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.
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. Cargas de tipos opuestos, se atraen, y
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 (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.
Corriente
La corriente es el flujo de carga.
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:
La en d, q, slash, d, es notación de cálculo, significa diferencial. Por ejemplo, la expresión d, t significa "un pequeño cambio en el tiempo". Cuando hay una en un cociente, como d, q, slash, d, t, la expresión significa "un pequeño cambio en q (la carga) por cada pequeño cambio en t (el tiempo)". Una expresión como d, q, slash, d, tse llama derivada, y es parte de lo que estudias en cálculo diferencial.
En cálculo, d
representa un cambio pequeño, tan pequeño que se vuelve
"infinitesimalmente pequeño". Es decir, tiende a cero. Un poco más
adelante en este artículo denotaremos el cambio con un símbolo delta, como en "delta, h es el cambio en la altura". Utilizamos el símbolo para indicar un cambio finito, de metro o 1 segundo, por ejemplo, y utilizamos d para indicar un cambio infinitesimal.
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 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 Nastart superscript, plus, end superscript y Clstart superscript, minus, end superscript
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.
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, .
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 , dot, delta,, donde es la aceleración debida a la gravedad y 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.
Podemos expresar matemáticamente el voltaje entre dos puntos como el cambio en energía que experimenta una carga:
Potencia
La potencia está definida como la tasa a la que la energía () se transforma o se transfiere en el tiempo. Medimos la potencia en unidades de joules/segundo, también conocidas como watts.
()
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.
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