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[CONCEPTOS BÁSICOS] |
Los elementos conceptuales siguientes permitirán un análisis más preciso de los fenómenos relacionados con la corriente eléctrica. La forma definitiva que tienen actualmente ha requerido del concurso de múltiples científicos y de una tarea minuciosa y compleja. Al aceptarlos tal cual están, aprovechamos el esfuerzo de esas personas. Si deseáramos conocer todos los pasos que han llevado a estas precisiones, deberíamos efectuar un estudio histórico más laborioso que el que proponemos en el apartado “Informaciones históricas”, pero en la misma línea.
Podríamos plantearnos algunas cuestiones al respecto, por ejemplo ¿por qué se utiliza la fuerza entre corrientes para definir el amperio? ¿por qué el amperio es una unidad fundamental y el culombio derivada, si parece más natural que sea al revés? Cuando hayas leído este apartado, trata de plantearte alguna pregunta sobre el potencial y reflexiona sobre la relación con las Características de la Ciencia 1.
7.1. Definición de Intensidad de corriente
Se define intensidad de corriente que recorre un conductor como la cantidad de carga que atraviesa una sección transversal de dicho conductor por unidad de tiempo.
I=Q/t
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7.2. Definición de Amperio
Amperio es la corriente constante que, si recorre cada uno de dos conductores paralelos de longitud infinita y separados por una distancia de un metro, en el vacío, hace que cada conductor experimente una fuerza de, exactamente, 2.10-7 newtons por metro de longitud.
En otro tiempo se definió el amperio mediante el efecto químico de la corriente, como la intensidad de la corriente que hacía que se depositasen 1´118 mg de plata por segundo.
Los aparatos que se utilizan en la práctica para medir intensidades de corriente, llamados amperímetros, utilizan el efecto magnético, pero en lugar de fuerza entre conductores rectilíneos, utilizan la fuerza entre una bobina, por la que pasa corriente, y un imán permanente.
7.3. Definición de culombio
Se llama culombio a la cantidad de carga que atraviesa en cada segundo
una sección de conductor que es recorrido por una corriente eléctrica
de un amperio de intensidad.
7.4. Propiedades de la intensidad de la corriente
Ahora vamos a mostrar algunas propiedades de la intensidad de la corriente.
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Se llama nudo a un punto en el que se unen varios conductores. Podemos considerar I1 como consecuencia de I2 pero las ponemos a parte por su importancia. Importan más los conceptos y sus relaciones que la deducción de los mismos como puedes ver en "Importancia del significado y de las relaciones entre conceptos".
7.5. Amperímetros
Existen medidores de corriente denominados amperímetros, que se conectan intercalándolos en serie en el punto donde se desea medir la intensidad. Utilizan el efecto magnético de la corriente. Por el momento basta con saber que miden la intensidad. Veremos en el apartado 11 sus características más detalladamente. De momento los utilizamos como lo que se denomina una caja negra, esto es, algo que no sabemos lo que tiene dentro pero que da unas determinadas respuestas ante determinadas situaciones. La mayoría de aparatos que utilizamos (ordenadores, automóviles, electrodomésticos) son cajas negras que sabemos manejar aunque no sepamos sus mecanismos internos.
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Puedes hacer los ejercicios 7.1, 7.2, 7.3 y 7.4
A7.5.1 Diseña un experimento para comprobar que I = I1 + I2
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7.6. Diferencia de potencial
A finales del siglo XVIII se introdujo el concepto de potencial electrostático, primero en los fenómenos de electrostática propiamente dichos y después, a mediados del siglo XIX, se empleó en los circuitos de corriente eléctrica. Ese concepto, más general nos llevaría a enunciar que la diferencia de potencial (también se llama voltaje) entre dos puntos de un circuito es el trabajo que el campo eléctrico realiza sobre la unidad de carga eléctrica cuando se desplaza del primero al segundo. Este trabajo se corresponde con la energía de tipo eléctrico que la unidad de carga pierde cuando se desplaza del primero al segundo de dichos puntos. Como sabemos, la energía que se pierde, de un tipo, se transforma en energía de otro tipo. En particular, nos resultaría fácil medir la energía calorífica que se desprende en ciertos elementos de circuito, de allí, la que se desprende por unidad de tiempo o potencia calorífica disipada, y su cociente por la intensidad, nos permitiría calcular la diferencia de potencial, V = P/I = (E/t)/Q/t) en los elementos de circuito que únicamente transforman energía de tipo eléctrico en calorífico.
Concretando en un ejemplo numérico: entre los extremos de una pila hay un determinado conductor conectado. La intensidad de la corriente que la atraviesa es de 5 amperios y la potencia que se disipa, de 40 watios. Esto, dicho de otra manera, significa que pasan 5 culombios en 1 segundo y que se disipan 40 julios en 1 segundo, o sea que en un segundo se disipan 40 watios y pasan 5 culombios o sea que en el mismo tiempo en el que se disipan 40 julios, pasan 5 culombios. Al paso de cada culombio se disipan, pues, 8 julios y esa es la diferencia de potencial, 8 julios/culombio o lo que es lo mismo, 8 voltios.
Se llama diferencia de potencial entre dos puntos del circuito
a la energía de tipo eléctrico perdida por la unidad de
carga positiva cuando pasa de uno a otro de dichos puntos, que se corresponde
con el trabajo que el campo eléctrico realiza sobre la unidad de
carga eléctrica.
7.7. Definición de voltio
Decimos que la diferencia de potencial entre dos puntos del circuito
es de un voltio, cuando la unidad de carga positiva pierde un julio de
energía eléctrica, cuando pasa de uno al otro.
V=J/Q
7.8. La pila voltaica
Una pila voltaica es un generador eléctrico de tipo químico, un dispositivo con dos terminales, que fuerza a los electrones a pasar de uno al otro por el exterior de la misma. Podemos decir que en los procesos químicos que ocurren en la pila, cada electrón adquiere una cantidad de energía eléctrica que pierde en su recorrido por el exterior de la pila.
La pila ideal, mantiene una diferencia de potencial constante entre sus extremos, independientemente de lo que se le conecte
Conectando diferentes conductores se comprueba para la pila que la V o diferencia de potencial entre sus extremos es constante, independiente de lo que se le conecte.
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Fig. 7 |
Por ejemplo: Las pilas de los circuitos de la figura 7 son todas iguales y se han conectado a ellas diferentes conductores. Se ha medido la potencia que se disipa en cada camino y la intensidad de la corriente, y se han obtenido los siguientes resultados:
Circuitos |
Potencia (P) |
Intensidad (I) |
Diferencia de
potencial (P/I) |
a |
25 |
5 |
5 |
b |
15 |
3 |
5 |
c |
40 |
8 |
5 |
Puedes encontrar información sobre la pila de Volta en la Información
Complementaria 1 IC1 La
pila de Volta
Puedes leer el artículo original H3 en el que Volta da cuenta de su descubrimiento H3 Volta
En el experimento casero Ex4 encontrarás instrucciones para construir una pila con materiales sencillos Ex4 Construcción de una pila
7.9. Propiedades de la diferencia de potencial
Ahora vamos a mostrar algunas propiedades de la diferencia de potencial.
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7.10. Voltímetros
Hemos contemplado en teoría la posibilidad de medir la V como cociente entre P e I, que habría que medir por separado. Existen unos aparatos denominados voltímetros que se conectan entre los dos puntos donde se desea medir la V y la miden. Los estudiaremos más adelante en el apartado 11. Lo mismo que los amperímetros, de momento los utilizamos como lo que se denomina una caja negra.
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Puedes hacer los ejercicios 7.5, 7.6, 7.7, 7.8 y 7.9
A7.10.1 Diseña un experimento para comprobar que V = V1 + V2
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7.11. Analogía gravitatoria
Del mismo modo que una masa en un campo gravitatorio, a una altura h del suelo, tiene una energía, potencial gravitatoria, que va perdiendo en la caída, la unidad de carga, también tiene una energía, potencial eléctrica, que va perdiendo a medida que recorre el circuito, de tal modo que la energía que tenía al principio es igual a la suma de las energías que va perdiendo en cada elemento de circuito.
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Fig. 7d |
Fig. 7e |
Esta energía que la unidad de carga posee cuando sale de la pila, y que va perdiendo por el camino, coincide con el trabajo de la fuerza eléctrica a lo largo de dicho camino. Podemos notar que ni la intensidad de la corriente ni la potencia se alteran cuando el circuito cambia de forma, eso está relacionado con que el trabajo de la fuerza eléctrica entre dos puntos es independiente del camino recorrido entre dichos puntos. Asimismo, si entre dos puntos de un circuito hay varios caminos, la energía que cederá la unidad de carga por cualquiera de ellos será la misma.
Ejemplo:
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La misma energía cede la bola por el camino de los tres escalones que por el de los dos. Igualmente, la unidad de carga cede la misma energía por el camino de las tres resistencias que por el de las dos. Hay una analogía entre los dos sistemas.
7.12. Otra analogía gravitatoria
Nuestra analogía gravitatoria es buena para hacernos idea de la diferencia de potencial. La energía potencial gravitatoria que va perdiendo una bola bajando por unos escalones es equivalente a la energía potencial eléctrica que va perdiendo una carga al recorrer los diferentes elementos de un circuito. La cuestión de la intensidad es más problemática. Como vamos a ver próximamente, las cargas que pasan por una sección de un conductor, pueden ir más o menos deprisa o pueden pasar muchas o pocas a la vez (son las dos variables que influyen en la intensidad). Con nuestra analogía gravitatoria podemos variar el que pasen muchas o pocas a la vez pero no podemos modelizar adecuadamente el que vayan más o menos deprisa (lo análogo a poner dos pilas en serie sería duplicar la altura, con lo cual duplicamos la altura de los escalones y a la bola le cuesta más tiempo bajar cada escalón). Sería posible tratar de imaginar una nueva modificación del modelo para que se adaptara al comportamiento de un circuito eléctrico. Un plano inclinado con clavos. La bola baja, chocando con los clavos que se encuentra en su camino.
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Lo análogo a poner dos pilas en serie, en este caso sería duplicar la altura del plano sin modificar su longitud, con lo cual estaría más inclinado y las bolas bajarían más deprisa.
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En relación con este proceso de modificaciones está el apartado sobre las hipótesis ad hoc
Una pila no proporciona la misma intensidad de corriente si se le conectan diferentes conductores
Anteriormente, en el
apartado 7.7 hemos visto que la pila mantiene una diferencia de potencial
constante entre sus extremos, sea lo que sea que se le conecte, pero si
una vez conectamos un conductor y otra vez conectamos otro, la potencia
que disipan esos diferentes conductores, y la intensidad de la corriente
que los recorre, es diferente.
Una cosa es que entre los polos de la pila, la diferencia de potencial
sea única y por tanto cada unidad de carga pierda la misma energía
cuando pasa de uno al otro, y otra cosa diferente es que se desprenda
la misma energía en cualquier conductor conectado entre dichos
polos.
En el caso del campo gravitatorio ocurre algo análogo. La energía
gravitatoria que pierde la unidad de masa que descienda una determinada
altura es única, pero pueden caer muchas o pocas unidades de masa
a la vez y pueden caer más o menos deprisa, como hemos visto en
el plano inclinado, que cuanto más inclinado esté más
deprisa baja cada bola.
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Fig. 7k |
Podemos hacer pues, otra analogía entre el campo gravitatorio y el campo eléctrico: la diferencia de potencial eléctrico (energía por unidad de carga) entre los polos de la pila sería análoga a la energía de la masa unidad situada a cierta altura sobre el nivel del suelo. Según el conductor que una los terminales de la pila, pasará más o menos intensidad de corriente eléctrica por el circuito, o sea más o menos carga por unidad de tiempo; esto sería análogo a poner, a la altura considerada, un recipiente con bolas de masa unidad, con una abertura de salida, de anchura regulable, que permita la salida de más o menos bolas por unidad de tiempo. Esa abertura regulable, equivaldría a conectar un conductor de unas u otras características.
Fig. 7l |
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Una cinta transportadora que elevara las masas a una cierta altura, sería análoga a la pila. La pila eleva todas las que se precisan para mantener una corriente constante.
| Intensidad grande |
Intensidad pequeña |
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Fig. 7m |
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Ahora bien, esta analogía no explica bien todos los fenómenos que ocurren en los circuitos con pilas y conductores. Hay cosas que no explica, por ejemplo, que si se conecta en un circuito como el de la figura 7n,
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Fig. 7n |
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Fig. 7ñ |
un conductor v en paralelo al z, aumenta la intensidad en el conductor
w y además cambia la diferencia de potencial entre los extremos
de w y de z, disminuyendo en z y aumentando en w. Naturalmente, la suma
de ambas se mantiene igual que antes.
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| Fig. 7o |
O sea en la analogía gravitatoria habría que, por el mero
hecho de poner un escalón más, cambiar la altura relativa
de los escalones A´ y C´ respecto al B´ y además
que bajaran más bolas.
Nuestra analogía gravitatoria es buena para hacernos idea de la
diferencia de potencial. La energía potencial gravitatoria que
va perdiendo una bola bajando por unos escalones es equivalente a la energía
potencial eléctrica que va perdiendo una carga al recorrer los
diferentes elementos de un circuito. La cuestión de la intensidad
es más problemática. Como vamos a ver próximamente,
las cargas que pasan por una sección de un conductor, pueden ir
más o menos deprisa o pueden pasar muchas o pocas a la vez (son
las dos variables que influyen en la intensidad). Con nuestra analogía
gravitatoria hemos utilizado un procedimiento para variar el que pasen
muchas o pocas a la vez Hemos modelizado también el que vayan más
o menos deprisa. En relación con este proceso de modificaciones
está el apartado siguiente sobre las hipótesis ad hoc.
Conviene en este momento reflexionar sobre otra característica
de la ciencia, relacionada con lo que acabamos de ver, la Característica
de la Ciencia 2, CC2.