CONCEPTOS DE ELECTROTECNIA PARA APLICACIONES INDUSTRIALES

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CORRIENTE ELECTRICA

Transporte de cargas eléctricas.

 

Vimos en un estudio inicial sobre la composición íntima de la materia que se admitió la existencia de corpúsculos constituyendo, el átomo; las dos clases de corpúsculos representan las cargas positivas y negativas de electricidad. También vimos que los corpúsculos positivos estaban ubicados en la región central del átomo, adosados al núcleo o neutrón; por cuyo motivo es muy difícil sacarlos de su lugar, Se ha llegado a liberar positones médiante complicados experimentos físicos, de modo que en la técnica carece de importancia el estudio del movimiento de los mismos. 

Los corpúsculos negativos o electrones, en cambio, son de más fácil liberación, debido a su ubicación periférica en el átomo, por lo menos algunos de ellos (los móviles).

En esta forma se describieron los procesos de electrización de un cuerpo, diciendo que consistía en la adición o sustracción de electrones móviles a los átomos del mismo. Si se restaba un cierto número de electrones, quedaban en los átomo excesos de cargas positivas y el cuerpo estaba electrizado positivamente. Viceversa, si se le agregaban electrones, quedaba con carga eléctrica negativa. 

Todo el proceso de cargar un cuerpo de electricidad consistía, pues, en el movimiento de inmigración o emigración de electrones o cargas eléctricas elementales negativas. La razón de que se haya designado "negativa" la carga eléctrica del electrón y positiva la del "positón", es puramente convencional y da origen a una confusión si no se recurre a nuevas convenciones.

En efecto, hemos visto que las cargas eléctricas gozan de cierta movilidad en la masa de los cuerpos que las contienen, movilidad que les permite trasladarse a todas partes de estos. También sabemos que el desplazamiento de cargas eléctricas en los cuerpos está regido por la naturaleza de los mismos, ofreciendo argunos mayor facilidad que otros a ese movimiento. Se dividieron así los cuerpos en conductores y aisladores de la electricidad.

Para la técnica interesa especialmente el movimiento de cargas eléctricas en los cuerpos conductores. Estas cargas son negativas, puesto que se trata de electrones liberados, de modo que si suponemos dos puntos de un cuerpo conductor, uno de los cuales está aun cierto potencial positivo y el otro a potencial negativo, los electrones deben dirigirse, por efecto de las fuerzas actuantes, del negativo al positivo. Esto es evidente, puesto que las cargas negativas serán rechazadas del punto de potencial negativo y atraídas por el punto de potencial positivo.

Sin embargo, ya sea porque el estudio de la naturaleza íntima de la materia es más reciente que la mayor parte de la experimentación con electricidad, ya sea porque no se quiere modificar un criterio generalizado hasta tanto no se pueda afirmar rotundamente cuál es la verdadera naturaleza de la electricidad y su relación con la materia, se utiliza una convención que difiere fundamentalmente de las consideraciones precedentes:

Se admite que la circulación de cargas eléctricas se lleva a cabo desde los púntos de potencial positivo a los puntos de potencial negativo. Extendiendo este criterio, diremos que el transporte de cargas se realiza siempre desde el potencial mayor hacia el menor.

Sentado esto, es cuestión de indicar en los circuitos un sentido de circulación de las cargas eléctricas, admitirlo como exacto sin considerar la naturaleza de tales cargas y se comprobará que las leyes generales se cumplen, aunque tal sentido fuera contrario.

Intensidad de corriente eléctrica.

Tomemos un cuerpo conductor en el cual se realiza un transporte de cargas eléctricas, debido a que los dos extremos del mismo están unidos a dos puntos de un campo eléctrico que están a distinto potencial. Para tener una visión más clara del asunto, imaginemos que el conductor tiene la forma de un alambre metálico, lo que no quita la generalidad de la definición que sigue. El transporte de cargas de un extremo del conductor hacia el otro se realiza con cierta velocidad, de modo que si consideramos una sección cualquiera ubicada en un punto entre los dos extremos, por ella pasará un cierto número de electrones por segundo, o, lo que es lo mismo, una cierta cantidad de electricidad por segundo.

El transporte de cargas en sí, a través del conductor se denomina "corriente eléctrica", siendo aplicable tal designación a todos los casos en que una cierta cantidad de electricidad circula por un cuerpo.

La cantidad de electricidad que pasa por el conductor en un segundo se denomina; "intensidad de corriente eléctrica", y está expresada por el cociente entre la cantidad total de cargas que han pasado por el conductor en un cierto tiempo y este tiempo:

Tomando la cantidad de electricidad expresada en la unidad práctica (Coulomb) y el tiempo en segundos, la intensidad de corriente resulta dada en Amper o Amperio (A), que es la unidad práctica electrostática. Por definición, cuando a través de una sección de un conductor pasa una cantidad de electricidad de un Coulomb durante un segundo, la intensidad de corriente vale un Amper.

Como se ve, el concepto de corriente eléctrica tiene cierta analogía con el de corriente líquida en una cañería, y el de intesidad de corriellte represnta el caudal líquido que pasa por el caño en la unidad de tiempo, en dicha analogía. La unidad símil, en el caso comparado, sería el litro para la cantidad de líquido y el litro por segundo para la "intensidad de corriente líquida", correspondiendo al Coulomb y al Amper, respectivamente.

La velocidad con que se realiza el transporte de cargas de un extremo al otro del conductor es enorme, próxima a los 300.000 kilómetros por segundo, que es la velocidad de la luz.

Resistencia eléctrica.

Hemos definido a la resistencia eléctrica en forma un tanto abstracta, diciendo que era la mayor o menor dificultad que presentan los cuerpos al pasaje de la corriente eléctrica. Dijimos también que la resistencia dependia de la naturaleza del cuerpo y de sus dimensiones.

Para obtener la resistencia expresada por una cierta cantidad, hay que fijar un coeficiente que indique la caracteristica conductiva del cuerpo y afectarlo luego de las dimensiones geométricas encontradas por simple medición.

El procedimiento es de carácter comparativo, pues se toma un trozo de cada substancia y se mide la resistencia que presenta al paso de la corriente, mediante aplicación de la ley de Ohm o cualquiera de los procedimientos de mediciones eléctricas. Los trozos de todos los cuerpos considerados deben tener igual dimensión, a fin de que los valores obtenidos formen una serie homogenea.

Como la unidad de medida de longitudes es el centímetro, se piensa inmediatamente que los trozos de cada cuerpo deben tener la forma de un cubo de un centímetro de lado, y éste era, precisamente, el criterio seguido primitivamente. Como los conductores utilizados en la práctica tienen casi siempre la forma de alambres, se optó posteriormente por tomar como base para las mediciones y referencias un trozo de la substancia, de un milímetro cuadrado de sección y un metro de longitud, cuyo volumen es también de un centímetro cúbico, igual que antes, pero su resistencia no es la misma que la del cubo de un cm. de lado, como veremos a continuación.

Para tomar una base de referencia de todas las substancias, se mide la resistencia eléctrica que presenta un trozo de las mismas, de un metro de largo y un milímetro cuadrado de sección transversal, y a ese valor se lo llama: "resistencia específica" o, simplemente, "resistividad", designándola con la letra griega ρ

Tomemos ahora un conductor cuyas dimensiones sean cualesquiera (ver fig. 2), es decir, de longitud l y sección transversal s.

Figura 2

Es lógico que cuanto mayor sección presente el conductor, más fácilmente conducirá la corriente eléctrica, y que cuanto más largo sea, mayor será la resistencia que ofrece al pasaje de aquella. La resistencia de un conductor será, pues, directamente proporcional a la longitud e inversamente proporcional a la sección transversal. Tenemos, entonces, que si un conductor de un metro de largo y un milímetro cuadrado de sección tiene una resistencia eléctrica igual a la resistividad de dicha substancia, un conductor de ese mismo material, pero de longitud l y seccion s, tendrá una resistencia l veces mayor y s veces menor. Luego, la resistencia se puede calcular con la expresión:

 

Como la resistividad o resistencia específica la hemos referido a un trozo de un metro de largo y un milímetro cuadrado de sección, en la fórmula anterior debemos tomar la longitud del conductor en metros y su sección transversal en milímetros cuadrados. La dimensión de la resistividad resulta así en Ohm mm2/m.

La resistividad de las substancias más usadas en las aplicaciones técnicas se encuentra en tablas o en caso contrario, se la mide tomando un trozo de ese material de las dimensiones que se especifican más arriba y determinando su resistencia, que es, precisamente, la resistividad. En la tabla siguiente damos los valores de ρ para algunos cuerpos conocidos. Hacemos notar que, como se verá más adelante, la resistencia de los cuerpos varía con la temperatura, de manera que hay que referirla a una base convenida de antemano. Los valores de la tabla se refieren a 15°C. 

La resistividad que figura en la tabla está dada en Ohm mm2/m, que es la unidad más usual actualmente. Se encuentran aún algunas tablas que se dan de acuerdo con el procedimiento antiguo, es decir, tomando un cubo de un centímetro de lado de la sustancia. Es evidente que la resistividad, en esa forma resulta 10.000 veces menos, puesto que la longitud se reduce 100 veces y la sección aumenta también 100 veces.

Para no tener cifras tan pequeñas, se tamaba una unidad de resistencia mucho menor que el Ohm, su millonésima parte, el micro-Ohm. En tal forma, la resistividad de la substancia se refería el clásico cubito, pero tomando la resistencia en micro-Ohms

Veamos cual es la equivalencia, para pasar de esas cifras a los valores modernos de la resistividad. La resistencia del cubo básico es 10.000 veces menor que la del alambre de un metro de largo y un milímetro cuadrado de sección, pero como se la toma en micro-Ohms, la cifra de resistividad resulta, en definitiva, 100 veces mayor. Así, para el cobre, por ejemplo, se encontraba en tablas un valor de 1,75 micro-Ohms cm. Para expresar la resistividad dada en micro-Ohms cm, en la forma actual, Ohm mm2/m, basta dividir esos valores por 100. En el ejemplo del cobre, dividiendo 1,75 por 100 resulta 0,0175, que es el valor dado en nuestra tabla.  

Ejemplo 1

¿Qué resistencia ofrece al pasaje de la corriente eléctrica, un conductor de cobre de 100 metros de longitud y 2 mm2 de sección transversal?

Solución

Consultada la tabla anterior, se muentra la resistividad del cobre ρ =0,0175. Aplicando la expresión para cálculo, de resistencias, 

 

Ejemplo 2

Se desea construir una resistencia de 20 Ohm, con alambre de niquelina de 0,5 mm de diámetro. Determinar la longitud necesaria.

Solución

Sección transversal del alambre: 

Resistividad de la niquelina (de la tabla ) ρ = 0,4 

De la fórmula que da la resistencia se deduce, mediante simple transposición de términos:

Ley de Ohm.

 

Hemos visto que la circulación de cargas eléctricas por los conductores se denomina: corriente eléctrica. Ahora bien: en el estudio de las propiedades de la materia, en lo referente a la conducción de la electricidad, los cuerpos se comportan como buenos o malos conductores, sin llegar a ser absolutamente conductores ni aisladores. Todos ellos presentan una cierta resistencia al pasaje de la corriente eléctrica, que será pequeña en los primeros y mayor en los segundos. 

La dificultad que oponen los cuerpos al pasaje de la corriente se denomina: "resistencia eléctrica", y veremos que ella depende de la naturaleza del cuerpo y de sus dimensiones, pudiéndosela medir por una cierta cantidad.

Es evidente que la intensidad de corriente eléctrica a través de un conductor dependerá de su resistencia, siendo tanto mayor cuanto menor sea ésta.

Por otra parte, la circulación de corriente por un conductor se debe a que entre los extremos del mismo hay una cierta diferencia de potencial, puesto que si dichos extremos están unidos a dos puntos del campo eléctrico que están al mismo potencial, no circulará corriente por el conductor. Resulta también evidente que la intensidad de corriente en el condúctor será tanto mayor cuanto mayor sea la diferencia de potencial entre sus extremos.

De manera pues, que si un conductor une dos puntos de distinto potencial (ver fig.1), la intensidad de corriente que recorrerá el mismo será directamente proporcional a la diferencia de potencial entre ambos extremos

 

Figura 1

e inversamente proporcional a la resistencia del conductor. Tal es el enunciado de la Ley de Ohm, y se expresa algebraicamente así: 

suponiendo que V1 es mayor que V2, en cuyo caso la corriente se dirigirá de izquierda a derecha, en la figura citada.

Es común designar a la diferenria de potencial con la letra E y llamarla simplemente: "tensión" entre los extremos del conductor, con lo que la expresión anterior queda reducida a:

 

en la que las cantidades que intervienen se toman expresadas por las unidades prácticas respectivas, que son: la tensión o diferencia de potencial E, en Volt ( o Voltios); la intensidad de corriente en Amper ( o Amperios ) y la resistencia eléctrica R, en Ohm ( u Ohmios). Se abrevian V, A y Ω, respectivamente. 

De lo que antecede resulta que un conductor presentará a la corriente eléctrica una resistencia de un Ohm, cuando por el mismo pasa la intensidad de un Amper, si, entre sus extremos hay una diferencia de potencial o tensión de un Volt.

Por simple trasposición de términos, puede deducirse de la expresión de Ohm, otras dos formas:

 

que permiten calcular la tensión o la resistencia cuando se conocen las otras dos cantidades.

Se puede almacenar energía en el campo eléctrico de un capacitor o en el campo magnético de un inductor y ser devuelta más tarde, cuando el capacitor se descarga o se permite que el campo del inductor se desintegre. En contraste directo. un resistor (tambien llamado resistencia) toma energía de la fuente de impulsión la cual no puede devolverse. Así, la potencia promedio de inductancia y capacitancia debe ser cero, en tanto que la expresión de potencia para una resistencia, p =i2R, será siempre positiva. Todos los dispositivos eléctricos que consumen energía deben tener resistencia en sus circuitos.

Ejemplo 1.

Un conductor que ofrece, una resistencia eléctrica de 20 Ohm, está sometido a una diferencia de potencial de 120 Volt entre sus extremos.

Calcular la intensidad de corriente que lo recorrerá.

Solución

Aplicando la ley de Ohm, la intensidad, de corriente está dada por el cociente entre la diferencia de potencial y la resistencia eléctrica: 

Ejemplo 2

Por un conductor que ofrece una resistencia eléctrica de 40 Ohm, circula una corriente de intensidad igual a: 2,5, Amper. Determinar la diferencia de potencial entre los extremos del mismo.

Solución

La diferencia de potencial está dada por el producto de la intensidad y la resistencia, es decir:  

E = IR = 40 X 2,5 = 100 V

Ejemplo 3. Si entre los extremos de un conductor, por el cual, circula una intensidad de corriente de 3 Amper, hay una diferencia de potencial de 240 Volt, ¿ cuál será la resistencia eléctrica de dicho conductor ?

Solución

Según la ley de Ohm, la resistencia está dada por el cociente entre la diferencia de potencial y la intensidad de la corriente eléctrica. Se tiene:

 

 

 

 


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