Si hay portadores de carga libres en cualquier medio (por ejemplo, electrones en un metal), entonces no están en reposo, sino que se mueven al azar. Pero puedes hacer que los electrones se muevan de manera ordenada en una dirección determinada. Este movimiento dirigido de partículas cargadas se llama corriente eléctrica.
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Como se genera la corriente electrica
Si tomamos dos conductores y uno de ellos está cargado negativamente (agregándole electrones) y el otro está cargado positivamente (quitando algunos de sus electrones), se generará un campo eléctrico. Si conecta ambos electrodos con un conductor, el campo obligará a los electrones a moverse en dirección opuesta al vector de campo eléctrico, de acuerdo con la dirección del vector de fuerza eléctrica. Las partículas cargadas negativamente se moverán desde el electrodo donde están en exceso al electrodo donde son deficientes.
Para que se produzca el movimiento de electrones, no es necesario impartir una carga positiva al segundo electrodo. Lo principal es que la carga negativa del primero es mayor. Incluso es posible cargar ambos conductores negativamente, pero un conductor debe tener una carga mayor que el otro. En este caso, se habla de una diferencia de potencial que provoca una corriente eléctrica.
Por analogía con el agua, si conecta dos recipientes llenos de agua a diferentes niveles, aparecerá una corriente de agua. Su presión dependerá de la diferencia de niveles.
Es interesante que el movimiento caótico de los electrones bajo la acción de un campo eléctrico generalmente se conserva, pero el vector general de movimiento de la masa de los portadores de carga adquiere un carácter dirigido. Si el componente "caótico" del movimiento tiene una velocidad de varias decenas o incluso cientos de kilómetros por segundo, entonces el componente direccional es de varios milímetros por minuto. Pero el impacto (cuando los electrones se mueven a lo largo del conductor) se propaga a la velocidad de la luz, por eso dicen que la corriente eléctrica se mueve a una velocidad de 3 * 108 m/seg.
En el marco del experimento anterior, la corriente en el conductor no existirá por mucho tiempo, hasta que se agote el exceso de electrones en el conductor cargado negativamente y su número en ambos polos no esté equilibrado. Este tiempo es pequeño, fracciones insignificantes de segundo.
Volviendo al electrodo inicialmente cargado negativamente y creando un exceso de carga en los portadores no da el mismo campo eléctrico que movió los electrones de menos a más. Por lo tanto, debe haber una fuerza externa que actúe contra la fuerza del campo eléctrico y la supere.Al igual que el agua, debe haber una bomba que bombee agua de regreso al nivel superior para crear un flujo continuo de agua.
Dirección actual
La dirección de más a menos se toma como la dirección de la corriente, es decir, la dirección de movimiento de las partículas cargadas positivamente es opuesta al movimiento de los electrones. Esto se debe al hecho de que el fenómeno mismo de la corriente eléctrica se descubrió mucho antes de que se recibiera una explicación de su naturaleza, y se creía que la corriente iba en esta dirección. Para ese momento, se había acumulado una gran cantidad de artículos y otra literatura sobre este tema, aparecieron conceptos, definiciones y leyes. Para no revisar una gran cantidad de material ya publicado, simplemente tomamos la dirección de la corriente contra el flujo de electrones.
Si la corriente fluye todo el tiempo en una dirección (incluso cambiando de fuerza), se llama corriente continua. Si su dirección cambia, entonces estamos hablando de corriente alterna. En la aplicación práctica, la dirección cambia según alguna ley, por ejemplo, según una sinusoidal. Si la dirección del flujo de corriente permanece sin cambios, pero cae periódicamente a cero y aumenta a un valor máximo, entonces estamos hablando de una corriente pulsada (de varias formas).
Condiciones necesarias para mantener la corriente eléctrica en el circuito.
Tres condiciones para la existencia de una corriente eléctrica en un circuito cerrado se derivan anteriormente. Necesitan ser considerados con más detalle.
transportistas de carga gratuita
La primera condición necesaria para la existencia de una corriente eléctrica es la presencia de portadores de carga libres. Las cargas no existen separadamente de sus portadores, por lo que es necesario considerar partículas que puedan llevar una carga.
En metales y otras sustancias con un tipo de conductividad similar (grafito, etc.), estos son electrones libres. Interactúan débilmente con el núcleo y pueden salir del átomo y moverse relativamente sin obstáculos dentro del conductor.
Los electrones libres también sirven como portadores de carga en los semiconductores, pero en algunos casos hablan de la conductividad de "hueco" de esta clase de sólidos (en oposición a "electrónicos"). Este concepto es necesario solo para describir procesos físicos, de hecho, la corriente en los semiconductores es el mismo movimiento de electrones. Los materiales en los que los electrones no pueden salir del átomo son dieléctricos. No hay corriente en ellos.
En los líquidos, los iones positivos y negativos llevan carga. Esto se refiere a líquidos - electrolitos. Por ejemplo, el agua en la que se disuelve la sal. Por sí misma, el agua es eléctricamente bastante neutra, pero cuando entran en ella sustancias sólidas y líquidas, se disuelven y se disocian (descomponen) para formar iones positivos y negativos. Y en los metales fundidos (por ejemplo, en el mercurio), los portadores de carga son los mismos electrones.
Los gases son en su mayoría dieléctricos. No hay electrones libres en ellos: los gases consisten en átomos y moléculas neutrales. Pero si el gas está ionizado, hablan del cuarto estado de agregación de la materia: el plasma. Una corriente eléctrica también puede fluir en él, ocurre durante el movimiento dirigido de electrones e iones.
Además, la corriente puede fluir en el vacío (la acción de, por ejemplo, los tubos de vacío se basa en este principio). Esto requerirá electrones o iones.
Campo eléctrico
A pesar de la presencia de portadores de carga gratuitos, la mayoría de los medios son eléctricamente neutros. Esto se explica por el hecho de que las partículas negativas (electrones) y positivas (protones) están ubicadas de manera uniforme y sus campos se compensan entre sí. Para que surja un campo, las cargas deben estar concentradas en alguna área. Si los electrones se han acumulado en la región de un electrodo (negativo), habrá escasez de ellos en el electrodo opuesto (positivo), y surgirá un campo que crea una fuerza que actúa sobre los portadores de carga y los obliga a moverse.
Fuerza de terceros para llevar cargos
Y la tercera condición: debe haber una fuerza que lleve 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 extraña se llama fuerza electromotriz. Su origen puede ser diferente.
Naturaleza electroquímica
En este caso, el EMF surge como resultado de la ocurrencia de reacciones electroquímicas. Las reacciones pueden ser irreversibles. Un ejemplo es una celda galvánica, una batería muy conocida. Una vez que se agotan los reactivos, el EMF cae a cero y la batería "se asienta".
En otros casos, las reacciones pueden ser reversibles. Entonces, en una batería, EMF también ocurre como resultado de reacciones electroquímicas. Pero una vez finalizado, el proceso puede reanudarse: bajo la influencia de una corriente eléctrica externa, las reacciones se llevarán a cabo en el orden inverso y la batería volverá a estar lista para dar corriente.
naturaleza fotovoltaica
En este caso, el EMF es causado por la acción de la radiación visible, ultravioleta o infrarroja en procesos en estructuras semiconductoras. Tales fuerzas surgen en las fotocélulas ("baterías solares").Bajo la acción de la luz, se genera una corriente eléctrica en el circuito externo.
naturaleza termoeléctrica
Si toma dos conductores diferentes, los suelda y calienta la unión, aparecerá un EMF 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 esta manera, es posible no sólo generar corriente, sino también medir la temperatura midiendo la fem emergente.
Naturaleza piezoeléctrica
Ocurre cuando ciertos sólidos se comprimen o deforman. Un encendedor eléctrico funciona según este principio.
naturaleza electromagnética
La forma más común de generar electricidad industrialmente es con un generador de CC o CA. En una máquina de CC, una armadura en forma de marco gira en un campo magnético, cruzando sus líneas de fuerza. En este caso, surge un EMF, dependiendo de la velocidad de rotación del rotor y el flujo magnético. En la práctica, se utiliza un ancla a partir de un gran número de vueltas, formando una pluralidad de marcos conectados en serie. Los campos electromagnéticos que surgen en ellos se suman.
A alternador se aplica el mismo principio, pero un imán (eléctrico o permanente) gira dentro del marco fijo. Como resultado de los mismos procesos en el estator, campos electromagnéticos, que tiene una forma sinusoidal. A escala industrial, casi siempre se utiliza la generación de CA; es más fácil convertirla para el transporte y el uso práctico.
Una propiedad interesante de un generador es la reversibilidad.Consiste en que si se aplica voltaje a los terminales del generador desde una fuente externa, su rotor comenzará a girar. Esto significa que, según el esquema de conexión, la máquina eléctrica puede ser un generador o un motor eléctrico.
Estos son solo los conceptos básicos de un fenómeno como la corriente eléctrica. De hecho, los procesos que ocurren durante el movimiento dirigido de electrones son mucho más complicados. Para comprenderlos, se requiere un estudio más profundo de la electrodinámica.
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