Una corriente eléctrica es un flujo de partículas cargadas , como electrones o iones , que se mueven a través de un conductor eléctrico o del espacio. Se define como la tasa neta de flujo de carga eléctrica a través de una superficie. [1] : 2 [2] : 622 Las partículas en movimiento se denominan portadores de carga , que pueden ser uno de varios tipos de partículas, dependiendo del conductor. En los circuitos eléctricos los portadores de carga suelen ser electrones que se mueven a través de un cable . En los semiconductores pueden ser electrones o huecos . En un electrolito los portadores de carga son iones , mientras que en el plasma , un gas ionizado, son iones y electrones. [3]
En el Sistema Internacional de Unidades (SI), la corriente eléctrica se expresa en unidades de amperio (a veces llamado "amp", símbolo A), que equivale a un culombio por segundo. El amperio es una unidad básica del SI y la corriente eléctrica es una cantidad base en el Sistema Internacional de Cantidades (ISQ). [4] : 15 La corriente eléctrica también se conoce como amperaje y se mide utilizando un dispositivo llamado amperímetro . [2] : 788
Las corrientes eléctricas crean campos magnéticos , que se utilizan en motores, generadores, inductores y transformadores . En los conductores ordinarios, provocan calentamiento Joule , que crea luz en las bombillas incandescentes . Las corrientes que varían en el tiempo emiten ondas electromagnéticas , que se utilizan en telecomunicaciones para transmitir información.
El símbolo convencional de la corriente es I , que proviene de la frase francesa intensité du courant (intensidad de la corriente). [5] [6] La intensidad de la corriente a menudo se denomina simplemente corriente . [7] El símbolo I fue utilizado por André-Marie Ampère , que da nombre a la unidad de corriente eléctrica, al formular la ley de fuerza de Ampère (1820). [8] La notación viajó de Francia a Gran Bretaña, donde se convirtió en estándar, aunque al menos una revista no cambió del uso de C a I hasta 1896. [9]
La dirección convencional de la corriente, también conocida como corriente convencional , [10] [11] se define arbitrariamente como la dirección en la que fluyen las cargas positivas . En un material conductor , las partículas cargadas en movimiento que constituyen la corriente eléctrica se denominan portadores de carga . En los metales, que forman los cables y otros conductores en la mayoría de los circuitos eléctricos , los núcleos atómicos cargados positivamente de los átomos se mantienen en una posición fija, y los electrones cargados negativamente son los portadores de carga, libres de moverse en el metal. En otros materiales, especialmente en los semiconductores , los portadores de carga pueden ser positivos o negativos, según el dopante utilizado. Incluso pueden estar presentes portadores de carga positivos y negativos al mismo tiempo, como ocurre en un electrolito en una celda electroquímica .
Un flujo de cargas positivas produce la misma corriente eléctrica y tiene el mismo efecto en un circuito que un flujo igual de cargas negativas en dirección opuesta. Dado que la corriente puede ser el flujo de cargas positivas o negativas, o de ambas, se necesita una convención para la dirección de la corriente que sea independiente del tipo de portadores de carga . Por lo tanto, los portadores cargados negativamente, como los electrones (los portadores de carga en los cables metálicos y muchos otros componentes de circuitos electrónicos), fluyen en la dirección opuesta al flujo de corriente convencional en un circuito eléctrico. [10] [11]
Una corriente en un cable o elemento de circuito puede fluir en cualquiera de dos direcciones. Al definir una variable para representar la corriente, se debe especificar la dirección que representa la corriente positiva, generalmente mediante una flecha en el diagrama esquemático del circuito . [12] [13] : 13 Esto se llama dirección de referencia de la corriente . Al analizar circuitos eléctricos , la dirección real de la corriente a través de un elemento de circuito específico generalmente se desconoce hasta que se completa el análisis. En consecuencia, las direcciones de referencia de las corrientes a menudo se asignan de forma arbitraria. Cuando se resuelve el circuito, un valor negativo de la corriente implica que la dirección real de la corriente a través de ese elemento del circuito es opuesta a la dirección de referencia elegida. [a] : 29
La ley de Ohm establece que la corriente que circula por un conductor entre dos puntos es directamente proporcional a la diferencia de potencial entre los dos puntos. Introduciendo la constante de proporcionalidad, la resistencia , [14] se llega a la ecuación matemática habitual que describe esta relación: [15]
donde I es la corriente a través del conductor en unidades de amperios , V es la diferencia de potencial medida a través del conductor en unidades de voltios y R es la resistencia del conductor en unidades de ohmios . Más específicamente, la ley de Ohm establece que R en esta relación es constante, independiente de la corriente. [dieciséis]
En los sistemas de corriente alterna (CA), el movimiento de la carga eléctrica invierte periódicamente su dirección. La CA es la forma de energía eléctrica que se entrega con mayor frecuencia a empresas y residencias. La forma de onda habitual de un circuito de alimentación de CA es una onda sinusoidal , aunque ciertas aplicaciones utilizan formas de onda alternativas, como ondas triangulares o cuadradas . Las señales de audio y radio transmitidas por cables eléctricos también son ejemplos de corriente alterna. Un objetivo importante en estas aplicaciones es la recuperación de información codificada (o modulada ) en la señal de CA.
Por el contrario, la corriente continua (CC) se refiere a un sistema en el que el movimiento de la carga eléctrica se realiza en una sola dirección (a veces llamado flujo unidireccional). La corriente continua es producida por fuentes como baterías , termopares , células solares y máquinas eléctricas de tipo conmutador del tipo dinamo . La corriente alterna también se puede convertir en corriente continua mediante el uso de un rectificador . La corriente continua puede fluir en un conductor como un cable, pero también puede fluir a través de semiconductores , aisladores o incluso a través del vacío como en los haces de electrones o iones . Un antiguo nombre para la corriente continua era corriente galvánica . [17]
Los ejemplos naturales observables de corriente eléctrica incluyen los relámpagos , las descargas eléctricas estáticas y el viento solar , la fuente de las auroras polares .
Los fenómenos de corriente eléctrica provocados por el hombre incluyen el flujo de electrones de conducción en cables metálicos, como las líneas eléctricas aéreas que suministran energía eléctrica a largas distancias y los cables más pequeños dentro de los equipos eléctricos y electrónicos. Las corrientes de Foucault son corrientes eléctricas que ocurren en conductores expuestos a campos magnéticos cambiantes. De manera similar, las corrientes eléctricas se producen, particularmente en la superficie, de conductores expuestos a ondas electromagnéticas . Cuando las corrientes eléctricas oscilantes fluyen con los voltajes correctos dentro de las antenas de radio , se generan ondas de radio .
En electrónica , otras formas de corriente eléctrica incluyen el flujo de electrones a través de resistencias o a través del vacío en un tubo de vacío , el flujo de iones dentro de una batería y el flujo de agujeros dentro de metales y semiconductores .
Un ejemplo biológico de corriente es el flujo de iones en las neuronas y los nervios, responsables tanto del pensamiento como de la percepción sensorial.
La corriente se puede medir usando un amperímetro .
La corriente eléctrica se puede medir directamente con un galvanómetro , pero este método implica romper el circuito eléctrico , lo que en ocasiones resulta inconveniente.
La corriente también se puede medir sin interrumpir el circuito detectando el campo magnético asociado con la corriente. Los dispositivos, a nivel de circuito, utilizan varias técnicas para medir la corriente:
El calentamiento Joule, también conocido como calentamiento óhmico y calentamiento resistivo , es el proceso de disipación de potencia [20] : 36 mediante el cual el paso de una corriente eléctrica a través de un conductor aumenta la energía interna del conductor, [21] : 846 convirtiendo trabajo termodinámico en calor . [21] : 846, nota al pie. 5 El fenómeno fue estudiado por primera vez por James Prescott Joule en 1841. Joule sumergió un trozo de alambre en una masa fija de agua y midió el aumento de temperatura debido a una corriente conocida a través del alambre durante un período de 30 minutos . Variando la corriente y la longitud del cable dedujo que el calor producido era proporcional al cuadrado de la corriente multiplicado por la resistencia eléctrica del cable.
Esta relación se conoce como Ley de Joule . [ 20] : 36 La unidad de energía del SI recibió posteriormente el nombre de julio y se le dio el símbolo J. [4] : 20 La unidad de potencia comúnmente conocida en el SI, el vatio (símbolo: W), equivale a un julio por segundo. [4] : 20
En un electroimán, una bobina de alambres se comporta como un imán cuando una corriente eléctrica fluye a través de ella. Cuando se corta la corriente, la bobina pierde inmediatamente su magnetismo. La corriente eléctrica produce un campo magnético . El campo magnético se puede visualizar como un patrón de líneas de campo circulares que rodean el cable y que persisten mientras haya corriente.
Los campos magnéticos también se pueden utilizar para generar corrientes eléctricas. Cuando se aplica un campo magnético cambiante a un conductor, se induce una fuerza electromotriz (EMF), [21] : 1004 que inicia una corriente eléctrica, cuando hay un camino adecuado.
Cuando una corriente eléctrica fluye en un conductor con la forma adecuada en radiofrecuencias , se pueden generar ondas de radio . Estos viajan a la velocidad de la luz y pueden provocar corrientes eléctricas en conductores distantes.
En los sólidos metálicos, la carga eléctrica fluye por medio de electrones , de menor a mayor potencial eléctrico . En otros medios, cualquier corriente de objetos cargados (iones, por ejemplo) puede constituir una corriente eléctrica. Para proporcionar una definición de corriente independiente del tipo de portadores de carga, se define que la corriente convencional se mueve en la misma dirección que el flujo de carga positiva. Entonces, en metales donde los portadores de carga (electrones) son negativos, la corriente convencional va en la dirección opuesta al movimiento general de los electrones. En conductores donde los portadores de carga son positivos, la corriente convencional va en la misma dirección que los portadores de carga.
En el vacío se puede formar un haz de iones o electrones. En otros materiales conductores, la corriente eléctrica se debe al flujo de partículas con carga positiva y negativa al mismo tiempo. En otros, la corriente se debe enteramente al flujo de carga positiva . Por ejemplo, las corrientes eléctricas en los electrolitos son flujos de iones cargados positiva y negativamente. En una celda electroquímica de plomo-ácido común , las corrientes eléctricas se componen de iones hidronio positivos que fluyen en una dirección e iones sulfato negativos que fluyen en la otra. Las corrientes eléctricas en chispas o plasma son flujos de electrones, así como de iones positivos y negativos. En el hielo y en ciertos electrolitos sólidos, la corriente eléctrica está compuesta enteramente de iones que fluyen.
En un metal , algunos de los electrones externos de cada átomo no están unidos a moléculas individuales como en los sólidos moleculares , ni en bandas completas como en los materiales aislantes, sino que pueden moverse libremente dentro de la red metálica . Estos electrones de conducción pueden servir como portadores de carga , transportando una corriente. Los metales son particularmente conductores porque contienen muchos de estos electrones libres. Sin ningún campo eléctrico externo aplicado, estos electrones se mueven aleatoriamente debido a la energía térmica pero, en promedio, hay cero corriente neta dentro del metal. A temperatura ambiente, la velocidad promedio de estos movimientos aleatorios es de 10,6 metros por segundo. [22] Dada una superficie a través de la cual pasa un alambre metálico, los electrones se mueven en ambas direcciones a través de la superficie a la misma velocidad. Como escribió George Gamow en su libro de divulgación científica One, Two, Three...Infinity (1947), "Las sustancias metálicas se diferencian de todos los demás materiales por el hecho de que las capas exteriores de sus átomos están unidas de manera bastante laxa y, a menudo, uno de sus electrones queda libre. Así, el interior de un metal se llena con un gran número de electrones sueltos que viajan sin rumbo como una multitud de personas desplazadas. Cuando un alambre de metal se somete a una fuerza eléctrica aplicada en sus extremos opuestos, estos Los electrones libres corren en la dirección de la fuerza, formando así lo que llamamos una corriente eléctrica".
Cuando se conecta un cable metálico a través de los dos terminales de una fuente de voltaje CC , como una batería , la fuente coloca un campo eléctrico a través del conductor. En el momento en que se establece el contacto, los electrones libres del conductor se ven obligados a desplazarse hacia el terminal positivo bajo la influencia de este campo. Por tanto, los electrones libres son los portadores de carga en un conductor sólido típico.
Para un flujo constante de carga a través de una superficie, la corriente I (en amperios) se puede calcular con la siguiente ecuación:
De manera más general, la corriente eléctrica se puede representar como la velocidad a la que la carga fluye a través de una superficie determinada como:
Las corrientes eléctricas en los electrolitos son flujos de partículas cargadas eléctricamente ( iones ). Por ejemplo, si se coloca un campo eléctrico a través de una solución de Na + y Cl − (y las condiciones son adecuadas), los iones de sodio se mueven hacia el electrodo negativo (cátodo), mientras que los iones de cloruro se mueven hacia el electrodo positivo (ánodo). Las reacciones tienen lugar en ambas superficies de los electrodos, neutralizando cada ion.
El agua helada y ciertos electrolitos sólidos llamados conductores de protones contienen iones de hidrógeno positivos (" protones ") que son móviles. En estos materiales, las corrientes eléctricas están compuestas de protones en movimiento, a diferencia de los electrones en movimiento en los metales.
En determinadas mezclas de electrolitos, las cargas eléctricas en movimiento son iones de colores brillantes. El lento avance del color hace visible la corriente. [23]
En el aire y otros gases ordinarios por debajo del campo de ruptura, la fuente dominante de conducción eléctrica es a través de relativamente pocos iones móviles producidos por gases radiactivos, luz ultravioleta o rayos cósmicos. Dado que la conductividad eléctrica es baja, los gases son dieléctricos o aislantes . Sin embargo, una vez que el campo eléctrico aplicado se acerca al valor de ruptura , los electrones libres son suficientemente acelerados por el campo eléctrico para crear electrones libres adicionales al colisionar e ionizar átomos o moléculas de gas neutro en un proceso llamado ruptura por avalancha . El proceso de descomposición forma un plasma que contiene suficientes electrones móviles e iones positivos para convertirlo en un conductor eléctrico. En el proceso, se forma un camino conductor que emite luz, como una chispa , un arco o un rayo .
El plasma es el estado de la materia en el que algunos de los electrones de un gas son arrancados o "ionizados" de sus moléculas o átomos. Un plasma puede formarse a alta temperatura o mediante la aplicación de un alto campo eléctrico o magnético alterno como se señaló anteriormente. Debido a su menor masa, los electrones en un plasma se aceleran más rápidamente en respuesta a un campo eléctrico que los iones positivos más pesados y, por lo tanto, transportan la mayor parte de la corriente. Los iones libres se recombinan para crear nuevos compuestos químicos (por ejemplo, descomponiendo el oxígeno atmosférico en oxígeno simple [O 2 → 2O], que luego se recombinan creando ozono [O 3 ]). [24]
Dado que un " vacío perfecto " no contiene partículas cargadas, normalmente se comporta como un aislante perfecto. Sin embargo, las superficies de los electrodos metálicos pueden hacer que una región del vacío se vuelva conductora mediante la inyección de electrones o iones libres a través de emisión de electrones de campo o emisión termoiónica . La emisión termoiónica ocurre cuando la energía térmica excede la función de trabajo del metal , mientras que la emisión de electrones de campo ocurre cuando el campo eléctrico en la superficie del metal es lo suficientemente alto como para causar túneles , lo que resulta en la expulsión de electrones libres del metal al vacío. Los electrodos calentados externamente se utilizan a menudo para generar una nube de electrones , como en el filamento o en el cátodo calentado indirectamente de los tubos de vacío . Los electrodos fríos también pueden producir espontáneamente nubes de electrones mediante emisión termoiónica cuando se forman pequeñas regiones incandescentes (llamadas manchas catódicas o manchas anódicas ). Estas son regiones incandescentes de la superficie del electrodo que se crean por una alta corriente localizada. Estas regiones pueden iniciarse mediante emisión de electrones de campo , pero luego se mantienen mediante emisión termoiónica localizada una vez que se forma un arco de vacío . Estas pequeñas regiones emisoras de electrones pueden formarse con bastante rapidez, incluso de forma explosiva, en una superficie metálica sometida a un campo eléctrico elevado. Los tubos de vacío y los sprytrons son algunos de los dispositivos electrónicos de conmutación y amplificación basados en la conductividad del vacío.
La superconductividad es un fenómeno de resistencia eléctrica exactamente cero y expulsión de campos magnéticos que se produce en ciertos materiales cuando se enfrían por debajo de una temperatura crítica característica . Fue descubierto por Heike Kamerlingh Onnes el 8 de abril de 1911 en Leiden . Al igual que el ferromagnetismo y las líneas espectrales atómicas , la superconductividad es un fenómeno de la mecánica cuántica . Se caracteriza por el efecto Meissner , la expulsión completa de las líneas del campo magnético desde el interior del superconductor a medida que éste pasa al estado superconductor. La aparición del efecto Meissner indica que la superconductividad no puede entenderse simplemente como la idealización de la conductividad perfecta en la física clásica .
En un semiconductor, a veces es útil pensar que la corriente se debe al flujo de " agujeros " positivos (los portadores móviles de carga positiva que son lugares donde al cristal semiconductor le falta un electrón de valencia). Este es el caso de un semiconductor tipo p. Un semiconductor tiene una conductividad eléctrica de magnitud intermedia entre la de un conductor y la de un aislante . Esto significa una conductividad aproximadamente en el rango de 10 −2 a 10 4 siemens por centímetro (S⋅cm −1 ).
En los semiconductores cristalinos clásicos, los electrones pueden tener energías sólo dentro de determinadas bandas (es decir, rangos de niveles de energía). Energéticamente, estas bandas se encuentran entre la energía del estado fundamental, el estado en el que los electrones están estrechamente unidos a los núcleos atómicos del material, y la energía del electrón libre, describiendo esta última la energía necesaria para que un electrón escape completamente del núcleo. material. Cada una de las bandas de energía corresponde a muchos estados cuánticos discretos de los electrones, y la mayoría de los estados con baja energía (más cercanos al núcleo) están ocupados, hasta una banda particular llamada banda de valencia . Los semiconductores y aisladores se distinguen de los metales porque la banda de valencia de cualquier metal dado está casi llena de electrones en condiciones de funcionamiento habituales, mientras que muy pocos (semiconductores) o prácticamente ninguno (aislante) de ellos están disponibles en la banda de conducción , la banda inmediatamente superior. la banda de valencia.
La facilidad para excitar electrones en el semiconductor desde la banda de valencia a la banda de conducción depende de la banda prohibida entre las bandas. El tamaño de esta banda prohibida de energía sirve como una línea divisoria arbitraria (aproximadamente 4 eV ) entre semiconductores y aislantes .
En los enlaces covalentes, un electrón se mueve saltando a un enlace vecino. El principio de exclusión de Pauli requiere que el electrón sea elevado al estado antienlazante superior de ese enlace. Para los estados deslocalizados, por ejemplo en una dimensión, es decir, en un nanocables , para cada energía hay un estado en el que los electrones fluyen en una dirección y otro estado en el que los electrones fluyen en la otra. Para que fluya una corriente neta, se deben ocupar más estados en una dirección que en la otra. Para que esto ocurra se necesita energía, ya que en el semiconductor los estados inmediatamente superiores se encuentran por encima de la banda prohibida. A menudo esto se expresa así: las bandas completas no contribuyen a la conductividad eléctrica . Sin embargo, a medida que la temperatura de un semiconductor aumenta por encima del cero absoluto , hay más energía en el semiconductor para gastar en la vibración de la red y en excitar electrones hacia la banda de conducción. Los electrones portadores de corriente en la banda de conducción se conocen como electrones libres , aunque a menudo se les llama simplemente electrones si eso queda claro en el contexto.
La densidad de corriente es la velocidad a la que la carga pasa a través de una unidad de área elegida. [25] : 31 Se define como un vector cuya magnitud es la corriente por unidad de área transversal. [2] : 749 Como se explicó en Dirección de referencia, la dirección es arbitraria. Convencionalmente, si las cargas en movimiento son positivas, entonces la densidad de corriente tiene el mismo signo que la velocidad de las cargas. Para cargas negativas, el signo de la densidad de corriente es opuesto a la velocidad de las cargas. [2] : 749 En unidades SI , la densidad de corriente (símbolo: j) se expresa en las unidades básicas SI de amperios por metro cuadrado. [4] : 22
En materiales lineales como los metales y en bajas frecuencias, la densidad de corriente a través de la superficie del conductor es uniforme. En tales condiciones, la ley de Ohm establece que la corriente es directamente proporcional a la diferencia de potencial entre dos extremos (a través) de esa resistencia metálica (ideal) (u otro dispositivo óhmico ):
¿Dónde está la corriente medida en amperios? es la diferencia de potencial , medida en voltios ; y es la resistencia , medida en ohmios . Para las corrientes alternas , especialmente a frecuencias más altas, el efecto piel hace que la corriente se distribuya de manera desigual a lo largo de la sección transversal del conductor, con mayor densidad cerca de la superficie, aumentando así la resistencia aparente.
Las partículas cargadas móviles dentro de un conductor se mueven constantemente en direcciones aleatorias, como las partículas de un gas . (Más exactamente, un gas Fermi ). Para crear un flujo neto de carga, las partículas también deben moverse juntas con una velocidad de deriva promedio. Los electrones son los portadores de carga en la mayoría de los metales y siguen un camino errático, rebotando de un átomo a otro, pero generalmente desplazándose en la dirección opuesta al campo eléctrico. La velocidad a la que se desplazan se puede calcular a partir de la ecuación:
Normalmente, las cargas eléctricas de los sólidos fluyen lentamente. Por ejemplo, en un alambre de cobre de 0,5 mm 2 de sección , por el que circula una corriente de 5 A, la velocidad de deriva de los electrones es del orden de un milímetro por segundo. Para tomar un ejemplo diferente, en el casi vacío dentro de un tubo de rayos catódicos , los electrones viajan en líneas casi rectas a aproximadamente una décima parte de la velocidad de la luz .
Cualquier carga eléctrica que se acelera y, por tanto, cualquier corriente eléctrica cambiante, da lugar a una onda electromagnética que se propaga a muy alta velocidad fuera de la superficie del conductor. Esta velocidad suele ser una fracción significativa de la velocidad de la luz, como se deduce de las ecuaciones de Maxwell , y por tanto es muchas veces más rápida que la velocidad de deriva de los electrones. Por ejemplo, en las líneas eléctricas de CA , las ondas de energía electromagnética se propagan a través del espacio entre los cables, moviéndose desde una fuente a una carga distante , aunque los electrones en los cables solo se mueven hacia adelante y hacia atrás en una distancia pequeña.
La relación entre la velocidad de la onda electromagnética y la velocidad de la luz en el espacio libre se llama factor de velocidad , y depende de las propiedades electromagnéticas del conductor y de los materiales aislantes que lo rodean, y de su forma y tamaño.
Las magnitudes (no las naturalezas) de estas tres velocidades pueden ilustrarse mediante una analogía con las tres velocidades similares asociadas con los gases. (Ver también analogía hidráulica ).
La "intensidad de corriente" suele denominarse "corriente" en sí misma.
Resistencia de voltaje proporcional de corriente de la ley de ohm.
Ley de Ohm actual directamente proporcional.
