Una corriente eléctrica es un flujo de partículas cargadas , como electrones o iones , que se mueven a través de un conductor eléctrico o 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 es equivalente a un culombio por segundo. El amperio es una unidad base 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 un calentamiento Joule , que crea luz en las bombillas incandescentes . Las corrientes variables en el tiempo emiten ondas electromagnéticas , que se utilizan en las telecomunicaciones para transmitir información.
El símbolo convencional para la corriente es I , que se origina de la frase francesa intensité du courant (intensidad de corriente). [5] [6] La intensidad de corriente a menudo se conoce simplemente como corriente . [7] El símbolo I fue utilizado por André-Marie Ampère , de quien se nombró 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 el 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, en particular los semiconductores , los portadores de carga pueden ser positivos o negativos, dependiendo del dopante utilizado. Los portadores de carga positivos y negativos pueden incluso estar presentes al mismo tiempo, como sucede 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 la dirección opuesta. Dado que la corriente puede ser el flujo de cargas positivas o negativas, o ambas, se necesita una convención para la dirección de la corriente que sea independiente del tipo de portadores de carga . Los portadores cargados negativamente, como los electrones (los portadores de carga en cables metálicos y muchos otros componentes de circuitos electrónicos), fluyen en la dirección opuesta del 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 la 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 arbitrariamente. Cuando se resuelve el circuito, un valor negativo para 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 pasa 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. [16]
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 suministra 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 transportadas por cables eléctricos también son ejemplos de corriente alterna. Un objetivo importante en estas aplicaciones es la recuperación de la 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 carga eléctrica 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 , aislantes o incluso a través del vacío como en haces de electrones o iones . Un antiguo nombre para la corriente continua era corriente galvánica . [17]
Entre los ejemplos naturales observables de corriente eléctrica se incluyen los rayos , las descargas eléctricas estáticas y el viento solar , fuente de las auroras polares .
Las corrientes eléctricas generadas por el hombre incluyen el flujo de electrones de conducción en cables metálicos, como las líneas eléctricas aéreas que distribuyen energía eléctrica a grandes distancias, y los cables más pequeños dentro de los equipos eléctricos y electrónicos. Las corrientes de Foucault son corrientes eléctricas que se producen 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 a 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 huecos 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 utilizando un amperímetro .
La corriente eléctrica se puede medir directamente con un galvanómetro , pero este método implica romper el circuito eléctrico , lo que a veces resulta inconveniente.
La corriente también se puede medir sin interrumpir el circuito detectando el campo magnético asociado a la corriente. Los dispositivos, a nivel de circuito, utilizan diversas 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 por el cual el paso de una corriente eléctrica a través de un conductor aumenta la energía interna del conductor, [21] : 846 convirtiendo el trabajo termodinámico en calor . [21] : 846, fn. 5 El fenómeno fue estudiado por primera vez por James Prescott Joule en 1841. Joule sumergió un trozo de cable en una masa fija de agua y midió el aumento de temperatura debido a una corriente conocida a través del cable durante un período de 30 minutos . Al variar 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 se denominó posteriormente joule y se le dio el símbolo J. [4] : 20 La unidad de potencia SI comúnmente conocida, el vatio ( símbolo : W), es equivalente a un julio por segundo. [4] : 20
En un electroimán, una bobina de cables se comporta como un imán cuando fluye una corriente eléctrica a través de ella. Cuando se corta la corriente, la bobina pierde su magnetismo inmediatamente. La corriente eléctrica produce un campo magnético . El campo magnético puede visualizarse 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 variable a un conductor, se induce una fuerza electromotriz (FEM), [21] : 1004 que inicia una corriente eléctrica, cuando existe un camino adecuado.
Cuando una corriente eléctrica fluye por un conductor de forma adecuada a frecuencias de radio , se pueden generar ondas de radio . Estas 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, la corriente convencional se define como aquella que se mueve en la misma dirección que el flujo de carga positiva. Por lo tanto, en metales donde los portadores de carga (electrones) son negativos, la corriente convencional se mueve en la dirección opuesta al movimiento general de los electrones. En conductores donde los portadores de carga son positivos, la corriente convencional se mueve 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 completamente al flujo de carga positiva . Por ejemplo, las corrientes eléctricas en los electrolitos son flujos de iones con carga positiva y negativa. En una celda electroquímica de plomo-ácido común , las corrientes eléctricas están compuestas de iones hidronio positivos que fluyen en una dirección y de 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 completamente de iones que fluyen.
En un metal , algunos de los electrones externos de cada átomo no están ligados a las moléculas individuales como en los sólidos moleculares , o en bandas completas como en los materiales aislantes, sino que son libres de moverse dentro de la red metálica . Estos electrones de conducción pueden servir como portadores de carga , transportando una corriente. Los metales son particularmente conductores porque hay muchos de estos electrones libres. Sin un 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 de metal, los electrones se mueven en ambas direcciones a través de la superficie a una velocidad igual. Como escribió George Gamow en su libro de divulgación científica Uno, dos, tres... infinito (1947), "las sustancias metálicas se diferencian de todos los demás materiales en que las capas externas de sus átomos están unidas de forma bastante laxa y a menudo dejan libre a uno de sus electrones. Así, el interior de un metal está lleno de una gran cantidad de electrones sueltos que viajan sin rumbo fijo como una multitud de personas desplazadas. Cuando un cable metálico se somete a una fuerza eléctrica aplicada en sus extremos opuestos, estos electrones libres se precipitan 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 de CC , como una batería , la fuente genera 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 lo tanto, los electrones libres son el portador 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: donde Q es la carga eléctrica transferida a través de la superficie durante un tiempo t . Si Q y t se miden en culombios y segundos respectivamente, I está en amperios.
De manera más general, la corriente eléctrica se puede representar como la velocidad a la que la carga fluye a través de una superficie dada como:
Las corrientes eléctricas en los electrolitos son flujos de partículas cargadas eléctricamente ( iones ). Por ejemplo, si se aplica un campo eléctrico a través de una solución de Na + y Cl− ( y las condiciones son las 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 hielo de agua 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 por protones en movimiento, a diferencia de los electrones en movimiento en los metales.
En ciertas mezclas de electrolitos, los iones de colores brillantes son las cargas eléctricas en movimiento. 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 se aceleran lo suficiente 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 ruptura forma un plasma que contiene suficientes electrones móviles e iones positivos para convertirlo en un conductor eléctrico. En el proceso, forma una ruta conductora 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 se eliminan o se "ionizan" de sus moléculas o átomos. Un plasma se puede formar a alta temperatura o mediante la aplicación de un campo eléctrico o magnético alterno alto, como se indicó anteriormente. Debido a su menor masa, los electrones de 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 al inyectar electrones libres o iones a través de la emisión de electrones de campo o la 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 un efecto túnel , 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 el cátodo calentado indirectamente de los tubos de vacío . Los electrodos fríos también pueden producir espontáneamente nubes de electrones a través de la emisión termoiónica cuando se forman pequeñas regiones incandescentes (llamadas puntos de cátodo o puntos de ánodo ). Estas son regiones incandescentes de la superficie del electrodo que se crean por una corriente alta localizada. Estas regiones pueden iniciarse por la emisión de electrones de campo , pero luego se mantienen por la 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, sobre 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 nula y expulsión de campos magnéticos que se produce en ciertos materiales cuando se enfrían por debajo de una temperatura crítica característica . Fue descubierta 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 mecánico cuántico . Se caracteriza por el efecto Meissner , la expulsión completa de líneas de campo magnético del interior del superconductor cuando este 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 resulta útil pensar que la corriente se debe al flujo de " huecos " positivos (los portadores de carga positiva móviles que son lugares donde al cristal semiconductor le falta un electrón de valencia). Este es el caso de un semiconductor de 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 que se encuentra 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 solo dentro de ciertas 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 fuertemente ligados a los núcleos atómicos del material, y la energía del electrón libre, esta última describe la energía requerida para que un electrón escape completamente del material. Las bandas de energía corresponden cada una 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 aislantes se distinguen de los metales porque la banda de valencia en cualquier metal dado está casi llena de electrones en condiciones de funcionamiento habituales, mientras que muy pocos (semiconductores) o prácticamente ninguno (aislantes) de ellos están disponibles en la banda de conducción , la banda inmediatamente superior a la banda de valencia.
La facilidad con la que los electrones del semiconductor pasan de la banda de valencia a la banda de conducción depende de la brecha de banda entre las bandas. El tamaño de esta brecha de banda 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 se eleve al estado antienlazante superior de ese enlace. Para los estados deslocalizados, por ejemplo en una dimensión, es decir, en un nanocable , para cada energía hay un estado con electrones que fluyen en una dirección y otro estado con electrones que fluyen en la otra. Para que fluya una corriente neta, deben estar ocupados más estados para una dirección que para la otra. Para que esto ocurra, se requiere energía, ya que en el semiconductor los siguientes estados superiores se encuentran por encima de la brecha de banda. A menudo, esto se expresa como: 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 reticular y en excitar electrones en la banda de conducción. Los electrones que transportan corriente en la banda de conducción se conocen como electrones libres , aunque a menudo se los llama simplemente electrones si eso está 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 de sección transversal. [2] : 749 Como se discutió 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 del SI , la densidad de corriente (símbolo: j) se expresa en las unidades básicas del SI de amperios por metro cuadrado. [4] : 22
En materiales lineales como los metales y a bajas frecuencias, la densidad de corriente a lo largo 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) de esa resistencia metálica (ideal) (u otro dispositivo óhmico ):
donde es la corriente, medida en amperios; es la diferencia de potencial , medida en voltios ; y es la resistencia , medida en ohmios . En el caso de corrientes alternas , especialmente a frecuencias más altas, el efecto pelicular 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, lo que aumenta 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 de Fermi ). Para crear un flujo neto de carga, las partículas también deben moverse juntas con una tasa de deriva promedio. Los electrones son los portadores de carga en la mayoría de los metales y siguen una trayectoria errática, rebotando de átomo a átomo, pero generalmente desplazándose en la dirección opuesta del campo eléctrico. La velocidad a la que se desplazan se puede calcular a partir de la ecuación: donde
Por lo general, las cargas eléctricas en los sólidos fluyen lentamente. Por ejemplo, en un cable de cobre de sección transversal de 0,5 mm2 , por el que circula una corriente de 5 A, la velocidad de desplazamiento de los electrones es del orden de un milímetro por segundo. Por poner un ejemplo diferente, en el vacío casi absoluto 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 .
Toda carga eléctrica acelerada, y por tanto toda corriente eléctrica cambiante, da lugar a una onda electromagnética que se propaga a una velocidad muy alta fuera de la superficie del conductor. Esta velocidad suele ser una fracción significativa de la velocidad de la luz, como se puede deducir de las ecuaciones de Maxwell , y es por tanto muchas veces más rápida que la velocidad de desplazamiento de los electrones. Por ejemplo, en las líneas eléctricas de corriente alterna , las ondas de energía electromagnética se propagan a través del espacio entre los cables, pasando de una fuente a una carga distante , aunque los electrones en los cables solo se mueven de ida y vuelta en una distancia minúscula.
La relación entre la velocidad de la onda electromagnética y la velocidad de la luz en el espacio libre se denomina factor de velocidad y depende de las propiedades electromagnéticas del conductor y de los materiales aislantes que lo rodean, así como 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. (Véase también analogía hidráulica ).
Por 'intensidad de corriente' se suele hacer referencia a la 'corriente' en sí.
Ley de Ohm, corriente, voltaje proporcional, resistencia.
Corriente directamente proporcional a la ley de Ohm.
