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Los conceptos teóricos básicos de electrodinámica, incluyendo la definición de corriente eléctrica, diferencia de potencial, ley de ohm, circuitos eléctricos y asociación de resistencias en serie y paralelo. También se explica el concepto de potencia eléctrica. El documento proporciona una introducción sólida a los principios fundamentales de la física eléctrica, lo que lo hace útil para estudiantes de carreras relacionadas con la biofísica, la ingeniería y la física aplicada. Con una descripción detallada y ejemplos ilustrativos, este material puede servir como una guía de estudio valiosa para comprender los fenómenos eléctricos y su aplicación en diversos campos científicos.
Tipo: Apuntes
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La electrodinámica es la parte de la física que se dedica a analizar los fenómenos que genera la electricidad cuando está en movimiento. Consiste en el movimiento de un flujo de cargas eléctricas que pasan de una molécula a otra, utilizando como medio de desplazamiento un material conductor como por ejemplo los metales. Como vimos en la clase teórica on-line de electrostática, en el siglo XVIII se realizaron los primeros experimentos sistemáticos con electricidad. En ese momento solo se disponía de carga eléctrica generada por frotamiento (electricidad estática) o por inducción. Luego de los experimentos de Benjamin Franklin quien supuso que la electricidad positiva era la que se desplazaba por el interior de los conductores y en consecuencia se asignó que la corriente eléctrica circulaba del polo positivo al negativo. Prácticamente un siglo más tarde, cuando Alessandro Volta inventó la pila eléctrica en 1800, se logró por primera vez un movimiento constante de carga y la teoría atómica revelaba que los electrones son los portadores de carga en los metales, de modo que el sentido real de la corriente es el opuesto al imaginado inicialmente por Franklin, que por razones históricas se continúa utilizando como sentido convencional de la corriente.
La corriente eléctrica y su intensidad
La corriente eléctrica es el flujo ordenado de cargas libres, generalmente de electrones (en los líquidos se mueven los iones), a través de un material conductor en un circuito eléctrico. Puede comprenderse entonces que es posible definir una magnitud que dé cuenta de cuanta carga fluye o se transporta por unidad de tiempo; tal magnitud es la intensidad de corriente (i):
i = q/t
cuya unidad en el SI se denomina Ampere (A) tal que 1 A corresponde a un transporte de carga de 1 C en un segundo: 1A = 1C/s
Dependiendo de cómo sea el movimiento se puede distinguir entre corriente continua (CC) y corriente alterna (CA). La corriente contínua es la que se desplaza siempre en el mismo sentido y tiene intensidad constante (todos los conceptos y circuitos que analizaremos en la materia corresponden a corriente continua) y es la que generan las pilas o baterías, mientras que la corriente alterna es una corriente eléctrica variable en la que las cargas eléctricas cambian el sentido del movimiento de manera periódica (es, por ejemplo, la que se obtiene de los tomacorrientes en los hogares)
Diferencia de Potencial ( V), Voltaje o Tensión
Un cuerpo puede deslizarse libremente en una superficie siempre y cuando exista una diferencia de potencial gravitatorio (por ejemplo en un plano inclinado puede deslizarse hacia abajo por la acción de su propio peso). De modo análogo podemos pensar que para que exista una corriente eléctrica es necesaria una diferencia de potencial entre los extremos del conductor, aunque ahora dicha diferencia de potencial será claramente de otro origen; por lo tanto la llamaremos diferencia de potencial eléctrico. En consecuencia, podemos decir que la corriente eléctrica es el flujo de electrones entre dos puntos de un conductor que se encuentran a diferente potencial eléctrico. Esta diferencia de potencial eléctrico, que en el SI se mide en Volts o Voltios (V) es también frecuentemente llamada Voltaje o Tensión eléctrica
Relación entre intensidad de corriente y tensión eléctrica - Ley de Ohm
El físico Georg Simon Ohm (1787-1854) fue el primero en establecer la relación entre la tensión y la corriente que circulan por un conductor. Formuló que la intensidad de corriente (i) que circula por un conductor es directamente proporcional a la diferencia de potencial (DV) que existe entre sus extremos e inversamente proporcional a su resistencia eléctrica (R). Esta resistencia eléctrica no es otra cosa que la oposición que genera la propia estructura de los conductores al paso de la corriente eléctrica:
i = V / R
La unidad de la resistencia eléctrica recibe el nombre de Ohm, su símbolo es W, y equivale a 1V/1A (es fácil recordarlo si se tiene en cuenta, despejando de la ecuación precedente, que R= V / i)
Como se trabaja con circuitos eléctricos, los que están formados por distintos elementos (conductores, resistencias, baterías, entre otros) es necesario definir símbolos para identificarlos. Para el caso de los elementos que presentan resistencia al paso de la corriente eléctrica, estos se
simbolizan generalmente con aunque también es utilizado el símbolo.
Circuitos Eléctricos
Un circuito eléctrico es un camino cerrado por el que puede circular la corriente eléctrica. De forma completamente básica está constituido por:
Un generador de corriente , capaz de producir una diferencia de potencial (V) entre dos puntos de su estructura denominadas polos. El generador de corriente más comúnmente utilizado es la batería o pila. Suelen denominarse también fuentes de fuerza electromotriz (FEM) Un receptor (quien utiliza la corriente eléctrica) como lámparas, motores, resistencias, etc Un conductor de conexión que permite unir dichos polos. Normalmente el conductor más empleado son los cables formados por hilos de cobre u otro elemento metálico.
Un circuito eléctrico generalmente suele contener otros dispositivos tales como:
Interruptores , para detener o abrir el paso de la corriente eléctrica de forma manual Aparatos eléctricos de medida , que permitan conocer el valor de las magnitudes del circuito en determinados puntos (amperímetros, voltímetros).
Ejemplo
Asociación de Resistencias
Siendo Q la carga eléctrica (en Coulombs, C), t el tiempo (en segundos), V la diferencia de potencial (en Volts, V) e i la corriente (en Amperes, A). La unidad de potencia es watt.
Para determinar la potencia eléctrica en los circuitos en los que se aplica una corriente continua y puede aplicarse la Ley de Ohm (como todos los que trataremos en la materia) podemos escribir las siguientes expresiones:
P = V. i = i^2. R = V^2 / R
Donde R es la resistencia eléctrica.