En esta lección
- Video de la lección (próximamente)
- Apuntes de la lección
- Ejemplos resueltos
- Ideas clave
- Alineación con NGSS
Llévatelo
Pregunta esencial
¿Qué hace que las cargas fluyan por un circuito?
Un circuito necesita un circuito cerrado y una batería, pero ¿cuánta carga fluye y con qué fuerza se empuja? Al final de esta lección, deberías poder explicar la corriente, el voltaje y la resistencia, y resolver problemas con I = q/t y ΔV = PE/q.
El video de la lección llegará pronto. Mientras tanto, lee la lección que aparece abajo.
Corriente eléctrica
- Corriente: el flujo de carga
- Cantidad de carga por segundo
- Unidad: ampere (A)
La corriente es la rapidez con que la carga fluye por un punto de un circuito. Imagina que te paras en un punto del cable y cuentas cuántos coulombs de carga pasan cada segundo. La corriente se mide en amperes (A). Un ampere significa que pasa un coulomb de carga cada segundo. Por convención, la corriente apunta en la dirección en que se movería la carga positiva: sale de la terminal + de la batería.
La ecuación de la corriente
I = q / t
- I = corriente, en amperes (A)
- q = carga, en coulombs (C)
- t = tiempo, en segundos (s)
Al dividir coulombs entre segundos se obtienen amperes, así que 1 A = 1 C/s. La ecuación se puede despejar como q = It para encontrar la carga, o como t = q/I para encontrar el tiempo.
Voltaje
- Energía que recibe cada coulomb
- El “empujón” de la batería
- Unidad: volt (V) = 1 J/C
El voltaje es la energía que la batería da a cada coulomb de carga. Es el “empujón” que hace que la carga fluya. El voltaje se mide en volts (V), y un volt significa un joule de energía por coulomb. Una pila de 1.5 V da 1.5 J a cada coulomb que pasa por ella, y una batería de 9 V da 9 J a cada coulomb. El voltaje también se llama diferencia de potencial, y por eso su símbolo es ΔV.
La ecuación del voltaje
ΔV = PE / q
- ΔV = voltaje (diferencia de potencial), en volts (V)
- PE = energía potencial eléctrica, en joules (J)
- q = carga, en coulombs (C)
Al dividir joules entre coulombs se obtienen volts, así que 1 V = 1 J/C. Despejada, PE = qΔV da la energía que una carga recibe de una batería.
Resistencia
- Se opone al flujo de carga
- Unidad: ohm (Ω)
- Más resistencia, menos corriente
- La energía se convierte en calor
La resistencia es qué tanto se opone un material al flujo de carga. Mientras las cargas se mueven por un material, chocan una y otra vez con sus átomos, lo que las frena y convierte parte de su energía en calor. La resistencia se mide en ohms (Ω). Con el mismo voltaje, más resistencia significa menos corriente. Un resistor es una pieza fabricada para tener cierta resistencia, y el filamento de un foco es un resistor que se calienta lo suficiente para brillar.
¿Qué afecta la resistencia?
- Cable más largo: más resistencia
- Cable más grueso: menos resistencia
- El material importa
Tres factores controlan la resistencia de un cable. Un cable más largo tiene más resistencia, porque las cargas chocan con más átomos en el camino. Un cable más grueso tiene menos resistencia, porque deja más espacio para que fluya la carga, como un pasillo más ancho. El material también importa: el cobre tiene muy poca resistencia, y por eso se usa en los cables, mientras que el nicromo tiene mucha resistencia, y por eso se usa en los tostadores y los calentadores.
La analogía del agua
- Bomba ↔ batería
- Flujo de agua ↔ corriente
- Empujón de la bomba ↔ voltaje
- Tubo angosto ↔ resistencia
Un circuito funciona de forma muy parecida al agua en un circuito cerrado de tubería. La bomba es como la batería: le da un empujón al agua, que es como el voltaje. La cantidad de agua que pasa por un punto cada segundo es como la corriente. Una sección angosta de la tubería hace más difícil que pase el agua, igual que un resistor. Una bomba más potente o un tubo más ancho significan más flujo.
Ejemplos resueltos
Primero intenta resolver cada problema por tu cuenta y luego abre la solución para revisar tu trabajo.
Ejemplo 1: Cálculo de la corriente
Una carga total de 12 C fluye por un foco en 4.0 s. ¿Cuál es la corriente en el foco?
Mostrar la solución
- Datos: q = 12 C, t = 4.0 s
- Ecuación: I = q/t
- Sustituye: I = 12 C / 4.0 s
- Respuesta: I = 3.0 A. Un coulomb por segundo es un ampere.
Ejemplo 2: Cálculo de la carga
Un tostador consume una corriente de 2.5 A durante 30.0 s. ¿Cuánta carga fluye por él?
Mostrar la solución
- Datos: I = 2.5 A, t = 30.0 s
- Ecuación: I = q/t, así que q = It
- Sustituye: q = (2.5 A)(30.0 s). Un ampere es un coulomb por segundo, así que los segundos se cancelan.
- Respuesta: q = 75 C
Ejemplo 3: Cálculo del voltaje
Una batería da 36 J de energía a 3.0 C de carga. ¿Cuál es el voltaje de la batería?
Mostrar la solución
- Datos: PE = 36 J, q = 3.0 C
- Ecuación: ΔV = PE/q
- Sustituye: ΔV = 36 J / 3.0 C
- Respuesta: ΔV = 12 V. Un joule por coulomb es un volt.
Ejemplo 4: Cálculo de la energía
Una batería de 9.0 V mueve 0.50 C de carga por un circuito. ¿Cuánta energía da la batería a la carga?
Mostrar la solución
- Datos: ΔV = 9.0 V, q = 0.50 C
- Ecuación: ΔV = PE/q, así que PE = qΔV
- Sustituye: PE = (0.50 C)(9.0 V). Un volt es un joule por coulomb, así que los coulombs se cancelan.
- Respuesta: PE = 4.5 J
Práctica
Describe la corriente, el voltaje y la resistencia, ordena cables según su resistencia y resuelve problemas con I = q/t y ΔV = PE/q. Primero inténtalo por tu cuenta y luego revisa tu trabajo con la clave de respuestas. Los PDF están en inglés.
- Hoja de práctica de Corriente, voltaje y resistencia (PDF) (en inglés)
- Clave de respuestas de la hoja de práctica de Corriente, voltaje y resistencia (PDF) (en inglés)
Practica con el Circuit Builder
Construye circuitos con baterías, cables, resistores, interruptores y focos, revísalos con un multímetro y descubre por qué los focos en serie y en paralelo brillan de forma tan distinta. La actividad interactiva está en inglés.
Diapositivas de la lección
Ideas clave
- La corriente es el flujo de carga: I = q/t (A)
- El voltaje es energía por carga: ΔV = PE/q (V)
- La resistencia se opone a la corriente (Ω)
- Los cables largos y delgados tienen más resistencia
De vuelta a la pregunta esencial: el voltaje de una batería da energía a cada coulomb de carga y lo empuja por el circuito. El flujo de carga es la corriente, y la resistencia se opone a ese flujo. En la siguiente lección, conectaremos las tres cantidades con la ley de Ohm.
Alineación con NGSS
Esta lección avanza hacia las siguientes expectativas de desempeño de los Estándares de Ciencias de Nueva Generación (NGSS, por sus siglas en inglés):
- HS-PS3-1: Crear un modelo computacional para calcular el cambio en la energía de un componente de un sistema cuando se conocen el cambio en la energía de los demás componentes y los flujos de energía que entran y salen del sistema.
- HS-PS2-6: Comunicar información científica y técnica sobre por qué la estructura a nivel molecular es importante en el funcionamiento de los materiales diseñados.
Ideas disciplinarias básicas: PS3.A Definiciones de energía; PS3.B Conservación de la energía y transferencia de energía