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Educación Secundaria

Comprendemos cómo se genera la corriente eléctrica continua

SEMANA 22

5.° grado: Ciencia y Tecnología

Habrás notado la importancia de la energía eléctrica en la vida cotidiana, ya que está presente en todas las actividades que realizamos, ya sea estudiar, trabajar, movilizarnos, aprender o divertirnos. Asimismo, nos permite seguir nuestra formación sin límite de edad; por ejemplo, antes del alumbrado eléctrico, solo se podía estudiar de día, aprovechando la luz solar y en determinados periodos de nuestra vida; sin embargo, ahora se puede estudiar mañana, tarde y noche en los colegios, institutos y universidades, y no hay prácticamente límite de edad para seguir estudiando. Por otro lado, el uso de la energía eléctrica ha hecho nuestra vida en el hogar mucho más confortable. Antes podíamos comprar carne, frutas y verduras para el consumo del día al menos en las zonas tropicales, o en verano cuando la temperatura ambiental era alta. Ahora, podemos hacer compras para la semana porque podemos guardar los alimentos en la refrigeradora. Hasta hace pocos años, por ejemplo en la selva, en las casas se cocinaba una comida para el almuerzo y otra para la cena. Ahora no es necesario, pues la mayoría de familias guarda la comida del almuerzo para la cena. En cuanto al uso de las tecnologías, no hay aparato moderno alguno que no use energía eléctrica. Sin esta energía no podrían funcionar las computadoras, teléfonos, radios, televisores, etc. Hemos mencionado, además, que todas las otras fuentes de energía, sea atómica, térmica o eólica, al final se transforman en energía eléctrica para su uso. Desde la segunda mitad del siglo XX, y en las primeras dos décadas del siglo XXI, se están usando de manera progresiva energías alternativas, como la energía solar y la atómica; sin embargo, estas y otras energías alternativas no han logrado sustituir la energía eléctrica, porque estas formas de energía, al final, igual se transforman en energía eléctrica para su uso. A pesar de que conocemos la importancia de la energía eléctrica para el funcionamiento de las tecnologías de la información y comunicación, y los electrodomésticos que contribuyen al bienestar diario familiar y la convivencia en el hogar, muy poco sabemos sobre ella y menos cómo darle uso responsable. Esto es evidente cuando surgen problemas de conexión de energía eléctrica o cuando no funciona un electrodoméstico. Debemos aplicar nuestros conocimientos sobre energía eléctrica para resolver algunos problemas que estén a nuestro alcance y, sobre todo, para optimizar el uso de este recurso. Pero ¿qué es la energía eléctrica? ¿Cómo está relacionada con otras fuentes de energía? ¿Qué ventajas tiene esta energía en relación con otras formas de energía? ¿Cómo se transmite la energía eléctrica mediante cables? ¿Cuál es la importancia de esta energía para la economía del país? ¿Cómo conocemos el consumo mensual de esta energía? ¿Cómo se puede ahorrar energía en el hogar y en la comunidad? ¿Qué otras fuentes de energía usamos en el hogar y la comunidad? Para responder estas preguntas y otras que tú formules, deberás usar conceptos, modelos, teorías y evidencias científicas. Tu reto será construir explicaciones y argumentos con base en conocimientos sobre electricidad que permitan responder las preguntas que surjan en su uso y consumo responsable, y que puedas elaborar un tríptico de los conocimientos científicos que has construido.

Lee la siguiente situación y, a continuación, responde las preguntas.

Resistencia

Voltímetro

AmperímetroEncendido

Apagado

Ley de Ohm

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1. ¿Qué es intensidad de la corriente?

Los experimentos muestran que la intensidad o grado de efecto de la corriente eléctrica depende de la carga que pasa por el circuito en un segundo. Cuando una partícula cargada libre, ya sea un electrón de un metal o un ion en la disolución del electrolito, está en movimiento por el circuito eléctrico, junto con ella se desplaza la carga. Mientras mayor sea la cantidad de partículas que se desplazan de un polo a otro de la fuente de corriente, es decir, de un extremo del sector del circuito a otro, mayor será la carga total transportada por las partículas.1

La carga eléctrica, que pasa por la sección transversal de un conductor por un segundo, determina la intensidad de corriente en el circuito. La fuerza de diversos efectos de la corriente depende de la intensidad de la corriente. Cuanto mayor es la intensidad de la corriente en el circuito, con mayor fuerza se manifiestan sus efectos: el conductor se calienta más, mayor es la cantidad de sustancia que se sedimenta en los electrodos durante el efecto químico de la corriente, más fuertes son los efectos magnéticos, etc.

2. ¿Cómo es la intensidad en un circuito en serie?

En un circuito constituido por una fuente de corriente y una serie de conductores, unidos entre sí de forma que el extremo de un conductor se conecta con el comienzo de otro, la intensidad de la corriente en todos los sectores será la misma. Esto se desprende de que la carga que pasa por cualquier sección transversal de los conductores del circuito por un segundo es la misma. Cuando en el circuito hay corriente, la carga no se acumula en los conductores del circuito, de modo semejante a como en partes aisladas de un tubo no se acumula el agua cuando esta fluye por el tubo.

3. ¿Cuál es la unidad de la intensidad de corriente?

La fuerza de interacción entre los conductores con corriente se puede medir. Como muestran los cálculos y los experimentos, esta fuerza depende de la longitud de los conductores, la distancia entre ellos, el medio en que se encuentran los conductores y de la intensidad de la corriente en los conductores, factor que tiene mayor importancia. Si salvo las intensidades de la corriente, todas las demás condiciones son iguales, la interacción entre los conductores será tanto mayor cuanto más grande sea la intensidad de la corriente.

Uno de los fundadores de la teoría de la energía eléctrica es el físico italiano Alessandro Volta (1745- 1827), creador del primer elemento galvánico, con lo que se dio comienzo al estudio de la corriente eléctrica. Sin duda, el que realizó grandes aportes fue el físico alemán George Ohm (1787-1854), quien descubrió en forma teórica y luego confirmó experimentalmente la ley que expresa la relación entre intensidad de la corriente en el circuito, la tensión y la resistencia. Pero ¿qué significan intensidad, tensión y resistencia? Para responder estas y otras preguntas, deberás profundizar tus conocimientos sobre electricidad. ¿Cómo? Leyendo las siguientes preguntas y los textos, y procurando construir tus propias respuestas.

1 Piórishkin, A.V. y Ródina, N. A. (1995). Física 1. Electricidad (traducción del ruso al español). Moscú: Mir.

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Por unidad de intensidad de corriente tomamos una intensidad tal con la que sectores de semejantes conductores paralelos de 1 m de longitud se ponen en interacción con una fuerza de 2 • 10–7 N (0,0000002 N). Esta unidad recibió el nombre de amperio (A), en honor al científico francés André-Marie Ampère (1775-1836).

En la práctica, también se usan unidades submúltiplos y múltiplos de la intensidad de corriente: el miliamperio (mA) y el microamperio (µA). En la técnica se usa el (kA).

1 mA = 0,001 A; 1μA = 0,000001 A; 1kA = 1000 A.

Ha sido calculado que, con una intensidad de la corriente de 1 A en 1 s, por la sección transversal de un conductor pasan 6 • 1018 electrones, es decir, la carga eléctrica del electrón es muy pequeña.

4. ¿Cómo se mide la intensidad de la corriente?

La intensidad de corriente se mide con instrumentos llamados amperímetros. Cada amperímetro está construido para medir cierta intensidad máxima de la corriente, que no debe ser sobrepasada, ya que, de lo contrario, el instrumento se puede estropear. Cuando realizamos mediciones con un amperímetro, este se conecta en el circuito en serie con el instrumento cuya intensidad de la corriente queremos medir.

El amperímetro se conecta al circuito mediante dos bornes que el instrumento tiene. En uno de ellos está marcado el signo “más” (+); en el otro, “menos” (-). Es obligatorio conectar el borne son el signo (+) con el cable que va del polo positivo de la fuente de corriente. Durante la medición de la intensidad de la corriente, podemos conectar el amperímetro en cualquier punto del circuito, formado por una serie de conductores conectados en serie, ya que la intensidad de la corriente es igual en todos los puntos del circuito. La intensidad de la corriente es una característica importante de un circuito eléctrico. Una corriente de 1 mA es inofensiva para el organismo humano. Asimismo, una intensidad mayor que 100 mA conduce a una serie de lesiones en el organismo.

5. ¿Qué es la tensión eléctrica?

En un circuito cerrado, la corriente eléctrica puede realizar diferentes trabajos: generar el movimiento de un motor, calentar una plancha y hacer que funcionen otros aparatos. Por el trabajo de la corriente se juzga acerca de la potencia. Recordemos que la potencia es el trabajo realizado en 1 segundo.

¿De qué depende la propia potencia de la corriente eléctrica? Con toda seguridad, podemos afirmar que la potencia depende de la intensidad de corriente. Mientras mayor

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Figura 1. Amperímetro de laboratorio (a), técnico (c), símbolo usado en los circuitos (b)

(a)

(b)

(c)

Figura 2. Figura 3.

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sea la intensidad de la corriente en el circuito, sus efectos serán más fuertes, mayor trabajo realizará y, por lo tanto, más elevada será su potencia. Pero esta también depende de otra magnitud física, llamada tensión eléctrica o simplemente tensión. Introduzcamos esta magnitud y realicemos un experimento.

En la figura 2 está representado un circuito eléctrico al que ha sido conectado un foco de linterna. La fuente de corriente aquí es un acumulador. En la figura 3 se representa otro circuito; en él, un foco para alumbrar un local está conectado a la red urbana de alumbrado. Los amperímetros conectados a estos circuitos muestran que en ellos la intensidad de la corriente es la misma. No obstante, el foco conectado a la red urbana (figura 3) da más luz y calor que el foco de linterna. Esto significa que, con una misma intensidad de corriente, la potencia de esta difiere en los dos focos. Esto encuentra su explicación debido a que la tensión en los focos es diferente: en el foco conectado a la red urbana es mayor que la tensión en el foco de linterna.

Para determinar la tensión en los extremos de un sector del circuito, hay que dividir la potencia por la intensidad de corriente. Cuando el circuito está abierto, la tensión existe en los polos de la fuente de corriente. Al estar la fuente conectada al circuito, la tensión surge en los sectores aislados, lo que crea la corriente en el circuito.

Como es sabido, la corriente eléctrica solo aparece si en el conductor existe campo eléctrico. La presencia de la tensión es lo que precisamente indica que este existe. Al no haber tensión, no hay campo eléctrico y, por consiguiente, en el circuito no hay corriente.

La corriente eléctrica en un circuito se asemeja a la corriente de agua en los ríos, mientras que la tensión, a la diferencia de niveles de agua. En los lagos y embalses, el nivel del agua es igual en todo lugar porque no fluye. De este mismo modo, cuando en los extremos del sector de un circuito eléctrico no hay tensión, en él tampoco hay corriente.

6. ¿Cuál es la unidad de la tensión eléctrica?

La unidad de tensión fue llamada voltio y se designa con la letra V en honor al sabio italiano Alessandro Volta, inventor del primer elemento galvánico. El voltio es igual a un vatio dividido por un amperio. Esto se escribe de la siguiente manera:

1 voltio = 1 vatio

1 amperio, en símbolos: 1V = 1 W1 A o también, 1 V = 1

WA

En la práctica, además del voltio, se emplean submúltiplos y múltiplos del voltio: milivoltio (mV) y kilovoltio (kV).

1 mV = 0,001 V 1kV = 1000 V

7. ¿Cómo se mide la tensión eléctrica?

Para la medición de la tensión en los polos de una fuente de corriente, o en cierto sector de un circuito, usamos instrumentos llamados voltímetros (figura 4). Muchos de los voltímetros se parecen a los amperímetros por su aspecto exterior. Para diferenciarlos de otros instrumentos eléctricos de medición, por regla, en la escala del voltímetro ponen la letra V.

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Figura 4. Voltímetro: de laboratorio (a), técnico (c), símbolo usado en los circuitos (b)

(a)

(b)

(c)

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Como la del amperímetro, la estructura del voltímetro se basa en el efecto mecánico de la corriente. En uno de los bornes del voltímetro, lo mismo que en el amperímetro, se marca el signo “más” (+). Es obligatorio unir este borne con el cable que viene del polo positivo de la fuente de corriente; caso contrario, la aguja del instrumento se desviará en sentido inverso. Aquí también tiene importancia el sentido de la corriente.

El voltímetro no se conecta con el amperímetro. En la figura 5(a) vemos un circuito eléctrico al que están conectados un foco, un amperímetro eléctrico y para conocer la tensión, en el lugar que nos interesa, un voltímetro, mientras que en la figura 5(b) está representado el esquema de semejante circuito. Con el amperímetro medimos la intensidad de la corriente en el foco. Con este fin se conecta en serie al circuito.

En lo que respecta al voltímetro, este debe mostrar la tensión que existe en los bornes del foco. Por esta razón, el voltímetro no se conecta al circuito en serie con el foco, sino de la forma mostrada en la figura 5(a) y en el esquema 5(b). Los bornes del voltímetro se conectan a aquellos puntos del circuito entre los que hay que medir la tensión. Semejante conexión del instrumento recibe el nombre de conexión en paralelo. Solo indicaremos que, a diferencia del amperímetro, la estructura del voltímetro es tal que la intensidad de la corriente que pasa por él es pequeña en comparación con la del circuito, por lo que el voltímetro casi no varía la tensión entre los puntos del circuito a los que se conecta. Para medir la tensión en los polos de la fuente de corriente, el voltímetro se conecta directamente a sus bornes en la forma mostrada en la figura 5(c).

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2 Bújovtsev, B. B.; Klimóntovich, Yu. L. y Miákishev, G. Ya. (1995). Física 3. Fundamentos de electrodinámica (traducción del ruso al español). Moscú: Mir.

El contenido del presente documento tiene finalidad educativa y pedagógica, y forma parte de la estrategia de educación a distancia y gratuita que imparte el Ministerio de Educación.

8. ¿Cómo es la dependencia entre la intensidad de corriente y la tensión?

Como ya sabemos, la corriente eléctrica en el circuito es el movimiento ordenado de partículas cargadas en el campo eléctrico. Mientras mayor es la acción del campo eléctrico sobre dichas partículas, mayor será la intensidad de la corriente en el circuito. Se ha demostrado experimentalmente que la intensidad de corriente que circula por un conductor es directamente proporcional a la diferencia de potencial que existe entre sus extremos e inversamente proporcional a su resistencia eléctrica. En la figura 6 se muestra la gráfica de la dependencia de la intensidad de la corriente en un conductor y la tensión en sus extremos.2

0 2 4 6 8 10 U, V

0,5

1

1,5

2

2,5

I, A

Figura 6. Dependencia de la intensidad y la tensión

(a) (b) (c)

Figura 5. Medición de la tensión