Corrientes eléctricas estacionarias
Las corrientes eléctricas estacionarias hacen parte de la energía generada de forma natural con un comportamiento determinado por su naturaleza.
facultad de informática · telecomunicaciones
mar. 19 de oct. 2021
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Las corrientes eléctricas estacionarias son las que se producen en un conductor, en el cual la densidad de carga de cada punto del conductor es invariable. Existen dos tipos de corriente eléctrica producidas por el movimiento de las cargas libres y son las corrientes de convección y las corrientes de conducción. El movimiento de partículas con carga positiva o negativa en el vacío originan las corrientes de convección. Como ejemplo de corrientes de convección están, durante una tormenta, los fuertes movimientos de partículas cargadas.

Las corrientes de convección son consecuencia de un movimiento hidrodinámico en el cual ocurre un transporte de masa. Dichas corrientes no están regidas por la ley de Ohm. Otra forma de explicar el origen de las corrientes de convección es que se forman por diferencias de densidad en el fluido que se producen debido a los gradientes de temperatura, es decir, ocurre en los fluidos cuando es transportado el calor desde zonas de mayores temperaturas a otras con temperaturas menores, como consecuencia de los cambios en la densidad de los materiales.

La transferencia de energía inicia cuando una parte de la materia se calienta, se dilata y asciende desde los puntos más calientes a los más fríos. Cuando el calor se transmite por medio de un movimiento real de la materia que forma el sistema se dice que hay una propagación de calor por convección. Las corrientes de convección son también frecuentes en la atmósfera y la hidrosfera, así como, bajo ciertas circunstancias físicas, también pueden ocurrir en los materiales sólidos. Un ejemplo de corriente de convección en la naturaleza, lo constituye las corrientes formadas por el aire que se eleva sobre la tierra o el agua calentada por la luz solar.

Corriente de conducción

Por otro lado, están las corrientes de conducción, cuyo mecanismo es diferente al de las corrientes antes vistas. Según este modelo básico atómico, el átomo está formado por un núcleo que tiene carga positiva en el que se concentra la mayoría de masa del átomo y una corteza formada por los electrones, los cuales orbitan circularmente alrededor del núcleo.

En ese sentido, en los materiales conductores, en los cuales están presentes la mayoría de los metales, ocurre que los electrones en la corteza atómica están débilmente unidos, lo que propicia que viajen de un átomo a otro de una manera fácil. Otra forma de explicarlo es que son electrones de valencia y su ligadura al núcleo es muy débil y pueden viajar libremente de un átomo a otro átomo, entonces, cuando un campo externo es aplicado al conductor, se produce una corriente eléctrica por el movimiento organizado de los electrones de conducción.

Una forma más sintetizada de definir las corrientes de conducción es, corriente eléctrica resultante del movimiento de las cargas libres en un medio conductor que se encuentra bajo la influencia de un campo eléctrico. Incluso en conductores muy buenos, la velocidad promedio de movimiento es baja, ya que se producen colisiones entre los electrones y esto se traduce en una disipación energética en forma de calor, manifestándose como una oposición al paso de la corriente. Es por ello que se cumple una forma de la ley de Ohm, siendo esta la relación entre la intensidad eléctrica y la densidad de corriente de conducción.

Corriente de convección

A través de un área determinada, la corriente en amperes es la carga eléctrica que circula por esa área por unidad de tiempo. La densidad de corriente J se expresa en amperes por metro cuadrado A/m2 y se calcula así: J = N q u Donde u es la velocidad de la carga y N es el número de portadores de carga por unidad de volumen. El producto N q es la carga libre por unidad de volumen. La corriente expresada en amperes, que fluye por una superficie S, es el flujo del vector J por S, se define por la siguiente expresión: I = ∫sJ· ds

Corriente de conducción

La densidad de corriente se expresa tal y como se expresó en la ecuación : ρv = -ne Donde n es el número de electrones por unidad de volumen, e la carga del electrón y ρv es la densidad de carga electrónica. La corriente de conducción ocurre en un conductor cuando es aplicado un campo eléctrico E.

Entonces, definiendo la densidad de corriente de conducción J en función del campo eléctrico E es la siguiente expresión y se le conoce como una forma de la ley de Ohm. J = σE (4.6) O en función de las magnitudes: J = σ E En σ es la conductividad del conductor, ver en anexo algunos materiales con sus valores de conductividad. Cuando un conductor tiene una sección transversal uniforme, la magnitud de la corriente de conducción satisface la siguiente ecuación, donde J es la magnitud del vector densidad de corriente de conducción J. I = J S

Este no es como el caso que se vio en el tema anterior en el que se cumple que el campo eléctrico dentro del conductor es nulo. En este caso el conductor no está aislado y no hay equilibrio estático, el voltaje aplicado obliga a las cargas libres a moverse y en el interior del conductor existe un campo eléctrico que sostiene el flujo de corriente.

Continuidad de la carga y corriente

Uno de los principales postulados de la física lo constituye el principio de conservación de la carga, el cual enuncia que no hay destrucción ni creación de la carga eléctrica y alega que en todo proceso electromagnético la carga total de un sistema aislado se conserva. Otra forma de enunciar el principio de conservación de la energía es que las cargas eléctricas ni se crean ni se destruyen, todas las cargas ya están en reposo o en movimiento y en todo momento deben ser consideradas.

Un ejemplo del principio de conservación de la carga es cuando se frota una varilla de vidrio con seda. Aparece en la varilla una carga positiva y en la seda aparece una carga negativa, que se traduce en que la acción de frotar no crea carga; esta solo la transfiere de un objeto al otro, alterando ligeramente la neutralidad eléctrica de cada uno.

Con base en el principio de conservación de la carga, la rapidez de reducción de la carga dentro de un volumen determinado debe ser igual al flujo neto de corriente hacia fuera a través de la superficie cerrada del volumen.

Por otro lado, si la corriente fluye hacia el interior, la carga interior en el volumen debe aumentar con proporcionalmente a la corriente; o sea, con la misma razón de aumento. Ya se conoce de la teoría de circuitos eléctricos que la ley de Kirchhoff de las corrientes plantea que la suma de las corrientes que entran en un nodo es igual a la suma de las corrientes que salen del nodo.

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