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ENSAYO
PEÑA VILLAMONTE HIRAM JONADABLOPEZ AYALA URBINOGUZMAN MIGUEL
CORRIENTE ELECTRICA
INSTITUTO TECNOLOGICO DE CHETUMAL QUINTANA ROO10/03/2017
Corriente Eléctrica.
En definición la corriente eléctrica es el flujo de cargas o electrones a través e un circuito eléctrico cerrado. Siempre que exista un flujo neto de carga en una región, diremos que hay una corriente eléctrica.
Tenemos un alto interés en las cargas en movimiento que en las cargas que se encuentran en reposo, esto es debido a la transferencia de energía que pueda presentarse en las cargas en movimiento.
Historia de la Electricidad.
Los fenómenos que producía la electricidad ya eran conocidos por los griegos. De echo la palabra electricidad proviene del griego Elektron*, que era el nombre por el cual se llamaba al ámbar que por sus propiedades para atraer otros materiales.El físico William Gilbert(1544-1603), estudio los imanes para mejorar la exactitud de las brújulas para la navegación, siendo una base muy importante para el estudio de la electrostática y magnetismo.Benjamín Franklin(1706-1790) Fue el que demostró la naturaleza de los rayos y desarrollo una teoría donde dice que la electricidad es un fluido que existe en la materia y su flujo se debe al exceso o defecto del mismo en ella.Alejandro Volta(1745-1798), construye la primera celda electrostática y la batería capas de producir corriente eléctrica.Thomas Alva Édison((1847-1931), fabrico la primera bombilla incandescente con un filamento de algodón carbonizado, y en 1882 instalo el primer sistema eléctrico para vender energía para la iluminación incandescente, en los estados Unidos para la estación Pearl Street de la ciudad de nueva york.En 1888 Nikola Tesla, es considerado el padre del sistema eléctrico que hoy en día disfrutamos, Motor de CA y Generador de CA
Formulas.
A continuación se representara la corriente eléctrica por medio de formulas para poder tener una medida de ella.
Carga Eléctrica. Tiempo.
Corriente Eléctrica
Unidades. I = Amperes(A) Q = Coulomb(C) t = Tiempo (S)
Frecuentemente las tasa a la que fluyen las cargas cambian con el tiempo, eso afecta el valor de la corriente. Transcribimos la formula pero ahora con variables del tiempo(que pueden cambiar con el tiempo).
Los materiales conductores, son aquellos que ofrecen menos resistencia al paso de la corriente eléctrica, por lo que se vuelven la mejor forma de distribuir la energía en el espacio físico. Es de saber que todos los materiales permiten la conducción de la corriente eléctrica en algún grado, pero la diferencia es en a efectividad que presentan para transportar la energía. El proceso que ocurre en algunos materiales conductores es que algunos electrones pasan libremente de un átomo a otro por un proceso llamado: diferencial de potencial entre los extremos del conductor, que es igual a corriente eléctrica.(banda de valencias, nubes de electrones)Materiales conductores.
-Oro--Plata--Cobre--Aire ionizado--Acero-
Intensidad de Corriente.
Es la cantidad de electricidad o carga eléctrica(Q) que circula por un circuito en una unidad de tiempo(t).La velocidad de arrastre caracteriza el movimiento de los electrones dentro de un conductor sometido a un campo eléctrico externo en la dirección en que se produce la corriente eléctrica. Es inferior a la velocidad de las cargas en el interior del material debido a que al moverse van chocando con los iones que forman el material. La corriente eléctrica depende del tipo de portadores de carga, de la velocidad de los portadores, de la carga de los portadores y de por dónde circule la corriente eléctrica. Llamaremos:
-n: densidad de portadores de carga -q: carga de cada portador -va : velocidad de cada portador.
-El amperímetro es el aparato que se utiliza para la medición de la intensidad de la corriente.
Se define como la cantidad de carga eléctrica (Q) que atraviesa una sección de un conductor en cada unidad de tiempo (Es una magnitud escalar).Mientras un coulomb es una medida de cantidad y representa solo el numero de electrones que pasan por un conductor, un amperio es una medida de intensidad( cantidad de electrones que pasan por un conductor en un tiempo determinado).
+ + + ++ + + +
--
--
--
--
-Si la intensidad permanece constante usando incrementos finitos de tiempo, podemos definirla como=
Pero si por lo contrario la intensidad es variable, la formula anterior nos dará el valor de la intensidad media en el intervalo de tiempo considerado.
recuerda
Ejemplo del uso de la formula.
Corriente Alterna.
Corriente Alterna.Anteriormente describimos a la corriente como el movimiento de electrones libres dentro de un conductor conectado a un circuito en el que hay una diferencia de potencial, Existe un tipo de corriente eléctrica que no siempre fluye en la misma dirección,, sino que alterna y fluye primero hacia una dirección y luego se invierte y fluye hacia la otra. Esta es la corriente alterna.
La corriente alterna fluye en una dirección, luego…
Se invierte y fluye en la otra dirección.
Porque el uso de la corriente alterna?. Anteriormente la las primeras fuentes de energía eléctrica que se usaron ampliamente proporcionaban corriente directa(CD). Pero mientras se iba conociendo las características de la corriente alterna, esta la fue sustituyendo como la forma de energía mas usada en todo el mundo, Pero las rones principales del uso de la corriente alterna es:
-Son mas baratas para las compañías productoras de energía eléctrica producir y distribuir CA a los clientes.-La CA es mas versátil que la CD.
Al transmitirse energía eléctrica, una parte de esta se convierte en calor a lo largo de las líneas de transmisión, es ahí cuando aparecen las perdidas de potencia por transmisión y la electricidad se vuelve deficiente.La perdida en forma de calor es directamente proporcional a la resistencia y al cuadrado de la corriente.
P= La perdida de potencia(P) de puede reducir si se baja la corriente(I) que lleva la línea de transmisión o la resistencia(R)) del conductor.
Corriente Directa.
Es un flujo de corriente que se dirige en una sola dirección. Esta corriente se utiliza para alimentar diferentes circuitos eléctricos y electrónicos. Pr ejemplo: en la radio se utiliza para polarización de diferentes dispositivos como resistencias, transistores, válvulas al vacío.Es creado por reacciones químicas, por acción de la luz o por inducción de la eléctrica.
Ejemplo: diferencia entre c.a y c.c (respectivamente)
Aplicación.
Alumbrado. -Automóviles.-Motores sincrónicos -Leds.-Electromagnéticos. -celulares.-Transformadores.
Carga Eléctrica.
La carga eléctrica(q) se caracteriza a partir de la fuerza electrostática, magnitud fundamental de la física, y responsable de la interacción electromagnética.
Características:Toda partícula cargada puede dividirse en positivas o negativas, dónde las de mismo signo se repelen y las de signo contrario se atraen(1ra ley de la electrostática).La magnitud de estas cargas se da por la ley de coulomb.Conservación de las cargas, las cargas no se crean ni se destruyen, solo se transfieren.
Coulomb: Es la cantidad de
carga que pasa por un
conductor eléctrico en un
segundo, cuando la corriente
eléctrica es 1amperio, y se lee,
e= 6.24xC
Formula para la medición de
cargas
Resistividad.
Mide la capacidad par oponérsela flujo de carga eléctrica a través de ella. Para un conductor a una temperatura determinada, la resistencia se puede calcular.
p=constante de proporcionalidad. l= longitud.A=área.
La constante de proporcionalidad p es una propiedad del material llamada Resistividad, dada por:
La resistividad igual varia dependiendo del tipo de material y por cambios de temperatura. La unidad de la resistividad es: Ω.m
La unidad de la resistencia es el
Ohm(Ω).
Un alambre de cobre de 20m de longitud que tiene un diámetro de 0.8mm, en sus extremos tiene las terminales de una batería d 1.5v.¿Cual es la resistencia que opone el metal?
(ℿ
(3.1416*8x)/4
A= 5.03x
Ya teniendo todos los datos.Aplicamos la formula.
(1.72x/5.03xR=0.684Ω
Resistividad(p) del cobre en temperatura ambiente.
-Ejemplo-
Resistencia.
La resistencia(R) se defines como la oposición a que fluya la carga eléctrica. En términos de materiales, se usa para describir el grado de eficacia con que un
material permite el flujo de la corriente, los materiales que tienen baja conductancia resisten al flujo de la corriente eléctrica, algunos materiales ofrecen mayor resistencia al flujo de los electrones que otros.
Los buenos materiales tienen baja resistencia y los
aisladores, tienen alta resistencia.
Materiales con resistencia eléctrica:-Carbono.-Níquel.-Mercurio.-Plomo.-
Resistor.
Es un componente pasivo eléctrico de dos terminales que se oponen al flujo de la corriente eléctrica y produce una caída de voltaje en concordancia con la ley de ohm.
Las bandas de colores determinan su valor y tolerancia.
𝑅=𝑉𝐼
Formula de la resistencia Las dos primeras bandas indican las dos primeras cifras del valor del resistor.– La tercera banda indica cuantos ceros hay que aumentarle al valor anterior para obtener el valor final del resistor.– La cuarta banda nos indica la tolerancia y si hay quinta banda, ésta nos indica su confiabilidad
Se trata de un campo que ejerce fuerzas (denominadas magnéticas) sobre los materiales. Al igual que el campo eléctrico también es un campo vectorial, pero que no produce ningún efecto sobre cargas en reposo (como sí lo hace el campo eléctrico en dónde las acelera a través de la fuerza eléctrica). Sin embargo el campo magnético tiene influencia sobre cargas eléctricas en movimiento.
El campo magnético se denota por B
En 1819 Hans Christian Oersted observa la facultad que tiene una corriente eléctrica de desviar una aguja magnética. Si por un hilo de alambre se hace pasar una corriente de varios amperios se desviaba la aguja de una brújula con respecto a la dirección Norte-Sur. La consecuencia de esta experiencia es que una corriente eléctrica crea un campo eléctrico.
1820 Faraday y Joseph Henry Demostraron, de manera independiente , relaciones adicionales entre la electricidad y el magnetismo. Mostraron que es posible crear una corriente eléctrica en un circuito ya sea moviendo un imán cerca de él o variando la corriente de algún circuito cercano. Esta observaciones demuestran que una variación en un campo magnético crea un campo eléctrico.
a) Cuando se mantiene en reposo un imán frente a un circuito eléctrico en forma de espira, el galvanómetro no detecta corriente. b) Si se acerca el imán al circuito , se produce corriente en un sentido.c) Cuando se aleja , el flujo de corriente toma sentido contrario.
Experimento de Faraday
Las interacciones magnéticas se representa en dos etapas:1. Una carga o corriente móvil crea un campo magnético en el espacio circundante (además de su campo eléctrico).2. El campo magnético ejerce una fuerza F sobre cualquier otra carga o corriente en movimiento presente en el campo.
Para describir las propiedades del campo magnético, se utiliza la fuerza magnética ejercida sobre una carga positiva q, moviéndose con una velocidad v perpendicular al campo magnético B.La fuerza magnética ejercida sobre una carga en movimiento tiene 4 características:
FUERZA MAGNÉTICAS SOBRE CARGAS MÓVILES
1. Su magnitud es proporcional a la magnitud de lacarga.
2. La magnitud de la fuerza también es proporcional a la magnitud, o “intensidad”, del campo; si duplicamos la magnitud del campo (por ejemplo, usando dos imanes de barra en vez de uno solo) sin cambiar la carga o su velocidad, la fuerza se duplicará.
3.La fuerza magnética depende de la velocidad de la partícula. Esto es muy diferente de lo que sucede con la fuerza del campo eléctrico, que es la misma sin que importe si la carga se mueve o no. Una partícula cargada en reposo no experimenta fuerza magnética. Una partícula cargada en reposo no experimenta fuerza magnética.
4. los experimentos indican que la fuerza magnética F no tiene la misma dirección que el campo magnético B , sino que siempre es perpendicular tanto a como a la velocidad v.
La fuerza magnética F que actúa sobre una carga positiva q que se mueve con velocidad v es perpendicular tanto a como al campo magnético B Para valores dados de la velocidad v y la intensidad del campo magnético B, la fuerza es mayor cuando y son perpendiculares.
La fuerza magnética o fuerza de Lorentz sobre una carga q que se moviera con velocidad v en un campo magnético B está dada, tanto en magnitud como en dirección, por:
La ecuación es valida tanto para cargar positivas y negativas.
Las unidades de campo magnético es equivalente a que recibe el nombre de Tesla (T).
Ejemplo: Un haz de protones (q=1.63C) se mueve a 3.0 m/s a través de un campo magnético uniforme, con magnitud 2.0 T dirigido a lo largo del eje z positivo, como se indica en la figura. La velocidad de cada protón se encuentra en el plano xz con un ángulo de 30° con respecto al eje +z. Calcule la fuerza sobre un protón.
𝐹=𝑞𝑣∗𝐵𝑠𝑒𝑛∅Solución:
F=(1.63C) (3.0 m/s)(2.0 T) (sen30°) F =N
La fuerza sobre el protón es de N
Cualquier campo magnético se representa usando líneas de campo magnético.
Las líneas de campo magnético no son “líneas de fuerza”. La fuerza sobre una partícula cargada no se ejerce a lo largo de la dirección de una línea de campo.
La dirección de la fuerza magnética depende de la velocidad v, según se expresa en la ley de la fuerza magnética F= qv * B.
La magnitud de B es proporcional a |q| y a 1/r2 .Pero la dirección de B no es a lo largo de la línea que va del punto de fuente al punto de campo. En vez de ello, B es perpendicular al plano que contiene esta línea y al vector de velocidad, v, de la partícula. Además, la magnitud de B del campo es proporcional a la rapidez v de la partícula y al seno del ángulo . Así, la magnitud del campo magnético en el punto P está dada por :
𝐵=µ 04𝜋 (|𝑞|𝑣𝑠𝑒𝑛∅
r 2 ) =
CARGA EN MOVIMIENTO: CAMPO VECTORIAL MÁGNETICO
Es posible incorporar tanto la magnitud con la dirección de B en una sola ecuación vectorial utilizando el producto vectorial. Para evitar tener que decir “ la dirección desde la fuente q al punto P del campo” una y otra vez, se introduce el vector unitario que apunte desde el punto de fuente al punto del campo.
𝐵=µ 04𝜋 (𝑞 ∗ r 2 )=𝑟 /𝑟
La unidad del campo magnético en el Sistema Internacional de unidades es el Tesla, pese a que a menudo se emplea el Gauss. Sin embargo, la conversión es directa:
1T= 10,000 G
CAMPOS ELÉCTRICOS Y MAGENTICOS EN UN
CONDUCTOR
Los campos eléctricos se producen por cargas eléctricas que crean un
voltaje o tensión, de manera que su magnitud crece cuando el voltaje
aumenta. Podemos estar hablando de una simple lámpara apagada
conectada a la corriente. Las unidades del campo eléctrico son voltios por
metro.
Los campos magnéticos son el resultado del flujo de corriente a través
de los conductores o los dispositivos eléctricos y es directamente
proporcional a esa corriente; a más corriente más campo magnético. Las
unidades del campo magnético son Gauss (G) o Tesla (T).
Un Campo Electromagnético o radiación electromagnética es una combinación de ondas que se propagan a través del espacio transportando diminutos paquetes de energía (fotones) de un lugar a otro.Por tanto, se trata de ondas con un campo eléctrico y un campo magnético que provocan determinados efectos eléctricos y magnéticos de atracción y repulsión en un espacio.Estos paquetes de energía son emitidos por fuentes naturales y artificiales.
Un dispositivo eléctrico que se enchufa, es decir que
se conecta a una fuente de electricidad tiene un
campo eléctrico aún cuando el aparato este
apagado. Para producir un campo magnético, el
aparato debe estar enchufado y encendido de forma
que fluya por él una corriente eléctrica.
PERMITIVIDAD ELÉCTRICA Y PERMEABILIDAD
MAGNÉTICA
PERMITIVIDAD ELÉCTRICAEs la capacidad de polarización que presenta un medio ante la
presencia de un campo eléctrico. La permitividad (o
impropiamente constante dieléctrica) es una constante física que
describe cómo un campo eléctrico afecta y es afectado por un
medio.
La permitividad del vacío es:
Ɛ0 =8,8541878176x10-12 F/m.
La permitividad está determinada por la tendencia
de un material a polarizarse ante la aplicación de un
campo eléctrico y de esa forma anular parcialmente
el campo interno del material. Está directamente
relacionada con la susceptibilidad eléctrica.
POLARIZACION:Si un dieléctrico se somete a un campo eléctrico externo, no presenta una migración en masa de electrones ( no son capaces de moverse libremente), sin embargo, el campo polariza los átomos o las moléculas en el material, desplazando el núcleo y la nube de electrones.
La permitividad de un material se da normalmente en relación a la del vacío, denominándose permitividad
relativa Ɛr .La permitividad absoluta se calcula multiplicando la permitividad relativa por la del vacío:
es la susceptibilidad eléctrica del material. En la
siguiente tabla se muestran las permitividades
absolutas de algunos dieléctricos:
PERMEABILIDAD MÁGNETICA
Es la capacidad que posee un medio para atraer y hacer
pasar a su través un campo magnético. Es una medida que
nos proporciona su capacidad de almacenar energía
magnética y únicamente los medios de composición
ferromagnética (que pueden ser atraídos por un imán) tienen
esta capacidad. µ0=4𝜋 ∗10−7𝑁 /A ^2
TABLA DE LA CONSTANTE DIELÉCTRICA DE ALGUNOS MATERIALES
Permeabilidad magnética absoluta
Para comparar entre sí los materiales, se utiliza la permeabilidad magnética absoluta (µ) como el producto entre la permeabilidad magnética relativa () y la permeabilidad magnética del vacío ():
Posee las mismas dimensiones que la permeabilidad del vacío, esto es, se mide en T·m/A.
Permeabilidad magnética relativa
Denominada por el símbolo , es el cociente entre la permeabilidad absoluta del medio específico y la permeabilidad del vacío . Por tanto es adimensional.
Se clasifican en: • Paramagnéticos o no magnéticos, cuya permeabilidad
relativa es aproximadamente 1, se comportan como el vacío. La mayor parte de los materiales que encontramos en la naturaleza son paramagnéticos, no presentan ferromagnetismo y su reacción frente a los campos magnéticos es muy poco apreciable.
• Diamagnéticos poseen una permeabilidad magnética relativa
inferior a 1. Estos repelen el campo magnético, haciendo que
éste pase por el exterior del material, esta acción
diamagnética es muy débil, y no es comparable (pero a la
inversa) al efecto que produce el campo magnético sobre los
materiales ferromagnéticos. Un ejemplo de material
diamagnético es el cobre.
• Ferromagnéticos , cuyo valor de permeabilidad magnética
relativa es muy superior a 1. Los materiales ferromagnéticos
tienden a concentrar o atraer las líneas de campo en su
interior. Son los materiales que "se pegan" a los imanes.
PRINCIPIO DE EXCLUSIÓN DE PAULI
Fue desarrollado por el físico austriaco
Ernst Pauli en el año 1925. Este
principio de la cuántica dice que dos
partículas (concretamente fermiones)
que tiene los números cuánticos con
los que constan idénticos, no pueden
existir.
Es decir, que dos electrones ( fermiones) que se encuentren en un átomo no podrán poseer a la vez iguales números cuánticos.Este hecho explicaría que los electrones se dispersen en capas o niveles en torno al núcleo del átomo y por lo cual, los átomos que posean mayor número de electrones ocupen mayor espacio, debido a que aumenta el número de capas de las que consta el átomo.
TEORIA DE LA ESTRUCTURA DE BANDAS
EN LA CONDUCCIÓN ELÉCTRICA
Niveles electrónicos en un átomo aislado• Orbitales s, p, d, f: niveles de energía discretos y números cuánticos.• Ocupación de los orbitales: Principio de exclusión de Pauli (dos electrones en cada distinto nivel de energía)Niveles electrónicos en un sólido(unión de N átomos, donde N es del orden de 1023)• Necesidad de superponer N orbitales s, N orbitales p, N orbitales d…• Ocupación de los N orbitales: Principio de exclusión de Pauli (dos electrones encada distinto nivel de energía).• Los orbitales de cada átomo deben, por tanto, diferenciarse levemente de losde otro átomo para que el sólido pueda contener los 2N electrones• Ensanchamiento de los orbitales en una banda (o rango de energías)
• Los electrones del sólido rellenan progresivamente las bandas de menor amayor energía.• Las bandas internas llenas NO colaboran al transporte de carga eléctrica pues no hay posibilidad de excitar un electrón a otro nivel vacío.• La banda externa o última SÍ puede colaborar a las propiedades eléctricas del material:– Banda externa llena: los electrones pueden ser excitados a otra banda superior (necesariamente vacía)– Banda externa no llena: los electrones pueden ser excitados a niveles energéticos superiores (vacíos) de la misma banda o a otra banda superior (necesariamente vacía)
• Conducción eléctrica de carga: un aporte de energía adicional excita a los electrones de la banda de valencia hasta los niveles de la banda de conducción:
-La carga eléctrica podrá ser transportada por dichos electrones de la banda de conducción o por los huecos dejados en la banda de valencia (corriente eléctrica de electrones o huecos)
-La fuente de energía adicional puede ser la excitación térmica o la aplicación de un potencial eléctrico externo.
MOVIMIENTO DE LOS ELECTRONES EN UN
CONDUCTOR
La corriente se produce, cuando en un conductor hay muchos electrones libres que se mueven en la misma dirección, los electrones suelen moverse en diversas direcciones, de manera que tales efectos se anulan. Pero cuando se hace que los electrones se muevan en la misma dirección, es decir, hay una corriente que fluye, entonces sus efectos se suman y la energía que liberan puede aprovecharse para realizar algún trabajo.
En un conductor de cobre cada uno de los átomos tiene un electrón de valencia, que apenas se mantiene en órbita. Además, los átomos están tan próximos, uno del otro, que las órbitas exteriores se sobreponen. Al girar el electrón de un átomo, puede ser atraído por otro átomo e incorporarse en la órbita de éste. Aproximadamente al mismo tiempo, un electrón en el segundo átomo se desprende y pasa a la órbita de otro átomo.
La mayor parte de los electrones exteriores continuamente cambian de órbita en esta forma, de manera que los electrones de valencia en realidad no están asociados con ningún átomo particular. Más bien, todos los átomos comparten a todos los electrones de valencia y así se unen entre si
Para producir una corriente eléctrica, los electrones libres en el conductor de cobre deben moverse en la misma dirección, y no al azar. Esto se puede hacer aplicando cargas eléctricas en cada extremo del alambre de cobre; una carga negativa en un extremo y una carga positiva en el otro.
Puesto que estos electrones son negativos, la carga negativa los repele y los atrae la positiva. Debido a ello, no pueden pasar a aquellas órbitas que los harían moverse contra las cargas eléctricas. En cambio, se desplazan de órbita en órbita hacia la carga positiva, haciendo que se produzca una corriente eléctrica en esta dirección.
VELOCIDAD DE LOS ELECTRONES EN UN
CONDUCTOR DE CORRIENTE DIRECTA Y CONTINUA
Hay dos tipos de corrientes eléctricas: corriente directa (CD) y corriente
alterna (CA). La corriente directa fluye en una sola dirección en los
alambres. Los electrones en el alambre se están moviendo a velocidades de hasta 600 millas (1 000 kilómetros) por segundo.
La corriente alterna fluye en direcciones opuestas cambiando rápidamente
la dirección muchas veces por segundo (60 CICLOS veces por segundo).
