Definición de corriente eléctrica
En un conductor como el cobre, existen electrones que se mueven aleatoriamente a gran velocidad, pero que no escapan del metal. Estos electrones libres se denominan electrones libres. Si bien los electrones se mueven libremente en todas direcciones, no existe un flujo total de electrones en una dirección específica. Esta condición se da 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 extremos del cable de cobre, lo que genera un campo eléctrico en su interior. 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 que se mueven libremente aceleren simultáneamente en la misma dirección que la fuerza eléctrica.
Los electrones libres que se mueven juntos se encuentran entre los átomos que permanecen en el cable de cobre, de modo que todos los electrones colisionan con los átomos. La colisión provoca un cambio en la dirección de los electrones libres. Todos estos electrones experimentan constantemente una fuerza eléctrica, por lo que todos los electrones se aceleran en la misma dirección que la fuerza eléctrica. Después de moverse por un instante, los electrones libres colisionan con los átomos en el cable de cobre. Pero los electrones libres siempre experimentan una fuerza eléctrica, por lo que todos los electrones se aceleran nuevamente. Así, además de moverse aleatoriamente en varias direcciones, todos los electrones libres también se mueven lentamente juntos 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 tiene una velocidad muy alta, mientras que el movimiento de los electrones libres en la dirección de la fuerza eléctrica tiene una velocidad muy baja. Este movimiento 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 determinado. Según el acuerdo, la dirección de la corriente eléctrica coincide con la dirección de la carga positiva. Este acuerdo se estableció antes de que se supiera que lo que realmente se mueve en un conductor son los electrones libres con carga negativa. La dirección del movimiento de los electrones en el conductor es opuesta a la de la corriente eléctrica. Por lo tanto, cuando hablamos de la corriente que fluye por el conductor, nos referimos al flujo de carga positiva, también llamada corriente convencional, ya que es el resultado de dicho acuerdo.
La ecuación de la corriente eléctrica
Matemáticamente, la corriente eléctrica se expresa mediante la ecuación:
I = Δ Q / Δt
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, nombre del 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 pasa a través de una sección transversal de un cable durante 1 segundo. Además de expresarse en amperios, las corrientes eléctricas también se expresan 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 ).
Problema de ejemplo 1:
Una corriente de 2 amperios fluye a través del cable durante 8 segundos. ¡Determina la cantidad de carga que pasa por un punto y el número de electrones en esa carga!
Conocido:
Corriente eléctrica (I) = 1 amperios
Intervalo de tiempo (t) = 2 segundos
Se busca: carga (Q) y número de electrones (e)
La Solución:
Ecuación de la corriente eléctrica:
I = Q/t
I = corriente eléctrica, Q = carga eléctrica, t = intervalo de tiempo
Carga eléctrica:
Q = I t = (2 amperios)(8 segundos) = 16 C.
La carga de un electrón es 1.6 x 10⁻¹⁹ culombios , por lo que la carga de 16 culombios tiene tantos electrones como 16 C / 1.6 x 10⁻¹⁹ culombios = 10 x 10¹⁹ electrones.
Corriente eléctrica, velocidad de deriva y densidad de corriente
Revise la carga positiva que se mueve hacia la derecha con la velocidad v, desplazándose en la dirección del campo eléctrico E.
sobre un conductor que tiene un área de sección transversal A. La carga positiva se mueve una distancia s = vt durante el intervalo de tiempo t.
Si el número de partículas cargadas por volumen (densidad de partículas cargadas) es n y el volumen del conductor es A s = A vt,
Entonces, el número 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 t es Q = nq A v t. Por lo tanto, la corriente eléctrica que fluye a través de la punta 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 producto de la multiplicación de la densidad de las partículas cargadas (n),
la cantidad de carga para cada partícula (q), el área del conductor (A) y la velocidad de las partículas cargadas (v).
Estudia las siguientes preguntas de ejemplo.
Problema de ejemplo 2:
Una corriente constante de 10 amperios fluye por un cable de cobre con un área de sección transversal de 3 x 10⁻⁶ m² . La densidad de electrones libres es de 8.4 x 10²⁸ electrones/m³ . ¡Determine la velocidad de deriva de los electrones libres!
Conocido:
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
Se busca: Velocidad de deriva de electrones libres (v)
La Solución:
La velocidad de los electrones se calcula utilizando una fórmula que ya se ha derivado anteriormente:
I = corriente eléctrica, n = densidad de partículas cargadas = densidad electrónica, q = carga de un electrón, A = área de la sección transversal del conductor, v = velocidad de deriva del electrón
La velocidad de deriva de los electrones 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 desplazan 0.248 milímetros. Esta es una velocidad muy lenta. Si el movimiento de los electrones libres es tan lento, ¿por qué se enciende la luz eléctrica inmediatamente después de accionar el interruptor?
Para entender esto, imaginemos que los electrones fluyen en un conductor como el agua en una manguera. Si la manguera está llena de agua y se conecta un extremo al grifo, el agua sale inmediatamente por el otro extremo. De igual modo, 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 (3 x 10⁸ metros /segundo), lo que provoca que los electrones libres comiencen a moverse juntos en ese instante. Ya hay electrones libres en el cable de la bombilla, por lo que la luz está encendida en ese preciso momento.
Problemas y soluciones
1. Una corriente constante de 10 A circula por un cable durante 2 minutos. ¿Qué cantidad de carga pasa a través del conductor en cualquier punto?
Conocido :
Corriente eléctrica (I) = 10 A
Intervalo de tiempo (t) = 2 minutos = 2 x 60 segundos = 120 segundos
Se busca: Cargo (Q)
solución:
Ecuación de la corriente eléctrica:
I = q/t
I = la corriente eléctrica, q = la carga eléctrica, t = el intervalo de tiempo
La carga eléctrica:
Q = I t = (10)(120) = 1200 C
2. Una carga de 60 C pasa por un punto del circuito durante 5 minutos. ¿Cuál es la corriente eléctrica?
Conocido :
El intervalo de tiempo (t) = 5 minutos = 5 x 60 segundos = 300 segundos
La carga eléctrica (Q) = 60 C
Se busca: La corriente eléctrica (I)
solución:
La corriente eléctrica:
I = Q/t
yo = 60 / 300
I = 0.2 culombios/segundo
I = 0.2 amperios
3. La unidad de corriente eléctrica en el Sistema Internacional de Unidades (SI) es…
Solución
Culombios/segundo
Los culombios por segundo reciben un nombre especial: la amperia.
