Corriente creada por un electrón. ¿Qué corrientes (eléctricas) existen? Los principales tipos de corriente eléctrica (continua y alterna), sus características y diferencias. Principales tipos de conductores.

Electrones o huecos (conductividad de huecos de electrones). A veces, la corriente eléctrica también se denomina corriente de desplazamiento y surge como resultado de un cambio en el campo eléctrico a lo largo del tiempo.

La corriente eléctrica tiene las siguientes manifestaciones:

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✪ Corriente eléctrica

✪ #9 Corriente eléctrica y electrones

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✪ QUÉ PASA SI UNA DESCARGA ELÉCTRICA

Subtítulos

Clasificación

Si las partículas cargadas se mueven dentro de cuerpos macroscópicos en relación con un medio particular, entonces dicha corriente se llama eléctrica. corriente de conducción. Si los cuerpos macroscópicos cargados (por ejemplo, gotas de lluvia cargadas) se mueven, entonces esta corriente se llama convección .

Existen corrientes eléctricas continuas y alternas, así como diversas variedades. corriente alterna. En tales conceptos a menudo se omite la palabra "eléctrico".

Corriente continua - una corriente cuya dirección y magnitud no cambian con el tiempo.

corrientes parásitas

Las corrientes de Foucault son "corrientes eléctricas cerradas en un conductor masivo que surgen cuando cambia el flujo magnético que lo penetra", por lo que las corrientes de Foucault son corrientes inducidas. Cuanto más rápido cambia el flujo magnético, más fuertes son las corrientes parásitas. Las corrientes parásitas no fluyen a lo largo de caminos específicos en los cables, pero cuando se cierran en el conductor, forman circuitos similares a vórtices.

La existencia de corrientes parásitas conduce al efecto piel, es decir, al hecho de que la corriente eléctrica alterna y el flujo magnético se propagan principalmente en la capa superficial del conductor. El calentamiento de los conductores por corrientes parásitas provoca pérdidas de energía, especialmente en los núcleos de las bobinas de CA. Para reducir las pérdidas de energía debido a las corrientes de Foucault, utilizan la división de los circuitos magnéticos de corriente alterna en placas separadas, aisladas entre sí y ubicadas perpendiculares a la dirección de las corrientes de Foucault, lo que limita los posibles contornos de sus caminos y reduce en gran medida la magnitud. de estas corrientes. A frecuencias muy altas, en lugar de ferroimanes, se utilizan magnetodieléctricos para circuitos magnéticos, en los que, debido a la altísima resistencia, prácticamente no surgen corrientes parásitas.

Características

Históricamente se acepta que dirección de la corriente coincide con la dirección del movimiento de las cargas positivas en el conductor. Además, si los únicos portadores de corriente son partículas cargadas negativamente (por ejemplo, electrones en un metal), entonces la dirección de la corriente es opuesta a la dirección del movimiento de las partículas cargadas. .

Velocidad de deriva de los electrones.

La resistencia a la radiación es causada por la formación de ondas electromagnéticas alrededor de un conductor. Esta resistencia depende de manera compleja de la forma y el tamaño del conductor, así como de la longitud de la onda emitida. Para un solo conductor rectilíneo, en el que la corriente tiene en todas partes la misma dirección e intensidad, y cuya longitud L es significativamente menor que la longitud de la onda electromagnética emitida por él. λ (\displaystyle\lambda), la dependencia de la resistencia de la longitud de onda y del conductor es relativamente simple:

R = 3200 (L λ) (\displaystyle R=3200\left((\frac (L)(\lambda ))\right))

La corriente eléctrica más utilizada con una frecuencia estándar de 50 Hz Corresponde a una onda con una longitud de unos 6 mil kilómetros, por lo que la potencia de radiación suele ser insignificante en comparación con la potencia de las pérdidas térmicas. Sin embargo, a medida que aumenta la frecuencia de la corriente, la longitud de la onda emitida disminuye y la potencia de radiación aumenta en consecuencia. Un conductor capaz de emitir energía notable se llama antena.

Frecuencia

El concepto de frecuencia se refiere a una corriente alterna que periódicamente cambia de fuerza y/o dirección. Aquí también se incluye la corriente más utilizada, que varía según una ley sinusoidal.

El período CA es el período de tiempo más corto (expresado en segundos) durante el cual se repiten los cambios de corriente (y voltaje). El número de períodos que realiza la corriente por unidad de tiempo se llama frecuencia. La frecuencia se mide en hercios, correspondiendo un hercio (Hz) a un ciclo por segundo.

Corriente de polarización

A veces, por conveniencia, se introduce el concepto de corriente de desplazamiento. En las ecuaciones de Maxwell, la corriente de desplazamiento está presente en igualdad de condiciones con la corriente provocada por el movimiento de cargas. Intensidad campo magnético Depende de la corriente eléctrica total, igual a la suma de la corriente de conducción y la corriente de desplazamiento. Por definición, la densidad de corriente de polarización j D → (\displaystyle (\vec (j_(D))))- cantidad vectorial, proporcional a la velocidad cambios de campo electrico mi → (\displaystyle (\vec (E))) a tiempo:

j D → = ∂ E → ∂ t (\displaystyle (\vec (j_(D)))=(\frac (\partial (\vec (E)))(\partial t)))

El caso es que cuando cambia el campo eléctrico, así como cuando fluye corriente, se genera un campo magnético, lo que hace que estos dos procesos sean similares entre sí. Además, un cambio en el campo eléctrico suele ir acompañado de una transferencia de energía. Por ejemplo, al cargar y descargar un condensador, a pesar de que no hay movimiento de partículas cargadas entre sus placas, se habla de una corriente de desplazamiento que fluye a través de él, transfiriendo algo de energía y cerrando el circuito eléctrico de una forma única. Corriente de polarización I D (\displaystyle I_(D)) en un condensador está determinado por la fórmula:

I D = d Q d t = − C d U d t (\displaystyle I_(D)=(\frac ((\rm (d))Q)((\rm (d))t))=-C(\frac ( (\rm (d))U)((\rm (d))t))),

Dónde Q (\displaystyle Q)- carga en las placas del condensador, U (\displaystyle U)- diferencia de potencial entre las placas, C (\displaystyle C)- capacidad del condensador.

La corriente de desplazamiento no es una corriente eléctrica porque no está asociada con el movimiento de una carga eléctrica.

Principales tipos de conductores.

A diferencia de los dieléctricos, los conductores contienen portadores libres de cargas no compensadas que, bajo la influencia de una fuerza, generalmente una diferencia de potencial eléctrico, se mueven y crean una corriente eléctrica. La característica corriente-voltaje (la dependencia de la corriente del voltaje) es la característica más importante de un conductor. Para conductores metálicos y electrolitos tiene la forma mas simple: La corriente es directamente proporcional al voltaje (ley de Ohm).

Metales: aquí los portadores de corriente son electrones de conducción, que generalmente se consideran un gas de electrones y que exhiben claramente las propiedades cuánticas de un gas degenerado.

Corrientes eléctricas en la naturaleza.

La corriente eléctrica se utiliza como portadora de señales de diversa complejidad y tipo en diferentes áreas (teléfono, radio, panel de control, pulsador). cerradura de la puerta etcétera).

En algunos casos aparecen corrientes eléctricas no deseadas, como corrientes parásitas o corrientes de cortocircuito.

Uso de la corriente eléctrica como portador de energía.

obtención de energía mecánica en todo tipo de motores eléctricos,
obtención de energía térmica en dispositivos de calefacción, hornos eléctricos, durante la soldadura eléctrica,
obtención de energía luminosa en dispositivos de iluminación y señalización,
excitación de oscilaciones electromagnéticas alta frecuencia, frecuencia ultraalta y ondas de radio,
recibir sonido,
recepción varias sustancias por electrólisis, carga de baterías eléctricas. Aquí la energía electromagnética se convierte en energía química,
creando un campo magnético (en electroimanes).

Uso de la corriente eléctrica en medicina.

diagnóstico: las biocorrientes de órganos sanos y enfermos son diferentes y es posible determinar la enfermedad, sus causas y prescribir un tratamiento. La rama de la fisiología que estudia los fenómenos eléctricos del cuerpo se llama electrofisiología.
- Electroencefalografía - método de investigación estado funcional cerebro.
- La electrocardiografía es una técnica para registrar y estudiar campos eléctricos durante la actividad cardíaca.
- La electrogastrografía es un método para estudiar la actividad motora del estómago.
- La electromiografía es un método para estudiar los potenciales bioeléctricos que surgen en los músculos esqueléticos.
Tratamiento y reanimación: estimulación eléctrica de determinadas áreas del cerebro; tratamiento de la enfermedad de Parkinson y la epilepsia, también para electroforesis. Un marcapasos que estimula el músculo cardíaco con una corriente pulsada se utiliza para la bradicardia y otras arritmias cardíacas.

seguridad ELECTRICA

Incluye medidas legales, socioeconómicas, organizativas y técnicas, sanitarias e higiénicas, de tratamiento y preventivas, de rehabilitación y otras. Las normas de seguridad eléctrica están reguladas por documentos legales y técnicos, marco regulatorio y técnico. El conocimiento de los conceptos básicos de seguridad eléctrica es obligatorio para el personal que realiza el mantenimiento de instalaciones y equipos eléctricos. El cuerpo humano es un conductor de corriente eléctrica. La resistencia humana con piel seca e intacta oscila entre 3 y 100 kOhm.

Una corriente que pasa a través de un cuerpo humano o animal produce los siguientes efectos:

térmico (quemaduras, calentamiento y daño a los vasos sanguíneos);
electrolítico (descomposición de la sangre, alteración del estado físico). composición química);
biológico (irritación y excitación de los tejidos corporales, convulsiones)
mecánico (rotura de vasos sanguíneos bajo la influencia de la presión del vapor obtenida por calentamiento por el flujo sanguíneo)

El principal factor que determina el resultado de una descarga eléctrica es la cantidad de corriente que pasa por el cuerpo humano. Según las normas de seguridad, la corriente eléctrica se clasifica de la siguiente manera:

seguro se considera una corriente cuyo largo paso a través del cuerpo humano no le causa daño y no causa ninguna sensación, su valor no excede los 50 μA (corriente alterna 50 Hz) y 100 μA; corriente continua;
mínimamente perceptible la corriente alterna humana es de aproximadamente 0,6-1,5 mA (corriente alterna de 50 Hz) y corriente continua de 5-7 mA;
límite no dejarlo ir Se llama corriente mínima de tal fuerza que una persona ya no puede separar sus manos de la parte que transporta corriente con la fuerza de voluntad. Para corriente alterna es de aproximadamente 10-15 mA, para corriente continua es de 50-80 mA;
umbral de fibrilación Se denomina intensidad de corriente alterna (50 Hz) de aproximadamente 100 mA y 300 mA de corriente continua, cuya exposición durante más de 0,5 s probablemente provoque fibrilación de los músculos cardíacos. Este umbral también se considera condicionalmente fatal para los humanos.

En Rusia, de acuerdo con las Reglas. operación técnica Instalaciones eléctricas de los consumidores y Normas de seguridad laboral durante la operación de instalaciones eléctricas, se establecen 5 grupos de calificación para seguridad eléctrica en función de las calificaciones y experiencia del empleado y el voltaje de las instalaciones eléctricas.

Una corriente eléctrica se forma en una sustancia sólo si hay partículas cargadas libres. La carga puede estar presente inicialmente en el medio o puede formarse con la ayuda de factores externos (temperatura, campo electromagnético, ionizadores). El movimiento de partículas cargadas es caótico en ausencia de un campo electromagnético, y cuando se conectan a dos puntos de una sustancia, las diferencias de potencial se vuelven dirigidas, de una sustancia a otra.

Concepto, esencia y manifestaciones de la corriente eléctrica.

Definición 1

La corriente eléctrica es el movimiento ordenado y dirigido de partículas cargadas.

Tales partículas pueden ser:

en gases: iones y electrones,
en metales - electrones,
en electrolitos – aniones y cationes,
en el vacío – electrones (bajo ciertas condiciones),
en semiconductores: huecos y electrones (conductividad de huecos de electrones).

Nota 1

Esta definición se utiliza a menudo. La corriente eléctrica es una corriente de desplazamiento que resulta de un cambio en el campo eléctrico a lo largo del tiempo.

La corriente eléctrica se puede expresar en las siguientes manifestaciones:

Calentamiento de conductores. La generación de calor no ocurre en los superconductores.
Cambios en la composición química de algunos conductores. Esta manifestación se puede observar principalmente en los electrolitos.
Formación de un campo eléctrico. Aparece en todos los conductores sin excepción.

Figura 1. Corriente eléctrica: el movimiento ordenado de partículas cargadas. Author24 - intercambio en línea de trabajos de estudiantes

Clasificación de la corriente eléctrica.

Definición 2

La corriente de conducción eléctrica es un fenómeno en el que partículas cargadas se mueven dentro de los elementos macroscópicos de un medio particular.

La corriente de convección es un fenómeno en el que se mueven cuerpos macroscópicos cargados (por ejemplo, gotas de precipitación cargadas).

Existen corrientes eléctricas continuas, alternas y pulsantes y sus diversas combinaciones. Sin embargo, el término "eléctrico" a menudo se omite en tales combinaciones.

Existen varios tipos de corriente eléctrica:

La corriente continua es una corriente cuya magnitud y dirección varían ligeramente con el tiempo.
La corriente alterna es una corriente cuya dirección y magnitud cambia progresivamente con el tiempo. La corriente alterna se refiere a la corriente que no es constante. Entre todos los tipos de corriente alterna, el principal es aquel cuyo valor sólo puede cambiar según una ley sinusoidal. El potencial de cada extremo del conductor es en este caso cambia en relación con el otro extremo alternativamente de negativo a positivo, y viceversa. Al mismo tiempo pasa por todos los potenciales intermedios. Como resultado, se forma una corriente que cambia continuamente de dirección. Moviéndose en una dirección, la corriente aumenta y alcanza su máximo, que se denomina valor de amplitud. Después de lo cual disminuye, se vuelve igual a cero durante un período determinado, después del cual el ciclo se reanuda.
La corriente cuasi estacionaria es una corriente alterna que cambia con relativa lentitud; para sus valores instantáneos, las leyes de las corrientes continuas se cumplen con suficiente precisión. Leyes similares son las reglas de Kirchhoff y la ley de Ohm. Cuasi estacionario, por tanto, en todas las secciones de una red no ramificada tiene la misma fuerza. Al calcular circuitos de una corriente determinada, se tienen en cuenta los parámetros agrupados. Las corrientes industriales cuasi estacionarias son aquellas en las que no se cumple la condición de cuasi estacionaria a lo largo de la línea (excepto las corrientes en líneas de transmisión de larga distancia).
La corriente alterna de alta frecuencia es una corriente eléctrica en la que ya no se mantiene el estado casi estacionario. Pasa a lo largo de la superficie del conductor y fluye a su alrededor por todos lados. Este efecto se llama efecto piel.
Una corriente pulsante es una corriente eléctrica en la que la dirección permanece constante y sólo cambia la magnitud.
Las corrientes de Foucault o corrientes de Foucault son corrientes eléctricas cerradas que se encuentran en un conductor masivo y surgen cuando cambia el flujo magnético. En base a esto, las corrientes parásitas son inductivas. Cuanto más rápido cambia el flujo magnético, más fuertes se vuelven las corrientes parásitas. No fluyen a lo largo de caminos determinados a lo largo de los cables, sino que se cierran en el conductor y forman circuitos similares a vórtices.

Debido a la existencia de corrientes parásitas, el efecto piel se produce cuando el flujo magnético y la corriente eléctrica alterna se propagan a lo largo de la capa superficial del conductor. Debido al calentamiento por corrientes parásitas se produce una pérdida de energía, especialmente en los núcleos de las bobinas de CA. Para reducir la pérdida de energía por corrientes parásitas, se utiliza la división de los cables magnéticos de corriente alterna en placas separadas, que están aisladas entre sí y ubicadas perpendiculares a la dirección de las corrientes parásitas. Debido a esto, los contornos posibles de sus trayectorias son limitados y la magnitud de estas corrientes disminuye rápidamente.

Características de la corriente eléctrica.

Históricamente, la dirección del movimiento de las cargas positivas en un conductor coincide con la dirección de la corriente. Si los portadores naturales de la corriente eléctrica son electrones cargados negativamente, entonces la dirección de la corriente será opuesta a la dirección de las partículas cargadas positivamente.

La velocidad de las partículas cargadas depende directamente de la carga y la masa de las partículas, el material conductor y la temperatura. ambiente externo y la diferencia de potencial aplicada. La velocidad del movimiento objetivo es un valor significativamente menor que la velocidad de la luz. Los electrones se mueven en un conductor en un segundo debido a un movimiento ordenado de menos de una décima de milímetro. Pero, a pesar de esto, la velocidad de propagación de la corriente es igual a la velocidad de la luz y a la velocidad de propagación del frente de ondas electromagnéticas.

El lugar donde cambia la velocidad del movimiento de los electrones después de un cambio de voltaje se mueve con la velocidad de propagación de la oscilación electromagnética.

Principales tipos de conductores.

Los conductores, a diferencia de los dieléctricos, contienen portadores libres de cargas no compensadas. Se mueven bajo la influencia de potenciales eléctricos y forman una corriente eléctrica.

La característica corriente-voltaje o, en otras palabras, la dependencia de la corriente del voltaje es Característica principal conductor. Para electrolitos y conductores metálicos, adopta la forma más simple: la intensidad de la corriente es directamente proporcional al voltaje. Esta es la ley de Ohm.

En los metales, los portadores de corriente son electrones de conducción, que se consideran un gas de electrones. En ellos se manifiestan claramente las propiedades cuánticas de un gas degenerado.

El plasma es un gas ionizado. En este caso, la carga eléctrica se transfiere mediante iones y electrones libres. Los electrones libres se forman bajo la influencia de la radiación ultravioleta y de rayos X o del calor.

Los electrolitos son sistemas y sustancias sólidos o líquidos en los que existe una notable concentración de iones, lo que provoca el paso de la corriente eléctrica. Durante el proceso de disociación electrolítica se forman iones. La resistencia de los electrolitos disminuye cuando se calientan debido a un aumento en la cantidad de moléculas que se descomponen en iones. Como resultado del paso de la corriente eléctrica a través del electrolito, los iones se acercan a los electrodos y se neutralizan, depositándose sobre ellos.

Las leyes físicas de la electrólisis de Faraday determinan la masa de la sustancia que se libera sobre los electrodos. También existe una corriente eléctrica de electrones en el vacío, utilizada en dispositivos de haz de electrones.

Movimiento dirigido de partículas cargadas en un campo eléctrico.

Las partículas cargadas pueden ser electrones o iones (átomos cargados).

Un átomo que ha perdido uno o más electrones adquiere una carga positiva. - Anión (ion positivo).
Un átomo que ha ganado uno o más electrones adquiere una carga negativa. - Catión (ion negativo).
Los iones se consideran partículas cargadas móviles en líquidos y gases.

En los metales, los portadores de carga son electrones libres, como partículas cargadas negativamente.

En semiconductores, consideramos el movimiento (movimiento) de electrones cargados negativamente de un átomo a otro y, como resultado, el movimiento entre los átomos de las vacantes cargadas positivamente resultantes: los agujeros.

Detrás dirección de la corriente eléctrica la dirección del movimiento de las cargas positivas se acepta convencionalmente. Esta regla se estableció mucho antes del estudio del electrón y sigue siendo válida hasta el día de hoy. La intensidad del campo eléctrico también se determina para una carga de prueba positiva.

Para cualquier cargo q en un campo eléctrico de intensidad mi actos de fuerza F = qE, que mueve la carga en la dirección del vector de esta fuerza.

La figura muestra que el vector de fuerza F - = -qE, actuando sobre una carga negativa -q, está dirigido en la dirección opuesta al vector de intensidad de campo, como producto del vector mi a un valor negativo. En consecuencia, los electrones cargados negativamente, que son portadores de carga en los conductores metálicos, en realidad tienen una dirección de movimiento opuesta al vector de intensidad del campo y a la dirección generalmente aceptada de la corriente eléctrica.

Precio a cobrar q= 1 culombio movido a través de la sección transversal del conductor en el tiempo t= 1 segundo, determinado por el valor actual I= 1 amperio de la relación:

I = Q/t.

Radio actual I= 1 amperio en conductor a su área de sección transversal S= 1 m 2 determinará la densidad de corriente j= 1A/m2:

Trabajo A= 1 julio gastado en carga de transporte q= 1 El colgante del punto 1 al punto 2 determinará el valor voltaje electrico Ud.= 1 voltio, como diferencia de potencial φ 1 y φ 2 entre estos puntos del cálculo:

Ud. = aire acondicionado = φ 1 - φ 2

La corriente eléctrica puede ser continua o alterna.

La corriente continua es una corriente eléctrica cuya dirección y magnitud no cambian con el tiempo.

La corriente alterna es una corriente eléctrica cuya magnitud y dirección cambia con el tiempo.

En 1826, el físico alemán Georg Ohm descubrió una importante ley de la electricidad, que determina la relación cuantitativa entre la corriente eléctrica y las propiedades de un conductor, caracterizando su capacidad para resistir la corriente eléctrica.
Posteriormente, estas propiedades comenzaron a denominarse resistencia eléctrica, denotadas por la letra R y medido en Ohmios en honor al descubridor.
La ley de Ohm en su interpretación moderna utilizando la relación U/R clásica determina la cantidad de corriente eléctrica en un conductor en función del voltaje. Ud. en los extremos de este conductor y su resistencia R:

Corriente eléctrica en conductores.

Los conductores contienen portadores de carga libres que, bajo la influencia de un campo eléctrico, se mueven y crean una corriente eléctrica.

En los conductores metálicos, los portadores de carga son electrones libres.
A medida que aumenta la temperatura, el movimiento térmico caótico de los átomos interfiere con el movimiento direccional de los electrones y aumenta la resistencia del conductor.
Cuando se enfría y la temperatura se acerca al cero absoluto, cuando se detiene el movimiento térmico, la resistencia del metal tiende a cero.

La corriente eléctrica en líquidos (electrolitos) existe como movimiento dirigido de átomos cargados (iones), que se forman en el proceso de disociación electrolítica.
Los iones se desplazan hacia electrodos de signo opuesto y se neutralizan, depositándose sobre ellos. - Electrólisis.
Aniones - iones positivos. Se mueven hacia el electrodo negativo, el cátodo.
Los cationes son iones negativos. Se mueven hacia el electrodo positivo: el ánodo.
Las leyes de la electrólisis de Faraday determinan la masa de una sustancia liberada sobre los electrodos.
Cuando se calienta, la resistencia del electrolito disminuye debido a un aumento en la cantidad de moléculas descompuestas en iones.

Corriente eléctrica en gases - plasma. La carga eléctrica la transportan iones positivos o negativos y electrones libres, que se forman bajo la influencia de la radiación.

Hay una corriente eléctrica en el vacío como un flujo de electrones desde el cátodo al ánodo. Utilizado en dispositivos de haz de electrones: lámparas.

Corriente eléctrica en semiconductores.

Los semiconductores ocupan una posición intermedia entre los conductores y los dieléctricos en términos de su resistividad.
Se puede considerar una diferencia significativa entre semiconductores y metales la dependencia de su resistividad de la temperatura.
A medida que disminuye la temperatura, la resistencia de los metales disminuye, mientras que para los semiconductores, por el contrario, aumenta.
A medida que la temperatura se acerca al cero absoluto, los metales tienden a convertirse en superconductores y los semiconductores en aislantes.
El hecho es que en el cero absoluto, los electrones de los semiconductores estarán ocupados creando enlaces covalentes entre los átomos de la red cristalina e, idealmente, no habrá electrones libres.
A medida que aumenta la temperatura, algunos de los electrones de valencia pueden recibir energía suficiente para romper los enlaces covalentes y aparecerán electrones libres en el cristal y se formarán vacantes en los sitios de ruptura, que se denominan agujeros.
El lugar vacante puede ser ocupado por un electrón de valencia de un par vecino y el hueco se moverá a un nuevo lugar en el cristal.
Cuando un electrón libre se encuentra con un agujero, se restablece el enlace electrónico entre los átomos del semiconductor y se produce el proceso inverso: la recombinación.
Los pares electrón-hueco pueden aparecer y recombinarse cuando un semiconductor se ilumina debido a la energía de la radiación electromagnética.
En ausencia de un campo eléctrico, los electrones y los huecos participan en un movimiento térmico caótico.
EN campo eléctrico En el movimiento ordenado participan no sólo los electrones libres formados, sino también los huecos, que se consideran partículas cargadas positivamente. Actual I En un semiconductor está formado por un electrón. En y agujero IP corrientes

Los semiconductores incluyen: elementos químicos, como germanio, silicio, selenio, telurio, arsénico, etc. El semiconductor más común en la naturaleza es el silicio.

Comentarios y sugerencias son aceptados y bienvenidos!

" Hoy quiero tocar el tema de la corriente eléctrica. ¿Qué es? Intentemos recordar el plan de estudios de la escuela.

La corriente eléctrica es el movimiento ordenado de partículas cargadas en un conductor.

Si recuerda, para que las partículas cargadas se muevan (surge una corriente eléctrica), se debe crear un campo eléctrico. Para crear un campo eléctrico, se pueden realizar experimentos tan básicos como frotar un mango de plástico sobre lana y éste atraerá objetos ligeros durante un tiempo. Los cuerpos capaces de atraer objetos después de frotarse se denominan electrizados. Podemos decir que un cuerpo en este estado tiene cargas eléctricas, y los propios cuerpos se llaman cargados. Por el plan de estudios escolar sabemos que todos los cuerpos están formados por partículas diminutas (moléculas). Una molécula es una partícula de una sustancia que se puede separar de un cuerpo y tendrá todas las propiedades inherentes a este cuerpo. Las moléculas de cuerpos complejos se forman a partir de diversas combinaciones de átomos de cuerpos simples. Por ejemplo, una molécula de agua consta de dos simples: un átomo de oxígeno y un átomo de hidrógeno.

Átomos, neutrones, protones y electrones: ¿qué son?

A su vez, un átomo consta de un núcleo y gira alrededor de él. electrones. Cada electrón de un átomo tiene una pequeña carga eléctrica. Por ejemplo, un átomo de hidrógeno consta de un núcleo con un electrón que gira a su alrededor. El núcleo de un átomo está formado, a su vez, por protones y neutrones. El núcleo de un átomo, a su vez, tiene carga eléctrica. Los protones que forman el núcleo tienen las mismas cargas eléctricas y electrones. Pero los protones, a diferencia de los electrones, están inactivos, pero su masa es muchas veces mayor que la masa del electrón. La partícula de neutrones que forma parte del átomo no tiene carga eléctrica y es neutra. Los electrones que giran alrededor del núcleo de un átomo y los protones que forman el núcleo son portadores de cargas eléctricas de igual magnitud. Entre un electrón y un protón siempre existe una fuerza de atracción mutua, y entre los propios electrones y entre protones existe una fuerza de repulsión mutua. Debido a esto, el electrón tiene una carga eléctrica negativa y el protón tiene una carga positiva. De esto podemos concluir que existen 2 tipos de electricidad: positiva y negativa. La presencia de partículas igualmente cargadas en un átomo conduce al hecho de que entre el núcleo cargado positivamente del átomo y los electrones que giran a su alrededor actúan fuerzas de atracción mutua, manteniendo el átomo unido en un todo. Los átomos se diferencian entre sí por el número de neutrones y protones en sus núcleos, razón por la cual la carga positiva de los núcleos de átomos de diferentes sustancias no es la misma. En átomos de diferentes sustancias, el número de electrones en rotación no es el mismo y está determinado por la magnitud de la carga positiva del núcleo. Los átomos de algunas sustancias están fuertemente unidos al núcleo, mientras que en otras este enlace puede ser mucho más débil. Esto explica las diferentes fortalezas de los cuerpos. El alambre de acero es mucho más fuerte que el alambre de cobre, lo que significa que las partículas de acero se atraen entre sí más fuertemente que las partículas de cobre. La atracción entre moléculas se nota especialmente cuando están cerca unas de otras. Mayoría ejemplo brillante- dos gotas de agua se fusionan en una al entrar en contacto.

Carga eléctrica

en un átomo De cualquier sustancia, el número de electrones que giran alrededor del núcleo es igual al número de protones contenidos en el núcleo. La carga eléctrica de un electrón y un protón son iguales en magnitud, lo que significa que la carga negativa de los electrones es igual a la carga positiva del núcleo. Estas cargas se anulan entre sí y el átomo permanece neutral. En un átomo, los electrones crean una capa de electrones alrededor del núcleo. La capa de electrones y el núcleo del átomo están en movimiento oscilatorio continuo. Al moverse, los átomos chocan entre sí y de ellos se emiten uno o más electrones. El átomo deja de ser neutro y queda cargado positivamente. Dado que su carga positiva se ha vuelto mayor que la negativa (conexión débil entre el electrón y el núcleo: metal y carbón). En otras carrocerías (madera y vidrio), las carcasas electrónicas no sufren daños. Una vez separados de los átomos, los electrones libres se mueven aleatoriamente y pueden ser capturados por otros átomos. El proceso de apariciones y desapariciones en el cuerpo se produce de forma continua. Al aumentar la temperatura, la velocidad movimiento oscilatorio Los átomos aumentan, las colisiones se vuelven más frecuentes, se vuelven más fuertes y aumenta el número de electrones libres. Sin embargo, el cuerpo permanece eléctricamente neutro, ya que la cantidad de electrones y protones en el cuerpo no cambia. Si se elimina una cierta cantidad de electrones libres del cuerpo, la carga positiva se vuelve mayor que la carga total. El cuerpo quedará cargado positivamente y viceversa. Si se crea una falta de electrones en el cuerpo, éste se carga adicionalmente. Si hay exceso, es negativo. Cuanto mayor sea esta deficiencia o exceso, mayor será la carga eléctrica. En el primer caso (partículas más cargadas positivamente), los cuerpos se denominan conductores (metales, soluciones acuosas de sales y ácidos), y en el segundo (falta de electrones, partículas cargadas negativamente) dieléctricos o aislantes (ámbar, cuarzo, ebonita). . Para que la corriente eléctrica continúe existiendo, se debe mantener constantemente una diferencia de potencial en el conductor.

Bueno, el curso corto de física ha terminado. Creo que, con mi ayuda, recordaste el plan de estudios escolar para el séptimo grado y veremos cuál es la diferencia potencial en mi próximo artículo. Nos vemos de nuevo en las páginas del sitio.

Electricidad

En primer lugar, conviene saber qué es la corriente eléctrica. La corriente eléctrica es el movimiento ordenado de partículas cargadas en un conductor. Para que surja, primero debe crearse un campo eléctrico, bajo cuya influencia las partículas cargadas antes mencionadas comenzarán a moverse.

El primer conocimiento de la electricidad, hace muchos siglos, se relacionaba con las “cargas” eléctricas producidas por fricción. Ya en la antigüedad se sabía que el ámbar, frotado con lana, adquiría la capacidad de atraer objetos ligeros. Pero no fue hasta finales del siglo XVI que el médico inglés Gilbert estudió en detalle este fenómeno y descubrió que muchas otras sustancias tenían exactamente las mismas propiedades. Los cuerpos que, como el ámbar, después de frotarse, pueden atraer objetos ligeros, los llamó electrizados. Esta palabra se deriva del electrón griego - "ámbar". Actualmente decimos que los cuerpos en este estado tienen cargas eléctricas, y los propios cuerpos se denominan “cargados”.

Las cargas eléctricas siempre surgen cuando diferentes sustancias entran en estrecho contacto. Si los cuerpos son sólidos, su estrecho contacto se ve impedido por protuberancias e irregularidades microscópicas que están presentes en su superficie. Al apretar estos cuerpos y frotarlos entre sí, juntamos sus superficies, que sin presión sólo se tocarían en unos pocos puntos. En algunos cuerpos, las cargas eléctricas pueden moverse libremente entre varias partes, en otros esto es imposible. En el primer caso, los cuerpos se denominan "conductores" y, en el segundo, "dieléctricos o aislantes". Son conductores todos los metales, soluciones acuosas de sales y ácidos, etc. Ejemplos de aislantes son el ámbar, el cuarzo, la ebonita y todos los gases que se encuentran en condiciones normales.

Sin embargo, cabe señalar que la división de los cuerpos en conductores y dieléctricos es muy arbitraria. Todas las sustancias conducen la electricidad en mayor o menor medida. Las cargas eléctricas son positivas y negativas. Este tipo de corriente no durará mucho, porque el cuerpo electrificado se quedará sin carga. Para que continúe existiendo una corriente eléctrica en un conductor, es necesario mantener un campo eléctrico. Para estos fines se utilizan fuentes de corriente eléctrica. El caso más simple de aparición de corriente eléctrica es cuando un extremo del cable está conectado a un cuerpo electrificado y el otro a tierra.

Los circuitos eléctricos que suministran corriente a las bombillas y a los motores eléctricos no aparecieron hasta la invención de las pilas, que se remonta aproximadamente al año 1800. Después de esto, el desarrollo de la doctrina de la electricidad fue tan rápido que en menos de un siglo pasó a ser no sólo una parte de la física, sino que formó la base de una nueva civilización eléctrica.

Cantidades básicas de corriente eléctrica.

Cantidad de electricidad y corriente.. Los efectos de la corriente eléctrica pueden ser fuertes o débiles. La intensidad de la corriente eléctrica depende de la cantidad de carga que fluye por el circuito en una determinada unidad de tiempo. Cuantos más electrones se movieran de un polo de la fuente al otro, mayor sería la carga total transferida por los electrones. Esta carga neta se llama cantidad de electricidad que pasa a través de un conductor.

En particular, el efecto químico de la corriente eléctrica depende de la cantidad de electricidad, es decir, cuanto mayor sea la carga que pase a través de la solución electrolítica, más sustancia se depositará en el cátodo y el ánodo. En este sentido, la cantidad de electricidad se puede calcular pesando la masa de la sustancia depositada sobre el electrodo y conociendo la masa y carga de un ion de esta sustancia.

La intensidad de la corriente es una cantidad que es igual a la relación entre la carga eléctrica que pasa a través de la sección transversal del conductor y el tiempo de su flujo. La unidad de carga es el culombio (C), el tiempo se mide en segundos (s). En este caso, la unidad de corriente se expresa en C/s. Esta unidad se llama amperio (A). Para medir la corriente en un circuito se utiliza un dispositivo de medición eléctrico llamado amperímetro. Para su inclusión en el circuito, el amperímetro está equipado con dos terminales. Está conectado en serie al circuito.

Tensión eléctrica. Ya sabemos que la corriente eléctrica es el movimiento ordenado de partículas cargadas: los electrones. Este movimiento se crea mediante un campo eléctrico, que realiza una cierta cantidad de trabajo. Este fenómeno se llama trabajo de la corriente eléctrica. Para mover más carga a través de un circuito eléctrico en 1 s, el campo eléctrico debe realizar más trabajo. En base a esto, resulta que el trabajo de la corriente eléctrica debería depender de la fuerza de la corriente. Pero hay un valor más del que depende el trabajo de la corriente. Esta cantidad se llama voltaje.

El voltaje es la relación entre el trabajo realizado por la corriente en una determinada sección de un circuito eléctrico y la carga que fluye a través de la misma sección del circuito. El trabajo actual se mide en julios (J), la carga, en culombios (C). En este sentido, la unidad de medida de la tensión pasará a ser 1 J/C. Esta unidad se llamó voltio (V).

Para que surja voltaje en un circuito eléctrico, se necesita una fuente de corriente. Cuando el circuito está abierto, el voltaje está presente solo en los terminales de la fuente de corriente. Si esta fuente de corriente está incluida en el circuito, también surgirá voltaje en secciones individuales del circuito. En este sentido, aparecerá una corriente en el circuito. Es decir, podemos decir brevemente lo siguiente: si no hay voltaje en el circuito, no hay corriente. Para medir el voltaje se utiliza un instrumento de medición eléctrico llamado voltímetro. a su apariencia se parece al amperímetro mencionado anteriormente, con la única diferencia de que en la escala del voltímetro está escrita la letra V (en lugar de la A en el amperímetro). El voltímetro tiene dos terminales, con la ayuda de los cuales se conecta en paralelo al circuito eléctrico.

Resistencia eléctrica. Después de conectar varios conductores y un amperímetro al circuito eléctrico, se puede notar que cuando se utilizan diferentes conductores, el amperímetro da diferentes lecturas, es decir, en este caso, la intensidad de la corriente disponible en el circuito eléctrico es diferente. Este fenómeno puede explicarse por el hecho de que diferentes conductores tienen diferentes resistencia eléctrica, que es una cantidad física. Fue nombrado Ohm en honor al físico alemán. Como regla general, en física se utilizan unidades más grandes: kiloohmio, megaohmio, etc. La resistencia de un conductor generalmente se indica con la letra R, la longitud del conductor es L y el área de la sección transversal es S En este caso, la resistencia se puede escribir como una fórmula:

donde el coeficiente p se llama resistividad. Este coeficiente expresa la resistencia de un conductor de 1 m de largo con una sección transversal igual a 1 m2. La resistividad se expresa en ohmios x m. Dado que los cables suelen tener una sección transversal bastante pequeña, sus áreas suelen expresarse en milímetros cuadrados. En este caso, la unidad de resistividad será Ohm x mm2/m. En la siguiente tabla. La Figura 1 muestra las resistividades de algunos materiales.

Tabla 1. Resistividad eléctrica de algunos materiales.
Material	p, Ohmios x m2/m	Material	p, Ohmios x m2/m
		Aleación de platino-iridio




Metal o aleación
		Manganina (aleación)
Aluminio		Constantán (aleación)
Tungsteno
		Nicromo (aleación)
Níquel (aleación)		Fechral (aleación)
Níquel (aleación)		Cromel (aleación)

Según la tabla. 1 queda claro que el cobre tiene la resistividad eléctrica más baja y la aleación metálica la más alta. Además, los dieléctricos (aislantes) tienen una alta resistividad.

Capacidad eléctrica. Ya sabemos que dos conductores aislados entre sí pueden acumular cargas eléctricas. Este fenómeno se caracteriza por una cantidad física llamada capacitancia eléctrica. La capacitancia eléctrica de dos conductores no es más que la relación entre la carga de uno de ellos y la diferencia de potencial entre este conductor y el vecino. Cuanto menor sea el voltaje cuando los conductores reciben una carga, mayor será su capacidad. La unidad de capacitancia eléctrica es el faradio (F). En la práctica, se utilizan fracciones de esta unidad: microfaradio (μF) y picofaradio (pF).

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Si tomas dos conductores aislados entre sí y los colocas a poca distancia uno del otro, obtendrás un condensador. La capacitancia de un capacitor depende del espesor de sus placas y del espesor del dieléctrico y de su permeabilidad. Al reducir el espesor del dieléctrico entre las placas del condensador, se puede aumentar significativamente la capacitancia de este último. En todos los condensadores, además de su capacidad, se debe indicar la tensión para la que están diseñados estos dispositivos.

Trabajo y potencia de la corriente eléctrica.. De lo anterior queda claro que la corriente eléctrica realiza algún trabajo. Al conectar motores eléctricos, la corriente eléctrica hace funcionar todo tipo de equipos, mueve trenes por las vías, ilumina las calles, calienta el hogar, y además produce un efecto químico, es decir, permite la electrólisis, etc. Podemos decir que el trabajo realizado por la corriente en una determinada sección del circuito es igual a la corriente del producto, el voltaje y el tiempo durante el cual se realizó el trabajo. El trabajo se mide en julios, el voltaje en voltios, la corriente en amperios y el tiempo en segundos. En este sentido, 1 J = 1B x 1A x 1s. De esto resulta que para medir el trabajo de la corriente eléctrica, se deben usar tres instrumentos a la vez: un amperímetro, un voltímetro y un reloj. Pero esto es engorroso e ineficaz. Por lo tanto, normalmente el trabajo de la corriente eléctrica se mide con contadores eléctricos. Este dispositivo contiene todos los dispositivos anteriores.

La potencia de una corriente eléctrica es igual a la relación entre el trabajo de la corriente y el tiempo durante el cual se realizó. La potencia se designa con la letra “P” y se expresa en vatios (W). En la práctica se utilizan kilovatios, megavatios, hectovatios, etc. Para medir la potencia del circuito es necesario llevar un vatímetro. Los ingenieros eléctricos expresan el trabajo de la corriente en kilovatios-hora (kWh).

Leyes básicas de la corriente eléctrica.

Ley de Ohm. El voltaje y la corriente se consideran las características más útiles de los circuitos eléctricos. Una de las principales características del uso de la electricidad es el rápido transporte de energía de un lugar a otro y su transferencia al consumidor en en la forma requerida. El producto de la diferencia de potencial y la corriente da potencia, es decir, la cantidad de energía liberada en el circuito por unidad de tiempo. Como se mencionó anteriormente, para medir la potencia en un circuito eléctrico se necesitarían 3 dispositivos. ¿Es posible arreglárselas con uno solo y calcular la potencia a partir de sus lecturas y alguna característica del circuito, como su resistencia? A mucha gente le gustó esta idea y la encontró fructífera.

Entonces, ¿cuál es la resistencia de un cable o circuito en su conjunto? ¿Tiene un cable, como las tuberías de agua o las tuberías de un sistema de vacío, una propiedad permanente que podría llamarse resistencia? Por ejemplo, en las tuberías, la relación entre la diferencia de presión que produce el flujo dividida por el caudal suele ser una característica constante de la tubería. De manera similar, el flujo de calor en un alambre se rige por una relación simple que involucra la diferencia de temperatura, el área de la sección transversal del alambre y su longitud. El descubrimiento de tal relación para circuitos electricos fue el resultado de una búsqueda exitosa.

En la década de 1820, el maestro de escuela alemán Georg Ohm fue el primero en empezar a buscar la relación antes mencionada. En primer lugar, luchó por la fama y la fama que le permitirían enseñar en la universidad. Por eso eligió un área de investigación que prometía ventajas especiales.

Om era hijo de un mecánico, por lo que sabía dibujar alambre metálico de diferentes espesores, que necesitaba para los experimentos. Como en aquellos días era imposible comprar alambre adecuado, Om lo hizo él mismo. Durante sus experimentos, probó diferentes longitudes, diferentes espesores, diferentes metales e incluso diferentes temperaturas. Varió todos estos factores uno por uno. En la época de Ohm, las baterías todavía estaban débiles y producían una corriente inconsistente. En este sentido, el investigador utilizó como generador un termopar, cuya unión caliente se colocó en la llama. Además, utilizó un tosco amperímetro magnético y midió diferencias de potencial (Ohm las llamó "voltajes") cambiando la temperatura o el número de uniones térmicas.

El estudio de los circuitos eléctricos apenas ha comenzado a desarrollarse. Después de que se inventaron las baterías alrededor de 1800, comenzaron a desarrollarse mucho más rápido. Se diseñaron y fabricaron varios dispositivos (muy a menudo a mano), se descubrieron nuevas leyes, aparecieron conceptos y términos, etc. Todo esto condujo a una comprensión más profunda de los fenómenos y factores eléctricos.

La actualización de los conocimientos sobre la electricidad, por un lado, fue la causa del surgimiento de un nuevo campo de la física y, por otro lado, fue la base para desarrollo rápido Se inventó la ingeniería eléctrica, es decir, baterías, generadores, sistemas de suministro de energía para iluminación y accionamiento eléctrico, hornos eléctricos, motores eléctricos, etc.

Los descubrimientos de Ohm fueron de gran importancia tanto para el desarrollo del estudio de la electricidad como para el desarrollo de la ingeniería eléctrica aplicada. Permitieron predecir fácilmente las propiedades de los circuitos eléctricos de corriente continua y, posteriormente, de corriente alterna. En 1826, Ohm publicó un libro en el que esbozaba conclusiones teóricas y resultados experimentales. Pero sus esperanzas no se cumplieron; el libro fue recibido con burla. Esto sucedió porque el método de experimentación tosca parecía poco atractivo en una época en la que muchos estaban interesados en la filosofía.

No tuvo más remedio que dejar su puesto docente. No logró un nombramiento en la universidad por el mismo motivo. Durante 6 años, el científico vivió en la pobreza, sin confianza en el futuro, experimentando un sentimiento de amarga decepción.

Pero poco a poco sus obras fueron ganando fama, primero fuera de Alemania. Om era respetado en el extranjero y se benefició de sus investigaciones. En este sentido, sus compatriotas se vieron obligados a reconocerlo en su tierra natal. En 1849 recibió una cátedra en la Universidad de Munich.

Ohm descubrió una ley simple que establece la relación entre corriente y voltaje para un trozo de cable (para parte de un circuito, para todo el circuito). Además, compiló reglas que le permiten determinar qué cambiará si toma un cable de otro tamaño. La ley de Ohm se formula de la siguiente manera: la intensidad de la corriente en una sección de un circuito es directamente proporcional al voltaje en esta sección e inversamente proporcional a la resistencia de la sección.

Ley de Joule-Lenz. La corriente eléctrica en cualquier parte del circuito realiza algún trabajo. Por ejemplo, tomemos cualquier sección del circuito entre cuyos extremos haya un voltaje (U). Por definición de voltaje eléctrico, el trabajo realizado al mover una unidad de carga entre dos puntos es igual a U. Si la intensidad de la corriente en una sección determinada del circuito es igual a i, entonces en el tiempo t la carga pasará, y por tanto el trabajo de la corriente eléctrica en este tramo será:

Esta expresión es válida para corriente continua en cualquier caso, para cualquier sección del circuito, que puede contener conductores, motores eléctricos, etc. La potencia actual, es decir, trabajo por unidad de tiempo, es igual a:

Esta fórmula se utiliza en el sistema SI para determinar la unidad de voltaje.

Supongamos que la sección del circuito es un conductor estacionario. En este caso, todo el trabajo se convertirá en calor, que se liberará en este conductor. Si el conductor es homogéneo y obedece la ley de Ohm (esto incluye todos los metales y electrolitos), entonces:

donde r es la resistencia del conductor. En este caso:

Esta ley fue deducida experimentalmente por primera vez por E. Lenz e, independientemente de él, por Joule.

Cabe señalar que los conductores calefactores tienen numerosas aplicaciones en tecnología. Las más comunes e importantes son las lámparas incandescentes.

Ley de Inducción Electromagnética. En la primera mitad del siglo XIX, el físico inglés M. Faraday descubrió el fenómeno de la inducción magnética. Este hecho, que pasó a ser propiedad de muchos investigadores, dio un poderoso impulso al desarrollo de la ingeniería eléctrica y de radio.

Durante sus experimentos, Faraday descubrió que cuando cambia el número de líneas de inducción magnética que penetran en una superficie limitada por un circuito cerrado, surge una corriente eléctrica en ella. Ésta es la base de quizás la ley más importante de la física: la ley de la inducción electromagnética. La corriente que se produce en el circuito se llama inducción. Debido al hecho de que una corriente eléctrica surge en un circuito solo cuando las cargas libres se exponen a fuerzas externas, cuando un flujo magnético cambiante pasa a lo largo de la superficie de un circuito cerrado, estas mismas fuerzas externas aparecen en él. La acción de fuerzas externas en física se llama fuerza electromotriz o fem inducida.

La inducción electromagnética también aparece en conductores abiertos. Cuando un conductor cruza líneas de fuerza magnéticas, aparece voltaje en sus extremos. La razón de la aparición de tal voltaje es la fem inducida. Si el flujo magnético que pasa a través de un circuito cerrado no cambia, no aparece corriente inducida.

Usando el concepto de "fem de inducción", podemos hablar de la ley de la inducción electromagnética, es decir, la fem de inducción en un circuito cerrado es igual en magnitud a la tasa de cambio del flujo magnético a través de la superficie delimitada por el circuito.

La regla de Lenz. Como ya sabemos, en un conductor surge una corriente inducida. Dependiendo de las condiciones de su aparición, tiene una dirección diferente. En esta ocasión, el físico ruso Lenz formuló la siguiente regla: la corriente inducida que surge en un circuito cerrado siempre tiene una dirección tal que el campo magnético que crea no da flujo magnético cambiar. Todo esto provoca la aparición de una corriente de inducción.

La corriente de inducción, como cualquier otra, tiene energía. Esto significa que ante una corriente de inducción aparece energía eléctrica. Según la ley de conservación y transformación de la energía, la energía antes mencionada sólo puede surgir debido a la cantidad de energía de algún otro tipo de energía. Por tanto, la regla de Lenz corresponde plenamente a la ley de conservación y transformación de la energía.

Además de la inducción, en la bobina puede aparecer la llamada autoinducción. Su esencia es la siguiente. Si surge una corriente en la bobina o cambia su intensidad, aparece un campo magnético cambiante. Y si el flujo magnético que pasa a través de la bobina cambia, entonces aparece en ella una fuerza electromotriz, que se llama fem de autoinducción.

Según la regla de Lenz, la fem autoinductiva al cerrar un circuito interfiere con la intensidad de la corriente y evita que aumente. Cuando el circuito está apagado, la fem autoinductiva reduce la intensidad de la corriente. En el caso de que la intensidad de la corriente en la bobina alcance un cierto valor, el campo magnético deja de cambiar y la fem de autoinducción se vuelve cero.