Capitulo 27 Corriente y Resistencia

1 CAPITULO 27 CORRIENTE Y RESISTENCIA ACERTIJO

Trabajadores de la industria eléctrica reparando las líneas de transmisión en la ciudad de St. Isadore, al este de Ontario, la cual en enero de 1998 estuvo sin electricidad durante varios días a causa de una severa tormenta de hielo. Es muy peligroso tocar líneas de transmisión de energía caídas, debido a su alto potencial eléctrico, el cual puede tener cientos de miles de volts en comparación con la tierra. ¿Por qué se usa tan elevada diferencia de potencial en la transmisión de energía si es tan peligroso, y por qué las aves que se paran en los alambres no se electrocutan? (AP/Wide World Photos/Fred Chartrand) LINEAS GENERALES DEL CAPITULO

27.1. 27.2. 27.3. 27.4. 27.5. 27.6.

Corriente eléctrica Resistencia y ley de Ohm Un modelo para la conducción eléctrica Resistencia y temperatura Superconductores Energía eléctrica y potencia

Hasta ahora el estudio de los fenómenos eléctricos se ha limitado a las cargas en reposo o electrostática. Ahora s consideran situaciones que incluyen cargas eléctricas en movimiento. El termino corriente eléctrica, o simplemente corriente, s emplea para describir la rapidez de flujo de carga que pasa por alguna región del espacio. La mayor parte de las aplicaciones prácticas prácticas de la electricidad tienen que ver con corrientes eléctricas. Por ejemplo, la batería de una luz de destellos suministra corriente al filamento de la bombilla cuando se conecta al interruptor. Una gran variedad de aparatos domésticos funciona con corriente alterna. En estas situaciones comunes, las cargas fluyen por un conductor, por ejemplo, un alambre de cobre. También es posible que existan corrientes fuera de un conductor. Por ejemplo, un haz de electrones en un tubo de imagen de una TV constituye una corriente.

2 Este capitulo comienza con las definiciones de corriente y densidad de corriente. Continúa con una descripción microscópica de corriente, y con el análisis de algunos de los factores que contribuyen a la resistencia al flujo de carga en conductores. Se utiliza un modelo clásico para describir la conducción eléctrica en metales, y se señalan algunas limitaciones de dicho modelo. 27.7.

Corriente eléctrica

Es instructivo una analogía entre el flujo de agua y la corriente. En muchos lugares es práctica común instalar en los hogares regaderas de bajo consumo como una medida de la conservación del agua. El flujo de agua se cuantifica a partir de estos dispositivos y de otros similares, al especificar la cantidad de agua que emerge durante un intervalo de tiempo dado, lo cual con frecuencia se mide en litros por minuto. A gran escala se puede caracterizar la corriente de un río para describir la rapidez a la cual el flujo de agua pasa por una ubicación particular. Por ejemplo, el flujo sobre el borde de las cataratas de Niágara e mantiene en proporciones de entre 1 400 m3 /s a 2 800 m3 /s.

Figura 27-1. Carga en movimiento a través de una área A. La rapidez en el tiempo a la cual la carga fluye a través del área se define como la corriente I. La dirección de la corriente es aquella en la cual la carga positiva fluyen cuando están libres de hacerlo.

Ahora considere un sistema de cargas eléctricas en movimiento. En cualquier parte donde existe un flujo de carga neto a través de alguna región, se dice que existe una corriente. Para definir la corriente de manera más precisa suponga que las cargas se mueven perpendiculares a una superficie de área A, como se muestra en la figura 27-1. (Esta podría ser la el área de la sección trasversal de un alambre, por ejemplo). La corriente es la rapidez a la cual fluye carga por esta superficie . Si ∆Q es la cantidad de carga que pasa por esta área en un intervalo de tiempo ∆t, la corriente promedio Iprom es igual a la carga que pasa por A por unidad de tiempo:  I  prom =

∆Q ∆ t 

(27-1)

Si la rapidez a la cual fluye la carga varía con el tiempo, entonces la corriente varía con el tiempo, y la corriente instantánea I se define como el límite diferencial de la corriente promedio:  I  =

d Q d t 

(27-2)

La unidad de corriente del SI es el ampere (A):

1  A =

1 C  1s

(27-3)

Esto es, 1 A de corriente es equivalente a 1 C de carga que pasa por el área de la superficie en 1 s. Las cargas que pasan por la superficie de la figura 27-1 pueden ser positivas, negativas o ambas. Es convencional considerar a la corriente la misma dirección que la del flujo de carga positiva. En los conductores eléctricos, como el cobre o el aluminio, la corriente se debe al movimiento de los electrones con carga negativa. Por tanto, cuando se habla de corriente en un conductor ordinario, la dirección de la corriente es opuesta a la dirección del flujo de electrones. Sin embargo, si se considera un haz de protones con carga positiva en un acelerador, la corriente está en la dirección del movimiento de los

2 Este capitulo comienza con las definiciones de corriente y densidad de corriente. Continúa con una descripción microscópica de corriente, y con el análisis de algunos de los factores que contribuyen a la resistencia al flujo de carga en conductores. Se utiliza un modelo clásico para describir la conducción eléctrica en metales, y se señalan algunas limitaciones de dicho modelo. 27.7.

Corriente eléctrica

Es instructivo una analogía entre el flujo de agua y la corriente. En muchos lugares es práctica común instalar en los hogares regaderas de bajo consumo como una medida de la conservación del agua. El flujo de agua se cuantifica a partir de estos dispositivos y de otros similares, al especificar la cantidad de agua que emerge durante un intervalo de tiempo dado, lo cual con frecuencia se mide en litros por minuto. A gran escala se puede caracterizar la corriente de un río para describir la rapidez a la cual el flujo de agua pasa por una ubicación particular. Por ejemplo, el flujo sobre el borde de las cataratas de Niágara e mantiene en proporciones de entre 1 400 m3 /s a 2 800 m3 /s.

Figura 27-1. Carga en movimiento a través de una área A. La rapidez en el tiempo a la cual la carga fluye a través del área se define como la corriente I. La dirección de la corriente es aquella en la cual la carga positiva fluyen cuando están libres de hacerlo.

Ahora considere un sistema de cargas eléctricas en movimiento. En cualquier parte donde existe un flujo de carga neto a través de alguna región, se dice que existe una corriente. Para definir la corriente de manera más precisa suponga que las cargas se mueven perpendiculares a una superficie de área A, como se muestra en la figura 27-1. (Esta podría ser la el área de la sección trasversal de un alambre, por ejemplo). La corriente es la rapidez a la cual fluye carga por esta superficie . Si