Corriente Eléctrica I. Corriente Continua. FÍS.

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Física

El circuito eléctrico. Todo circuito eléctrico (v.) contiene un generador o productor de la c. y un aparato, llamado receptor, en el que se lleva a efecto la utilización de ésta, ya sea en forma de luz, calor, etc. A fin de transmitir la c. del generador al receptor; es necesario unirlos mediante conductores. Cabe mencionar otros componentes del conjunto, destinados a establecer o romper a voluntad la comunicación entre generador y receptor conectándolos o desconectándolos del circuito; son los interruptores y conmutadores, denominados, según la construcción y manera de funcionar, interruptores o conmutadores rotatorios, de palanca, pulsadores, etc.

Para que la c. circule entre la fuente productora y el receptor, pudiera parecer suficiente la conexión por medio de un solo conductor. La experiencia enseña, sin embargo, que la lámpara se enciende solamente cuando se dispone de dos conductores: la c. fluye no sólo hacia el receptor, sino que regresa desde él al generador. Uno de los conductores es el de ida; y el otro, el de vuelta.

Naturaleza de la corriente. La necesidad de emplear dos conductores pone de manifiesto que la c. recorre en la instalación un circuito cerrado. Fluye desde el generador (fig. 1) a través del interruptor (cerrado) S hacia la lámpara, recorre el filamento de ésta, que así se pone incandescente, y sigue su camino por el segundo conductor, regresando al generador. Finalmente, circula también a través del generador. Vuelve, por tanto, al punto de salida y puede comenzar de nuevo su camino partiendo del origen en el conductor de ida. Se deduce de aquí que algo recorre continuamente el circuito: es la carga eléctrica, compuesta por electrones (v.), cuyo conjunto puede ser comparado a un fluido, por lo que se le llama "fluido electrónico" o más simplemente "fluido eléctrico". El movimiento procede del generador que actúa como una bomba que impulsa al fluido eléctrico, y el receptor transforma la energía de ésta en energía de otra naturaleza: calor, trabajo mecánico, etc.

Conductores y no conductores. No todas las sustancias conducen bien la c.; según su comportamiento eléctrico, se dividen en conductores y no conductores o aislantes.’ Características intermedias muy interesantes tienen los semiconductores (v.), de gran aplicación en la fabricación de transistores (.v.). Entre los conductores cabe distinguir los que no experimentan alteración química por el paso de la c. (conductores de primera clase) y los que sufren cambios de este género (conductores de segunda clase). Pertenecen especialmente a la primera todos los metales y el carbón; y a la segunda en particular las soluciones ácidas, básicas y salinas y los cuerpos en que predomina el contenido de las mismas (el organismo humano y el de los animales, p. ej.).

Efectos de la corriente. La existencia de una c. eléctrica no puede apreciarse directamente por ninguno de nuestros sentidos. El movimiento electrónico sólo se evidencia por los cambios que se desarrollan en el conductor mismo o a su alrededor. De importancia técnica principal son los tres factores siguientes: el desarrollo de calor y luz, los fenómenos magnéticos y la descomposición química. Además, el paso de la c. eléctrica a través del cuerpo humano y el de los animales da lugar a fenómenos fisiológicos de reacciones musculares y nerviosas que en ciertos casos se manifiestan por grandes trastornos orgánicos e incluso por la electrocutación (v. ELECTRÓLISIS).

La corriente eléctrica como magnitud medible. Cantidad de electricidad e intensidad de corriente. Los efectos de la c. en el conductor o en el espacio que le rodea pueden tener distinta magnitud. Un mismo hilo se calienta unas veces más que otras, lo cual depende del número de electrones que en un determinado lugar del alambre pasa a través de su sección. Al circular una c., el conjunto de electrones libres existentes en el conductor se desplaza con una velocidad v, de manera que si n es el número de dichos electrones por unidad de volumen, e la carga de cada uno de ellos y s la sección del conductor, la carga que atraviesa esa sección en el tiempo dt es dQ=nesvdty en la unidad de tiempo (intensidad) 1= dQ =nesv dtLa densidad de c. (carga que pasa por la unidad de sección en la unidad de tiempo) seráIls=n e vExaminando experimentalmente el recorrido de las líneas de c. (líneas representativas de la densidad de c.) se observa, en primer lugar, que la c. continua tiende a ocupar por completo todo conductor isótropo, distribuyéndose por su sección con la máxima uniformidad posible. La fig. 2 muestra este hecho; se observa que al variar la sección la c. tiende a adaptarse a ella, de forma que la densidad de c. vuelve a ser constante, aunque distinta a la del tramo estrecho del conductor.

Unidades. La unidad de intensidad de c. en el sistema MKS es el amperio (A), que se define en función de la fuerza que ejercen dos conductores paralelos portadores de c. iguales y constantes: la intensidad de cada una de estas c. es de un amperio cuando, siendo la distancia entre los conductores de un metro, la citada fuerza es de 2 X 10’ newtons por metro de longitud. El amperiosegundo o culombio (C), unidad de carga, aparece así como unidad derivada y es la carga que atraviesa por segundo una sección del conductor cuando éste es recorrido por una intensidad de un amperio. Múltiplo del amperio es el kiloamperio (1 KA=103 A) y submúltiplos son el miliamperio (1 mA=103 A) y el microamperio (1 gA=106 A) (V. MEDIDA III).

Clases de corrientes. Se distinguen en esencia dos: la continua, de sentido invariable; y la alterna, de sentido cambiante. Si se representa gráficamente la intensidad en función del tiempo, corresponde a una c. continua de intensidad constante una línea recta horizontal (fig. 3a). Cuando la c. varía periódicamente en intensidad y sentido, se obtiene una línea como la de la fig. 3b, supuesto que la ley de variación se ajuste a la de las funciones senoidales, de gran importancia práctica. El valor instantáneo I recorre constantemente en alternancias regulares el mismo ciclo entre cero y el máximo I?,. La combinación de las figs. 3a y 3b se muestra en la onda de intensidad representada en la fig. 3c, corriente ondulatoria o mixta, en la que la intensidad varía como en una c. alterna, pero la oscilación es más fuerte a un lado que al otro, es decir, predomina un cierto sentido.

Tensión eléctrica. Movimiento de los electrones. El generador es el elemento del circuito capaz de engendrar movimiento en los electrones, es decir, de producir la c. Esta capacidad de producción se denomina fuerza electromotriz (f.e.m.), y su valor se representa por el símbolo E. La f.e.m. tiende a poner en movimiento los electrones que se encuentran en el generador. Esta acción se transmite de electrón en electrón en toda la extensión del conductor. Al cerrarse el circuito, se origina una presión eléctrica en el mismo; la diferencia de presión entre dos puntos A y B del. circuito se designa con el nombre de diferencia de potencial o tensión, y se representa mediante la letra VBA.

Trabajo debido a la tensión. Al desplazarse los electrones bajo la acción de la tensión eléctrica, se lleva a efecto un trabajo W que se transforma en calor u otra forma de energía. Su magnitud es directamente proporcional a la f.e.m. o a la tensión (según se trate de todo el circuito o de una parte del mismo) y a la cantidad Q de electricidad puesta en movimiento, lo que da para el trabajo (durante un tiempo t) de la f.e.m.

W=EQ=EIty para el de la tensión V entre dos puntos dados. w=VQ=VItLa tensión determina, pues, la aptitud de la c. para realizar trabajo entre dos puntos del circuito; y la f.e.m., la aptitud del generador para realizarlo en todo el circuito.

La unidad de f.e.m. en el sistema MKS es el voltio (V). Se dice que un generador tiene una f.e.m. de un voltio cuando produce en el circuito (incluido el propio generador) un trabajo de un julio por cada culombio que pasa a través de una sección del generador. La unidad de diferencia de potencial es también el voltio.

Ley de Ohm. La cantidad de electricidad que pasa por cualquier sección de un conductor es tanto mayor cuanto mayor es la tensión existente entre sus extremos; como la intensidad es la cantidad de electricidad que atraviesa la sección del conductor en la unidad de tiempo, resulta que cuanto más elevada es aquella tensión tanto mayor es la intensidad. Si se investiga experimentalmente la dependencia entre los valores numéricos de una y otra, se halla que la intensidad es directamente proporcional a la tensión. Designando, corno hasta ahora, por 1 la intensidad, y por V la tensión, es:7=GV,siendo G la constante de proporcionalidad, propia de cada circuito.

Conductancia y resistencia. La intensidad depende, pues, no sólo de la tensión existente entre los extremos del conductor, sino también de las características de éste y, cuanto mejor conductor es, tantos más electrones permite que circulen por él para una tensión dada. Esta aptitud conductora viene expresada por el factor de proporcionalidad G, al cual se designa con el nombre de conductancia. En la práctica se acostumbra a definir la característica de un circuito eléctrico no por la conductancia, sino por su valor recíproco1 G al que se denomina resistencia, por lo que viene a expresar la oposición del circuito al establecimiento de la c. eléctrica. Cuanto mayor es la resistencia, tanto menor será, a igualdad de tensión, la intensidad de la c. De manera queVI=Rforma común de la ley de Ohm. La intensidad aumenta con la tensión, y es tanto más elevada cuanto más pequeña es la resistencia.

Unidades. En el sistema MKS, las unidades de resistencia y de conductancia son unidades derivadas. Se obtiene así dec=IIVcomo unidad de conductancia, el A/V al que se da el nombre de siemens (S). Correlativamente se halla para la resistencia (dada por R=V/I) la unidad V/A a la que se denomina ohmio (f2).

Ley de Ohm generalizada. Supongamos un circuito en el que existen una fuente de f.e.m. E y un aparato receptor, que se opone al flujo de la electricidad, y que puede ser un motor, una batería de acumuladores, etc. El receptor toma de la c. una cierta energía eléctrica que transforma en otro tipo de energía. Si R es la resistencia total del circuito, por el principio de conservación de la energía se puede escribir:El = RIZ + e7,es decir,Ee=R7donde RI’ son las pérdidas de calor en el circuito y e la fuerza contraelectromotriz del receptor. Ésta es la expresión de la ley de Ohm generalizada: la f.e.m. del generador menos la fuerza contraelectromotriz del receptor es igual a la caída de potencial RI en todo el circuito. Si en el circuito existen n generadores en serie que producen fuerzas electromotricesEi, (i=1, , n),éstas se suman, así como sus resistencias interiores. Lo mismo ocurre con las fuerzas contraelectromotrices el (Í toma tantos valores como fuerzas contraelectromotrices haya) y con las resistencias interiores de todos los receptores conectados en serie que pueda haber en el circuito. En tal caso la expresión de la ley de Ohm generalizada será:YEiEei=RI.

Leyes de Kirchhoff. Las leyes de Kirchhof f facilitan la resolución de los problemas relativos a las redes eléctricas, entendiendo por tales un conjunto de conductores unidos entre sí que forman una red entre cuyos nudos se intercala una serie de fuerzas electromotrices. Sea uno de estos nudos; de los conductores que forman parte del mismo, unos llevan c. hacia el nudo y otros en sentido que parte de éste. En el nudo no se produce acumulación de carga, por lo que la suma de las intensidades que convergen en él tiene que ser igual a la suma de las que divergen. Llamando EI, y !Id respectivamente a estas sumas resulta:El, =!Ido sea’I,lId=0que puede ponerse en la forma Iii=0 si se afecta a I¡ con el signo I cuando se dirige al nudo y con el cuando parte de él (j toma los valores de 1 a n siendo n el número de conductores del nudo). Es decir (primera ley de Kirchhof f ), dada una red, en todos sus nudos se cumple que la suma algebraica de las intensidades que en él convergen y divergen es nula.

Si se considera un conductor de una red a lo largo del cual existen varias fuentes productoras de f.e.m. que actúan en el mismo sentido, las presiones electrónicas se suman, de forma que la f.e.m. total es la suma de las producidas por aquellas fuentes. Si alguna de las fuentes productoras actúa en oposición, la f.e.m. por ella producida vendrá afectada por un signo menos, pudiendo generalizar la propiedad arriba indicada, sin más que sustituir la suma normal por una suma algebraica. La f.e.m. total que actúa sobre un circuito se consume en las resistencias intercaladas en el mismo. En cada porción de este circuito de resistencia Ri se produce una caída de tensión de valor Ii Ri, según la ley de Ohm. Entonces se verifica que la f.e.m. total es igual a la caída de tensión total, es decir,EEi=YI;Ri( j toma tantos valores como fuerzas electromotrices hay intercaladas e i tantos como porciones de circuito), siendo estas sumas algebraicas. El anterior enunciado constituye la segunda ley de Kirchhof f.

CLEMENTE PUEYO , S. FERNÁNDEZ DEL AMO.

V. t.: ELECTRÓN; ELECTRICIDAD; ELÉCTRICA, CONDUCCIÓN. BIBL.: F. W. SEARS y M. W. ZEMANSKY, Física general, Madrid 1967; íD, Electricidad y magnetismo, 2 ed. Madrid 1959; 1. PALAclos, Electricidad y magnetismo, 2 ed. Madrid 1959; B. 1. BLEANEY y B. BLEANEY, Electricity and magnetism, Oxford 1959.