CAP 25 - fices

I~
25.1 I Corriente eléctrica
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En el capítulo 26 veremos cómo analizar los circuitos eléctricos y examinaremos
aJh'Unas de sus aplicaciones prácticas. De cualquier modo, para poder hacerlo es preciso
entender las propiedades básicas de las corrientes eléctricas. Estas propiedades
son el tema de este capítulo. Comenzaremos por describir la naturaleza de los con·
ductores eléctricos y consideraremos la influencia de la temperatura en ellos. Aprenderemos
por qué un alambre de cobre frío, grueso y corto es un mejor conductor que
un alambre de acero caliente, delgado y largo. Estudiaremos las propiedades de las
baterías y veremos cómo originan la transferencia de corriente y energía en un circui·
too En esle análisis utilizaremos los conceptos de corriente, diferencia de potencial (o
voltaje), resistencia y fuerza electromotriz. Por último, examinaremos la corriente
eléctrica en un material desde un punto de vista microscópico.
25.1 I Corriente eléctrica
Una corriente es todo movimiento de carga de una región a otra. En esta sección estudiaremos
las corrientes en materiales conductores. La inmensa mayoria de las aplicaciones
tccnológicas de las cargas en movimiento implican corrientes de csta clase.
En las situaciones electrostáticas (estudiadas en los capítulos del2l al 24) el campo
eléctrico es cero en todos los puntos del interior del conductor, y no hay corriente.
No obstante, esto no significa que todas las cargas dentro del conductor estén en
reposo. En un metal ordinario, como el cobre o el aluminio. algunos de los electrones
tienen libenad de trasladarse dentro del material conductor. Estos electrones libres se
trasladan al azar en todas direcciones, en cierta fonna como las moléculas de un gas
pero con rapidez mucho mayor, del orden de los Uf mis. No obstante. los electrones
no escapan del material conductor porque son atraidos hacia los iones posim'OS del
material. El movimiento de los electrones es aleatorio: de este modo. no hay un flujo
neJo de carga en ninguna dirección y, en consecuencia. no hay corriente.
Considérese ahora 10 que ocurre si se establece un campo eléctrico Econstante
y estable dentro de un conductor. (Más adelante veremos cómo se hace esto). Una
particula con carga (como un electrón libre, por ejemplo) dentro del material conductor
queda por tanto sometida a una fuerza constante F = qE. Si la partícula con
carga se estuviese trasladando en un vacío, esta fuerza constante produciría una aceleración
unifonne en la dirección de P, y al cabo de un tiempo la partícula con carga
se trasladarla en esa dirección con gran rapidez. Pero una partícula con carga que se
traslada en un conducto,. se somete a colisiones frecuentes con los iones de gran masa
y casi fijos del material. En cada una de estas colisiones la dirección de movimiento
de la partícula se somete a un cambio al azar. El efecto neto del campo
eléctrico Ees que, además del movimiento aleatorio de las partículas con carga dentro
del conductor, hay un movimiento neto muy lento, o deriWJ, del traslado de las
partículas con carga, como grupo, en la dirección de la fuerza eléctrica F = qE
(Fig. 25.1). Este desplazamiento se describe en ténninos de la velocidad de deriva
Vd de las partículas. En consecuencia, hay una corriente neta en el conductor.
Aunque el movimiento aleatorio de los electrodos tiene una mpidez promedio
muy grande, aproximada de l()ó mis, la rapidez de deriva es muy lenta, a menudo del
orden de 10-4 mis. En vista de que los electrones se desplazan tan lentamente, uno
podria preguntarse por qué la luz aparece de inmediato cuando se acciona el interruptor
de una linterna. La razón es que el campo eléctrico se establece en el alambre
con una rapidez próxima a la de la luz, y los electrones comienzan a trasladarse
a lo largo del alambre prácticamente todos al mismo tiempo. El tiempo que le toma a
un electrón individual cualquiera irdel interruptor al fOco no es en realidad pertinente.
Una buena analogía es un grupo de soldados que está en posición de fiones cuando
el sargento les ordena comenzar a marchar; la orden llega a los oídos de los
--E
-F=qE
-- Trayecloria típica de un elecU'Ón en un
conduclor sin campo eléctrico:
• Ninguna fuerz.a el&lrica neta sobre los
eleclrOllC's
• Los eleclrone5 se ll'aSladan al azar dentro
del conductor
• No bay una comenle!lela
-- Trayectoria típica Oe un elecU'ÓJI en un
conductor CO'l campo eléctrico:
• La fuena el~ca¡ = qE impone una
pequeña deriva al movimienlo alealorio
del clecU'Ón
• Hay UIla corrienlc neta
25.1 Si 00 hay un campo eléctrico en el interior
de un conduClor, un electrón se traslada
al azar del puntoP t al punto P 1 en un
tie!!!JX' óJ. Si está present.: un e~po eléctrico
E, la fuerza eléctrica F = qE impone
una pequeña deriva (muy exagerada aqui)
que lleva al electrón al punto Pi, a una distancia
Vd 6J desde P 1 en la dirección de la
fuerza. El electrón tiene una carga negativa
q; por tanto, la fuerza se ejerce en dirección
opuesta a la de E.