Corriente, voltaje y resistencia

Una batería de camión que hace pasar 720 culombios por el motor de arranque en 4 segundos suministra una corriente de 180 amperios.

La corriente es carga por segundo

Imagina que estás junto a un cable y cuentas la carga que pasa por un punto. La cantidad de carga por segundo es la corriente eléctrica, I = ΔQ ÷ Δt. Su unidad es el amperio (A), llamado así en honor a André-Marie Ampère, y un amperio equivale a un culombio por segundo. Al arrancar un motor de camión, la batería mueve 720 C en 4.00 s: 720 ÷ 4.00 = 180 A. Una calculadora de bolsillo funciona con unos 0.300 mA, así que tarda 1 ÷ 0.000300 ≈ 3333 segundos, casi una hora, en dejar pasar un solo culombio. Los fusibles, los interruptores automáticos y muchos aparatos indican su corriente nominal en amperios.

¿En qué sentido circula la corriente?

En un cable metálico, las cargas que se mueven son electrones: viajan desde el terminal negativo de la batería, a través del circuito, hasta el terminal positivo. Pero el sentido indicado en todos los diagramas de circuitos es el contrario. La corriente convencional se define en el sentido en que fluiría una carga positiva: sale del terminal + y vuelve al terminal −. Esta convención se remonta a Benjamin Franklin en los años 1700. Ambas descripciones dan los mismos resultados de corriente y voltaje, porque una carga negativa que se mueve hacia la izquierda tiene el mismo efecto que una positiva que se mueve hacia la derecha. En el laboratorio de circuitos puedes mostrar los electrones, las flechas de corriente o ambos, y comprobar que siempre señalan sentidos opuestos.

Los propios electrones son lentos. Cada uno choca con átomos y sigue una trayectoria en zigzag; su rapidez media de avance, la velocidad de deriva, es diminuta. OpenStax la calcula para un cable doméstico de cobre de 2.053 mm de diámetro que transporta 20 A: unos 0.45 mm por segundo, por lo que un electrón necesitaría más de media hora para avanzar un metro. Sin embargo, una lámpara se enciende en cuanto presionas el interruptor. El impulso viaja por el cable casi a la velocidad de la luz, porque el cable ya está lleno de electrones libres; cuando empiezan a moverse los de un extremo, también empiezan los de los demás puntos, como el agua en una manguera llena.

Voltaje: energía por culombio

Algo tiene que impulsar la carga por el circuito. Una batería realiza trabajo sobre cada culombio que la atraviesa, y la energía que entrega a cada culombio es el voltaje, medido en voltios: 1 V = 1 julio por culombio. Una pila de 1.5 V entrega 1.5 J a cada culombio. Una batería de automóvil de 12 V entrega 12 J a cada culombio, así que al mover 5 C suministra 60 J. El voltaje siempre es una diferencia entre dos puntos; por eso también se llama diferencia de potencial. Aumenta dentro de la batería y disminuye en los focos y resistores del resto del circuito, donde la energía se transforma en luz y calor.

Una comparación con el agua ayuda. La batería es una bomba que eleva el agua; el voltaje indica hasta qué altura la eleva. La corriente es la cantidad de agua que pasa cada segundo. Una tubería estrecha que frena el flujo representa la resistencia. La comparación tiene límites, pero explica por qué un voltaje mayor produce una corriente mayor por la misma tubería.

Resistencia: lo que frena la corriente

Al desplazarse, los electrones libres chocan con los átomos del material y les transfieren energía, lo que lo calienta. Esta oposición a la corriente es la resistencia R, medida en ohmios (Ω). La resistencia de un cable depende del material, de su longitud y de su grosor: R = ρL ÷ A, donde ρ es la resistividad del material. Un cable más largo tiene más resistencia; uno más grueso tiene menos. La tabla muestra algunas resistividades de OpenStax. El cobre se usa en el cableado porque solo lo supera la plata, que cuesta mucho más. El nicromo, unas 58 veces más resistivo que el cobre, se usa en las espirales incandescentes de tostadoras y calefactores.

Sustituye los valores para 10 m de ese cable doméstico de cobre. Su sección transversal es π × (1.0265 mm)² ≈ 3.31 × 10⁻⁶ m², así que R = 1.72 × 10⁻⁸ × 10 ÷ (3.31 × 10⁻⁶) ≈ 0.052 Ω. Por eso normalmente podemos considerar que los cables de conexión no tienen resistencia, como hace el laboratorio de circuitos.