Corriente Continua

CORRIENTE CONTINUA La corriente continua (CC en español, en inglés DC, de Direct Current) es el flujo continuo de electrones a través de un conductor entre dos puntos de distinto potencial. A diferencia de la corriente alterna (CA en español, AC en inglés), en la corriente continua las cargas eléctricas circulan siempre en la misma dirección desde el punto de mayor potencial al de menor. Aunque comúnmente se identifica la corriente continua con la corriente constante (por ejemplo la suministrada por una batería), es continua toda corriente que mantenga siempre la misma polaridad. A

I (t)

t

Su descubrimiento se remonta a la invención de la primera pila por parte del científico italiano Conde Alessandro Volta. No fue hasta los trabajos de Thomas Alva Edison sobre la generación de electricidad en las postrimerías del siglo XIX, cuando la corriente continua comenzó a emplearse para la transmisión de la energía eléctrica. Ya en el siglo XX este uso decayó en favor de la corriente alterna (propuesta por el inventor serbio Nikola Tesla, sobre cuyos desarrollos se construyó la primera central hidroeléctrica en las Cataratas del Niágara) por sus menores pérdidas en la transmisión a largas distancias, si bien se conserva en la conexión de redes eléctricas de diferente frecuencia y en la transmisión a través de cables submarinos. La corriente continua es empleada en infinidad de aplicaciones y aparatos de pequeño voltaje alimentados con baterías (generalmente recargables) que suministran directamente corriente continua, o bien con corriente alterna como es el caso, por ejemplo, de los ordenadores, siendo entonces necesario previamente realizar la conversión de la corriente alterna de alimentación en corriente continua. También se está extendiendo el uso de generadores de corriente continua mediante células solares -buscando un menor impacto medioambiental del uso de la energía solar frente a las soluciones convencionales (combustible fósil y energía nuclear)-. En la actualidad resulta difícil concebir una sociedad moderna que no haga un uso masivo, y a veces abusivo, de este tipo de energía. La electricidad está presente en multitud de actividades lúdicas (juegos, ocio, descanso, etc), así como en otras muchas actividades; incluso en numerosas ocasiones, el funcionamiento normal de nuestra vida puede depender de ella. 1. CARGA ELÉCTRICA. LEY DE COULOMB. En estado de reposo, cada átomo posee el mismo número de protones que de electrones. Como la carga de estas partículas es de igual valor pero de signo contrario, la materia resulta eléctricamente neutra.

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Si por algún procedimiento logramos extraer o añadir algún protón o electrón a la estructura del átomo, habremos modificado el equilibrio de cargas y la materia quedará cargada positiva o negativamente. La modificación del número de protones supone un cambio de número atómico y, en consecuencia, un cambio de la naturaleza del átomo. Por el contrario, la modificación del número de electrones no provoca cambios en la naturaleza de un átomo, sino que lo convierte en un ión (anión o catión). El acceso a los electrones es relativamente fácil y las fuerzas que los mantienen unidos al núcleo son tanto más débiles cuanto más lejanos se encuentran de éste. Así, podemos conseguir añadir o extraer electrones de los niveles más externos por diferentes procedimientos. El electrón es el elemento fundamental de la corriente eléctrica, ya que posee carga eléctrica y puede desplazarse de un átomo a otro. Se denomina carga eléctrica de un cuerpo al exceso o defecto de electrones que posee. Los cuerpos cargados eléctricamente ejercen entre sí fuerzas de repulsión o atracción según posean, respectivamente, cargas del mismo o de diferente signo. El físico francés Charles Coulomb estableció de forma experimental la relación que existe entre las cargas de dos cuerpos y la fuerza de atracción o repulsión que se genera. Esta relación es la LEY DE COULOMB: La fuerza de atracción o de repulsión entre dos cuerpos cargados es directamente proporcional al producto de sus cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa. F = K · (Q1 · Q2) / d2 Donde F = fuerza de atracción o repulsión (N). Q1 y Q2 = cargas (C). d = distancia (m). K = constante de proporcionalidad El valor de la constante de proporcionalidad K depende del medio. En el aire o en el vacío, su valor es 9·109 N·m2·C-2. En la tabla adjunta se muestran los valores de K en diferentes medios. MEDIO VALOR K (N·m2·C-2) Vacío

9·109

Aire

9·109

Hielo

3,1·109

Vidrio

2·109

Agua

1,1 ·108

La unidad de carga eléctrica se denomina culombio y se representa con la letra C. Se define como la carga que posee un cuerpo que, situado frente a otro de la misma carga a 1 m de distancia en el vacío, lo repele con una fuerza de 9·10 9 N.

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2. CONCEPTO DE CORRIENTE ELÉCTRICA. En estado natural, todos los átomos son neutros: es decir, el número de protones es igual al número de electrones. Si por cualquier causa un átomo pierde un electrón, quedará cargado positivamente (ión positivo o catión), y si lo gana, el átomo quedará cargado negativamente (ión negativo o anión). Imagínate que se dispone de un grupo de cationes, cuya tendencia va a ser la captación de electrones con objeto de quedar en estado neutro, y que, por otro lado, se tiene un grupo de aniones, que tratarán de desprenderse de los electrones sobrantes. Si los unimos mediante un cable (conductor), habrá una transferencia de electrones, del anión (cuerpo con iones negativos) hacia el catión (cuerpo con iones positivos), hasta que los dos cuerpos queden con la misma carga eléctrica. Esta transferencia o movimiento de electrones a través del conductor se denomina corriente eléctrica. En la actualidad, se conocen diferentes métodos para producir electricidad o, lo que es lo mismo, para extraer electrones de un cuerpo y almacenarlos en otro. Los más importantes son: -

Generador de corriente continua o dinamo: Si se mueve rápidamente un cable en un campo magnético se establece una corriente de electrones a través del cable.

-

Mediante frotación: Al frotar una barra de ámbar contra un trozo de lana, uno de ellos robará los electrones del otro, quedando los dos cargados eléctricamente.

-

Pilas de hidrógeno o pilas de combustible: Se hace reaccionar químicamente hidrógeno líquido y oxígeno.

-

Placas fotovoltaicas: Cuando inciden fotones semiconductores, se origina corriente eléctrica.

sobre

ciertos

3. EL CIRCUITO ELÉCTRICO. La corriente eléctrica consiste en un desplazamiento de cargas eléctricas. Para que pueda producirse, es necesario disponer de un circuito eléctrico. Un circuito eléctrico consiste en un conjunto de elementos conectados entre sí de manera que permiten la circulación de la corriente eléctrica de modo permanente. Los circuitos eléctricos se representan mediante esquemas en los que cada componente viene representado por un símbolo específico. Los componentes habituales en un circuito eléctrico son los siguientes: Generador: Dispositivo encargado de transformar cualquier forma de energía en

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energía eléctrica. Son las pilas, las baterías, los acumuladores y las dinamos. Receptores: Aparatos que transforman la energía eléctrica en otra forma de energía. Son los motores, las lámparas y las resistencias. Conductores: Cables que unen los distintos elementos del circuito y permiten la circulación de la corriente. Están confeccionados con material conductor y suelen ir protegidos por una cubierta aislante. Elementos de control: Permiten controlar el paso de corriente por el circuito o por alguno de los receptores. Son los interruptores, los conmutadores y los pulsadores. Elementos de protección: Protegen de sobrecargas a los elementos del circuito y a los usuarios. El más sencillo es el fusible. En circuitos complejos se utilizan interruptores magnetotérmicos y diferenciales. Para que un receptor (bombilla, motor, etc.) pueda funcionar, es necesario que la corriente eléctrica generada llegue a ese receptor a través de un conductor. Luego, tendrá que atravesarlo, cediendo su energía, y regresar de nuevo al generador. Por tanto, será necesario que tanto el generador como el receptor posean dos tomas de corriente. Atendiendo a esto, los circuitos pueden encontrarse en dos estados: -

Circuitos cerrados (ON): La corriente circula a lo largo del circuito, atravesando el receptor y regresando al generador.

-

Circuitos abiertos (OFF): No hay circulación de corriente; por tanto, no hay transmisión ni conversión de energías. El receptor no funciona.

4. MAGNITUDES ELÉCTRICAS BÁSICAS. En electricidad hay tres magnitudes fundamentales que se definen a continuación. INTENSIDAD DE CORRIENTE La intensidad de corriente eléctrica es la cantidad de carga que atraviesa una sección del conductor en la unidad de tiempo. I = Q/ t Donde I = intensidad de corriente (A), Q = carga (C), y t = tiempo (s). La unidad de intensidad de corriente se denomina amperio en honor al físico francés Andrè Marie Ampère, y se representa con la letra A. Se define como la intensidad de corriente que circula por un conductor cuando por éste circula una carga de un culombio cada segundo. Cuando la intensidad de corriente es muy pequeña, como en electrónica, se suelen utilizar submúltiplos del amperio: -

Miliamperio (mA) = 10-3 A Microamperio (μA) = 10-6 A

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La intensidad de corriente se mide con un aparato denominado amperímetro. El amperímetro siempre se coloca en serie en el circuito, de manera que toda la corriente pase por él.

SENTIDO DE LA CORRIENTE ELÉCTRICA Según el denominado sentido convencional, la corriente circula desde el polo positivo hasta el polo negativo del generador. Pero, como la corriente eléctrica es un flujo de electrones, su sentido real de circulación va del polo negativo al polo positivo. A pesar de ello, se sigue utilizando el sentido convencional para describir la circulación de la corriente eléctrica por un circuito. DIFERENCIA DE POTENCIAL Cuando dos cuerpos cargados eléctricamente se unen mediante un elemento conductor, se produce un flujo de electrones desde el que tiene mayor carga negativa al que la tiene menor. Este flujo se mantiene hasta que el nivel de carga de ambos cuerpos se equilibra. Esta diferencia de nivel de carga se denomina diferencia de potencial (d.d.p.), voltaje o tensión eléctrica. La diferencia de potencial entre dos puntos es el trabajo necesario para transportar la unidad de carga eléctrica de uno a otro. Para que el flujo de electrones se establezca de forma continuada, es necesario mantener constante la diferencia de potencial entre los cuerpos. El elemento encargado de esta misión es el generador. Para llevarlo a cabo, consume una cierta cantidad de energía, a la que llamaremos fuerza electromotriz. La fuerza electromotriz (f.e.m.) es la energía que consume un generador para transportar la unidad de carga de un polo al otro, con el fin de mantener la diferencia de potencial que existe entre ellos. Tanto la tensión como la fuerza electromotriz se miden en voltios, en honor al físico italiano Alejandro Volta, y se representa con la letra V. Entre dos puntos existe una diferencia de potencial de un voltio si para transportar una carga de un culombio hay que realizar un trabajo de un julio. Como múltiplos y submúltiplos del voltio tenemos: -

Kilovoltio (kV) = 103 V Milivoltio (mV) = 10-3 V Megavoltio (MV) = 106 V

El aparato encargado de medir la diferencia de potencial entre dos puntos de un circuito se denomina voltímetro. Se conecta en paralelo con el circuito principal.

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EL SÍMIL HIDRÁULICO A diferencia de altura entre dos puntos provoca la circulación del agua del de mayor altura al de menor altura. En electricidad, la circulación de electrones es provocada por una diferencia de potencial. Para que el agua recupere la altura perdida, se necesita utilizar una bomba. En electricidad, es el generador el que mantiene la diferencia de potencial. La bomba ha de consumir energía para salvar la diferencia de altura. En electricidad, esta energía consumida por el generador es la f.e.m. RESISTENCIA ELÉCTRICA La resistencia eléctrica es una propiedad física de los cuerpos. La resistencia eléctrica es la oposición que ofrece un cuerpo al paso de la corriente eléctrica. Se representa con la letra R. Su unidad es el ohmio, en honor al físico alemán Georg Simon Ohm y se representa con Ω (omega). La resistencia eléctrica depende del tipo de material empleado como conductor, de su longitud y de su sección, según la fórmula: R = ρ · (L / S) Donde R = resistencia del conductor (Ω), ρ = resistividad (Ω·mm2/m) L = longitud del conductor (m), S = sección del conductor (mm2) La resistencia eléctrica se mide con un aparato que se denomina óhmetro u ohmnímetro. Para la medida con el óhmetro es necesario desconectar el elemento que se pretende medir, tanto de la corriente eléctrica como de otros receptores. Sus bornas se han de colocar en paralelo con el receptor. Atendiendo a su comportamiento frente a la corriente eléctrica, los materiales se pueden clasificar en: Aislantes: No conducen o son malos conductores de la electricidad. Baquelita, cerámica, plásticos o vidrio. Conductores: Conducen bien la electricidad, aunque ofrecen cierta resistencia al paso de los electrones. Cobre y Aluminio. Superconductores: Son materiales de última generación que no ofrecen ninguna resistencia al paso de la corriente. No obstante, aunque tal vez en un futuro no muy lejano lleguen a no necesitarlo, de momento tienen que ser enfriados. Semiconductores: Permiten el paso de la corriente solamente cuando son alimentados con un voltaje mínimo determinado y dependiendo de la temperatura. Se emplean en componentes electrónicos. Silicio y Germanio. OTRAS MAGNITUDES QUE DERIVAN DE LA RESISTENCIA ELÉCTRICA Resistividad (ρ): Este factor representa las características del material y también condiciona el valor de la resistencia. Se mide en Ω·mm2/m. 6

Conductancia (G): Es la inversa de la resistencia. La conductancia es la facilidad al paso de la corriente eléctrica. Su unidad es el siemens (S) y su valor: G = 1/R. Conductividad (σ): Es el inverso de la resistividad y su valor es: σ = 1/ρ. 5. LEY DE OHM. Si establecemos una diferencia de potencial entre los extremos de un conductor, se producirá inmediatamente una corriente eléctrica a través de él. La intensidad de esta corriente dependerá de la resistencia que ofrezca el conductor. El físico alemán Georg Simon Ohm comprobó experimentalmente que existe una relación matemática entre las tres magnitudes eléctricas fundamentales. Dicha relación se conoce con el nombre de Ley de Ohm. Ley de Ohm: La intensidad de corriente que circula por un conductor en un circuito cerrado es directamente proporcional a la tensión aplicada e inversamente proporcional a la resistencia del conductor. I=V/R donde I = intensidad de corriente (A), V = tensión aplicada (V), R = resistencia del conductor (Ω) A partir de esta ley, podemos definir la unidad de resistencia, el ohmio: es la resistencia de un conductor por el que circula una corriente de un amperio cuando entre sus extremos se establece una diferencia de potencial de un voltio.

6. ENERGÍA ELÉCTRICA. EFECTO JOULE. La energía suministrada por el generador provoca, como sabemos, una diferencia de potencial entre sus bornes. Como consecuencia, se produce un desplazamiento de las cargas eléctricas a lo largo del circuito. Esta forma de energía se denomina energía eléctrica. Para determinarla, basta con multiplicar la carga eléctrica que se desplaza por la diferencia de potencial que se genera: E=Q·V Donde E = energía suministrada (J), Q = carga eléctrica (C) y V = tensión (V). Como I = Q/t, obtenemos Q = I · t, y si sustituimos en la anterior: E = I · t · V Energía consumida por un receptor. Y aplicando la ley de Ohm: V = I · R, y volviendo a sustituir: E = I2 · R · t Energía que se disipa en forma de calor.

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El Efecto Joule es el fenómeno por el cual la energía eléctrica se transforma en calor cuando la corriente eléctrica atraviesa un conductor. Muchos aparatos domésticos e industriales están construidos con resistencias eléctricas en las que se produce una fuerte disipación de energía en forma de calor. Los conductores que forman estas resistencias suelen ser muy consistentes y no van provistos de ningún revestimiento externo, para facilitar la evacuación del calor generado. Los materiales más utilizados para la construcción de estas resistencias son aleaciones, como el nicrom y el constantán, por su elevada resistividad. Estufas, hornillos, planchas, tostadoras, etc. son algunos de los aparatos de uso cotidiano que aprovechan el Efecto Joule. DENSIDAD DE CORRIENTE Se denomina densidad de corriente a la relación que existe entre la intensidad de corriente que circula por un conductor y su sección geométrica (medida en mm2): δ=I/S La densidad de corriente se mide en A/mm2, y es una magnitud de gran importancia para determinar la sección de un conductor a partir del valor de la intensidad máxima de corriente que puede soportar. Si se utilizan conductores de sección inadecuada pueden producirse sobrecalentamientos en los conductores, por el efecto Joule, y daños en los revestimientos aislantes que los cubren. 7. POTENCIA ELÉCTRICA. El consumo energético de un receptor depende del tiempo que está conectado a la corriente eléctrica. Cuando mayor sea el tiempo, mayor será el consumo de energía. Pero si queremos comparar la capacidad de consumo de dos receptores diferentes, hemos de introducir una nueva magnitud que sea independiente del tiempo de funcionamiento. Esta magnitud es la potencia. Se denomina potencia de un receptor eléctrico a la energía consumida por éste en la unidad de tiempo. P = E/t Donde, P = potencia (W), E = energía eléctrica (J), t = tiempo (s) La unidad de potencia eléctrica se denomina vatio en honor al ingeniero escocés James Watt y se representa con la letra W. Se define como la potencia de un receptor que consume una energía de 1 J cada segundo. Como múltiplos y submúltiplos del vatio tenemos: -

Kilovatio (kW) = 103 W Milivatio (mW) = 10-3 W Megavatio (MW) = 106 W

En algunos receptores, como es el caso de los motores, la potencia suele expresarse en caballos de vapor, que se representa por CV (HP en inglés) y su equivalencia es: 1 CV = 736 W 8

Para conocer la cantidad de energía eléctrica consumida por un receptor, basta con multiplicar su potencia por el tiempo de funcionamiento: E=P·t Y como la energía se mide en julios: 1 J = 1 W · 1 s. Sin embargo, los contadores de consumo de energía eléctrica la miden en kilovatios-hora (kWh). Un kWh es la energía consumida por un receptor de 1000 W de potencia que funciona durante una hora. Si se conoce el precio del kWh, es fácil determinar el coste de funcionamiento de un receptor. El aparato encargado de medir la potencia eléctrica se denomina vatímetro. Consta de una bobina voltimétrica, que se conecta en paralelo con el circuito, y otra amperimétrica, que se conecta en serie. Por esta razón, dispone de cuatro bornes de conexión. CÁLCULO DE LA POTENCIA ELÉCTRICA Sabiendo que E = Q · V, sustituyendo en la expresión de potencia eléctrica, tendremos: P = E / t = (Q · V) / t Y como Q = I · t, entonces tendremos lo siguiente: P = (Q · V) / t = (I · t · V) / t

P=I·V

La potencia eléctrica P es, pues, el producto de la tensión V por la intensidad de corriente I. Utilizando la ley de Ohm, tenemos: V = I · R , I = V / R Y obtenemos: P = I · V = I · (I · R) = I2 · R

P = I · V = (V / R) · V = V2 / R

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