedan electrizados con la misma cantidad de carga eléctrica, pero de signos opuestos. De manera más concreta, podemos decir que los electrones que “pierde” un cuerpo son los mismos que “gana” el otro.

En la antigua Grecia observaban este fenómeno al frotar con pieles una resina de color ámbar que llamaban elektron. De aquí proviene la palabra electricidad y sus derivados.

Hay muchas situaciones de la vida diaria en que observamos electrización producida por frotación. Por ejemplo es común que al bajarnos de un automóvil en el verano, o al subir al él, sintamos un fuerte chispazo o digamos que “nos dio la corriente”. Esto se debe a que generalmente cuando el auto se mueve, el aire seco del verano electrice al vehículo con el roce, ya sea “arrancándole o entregándole” electrones. Esto ocurre generalmente en verano porque al ser el aire más seco, el auto queda cargado y se descarga a través nuestro que somos conductores. En invierno, debido a que el aire es más húmeo la carga púde conducirse a través de él y de esta forma el auto se descarga más rápido.
Del mismo modo, si frotas una regla de plástico con tus cabellos durante cierto tiempo, es posible que al acercarla al chorro de agua que sale de una llave, éste se desvíe siendo atraído por la regla.

Este procedimiento de electrización, es decir el frotamiento, fricción o rozamiento, permite electrizar cualquier tipo de cuerpos, independientemente de que éste sea conductor o aislador. Es común que algunas personas digan que los metales no se pueden cargar por frotamiento. Sin emabergo lo suq suele ocurrir es que el procedimiento que empleen no sea el más adecuado.

Por ejemplo, Alberto se para sobre un piso de goma y toma con sus manos una regla de metal que frota insistentemente con sus cabellos. Al cabo de cierto tiempo observa que la regla permanece neutra. ¿Cómo explicamos esta situación? En ets caso podemos decir que debido a que la regla es conductora, cuando se carga por frotamiento, la carga se distribuye a través de la regla conductora, tomando contacto con la mano y pasando nuevamente al cuerpo (que es conductor). Esto no ocurre con la regla de plástico porque cuando se electriza, la carga permanece sólo en la zona que se frotó con el cabello (el plástico no conduce la electricidad) y de esta forma no se descarga.
Para cargar un cuerpo metálico o conductor por frotamiento, debemos tomarlo con un guante o una cubierta aisladora. 

Un convenio importante. Como lo indica la siguiente figura, al frotar VIDRIO con SEDA (inicialmente neutros), se define la electricidad que adquiere el vidrio como POSITIVA y la que adquiere la seda como NEGATIVA. El electrón es eléctricamente negativo y el protón positivo como consecuencia de esta definición arbitraria y no porque ellos tengan intrínsecamente algo negativo o positivo.

Ejemplo electrización por frotación

2) Electrización por contacto: Si un cuerpo conductor es electrizado, las cargas se repelen entre sí terminando por distribuirse en la periferia del cuerpo. Si A y B son dos cuerpos conductores, A electrizado y B neutro, al ponerlos en contacto y luego separarlos, ambos quedan electrizados con cargas del mismo signo, según se indica en la siguiente figura.

Ejemplo electrización por contacto

La cantidad de cargas que adquiere cada uno depende del tamaño y forma que tengan. Si se trata de dos esferas, quedan más cargas en la de mayor volumen.

La conexión a tierra. La Tierra, nuestro planeta, se considera un cuerpo eléctricamente neutro y por su gran tamaño, tiene la capacidad de neutralizar a cualquier cuerpo cargado que pongamos en contacto con él. En efecto, la Tierra puede neutralizar a un cuerpo positivo “dándole electrones” o a uno negativo “quitándole electrones”. En ambos casos la Tierra, por su gran cantidad de materia, no altera su condición de neutro. Cuando un cuerpo se conecta a Tierra, se emplea el siguiente signo:

Por ejemplo, si un cuerpo positivo se conecta a Tierra, se neutraliza por que electrones subirán desde Tierra. Del mismo modo, si un cuerpo negativo se conecta a Tierra, los electrones bajarán a a ella.

El conectar un cuerpo a tierra garantiza que su estado eléctrico después será neutro. El contacto central de los enchufes de la red eléctrica domiciliaria es una conexión local a tierra. Dispositivos con carcasa exterior metálica, como lavadoras, refrigeradores, planchas, etc. deben tener, por razones de seguridad, dicha carcasa conectada a tierra.

El pararrayos, inventado en 1753 por Benjamín Franklin, es básicamente una conexión a tierra cuya finalidad es proteger a los edificios de los rayos que se producen en las tormentas eléctricas. Se trata de un conductor en que un extremo se encuentra enterrado en el suelo y el otro, terminado en punta, por encima de la construcción.

Las unidades importantes en electricidad

En el Sistema Internacional de unidades, que básicamente utiliza el metro (m) como unidad de longitud, el kilogramo (kg) como unidad de masa y el segundo (s) como unidad de tiempo, hay otras importantes unidades que debes conocer para comprender lo que veremos a continuación. Ellas son, para fuerza el newton (N), para energía el joule (J) y para potencia el watts (W). La unidad de carga eléctrica es el coulomb, que abreviaremos con la letra C. Este nombre se debe a Charles Agustín Coulomb, notable físico francés que abordó el estudio de la electricidad desde el punto de vista cuantitativo. Un cuerpo posee una carga de 1 coulomb (1 C) cuando está a 1 metro de distancia de otra idéntica y se repele con ella con una fuerza de 9 x 109 newton cuando el medio en que se encuentran es el vacío. Es importante que te familiarices con estas unidades.

El electrón. Hasta donde sabemos es una partícula elemental que forma parte de todos los átomos. Podemos representar a los electrones como una especie de nube que envuelve al núcleo del átomo. El electrón tiene un rol central en el apasionante tema que nos ocupa. En efecto, el electrón es el responsable de la corriente eléctrica con que funcionan radios, televisores, etc. Se trata de una partícula muy pequeña que posee una masa de apenas 9,1 x 10–31 kg y una carga eléctrica de 1,6 x 10–19 coulomb. En otras palabras, un cuerpo que posea una carga negativa de 1 C debe tener un exceso de 6,25 x 1018 electrones.

Fuentes de potencial eléctrico o voltaje

Existe una serie de dispositivos (pilas eléctricas, baterías, dínamos, celdas solares, las conexiones de la red eléctrica domiciliaria, etc.) que proporcionan, entre dos contactos, una diferencia de potencial eléctrico o voltaje y que suministran energía eléctrica para que funcionen muchos de los aparatos que usamos a diario. La unidad en que se mide el voltaje en el Sistema Internacional es el volt, llamado así en honor a Alejandro Volta, inventor de la pila eléctrica.

El voltaje que proporcionan las pilas entre sus contactos es normalmente de 1,5 volts, en una batería (o conjunto de pilas) pueden ser 9 volts, 12 volts, etc. y, en Chile, en los enchufes de la red eléctrica, 220 volts.

Representaremos estas fuentes de potencial eléctrico o voltaje con los símbolos que se indican en la figura.

Símbolos fuentes de potencial eléctrico

No nos referiremos por el momento al modo en que funcionan estos dispositivos ni a la forma en que trabajan las grandes centrales eléctricas. Debes saber, sin embargo, que pilas y baterías obtienen la energía de reacciones químicas y la dínamo y la red domiciliaria, de efectos electromecánicos. Para comprender esto, te presentamos dos ejemplos: enterrando en un limón dos metales, uno de zinc y otro de cobre, se establece entre ellos un voltaje de aproximadamente 1,5 volts. Trata de encender una ampolleta de linterna de esta manera. Si se hace girar el eje de un motorcito de juguete a pilas, entre los terminales de éste se origina un voltaje.

La otra diferencia entre estos dispositivos es que algunos de ellos proporcionan un voltaje estable en el tiempo (pilas y baterías) y otros un voltaje que varía con cierta frecuencia. En el primer caso generan corriente continua (CC), y en el segundo corriente alterna (CA).

Pero, ¿qué significa, por ejemplo, que entre los contactos de una batería exista un voltaje de 12 volts? Esto se puede comprender de dos maneras: 1) Si conectamos un artefacto a dicha batería, por ejemplo una ampolleta, la batería entregará una energía (E) de 12 joule por cada coulomb de carga (q) que pase por la ampolleta. La siguiente figura ilustra esta idea.

Ejemplo tipos de corriente

O bien, 2) El fabricante de la batería debió almacenar en ella una energía de 12 joules por cada coulomb de carga que trasladó entre sus contactos. Esto puede expresarse a través de la siguiente razón:

 Voltaje es igual a energía partido por carga eléctrica

O bien, si denotamos al voltaje por V, a la carga por q y a la energía por E, tenemos V es igual a E partido por q.

Corriente eléctrica

Cuando entre dos puntos de un conductor se aplica un voltaje, entonces en dicho conductor se establece una corriente eléctrica. En los sólidos, los responsables de esta corriente son los electrones libres y en los fluidos suelen participar además átomos ionizados.

La siguiente figura ilustra un alambre de cobre entre cuyos extremos se ha establecido un voltaje V.

Corriente eléctrica en un alambre de cobre

Como en el cobre hay una gran cantidad de electrones libres, aceleran desde el punto de menor voltaje (-) hacia el punto de mayor voltaje (+), estableciéndose en el alambre una corriente eléctrica.
Tal como hemos señalado, en un sólido las cargas que se mueven son cargas eléctricas negativas (electrones), sin embargo, debido a una convención histórica, siempre se trabaja como si fuesen las cargas positivas las que se mueven, en efecto el sentido real de la corriente, es el que sentido en que se mueven los electrones, es decir, desde el menor potencial hacia el mayor potencial. Sin embargo, el sentido convencional de la corriente (que es el que se usa en los circuitos y con el que se realizan los cálculos), va desde el mayor potencial y hacia el menor potencial.

Podemos hacer una analogía entre la corriente de un curso de agua y la corriente eléctrica de la siguiente manera. Para que fluya el agua,  se requiere un desnivel o una diferencia altura entre dos puntos, del mismo modo, para producir una corriente eléctrica se requiere una diferencia de potencial eléctrico (o voltaje).

Analogía para explicar corriente eléctrica

Las cargas eléctricas corresponden al agua y la diferencia de potencial eléctrico (o voltaje) al desnivel entre los recipientes. El flujo de agua depende del desnivel entre los recipientes, del diámetro de la cañería, del mismo modo que la corriente eléctrica depende del voltaje y del conductor por donde circule.

Intensidad de corriente eléctrica

Se define la intensidad de corriente eléctrica (i) como la razón entre la cantidad de carga (q) que atraviesa una sección del conductor y el tiempo (t) que ella tarda en atravesarlo; es decir: i es igual a q partido por t. Su unidad en el SI es

unidad de medida

La unidad de intensidad que se denomina amper (A) en honor del físico André Ampére. Es de uso frecuente también el miliamper (1 mA = 0,001 A).

Este concepto es comparable al de intensidad de tráfico (iT) aplicable a las calles. En efecto, los ingenieros de tránsito la definen como Intensidad de tráfico es igual a número de automóviles partido por unidad de tiempo. Si por una calle pasan 100 automóviles en 2 horas, la intensidad de tráfico en ella será de 50 automóviles por hora. Análogamente, que una corriente eléctrica en un conductor sea, por ejemplo, de 10 amperes, significa que por su sección pasan 10 coulomb en cada segundo.

Instrumentos para medidas eléctricas

Son varios los instrumentos destinados a efectuar mediciones eléctricas. Aquí veremos dos: el voltímetro y el amperímetro. No trataremos aún el modo en que funcionan internamente, solo nos interesará cómo se emplean.

Voltímetro y amperímetro

El voltímetro tiene el aspecto y símbolo que se indica en la figura (a). Él mide directamente la diferencia de potencial eléctrico o voltaje que se le aplique. Al usarlo deben tenerse presentes dos precauciones: si se trata de CC, respetar la polaridad (positivo con positivo y negativo con negativo) y asegurarse que el voltaje a medir no sea mayor que la escala del instrumento. En caso contrario el instrumento puede dañarse.

El amperímetro tiene el aspecto y símbolo que se indica en la figura (b). Mide la intensidad de corriente eléctrica que pasa a través de él. Si bien su aspecto y símbolo son similares al de un voltímetro y es fácil confundirse, se emplea de un modo muy distinto: debe intercalarse en el circuito en que se quiere medir la corriente y el dispositivo debe estar funcionando. También, si se trata de CC, hay que respetar la polaridad, y asegurarse que la corriente no sea mayor que su escala de medición. La siguiente figura ilustra el modo correcto de emplear estos dos instrumentos.

Uso voltímetro y amperímetro

Algo más acerca de la corriente alterna (CA)

En general, este tipo de corriente es el que se usa en las redes domiciliarias e industriales, fundamentalmente debido a que es mucho más barato producir corriente alterna que  continua.  Tal como se verá más adelante, mediante interacciones entre electricidad y magnetismo, es posible producir una diferencia de potencial que tiene la particularidad de alternar su valor entre dos puntos, de manera periódica, es decir, pude cambiar regularmente de polaridad produciendo con esto una corriente eléctrica cuyo sentido cambia regularmente en el tiempo. Supongamos que en un conductor eléctrico conectado en sus extremos a dos potenciales VA (+) y VB (-). En estas condiciones se produciría una corriente eléctrica cuyo sentido (convencional) sería desde VA hacia VB (Fase 1). Como se trata de una diferencia de potencial alterna (voltaje alterno), entonces en cierto instante se invertirán los valores de tal forma que ahora VA será negativo (-) y VB positivo (+). Al ocurrir esto, la corriente inmediatamente disminuirá, hasta hacerse nula en cierto instante, para comenzar a aumentar en sentido opuesto (Fase 2).

fase 1-2

Después de cierto tiempo, nuevamente cambiará la “polaridad” de la diferencia de potencial, disminuyendo la intensidad de la corriente hasta anularse y comenzar a aumentar en sentido inverso (Fase 3).

fase 3

Si se trata se un voltaje alterno, que es totalmente periódico, esta situación se repetirá indefinidamente mientras el conductor permanezca conectado. En la red domiciliaria chilena, se obtienen 220 V (CA), con una frecuencia de 50 Hz. Esto significa que  entre los dos contactos de un enchufe común (toma corriente) la polaridad del voltaje cambia 50 veces en un segundo.
Si representamos en un gráfico la variación de la intensidad de una corriente alterna, tenemos una gráfica como la que muestra la figura adjunta.

intensidad tiempo

 

La resistencia eléctrica y la ley de Ohm

Existen materiales que son mejores conductores de la electricidad que otros. Esta propiedad se cuantifica a través de los conceptos de resistencia eléctrica (R) y resistividad (r).

Considera el experimento que se ilustra en la siguiente figura. Por medio de pilas se hace circular una corriente por un trozo de grafito obtenido de un lápiz mina. Con un amperímetro se mide la intensidad de corriente que se produce con una, dos, tres, etc. pilas conectadas en serie.

Experimento corriente eléctrica

Tabla experimento corriente eléctrica

Gráfico experimento corriente eléctrica

Las mediciones experimentales poseen siempre una incerteza. Si estimamos que la incerteza en el voltaje de una pila es ± 0,1 volts y ± 0,01 amper en la lectura del amperímetro, el conjunto de datos obtenidos puede reunirse en una tabla y representarse en un gráfico. Es importante realizar esta experiencia para comprender cómo se trabaja en física. Notar que la incerteza en el voltaje crece a medida que se agregan pilas, mientras que la incerteza en la medición de la corriente es siempre la misma. ¿Por qué será así? Notar también que en el gráfico las medidas están representadas por medio de rectángulos, cuyos lados corresponden a la incerteza. Lo más importante es notar que por estos rectángulos se puede trazar una recta que pasa por el origen. Esto significa, con bastante seguridad, que las dos magnitudes medidas son directamente proporcionales y, por lo tanto podemos escribir: V partido por i es igual aConstante.

Esta expresión se denomina ley de Ohm. Se dice que los conductores en los que esto se cumple son ohmmicos y a la constante se la denomina resistencia eléctrica y se la designa con la letra R, razón por la cual la ley de Ohm suele expresarse así: R es igual a V partido por i.

En el SI de unidades V se mide en volts, e i, la intensidad de corriente, en amperes. Por lo tanto, la resistencia eléctrica R resulta expresada en volt/amper, unidad que se denomina ohm y que se simboliza con la letra griega omega mayúscula (W).

Así, por ejemplo, si al aplicar a un conductor ohmmico una diferencia de potencial eléctrico de 100 volts, circula por él una corriente de 5 amperes, entonces, su resistencia eléctrica es de 20 W. ¿Aproximadamente qué resistencia eléctrica posee, entre sus extremos, el grafito empleado en el experimento antes descrito?

Los dispositivos eléctricos y electrónicos (ampolletas, refrigeradores, radios, etc.) son conductores que poseen una determinada resistencia eléctrica. A todos ellos los representaremos con uno de los dos símbolos que se indican en la figura.

Representaciones de un dispositivo eléctrico o electrónico

¿De qué depende la resistencia eléctrica de un conductor? ¡Cuidado! No depende de V ni de i como parece indicarlo la expresión de la ley de Ohm. En realidad depende de factores como los siguientes:

1) De la geometría del conductor; es decir, de su forma en relación a los puntos en que se aplica el voltaje. Para un conductor cilíndrico, como el de la figura, de largo L y sección transversal de área A, la resistencia R resulta ser, en relación a sus extremos, directamente proporcional a L e inversamente proporcional a A; es decir: Fórmula

Esquema geometría del conductor

2) Del material. La constante de proporcionalidad r que aparece en la relación anterior refleja bien esta dependencia, pues es una característica de cada material. Se la denomina resistividad. Nótese que su unidad en el SI es: ohm x metro = Wm. En la siguiente tabla se dan valores aproximados de la resistividad de algunos materiales cuando están a 20 °C.

Tabla resistividad de algunos materiales

3) De la temperatura a que se encuentre el material. De un modo general puede decirse que la resistencia eléctrica de los conductores depende proporcionalmente de la temperatura que tengan. La proporcionalidad no es directa, pero a mayor temperatura, mayor es la resistencia eléctrica.

La ampolleta

Este extraordinario invento de Thomas Alba Edison, que cambió la vida nocturna de las personas, a pesar de su simpleza, merece un poco de atención. Encerrado herméticamente en un bulbo de vidrio se haya un fino filamento de tungsteno (o volframio). Al circular corriente por él, debido al aumento de temperatura que experimenta, emite luz por incandescencia y no se quema porque dentro del bulbo no hay oxígeno. Otra característica de este material es que posee una temperatura de fusión de más de 3000° C. Si quiebras el bulbo de vidrio verás que al encender la ampolleta el filamento se inflama y se quema.

El fusible

El propósito general de los fusibles, que se encuentran en una gran variedad de formas y tamaños, es proteger los circuitos eléctricos de corrientes eléctricas que los puedan dañar. Básicamente, es un conductor cuyo material y dimensiones están calculados para que se quemen, abriendo así el circuito e interrumpiendo el paso de la corriente cuando ella sobrepasa cierta cantidad de amperes. Un fusible para 3 A, como el de la figura, asegura que por el circuito del que forme parte no circulará una corriente mayor que esa.

Imagen fusible

Energía eléctrica y la ley de Joule

La potencia (W), cuya unidad en el SI es el watt, en honor a James Watt, es igual a la razón entre la energía (E) que se transforma y el tiempo (t) en que ello se produce; es decir: W es igual a E partido por t. Como la energía es E =Vq, tenemos que: W es igual a Vq partido por t. Luego: W = V · i, expresión que es conocida como ley de Joule.

Esto significa, por ejemplo, que si por un artefacto circula una corriente de 1 amper, al aplicarle un voltaje de 1 volts disipa energía (luz, calor, sonido, etc.) a razón de un 1 joule por segundo; o sea, 1 watt.

Aplicaciones de las leyes de Ohm y Joule

En síntesis, tenemos cuatro conceptos importantísimos y dos leyes de gran alcance que se resumen en el siguiente cuadro.

Cuadro resumen

Al usar estos conceptos hay que tener cuidado de no confundir “potencial eléctrico” con “potencia eléctrica”, pues tal como hemos visto, son nociones muy diferentes.

Los fabricantes de artefactos eléctricos especifican dos de estos cuatro valores. Revisa los artefactos que hay en tu casa y lee la información que hay en ellos. Por medio de las leyes de Ohm y Joule, podrás determinar los otros dos.

Circuitos Eléctricos

A) El circuito simple. Un ejemplo de él es el que se ilustra en la figura (el caso de una linterna). A continuación se ha representado el mismo circuito pero por medio de símbolos.

Ejemplo circuito simple

B) El circuito en serie. Los elementos (R1, R2, etc.) se disponen del modo que se indica en la figura: uno a continuación del otro, de tal forma que hay sólo un camino para la circulación de la corriente eléctrica. Este circuito se caracteriza porque por todos los elementos que lo conforman circula la misma intensidad de corriente. Un buen ejemplo de este tipo de circuito es el de las guirnaldas navideñas más simples. Si deja de circular corriente por uno de sus elementos, deja de circular por todos.

Esquema circuito en serie

C) El circuito en paralelo. En este circuito eléctrico los elementos (R1, R2, etc.) se disponen como se muestra en la figura; es decir, de modo que los contactos de cada elemento se conectan con los de todos los demás y los dos contactos que quedan, con la batería o dispositivo generador de potencial eléctrico.

Esquema circuito en paralelo

Este tipo de circuito se caracteriza porque todos los elementos están conectados al mismo voltaje.  Y hay por lo tanto diferentes caminos para la circulación de la corriente eléctrica. Un ejemplo importante de este tipo de circuito es el de las instalaciones eléctricas domiciliarias. A todos los artefactos y enchufes llegan los mismos 220 volts. La siguiente figura ilustra un circuito de una casa.

Esquema instalación eléctrica domiciliaria

Nótese la posición de los interruptores que permiten activar cada uno de los elementos. Se ha omitido aquí el medidor y el fusible.

D) El circuito mixto. Es el circuito en que partes están conectadas en serie y partes en paralelo. En el ejemplo de la figura siguiente, R2, R3 y R4 están conectados en serie entre sí, y este conjunto está conectado en paralelo con R1.

Esquema circuito mixto

CARGA Y CORRIENTE ELÉCTRICA 

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Carga y corriente eléctrica

 

Para favorecer en los estudiantes una adecuada comprensión de los fenómenos relacionados con las cargas eléctricas y la corriente, se sugiere desarrollar este núcleo temático de la forma más concreta posible. En efecto, la electricidad puede resultar abstracta, sin embargo, diversas experiencias sencillas nos permiten visualizar de mejor manera este fenómeno.

 

De manera congruente con lo expresado en el párrafo anterior, se hace altamente recomendable iniciar las actividades demostrando diversos fenómenos electrostáticos como la carga eléctrica de una regla o un cabello empleando un trozo de lana o el cabello. En este punto es importante conducir a los estudiantes para que comprendan que cuando un cuerpo es frotado o tocado con un cuerpo previamente frotado,  adquiere la propiedad de ejercer fuerzas a distancia; en otras palabras, decimos que el cuerpo se ha electrizado o ha adquirido carga eléctrica.

 

Del mismo modo, se sugiere ilustrar las interacciones de atracción y repulsión; de esta forma, se puede dirigir el razonamiento y la discusión, para establecer la existencia de dos tipos de carga eléctrica y describir las interacciones entre ellas.

 

Al introducir la idea de modelo atómico de la materia, conviene destacar la diferencia de masas entre el núcleo y un electrón, para así destacar que es la carga eléctrica negativa la que se transfiere, de tal forma que los cuerpos que se cargan lo hacen porque adquieren o ceden electrones.

 

Al introducir la noción de corriente eléctrica, vincule de inmediato este concepto con la idea de diferencia de potencial o voltaje, empleando alguna analogía, como la diferencia de alturas que impulsa una corriente de agua.

En este punto es necesario relevar la diferencia entre corriente convencional y corriente real.

Conviene presentar la idea de de circuito como  un camino cerrado para la circulación de corriente. Se sugiere en una primera definición emplear un circuito con algún artefacto doméstico (lavadora, refrigerador, horno); de tal forma que se puedan describir y establecer las funciones de algunos componentes como fusibles, interruptores, puesta a tierra, interruptor automático, etc.

Respecto de los circuitos es conveniente establecer y enfatizar la siguiente caracterización:

 

Circuito serie

Circuito paralelo

Presenta un solo camino para la circulación de la corriente; por lo tanto, a través de todos sus puntos circula siempre la misma corriente tanto física (electrones) como numéricamente (intensidad).

Presenta más de un camino para la circulación de la corriente; de tal forma que a través de los artefactos o resistencias conectados en paralelo entre si, circulan corrientes diferentes, que eventualmente pueden ser de igual intensidad, pero que físicamente son diferentes (los electrones no son los mismos)

 

Es importante modificar en los estudiantes una idea muy arraigada, que consiste en creer erróneamente que cuando las cargas pasan a través de una resistencia, su rapidez disminuye. Del mismo modo, hay que verificar que los estudiantes no  se queden con la equivocada creencia que cuando una ampolleta o resistencia emite luz o disipa calor, se debe a que los electrones que pasan a través de ellas se transforman en luz o calor directamente.

Hay que reforzar la idea correcta, es decir, que cuando las cargas pasan a través de un dispositivo, disminuyen su potencial (voltaje), dejando parte de su energía (o toda) de éste.

Información

Técnica

Descripción BreveRecurso educativo que entrega los contenidos de física relacionados con la carga y corriente eléctrica. Contiene ilustraciones.
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>> Recurso Intractivo: Circuitos en serie,paralelos y mixtos

>> Presentación: Circuitos

IdiomaEspañol (ES)
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