Cantidades eléctricas fundamentales: corriente, voltaje, potencia

El voltaje y la corriente son los conceptos fundamentales de la electricidad. En este artículo, vamos a crear nuestros primeros modelos mentales para estas cantidades eléctricas fundamentales. También vamos a hablar de la potencia, que es lo que ocurre cuando el voltaje y la corriente actúan juntos.

El concepto de electricidad surge de algo que observamos en la naturaleza: una fuerza entre objetos que, como la gravedad, actúa a la distancia. Al origen de esta fuerza le hemos llamado carga. Un hecho sobresaliente de la fuerza eléctrica es que es grande, mucho más grande que la fuerza de gravedad. Sin embargo, a diferencia de esta, hay dos tipos de cargas eléctricas. Cargas de tipos opuestos, se atraen, y cargas de tipos iguales, se repelen. La gravedad solo tiene un tipo: siempre atrae, nunca repele.

Los conductores están formados por átomos cuyos electrones exteriores, o de valencia, están débilmente ligados a sus núcleos. Un ejemplo es el átomo de cobre, cuya estructura idealizada representamos en la imagen. Los átomos metálicos felizmente comparten electrones exteriores cuando un montón de ellos están juntos. Como consecuencia, generan un "enjambre" de electrones que no están asociados a algún núcleo particular, y una fuerza eléctrica pequeña puede hacer que el enjambre electrónico se mueva. El cobre, el oro, la plata y el aluminio son buenos conductores, así como el agua salada.

También existen malos conductores. El tungsteno —un metal que se utiliza para hacer filamentos de focos— y el carbono —en forma de diamante— son relativamente malos conductores, pues sus electrones son menos propensos a moverse.

Los aislantes son materiales cuyos electrones exteriores están fuertemente ligados a sus núcleos. Las fuerzas eléctricas moderadas no son capaces de arrancarlos de sus átomos. Cuando se les aplica una fuerza eléctrica a estos materiales, las nubes electrónicas de sus átomos se deforman, pero los electrones exteriores no son liberados. El vidrio, el plástico, la piedra y el aire son aislantes. Sin embargo, aun para estos materiales, si la fuerza eléctrica es lo suficientemente grande, es capaz de arrancar sus electrones exteriores —esta fuerza es conocida como "fuerza de ruptura"—. Es lo que pasa con las moléculas de aire cuando observas una chispa.

Los materiales semiconductores están entre los aislantes y los conductores. Usualmente actúan como aislantes, pero bajo ciertas circunstancias podemos hacer que se comporten como conductores. El semiconductor más conocido es el silicio (cuyo número atómico es $14$‍). Nuestra capacidad de controlar precisamente las propiedades conductoras y aislantes del silicio nos ha permitido crear maravillas modernas como las computadoras y los teléfonos celulares. Los detalles a nivel atómico de cómo funcionan los aparatos con semiconductores están gobernados por la física cuántica.

La corriente es el flujo de carga.

La carga fluye en una corriente.

Describimos la corriente como el número de cargas por unidad de tiempo que pasan a través de una frontera. Visualízate colocando una frontera transversal en un cable, posicionándote cerca de esta y contando el número de cargas que la atraviesan. Reporta cuánta carga pasó a través de la frontera en un segundo, asignándole el signo positivo a la corriente que se mueve en la dirección en la que lo haría una carga positiva.

Ya que la corriente es la cantidad de carga que pasa a través de una frontera en una cantidad de tiempo, podemos expresarla matemáticamente con la ecuación:

Esto es la corriente en pocas palabras.

¿Qué es lo que transporta la corriente en un metal? En los metales, los electrones pueden moverse libremente; al hacerlo, generan la corriente dentro de estos materiales. Los núcleos positivos en los átomos metálicos están fijos en su lugar y no contribuyen a la corriente. Aunque los electrones tienen carga negativa y hacen casi todo el trabajo en la mayoría de los circuitos eléctricos, definimos una corriente positiva como la dirección en la que se movería una carga positiva. Esta es una muy vieja convención histórica.

¿Las cargas positivas pueden transportar corriente? Sí. Hay muchos ejemplos. En el agua salada, tanto las cargas positivas como las negativas transportan corriente. Si ponemos sal de mesa al agua esta se vuelve un buen conductor. La sal de mesa es cloruro de sodio, NaCl. En el agua, la sal se disuelve en iones de Na${}^{+}$‍ y Cl${}^{-}$‍ que flotan libres. Ambos iones responden a la fuerza eléctrica y se mueven en direcciones opuestas por la solución de agua salada. En este caso, la corriente está compuesta por átomos en movimiento, iones positivos y negativos, no solo electrones libres. Dentro de nuestros cuerpos, las corrientes eléctricas son iones en movimientos, positivos y negativos. La misma definición de corriente funciona: cuenta el número de cargas que pasan por una frontera en una cantidad fija de tiempo.

¿Qué produce la corriente? Los objetos cargados se mueven en respuesta a fuerzas eléctricas y magnéticas. Estas fuerzas provienen de campos eléctricos y magnéticos, que a su vez vienen de la posición y el movimiento de otras cargas.

¿Cuál es la velocidad de la corriente? No hablamos a menudo de la velocidad de la corriente. Responder la pregunta "¿Qué tan rápido fluye la corriente?" requiere la comprensión de un fenómeno físico muy complejo y por lo general no es relevante. Usualmente, la corriente no trata de metros por segundo, sino de carga por segundo. Es más común que respondamos la pregunta "¿cuánta corriente fluye?".

¿Cómo sí hablamos de la corriente? Cuando discutimos sobre la corriente, términos como a través y en tienen mucho sentido. La corriente fluye a través de un resistor; la corriente fluye en un alambre. Si escuchas "la corriente por medio de...", te debe sonar raro.

Para dar nuestro primer paso hacia el concepto de voltaje, echemos un vistazo a una analogía:

Para una masa $m$‍, un cambio en la altura $h$‍ corresponde a un cambio en la energía potencial, $\mathrm{\Delta }U=mg\mathrm{\Delta }h$‍.

Para una partícula cargada $q$‍, un voltaje $V$‍ corresponde a un cambio en la energía potencial, $\mathrm{\Delta }U=qV$‍.

El voltaje en un circuito eléctrico es análogo al producto de $g\cdot \mathrm{\Delta }h$‍, donde $g$‍ es la aceleración debida a la gravedad y $\mathrm{\Delta }h$‍ es el cambio en la altura.

Una bola en la cima de una colina rueda hacia abajo. Cuando está a medio camino, ha cedido la mitad de su energía potencial.

Un electrón en la cima de una "colina de voltaje" viaja "hacia abajo" a través de cables y elementos de un circuito. Al hacer trabajo en su trayecto, cede energía potencial. Cuando el electrón está a la mitad de la colina, ha cedido, o "soltado", la mitad de su energía.

Tanto para la bola como para el electrón, el viaje colina abajo ocurre espontáneamente. La bola y el electrón se mueven por sí mismos hacia estados de menor energía. Pueden haber cosas en el camino de la bola que la hagan rebotar, como árboles y osos. En el caso de los electrones, podemos guiarlos por medio de cables y hacerlos fluir por componentes electrónicos —diseño de circuitos— y hacer cosas interesantes en el camino.

Podemos expresar matemáticamente el voltaje entre dos puntos como el cambio en energía que experimenta una carga:

Esta es una descripción intuitiva del voltaje en pocas palabras.

La potencia está definida como la tasa a la que la energía ($\text{U}$‍) se transforma o se transfiere en el tiempo. Medimos la potencia en unidades de joules/segundo, también conocidas como watts.

($1\text{watt}=1\text{joule}/\text{segundo}$‍)

Un circuito eléctrico es capaz de transferir potencia. La corriente es la razón de flujo de carga, y el voltaje mide la energía por unidad de carga que se transfiere. Podemos insertar estas definiciones en la ecuación para la potencia:

La potencia eléctrica es el producto del voltaje por la corriente, y se mide en watts.

Estos modelos mentales para la corriente y el voltaje nos permitirán empezar a estudiar toda clase de circuitos eléctricos interesantes.

Si quieres ir más allá de esta descripción intuitiva del voltaje, puedes leer una descripción matemáticamente formal del potencial eléctrico y del voltaje.