Cap 1.Carga Electrica

Introducción Con la publicación en Internet de “Física entre nosotros 4º año”, estamos inaugurando una nueva propuesta educativa en nuestro país. Nuestra idea es poner en línea y con libre acceso a todos los alumnos, un libro de texto adaptado al programa curricular de 4º año de Enseñanza Secundaria. Esperamos que esta nueva modalidad permita una mayor difusión de nuestro trabajo y que en los próximos años vaya aumentando el número de publicaciones con estas características. Los autores autorizan la libre utilización de este material por parte de docentes y alumnos, siempre que no tenga ninguna finalidad comercial. Para hacernos llegar sus comentarios, criticas y sugerencias que mucho valoraremos, pueden hacerlo por los siguientes medios: Profesores: Marcelo Szwarcfiter y Ernesto Egaña e –mail:

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(02) 902 54 81

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Canelones 1259/2 C.P 11100 Montevideo - Uruguay

Capítulo 1

La física entre nosotros 4º año

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Reseña del Capítulo 1 Los primeros tres capítulos de este libro componen la primera unidad del programa física para cuarto año, denominada “Corriente eléctrica”. Este capítulo comienza trabajando el concepto de carga y corriente eléctrica, repasando algunas nociones básicas sobre estructura atómica y partículas elementales. Luego de ver la simbología correspondiente a los elementos de un circuito eléctrico, se definen dos magnitudes físicas muy importantes: Intensidad y Diferencia de Potencial eléctrico.

Carga eléctrica Un experimento muy común que quizás tu hayas realizado alguna vez es frotar un peine de plástico en el pelo o sobre la ropa. Luego al acercarlo a pequeños trozos de papel (fig. 1), estos comienzan a moverse siendo atraídos por el peine. La explicación del fenómeno físico observado se debe a una muy importante propiedad de la materia denominada carga eléctrica. Dos objetos cargados eléctricamente interactúan generando un par de fuerzas de acción a distancia, denominadas fuerzas eléctricas. En la naturaleza existen dos tipos de cargas que se denominan positivas (+) y negativas (-). Las cargas de diferente signo se atraen entre sí y las de igual sigo se repelen (fig. 2). ¿Dónde se encuentran las cargas eléctricas? Toda la materia que nos rodea está constituida por átomos, generalmente combinados, formando estructuras más complejas llamadas moléculas. Dentro del átomo existen partículas subatómicas, por ejemplo protones, neutrones y electrones. En el núcleo se encuentran los protones cargados positivamente y los neutrones que no tienen carga eléctrica. En la periferia moviéndose en torno al núcleo están los electrones que tienen carga negativa y por lo tanto interactúan eléctricamente con los protones, atrayéndose por tener cargas opuestas. Todos los protones tienen igual carga entre sí y todos los electrones también tienen igual carga entre ellos. La carga de un electrón y de un protón tienen el mismo valor absoluto y difieren en su signo ⇒ q protón = - q electrón

Fig. 1 Luego de frotar el peine, éste atrae pequeños trozos de papel.

q1

q2

2/1

2 2/1

2/1

1/2

1 1/2

1 1/2

Fig. 2 Con la letra “q” se simboliza la magnitud física denominada carga eléctrica.


¿Porque al frotar el peine, éste se cargó eléctricamente?

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En general los átomos tienen el mismo número de electrones que de protones, por lo que su carga total es nula. A pesar de tener cargas eléctricas en su interior, el conjunto es eléctricamente neutro. Al frotar el peine es posible modificar el número de electrones de sus átomos1, de esta forma se desequilibra la relación entre el número de protones y de electrones dando como resultado que los átomos adquieren carga eléctrica no nula (fig.3). • • • •

A los átomos cargados eléctricamente se les denomina iones Los átomos ceden o ganan electrones, nunca protones. El objeto que adquiere electrones queda cargado negativamente. El objeto que pierde electrones queda cargado positivamente.

Si el átomo tiene el mismo número de electrones que protones, su carga neta es nula. La carga neta de un átomo que perdió electrones es positiva y recibe el nombre de catión. La carga neta de un átomo que ganó electrones es negativa y recibe el nombre de anión.

Fig. 3

•

El número de electrones que ganó uno de los objetos es igual al número que perdió el otro, o sea que los electrones no se crean ni se destruyen, sino que se transfieren de un objeto a otro. Esto es un ley física muy importante que se conoce como: Principio de Conservación de la Carga Eléctrica.

•

Un cuerpo cargado puede tener exceso o defecto de electrones, pero siempre la cantidad de carga será un número entero de electrones. Por ejemplo puede tener un electrón de más, dos o miles de millones, pero nunca una fracción de la carga de un electrón. Esto se puede resumir diciendo que la carga eléctrica está cuantizada.

Unidades de la carga eléctrica Si bien es posible utilizar la carga de un electrón como unidad, no es muy práctico su uso, debido a su pequeño valor. Por esta razón en el Sistema Internacional de Unidades se ha definido como unidad el Coulomb (fig. 4), su símbolo es “C” y equivale a la carga eléctrica de un conjunto de 6,25 x 1018 electrones. La relación entre la carga de un electrón y el Coulomb es: 1C = 6,25 x 1018 e- o

1e- = - 1,60 x 10-19C

Corriente eléctrica Hemos visto que todos los objetos materiales tienen cargas eléctricas en su interior y si mediante algún procedimiento podemos hacer mover algunas de dichas cargas en un sentido determinado estaremos generando una corriente eléctrica. 1

Existen otros métodos para modificar el número de electrones de un átomo.

Fig.4 Charles Coulomb (1736 - 1806). Físico francés en cuyo honor la unidad de carga eléctrica lleva su nombre. Sus mayores aportes están relacionados con la electrostática y magnetismo, aunque también se destacó en sus investigaciones sobre mecánica y resistencia de materiales.

*** Investiga *** Existe una ley física que recibe el nombre de “Ley de Coulomb”. ¿Cuál es su utilidad?


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Denominamos CORRIENTE ELÉCTRICA a cualquier flujo de carga eléctrica. Las corrientes eléctricas más comunes para nosotros, son a través de alambres conductores metálicos, pero también se pueden generar corrientes en líquidos y en gases. Por ejemplo, dentro de los tubos de luz que utilizamos para iluminar nuestras casas, hay cargas eléctricas que se mueven en un medio gaseoso. En los conductores metálicos, los protones de sus átomos están fuertemente ligados en los núcleos, manteniéndose prácticamente en una posición fija y son los electrones los encargados de transportar la carga, moviéndose por la red atómica (fig. 5). Los electrones que se mueven por el conductor, se denominan electrones de conducción o electrones libres. Son aquellos que se encuentran más alejados del núcleo atómico y por lo tanto menos ligados a él, siendo más fácil su movimiento a través del conductor.

Sección

Fig. 5 Los electrones al moverse por el conductor “chocan” con los átomos que lo forman, determinando que su movimiento no sea rectilíneo.

Sentido de la corriente eléctrica Si el sentido de circulación de las cargas por un conductor es siempre el mismo, la corriente que éstas generan se denomina corriente continua (CC) y si es variable se denomina corriente alterna (CA). Por ejemplo, las corriente generadas con pilas o baterías, son continuas y las que circulan por la red de UTE son alternas. En el caso particular de la corriente de la red domiciliaria tiene una frecuencia de 50Hz (fig. 6) , esto significa que el sentido de la corriente por los conductores se invierte y vuelve a su sentido original 50 veces por segundo.

La frecuencia de cualquier suceso periódico, es la cantidad de veces por unidad de tiempo que éste se repite. La unidad de frecuencia se denomina Hertz (Hz). Por ejemplo: si una rueda tiene una frecuencia de giro de 4Hz, significa que da 4 vueltas completas por segundo. Fig. 6 Frecuencia

En la figura 7 vemos una pila, una lamparita y cables conductores que conectan estos elementos entre sí, formando un circuito eléctrico. En este circuito, la pila aporta la energía necesaria para que las cargas se muevan y la transporten haciendo que la lamparita se encienda. La pila tiene marcado en los extremos su polaridad (positiva + y negativa -). Los electrones libres por tener carga negativa, se verán atraídos por el polo positivo de la pila, generándose una corriente continua desde el extremo negativo al positivo. Convencionalmente se considera como sentido de la corriente eléctrica, al opuesto del sentido recién descripto. O sea opuesto al sentido de circulación de los electrones. El sentido convencional de la corriente es desde el extremo positivo hacia el negativo del generador (fig.7). *** Investiga*** ¿A que se debe que se haya definido el sentido convencional de la corriente opuesto al que realmente se mueven los electrones? Clasificación de conductores

Fig. 7 El sentido convencional de la corriente es opuesto al sentido en que se mueven los electrones.


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No todos los materiales sirven para utilizarlos como conductores de corriente. Habitualmente se utilizan alambres de cobre (fig. 8) para realizar las instalaciones eléctricas y estos están recubiertos por materiales como plástico o goma, que los aíslan eléctricamente del ambiente y entre ellos. Basados en la idea de que los responsables de la conducción son los electrones libres de los materiales, podemos decir que los materiales que tiene muchos electrones libres son mejores conductores de la corriente eléctrica y se denominan buenos conductores y lo que tienen pocos electrones libres son malos conductores y se les denomina aislantes o dieléctricos. Más adelante hablaremos sobre una propiedad característica de los materiales llamada “resistividad”, que nos permitirá evaluar con mayor rigurosidad si un material es buen o mal conductor. ***Investiga*** ¿Qué son los materiales semiconductores y qué aplicaciones tecnológicas tienen?

Fig. 8 Los metales son buenos conductores de la corriente. Materiales como el plástico, la goma y la madera se utilizan como aislantes eléctricos.

Elementos de un circuito y sus símbolos Para facilitar y estandarizar el diseño y representación de los circuitos eléctricos, en lugar de realizar el dibujo de sus elementos se utilizan símbolos que los representan. La tabla que se presenta a continuación contiene el nombre de cada elemento, su dibujo, su símbolo y la función que cumple en el circuito. Nombre

Símbolo

Fuente C. Continua

+ -

Función Entrega energía

Fuente C. Alterna

Entrega energía

Conductor

A través de ellos se desplazan los electrones

Interruptor

Permite o interrumpe el pasaje de corriente eléctrica (fig. 9)

Lámpara

Transforma energía eléctrica en calor y luz

***Investiga*** ¿A qué dispositivos representan estos símbolos y que función cumplen en un circuito?

a b

Fig. 9 a) El interruptor está abierto y no permite el pasaje de corriente b) El interruptor está cerrado y permite el pasaje de corriente


Resistor o Resistencia

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Transforma energía eléctrica en calor

Práctica: Efectos de la corriente eléctrica 1. Efecto Joule o térmico La figura 10 nos muestra un circuito eléctrico formado por una fuente de corriente continua, un interruptor, cables conductores y un alambre fino entre los soportes. Sobre el alambre colocamos un pequeño trozo de papel. Luego de unos segundos de mantener pulsado el interruptor, veremos como el papel comienza a quemarse debido al aumento de temperatura del alambre y quizás, de continuar un tiempo más conectado, el alambre se funda.

Fig. 10 Al pasar una corriente eléctrica por el conductor, éste aumenta su temperatura, liberando energía hacia el ambiente.

Toda corriente eléctrica al pasar por un conductor disipa energía, intercambiando energía mediante calor con el ambiente que lo rodea. Muchos electrodomésticos basan su funcionamiento en este efecto, por ejemplo estufas, calentadores de agua, tostadoras, etc. 2. Efecto Oersted o magnético En este experimento, colocaremos por encima de una brújula, un conductor en la dirección que está orientada la aguja (fig.11). Cuando el circuito está abierto la brújula indicará el polo geográfico norte, por ser está la dirección del campo magnético de la Tierra. Al pulsar el interruptor observaremos que la aguja de la brújula se desvía hacia un lado y si invertimos la polaridad haciendo que la corriente circule en sentido contrario, la brújula se desviará hacia el otro lado. También podemos observar que si la intensidad de corriente es mayor, el ángulo de desvío también es mayor.

Fig. 11 Al pasar una corriente eléctrica por el conductor, produce un campo magnético a su alrededor.

¿Qué significa que la aguja de la brújula se haya desviado cuando circula corriente por el conductor? Una brújula consiste en una aguja imantada montada sobre un eje de giro, por lo que se orientará siempre en el sentido del campo magnético en que se encuentre. Cuando no pasaba corriente el único campo que actuaba sobre ella era el de la Tierra. Cuando pasó corriente la aguja cambió de dirección, esto nos está indicando la presencia de otro campo magnético que al superponerse con el terrestre da como resultado un campo en la dirección que indica la brújula. Si abrimos el interruptor (no pasa corriente) la aguja vuelve a la orientación inicial. Toda corriente eléctrica produce un campo magnético a su alrededor (fig. 12).

***Investiga*** Si realizas el mismo experimento pero con corriente alterna, no observarás desvío de la brújula. ¿Cómo puedes explicar está situación? (recuerda que la frecuencia de la corriente de UTE es 50 HZ) Fig. 12


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Las características del campo magnético dependen del valor y sentido de la corriente eléctrica. 3. Efecto químico o electrólisis

En un recipiente con agua, se introducen los extremos de los conductores (llamados electrodos), conectados a una fuente de corriente continua (fig.13). Poco tiempo después comenzaremos a observar desprendimiento de gas en ambos electrodos. Si utilizáramos tubos de ensayo para recoger el gas que se desprende en cada uno, podríamos observar que en el terminal negativo el volumen del gas es aproximadamente el doble que en el positivo. Lo que sucede es que al establecer una corriente eléctrica a través del agua ésta se descompone en las dos sustancia simples que la componen: hidrógeno y oxígeno (H2O). Cuando se establece una corriente eléctrica en una solución de alguna sustancia, está se descompone en sustancias más simples. Este método de descomposición se denomina electrólisis.

Fig. 13 Mediante una corriente eléctrica es posible descomponer sustancias.

***Investiga *** ¿Qué aplicaciones industriales tiene la electrólisis?

Intensidad de la corriente eléctrica Muchas veces se nos planteará la necesidad de medir una corriente eléctrica, por ejemplo si disponemos de dos circuitos y deseamos saber por cuál de ellos circula mayor corriente. Para poder establecer está comparación debemos implementar dos cosas: a) Definir una magnitud que cuantifique la corriente eléctrica La magnitud que definiremos y llamaremos intensidad de corriente eléctrica, relaciona la cantidad de carga que pasa por un conductor y el tiempo en que lo hizo. Denominamos INTENSIDAD DE CORRIENTE ELÉCTRICA y la representaremos con la letra “i”, a la cantidad de carga que pasa por una sección transversal de conductor (fig. 14) por q unidad de tiempo. La expresión para su cálculo es: i = ∆t • • •

La unidad de medida de la intensidad de corriente en el Sistema Internacional de Unidades se denomina AMPÈRE y su símbolo es “A”. Por un conductor circula una intensidad de 1Ampère, si por una sección de él, pasa un Coulomb de carga por cada segundo que transcurre. (fig. 15) Los submúltiplos del Ampère más utilizados son: el mA (mili Ampère) 1A = 1000mA y el µA (micro Ampère) 1A = 106µA.

Fig. 14 La sección transversal de un conductor, es la superficie que queda expuesta si lo cortáramos transversalmente (a lo ancho).

1A = Fig. 15 Definición de la unidad de intensidad de corriente electrica

Símbolo del Amperímetro Fig. 16 Un amperímetro y el símbolo que se utiliza para representarlo en los circuitos.


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b) Un instrumento y una técnica para medir dicha magnitud

El instrumento que se utiliza para medir la intensidad de corriente en un conductor es el AMPERÍMETRO (fig.16). En el laboratorio de tu liceo puedes encontrar amperímetros de diversos tipos. Los más modernos y fáciles de usar son los digitales, donde la medida se observa en un display numérico. En los analógicos la lectura se debe hacer observando la posición de la aguja, con la consiguiente fuente de incertidumbre que esto introduce. Existen algunas precauciones a tener en cuenta al utilizar un amperímetro: • Podemos observar en el dibujo que las entradas para las conexiones están marcadas con “+ y –”, la intensidad debe entrar siempre por el positivo, si no lo hacemos así la aguja tratará de moverse en sentido opuesto y seguramente se dañe. • En la mayoría de los amperímetros se puede seleccionar el alcance (máximo valor que puede medir). Siempre es conveniente comenzar utilizando el alcance más grande, para evitar sobrecargas y luego ajustarlo a nuestras necesidades.

¡ Atención ! Luego de armar un circuito y antes de ponerlo en funcionamiento, debes pedirle al profesor que revise que las conexiones sean correctas, para evitar accidentes.

Ejemplo 1 Por un conductor circula una corriente eléctrica de 50 mA durante dos minutos. a) ¿Cuánta carga eléctrica pasó por una sección transversal del conductor? • Para convertir 50 mA a Ampere dividimos entre 1000: 50 mA = 0,050A o expresado en notación científica 5,0 x 10-2 A • También debemos pasar el tiempo a segundos: 2,0 minutos = 120s o expresado en notación científica 1,2 x102s • De esta forma, realizando todas las operaciones con las magnitudes expresadas en unidades del Sistema Internacional, obtendremos la carga eléctrica también en unidades del S.I., o sea Coulomb. i=

q ⇒ q = i. ∆t ⇒ q = 0,050A . 120s ⇒ ∆t

q = 6,0C

b) ¿Cuantos electrones pasaron en los dos minutos? Recordando la relación entre un Coulomb y el número de electrones (1,0C → 6,25 x 1018 e-) y realizando una regla de tres simple, obtenemos: 1,0C → 6,25 x 1018 e6,0C → nº de electrones

n= Pasaron 3,75 x 1019 electrones

***Investiga*** ¿Qué efectos produce el pasaje de corriente eléctrica a través del cuerpo humano? ¿Qué precauciones deben tenerse para evitar accidentes? Fig. 17


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c) ¿Cuánto tiempo demorará en pasar una carga de 10C? Despejando “∆t” de la ecuación i = i=

10C q q ⇒ ∆t = = ⇒ 0,050A i ∆t

q , nos queda: ∆t ∆t = 200s

Como 10C y 0,050A tienen ambos 2 cifras significativas, el resultado de su división debe tener también 2 cifras significativas. Para ello debemos expresar 200s en notación científica 200s = 2,0 x 102s. d) ¿Por qué la división de Coulomb (C) entre Ampère (A) da como resultado segundos (s)? Para contestar esta pregunta debemos recordar como definimos 1C 1C Ampère: 1A = y despejando obtenemos ⇒ = 1s (fig. 18) 1s 1A

Si nos aseguramos de que todas las magnitudes que operamos estén expresadas en unidades de S.I., el resultado también estará expresado en unidades del S.I. En este ejemplo el resultado es un Tiempo (∆t) por lo tanto su unidad es el Segundo (s). Fig. 18

Práctica Utilización del Amperímetro para medir la intensidad de corriente eléctrica. La figura 19 representa un circuito eléctrico formado por un generador, una lámpara y dos amperímetros. De la forma en que están conectados los amperímetros, toda la intensidad que circula por el circuito pasa a través de ellos. Este tipo de conexión se denomina conexión en serie2. Un amperímetro siempre se conecta en serie con el elemento del circuito por el cual se desea medir la intensidad de corriente que pasa por él. Si observamos la lectura de los amperímetros en este circuito, veremos que nos indican la misma intensidad. La explicación de esta igualdad en las medidas de los amperímetros en este circuito se fundamenta en el principio de conservación de la carga eléctrica, propiedad a la que nos referimos en la primera página de este capítulo. El sentido convencional de la corriente es desde el borne positivo del generador hacia el negativo, por lo que el sentido de la intensidad en los amperímetros y la lámpara es como se muestra en la figura 20. Supongamos que el amperímetro de la izquierda indica una intensidad de 2,0A, esto significa que por cada segundo que transcurre pasa a través de él una carga de 2,0C. Esas cargas siguen su recorrido por el conductor que une el amperímetro con la lámpara. 2

En el próximo capítulo veremos en más detalle este tipo de conexión.

Fig. 19 La intensidad de corriente es la misma antes que después de pasar por la lámpara.

Fig. 20


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Dado que no se pierde ni se gana carga (principio de conservación), tampoco es posible que se acumule en el conductor, ni existe alguna desviación ya que el conductor une directamente los dos elementos (conexión en serie), por la lámpara pasan los mismos 2,0C en un segundo. Realizando el mismo razonamiento, podemos deducir que por el amperímetro de la derecha también pasarán 2,0C en un segundo, determinando que la intensidad sea la misma antes que después de la lámpara. Generalizando el razonamiento anterior podemos afirmar que por todos los elementos de un circuito que estén conectados en serie, circulará la misma intensidad de corriente eléctrica. En la figura 21 podemos ver dos amperímetros que no están conectados en serie entre sí. En el punto “P” (donde se unen tres conductores), la corriente se divide y por el amperímetro de la derecha pasará solo una parte de la intensidad de la que pasa por el de la izquierda.

Diferencia D

Fig. 21 En este circuito los amperímetros indican intensidades diferentes. Esto se debe a que la intensidad al llegar al punto “P” se divide. Por lo tanto el primer amperímetro y el segundo no están conectados en serie entre sí. Además se cumple que iT = i1 +i2

de potencial eléctrico

Con la finalidad de comprender mejor el concepto de diferencia de potencial eléctrico, comenzaremos viendo las siguientes dos situaciones, que podemos analizar a partir de lo estudiado en el curso de física de 3er año. •

En la figura 22 vemos dos recipientes que contienen agua a diferentes niveles y están conectados entre sí.

¿Por qué razón el agua fluye de un recipiente al otro? La columna de agua de la izquierda tiene mayor altura, esto produce que de ese lado la presión sea mayor y se genere un flujo de agua hacia el lado derecho donde la presión es menor. ¿Hasta cuando se mantendrá ese flujo? Hasta que la altura de agua a ambos lados sea igual y ya no haya diferencia de presión.

Fig. 22 La “corriente de agua” se produce desde un punto de mayor presión al de menor. Si no hay diferencia de presión (los niveles de agua se igualan) el agua deja de fluir.

• ¿Que sucede si ponemos en contacto dos cuerpos que se encuentran a diferente temperatura? (fig. 23) Sabemos que comenzará a transferirse energía de uno a otro, mediante un proceso denominado calor. El flujo de energía se produce desde el cuerpo que se encuentra a mayor temperatura al de menor.

T1

T2 T 1 > T2

Fig. 23 La “corriente de energía” es desde el cuerpo de mayor temperatura hacia el de menor. Si no hay diferencia de temperaturas no hay flujo de energía (calor).


¿Hasta cuando se mantendrá el flujo de energía?

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Cuando las temperaturas de los dos cuerpos se igualen (equilibrio térmico) dejará de transferirse energía. En ambos casos para que exista flujo o corriente (de agua o energía) debe existir una diferencia de alguna magnitud y el flujo se produce desde un punto de mayor valor a otro de menor valor de dicha magnitud. Por el contrario, si no hay diferencia en la magnitud, no hay corriente. Trasladando estos ejemplos a nuestro tema de estudio, las cargas eléctricas, podemos decir que para que se produzca una corriente eléctrica en un conductor, entre dos puntos de él debe existir también una diferencia de una magnitud física. Esta magnitud recibe el nombre de potencial eléctrico. Si no hay diferencia de potencial eléctrico no se produce flujo de carga y no habrá corriente eléctrica. (Fig.24)

Para que se produzca una corriente eléctrica en un conductor, es necesario que exista una diferencia de potencial eléctrico entre sus extremos. Fig. 24

Volviendo al ejemplo de los recipientes con agua, es muy posible que en poco tiempo los niveles se igualen, no haya diferencia de presión y deje de haber flujo de agua. ¿Qué podemos hacer para que esto no suceda? Una posibilidad es utilizar una bomba que tome el agua del recipiente de la derecha y la transporte nuevamente al de la izquierda, manteniendo así la diferencia de niveles. Al hacer esto la bomba está realizando un trabajo mecánico para elevar el agua. Debido a este trabajo continuo que realiza la bomba, es posible mantener la diferencia de niveles y una corriente de agua constante. En los circuitos eléctricos esta función la cumplen los generadores, por ejemplo una pila o batería. Lo que hacen es aportar la energía necesaria para mantener una diferencia de potencial eléctrico constante, que permita que la corriente eléctrica se mantenga (fig. 26). Ahora que ya tenemos una idea de lo que es la diferencia de potencial eléctrico, daremos una definición, veremos sus características e indicaremos como podemos medirla. La DIFERENCIA DE POTENCIAL ELÉCTRICO entre dos puntos de un circuito, es el trabajo realizado por unidad de carga que circula entre dichos puntos. Su notación es ∆V y la T expresión para su cálculo ∆V = q

Fig. 25 La bomba realiza trabajo mecánico para subir el agua y mantener la diferencia de niveles.

En un circuito eléctrico, el generador realiza trabajo, para mantener la diferencia de potencial eléctrico que permita la circulación de la carga eléctrica. Fig. 26


• • •

•

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La diferencia de potencial eléctrico recibe también el nombre de voltaje o tensión eléctrica. Es una magnitud escalar y su unidad en el S.I. es el Volt cuyo símbolo es V. Por ser ∆V un cociente entre trabajo y carga, un Volt es un Joule 1J dividido un Coulomb ⇒ 1V = . (fig. 27) 1C

Por ejemplo: Una diferencia de potencial de 220V entre dos puntos, significa que por cada Coulomb de carga que pasa entre esos puntos, se realiza un trabajo de 220J Fig. 27

Para indicar la diferencia de potencial entre dos puntos, por ejemplo A y B, también se suele utilizar la notación VAB en lugar de ∆VAB.

El Voltímetro Para medir ∆V entre dos puntos utilizamos como instrumento el Voltímetro (fig. 28). Al igual que en el caso de los amperímetros, existen diferentes tipos de voltímetros y se deben tener las misma precauciones en cuanto a la polaridad de su conexión y la selección del alcance.

Símbolo del Voltímetro

Fig. 28 Un voltímetro y el símbolo que se utiliza para representarlo.

Práctica: Utilización del Voltímetro Armamos el circuito de la figura 29 que consta de una fuente de corriente continua, una lámpara, un amperímetro y un interruptor. Recordemos que para medir la intensidad de corriente el amperímetro debía conectarse en serie con la lámpara, en este caso la conexión del voltímetro se realiza en forma distinta. Los terminales del voltímetro se conectan uno a cada lado de la lámpara, quedando el voltímetro por “fuera” del circuito, esta conexión se denomina en paralelo3. Los voltímetros siempre se conectan en paralelo al elemento del cual se quiere medir la diferencia de potencial entre sus extremos.

Fig. 29 Observe la diferencia entre la conexión en serie (amperímetro) y la conexión en paralelo (voltímetro).

Recuerda que al usar los instrumentos de medición (voltímetros y amperímetros) debes tener en cuenta su polaridad, haciendo que la corriente siempre entre por el borne positivo. En la figura 30 está indicado el sentido de la intensidad y los polos “+” y “-” de los instrumentos. En el caso que trabajes con instrumentos digitales, si conectas la polaridad invertida, la medida aparece con un valor negativo. Pero si el instrumento es analógico se dañara, por lo tanto nunca pongas en funcionamiento un circuito sin la autorización de tu profesor. 3

En el próximo capítulo se tratará con más profundidad la conexión en paralelo.

Fig. 30


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***Investiga**** Utilizando los mismos elementos del circuito de la figura 30, cierra el interruptor, observa y explica lo que sucede si:

•

• Conectamos el voltímetro en paralelo con un conductor y observamos la lectura del voltímetro. (fig.31) Conectamos el voltímetro en serie con la lámpara y observamos la lectura del amperímetro (fig. 32).

Fig. 31 ¿Por qué el voltímetro marca 0V?

Fig. 32 ¡Atención! Esta forma de conectar el voltímetro es incorrecta.

Preguntas 1. ¿Qué es un electrón? 2. ¿Explica como está constituido un átomo? 3. ¿Qué significa que la carga eléctrica se conserva? 4. Indica si las siguientes afirmaciones son verdaderas o falsas a) Un objeto cargado positivamente ganó protones b) Un objeto cargado positivamente perdió electrones c) Un objeto cargado negativamente ganó electrones d) Un objeto cargado negativamente perdió electrones e) Un objeto cargado negativamente perdió protones 5. ¿Cuál es la unidad de carga eléctrica en el S.I.? 6. ¿Cuántos electrones forman un Coulomb de carga? 7. ¿Cuál es la carga de un electrón expresada en Coulomb? 8. ¿Puede un cuerpo tener una carga de 2,0 x 10-19C? 9. ¿Qué es una corriente eléctrica? 10. Un rayo en un día de tormenta. ¿Es una corriente eléctrica? 11. ¿Cuáles son los efectos de la corriente eléctrica?


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12. ¿Por qué se recomienda mantener las cintas de video y audio

lejos de algunos aparatos eléctricos, como por ejemplo motores? 13. ¿Qué diferencia hay entre una corriente continua y una alterna? 14. Nombra tres materiales “buenos conductores” y tres “malos conductores” de la corriente 15. Defina intensidad de corriente 16. ¿Cuál es la unidad de intensidad de corriente eléctrica en el S.I.? 17. ¿Cuál es el sentido convencional de la corriente eléctrica y cuál el real? 18. Indique si las siguientes afirmaciones son verdaderas o falsas a) Un amperímetro debe conectarse en serie b) Un amperímetro debe conectarse en paralelo c) La intensidad de corriente al pasar por un elemento del circuito disminuye d) Un voltímetro debe conectarse en paralelo 19. ¿Qué es un multímetro? (fig. 33)

Fig. 33

20. ¿En que unidades del S.I. se mide la diferencia de potencial eléctrico? 21. ¿Cómo se define diferencia de potencial eléctrico? 22. Utilizando la definición anterior ¿Qué significa que entre dos puntos de un circuito la diferencia de potencial es 20V?

Problemas 1) Una corriente de 10A ha circulado por un conductor durante media hora. a)¿Cuánta carga ha pasado? b)¿Cuántos electrones? 2) Por una sección de un conductor ha pasado una carga de 120C en 2 minutos. Calcula la intensidad de corriente 3) Por un conductor circula una intensidad de corriente de 10mA. ¿Al cabo de cuanto tiempo pasaran 15C de carga?

Fig. 34 Problema 5


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4) Por un conductor circula un intensidad de 3,0A. ¿Cuánto tiempo transcurre mientras pasan 3,75 x 1019 electrones?

5) ¿En el siguiente circuito cuál amperímetro indica mayor intensidad? (fig. 34) Explique. 6) En cada uno de los circuitos hay conectados correctamente amperímetros y voltímetros. Indique de que instrumento se trata en cada caso. (figs. 35 y 36)

Fig. 35 Problema 6

Fig. 36 Problema 6

Cap 1.Carga Electrica

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