Si un medio contiene portadores de carga libres (por ejemplo, electrones en un metal), éstos no están en reposo, sino que se mueven caóticamente. Pero es posible hacer que los electrones se muevan de forma ordenada en una dirección determinada. Este movimiento direccional de las partículas cargadas se llama corriente eléctrica.
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Cómo se crea una corriente eléctrica
Si tomamos dos conductores, y uno de ellos está cargado negativamente (añadiéndole electrones) y el otro está cargado positivamente (quitándole algunos electrones), se producirá un campo eléctrico. Si conectas ambos electrodos con un conductor, el campo hará que los electrones se muevan en la dirección opuesta a la del vector de intensidad del campo eléctrico, según la dirección del vector de fuerza eléctrica. Las partículas cargadas negativamente se moverán desde el electrodo, donde están en exceso, hacia el electrodo, donde están en deficiencia.
No es necesario dar al segundo electrodo una carga positiva para que se produzca el movimiento de electrones. Lo principal es que la carga negativa del primer electrodo debe ser mayor. Incluso es posible cargar ambos conductores negativamente, pero un conductor debe tener una carga mayor que el otro. En este caso, se dice que una diferencia de potencial provoca una corriente eléctrica.
Al igual que la analogía del agua, si conectas dos recipientes llenos de agua a diferentes niveles, habrá un flujo de agua. Su cabeza dependerá de la diferencia de niveles.
Es interesante que el movimiento caótico de los electrones bajo la acción del campo eléctrico se mantiene en general, pero el vector de movimiento global de la masa de los portadores de carga adquiere un carácter direccional. Mientras que el componente "caótico" del movimiento tiene una velocidad de varias decenas o incluso cientos de kilómetros por segundo, el componente direccional tiene una velocidad de varios milímetros por minuto. Pero el impacto (cuando los electrones a lo largo del conductor se ponen en movimiento) se propaga a la velocidad de la luz, por lo que se dice que una corriente eléctrica se mueve a la velocidad de 3*108 m/seg.
En el experimento anterior, la corriente en el conductor existirá durante un corto periodo de tiempo, hasta que el conductor cargado negativamente se quede sin exceso de electrones y equilibre el número de electrones en ambos polos. Este tiempo es corto: una pequeña fracción de segundo.
El regreso al electrodo originalmente cargado negativamente y la creación de un exceso de carga para los portadores es impedido por el mismo campo eléctrico que movió los electrones del negativo al positivo. Por lo tanto, debe haber una fuerza externa que actúe en contra y sea superior a la del campo eléctrico. En la analogía del agua, debe haber una bomba que bombee el agua hacia el nivel superior para crear un flujo continuo de agua.
Dirección de la corriente
La dirección de la corriente se toma de más a menos, es decir, la dirección de las partículas con carga positiva es opuesta a la de los electrones. Esto se debe a que el fenómeno de la corriente eléctrica se descubrió mucho antes de que se explicara su naturaleza, y se creía que la corriente fluye en esta dirección. Para entonces, se habían acumulado muchos artículos y otra literatura sobre el tema y habían surgido conceptos, definiciones y leyes. Para evitar revisar la gran cantidad de material ya publicado, simplemente tomamos la dirección de la corriente en contra del flujo de electrones.
Si una corriente fluye en la misma dirección todo el tiempo (aunque varíe su intensidad) se llama corriente constante. Si su dirección cambia, se llama corriente alterna. En la aplicación práctica, la dirección cambia según una ley, por ejemplo, una ley sinusoidal. Si la dirección del flujo de corriente permanece inalterada, pero la corriente cae periódicamente a cero y sube a su valor máximo, estamos hablando de corriente pulsada (de diversas formas).
Requisitos para mantener la corriente eléctrica en un circuito
Las tres condiciones para la existencia de la corriente eléctrica en un circuito cerrado se han deducido anteriormente. Deben ser examinados en detalle.
Portadores de cargas gratuitas
La primera condición necesaria para la existencia de una corriente eléctrica es la existencia de portadores de carga libres. Las cargas no existen separadas de sus portadores, por lo que debemos considerar las partículas que pueden llevar una carga.
En los metales y otras sustancias con un tipo de conductividad similar (grafito, etc.) se trata de electrones libres. Interactúan débilmente con el núcleo y pueden abandonar el átomo y moverse con relativa libertad dentro del conductor.
Además, los electrones libres sirven como portadores de carga en los semiconductores, pero en algunos casos se habla de conductividad de "agujeros" en esta clase de sólidos (en contraposición a la de "electrones"). Este concepto sólo es necesario para describir procesos físicos; de hecho, la corriente en los semiconductores sigue siendo el mismo movimiento de electrones. Los materiales en los que los electrones no pueden abandonar el átomo son dieléctricos. No se genera corriente en ellos.
En los líquidos, los iones positivos y negativos llevan una carga. Se trata de líquidos, que son electrolitos. Por ejemplo, el agua en la que se disuelve la sal. El agua en sí misma es eléctricamente bastante neutra, pero cuando entra en ella, los sólidos y los líquidos se disuelven y se disocian (se desintegran) para formar iones positivos y negativos. Y en los metales fundidos (por ejemplo, el mercurio), los mismos electrones son los portadores de carga.
Los gases son básicamente dieléctricos. No hay electrones libres en ellos: los gases están formados por átomos y moléculas neutras. Pero si el gas está ionizado, se dice que un cuarto estado agregado de la materia es el plasma. La corriente eléctrica también puede fluir en ella; surge del movimiento direccional de electrones e iones.
La corriente también puede fluir en el vacío (este es el principio en el que se basan, por ejemplo, los tubos de electrones). Esto requiere electrones o iones.
Campo eléctrico
A pesar de la presencia de portadores de carga libres, la mayoría de los entornos son eléctricamente neutros. Esto se debe a que las partículas negativas (electrones) y positivas (protones) están uniformemente espaciadas y sus campos se anulan mutuamente. Para que surja un campo, las cargas deben concentrarse en una zona. Si los electrones se concentran en la zona de un electrodo (negativo), el electrodo opuesto (positivo) carecerá de ellos y se producirá un campo que creará una fuerza que actuará sobre los portadores de carga y los obligará a desplazarse.
Una tercera fuerza para transferir los cargos
Y la tercera condición - debe haber una fuerza que transfiera las cargas en la dirección opuesta a la dirección del campo electrostático, de lo contrario, las cargas dentro del sistema cerrado se equilibrarán rápidamente. Esta fuerza externa se llama fuerza electromotriz. Su origen puede ser diferente.
De naturaleza electroquímica
En este caso, los CEM son el resultado de reacciones electroquímicas. Las reacciones pueden ser irreversibles. La conocida pila es un ejemplo de célula galvánica. Cuando los reactivos se agotan, el CEM se reduce a cero y la batería se "apaga".
En otros casos las reacciones pueden ser reversibles. Por ejemplo, en una batería, los CEM también surgen como resultado de las reacciones electroquímicas. Pero cuando se completan, el proceso puede reanudarse: bajo la influencia de una corriente eléctrica externa, las reacciones se invertirán y la pila estará lista para volver a dar corriente.
Fotovoltaica en la naturaleza
En este caso, los CEM son causados por la influencia de la radiación visible, ultravioleta o infrarroja en los procesos de las estructuras semiconductoras. Estas fuerzas se dan en las células fotovoltaicas ("células solares"). La luz hace que fluya una corriente eléctrica en un circuito externo.
Naturaleza termoeléctrica
Si se toman dos conductores distintos, se sueldan y se calienta la unión, se producirá una FEM en el circuito debido a la diferencia de temperatura entre la unión caliente (la unión de los conductores) y la unión fría, los extremos opuestos de los conductores. De este modo, no sólo se puede generar corriente, sino también medir la temperatura midiendo el CEM resultante.
Naturaleza piezoeléctrica
Se produce cuando se aprietan o deforman ciertos sólidos. El encendedor eléctrico funciona según este principio.
Naturaleza electromagnética
La forma más habitual de producir electricidad a nivel industrial es con un generador de corriente continua o alterna. En una máquina de corriente continua, un inducido en forma de bastidor gira en un campo magnético, cruzando sus líneas de fuerza. Esto produce un CEM que depende de la velocidad del rotor y del flujo magnético. En la práctica, se utiliza un inducido compuesto por un gran número de bobinas, que forman muchos bastidores conectados en serie. Los CEM resultantes se suman.
В alternador se utiliza el mismo principio, pero un imán (eléctrico o permanente) gira dentro de un marco estacionario. Los mismos procesos también dan lugar a un EMF en el estator. CEMque tiene una forma sinusoidal. La generación de corriente alterna se utiliza casi siempre en el ámbito industrial: es más fácil convertirla para el transporte y los fines prácticos.
Una propiedad interesante de un alternador es que es reversible. Si se aplica tensión a los bornes del alternador desde una fuente externa, su rotor comenzará a girar. Esto significa que, según el esquema de conexión, una máquina eléctrica puede ser un generador o un motor eléctrico.
Estos son sólo los conceptos básicos del fenómeno de la corriente eléctrica. En realidad, los procesos que intervienen en el movimiento direccional de los electrones son mucho más complejos. Comprenderlos requeriría un estudio más profundo de la electrodinámica.
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