TEMA 9. LA CORRIENTE ELÉCTRICA

1. TEMA 9. LA CORRIENTE ELÉCTRICA

2. 1. HISTORIA DE LA CORRIENTE ELÉCTRICA • CARGA ELÉCTRICA = PROPIEDAD INTRÍNSECA DE LA MATERIA • Carga positiva/ Carga negativa • DESCUBRIMIENTO DE QUE LAS CARGAS SE PUEDEN MOVER A TRAVÉS DE MATERIALES: • LUIGI GALVANI (1786) • DISECCIÓN DE ANCAS DE RANA SOBRE PLACAS METÁLICAS • SUPUSO EXISTENCIA DE ELECTRICIDAD ANIMAL • VOLTA (1792) • EXPLICÓ LA OBSERVACIÓN DE GALVANI ARGUMENTANDO QUE LOS METALES, JUNTO CON EL NERVIO DE LA RANA, FORMABAN UN CIRCUITO ELÉCTRICO

3. 1. HISTORIA DE LA CORRIENTE ELÉCTRICA • VOLTA • ENTRE LOS DOS METALES SE PRODUCÍA UNA DIFERENCIA DE POTENCIAL QUE DABA ENERGÍA A LAS CARGAS, LAS CUALES SE MOVÍAN A TRAVÉS DE LA DISOLUCIÓN DE AGUA CON SALES QUE CONTENÍA EL NERVIO DE LA RANA • CONSTRUYÓ LA PRIMERA PILA GENERADORA DE CORRIENTE ELÉCTRICA, FORMADA POR DISCOS DE COBRE Y ZINC APILADOS. • En medio de cada par de discos introducía un trapo humedecido en disolución de agua con sal y ácidos • Esta pila es el origen de las pilas actuales

4. 2. LA CORRIENTE ELÉCTRICA • LOS MATERIALES CONDUCTORES SON LOS QUE PERMITEN EL DESPLAZAMIENTO DE CARGAS EN SU INTERIOR  METALES • ÁTOMOS ORDENADOS FORMANDO UNA “RED METÁLICA” • CADA ÁTOMO POSEE ELECTRONES LIBRES, QUE PUEDEN CIRCULAR POR LA RED FORMANDO UNA “NUBE DE ELECTRONES” • ESTOS ELECTRONES SON CONOCIDOS COMO “ELECTRONES DE CONDUCCIÓN” (v ≈ 10 km/s) • SU MOVIMIENTO ES AL AZAR  NO AVANZAN

5. 2. LA CORRIENTE ELÉCTRICA • CORRIENTE ELÉCTRICA = MOVIMIENTO ORDENADO DE LOS ELECTRONES DENTRO DE UN CONDUCTOR • PARA ELLO NECESITAMOS UNA DIFERENCIA DE POTENCIAL QUE APORTE ENERGÍA A LOS ELECTRONES  ¿QUIÉN LA PROPORCIONA? • LOS GENERADORES DE CORRIENTE(BATERÍAS, PILAS, ACUMULADORES, …) • Constan de dos polos o bornes (positivo y negativo) • Están unidos al conductor por el que circulan los electrones • Electrones salen del polo negativo, recorren el conductor, y regresan por el polo positivo (convenio: sentido contrario)

6. 2. LA CORRIENTE ELÉCTRICA • RECEPTORES: SON LOS QUE UTILIZAN LA CORRIENTE ELÉCTRICA Y LA TRANSFORMAN EN OTRA • BOMBILLA: ENERGÍA LUMÍNICA • MOTOR: ENERGÍA CINÉTICA • ESTUFA: CALORÍFICA

7. 3. CIRCUITO ELÉCTRICO • COMPONENTES • GENERADOR: proporciona energía para que los electrones se muevan • RECEPTOR: Recibe la energía eléctrica y la transforma en otro tipo de energía • INTERRUPTOR: permite o impide la circulación de electrones a través del circuito • CABLES: conectan los diferentes elementos del circuito (son hilos de cobre – conductor- recubiertos de un material aislante)

8. 3. CIRCUITO ELÉCTRICO • COMPONENTES

9. 3. CIRCUITO ELÉCTRICO • CIRCUITO CON CONEXIÓN EN SERIE: la corriente pasa de forma sucesiva a través de cada receptor (cada uno está a continuación del anterior)

10. 3. CIRCUITO ELÉCTRICO • CIRCUITO CON CONEXIÓN EN PARALELO: la corriente se distribuye entre todos los receptores, conectados entre los dos mismos puntos del circuito

11. 4. Intensidad de corriente • MAGNITUD QUE MIDE LA CANTIDAD DE CARGA QUE CIRCULA POR SECCIÓN DE UN HILO CONDUCTOR EN UN SEGUNDO • EN EL S.I. SE MIDE EN AMPERIOS (1 A = 1C/s)

12. 4. Intensidad de corriente • LEY DE OHM : EN TODO CIRCUITO, LA INTENSIDAD DE CORRIENTE QUE CIRCULA A SU TRAVÉS Y LA DIFERENCIA DE POTENCIAL ENTRE SUS EXTREMOS SON DIRECTAMENTE PROPORCIONALES • LA CONSTANTE DE PROPORCIONALIDAD ES LA RESISTENCIA R, QUE REPRESENTA LA OPOSICIÓN AL PASO DE LOS ELECTRONES Y QUE EN EL S.I. SE MIDE EN OHMIOS (Ω)  1 Ω = 1V/A

13. 5. RESISTENCIA ELÉCTRICA • DEPENDE DE: • LONGITUD DEL HILO (L): A mayor longitud de hilo conductor, mayor resistencia (los electrones chocan más) • SECCIÓN DEL HILO (S): A mayor sección de hilo conductor, menor resistencia al paso de los electrones • TIPO DE METAL: Cada metal tiene su propia estructura, por lo que su efecto dentro de la resistencia se cuantifica a través de la resistividad (ρ) • La resistividad se mide en ohmios por metro (Ω·m)

14. 5. RESISTENCIA ELÉCTRICA • VARIACIÓN CON LA TEMPERATURA • LA RESISTENCIA DE UN MATERIAL AUMENTA AL AUMENTAR LA TEMPERATURA  PROBLEMA PARA LOS RECEPTORES QUE FUNCIONAN A TEMPERATURAS ELEVADAS • Si aumenta la temperatura aumenta la resistencia: la Ley de Ohm predice que si aumenta R, I disminuye  LOS RECEPTORES DEJAN DE FUNCIONAR • SOLUCIÓN: USO DE ALEACIONES DE METALES CUYA VARIACIÓN DE LA RESISTIVIDAD CON LA TEMPERATURA SEA PEQUEÑA

15. 5. RESISTENCIA ELÉCTRICA • SUPERCONDUCTORES • SUPERCONDUCTIVIDAD = PROPIEDAD QUE PRESENTAN ALGUNOS MATERIALES QUE CONSISTE EN UNA DISMINUCIÓN BRUSCA DE SU RESISTIVIDAD HASTA HACERSE PRÁCTICAMENTE NULA. ESTO SUCEDE POR DEBAJO DE UNA TEMPERATURA, LLAMADA TEMPERATURA CRÍTICA • EN EL INTERIOR DE LOS SUPERCONDUCTORES, LOS ELECTRONES NO CHOCAN  NO PIERDEN ENERGÍA • PROBLEMA: NECESIDAD DE TEMPERATURAS MUY BAJAS (TIENDEN AL CERO ABSOLUTO) • APLICACIONES: TRENES DE LEVITACIÓN MAGNÉTICA, GENERACIÓN DE CAMPOS MAGNÉTICOS INTENSOS, TRANSPORTE DE CORRIENTE ELÉCTRICA SIN PÉRDIDAS DE ENERGÍA

16. 6. ASOCIACIÓN DE RESISTENCIAS • CONEXIÓN EN SERIE • ESTÁN CONECTADAS UNA A CONTINUACIÓN DE OTRA • POR TODAS CIRCULA LA MISMA INTENSIDAD DE CORRIENTE • EL POTENCIAL SUMINISTRADO POR EL GENERADOR ES IGUAL A LA SUMA DE LOS POTENCIALES ENTRE LOS EXTREMOS DE CADA UNA DE LAS RESISTENCIAS • SE PUEDE CALCULAR UNA RESISTENCIA EQUIVALENTE A TODAS LAS QUE ESTÁN EN EL CIRCUITO Req = ∑Ri

17. 6. ASOCIACIÓN DE RESISTENCIAS • CONEXIÓN EN PARALELO • ESTÁN CONECTADAS ENTRE LOS DOS MISMOS PUNTOS DEL CIRCUITO • LA DIFERENCIA DE POTENCIAL ENTRE LOS EXTREMOS DE CADA RESISTENCIA ES LA MISMA • LA INTENSIDAD DEL CIRCUITO SE RAMIFICA CUANDO LLEGA A LAS RESISTENCIAS EN PARALELO, DE AHÍ QUE SE CUMPLA I = ∑Ii

18. 6. ASOCIACIÓN DE RESISTENCIAS • CONEXIÓN EN PARALELO • SE PUEDE CALCULAR UNA RESISTENCIA EQUIVALENTE A TODAS LAS QUE ESTÁN EN EL CIRCUITO

19. 7. ENERGÍA Y POTENCIA EN LOS CIRCUITOS ELÉCTRICOS • PARA MANTENER EL PASO DE LA CORRIENTE ELÉCTRICA A TRAVÉS DE UN CIRCUITO ES NECESARIO APORTAR DE FORMA CONTINUA ENERGÍA A LOS ELECTRONES. ESTA ENERGÍA SE CONOCE COMO ENERGÍA ELÉCTRICA (E) • LA ENERGÍA ELÉCTRICA QUE SE CONSUME LA MIDEN LOS CONTADORES EN kW·h • ESTA ENERGÍA ELÉCTRICA LA SUMINISTRA EL GENERADOR A TRAVÉS DE LA DIFERENCIA DE POTENCIAL QUE EXISTE ENTRE SUS POLOS

20. 7. ENERGÍA Y POTENCIA EN LOS CIRCUITOS ELÉCTRICOS • ENERGÍA ELÉCTRICA: E=W=q·DVgenerador • Dado que la intensidad es la cantidad de carga que circula por una sección de conductor en la unidad de tiempo (I = q/Dt): E = I·Dt·DVgenerador • Puesto que la LEY DE OHM nos dice que V = I·R: • E = I·Dt·I·R = I2·R·Dt • POTENCIA ELÉCTRICA: Es el trabajo realizado por unidad de tiempo. Se mide en W (1 W = 1J/s)

21. 8. EFECTO JOULE • Causado por la circulación de la corriente eléctrica a través de los circuitos  los electrones chocan y en esos choques parte de la energía cinética se transforma en calorífica  esto produce el calentamiento de los circuitos eléctricos (ejemplo: filamento de una bombilla, … ) • LEY DE JOULE: la energía cedida a cada receptor de resistencia R se transforma en calor Q al ser atravesado por las cargas eléctricas:

22. 9. GENERADORES DE CORRIENTE • FUERZA ELECTROMOTRIZ (e)  es la diferencia de potencial que proporciona un generador a los electrones para que circulen de forma continua • Está relacionada con la diferencia de potencial entre sus extremos (DVgenerador), pero no es exactamente lo mismo • Los generadores también presentan una resistencia al paso de la corriente  RESISTENCIA INTERNA (r) ¿RAZÓN?

23. 9. GENERADORES DE CORRIENTE • BALANCE ENERGÉTICO DE UN GENERADOR • De la energía total suministrada por un generador: • Una parte se emplea en dar trabajo a las cargas para que se desplacen por el circuito • Otra parte se pierde a causa del calor disipado por su resistencia interna  LEY DE JOULE: • BALANCE ENERGÉTICO:

24. 10. LOS MOTORES • SON RECEPTORES QUE CONSUMEN ENERGÍA POR DOS RAZONES: • PARA FUNCIONAR, TRANSFORMANDO ENERGÍA ELÉCTRICA EN MECÁNICA • POR LA PRODUCCIÓN DE CALOR A CAUSA DEL EFECTO JOULE (TIENEN RESISTENCIA INTERNA) • FUERZA CONTRAELECTROMOTRIZ: ES LA TENSIÓN NECESARIA PARA EL FUNCIONAMIENTO DEL MOTOR • Así, la diferencia de potencial entre los bornes de un motor ha de ser igual a la suma de la fuerza contraelectromotriz más el potencial correspondiente a la LEY DE OHM aplicado a su resistencia interna (r’)

25. 10. LOS MOTORES • LEY DE OHM GENERALIZADA  Si tenemos un circuito con un generador G, un motor M y una resistencia R (igual a la resistencia equivalente de todas las resistencias externas del circuito)

26. 10. LOS MOTORES • BALANCE ENERGÉTICO TOTAL DE UN CIRCUITO La energía E que el generador aporta a un circuito con un motor se utiliza en: • La energía mecánica que produce el motor (E’) • La producción de calor en la resistencia equivalente del circuito (I2·R) • La producción de calor en la resistencia interna del generador (I2·r) • La producción de calor en la resistencia interna del motor (I2·r’)