Corriente eléctrica

Definición de corriente eléctrica

Dentro de un conductor como el cobre, existen electrones que se mueven libremente y de forma aleatoria a altas velocidades, pero que no escapan del metal. Estos electrones que pueden moverse libremente se denominan electrones libres. Si bien los electrones se mueven libremente en todas direcciones, no existe un flujo neto de electrones en ninguna dirección en particular. Esta condición se produce cuando no hay diferencia de potencial entre los extremos del cable de cobre.

Cuando el cable se conecta a una fuente eléctrica, surge una diferencia de potencial entre los dos extremos del cable de cobre, creando así un campo eléctrico en el mismo. La presencia de este campo eléctrico provoca que los electrones libres experimenten una fuerza eléctrica F = q E = e E, donde F es la fuerza eléctrica, e es la carga del electrón y E es el campo eléctrico . Esta fuerza eléctrica hace que todos los electrones en movimiento experimenten una aceleración común en la misma dirección que la fuerza eléctrica.

Estos electrones libres, al moverse juntos, se ubican entre los átomos estacionarios del cable de cobre, lo que provoca que todos los electrones colisionen con dichos átomos. Estas colisiones hacen que los electrones libres cambien su dirección de movimiento. Todos estos electrones están sometidos constantemente a una fuerza eléctrica, lo que provoca que se aceleren en la misma dirección que dicha fuerza. Tras moverse brevemente, los electrones libres vuelven a colisionar con los átomos del cable de cobre. Sin embargo, los electrones libres siempre están sometidos a una fuerza eléctrica, lo que provoca que todos los electrones se aceleren nuevamente.

Así pues, además de moverse aleatoriamente en diversas direcciones, todos los electrones libres también se mueven juntos lentamente en la dirección de la fuerza eléctrica y en la dirección opuesta al campo eléctrico. La dirección del campo eléctrico va de un potencial eléctrico alto a uno bajo, mientras que los electrones se mueven de un potencial bajo a uno alto. El movimiento aleatorio de cada electrón libre es muy rápido, mientras que el movimiento colectivo de los electrones libres en la dirección de la fuerza eléctrica es muy lento. Este movimiento colectivo de los electrones libres en la dirección de la fuerza eléctrica también se denomina velocidad de deriva.

La corriente eléctrica se define como el flujo de carga eléctrica a través de una sección transversal de un conductor durante un intervalo de tiempo específico. Por convención, la dirección de la corriente eléctrica coincide con la dirección del movimiento de las cargas positivas. Este acuerdo se estableció antes de que se supiera que lo que realmente se mueve en un conductor son electrones libres con carga negativa. La dirección del movimiento de los electrones en un conductor es opuesta a la de la corriente eléctrica. Por lo tanto, al hablar de la corriente que fluye por un conductor, nos referimos al flujo de cargas positivas, también conocida como corriente convencional, ya que es el resultado de este acuerdo.

Fórmula de la corriente eléctrica

Matemáticamente, la corriente eléctrica se expresa mediante la ecuación:
I = ΔQ / Δt
Descripción de la fórmula: I = corriente eléctrica, ΔQ = cantidad de carga eléctrica, Δt = intervalo de tiempo.

Unidad de corriente eléctrica

La unidad de carga eléctrica es el culombio, la unidad de tiempo es el segundo, por lo que la unidad de corriente eléctrica es el culombio/segundo. El culombio/segundo también se denomina amperio , en honor al físico francés André-Marie Ampère (1775-1836). 1 amperio = 1 culombio/segundo (1 A = 1 C/s). En otras palabras, una corriente eléctrica de 1 amperio es igual a una carga eléctrica de 1 culombio que atraviesa una sección transversal de un cable durante 1 segundo. Además de expresarse en amperios, la corriente eléctrica también se expresa en miliamperios (1 mA = 10⁻³ ^A ), microamperios (1 μA = ^10⁻⁶ A), nanoamperios (1 nA = ^10⁻⁹ A) o picoamperios (1 pA = ^10⁻¹² A).

Ejemplo de pregunta 1:

Una corriente de 2 amperios fluye a través de un cable durante 8 segundos. ¡Determina la magnitud de la carga que pasa por un punto y el número de electrones en esa carga!
Discusión
Se sabe que:
Corriente eléctrica (I) = 1 Amperios
Intervalo de tiempo (t) = 2 segundo
Preguntó: carga (Q) y número de electrones (e)
Respuesta :
Fórmula de la corriente eléctrica:
I = Q/t
Descripción de la fórmula: I = corriente eléctrica, Q = carga eléctrica, t = intervalo de tiempo
Carga eléctrica:
Q = I t = (2 amperios)(8 segundos) = 16 culombios.

La carga de un electrón es 1,6 x 10 ^-19 culombios, por lo que una carga de 16 culombios tiene tantos electrones como 16 C / 1,6 x 10 ^-19 culombios = 10 x 10 ¹⁹ electrones.

Corriente eléctrica, velocidad de deriva y densidad de corriente

Consideremos una carga positiva que se mueve hacia la derecha con velocidad de deriva v en la dirección de un campo eléctrico E en un conductor con área de sección transversal A. La carga positiva se mueve una distancia s = vt durante un intervalo de tiempo t.

Si la densidad de partículas cargadas por volumen es n y el volumen del conductor es A s = A vt, entonces la cantidad de partículas cargadas en el volumen del conductor es n A v t. Si cada partícula cargada tiene una carga q, entonces la cantidad de carga que pasa por el extremo del conductor durante el intervalo de tiempo t es Q = nq A v t. Por lo tanto, la corriente eléctrica que fluye por el extremo del conductor es I = Q/t = nq A v. Mientras que la densidad de corriente o corriente por área de sección transversal A es J = I/A = nq v. Se puede concluir que la corriente que fluye en el conductor es el resultado de la multiplicación de la densidad de partículas cargadas (n), la magnitud de la carga de cada partícula (q), el área de la sección transversal del conductor (A) y la velocidad de deriva de las partículas cargadas (v).

Estudia el siguiente ejemplo para comprender la diferencia entre la velocidad de cada partícula cargada y la velocidad de deriva de todas las partículas cargadas.

Ejemplo de pregunta 2:

Una corriente constante de 10 amperios fluye por un cable de cobre con un área de sección transversal de 3 x 10^-6 m²La densidad de electrones libres es 8,4 x 10²⁸ electrones/m³¡Determina la velocidad de deriva de los electrones libres!
Discusión
Se sabe que:
Corriente eléctrica (I) = 10 Amperios
Área de la sección transversal del alambre (A) = 3 x 10^-6 m²
Densidad de electrones libres (n) = 8,4 x 10²⁸ m^-3
Carga del electrón (q) = 1,6 x 10^-19 C
Preguntó: Velocidad de deriva de los electrones libres (v)
Respuesta :
La velocidad de los electrones se calcula utilizando la fórmula derivada previamente:

Descripción: I = corriente eléctrica, n = densidad de partículas cargadas, q = densidad de electrones libres, q = carga de un electrón, A = área de la sección transversal del conductor, v = velocidad de deriva del electrón

La velocidad de deriva del electrón es 0,248 x 10 ^-3 metros/segundo = 0,248 milímetros/segundo.

Los electrones libres se mueven juntos en un cable a una velocidad de 0,248 milímetros por segundo. En otras palabras, cada segundo todos los electrones libres se mueven 0,248 milímetros. Esta es una velocidad muy lenta. Si el movimiento de los electrones libres es tan lento, ¿por qué se enciende una luz eléctrica inmediatamente después de accionar el interruptor?

Para entender esto, imaginemos el flujo de electrones en un conductor como el flujo de agua en una manguera. Si la manguera está llena de agua y un extremo se conecta a un grifo, el agua saldrá inmediatamente por el otro extremo. De manera similar, hay electrones libres en el cable de cobre y en el cable de la bombilla. Al encender el interruptor, se genera un campo eléctrico cuya velocidad se aproxima a la de la luz (velocidad de la luz = 3 x 10⁸ ^metros /segundo), lo que provoca que los electrones libres comiencen a moverse juntos de inmediato. Como ya hay electrones libres en el cable de la bombilla, esta se enciende al instante.