Experiments with GAME configurations

3.8 La La corriente corriente eléctricaeléctrica

Preguntas previas

¿Qué es un gas? ¿Cómo se encuentran las moléculas que componen un gas?

Entre la gran variedad de materiales que hay en la naturaleza, una clase de ellos tiene im- portancia para el tema que estamos estudiando: los conductores. Al pensar en un conductor, lo más probable es que la primera imagen que llega a tu mente es la de metales y, en parti- cular, el cobre. Esos materiales tienen peculiaridades en su estructura atómica y molecular que los hacen poseer la propiedad que los caracteriza como conductores. Para entender tal 3.8 La corriente eléctrica

peculiaridad describiremos el llamado modelo de gas de electrones para un conductor sóli- do, particularmente metales. Tal modelo fue desarrollado por Albert Einstein para su expli- cación del efecto fotoeléctrico.

Consideremos un átomo individual de un metal, por ejemplo, cobre. Estructuralmente, cada átomo de cobre tiene dos electrones, aquellos que en química se denominan electrones de valencia, cuya característica es que son los de menor energía de enlace al núcleo. Cuan- do se comienzan a agregar átomos de cobre para formar una muestra macroscópica, cada átomo contribuye con sus dos electrones de valencia a la estructura molecular. Los electro- nes, tanto como los núcleos, son indistinguibles; esto es, todos son “idénticos”, pues no hay manera de “distinguirlos” entre ellos.

Así, por su proximidad en la estructura molecular, los electrones de valencia “pierden” la noción acerca de con quién llegaron, y entonces su movimiento ya no será en las inmedia- ciones de su átomo srcinal, sino que se moverán a través de toda la estructura molecular, de un modo semejante a como se mueven las partículas de un gas confinado en un contenedor, es decir, en todas direcciones con un amplio intervalo de valores de rapidez. Los electrones, entonces, forman una especie de “nube” (o “gas”), dentro de la cual se encuentran inmer- sos los núcleos junto con el resto de los electrones de su estructura. En este contexto, a los electrones del gas, srcinalmente llamados de valencia, los denominaremos electrones deslocalizados.

Ahora, supongamos que podemos generar un campo eléctrico dentro del metal; entonces, los electrones deslocalizados “sienten” la fuerzaF  eE , dondee es la carga del electrón, y serán acelerados en dirección opuesta al campo eléctri- co. Entonces, en promedio, los electrones deslocalizados se mueven en una sola dirección con lo que decimos que se ha establecido unacorriente eléctrica , para la que utilizaremos como símbolo la letrai . En una primera aproximación, en un metal definimos la corriente eléctrica —o simplemente corriente— como unflujo unidireccional de electrones .

Cuantitativamente, para una muestra macroscópica, la corriente se define como la cantidad de carga que atraviesa una superficie (generalmente hipotética) perpendicularmente, por unidad de tiempo. Esto es:

i q

t

=

Esta ecuación está restringida para el caso en que, además de tenerse una mues- tra macroscópica, la corriente es estacionaria; esto es, el flujo de carga a través de la superficie es constante. De esta definición se encuentran las unidades dei:

coulomb sobre segundo, que es una combinación que recibe el nombre de ampére, cuyo símbolo es A.

Ejemplo Ejemplo

o ¿Qué corriente eléctrica circula a través de un conductor por el que pasan 12 C de carga en 4.0 s?

129 Solución: De la relación anterior: i= 12 4.0 3.0 A q t = = Ejemplo Ejemplo

o ¿Cuánta carga pasa a través de un motor de arranque de un automóvil, si durante el

lapso de 4.0 s al arrancar el motor, el amperímetro marca una corriente de 220 A?

Solución:

Despejamos la cargaq que circula por el motor de arranque:

q  it  (220)(4.0) 880 C.

Problemas propuestos Problemas propuestos

34.

34. Una corriente eléctrica fluye de un cuerpo a otro. ¿Cómo es el potencial eléctrico de uno respecto del otro?

a) Tienen el mismo potencial.

b) El potencial de uno es mayor que el otro. 35.

35. ¿Qué corriente circula por el filamento de un foco, si en un lapso de 25.0 s la carga que pasa es de 20.0 C?

Solución:

36.

36. ¿Cuántos electrones por segundo pasan a través del filamento de un foco por el que en forma continua circulan 0.60 A?

Solución:

37

37.. Una tostadora eléctrica requiere de 900.0 C de carga durante un lapso de 1.50 min, para dorar dos rebanadas de pan. ¿Qué corriente circula por la tostadora al usarla?

Solución:

38.

38. Una persona adquiere, por fricción, un exceso de carga de 1.25 1010 _elec-

trones, y al tocar una puerta conductora se descarga completamente en 0.250 s. Calcula la corriente en el proceso de descarga.

Solución:

39.

39. ¿Cuánta carga es transferida por una corriente de 0.50 A en 15.0 min?

Solución:

Entre físicos, ingenieros y técnicos existe la convención de considerar que en un conductor metálico la corriente es un flujo neto de carga positiva, que surge de la rapidez de arrastre de los electrones y no del movimiento mismo de los electrones. La convención aceptada es que la dirección de la corriente va de la terminal positiva a la terminal negativa en una pila o acumulador, a pesar de que en el caso especial de los metales sólo se muevan los electrones. Sin embargo, los circuitos no solamente consisten de alambres conductores, ya que encon- tramos corrientes en soluciones electrolíticas, como ya hemos discutido, en gases y en plas- mas, y a través de semiconductores.

En todas estas corrientes se observa que el movimiento es lo mismo para iones positi- vos que negativos; nada induce a pensar que la corriente eléctrica es debida solamente al movimiento de portadores de carga negativa, excepto en el caso de conductores metálicos.

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Por consiguiente, la convención es que la corriente tiene que referirse al flujo de carga positi- va, como se acaba de mencionar anteriormente. Por supuesto, que esto no representa ninguna

ley de la naturaleza, sino tan sólo un asunto de conveniencia, por lo que es costumbre referirse a ello como ladirección convencional o sentido convencional de la corriente eléctrica.

De acuerdo con este análisis, hablamos de un “punto de potencial alto” cuando observa- mos acumulación de carga positiva; y de un punto de “potencial bajo”, cuando observamos acumulación de carga negativa. Esto concuerda con nuestra definición de diferencia de po- tencial en términos de cargas que se mueven: se requiere realizar trabajo para mover un objeto con carga positiva hacia un punto de potencial alto, en contra de las fuerzas eléctricas que aplican los objetos con carga positiva que ya se encuentran ahí.

Por otro lado, regresando al caso de las pilas (ejemplo de la sección 3.7), la esencia de su funcionamiento consiste en “transformar” la energía química en energía eléctrica. Las pilas se denominan fuentes de fem porque “transforman” energía no eléctrica en energía eléctrica. La denominación fem se refiere a un término ya obsoleto, pero que seguimos utilizando:

fuerza electromotriz. Actualmente es bien sabido que tal cantidad no es una fuerza en el sentido en que ésta se ha definido por medio de la leyes de Newton. Por tal motivo, cuando tengamos que utilizar el término lo haremos solamente con las siglas fem. El símbolo con- vencional para la fem esε, y sus unidades son joules sobre coulomb o volt. Por consiguiente, si un coulomb de carga que pasa a través de una pila gana 6 joules de energía eléctrica, la fem de la pila será de 6 V.