Cantidades eléctricas fundamentales: corriente, voltaje, potencia

Desarrolla una comprensión intuitiva de la corriente, el voltaje y la potencia.
El voltaje y la corriente son los conceptos primordiales del estudio de la electricidad. Cuando actúan conjuntamente, se transfiere potencia eléctrica. A continuación, construiremos nuestros primeros modelos mentales de estas tres cantidades fundamentales de la electricidad.

La carga

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; si son cargas de tipos opuestos, se atraen, y si son cargas de tipos iguales, se repelen. La gravedad solo tiene un tipo: siempre atrae, nunca repele.

Conductores y aislantes

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 —usado en forma de grafito en los lápices— 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. El comportamiento de los semiconductores está gobernado por la física cuántica, y es a través de nuestra comprensión del tema que podemos describir la forma en que operan estos materiales.

Corriente

La corriente es el flujo de carga.
La carga fluye en una corriente.
Observa la cuidadosa redacción del enunciado. La corriente es un flujo. Decir "la carga fluye" es técnicamente más correcto que decir "la corriente fluye". Sin embargo, es un hábito común entre los ingenieros decir que "la corriente fluye". Está tan arraigado que es perfectamente aceptable en el lenguaje ingenieril, siempre y cuando entiendas que es realmente la carga la que se mueve.
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:
i, equals, start fraction, d, q, divided by, d, t, end fraction
Esto es la corriente en pocas palabras.

Algunos comentarios sobre la corriente

  • ¿Qué es lo que transporta la corriente en un metal? En los metales, los electrones pueden moverse libremente; al hacerlo, generan la corriente. 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 Nastart superscript, plus, end superscript y Clstart superscript, minus, end superscript que flotan libremente. Ambos iones responden a la fuerza eléctrica y se mueven en direcciones opuestas a través de 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 movimiento, 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 cargas 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 de 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.

Voltaje

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

El voltaje se parece a la gravedad

Para una masa m, un cambio en la altura h corresponde a un cambio en la energía potencial, delta, U, equals, m, g, delta, h.
Para una partícula cargada q, un voltaje V corresponde a un cambio en la energía potencial, delta, U, equals, q, V.
El voltaje en un circuito eléctrico es análogo al producto de g, dot, delta, h, donde g es la aceleración debida a la gravedad y 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.

¿Por qué no describes el voltaje directamente en términos eléctricos?

El voltaje es un concepto difícil. Muchas personas han intentado dar una descripción simple del voltaje en términos de las fuerzas eléctricas fundamentales y, hasta ahora, no me he encontrado con una descripción simple que ofrezca ese instante de "¡Ajá!". La electricidad es una fuerza maravillosa y algo misteriosa, así que ten paciencia. Deja que el asombro permanezca por un rato.
La manera más común de presentar el voltaje es por medio de una analogía. Esta forma de hacerlo es valiosa si la analogía es poderosa, si imita útilmente el principio subyacente y si te ayuda a predecir cosas nuevas. La analogía de este artículo, "el voltaje es como la gravedad", no es perfecta, pero es de las mejores. Es un buen lugar para empezar.

Estirar la analogía

Las partículas con carga difieren de las bolas que ruedan de una forma importante. La bolas no se repelen mientras que las cargas con el mismo signo —un enjambre electrónico en un cable, por ejemplo— se repelen con mucha fuerza. Estiramos la analogía con la gravedad cuando hay muchas cargas involucradas. Una multitud de bolas no se comporta igual que una multitud de electrones. Una vez que lidias con muchas cargas, es un buen plan pensar las cargas en términos de las leyes de la electricidad en vez de por analogía con la gravedad. Desarrollamos una derivación completa del voltaje en la lección sobre electrostática.
Si te encuentras con una analogía que te ayude a mejorar tu comprensión, adóptala. Pero no te encariñes demasiado, o por mucho tiempo.
Comparado con el voltaje, el concepto de corriente es más fácil de comprender. Si el voltaje te resulta desconcertante, no te desanimes. Todos los ingenieros eléctricos que conozco empezaron igual, incluyéndome. El voltaje es un concepto con el que toma tiempo entablar amistad.
Me encanta cómo el profesor Richard Feynman, el gran físico y educador de Cal Tech, describe la electricidad en este video de 9 minutos en una entrevista (en inglés) de 1983 con la British Broadcasting Corporation (Corporación Británica de Radiodifusión, BBC por sus siglas en inglés). Disfrútalo cuando tengas tiempo.
Podemos expresar matemáticamente el voltaje entre dos puntos como el cambio en energía que experimenta una carga:
V, equals, start fraction, delta, U, divided by, q, end fraction
Esta es una descripción intuitiva del voltaje en pocas palabras.

Potencia

Definimos la potencia como la razón por unidad de tiempo a la cual se transfiere o se transforma la energía, medida en joules/segundo, también conocidos como watts (1, space, w, a, t, t, equals, 1, space, j, o, u, l, e, slash, s, e, g, u, n, d, o).
p, o, t, e, n, c, i, a, equals, start fraction, d, U, divided by, d, t, end fraction
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:
p, o, t, e, n, c, i, a, equals, start fraction, d, U, divided by, d, t, end fraction, equals, start fraction, d, U, divided by, d, q, end fraction, dot, start fraction, d, q, divided by, d, t, end fraction, equals, v, space, i
La potencia eléctrica es el producto del voltaje por la corriente, y se mide en watts.

Resumen

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.
Este artículo está bajo la licencia CC BY-NC-SA 4.0.