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[MODELO MICROSCÓPICO DE LA CORRIENTE ELÉCTRICA] |
Un modelo microscópico para el comportamiento de la electricidad
en los circuitos: el modelo de Drude
La corriente eléctrica está formada por partículas cargadas que se desplazan a lo largo del circuito que se mantiene constante en el tiempo mientras no lo cambiemos. Las partículas cargadas que se desplazan, chocan con las partículas fijas. Hay por tanto una fuerza opuesta al movimiento y debe haber una fuerza eléctrica que las impulsa en el sentido de su movimiento. La existencia de esa velocidad constante (al menos por término medio) de las partículas cargadas y la transformación de energía cinética de las mismas en calor, nos hacen pensar en una fuerza como la que experimentan los paracaidistas, que les permite descender a velocidad constante, aun estando sometidos a la fuerza de la gravedad. Esta fuerza, contraria a la gravitatoria, en los paracaidistas, es el efecto promedio de los múltiples choques que experimentan con las partículas que forman el aire, y en la corriente eléctrica es el efecto promedio de múltiples frenazos que tienen lugar por múltiples choques de las partículas cargadas que se mueven por efecto de la fuerza eléctrica con las otras partículas inmóviles que forman el resto de la materia. Este es el modelo que adoptaremos.
Convenio sobre el sentido del movimiento de la corriente
Las partículas móviles son electrones, de la última capa de los átomos, que se pueden separar fácilmente de los mismos. Se ha convenido, históricamente que la corriente eléctrica esté formada por cargas positivas que se mueven en sentido opuesto a los electrones. Los electrones salen del polo negativo de las pilas y vuelven a entrar en ellas por el polo positivo. El convenio es que la corriente sale del polo positivo y regrese por el negativo. En educaplus.org hay animaciones interesantes sobre esto.
| Fig. 8
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Según este modelo, como la intensidad de la corriente es cantidad
de carga por unidad de tiempo y todas las partículas portadoras
de carga llevan la misma, ¿de qué factores, dependerá
la intensidad de la corriente eléctrica?. De que las partículas
móviles cargadas vayan más o menos deprisa, de que haya
mucha o poca densidad de las mismas y de que el conductor sea grueso o
delgado. De momento, consideraremos conductores del mismo material y por
tanto, todos con la misma disposición de partículas cargadas
positivamente (iones positivos), inmóviles y con un electrón
móvil por cada ion positivo, inmóvil.
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Actividades para practicar con el modelo microscópico de la corriente.
Las partículas móviles pierden energía en los choques. En cada uno de los choques frenan totalmente e inmediatamente se aceleran hasta que vuelven a chocar con la siguiente partícula fija. Teniendo en cuenta que las partículas móviles son todas iguales, así como las partículas fijas, ¿de qué crees que va a depender que en un choque se pierda más o menos energía?.
De que el choque sea más o menos violento o sea, de que vayan a mayor o menor velocidad (ten en cuenta que pierden toda la energía cinética que tenían, por tanto cuanto más tengan, más pierden).
Vamos a hacer una serie de actividades para mejorar nuestra comprensión
de las características del comportamiento de las cargas que se
mueven en distintas circunstancias. Se trata de hacer que se muevan como
en la animación pero controlando nosotros el movimiento.
Cada vez que hagamos clic con el ratón sobre el botón, las
cargas se moverán un espacio.
Podemos elegir que vayan más o menos deprisa. Si deseamos que se
muevan un espacio por segundo, deberemos hacer clic sobre el botón
una vez por segundo (de una forma aproximada). Si deseamos que se muevan
dos espacios por segundo, deberemos primero escoger la posibilidad y después
hacer clic sobre el botón dos veces por segundo (de una forma aproximada
también). Si deseamos que se muevan tres espacios por segundo,
deberemos elegir la posibilidad y hacer clic sobre el botón tres
veces por segundo (también medimos el tiempo mentalmente de una
forma aproximada).
Se trataría de marcar el avance de las cargas que pasan con el ratón un clic por segundo, dos, tres.
A8.2 Lo mismo con el B
A8.3 Lo mismo con el C
Vamos a considerar dos tramos en cada conductor. En un tramo irán
a doble velocidad que en el otro, esto es, cuando en el tramo rápido
se muevan dos espacios, en el lento se moverán uno sólo.
Nosotros con el ratón controlaremos siempre el movimiento de las
partículas rápidas.
Utilizando amperímetros en distintos puntos de un circuito se comprueba
que la intensidad de la corriente es la misma en todos los puntos que
están en serie. Vamos a ver que el modelo microscópico predice
que las cosas deben ser así, utilizando la observación de
que en ninguna zona de conductor hay atracción o repulsión
eléctrica y un razonamiento por reducción al absurdo.
A8.4 Los de la segunda mitad irán el doble de deprisa.
¿Crees que se observaría algún fenómeno de
atracción o repulsión si las cosas fueran así?. Dicho
de otro modo ¿Qué crees que se observaría si acercaras
una varilla de vidrio frotada a la segunda mitad?
A8.5 En este caso, los de la segunda mitad irán más despacio, con la mitad de velocidad.
¿Crees que se observaría algún fenómeno de atracción o repulsión si las cosas fueran así?. Dicho de otro modo ¿Qué crees que se observaría si acercaras una varilla de vidrio frotada a la segunda mitad?
Si las cargas fueran a diferente velocidad en estos circuitos, se observaría atracción o repulsión eléctrica sobre una varilla de vidrio frotada con lana. Como esto no se observa, las cargas no deben ir a diferente velocidad.
A8.6Si el conductor tuviera dos grosores y las cargas
se movieran igual de deprisa en los dos, ¿qué pasaría
en el caso en el que la primera mitad fuera más delgada?
A8.7 Nos planteamos la misma pregunta en el caso en que la segunda mitad fuera más delgada.
A8.8 En el conductor D movemos las cargas de la primera
mitad y las de la segunda irán la mitad de deprisa y vemos que
ahora no hay ni acumulación de cargas ni despoblamiento.
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