Corriente y resistencia eléctrica

1. Corriente y resistencia eléctrica

2. Fisica III - 05 Corriente eléctrica Comenzaremos el estudio del proceso de conducción eléctrica en cualquier medio, para lue- go analizar el movimiento de cargas en el interior de buenos conductores*, en particular los metales. Las cargas móviles pueden ser electrones, iones ( positivos y negativos) en una solución ió-nica, un gas ionizado, en metales, etc. En los metales, los portadores en general son electrones y no pueden atravesar la superfi-cie límite del conductor (diremos que los movimientos de los portadores están restringidos a la geometría del conductor).

3. Fisica III - 05 Corriente eléctrica en metales Consideremos ahora el caso de un conductor metálico al cual no se le aplica un campo e-léctrico, es decir Sin campo eléctrico Debido al efecto térmico, las velocidades individuales de las partículas portadoras, se distri-buyen aleatoriamente, como se indica en la Fig. 1 El valor PROMEDIO de la velocidad de los electrones, será nula, es decir: ya que donde  N : Número de PORTADORES LIBRES de carga en un elemento de volumen de la región conductora.

4. Fisica III - 05 Cálculo de la densidad de electrones libres en un metal Suponemos que tenemos un electrón libre por átomo para el proceso de conducción eléctrica Masa molar Cu = 63.54 g / mol = 63.54 * 10 -3 kg / mol = M Densidad del Cu = 9 g /cm3 = 9*103 kg/m3 = ρ Número de electrones libres por mol = Número Avogadro = 6.02 * 10 23 / mol = NA Número de electrones libres por unidad de volumen = n

5. MADERA Cu Icu IMAD. V V Resistencia Consideremos los circuitos de las figuras siguientes en el que fluyen corrientes unidireccionales constantes ( o directa) por dos conductores de diferentes materiales (Cobre y Madera) de á-reas transversales iguales y uniformes y misma longitud. Fig. Circuitos con resistencias de a) Cobre, b) Madera Qué observamos al medir la intensidad de corriente ? I CU MADERA para el mismo “V” La característica del CONDUCTOR que interviene en esta diferencia es la RESISTENCIA.

6. SIMBOLO A B Definimos la resistencia de un conductor entre dos puntos. al cociente entre la tensión aplicada entre ambos y la intensidad de la corriente que circula, es decir : En la práctica podemos ver ejemplos de resistencias de diferentes tipos (Fig.)

7. Es importante notar que las primeras tienen una variación de acuerdo a un código de color como se muestra en la Fig. siguiente Como ejemplo el valor de la resistencia del ejemplo que sigue será: Valores potencia tolerancia Valores ( rojo y verde) : 2 y 5 , es decir 25; Potencia ( verde ) : 5 que significa 105; tolerancia ( oro ) : 5 que significa 5%, por lo tanto el valor de la resistencia será:

8. Resistividad Relacionada con la resistencia está la resistividad que es una característica del material. Para materiales isótropos podemos definirla como La resistividad del cobre es la del cuarzo fundido Observesé que el rango de valores de resistividad esamplísimo en los materiales naturales. La tabla siguiente da valores de “” para metales comunes Tabla de Resistividades y densidades de los metales más comunes

9. Consideremos el resistor de la siguiente Fig. Fig. Circuito esquemático de un cable conductor como resistencia Si las secciones transversales del cilindro son superficies equipotenciales, la intensidad de campo eléctrico y la densidad de corriente son constantes en todos los puntos del cilindro (ec.(50)) . La resistividad “” puede escribirse, como Por lo tanto

10. Observesé que : V, , Rson cantidades MACROSCOPICAS, las cuales son MEDIBLES con instrumentos. E, j, son cantidades MICROSCOPICAS, son útiles para el estudio del comportamiento de la materia. Relación entre las cantidades MACROSCÓPICAS MICROSCÓPICAS Las cantidades macroscópicas pueden encontrarse a partir de las microscópicas, de la manera siguiente : La diferencia de potencial entre “a” y “b” es: La resistencia de un conductor entre a y b es

11. Medición de resistencias Se trata de medir resistencias eléctricas midiendo la corriente “I” con un amperímetro y la tensión “V” en un voltímetro. Consideramos que los instrumentos tienen las siguientes características La medición la podemos hacer mediante dos circuitos Fig. Dos esquema para la medición de resistencias A) y B) Cuál de ambas conexiones es la mejor ? Cuál dará error mínimo ?

12. CASO A) Característica del circuito Al conectar el voltímetro parte de la corriente “” que circulaba por “R”se bifurca a través del voltímetro. La corriente que mide el AMPERIMETRO es : Despejando y reemplazando en las anteriores , se tiene Ahora la resistencia R expresada en función dees : . Eliminando “ ” de las dos últimas se tiene: Si llamamos al cociente (Resistencia calculada) y lo reemplazamos en (61) se tiene : De ella se observa que R Rcsi el valor de

13. ¿ Podríamos analizar lo anterior desde el punta de vista del error? Sea el error relativo con que deseamos medir, entonces tendremos: y llamando a se obtiene Para D 1 1 - D 0 1 - ( 1 - R c / R V )  0es decir que :

14. Física III - 05 CONDUCTIVIDAD DE LOS METALES PORTADORES DE CARGA Y CONDUCCIÓN La conducción de carga en los materiales la realizan los portadores de carga. Ejemplo más simple: el electrón, q = - 1.6 x 10 19 C Concepto más abstracto: el hueco del e-, q = +1.6 x 1019 C a) El modelo de Drude (1900) Permite determinar variables de interés del problema de conducción en metales. Observación: e- no acelera eternamente en el conductor en presencia de E debe existir fricción interna Ley de Ohm: J = σE (σ: conductividad eléctrica, Ω-1m-1)

15. Física III - 05

16. Observaciones: · Se estableció relación lineal entre Jy E. · Todos los parámetros se conocen, excepto τ

17. Fisica III - 05 FUERZA ELECTROMOTRIZ El movimiento neto de cargas implica que existe una transformación de una dada energía a energía cinética, la cual debe provenir desde alguna fuente externa. En los conductores, las cargas libres se mueven debido a la fuerza eléctrica debida a : esto lleva a transformar : energía electrostática en cinética. En las colisiones con la red cristalina las cargas pierden energía cinética y la corriente se anu-lará a menos que haya una fuente exterior de energía. Podríamos preguntarnos: Cuales son las maneras de entregar energía eléctrica a un conductor ? O de generar electricidad ? (es decir transformar energía de otra forma a energía eléctrica). Existen varios métodos que los podemos resumir a continuación: • INDUCCIÓN ELECTROMAGNÉTICA Térmica Química Nuclear Solar Hidráulica Eólica Transformar energías   MEC ELECT.

18. Fisica III - 05 (B) MÉTODOS VOLTAICOS, se usan para transforman la energía química a Eléctrica. (C) MÉTODOS ELECTROSTÁTICOS, se utilizan en la transformación de energía tér- mica en eléctrica (D) OTROS MÉTODOS, por ejemplo el efecto Peltier que se usa en la transformación de Energía térmica a eléctrica. Método para almacenamiento / pro-ducción de energía con bombeo hi-droeléctrico / caída de agua. Se trata de un sistema único de almacena-miento de energía eléctrica en gran escala del cual hasta ahora se ha demostrado la viabilidad económica en USA.

19. Fisica III - 05 Planta de almacenamiento con bombeo hi-droeléctrico de Ludington, en la orilla del lago Michigan . Se trata de la mayor insta-lación del mundo destinada al almacena-miento de energía eléctrica. En las horas punta de la demanda se des-carga el agua procedente del depósito su-perior a través de las turbo-bombas hacia el lago Michigan, produciendo 2000 MGw a plena potencia. Pilas recargables de Nickel -Cadmio Batería clásica de automóvil

20. Potencia Joule Cuando un electrón forma parte de un flujo de corriente a través de un conductor parte de un lu-gar en el cual la energía potencial es alta y se mueve hacia un lugar en el cual la energía poten-cial es menor. Al final, el electrón tendrá menos energía cinética que la que poseía, y esta pérdida de energía es convertida en energía calorífica. Como es usual cuando se trata de la energía calorífica de un proceso, la segunda ley de la termodinámica prohíbe la recuperación de toda la energía térmica al azar en energía ordenada de un movimiento macroscópico. En la Fig. se muestran ejemplos prácticos de uso común de energía disipada por corrientes eléctricas, utilizadas en nuestra vida diaria. Fig. Disipación de energía eléctrica en estufa, plancha y fuente de luz.