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6 de agosto de 2013

Electricidad III - Corriente Eléctrica

Ésta es la tercera parte del Bloque [Electricidad I]. En la primera parte hablamos acerca del concepto de carga eléctrica, y en la segunda parte lo hicimos sobre la Ley de Coulomb y la electrización. Si te fijas, hasta ahora no hemos estudiado apenas movimientos de cargas, que es en lo que normalmente pensamos al hablar de “electricidad”. La razón es que, para entender esos movimientos y conceptos relacionados con ellos –como la corriente eléctrica–, necesitábamos establecer unas bases, como el concepto de carga eléctrica. En la última entrada ya hablamos de la causa esencial del movimiento de cargas, la fuerza de Coulomb, con lo que ya estás preparado para entender el concepto de corriente eléctrica.

Fíjate en que digo “no hemos estudiado apenas” porque, aunque no hayamos entrado en detalles, en la entrada anterior sí que describimos movimientos perceptibles de cargas: por ejemplo, en el chorro de agua del grifo en el Experimento 1 o el movimiento del péndulo en el Experimento 2 había cargas moviéndose debido a atracciones y repulsiones de Coulomb. Sin embargo, se trataba de movimientos muy leves, a lo largo de distancias minúsculas, y desde luego no intentamos entonces evaluarlos de ninguna manera rigurosa — a eso nos dedicaremos hoy.


Por cierto, una aclaración: hay cargas moviéndose siempre que cualquier objeto se mueve, porque cualquier objeto está hecho de cargas de ambos tipos. Sin embargo, no se observan efectos eléctricos perceptibles cuando se mueve un objeto con equilibrio de cargas por la misma razón que no se notan las fuerzas de Coulomb salvo que te acerques mucho: porque los efectos de ambos tipos de carga, “desde lejos”, se cancelan.

Solución al Desafío 1 – Pilas y electrones
Como dijimos la semana pasada, el primer Desafío del bloque tenía como principal objetivo acostumbrarte a pensar de cierta manera más que cuestionar tu conocimiento. Si aún no has leído el Desafío, hazlo antes de seguir con la solución, ¡el objetivo es que pienses, no que leas!
El razonamiento básico para demostrar que la explicación que dimos de cómo funcionan las pilas es algo así: si esa explicación fuera cierta, una pila gastada no tendría electrones. Pero, dado que el número total de cargas positivas/negativas en cualquier cuerpo es tan gigantesco, aunque normalmente se compensen unas con otras, esa pila tendría un desequilibrio brutal de carga positiva. Y como la fuerza de Coulomb se nota tanto por pequeño que sea el desequilibrio de carga, una pila gastada sería una fuente de fuerzas increíbles y una catástrofe continua: induciría tremendos desequilibrios de carga en todo lo que la rodease, generando efectos muchos órdenes de magnitud mayores que los del experimento del peine y el chorro de agua. Estos fenómenos tan extremos no se notan en absoluto, luego esa explicación es absurda.
Aunque con eso queda demostrado, tal vez hayas ido un poco más allá: si la pila ha perdido esos electrones según se gastaba, ¿dónde están esas miríadas de electrones? Si han quedado en los aparatos que usan la pila, éstos tendrían entonces un desequilibrio brutal de cargas y originarían, igual que lo hacía la pila –pero al revés, claro, por tener el tipo contrario de carga excesiva– fenómenos tremendos que no se observan. Si esos electrones se quedasen en el cable, lo mismo sucedería entonces con los cables.
Observa cómo, para desmontar una explicación de cómo funciona una pila, no nos hace falta entender cómo funciona de verdad ni dar una explicación alternativa. Simplemente sabemos que las consecuencias de la explicación que se nos dio no se cumplen, luego la explicación es falsa. Más adelante, en este mismo Bloque, explicaremos cómo funciona de verdad una pila… y no es, claro está, porque pierda electrones poco a poco hasta quedarse sin ninguno.

Pero vamos con el contenido del artículo de hoy: la causa de que las cargas se muevan y la manera de cuantificar ese movimiento.

Desequilibrio como fuente del movimiento de cargas

De lo que no debería caberte duda, si comprendiste las dos entradas anteriores, es de que es muy fácil producir movimientos de cargas simplemente creando un desequilibrio entre ambos tipos. Es posible además, si se es cuidadoso, utilizar la Ley de Coulomb para controlar tanto la intensidad como la dirección y sentido de esos movimientos… pero permite que te muestre esto con un pequeño experimento mental.

Imagina que tenemos un protón y un electrón separados una distancia cualquiera (digamos que dos metros). E imagina también, para simplificar nuestro experimento, que de algún modo hemos conseguido “clavar” ambas partículas en las posiciones en las que se encuentran; de otro modo, claro está, se atraerían el uno al otro y acabarían juntos. Observa de lo que partimos: un desequilibrio de cargas.


Corriente 1


Supón que ahora dejamos libre, justo en medio de las dos partículas, un segundo protón. En este caso no lo “clavamos”, sino que lo dejamos moverse libremente. De acuerdo con la Ley del buen Coulomb, ese protón empezará a moverse, alejándose del protón fijo y acercándose al electrón: estamos haciendo que este protón se mueva empleando la fuerza de Coulomb a través de un desequilibrio de cargas. Y podemos controlar hacia dónde se mueve — si el electrón fijo se encuentra al norte del protón fijo, nuestro protón libre irá hacia el norte, y si el electrón está hacia el este, sucederá lo propio.

Pero también podemos controlar cómo de rápido lo hace: si en vez de tener un protón y un electrón fijos tenemos dos protones y dos electrones fijos en cada sitio –es decir, el desequilibrio de cargas es mayor–, el protón sufrirá una mayor fuerza de repulsión por parte de los protones, y de atracción por parte de los electrones, con lo que su movimiento será más violento que antes.

Dos maneras básicas de crear corrientes eléctricas
El desequilibrio entre cargas eléctricas de uno y otro tipo es una de las dos maneras más comunes mediante las que los seres humanos ponemos cargas en movimiento y producimos corrientes eléctricas: es lo que sucede, como veremos más adelante en el Bloque, con las pilas de nuestros aparatos eléctricos. Sin embargo, es más común todavía emplear una segunda manera de hacer que las cargas se muevan: utilizar el campo magnético para crear la corriente eléctrica, como se hace en la mayor parte de las centrales eléctricas. De este segundo modo de producir corriente, sin embargo, hablaremos cuando hayamos estudiado el campo magnético.

Corriente eléctrica

Dado que el movimiento de cargas desempeña un papel fundamental en nuestra sociedad –tanto en ciencia como en tecnología–, es muy conveniente definirlo cuidadosamente y cuantificarlo de algún modo. El fenómeno en sí del movimiento de cargas eléctricas recibe un nombre arcaico, inventado cuando conocíamos bastante menos que ahora acerca de la naturaleza de la carga eléctrica y su comportamiento. Algunos pensaban entonces que la carga eléctrica era una especie de fluido invisible que se encontraba dentro de los cuerpos, y que esta sustancia podía fluir de unos cuerpos a otros. Ese flujo, como el de un río, era una especie de corriente, pero no de agua, sino de electricidad: una corriente eléctrica.

Una vez definido el fenómeno, hace falta una magnitud que lo cuantifique y una unidad para medirla. En el caso de la corriente eléctrica, esa magnitud recibe el nombre de intensidad de corriente. A menudo se utiliza “corriente eléctrica” para referirse a la magnitud, y no al fenómeno, pero esto crea a veces malentendidos que se resuelven fácilmente distinguiendo ambos términos. De modo que, a lo largo de esta serie –si no se me escapa alguna vez, claro– emplearemos el término corriente para referirnos al fenómeno físico del movimiento de cargas, e intensidad de corriente (o simplemente intensidad) para la magnitud que cuantifica el movimiento.

Aquí tienes una definición lo más llana posible de lo que es la intensidad de corriente:
La intensidad de corriente a través de una superficie es la cantidad de carga que la atraviesa por unidad de tiempo.
Como puedes ver, se trata de una definición que no tiene mucho sentido para un solo protón, o electrón, que se mueva. Recuerda que es un concepto antiguo, que no funciona demasiado bien para describir las cosas a escala microscópica sino a gran escala, con continuos movimientos de cargas a través de algo. De ahí que, cuando se trabaja –como hicimos nosotros en nuestro experimento mental unos párrafos más arriba– con unas pocas cargas sueltas, se suelan utilizar para describir su movimiento cosas como su velocidad o aceleración, mientras que, cuando se trabaja con muchas partículas cargadas moviéndose (como sucede, como veremos más adelante, en un cable eléctrico) sea muy útil emplear el concepto de intensidad de corriente.

La idea de un “fluido eléctrico” que se mueve se percibe en la propia definición. Si te fijas, es muy parecida a la del caudal de agua en un río: en vez del volumen de agua que fluye por unidad de tiempo, se mide la cantidad de carga que fluye por unidad de tiempo. El concepto es, de hecho, muy similar: si la intensidad de corriente es pequeña, hay poca carga atravesando la superficie por unidad de tiempo. Si es grande, hay mucha carga atravesando la superficie por unidad de tiempo.

Normalmente se asigna a la intensidad de corriente eléctrica, además de un valor, una dirección y sentido, como hacemos con la velocidad del viento, por ejemplo. Sin embargo, con la velocidad del viento no hay problema: su dirección y sentido es la del aire que se mueve. ¡Pero la corriente eléctrica puede ser un movimiento de cargas positivas, o negativas, o de ambas a la vez! Hace falta establecer un convenio –y podría haber varios, todos arbitrarios, como nos ha sucedido antes en este bloque–. El que se eligió históricamente, y que seguimos usando hoy en día, es el siguiente:
La dirección y sentido de la intensidad de corriente son los del movimiento de las cargas positivas, y contrario al de las cargas negativas.
Con este convenio, si se mueven, por ejemplo, protones hacia la derecha, la intensidad de corriente va hacia la derecha:


Intensidad de corriente con protones


Si se trata, por el contrario, de electrones que se muevan hacia la izquierda, la intensidad de corriente va también hacia la derecha:


Intensidad de corriente con electrones


Este convenio puede parecer peor que otro en principio más simple, como el de que la intensidad de corriente tuviera el sentido de movimiento de las cargas, cualquiera que fuera su tipo… pero tiene ventajas en el cálculo que lo hacen muy útil, aunque a veces cree confusión o incluso induzca a error –aunque, como en este Bloque aún no usaremos fórmulas, por ahora tendrás que creerme–.

Fuente:

Lea el artículo completo en:

El Tamiz

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