Tema 26 de 37Física

Corriente eléctrica

Explora la corriente eléctrica como movimiento ordenado de cargas y aprenderás a calcular intensidad, resistencia, voltaje y calentamiento por efecto Joule con aplicaciones al examen.

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El porqué del tema

¿Para qué estudiamos este tema?

En el tema anterior estudiaste los condensadores, dispositivos que almacenan carga y energía en un campo eléctrico. Ahora pasamos de la electrostática a la electrodinámica: del estudio de cargas en reposo al estudio de cargas en movimiento.

La corriente eléctrica es la base de casi toda la tecnología eléctrica y electrónica: desde un foco encendido hasta un hervidor de agua, un axón nervioso o un nanoconductor. Este tema responde preguntas como:

  • ¿Qué es exactamente una corriente eléctrica?
  • ¿Cómo medimos cuánta carga fluye por un conductor?
  • ¿Por qué algunos materiales conducen mejor que otros?
  • ¿Qué relación existe entre el voltaje y la corriente?
  • ¿Qué es la fuerza electromotriz de una pila o batería?
  • ¿Por qué un conductor se calienta cuando circula corriente?

En los exámenes de admisión de la UNMSM este tema aparece con mucha frecuencia. Las preguntas suelen ser aplicativas: intensidad de corriente y número de electrones, resistencia de un alambre, ley de Ohm en materiales óhmicos y no óhmicos, y efecto Joule aplicado al calentamiento de agua, por ejemplo. Por eso aquí no solo verás las definiciones, sino también la manera de aplicar las fórmulas con las unidades correctas.


Antes de empezar

Lo que necesitas saber antes

Antes de entrar al tema conviene recordar algunos conceptos:

  1. Carga eléctrica elemental
    La carga del electrón es
    qe=−1,6×10−19 C q_e = -1,6\times 10^{-19}\ \mathrm{C}
    Usaremos frecuentemente su valor absoluto e=1,6×10−19 Ce=1,6\times 10^{-19}\ \mathrm{C} para calcular el número de electrones.

  2. Diferencia de potencial y campo eléctrico
    Entre dos puntos de diferente potencial existe una diferencia de potencial o voltaje: VAB=VA−VB V_{AB}=V_A-V_B
    Si un conductor se conecta a una pila, en su interior se establece un campo eléctrico que puede mover cargas libres.

  3. Energía y potencia
    La potencia es la rapidez con que se transforma o transfiere energía: P=Et P=\frac{E}{t}
    Su unidad en el SI es el watt (W\mathrm{W}), donde 1 W=1 J/s1\ \mathrm{W}=1\ \mathrm{J/s}.

  4. Calor y temperatura
    Para un cuerpo de masa mm y calor específico cec_e, el calor necesario para cambiar su temperatura en ΔT\Delta T es: Q=m ce ΔT Q=m\,c_e\,\Delta T
    En particular, para el agua: ce=1 calg⋅°C≈4186 Jkg⋅°C c_e=1\ \frac{\mathrm{cal}}{\mathrm{g\cdot °C}}\approx 4186\ \frac{\mathrm{J}}{\mathrm{kg\cdot °C}}


1

Corriente eléctrica

Del movimiento desordenado al movimiento orientado

En un metal hay una gran cantidad de electrones libres. A temperatura ambiente, estos electrones se mueven de manera desordenada: chocan entre sí y con los iones de la red cristalina. Este movimiento caótico no forma una corriente eléctrica, porque en promedio no hay desplazamiento neto de carga en una dirección.

Cuando los extremos de un conductor se conectan a una pila o batería, aparece una diferencia de potencial entre ellos. Esa diferencia de potencial crea un campo eléctrico a lo largo del conductor. El campo eléctrico ejerce fuerza sobre los electrones libres y, además del movimiento térmico desordenado, aparece un movimiento orientado.

Ese movimiento neto de cargas libres es lo que llamamos corriente eléctrica.

Corriente eléctrica en un conductor conectado a una pila: campo eléctrico, movimiento de electrones y corriente convencional

Condiciones para que exista corriente eléctrica

Para que se establezca una corriente eléctrica en un conductor se necesitan dos condiciones:

  1. Que existan cargas libres capaces de moverse.
    En los metales, los portadores son electrones libres. En líquidos y gases, la corriente puede deberse al movimiento de iones positivos y negativos.

  2. Que exista una diferencia de potencial que genere un campo eléctrico.
    Sin campo eléctrico, las cargas libres solo tienen movimiento térmico aleatorio.

Sentido real y sentido convencional

Históricamente, la corriente se definió antes de descubrir el electrón. Se supuso que circulaban cargas positivas. Por eso se fijó como sentido convencional de la corriente el sentido en que se moverían las cargas positivas:

Corriente convencional: de mayor potencial (+) a menor potencial (−) \text{Corriente convencional: de mayor potencial } (+) \text{ a menor potencial } (-)

En un conductor metálico, los electrones se mueven en sentido contrario:

Electrones: de menor potencial (−) a mayor potencial (+) \text{Electrones: de menor potencial } (-) \text{ a mayor potencial } (+)

Al resolver circuitos usaremos siempre el sentido convencional, que es el que va del borne positivo de la fuente al borne negativo por el circuito externo.

Corriente continua y corriente alterna

  • Corriente continua (CC o DC)
    Los portadores de carga se mueven siempre en el mismo sentido. Es la corriente que entregan las pilas y baterías.

  • Corriente alterna (CA o AC)
    La corriente cambia periódicamente de sentido y de magnitud. Es la que llega a las viviendas; en el Perú, la red domiciliaria es de corriente alterna.

En este tema y en la mayoría de problemas de admisión trabajamos con corriente continua, normalmente constante.


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Intensidad de corriente eléctrica

Definición y unidades

Para caracterizar cuán intensa es una corriente se define la intensidad de corriente eléctrica II, que mide cuánta carga atraviesa una sección transversal de un conductor por unidad de tiempo.

Si en un intervalo de tiempo Δt\Delta t pasa una carga neta ΔQ\Delta Q por una sección transversal, entonces:

I=ΔQΔt I = \frac{\Delta Q}{\Delta t}

En el Sistema Internacional, la unidad de corriente es el ampere o amperio:

1 A=1 Cs 1\ \mathrm{A} = 1\ \frac{\mathrm{C}}{\mathrm{s}}

Un ampere significa que por la sección transversal pasa un coulomb de carga en cada segundo.

Múltiplos y submúltiplos usuales:

Símbolo Nombre Equivalencia
kA\mathrm{kA} kiloampere 103 A10^3\ \mathrm{A}
A\mathrm{A} ampere 1 A1\ \mathrm{A}
mA\mathrm{mA} miliampere 10−3 A10^{-3}\ \mathrm{A}
μA\mathrm{\mu A} microampere 10−6 A10^{-6}\ \mathrm{A}

Corriente constante

Si la corriente es constante, en cada intervalo de tiempo igual circula la misma cantidad de carga. Entonces:

Q=I Δt Q = I\,\Delta t

De esta expresión se despejan las tres magnitudes según lo que pida el problema:

I=QtQ=Itt=QI I=\frac{Q}{t} \qquad Q=It \qquad t=\frac{Q}{I}

Cálculo del número de electrones

Si nn electrones atraviesan una sección transversal, la carga total que pasa en valor absoluto es:

Q=ne Q = n e

donde

e=1,6×10−19 C e=1,6\times 10^{-19}\ \mathrm{C}

Por lo tanto:

I=neΔt I = \frac{n e}{\Delta t}

y despejando nn:

n=I Δte n = \frac{I\,\Delta t}{e}

Corriente variable y gráfica II vs tt

Cuando la corriente no es constante, la carga total que pasa en un intervalo se obtiene calculando el área bajo la gráfica II en función de tt.

Gráfica I vs t: el área sombreada representa la carga Q

Es decir:

ΔQ=aˊrea bajo la graˊfica I(t) \Delta Q = \text{área bajo la gráfica } I(t)

En el caso particular de una corriente constante, la gráfica es una recta horizontal y el área es simplemente:

Q=I Δt Q = I\,\Delta t


3

Resistencia eléctrica

¿Qué es la resistencia eléctrica?

Cuando los electrones se mueven por un conductor, chocan con los iones del material y con otros electrones. Estos choques dificultan el paso de la corriente. Esa oposición al movimiento de las cargas se denomina resistencia eléctrica.

La resistencia eléctrica entre dos puntos de un conductor se define como el cociente entre la diferencia de potencial VV aplicada y la corriente II que circula:

R=VI R = \frac{V}{I}

En el SI, la unidad de resistencia es el ohm:

1 Ω=1 VA 1\ \Omega = 1\ \frac{\mathrm{V}}{\mathrm{A}}

Un conductor tiene una resistencia de 1 Ω1\ \Omega si, al aplicar 1 V1\ \mathrm{V} entre sus extremos, circula una corriente de 1 A1\ \mathrm{A}.

Ley de Pouillet: resistencia de un conductor

La resistencia de un conductor homogéneo depende de:

  1. El material del conductor, mediante su resistividad ρ\rho.
  2. La longitud LL del conductor.
  3. El área AA de su sección transversal.

La expresión es:

R=ρLA R = \rho \frac{L}{A}

Esta relación se conoce como ley de Pouillet.

Conductor cilíndrico de longitud L, área transversal A y resistividad ρ

Interpretación:

  • A mayor longitud LL, mayor resistencia: hay más material que atravesar y más choques.
  • A mayor área AA, menor resistencia: hay más espacio para que pasen las cargas.
  • La resistividad ρ\rho representa la oposición propia del material: a mayor ρ\rho, mayor resistencia.

Resistividad y conductividad

La resistividad eléctrica ρ\rho es una propiedad característica de cada material. Su unidad en el SI es:

[ρ]=Ω⋅m [\rho]=\Omega\cdot \mathrm{m}

La conductividad σ\sigma es la magnitud inversa de la resistividad:

σ=1ρ \sigma = \frac{1}{\rho}

Su unidad es:

[σ]=(Ω⋅m)−1 [\sigma]=(\Omega\cdot \mathrm{m})^{-1}

Un buen conductor tiene baja resistividad y alta conductividad. Un aislante tiene altísima resistividad.

Área de una sección circular

En muchos problemas el conductor es cilíndrico. Si se da el radio rr o el diámetro dd, el área de la sección transversal es:

A=πr2 A = \pi r^2

o

A=π(d2)2=πd24 A = \pi \left(\frac{d}{2}\right)^2 = \frac{\pi d^2}{4}

Es muy frecuente que el error en estos problemas provenga de no convertir correctamente las unidades del radio o del área.


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Ley de Ohm

Enunciado y fórmula

La ley de Ohm establece que, para ciertos materiales y a temperatura constante, la diferencia de potencial VV entre los extremos de un conductor es directamente proporcional a la corriente II que circula por él:

V=IR V = I R

También se escribe:

I=VR I = \frac{V}{R}

En esta ley, RR es constante. Eso significa que si se duplica el voltaje, la corriente se duplica; si se reduce el voltaje a la tercera parte, la corriente se reduce en la misma proporción.

Gráfica VV vs II para un conductor óhmico

Para un material que cumple la ley de Ohm, la gráfica del voltaje en función de la corriente es una línea recta que pasa por el origen.

Gráfica de V contra I para un conductor óhmico: recta de pendiente R

La pendiente de esa recta es la resistencia:

R=ΔVΔI R = \frac{\Delta V}{\Delta I}

Materiales óhmicos y no óhmicos

Un material óhmico es aquel cuya resistencia permanece constante al variar el voltaje y la corriente. Muchos conductores metálicos, si se mantiene constante la temperatura, se comportan aproximadamente como óhmicos.

Un material no óhmico es aquel cuya resistencia no es constante. Por ejemplo:

  • El filamento de un foco incandescente.
  • Algunos semiconductores.
  • Los diodos.

En el filamento de un foco, la resistencia cambia porque al pasar corriente el filamento se calienta. La resistividad de los metales aumenta con la temperatura, así que la resistencia aumenta notablemente.

Debe quedar clara una distinción importante:

  • La expresión V=IRV=IR puede usarse como definición de resistencia en cualquier dispositivo: óhmico o no óhmico.
  • La ley de Ohm es una propiedad especial: afirma que la resistencia es constante, es decir, que VV es proporcional a II.

Por eso, en un material no óhmico podemos calcular la resistencia para un punto de operación como R=V/IR=V/I, pero ese valor cambia si cambian VV e II.


5

Fuerza electromotriz

¿Por qué se necesita una fuente?

Si entre los extremos de un conductor se aplica una diferencia de potencial que no se renueva, las cargas se redistribuyen rápidamente y la corriente se detiene. Para mantener una corriente continua se necesita un dispositivo que mantenga la diferencia de potencial.

Ese dispositivo es una fuente de fuerza electromotriz: una pila, una batería o un generador.

Definición de fuerza electromotriz

La fuerza electromotriz (fem), denotada como E\mathcal{E}, es el trabajo realizado por la fuente por unidad de carga positiva que impulsa a través de ella:

E=Wq \mathcal{E} = \frac{W}{q}

Su unidad en el SI es el voltio:

1 V=1 JC 1\ \mathrm{V}=1\ \frac{\mathrm{J}}{\mathrm{C}}

A pesar del nombre, la fem no es una fuerza mecánica. Es una magnitud energética: energía por unidad de carga.

Fuente ideal y fuente real

En una fuente ideal se desprecia toda resistencia interna. La diferencia de potencial entre sus bornes es igual a la fem:

Vab=E V_{ab}=\mathcal{E}

En una fuente real, la propia fuente tiene una resistencia interna rr. Cuando la fuente entrega una corriente II, parte de la energía se disipa dentro de la fuente. La diferencia de potencial entre sus terminales es:

Vab=E−Ir V_{ab}=\mathcal{E}-Ir

Si no circula corriente (I=0I=0), entonces:

Vab=E V_{ab}=\mathcal{E}

En un circuito simple formado por una fuente real (E,r)(\mathcal{E},r) y una resistencia externa RR, la corriente es:

I=ER+r I = \frac{\mathcal{E}}{R+r}

y el voltaje en la resistencia externa es:

VR=IR=E−Ir V_R = IR = \mathcal{E}-Ir

Batería real con fem ℰ, resistencia interna r y resistencia externa R

Este concepto de resistencia interna es la base para entender los circuitos eléctricos del tema siguiente.


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Energía, potencia y efecto Joule

Potencia en un resistor

Cuando una carga qq atraviesa una diferencia de potencial VV, el campo eléctrico realiza un trabajo:

W=qV W=qV

La potencia asociada es:

P=Wt=V qt P = \frac{W}{t} = V\,\frac{q}{t}

Como q/t=Iq/t=I, se obtiene:

P=VI P = VI

Esta expresión es general.

Para un resistor óhmico, usando V=IRV=IR, la potencia puede escribirse de tres formas equivalentes:

P=VI P = VI

P=I2R P = I^2 R

P=V2R P = \frac{V^2}{R}

Las tres dan la potencia eléctrica transformada en calor por el resistor.

Efecto Joule

Cuando circula corriente por un conductor, los choques de los electrones con los iones hacen que el material aumente su vibración térmica. La energía eléctrica se transforma en calor. Este fenómeno se denomina efecto Joule.

La cantidad de calor disipada en un resistor durante un tiempo tt es:

Q=I2Rt Q = I^2 R t

También, usando las otras formas de la potencia:

Q=VIt Q = VIt

o

Q=V2Rt Q = \frac{V^2}{R}t

Estas expresiones dan el calor en joules.

Si se desea el calor en calorías, se usa la equivalencia:

1 J≈0,24 cal 1\ \mathrm{J} \approx 0,24\ \mathrm{cal}

Entonces:

Qcal≈0,24 I2Rt Q_{\mathrm{cal}} \approx 0,24\, I^2 R t

Aplicación al calentamiento de agua

Si el calor disipado por un resistor se entrega a una masa de agua, el agua absorbe ese calor y aumenta su temperatura.

El calor absorbido por el agua es:

Q=m ce ΔT Q = m\,c_e\,\Delta T

Donde:

  • mm: masa de agua.
  • cec_e: calor específico del agua.
  • ΔT\Delta T: aumento de temperatura.

Para el agua:

ce=1 calg⋅°C≈4186 Jkg⋅°C c_e = 1\ \frac{\mathrm{cal}}{\mathrm{g\cdot °C}} \approx 4186\ \frac{\mathrm{J}}{\mathrm{kg\cdot °C}}

Además, la densidad del agua es:

ρagua=1 kg/L \rho_{\mathrm{agua}} = 1\ \mathrm{kg/L}

Por eso, 2 L2\ \mathrm{L} de agua tienen una masa de 2 kg2\ \mathrm{kg}.

Si toda la energía eléctrica disipada se convierte en calor útil para el agua, se cumple:

Peleˊctrica t=m ce ΔT P_{\mathrm{eléctrica}}\,t = m\,c_e\,\Delta T

De donde:

t=m ce ΔTP t = \frac{m\,c_e\,\Delta T}{P}

La potencia se calcula según los datos del problema con P=VIP=VI, P=I2RP=I^2R o P=V2/RP=V^2/R.

Si hay pérdidas de calor, se define una eficiencia:

η=QuˊtilEeleˊctrica \eta = \frac{Q_{\mathrm{útil}}}{E_{\mathrm{eléctrica}}}

y en ese caso:

Eeleˊctrica=Quˊtilη E_{\mathrm{eléctrica}} = \frac{Q_{\mathrm{útil}}}{\eta}


Cuidado

Errores frecuentes

  1. Confundir el sentido real de los electrones con el sentido convencional.
    La corriente convencional va de ++ a −-. Los electrones se mueven de −- a ++.

  2. Creer que la corriente eléctrica solo existe en metales.
    También existe en líquidos y gases, donde los portadores pueden ser iones positivos y negativos.

  3. Usar mal las unidades de área.
    Un error clásico es tomar el radio en mm\mathrm{mm} o cm\mathrm{cm} y no convertirlo a metros antes de calcular A=πr2A=\pi r^2.
    Recuerda:
    1 cm=10−2 m 1\ \mathrm{cm}=10^{-2}\ \mathrm{m}
    1 mm=10−3 m 1\ \mathrm{mm}=10^{-3}\ \mathrm{m}
    1 cm2=10−4 m2 1\ \mathrm{cm^2}=10^{-4}\ \mathrm{m^2}
    1 mm2=10−6 m2 1\ \mathrm{mm^2}=10^{-6}\ \mathrm{m^2}

  4. Confundir el diámetro con el radio.
    En R=ρL/AR=\rho L/A, el área debe calcularse con el radio. Si el dato es el diámetro, hay que dividirlo entre 2.

  5. Pensar que V=IRV=IR siempre es la ley de Ohm.
    V=IRV=IR puede usarse como definición de resistencia, pero la ley de Ohm es la constancia de RR frente a cambios de VV e II.

  6. Suponer que el filamento de un foco tiene la misma resistencia en frío y en caliente.
    La resistencia del filamento aumenta con la temperatura. Si el problema da dos resistencias, hay que usar cada una en su estado correspondiente.

  7. Usar el signo negativo de la carga del electrón al contar electrones.
    Para calcular nn se usa la carga elemental e=1,6×10−19 Ce=1,6\times 10^{-19}\ \mathrm{C} en valor absoluto: Q=neQ=ne.

  8. Mezclar joules y calorías sin convertir.
    Si se usa Q=mceΔTQ=mc_e\Delta T con ce=1 cal/(g⋅°C)c_e=1\ \mathrm{cal/(g\cdot °C)}, el calor estará en calorías. Para igualar con I2RtI^2Rt, que está en joules, hay que convertir: 1 J≈0,24 cal1\ \mathrm{J}\approx 0,24\ \mathrm{cal}.

  9. Olvidar la resistencia interna de una fuente real.
    El voltaje entre los bornes de una fuente real es V=E−IrV=\mathcal{E}-Ir, no siempre E\mathcal{E}.

  10. Creer que la corriente se gasta al pasar por una resistencia.
    La carga se conserva. En un circuito en serie, la corriente es la misma en todos los puntos; no disminuye al atravesar un resistor.


Aprende resolviendo

Ejemplos resueltos

Ejemplo 1

Por un alambre circula una corriente constante de 250 mA250\ \mathrm{mA}. Determina la carga que atraviesa una sección transversal en 1 min 20 s1\ \mathrm{min}\ 20\ \mathrm{s} y el número de electrones correspondiente.

Intenta resolverlo primero. Luego revisa la resolución paso a paso.

Ejemplo 2

Se desea fabricar una resistencia de 5,0 Ω5,0\ \Omega con alambre de nicromo de resistividad 1,5×10−6 Ω⋅m1,5\times 10^{-6}\ \Omega\cdot \mathrm{m}. Si el alambre tiene una sección circular de 0,50 mm0,50\ \mathrm{mm} de radio, ¿qué longitud se necesita?

Intenta resolverlo primero. Luego revisa la resolución paso a paso.

Ejemplo 3

El filamento de un foco tiene una resistencia de 15 Ω15\ \Omega cuando está frío y de 90 Ω90\ \Omega cuando está incandescente. Si el filamento se conecta a una fuente de voltaje fijo de 45 V45\ \mathrm{V}, calcula la corriente inicial en frío, la corriente de operación en caliente y su razón.

Intenta resolverlo primero. Luego revisa la resolución paso a paso.

Ejemplo 4

Un hervidor eléctrico tiene una resistencia de 55 Ω55\ \Omega y se conecta a 220 V220\ \mathrm{V}. Se usa para calentar 2,0 L2,0\ \mathrm{L} de agua desde 20 °C20\ °\mathrm{C} hasta 80 °C80\ °\mathrm{C}. Suponiendo que toda la energía eléctrica se convierte en calor útil para el agua, calcula el tiempo necesario.

Intenta resolverlo primero. Luego revisa la resolución paso a paso.

Lo que viene

Hacia el siguiente tema

Con lo aprendido aquí ya puedes analizar un circuito simple: una fuente de fem conectada a un resistor y la corriente que circula por él. El siguiente tema, Circuitos eléctricos, ampliará estas ideas para redes con varias resistencias conectadas en serie y en paralelo, resistencia equivalente, mediciones con amperímetro y voltímetro, y fuentes reales con resistencia interna.

La corriente, la resistencia, la fem y la ley de Ohm que acabas de estudiar son las herramientas fundamentales con las que se construye todo el análisis de circuitos.

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Básico 5/6Intermedio 21/8Avanzado 5/6Total 31/20

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