BLOQUE I-1.3.curso13-14

17
11 BLOQUE 1: CONCEPTOS Y FENÓMENOS BÁSICOS. MEDIDAS ELECTROTÉCNICAS. 1.3 Corriente eléctrica. Comportamiento de los conductores bajo fuerzas eléctricas. Movimiento térmico de los electrones. Resistencia y conductividad eléctrica del material (R,l, S,ρ ,σ ,ΔT,α ). Densidad de corriente. Voltaje eléctrico. Generación de una d.d.p. (generador) f.e.m. Generadores ideales y reales. Circuito eléctrico. Ley de Ohm. Potencia y energía eléctrica. Efecto Joule. Potencia y energía total, útil y pérdida. Rendimiento. Corriente eléctrica: Sabemos que para que pueda existir una corriente eléctrica debe existir una diferencia de cargas entre dos puntos. La unión de dichos cuerpos por medio de un material conductor, tenderá a nivelar las cargas entre ellos, conduciendo los electrones sobrantes del cuerpo cargado negativamente hacia el elemento con falto de electrones, hasta restablecer el equilibrio eléctrico natural. Pero, ¿Cómo es que se consigue un movimiento ordenado de carga eléctrica en un metal? Comportamientos de los conductores bajo fuerzas eléctricas. En los conductores, los electrones están distribuidos libremente moviéndose al azar en el interior del conductor. La unión de dichos cuerpos por medio de un material conductor hace que los electrones libres del conductor, sean repelidos por el cuerpo cargado negativamente con una fuerza F. Al existir un terminal (positivo) y otro (negativo), aparece un campo eléctrico E. Este campo tirará de los electrones libres con una fuerza F=q e E Movimiento térmico de los electrones. Corriente eléctrica.

description

magnetismo

Transcript of BLOQUE I-1.3.curso13-14

Page 1: BLOQUE I-1.3.curso13-14

BLOQUE 1: CONCEPTOS Y FENÓMENOS BÁSICOS. MEDIDAS ELECTROTÉCNICAS.

1.3 Corriente eléctrica. Comportamiento de los conductores bajo fuerzas eléctricas. Movimiento térmico de los electrones. Resistencia y conductividad eléctrica del material (R,l, S,ρ ,σ ,ΔT,α ). Densidad de corriente. Voltaje eléctrico. Generación de una d.d.p. (generador) f.e.m. Generadores ideales y reales. Circuito eléctrico. Ley de Ohm. Potencia y energía eléctrica. Efecto Joule. Potencia y energía total, útil y pérdida. Rendimiento.

Corriente eléctrica:

Sabemos que para que pueda existir una corriente eléctrica debe existir una diferencia de cargas entre dos puntos. La unión de dichos cuerpos por medio de un material conductor, tenderá a nivelar las cargas entre ellos, conduciendo los electrones sobrantes del cuerpo cargado negativamente hacia el elemento con falto de electrones, hasta restablecer el equilibrio eléctrico natural . Pero, ¿Cómo es que se consigue un movimiento ordenado de carga eléctrica en un metal?

Comportamientos de los conductores bajo fuerzas eléctricas.

En los conductores, los electrones están distribuidos libremente moviéndose al azar en el interior del conductor.

La unión de dichos cuerpos por medio de un material conductor hace que los electrones libres del conductor, sean repelidos por el cuerpo cargado negativamente con una fuerza F.

Al existir un terminal (positivo) y otro (negativo), aparece un campo eléctrico E. Este campo tirará de los electrones libres con una fuerza F=qeE

Movimiento térmico de los electrones. Corriente eléctrica.

El movimiento de los electrones libres en un hilo conductor es muy complicado. Cuando no hay campo eléctrico en el hilo, los electrones libres se mueven aleatoriamente en todas direcciones con celeridades relativamente grandes debidas a la agitación térmica. Los electrones libres , en su movimiento caótico, chocan con distintos obstáculos: imperfecciones o defectos cristalinos, núcleos atómicos, otras cargas, bordes del conductor, etc…,

Como los vectores velocidad de los electrones están orientados al azar, la velocidad media debida a la agitación térmica es nula.

Page 2: BLOQUE I-1.3.curso13-14

Cuando se aplica un campo eléctrico, por ejemplo conectando el hilo a una pila, la cual aplica una diferencia de potencial al hilo, los electrones libres experimentan una aceleración momentánea debida a la fuerza F, si bien pronto chocan con los iones fijos del conductor... El resultado es que los electrones adquieren una pequeña velocidad de arrastre de sentido opuesto al del campo eléctrico , la cual se superpone a las grandes velocidades térmicas aleatorias. El comportamiento de los electrones libres en un metal se parece al de las moléculas gaseosas en el aire. Si el aire está quieto, las moléculas se mueven con grandes velocidades instantáneas entre choque y choque, pero su velocidad media es nula. Cuando sople una brisa, las moléculas del aire adquieren una pequeña velocidad de arrastre de igual dirección y sentido que la brisa, superpuesta a sus muchas velocidades instantáneas.

Resistencia eléctrica del material (R, l, S, ρ, ΔT, α)

Hemos visto como, en su movimiento por el metal, los electrones libres chocan con distintos obstáculos: imperfecciones o defectos cristalinos, núcleos atómicos, otras cargas, bordes del conductor, etc…, produciéndose una especie de rozamiento (resistencia al movimiento de los electrones) que se transforma en calor (efecto Joule). Estos choques son menores en los buenos conductores que en los malos. Conclusión: la resistencia de los diferentes materiales al movimiento de electrones, depende fundamentalmente de su naturaleza.

Factores de los que depende la resistencia de un conductor:

_ Ej.: Si midiésemos la resistencia de un conductor de cobre de un metro de longitud y de un milímetro cuadrado de sección, obtendríamos un resultado de 0,01786Ω. Está claro que cada material tendrá un determinado valor de resistencia por cada metro y milímetro cuadrado. A este valor se lo denomina “coeficiente de resistividad” y se representa con la letra griega ρ. Es decir, la resistividad del cobre es: ρ=0,01786Ωmm2/m.

_ Por otro lado es lógico pensar que, si la resistencia eléctrica es la dificultad que ofrece un conductor al movimiento de electrones, esta dificultad irá aumentando en función del camino que tenga que recorrer; es decir, a mayor longitud, mayor será la resistencia. La resistencia de un conductor aumenta con su longitud.

_ Si, por el contrario, se aumenta la sección del conductor, los electrones tendrán más libertad para moverse y, por tanto, la resistencia será menor. La resistencia de un conductor disminuye con su sección.

Teniendo en cuenta todas estas consideraciones, la expresión matemática necesaria para determinar la resistencia de un conductor podrá quedar así:

R=ρlA

ρ=resistividad Ω mm2⁄mA= Sección del conductor (mm2)L =Longitud del conductor (m)

Page 3: BLOQUE I-1.3.curso13-14

Influencia de la temperatura sobre la resistividad

Por lo general, la resistencia aumenta con la temperatura en los conductores metálicos. Este aumento depende del incremento de la temperatura y de la materia de que esté constituido dicho conductor.

RT=R0(1+α ∙∆T )

RT=¿Resistencia en calienteR0=Resistencia a 20°Cα=Coeficiente de temperatura a 20°C∆T= elevación de la temperatura en °C.

_ El aumento de la resistencia con la temperatura es a veces un gran inconveniente ; así ocurre, por ejemplo, en los aparatos de medida, donde las medidas pueden verse distorsionadas por este fenómeno. Por esta razón, es conveniente utilizar materiales con un bajo coeficiente de temperatura para la construcción de los aparatos de medida.

_ En otros casos, este aumento de resistencia con la temperatura puede ser beneficioso; como por ejemplo, para medir temperaturas por medio de resistencias (termómetros electrónicos).

_ De una forma especial, existen materiales donde se reduce la resistencia al aumentar la temperatura. En estos casos se dice que poseen un coeficiente de temperatura negativo. En general los materiales semiconductores pertenecen a este grupo.

Conductividad eléctrica del material (ρ)

Otra forma de expresar que un material es mejor conductor que otro es a través del concepto de conductividad (σ ¿, que nos indica la facilidad que presentan los conductores al paso de la corriente eléctrica. Esta magnitud es inversa a la resistividad (ρ ¿ y su unidad es el siemens/metro (S/m).

σ=1ρ σ=conductividad ( S

m)

ρ=resistividad¿Ω mm2⁄m)

Page 4: BLOQUE I-1.3.curso13-14

Corriente eléctrica: Intensidad de corriente. Densidad de corriente. (Ley de Ohm)

Hay que pensar que, al igual que en una tubería que está llena de agua, un conductor eléctrico también está lleno de electrones libres dispuestos a moverse. En cuanto algunos se muevan, empujan al resto, estableciéndose un efecto de traslación uniforme de electrones en todo el conductor.

Sea un segmento de conductor de área transversal constante (A) por el que circula una corriente. En este dibujo se ha tenido en cuenta el sentido convencional de la corriente.

¿ Cuánta carga atraviesa esa sección en la unidad de tiempo ?

Intensidad: Cantidad de carga que atraviesa la sección trasversal A, por unidad de tiempo.

I=q+¿

t¿

La unidad de medida de la intensidad de corriente eléctrica es el amperio (A). De esta manera, cuando en un circuito se mueve una carga de un culombio en el tiempo de un segundo, se dice que la corriente tiene una intensidad de un amperio.

¿ Cuánta carga atraviesa una sección unidad en la unidad de tiempo ? Supongamos un conductor de sección transversal A y un campo eléctrico aplicado E

Page 5: BLOQUE I-1.3.curso13-14

Sea V el volumen del segmento:V=A .vddt

La carga que atraviesa la sección A durante un intervalo dt es igual a la que se contabiliza dentro del segmento de cilindro.

La densidad de corriente J:

J= IA

=qnvd (Amperios

m2)

Ley de Ohm:Ohm se dio cuenta que un conductor no sólo sirve como fuente de cargas libres, sino

que su propia naturaleza influye en el movimiento de dichas cargas , determinando cuanta corriente puede circular por él para una diferencia de potencial aplicada.

Profundicemos en esta idea: Cuando se conecta un conductor a un generador de corriente, se establece una diferencia de potencial en los extremos del conductor, y con él , un campo eléctrico E . Como consecuencia, surge en el conductor una densidad de corriente J, que en muchos casos es proporcional a E:

Page 6: BLOQUE I-1.3.curso13-14

Vamos a deducir, a partir de ésta, la ley de Ohm que tú ya conoces. Supongamos un conductor de conductividad (σ), longitud (l ) y sección (A), por el que circula una corriente ( I ) como consecuencia de una diferencia de potencial ( V).

Sabemos que:

J= IA , V=E .l y que: R=ρ

lA

Sustituimos en la expresión anterior:

J=σ E → IA

=σ ∙Vl → V= l

σ ∙ A∙ I → V= ρ ∙ l

A∙ I → V=R ∙ I

CONCEPTO DE CIRCUITO ELÉCTRICO.

Primero establecemos una corriente eléctrica: como ya sabrás, la corriente eléctrica se genera debido a la diferencia de potencial producido por una pila o fuente entre dos puntos de un conductor. Al fluir carga (positiva) por dicho conductor (sentido de la corriente convencional), el campo eléctrico que se crea realiza un trabajo para llevar las cargas positivas del borne positivo al borne negativo. En su trayecto las cargas positivas pierden energía potencial (van del borne positivo al negativo).

Para entender qué es un circuito eléctrico imaginemos una “caja negra” conectada a una batería. Si a través de la caja se mueve la carga positiva desde (a) hasta (b), verá como su energía potencial disminuye. Te preguntarás: ¿Qué ha pasado?¿Se ha destruido energía?

Según el principio de conservación de la energía, la energía no se ha destruido, sino que se ha transformado. La forma en cómo se ha transformado esta energía depende de lo que haya en el interior de la caja. Así:

Page 7: BLOQUE I-1.3.curso13-14

a) Si hay un motor eléctrico, la energía se convierte en trabajo mecánico.b) Si hay un condensador, la energía se almacena.c) Resistor, la energía se degrada como energía térmica, luminosa…d) Bobina, la energía se almacena.

Un circuito eléctrico no es más que una combinación de resistencias, condensadores y bobinas unidos mediante hilos conductores a una fuente o generador, donde la energía potencial eléctrica se transforma en otros tipos de energía.

PARÁMETROS EN UN CIRCUITO ELÉCTRICO:

Generadores de corriente. Tensión eléctrica y fuerza electromotriz.

Como ya hemos estudiado, en un circuito el generador es el encargado de crear una diferencia de cargas =una diferencia de potencial =una diferencia de alturas.

Las cargas (positivas) y, por tanto, toda la corriente eléctrica (corriente convencional) pierden energía debido a la resistencia del material. Entonces, ¿cómo es posible mantener el flujo de corriente eléctrica en un circuito? Es imprescindible reponer o compensar continuamente dichas pérdidas de energía.

El generador de corriente:

El generador de corriente compensa continuamente las pérdidas de energía de la corriente eléctrica manteniendo su circulación. Para ello, el generador tiene que arrancar protones del polo negativo y depositarlos en el polo positivo. Para realizar esta tarea el generador necesita desarrollar una fuerza. A la fuerza necesaria para trasladar los protones desde el polo negativo al positivo, y así crear la diferencia de cargas, se denomina fuerza electromotriz (f.e.m).

Page 8: BLOQUE I-1.3.curso13-14

Representación esquemática de un condensador (CC o CA):Generadores CC: pilas, baterías, dinamos.Generadores CA: transformadores, red eléctrica, turbinas

Generador ideal de tensión.Es una fuente de tensión que produce una tensión de salida constante, es una fuente de

tensión con resistencia interna cero.

Generador real de tensión:Algunos ejemplos de fuentes de tensiones reales: el de una pila, una batería de automóvil y el

de una fuente de alimentación en el laboratorio.

Cálculo de la tensión de los bornes V ab del generador:

Page 9: BLOQUE I-1.3.curso13-14

Intensidad de la corriente eléctrica:

_ Sentido real y convencional de la corriente:En un circuito, el sentido de la corriente eléctrica lo determina el movimiento de

electrones. Sin embargo, los antiguos científicos crían que la corriente eléctrica fluía del cuerpo cargado positivamente al negativamente. Este sentido, denominado convencional, es el que más se ha utilizado hasta ahora.

_ Medida de la intensidad de corriente: Para medir la intensidad de corriente eléctrica utilizamos un aparato de medida

llamado amperímetro. El amperímetro mide la cantidad de carga que se mueve por un circuito en la unidad de tiempo. Dado que la intensidad de la corriente es igual en todos los puntos del circuito, es indiferente dónde conectemos el amperímetro. A esta forma de conectar el amperímetro se la ha denominado “en serie”.

Corriente continua Corriente alterna

Corriente continua: Una corriente continua se caracteriza porque los electrones libres siempre se mueven en el mismo sentido por el conductor con una intensidad constante.

Page 10: BLOQUE I-1.3.curso13-14

Corriente alterna: Una corriente alterna se caracteriza porque el flujo de electrones se mueve por el conductor en un sentido y en otro, y además, el valor del voltaje y la corriente eléctrica son variables.

Hagamos ahora la representación gráfica de la intensidad de corriente eléctrica con el tiempo.La corriente circula en un sentido durante los primeros 10 ms, y en el contrario (valores negativos) durante los siguientes 10 ms. Este mismo proceso se repetiría

Page 11: BLOQUE I-1.3.curso13-14

continuamente mientras el generador estuviese suministrando corriente eléctrica al circuito.En un principio cabría pensar que veríamos a la lámpara encenderse y apagarse rápidamente, siguiendo los cambios rápidos de la corriente. Pero en realidad no podemos ver este fenómeno, ya que el ojo humano no es capaz de percibirlo.

Se podría decir que en este caso el generador produce periódicamente cambios en la polaridad de sus terminales de salida. Pero ¿Por qué se dice que hay una tensión de 220V en los enchufe?

Como la tensión varía constantemente se coge una tensión de referencia llamada Tensión Eficaz. La tensión eficaz equivale a una tensión en corriente continua necesaria para que la corriente que circule por una resistencia, produzca el mismo efecto calórico que si por ella circula una corriente alterna. Es decir si conectamos un radiador eléctrico a 220V en corriente continua (siempre constante), daría el mismo calor que si lo conectamos a una corriente alterna con tensión máxima de 325V (tensión variable), en este caso diríamos que la tensión en alterna tiene una tensión eficaz de 220V, aunque realmente no sea un valor fijo sino variable.

Energía eléctrica:

Recordemos que el concepto de energía parte de los principios de la mecánica al definir trabajo como “la energía que se necesita para trasladar un cuerpo una cierta distancia entre dos puntos al aplicar una fuerza. De ahí que la energía eléctrica también se defina como el trabajo realizado por el campo eléctrico para trasladar una carga positiva q del borne positivo (V+) al borne negativo (V-).

Cuando una carga positiva (corriente convencional) circula a lo largo de un hilo conductor entre cuyos extremos existe una diferencia de potencial, la disminución de energía que experimenta la carga, representa la energía consumida en circuito y es equivale al trabajo que el campo eléctrico realiza:

W+- = - q+ (V--V+) = q (V+-V-) como q=I.t W= I.t (V+-V-)

y como V+-V- =I.R W (trabajo)=I2Rt

_ intensidad la expresamos en amperios_ la resistencia en ohmios _ el tiempo en segundos_ el trabajo viene expresado en Julios.

Page 12: BLOQUE I-1.3.curso13-14

Potencia eléctrica.

La unidad de potencia eléctrica es el watio (W). Si nos preguntan qué lámpara luce más, una de 60 W o una de 40W la respuesta sería muy clara: la de 60W, que es la que mayor potencia tiene. Pero, ¿qué es la potencia eléctrica?

Potencia.- La potencia de una corriente eléctrica, es la razón entre el trabajo realizado por el campo y el tiempo empleado en realizarlo.

En Física, se define potencia como la rapidez con la que se ejecuta un trabajo, es decir, la relación que existe entre el trabajo realizado (=disminución de energía potencial, consumo de energía eléctrica) y el tiempo invertido en realizarlo.

P=Wt P=

q+¿ ∙(V 1−V2)

t¿ P = I (V1-V2) P = I2R

Las unidades son: Watio= Juliosegundos

Potencia generada por una batería (real):

Page 13: BLOQUE I-1.3.curso13-14

Disipación de potencia en un resistor :

Rendimiento energético.

En un circuito hay un elemento que CEDE y otros que CONSUMEN energía. Es lógico, puesto

que la energía NO SE CREA NI SE DESTRUYE, SOLO SE TRANSFORMA, y por tanto, si un elemento

CONSUME, es porque hay otro que SUMINISTRA O CEDE. Pues bien, el elemento que CEDE POTENCIA

ELÉCTRICA es el GENERADOR (pila, alternador, dinamo….), y el elemento que CONSUME POTENCIA

ELÉCTRICA es el RECEPTOR (resistencias). Así la expresión de la potencia:

_ POTENCIA CEDIDA que es igual a la tensión del generador (Vab) por la intensidad I.

P=V ab ∙ I= (ϵ−I ri ) . I

_ POTENCIA CONSUMIDA que es igual a la tensión de la resistencia por la intensidad que circula por

ella.P=V R ∙ I

Tanto en generadores como en receptores hay una transformación de la energía. En los generadores la energía química se transforma en eléctrica, y en un receptor por ejemplo un motor, la energía eléctrica se transforma en movimiento pero también se pierde en forma de calor. Siempre que existe una transformación podemos hablar de rendimiento energético.

Llamamos rendimiento energético a la porción o porcentaje de energía (o potencia) que se aprovecha en una transformación. Donde:

Eabsorbida=Eútil+E perdida

El rendimiento se expresa matemáticamente como:

μ=Eutil

Eabsorbida

Page 14: BLOQUE I-1.3.curso13-14