Electricidad

La corriente eléctrica o corriente eléctrica  es un movimiento dirigido (ordenado) de partículas o cuasi -partículas  - portadoras de carga eléctrica [1] [2] [3] . La posterior interacción electromagnética entre partículas cargadas no se lleva a cabo directamente, sino a través de un campo electromagnético [4] . La velocidad de propagación de la interacción electromagnética (campo) o la velocidad de la radiación electromagnética alcanza la velocidad de la luz [5] , que es muchas veces mayor que la velocidad de movimiento de los propios portadores de carga eléctrica [6] .

Los portadores de carga eléctrica pueden ser: en metales  - electrones , en electrolitos  - iones ( cationes y aniones ), en gases  - iones y electrones , en el vacío bajo ciertas condiciones - electrones , en semiconductores  - electrones o huecos ( conductividad electrón-hueco ). Desde el punto de vista de la teoría cuántica de campos, el portador de la interacción electromagnética es un fotón [7] .

A veces, la corriente eléctrica también se denomina corriente de desplazamiento , como resultado de un cambio en el tiempo del campo eléctrico [8] .

La corriente eléctrica tiene las siguientes manifestaciones:

Clasificación

Si las partículas cargadas se mueven dentro de cuerpos macroscópicos en relación con un medio en particular, esa corriente se llama corriente eléctrica de conducción . Si se mueven cuerpos cargados macroscópicos (por ejemplo, gotas de lluvia cargadas), entonces esta corriente se llama corriente de convección [3] .

Existen corrientes eléctricas continuas y alternas, así como todo tipo de corriente alterna. En tales términos, a menudo se omite la palabra "eléctrico".

Corrientes de Foucault

Las corrientes de Foucault (corrientes de Foucault) son “corrientes eléctricas cerradas en un conductor masivo que surgen cuando cambia el flujo magnético que lo penetra ” [14] , por lo tanto, las corrientes de Foucault son corrientes de inducción. Cuanto más rápido cambia el flujo magnético, más fuertes son las corrientes de Foucault. Las corrientes de Foucault no fluyen a lo largo de ciertos caminos en los cables, sino que, al cerrarse en el conductor, forman contornos en forma de vórtice.

La existencia de corrientes de Foucault 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 de Foucault conduce a pérdidas de energía, especialmente en los núcleos de las bobinas de CA. Para reducir las pérdidas de energía debidas a las corrientes de Foucault, los circuitos magnéticos de corriente alterna se dividen en placas separadas, aisladas entre sí y ubicadas perpendicularmente a la dirección de las corrientes de Foucault, lo que limita los posibles contornos de sus trayectorias y reduce en gran medida la magnitud de estas corrientes. . A frecuencias muy altas, en lugar de ferromagnetos, se utilizan magnetodieléctricos para circuitos magnéticos, en los que, debido a la resistencia muy alta, prácticamente no se producen corrientes de Foucault.

Características

Dirección de la corriente

Históricamente se acepta que la dirección de la corriente coincide con la dirección del movimiento de las cargas positivas en un 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 de movimiento de las partículas cargadas [2] .

Velocidad de deriva de los electrones

La velocidad (deriva) del movimiento dirigido de partículas en conductores causado por un campo externo depende del material del conductor, la masa y carga de las partículas, la temperatura ambiente , la diferencia de potencial aplicada y es mucho menor que la velocidad de luz _ Durante 1 segundo, los electrones en el conductor se mueven debido al movimiento ordenado menos de 0,1 mm [6] - 20 veces menos que la velocidad del caracol . A pesar de esto, la velocidad de propagación de la corriente eléctrica real es igual a la velocidad de la luz (la velocidad de propagación del frente de ondas electromagnéticas ). Es decir, el lugar donde los electrones cambian su velocidad de movimiento después de un cambio de voltaje se mueve con la velocidad de propagación de las oscilaciones electromagnéticas.

Fuerza y ​​densidad de corriente

La corriente eléctrica tiene características cuantitativas: intensidad de corriente escalar y densidad de corriente vectorial .

La intensidad de corriente  es una cantidad física igual a la relación entre la cantidad de carga que ha pasado a través de la sección transversal del conductor en algún tiempo y el valor de este intervalo de tiempo.

La fuerza actual en el Sistema Internacional de Unidades (SI) se mide en amperios (designación rusa: A; internacional: A).

De acuerdo con la ley de Ohm , la intensidad de la corriente en una sección del circuito es directamente proporcional al voltaje aplicado a esta sección del circuito e inversamente proporcional a su resistencia :

Si la corriente eléctrica no es constante en la sección del circuito, entonces el voltaje y la intensidad de la corriente cambian constantemente, mientras que para la corriente alterna ordinaria los valores promedio de voltaje y la intensidad de la corriente son iguales a cero. Sin embargo, la potencia media del calor liberado en este caso no es igual a cero. Por lo tanto, se utilizan los siguientes términos:

La densidad de corriente es un vector , cuyo valor absoluto es igual a la relación de la corriente que fluye a través de una determinada sección del conductor, perpendicular a la dirección de la corriente, al área de esta sección y la dirección de el vector coincide con la dirección de movimiento de las cargas positivas que forman la corriente.

De acuerdo con la ley de Ohm en forma diferencial, la densidad de corriente en el medio es proporcional a la intensidad del campo eléctrico y la conductividad del medio :

Poder

En presencia de corriente en el conductor , se realiza trabajo contra las fuerzas de resistencia. La resistencia eléctrica de cualquier conductor consta de dos componentes:

Generalmente, la mayor parte del trabajo realizado por una corriente eléctrica se libera en forma de calor . El poder de pérdida de calor es un valor igual a la cantidad de calor liberado por unidad de tiempo. De acuerdo con la ley de Joule-Lenz, la potencia de pérdida de calor en un conductor es proporcional a la fuerza de la corriente que fluye y el voltaje aplicado:

La potencia se mide en vatios .

En un medio continuo, la pérdida de potencia volumétrica está determinada por el producto escalar del vector de densidad de corriente y el vector de intensidad de campo eléctrico en un punto dado:

La potencia volumétrica se mide en vatios por metro cúbico .

La resistencia a la radiación es causada por la formación de ondas electromagnéticas alrededor del conductor. Esta resistencia está en compleja dependencia de la forma y dimensiones del conductor, de la longitud de onda de la onda emitida. Para un solo conductor rectilíneo, en el que la corriente es de la misma dirección y fuerza en todas partes, y cuya longitud L es mucho menor que la longitud de la onda electromagnética emitida por él , la dependencia de la resistencia de la longitud de onda y el conductor es relativamente simple:

La corriente eléctrica más utilizada con una frecuencia estándar de 50 Hz corresponde a una longitud de onda de unos 6 mil kilómetros, por lo que la potencia de radiación suele ser despreciablemente pequeña en comparación con la potencia de pérdida de calor. Sin embargo, a medida que aumenta la frecuencia de la corriente, disminuye la longitud de la onda emitida y, en consecuencia, aumenta la potencia de radiación. Un conductor capaz de radiar energía apreciable se llama antena .

Frecuencia

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

Un período de corriente alterna es el período de tiempo más corto (expresado en segundos) después del cual se repiten los cambios en la corriente (y el voltaje) [15] . El número de periodos completados por la corriente por unidad de tiempo se llama frecuencia. La frecuencia se mide en hercios , un hercio (Hz) corresponde 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 pie de igualdad con la corriente provocada por el movimiento de cargas. La intensidad del campo magnético depende de la corriente eléctrica total, que es igual a la suma de la corriente de conducción y la corriente de desplazamiento. Por definición, la densidad de corriente de desplazamiento  es una cantidad vectorial proporcional a la tasa de cambio del campo eléctrico :

,

donde  es la constante eléctrica y  es la permitividad . Cuando el campo eléctrico cambia, al igual que con el flujo de 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 transferencia de energía . Por ejemplo, al cargar y descargar un capacitor , a pesar de que no hay movimiento de partículas cargadas entre sus placas, hablan de una corriente de desplazamiento que fluye a través de él, transportando algo de energía y cerrando el circuito eléctrico de una manera peculiar . La corriente de desplazamiento en el capacitor está determinada por la fórmula:

,

donde  está la carga en las placas del capacitor,  es la diferencia de potencial entre las placas,  es la capacitancia del capacitor.

La corriente de desplazamiento no es una corriente eléctrica, porque no está relacionada 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 acción de una fuerza, generalmente una diferencia de potenciales eléctricos, se ponen en movimiento y crean una corriente eléctrica. La característica corriente-voltaje (dependencia de la intensidad de la corriente en el voltaje) es la característica más importante de un conductor. Para conductores metálicos y electrolitos, tiene la forma más simple: la intensidad de la corriente es directamente proporcional al voltaje (ley de Ohm).

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

El plasma  es un gas ionizado. La carga eléctrica es transportada por iones (positivos y negativos) y electrones libres, que se forman bajo la influencia de la radiación (ultravioleta, rayos X y otros) y (o) calentamiento.

Los electrolitos son “sustancias y sistemas líquidos o sólidos en los que los iones están presentes en cualquier concentración apreciable, provocando el paso de una corriente eléctrica” [17] . Los iones se forman en el proceso de disociación electrolítica. Cuando se calienta, la resistencia de los electrolitos disminuye debido a un aumento en el número de moléculas descompuestas en iones. Como resultado del paso de corriente a través del electrolito, los iones se acercan a los electrodos y se neutralizan, depositándose sobre ellos. Las leyes de electrólisis de Faraday determinan la masa de la sustancia liberada en los electrodos.

También existe una corriente eléctrica de electrones en el vacío, que se utiliza en dispositivos de rayos catódicos [3] .

Corrientes eléctricas en la naturaleza

La electricidad atmosférica  es la electricidad que se encuentra en el aire. Por primera vez demostró la presencia de electricidad en el aire y explicó la causa de los truenos y relámpagos Benjamin Franklin [18] . Posteriormente, se estableció que la electricidad se acumula en la condensación de vapores en la atmósfera superior, y se indicaron las siguientes leyes, a las cuales sigue la electricidad atmosférica:

La corriente total que circula por toda la superficie de la Tierra , en este caso, es de aproximadamente 1800 A [20] .

El relámpago es una descarga eléctrica chispeante natural. Se estableció la naturaleza eléctrica de las auroras . Los fuegos de San Telmo  son una descarga eléctrica de corona natural.

Biocorrientes  : el movimiento de iones y electrones juega un papel muy importante en todos los procesos de la vida. El biopotencial creado en este caso existe tanto a nivel intracelular como en partes individuales del cuerpo y órganos. La transmisión de impulsos nerviosos ocurre con la ayuda de señales electroquímicas. Algunos animales ( rayas eléctricas , anguilas eléctricas ) son capaces de acumular un potencial de varios cientos de voltios y utilizarlo para la autodefensa.

Aplicación

Al estudiar la corriente eléctrica se descubrieron muchas de sus propiedades, lo que permitió encontrar aplicaciones prácticas en diversos campos de la actividad humana, e incluso crear nuevos campos que no serían posibles sin la existencia de una corriente eléctrica. Después de que la corriente eléctrica encontró una aplicación práctica, y debido a que la corriente eléctrica se puede obtener de varias maneras, surgió un nuevo concepto en el campo industrial: la industria de la energía eléctrica .

La corriente eléctrica se utiliza como portadora de señales de diversa complejidad y tipo en diferentes áreas (teléfono, radio, panel de control, botón de bloqueo de puertas, etc.).

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

El uso de la corriente eléctrica como portador de energía

El uso de la corriente eléctrica en medicina

Seguridad

Descarga eléctrica

El cuerpo humano es un conductor de corriente eléctrica. La resistencia humana con piel seca e intacta oscila entre 3 y 100 kOhm.

La corriente que pasa a través del cuerpo humano o animal produce los siguientes efectos:

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

seguridad ELECTRICA

Incluye medidas legales, socioeconómicas, organizativas y técnicas, sanitarias e higiénicas, médicas 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 de servicio de instalaciones eléctricas y equipos eléctricos.

En Rusia, de acuerdo con las Reglas para la operación técnica de instalaciones eléctricas de consumidores [21] y las Reglas para la protección laboral durante la operación de instalaciones eléctricas [22] , se han establecido 5 grupos de calificación para seguridad eléctrica, dependiendo de las calificaciones y la experiencia del empleado y el voltaje de las instalaciones eléctricas.

Exposición a la radiación

En Rusia, los documentos normativos que regulan los niveles máximos permisibles (MPL) de exposición a la radiación electromagnética son:

Los niveles permisibles de radiación de varios equipos de radio transmisores en frecuencias > 300 MHz en la zona residencial sanitaria en algunos países difieren notablemente:

Véase también

Notas

  1. Kovalev N. F., Miller M. A. Corriente eléctrica // Enciclopedia física / Cap. edición A. M. Projorov . - M .: Gran Enciclopedia Rusa , 1998. - T. 5. - S. 515. - 760 p. — ISBN 5-85270-101-7 .
  2. 1 2 Sivukhin D.V. Curso general de física. - Ed. 4º, estereotipado. — M .: Fizmatlit ; Editorial MIPT, 2004. - Vol. III. Electricidad. — 656 pág. - ISBN 5-9221-0227-3 ; ISBN 5-89155-086-5 ..
  3. 1 2 3 4 Corriente eléctrica // Gran enciclopedia soviética  : [en 30 volúmenes]  / cap. edición A. M. Projorov . - 3ra ed. - M.  : Enciclopedia soviética, 1969-1978.
  4. Tiempo. Diccionario enciclopédico . página 227
  5. Física. Nivel profundo. Grado 10 página 381
  6. 1 2 Corriente eléctrica en metales (enlace inaccesible) . - "Durante 1 s, los electrones en el conductor se mueven con un movimiento ordenado de menos de 0,1 mm". Fecha de acceso: 1 de enero de 2012. Archivado desde el original el 14 de febrero de 2012. 
  7. Física en los dedos. En ilustraciones .
  8. GOST R 52002-2003 Ingeniería eléctrica. Términos y definiciones de conceptos básicos
  9. 1 2 3 4 5 GOST R 52002-2003. Ingenieria Eléctrica. Términos y definiciones de conceptos básicos http://www.gosthelp.ru/gost/gost2416.html
  10. Cualquier corriente periódica no sinusoidal puede representarse como una combinación de componentes armónicos sinusoidales (armónicos) con amplitudes, frecuencias y fases iniciales correspondientes. Véase Serie de Fourier . Circuitos y señales de radio - El concepto del espectro
  11. 1 2 Corriente casi estacionaria // Gran enciclopedia soviética  : [en 30 volúmenes]  / cap. edición A. M. Projorov . - 3ra ed. - M.  : Enciclopedia soviética, 1969-1978.
  12. Savelyev IV Curso de Física General. T. 2. Electricidad y Magnetismo. - M., Nauka, 1988. - pág. 258
  13. que son útiles, determinando su uso, o nocivos, contra los cuales se toman las medidas necesarias.
  14. Corrientes de Foucault // Gran Enciclopedia Soviética  : [en 30 volúmenes]  / cap. edición A. M. Projorov . - 3ra ed. - M.  : Enciclopedia soviética, 1969-1978.
  15. 1 2 Corriente alterna // Gran enciclopedia soviética  : [en 30 volúmenes]  / cap. edición A. M. Projorov . - 3ra ed. - M.  : Enciclopedia soviética, 1969-1978.
  16. Resistencia eléctrica // Gran Enciclopedia Soviética  : [en 30 volúmenes]  / cap. edición A. M. Projorov . - 3ra ed. - M.  : Enciclopedia soviética, 1969-1978.
  17. Electrolitos // Gran Enciclopedia Soviética  : [en 30 volúmenes]  / cap. edición A. M. Projorov . - 3ra ed. - M.  : Enciclopedia soviética, 1969-1978.
  18. Electricidad atmosférica  / V. M. Berezin // Gran Enciclopedia Rusa  : [en 35 volúmenes]  / cap. edición Yu. S. Osipov . - M.  : Gran Enciclopedia Rusa, 2004-2017.
  19. ESBE/Electricidad Atmosférica - Wikisource .
  20. Imyanitov I. M. Electricidad atmosférica // Enciclopedia física / Cap. edición A. M. Projorov . - M .: Enciclopedia soviética , 1988. - T. 1. Efecto Aharonov-Bohm - Líneas largas. - S. 144-146. - 704 pág. — 100.000 copias.
  21. Orden del Ministerio de Energía de la Federación Rusa del 13 de enero de 2003 No. 6 "Sobre la aprobación de las Reglas para la Operación Técnica de Instalaciones Eléctricas de Consumo"
  22. Orden del Ministerio de Energía de la Federación Rusa del 27 de diciembre de 2000 N 163 "Sobre la aprobación de las normas intersectoriales para la protección laboral (normas de seguridad) durante la operación de instalaciones eléctricas"
  23. SanPiN 1.2.3685-21 "Estándares y requisitos de higiene para garantizar la seguridad y (o) inocuidad de los factores ambientales para los humanos"
  24. https://transition.fcc.gov/bureaus/oet/info/documents/bulletins/oet65/oet65.pdf
  25. https://www.icnirp.org/cms/upload/publications/ICNIRPemfgdl.pdf
  26. https://www.canada.ca/content/dam/hc-sc/migration/hc-sc/ewh-semt/alt_formats/pdf/consult/_2014/safety_code_6-code_securite_6/final-finale-eng.pdf
  27. http://www.nhc.gov.cn/ewebeditor/uploadfile/2014/11/20141103161157888.pdf
  28. http://www.lddoc.cn/p-23264.html

Literatura

Enlaces