Temas de física

La corriente eléctrica.

La definición de corriente eléctrica puede ser muy simple: siempre que se muevan cargas eléctricas se dice que hay una corriente eléctrica. Siendo más estrictos, se debe agregar que: se muevan bajo la influencia de un campo eléctrico. En este sentido, resulta una corriente eléctrica el flujo de electrones del tubo de rayos catódicos de un osciloscopio; el salto de una chispa entre dos electrodos; o el tránsito de cargas dentro del electrolito en una pila.

Una definición más rigurosa de la corriente eléctrica indica que: la corriente eléctrica es la cantidad total de carga que pasa a través de un área seccional A por unidad de tiempo. Esta área puede ser el área de la sección de un conductor, por ejemplo, un alambre como se muestra en la figura 1. Debido a que la carga se conserva, la orientación del área con respecto a la dirección del flujo de cargas no interesa, y con independencia de que esta área se tome perpendicular a la corriente o no, la cantidad de cargas que la cruzan siempre será la misma.

Aun cuando las cargas fluyan en una región de espacio vacío, la conservación de las cargas nos permite seguir el flujo sistemáticamente. En este artículo nos concentraremos en la noción general de corriente eléctrica lo mismo cuando la corriente sea a través de un espacio vacío o dentro de algún material.

Si la cantidad de carga que pasa por un área A en un intervalo de tiempo Δt es igual a ΔQ entonces la intensidad media de la corriente eléctrica, (o corriente eléctrica promedio) I_pro se define como:

I_pro ≡ ΔQ/Δt*       (ecuación 1)

*Se usa el símbolo ≡ para indicar que es una definición.

Si la corriente cambia con el tiempo, entonces debemos hablar de corriente instantánea. Para determinar la corriente instantánea usaremos el razonamiento siguiente. La definición de corriente promedio incluye un intervalo de tiempo, y poco nos dice del comportamiento de la corriente entre los extremos del intervalo. Obtendremos un mejor panorama de la corriente si dividimos el tiempo en intervalos cada vez más pequeños y calculamos la corriente promedio en cada uno. Este proceso de división del intervalo del tiempo general en intervalos mas pequeños (nuevo y menor Δt) es posible continuarlo más y más, y cada vez calcular la velocidad promedio en esos nuevos intervalos.

Si seguimos comprimiendo a Δt llegará un momento en que tienda a ser cero, pero esta condición nunca se alcanza, ya que cada vez, el nuevo Δt es el resultado de dividir una cantidad finita, lo que genera otra más chica pero finita también. Sin embargo, y haciendo uso de una situación algo abstracta, podemos decir que cuando Δt tiende a ser cero hemos alcanzado el límite, lo que se simboliza como Δt ➝ 0. Es decir, nuestro Δt se convierte en infinitesimal. El cálculo de la corriente promedio en el límite es lo que se llama corriente instantánea. En un idioma mas coloquial se podía definir la corriente instantánea como la corriente en un determinado instante cualquiera de tiempo.

(ecuación 2)

Unidades de la corriente

La unidad de corriente es coulomb por segundo, pero a esta unidad se le ha reservado un nombre particular en el Sistema Internacional de Unidades el amperio (A) en honor a André Marie Ampère que fue pionero en el estudio de la electricidad y el magnetismo a principios de siglo XIX. De esta forma, una definición del amperio responde a la expresión simple**.

1A = 1C/s     (ecuación 3)

** En realidad el amperio es una de las siete unidades básicas del SI, lo que significa que del amperio es que se derivan otras unidades, tales como el coulomb o el faradio. Por lo tanto es más adecuado decir que el coulomb se define como la cantidad de carga eléctrica que fluye cuando existe una corriente de 1 amperio durante 1 segundo. 1 C ≡ 1 A·s
El amperio es una unidad bastante grande e incómoda en muchas aplicaciones prácticas, así que se usan también; el miliamperio (mA) con valor de 10^-3 A; el microamperio (μA) equivalente a 10^-6 A; y el nanoamperio (nA) ó 10^-9 A.

La corriente es una magnitud escalar, pero tiene una dirección en la que fluyen las cargas y es conveniente, y muy útil, indicar esta dirección con el uso de flechas. Convencionalmente se asocia la dirección de la flecha con el flujo de las cargas positivas, aun con el hecho conocido de que en los metales, que son los conductores utilizados por excelencia, las que se mueven son las cargas negativas a manos de los electrones, y las cargas positivas, es decir los iones que quedan al abandonar los electrones a los átomos, no pueden moverse ya que están atrapados en el entramado que forma el cristal. Esta convención arbitraria no representa problema en la práctica ya que sean las cargas negativas las que se mueven en una dirección, o las positivas en la dirección contraria la corriente eléctrica es la misma. Aunque es lo más común, no siempre las que se mueven son las cargas negativas y existen situaciones particulares donde se "fabrican" haces de protones para cumplir cierto propósito, y en este contexto la corriente es el movimiento de cargas positivas. En otros casos como en la electrolisis la corriente es el resultado del movimiento de ambas cargas, positivas y negativas. Por ese motivo y para evitar imprecisiones es usual que en lugar de movimiento de cargas se utilice el término movimiento de portadores de carga. 

Tal y como se ha tratado el tema de la corriente eléctrica hasta aquí, nos podría parecer que estos portadores de carga se mueven con entera libertad y en linea recta dentro del medio conductor a velocidades muy altas. Nada más lejos de la realidad. Veamos.

Velocidad de deriva

Figura 2.

Para ilustrar, considere la corriente en un conductor de sección A como el que se muestra en la figura 2. Concentrémonos en un segmento suficientemente pequeño del conductor de longitud, s, como para que pueda considerarse infinitesimal. El volumen de tal sección es As. Si llamamos nal número de portadores de carga por unidad de volumen, y q a la carga contenida en el portador, entonces la cantidad de cargas unitarias móviles en el volumen considerado es nAs. De esta forma la carga total que se mueve en este volumen es:

 ΔQ = cantidad de portadores X carga por portador = (nAs)(q)      (ecuación 4)

Ahora tomemos un intervalo de tiempo Δt de forma tal que todas las cargas contenidas en el segmento de longitud s pasarán por la sección A, y además consideremos que los portadores de carga se mueven a una velocidad v_d. La distancia que se desplazarán los portadores de carga en el tiempo Δt es s = v_dΔt. Por lo tanto la cantidad total de carga se puede escribir como: 

 ΔQ = (nAv_dΔt)(q)      (ecuación 5)

Si dividimos ambos lados de la ecuación por Δt llegamos a la expresión de intensidad de corriente en el conductor:

I = ΔQ/Δt = nqv_dA      (ecuación 6)

Note que aunque hemos utilizado la expresión de corriente promedio en la deducción de la ecuación 6 se ha utilizado una sección de conductor infinitesimal de modo que Δt ➝ 0 y por ello la ecuación 6 es más general y aplicable a cualquier tipo de corriente.

La velocidad v_d es en realidad una velocidad promedio y se llama velocidad de deriva. El modelo simple que explica que los metales son buenos conductores de la electricidad se basa en el hecho de que estos materiales contienen electrones en los átomos con elevada libertad de movimiento, en principio se dice que son electrones libres. Un electrón libre en un metal experimenta una fuerza, y por lo tanto una aceleración, cuando el conductor metálico se somete a una diferencia de potencial entre sus extremos que genera en su interior un campo eléctrico. Tal electrón está sujeto a frecuentes colisiones con los iones positivos que forman la estructura cristalina del material, esté presente el campo eléctrico o no.

Cuando no hay campo eléctrico, los electrones como promedio se mueven en cualquier dirección al azar, pero cuando está presente el campo eléctrico estos adquieren una dirección neta de movimiento impulsados por la fuerza eléctrica que reciben. En esta situación las colisiones frecuentes se convierten en un impedimento al libre movimiento en la dirección que impone el campo eléctrico. El resultado de estos choques frecuentes es un desplazamiento en zigzag, lo que implica que la velocidad neta en la dirección del campo eléctrico se ve notablemente reducida y es la que hemos llamado velocidad de deriva.

La velocidad de deriva típica es muy baja, y puede estar en el orden de fracciones de milímetro por segundo, o menos, en las aplicaciones prácticas, por ejemplo, si se considera un conductor de cobre de 1 mm de diámetro que transporta 100 mA, la velocidad de deriva de los electrones, asumiendo que cada átomo de cobre aporte un electrón libre es de solo ¡0.001 cm/s!. Sí, así mismo es, no es un error en el texto. Entonces salta la pregunta obligada, si esa es la velocidad de traslación de los electrones por el cable que alimenta la lámpara de mi cuarto ¿cómo es posible que encienda al instante cuando muevo el interruptor en la pared? La explicación es simple, cuando se aplica la diferencia de potencial al cable eléctrico al encender el interruptor, el campo eléctrico se establece a lo largo del conductor a una velocidad que se acerca a la velocidad de la luz. Todos los electrones libres que están distribuidos a lo largo del conductor experimentan la fuerza que induce su movimiento casi al mismo tiempo y se mueven al unísono en respuesta al campo eléctrico, lo mismo los que están en el propio interruptor como aquellos que están en la propia lámpara y la corriente se establece en todo el alambre. Es equivalente al caso de la manguera de jardín que está llena de agua, cuando usted abre la llave de paso no tiene que esperar por tiempo alguno para que salga el líquido en el extremo lejano de la manguera.

Se denomina corriente eléctrica al flujo de carga eléctrica a través de un material sometido a una diferencia de potencial. 

Históricamente, se definió como un flujo de cargas positivas y se fijó el sentido convencional de circulación de la corriente como un flujo de cargas desde el polo positivo al negativo. Sin embargo, posteriormente se observó, gracias al efecto Hall, que en los metales los portadores de carga son electrones, con carga negativa, y se desplazan en sentido contrario al convencional.
A partir de la corriente eléctrica se definen dos magnitudes: la intensidad y la densidad de corriente. El valor de la intensidad de corriente que atraviesa un circuito es determinante para calcular la sección de los elementos conductores del mismo.

La intensidad de corriente (I) en una sección dada de un conductor (s) se define como la carga eléctrica (Q) que atraviesa la sección en una unidad de tiempo (t):
Si la intensidad de corriente es constante, entonces
La densidad de corriente (j) es la intensidad de corriente que atraviesa una sección por unidad de superficie de la sección (S). 

La corriente eléctrica o intensidad eléctrica es el flujo de carga eléctrica por unidad de tiempo que recorre un material.¹ Se debe al movimiento de las cargas (normalmente electrones) en el interior del material. En el Sistema Internacional de Unidades se expresa en C/s (culombios sobre segundo), unidad que se denomina amperio. Una corriente eléctrica, puesto que se trata de un movimiento de cargas, produce un campo magnético, un fenómeno que puede aprovecharse en el electroimán.

El instrumento usado para medir la intensidad de la corriente eléctrica es el galvanómetro que, calibrado en amperios, se llama amperímetro, colocado en serie con el conductor por el que circula la corriente que se desea medir.

La corriente eléctrica está definida por convenio en sentido contrario al desplazamiento de loselectrones.

Diagrama del efecto Hall, mostrando el flujo deelectrones. (en vez de la corriente convencional).
Leyenda:
l 1. Electrones
2. Sensor o sonda Hall
3. Imanes
4. Campo magnético
5. Fuente de energía
Descripción
En la imagen A, una carga negativa aparece en el borde superior del sensor Hall (simbolizada con el color azul), y una positiva en el borde inferior (color rojo). En B y C, el campo eléctrico o el magnético están invertidos, causando que la polaridad se invierta. Invertir tanto la corriente como el campo magnético (imagen D) causa que la sonda asuma de nuevo una carga negativa en la esquina superior.

Históricamente, la corriente eléctrica se definió como un flujo de cargas positivas y se fijó el sentido convencional de circulación de la corriente, como un flujo de cargas desde el polo positivo al negativo. Sin embargo posteriormente se observó, gracias al efecto Hall, que en los metales los portadores de carga son negativos, electrones, los cuales fluyen en sentido contrario al convencional. En conclusión, el sentido convencional y el real son ciertos en tanto que los electrones como protones fluyen desde el polo negativo hasta llegar al positivo (sentido real), cosa que no contradice que dicho movimiento se inicia al lado del polo positivo donde el primer electrón se ve atraído por dicho polo creando un hueco para ser cubierto por otro electrón del siguiente átomo y así sucesivamente hasta llegar al polo negativo (sentido convencional). Es decir la corriente eléctrica es el paso de electrones desde el polo negativo al positivo comenzando dicha progresión en el polo positivo.²

En el siglo XVIII cuando se hicieron los primeros experimentos con electricidad, sólo se disponía de carga eléctrica generada por frotamiento (electricidad estática) o por inducción. Se logró (por primera vez, en 1800) tener un movimiento constante de carga cuando el físico italiano Alessandro Volta inventó la primera pila eléctrica.

Conducción eléctrica

Un material conductor posee gran cantidad de electrones libres, por lo que es posible el paso de la electricidad a través del mismo. Los electrones libres, aunque existen en el material, no se puede decir que pertenezcan a algún átomo determinado.

Una corriente de electricidad existe en un lugar cuando una carga neta se transporta desde ese lugar a otro en dicha región. Supongamos que la carga se mueve a través de un alambre. Si la carga q se transporta a través de una sección transversal dada del alambre, en un tiempo t, entonces la intensidad de corriente I, a través del alambre es:

Aquí q está dada en culombios, t en segundos, e I en amperios. Por lo cual, la equivalencia es:

Una característica de los electrones libres es que, incluso sin aplicarles un campo eléctrico desde afuera, se mueven a través del objeto de forma aleatoria debido a la energía calórica. En el caso de que no hayan aplicado ningún campo eléctrico, cumplen con la regla de que la media de estos movimientos aleatorios dentro del objeto es igual a cero. Esto es: dado un plano irreal trazado a través del objeto, si sumamos las cargas (electrones) que atraviesan dicho plano en un sentido, y sustraemos las cargas que lo recorren en sentido inverso, estas cantidades se anulan.

Cuando se aplica una fuente de tensión externa (como, por ejemplo, una batería) a los extremos de un material conductor, se está aplicando un campo eléctrico sobre los electrones libres. Este campo provoca el movimiento de los mismos en dirección al terminal positivo del material (los electrones son atraídos [tomados] por el terminal positivo y rechazados [inyectados] por el negativo). Es decir, los electrones libres son los portadores de la corriente eléctrica en los materiales conductores.

Si la intensidad es constante en el tiempo, se dice que la corriente es continua; en caso contrario, se llama variable. Si no se produce almacenamiento ni disminución de carga en ningún punto del conductor, la corriente es estacionaria.

Para obtener una corriente de 1 amperio, es necesario que 1 culombio de carga eléctrica por segundo esté atravesando un plano imaginario trazado en el material conductor.

El valor I de la intensidad instantánea será:

Si la intensidad permanece constante, en cuyo caso se denota I_m, utilizando incrementos finitos de tiempo se puede definir como:

Si la intensidad es variable la fórmula anterior da el valor medio de la intensidad en el intervalo de tiempo considerado.

Según la ley de Ohm, la intensidad de la corriente es igual a la tensión (o voltaje) dividido por la resistencia que oponen los cuerpos:

Haciendo referencia a la potencia, la intensidad equivale a la raíz cuadrada de la potencia dividida por la resistencia. En un circuito que contenga varios generadores y receptores, la intensidad es igual a:

donde  es el sumatorio de las fuerzas electromotrices del circuito,  es la suma de todas la fuerzas contraelectromotrices,  es la resistencia equivalente del circuito,  es la suma de las resistencias internas de los generadores y  es el sumatorio de las resistencias internas de los receptores.

Intensidad de corriente en un elemento de volumen:  , donde encontramos n como el número de cargas portadoras por unidad de volumen dV; q refiriéndose a la carga del portador; v la velocidad del portador y finalmente dS como el área de la sección del elemento de volumen de conductor.^{[cita requerida]}

Definición por medio del magnetismo

La corriente eléctrica es el flujo de portadores de carga eléctrica, normalmente a través de un cable metálico o cualquier otro conductor eléctrico, debido a la diferencia de potencial creada por un generador de corriente. La ecuación que la describe en electromagnetismo es:

Donde  es la densidad de corriente de conducción,  es el vector perpendicular al diferencial de superficie,  es el vector unitario normal a la superficie, y  es el diferencial de superficie.

La carga eléctrica puede desplazarse cuando esté en un objeto y éste es movido, como el electróforo. Un objeto se carga o se descarga eléctricamente cuando hay movimiento de carga en su interior.

Corriente continua

Rectificador de corriente alterna en continua, con puente de Gratz. Se emplea cuando la tensión de salida tiene un valor distinto de la tensión de entrada.

Se denomina corriente continua o corriente directa(CC en español, en inglés DC, de Direct Current) al flujo de cargas eléctricas que no cambia de sentido con el tiempo. La corriente eléctrica a través de un material se establece entre dos puntos de distinto potencial. Cuando hay corriente continua, los terminales de mayor y menor potencial no se intercambian entre sí. Es errónea la identificación de la corriente continua con la corriente constante (ninguna lo es, ni siquiera la suministrada por una batería). Es continua toda corriente cuyo sentido de circulación es siempre el mismo, independientemente de su valor absoluto.

Su descubrimiento se remonta a la invención de la primera pila voltaica por parte del conde y científico italianoAlessandro Volta. No fue hasta los trabajos de Edison sobre la generación de electricidad, en las postrimerías del siglo XIX, cuando la corriente continua comenzó a emplearse para la transmisión de la energía eléctrica. Ya en el siglo XX este uso decayó en favor de la corriente alterna, que presenta menores pérdidas en la transmisión a largas distancias, si bien se conserva en la conexión de redes eléctricas de diferentes frecuencias y en la transmisión a través de cables submarinos.

Desde 2008 se está extendiendo el uso de generadores de corriente continua a partir de células fotoeléctricas que permiten aprovechar la energía solar.

Cuando es necesario disponer de corriente continua para el funcionamiento de aparatos electrónicos, se puede transformar la corriente alterna de la red de suministro eléctrico mediante un proceso, denominado rectificación, que se realiza con unos dispositivos llamados rectificadores, basados en el empleo de diodos semiconductores o tiristores (antiguamente, también de tubos de vacío).³

Corriente alterna

Onda senoidal.

Voltaje de las fases de un sistema trifásico. Entre cada una de las fases hay un desfase de 120º.

Esquema de conexión.

Conexión en triángulo y enestrella.

Se denomina corriente alterna (simbolizada CA en español y AC en inglés, de alternating current) a la corriente eléctrica en la que la magnitud y dirección varían cíclicamente. La forma de onda de la corriente alterna más comúnmente utilizada es la de una ondasinoidal.⁴ En el uso coloquial, "corriente alterna" se refiere a la forma en la cual la electricidad llega a los hogares y a las empresas.

El sistema usado hoy en día fue ideado fundamentalmente por Nikola Tesla, y la distribución de la corriente alterna fue comercializada por George Westinghouse. Otros que contribuyeron al desarrollo y mejora de este sistema fueron Lucien Gaulard,John Gibbs y Oliver Shallenger entre los años 1881 y 1889. La corriente alterna superó las limitaciones que aparecían al emplear la corriente continua (CC), la cual constituye un sistema ineficiente para la distribución de energía a gran escala debido a problemas en la transmisión de potencia.

La razón del amplio uso de la corriente alterna, que minimiza los problemas de trasmisión de potencia, viene determinada por su facilidad de transformación, cualidad de la que carece la corriente continua. La energía eléctrica trasmitida viene dada por el producto de la tensión, la intensidad y el tiempo. Dado que la sección de los conductores de las líneas de transporte de energía eléctrica depende de la intensidad, se puede, mediante un transformador, modificar el voltaje hasta altos valores (alta tensión), disminuyendo en igual proporción la intensidad de corriente. Esto permite que los conductores sean de menor sección y, por tanto, de menor costo; además, minimiza las pérdidas por efecto Joule, que dependen del cuadrado de la intensidad. Una vez en el punto de consumo o en sus cercanías, el voltaje puede ser de nuevo reducido para permitir su uso industrial o doméstico de forma cómoda y segura.

Las frecuencias empleadas en las redes de distribución son 50 y 60 Hz. El valor depende del país.

Corriente trifásica

Se denomina corriente trifásica al conjunto de tres corrientes alternas de igual frecuencia, amplitud y valor eficaz que presentan una diferencia de fase entre ellas de 120°, y están dadas en un orden determinado. Cada una de las corrientes que forman el sistema se designa con el nombre de fase.

La generación trifásica de energía eléctrica es más común que la monofásica y proporciona un uso más eficiente de los conductores. La utilización de electricidad en forma trifásica es mayoritaria para transportar y distribuir energía eléctrica y para su utilización industrial, incluyendo el accionamiento de motores. Las corrientes trifásicas se generan mediante alternadores dotados de tres bobinas o grupos de bobinas, arrolladas en un sistema de tres electroimanes equidistantes angularmente entre sí.

Los conductores de los tres electroimanes pueden conectarse en estrella o en triángulo. En la disposición en estrella cada bobina se conecta a una fase en un extremo y a un conductor común en el otro, denominado neutro. Si el sistema está equilibrado, la suma de las corrientes de línea es nula, con lo que el transporte puede ser efectuado usando solamente tres cables. En la disposición en triángulo o delta cada bobina se conecta entre dos hilos de fase, de forma que un extremo de cada bobina está conectado con otro extremo de otra bobina.

El sistema trifásico presenta una serie de ventajas tales como la economía de sus líneas de transporte de energía (hilos más finos que en una línea monofásica equivalente) y de los transformadores utilizados, así como su elevado rendimiento de los receptores, especialmente motores, a los que la línea trifásica alimenta con potencia constante y no pulsada, como en el caso de la línea monofásica.

Tesla fue el inventor que descubrió el principio del campo magnético rotatorio en 1882, el cual es la base de la maquinaria de corriente alterna. Él inventó el sistema de motores y generadores de corriente alterna polifásica que da energía al planeta.⁵

Véase también: Motor de corriente alterna

Corriente monofásica

Se denomina corriente monofásica a la que se obtiene de tomar una fase de la corriente trifásica y un cable neutro. En España y demás países que utilizan valores similares para la generación y trasmisión de energía eléctrica, este tipo de corriente facilita una tensión de 230 voltios, lo que la hace apropiada para que puedan funcionar adecuadamente la mayoría de electrodomésticos y luminarias que hay en las viviendas.

Desde el centro de transformación más cercano hasta las viviendas se disponen cuatro hilos: un neutro (N) y tres fases (R, S y T). Si la tensión entre dos fases cualesquiera (tensión de línea) es de 400 voltios, entre una fase y el neutro es de 230 voltios. En cada vivienda entra el neutro y una de las fases, conectándose varias viviendas a cada una de las fases y al neutro; esto se llama corriente monofásica. Si en una vivienda hay instalados aparatos de potencia eléctrica alta (aire acondicionado, motores, etc., o si es un taller o una empresa industrial) habitualmente se les suministra directamente corriente trifásica que ofrece una tensión de 400 voltios.

Corriente eléctrica estacionaria

Se denomina corriente eléctrica estacionaria, a la corriente eléctrica que se produce en un conductor de forma que la densidad de carga ρ de cada punto del conductor es constante, es decir que se cumple que: