9.8: Corriente
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- Definir corriente eléctrica, amperios y velocidad de deriva
- Describir la dirección del flujo de carga en la corriente convencional.
Corriente Eléctrica
La corriente eléctrica se define como la velocidad a la que fluye la carga. Una corriente grande, como la que se usaba para arrancar el motor de un camión, mueve una gran cantidad de carga en poco tiempo, mientras que una corriente pequeña, como la utilizada para operar una calculadora de mano, mueve una pequeña cantidad de carga durante un largo período de tiempo. En forma de ecuación, la corriente eléctrica\(I\) se define como
\[I=\frac{\Delta Q}{\Delta t}, \nonumber \]
donde\(\Delta Q\) es la cantidad de carga que pasa por un área determinada en el tiempo\(\Delta t\). (Como en capítulos anteriores, a menudo se toma que el tiempo inicial sea cero, en cuyo caso)\(\Delta t=t\). (Ver Figura\(\PageIndex{1}\).) La unidad SI para corriente es el amperio (A), llamado así por el físico francés André-Marie Ampère (1775—1836). Ya que\(I=\Delta Q / \Delta t\), vemos que un amperio es un culombo por segundo:
\[1 \mathrm{~A}=1 \ \mathrm{C} / \mathrm{s} \nonumber \]
No solo los fusibles y disyuntores están clasificados en amperios (o amperios), también lo son muchos aparatos eléctricos.
Ejemplo\(\PageIndex{1}\): Calculating Currents: Current in a Truck Battery and a Handheld Calculator
(a) ¿Cuál es la corriente involucrada cuando una batería de camión pone en movimiento 720 C de carga en 4.00 s mientras arranca un motor? b) ¿Cuánto tiempo tarda 1.00 C de carga en fluir a través de una calculadora portátil si fluye una corriente de 0.300-mA?
Estrategia
Podemos usar la definición de corriente en la ecuación\(I=\Delta Q / \Delta t\) para encontrar la corriente en la parte (a), ya que se dan carga y tiempo. En la parte (b), reorganizamos la definición de corriente y utilizamos los valores dados de carga y corriente para encontrar el tiempo requerido.
Solución para (a)
Introducir los valores dados para carga y tiempo en la definición de corrientes da
\ [\ begin {aligned}
I &=\ frac {\ Delta Q} {\ Delta t} =\ frac {720\ mathrm {C}} {4.00\ mathrm {~s}} =180\ mathrm {C}/\ mathrm {s}\\
&=180\ mathrm {~A}.
\ end {alineado}\ nonumber\]
Discusión para (a)
Este gran valor para la corriente ilustra el hecho de que una carga grande se mueve en una pequeña cantidad de tiempo. Las corrientes en estos “motores de arranque” son bastante grandes porque se necesitan superar grandes fuerzas de fricción al poner algo en movimiento.
Solución para (b)
Resolver la relación\(I=\Delta Q / \Delta t\) por tiempo\(\Delta t\), e ingresar los valores conocidos para la carga y la corriente da
\ [\ begin {alineado}
\ Delta t &=\ frac {\ Delta Q} {I} =\ frac {1.00\ mathrm {C}} {0.300\ times 10^ {-3}\ mathrm {C}/\ mathrm {s}}\\
&=3.33\ veces 10^ {3}\ mathrm {~s}.
\ end {alineado}\ nonumber\]
Discusión para (b)
Este tiempo es un poco menos de una hora. La pequeña corriente utilizada por la calculadora manual tarda mucho más tiempo en mover una carga más pequeña que la corriente grande del arrancador del camión. Entonces, ¿por qué podemos operar nuestras calculadoras solo segundos después de encenderlas? Es porque las calculadoras requieren muy poca energía. Estas pequeñas demandas de corriente y energía permiten que las calculadoras portátiles funcionen a partir de células solares o que obtengan muchas horas de uso de baterías pequeñas. Recuerde, las calculadoras no tienen partes móviles de la misma manera que tiene un motor de camión con cilindros y pistones, por lo que la tecnología requiere corrientes más pequeñas.
La figura\(\PageIndex{2}\) muestra un circuito simple y la representación esquemática estándar de una batería, una trayectoria conductora y una carga (una resistencia). Los esquemas son muy útiles para visualizar las principales características de un circuito. Un solo esquema puede representar una amplia variedad de situaciones. El esquema de la Figura\(\PageIndex{2}\) (b), por ejemplo, puede representar cualquier cosa, desde una batería de camión conectada a un faro que ilumina la calle frente al camión hasta una batería pequeña conectada a una luz de penlight que ilumina un ojo de cerradura en una puerta. Tales esquemas son útiles porque el análisis es el mismo para una amplia variedad de situaciones. Necesitamos entender algunos esquemas para aplicar los conceptos y análisis a muchas más situaciones.
Tenga en cuenta que la dirección del flujo de corriente en la Figura\(\PageIndex{2}\) es de positivo a negativo. La dirección de la corriente convencional es la dirección en la que fluiría la carga positiva. Dependiendo de la situación, los cargos positivos, los cargos negativos o ambos pueden moverse. En los cables metálicos, por ejemplo, la corriente es transportada por electrones, es decir, las cargas negativas se mueven. En las soluciones iónicas, como el agua salada, se mueven tanto las cargas positivas como las negativas. Esto también es cierto en las células nerviosas. Un generador Van de Graaff utilizado para la investigación nuclear puede producir una corriente de cargas positivas puras, como protones. La figura\(\PageIndex{3}\) ilustra el movimiento de partículas cargadas que componen una corriente. El hecho de que la corriente convencional se tome para estar en la dirección que fluiría la carga positiva se remonta al político y científico estadounidense Benjamin Franklin en el siglo XVIII. Nombró negativo al tipo de carga asociada a los electrones, mucho antes de que se supiera que llevaban corriente en tantas situaciones. Franklin, de hecho, desconocía totalmente la estructura eléctrica a pequeña escala.
Es importante darse cuenta de que existe un campo eléctrico en los conductores encargados de producir la corriente, como se ilustra en la Figura\(\PageIndex{3}\). A diferencia de la electricidad estática, donde un conductor en equilibrio no puede tener un campo eléctrico en él, los conductores que transportan una corriente tienen un campo eléctrico y no están en equilibrio estático. Se necesita un campo eléctrico para suministrar energía para mover las cargas.
HACER CONEXIONES: INVESTIGACIÓN PARA LLEGAR A CASA
Encuentra una pajita y chícharos que puedan moverse libremente en la paja. Coloca la pajita plana sobre una mesa y rellena la pajita con guisantes. Cuando pones un guisante en un extremo, un guisante diferente debería salir por el otro extremo. Esta demostración es una analogía para una corriente eléctrica. Identificar lo que se compara con los electrones y lo que compara con el suministro de energía. ¿Qué otras analogías puedes encontrar para una corriente eléctrica?
Tenga en cuenta que el flujo de guisantes se basa en que los guisantes chocan físicamente entre sí; los electrones fluyen debido a fuerzas electrostáticas mutuamente repulsivas.
Ejemplo\(\PageIndex{2}\): Calculating the Number of Electrons that Move through a Calculator
Si la corriente de 0.300-mA a través de la calculadora mencionada en el Ejemplo\(\PageIndex{1}\) es transportada por electrones, ¿cuántos electrones por segundo pasan a través de ella?
Estrategia
La corriente calculada en el ejemplo anterior se definió para el flujo de carga positiva. Para los electrones, la magnitud es la misma, pero el signo es opuesto,\(I_{\text {electrons }}=-0.300 \times 10^{-3} \mathrm{C} / \mathrm{s}\). Dado que cada electrón\(\left(e^{-}\right)\) tiene una carga de\(-1.60 \times 10^{-19} \ \mathrm{C}\), podemos convertir la corriente en culombios por segundo en electrones por segundo.
Solución
Comenzando con la definición de corriente, tenemos
\[I_{\text {electrons }}=\frac{\Delta Q_{\text {electrons }}}{\Delta t}=\frac{-0.300 \times 10^{-3} \mathrm{C}}{\mathrm{s}}. \nonumber\]
Dividimos esto por la carga por electrón, de modo que
\ [\ begin {alineado}
\ frac {e^ {-}} {\ mathrm {s}} &=\ frac {-0.300\ veces 10^ {-3}\ mathrm {C}} {\ mathrm {s}}\ veces\ frac {1 e^ {-}} {-1.60\ veces 10^ {-19}\ mathrm {C}}\\
&=1.88 veces\ 10^ {15}\ frac {e^ {-}} {\ mathrm {s}}.
\ end {alineado}\ nonumber\]
Discusión
Hay tantas partículas cargadas moviéndose, incluso en pequeñas corrientes, que las cargas individuales no se notan, así como las moléculas de agua individuales no se notan en el flujo de agua. Aún más sorprendente es que no siempre siguen avanzando como soldados en un desfile. Más bien son como una multitud de personas con movimiento en diferentes direcciones pero una tendencia general para seguir adelante. Hay muchas colisiones con átomos en el alambre metálico y, por supuesto, con otros electrones.
Resumen de la Sección
- La corriente eléctrica\(I\) es la velocidad a la que fluye la carga, dada por
\[I=\frac{\Delta Q}{\Delta t}, \nonumber\]
donde\(\Delta Q\) es la cantidad de carga que pasa por un área en el tiempo\(\Delta t\). - La dirección de la corriente convencional se toma como la dirección en la que se mueve la carga positiva.
- La unidad SI para corriente es el amperio (A), donde\(1 \mathrm{~A}=1 \ \mathrm{C} / \mathrm{s} \).
- La corriente es el flujo de cargas libres, como electrones e iones.
Glosario
- corriente eléctrica
- la tasa a la que fluye la carga,\(I=\Delta Q / \Delta t\)
- amperio
- (amperio) la unidad SI para corriente; 1 A = 1 C/s