Ésta es la tercera parte del Bloque [Electricidad I]. En la primera parte hablamos acerca del concepto de carga eléctrica, y en la segunda parte lo hicimos sobre la Ley de Coulomb y la electrización. Si te fijas, hasta ahora no hemos estudiado apenas movimientos de cargas, que es en lo que normalmente pensamos al hablar de “electricidad”. La razón es que, para entender esos movimientos y conceptos relacionados con ellos –como la corriente eléctrica–, necesitábamos establecer unas bases, como el concepto de carga eléctrica. En la última entrada ya hablamos de la causa esencial del movimiento de cargas, la fuerza de Coulomb, con lo que ya estás preparado para entender el concepto de corriente eléctrica.

Fíjate en que digo “no hemos estudiado apenas” porque, aunque no hayamos entrado en detalles, en la entrada anterior sí que describimos movimientos perceptibles de cargas: por ejemplo, en el chorro de agua del grifo en el Experimento 1 o el movimiento del péndulo en el Experimento 2 había cargas moviéndose debido a atracciones y repulsiones de Coulomb. Sin embargo, se trataba de movimientos muy leves, a lo largo de distancias minúsculas, y desde luego no intentamos entonces evaluarlos de ninguna manera rigurosa – a eso nos dedicaremos hoy.

Por cierto, una aclaración: hay cargas moviéndose siempre que cualquier objeto se mueve, porque cualquier objeto está hecho de cargas de ambos tipos. Sin embargo, no se observan efectos eléctricos perceptibles cuando se mueve un objeto con equilibrio de cargas por la misma razón que no se notan las fuerzas de Coulomb salvo que te acerques mucho: porque los efectos de ambos tipos de carga, “desde lejos”, se cancelan.

Pero vamos con el contenido del artículo de hoy: la causa de que las cargas se muevan y la manera de cuantificar ese movimiento.

Desequilibrio como fuente del movimiento de cargas

De lo que no debería caberte duda, si comprendiste las dos entradas anteriores, es de que es muy fácil producir movimientos de cargas simplemente creando un desequilibrio entre ambos tipos. Es posible además, si se es cuidadoso, utilizar la Ley de Coulomb para controlar tanto la intensidad como la dirección y sentido de esos movimientos… pero permite que te muestre esto con un pequeño experimento mental.

Imagina que tenemos un protón y un electrón separados una distancia cualquiera (digamos que dos metros). E imagina también, para simplificar nuestro experimento, que de algún modo hemos conseguido “clavar” ambas partículas en las posiciones en las que se encuentran; de otro modo, claro está, se atraerían el uno al otro y acabarían juntos. Observa de lo que partimos: un desequilibrio de cargas.

Supón que ahora dejamos libre, justo en medio de las dos partículas, un segundo protón. En este caso no lo “clavamos”, sino que lo dejamos moverse libremente. De acuerdo con la Ley del buen Coulomb, ese protón empezará a moverse, alejándose del protón fijo y acercándose al electrón: estamos haciendo que este protón se mueva empleando la fuerza de Coulomb a través de un desequilibrio de cargas. Y podemos controlar hacia dónde se mueve – si el electrón fijo se encuentra al norte del protón fijo, nuestro protón libre irá hacia el norte, y si el electrón está hacia el este, sucederá lo propio.

Pero también podemos controlar cómo de rápido lo hace: si en vez de tener un protón y un electrón fijos tenemos dos protones y dos electrones fijos en cada sitio –es decir, el desequilibrio de cargas es mayor–, el protón sufrirá una mayor fuerza de repulsión por parte de los protones, y de atracción por parte de los electrones, con lo que su movimiento será más violento que antes.

Corriente eléctrica

Dado que el movimiento de cargas desempeña un papel fundamental en nuestra sociedad –tanto en ciencia como en tecnología–, es muy conveniente definirlo cuidadosamente y cuantificarlo de algún modo. El fenómeno en sí del movimiento de cargas eléctricas recibe un nombre arcaico, inventado cuando conocíamos bastante menos que ahora acerca de la naturaleza de la carga eléctrica y su comportamiento. Algunos pensaban entonces que la carga eléctrica era una especie de fluido invisible que se encontraba dentro de los cuerpos, y que esta sustancia podía fluir de unos cuerpos a otros. Ese flujo, como el de un río, era una especie de corriente, pero no de agua, sino de electricidad: una corriente eléctrica.

Una vez definido el fenómeno, hace falta una magnitud que lo cuantifique y una unidad para medirla. En el caso de la corriente eléctrica, esa magnitud recibe el nombre de intensidad de corriente. A menudo se utiliza “corriente eléctrica” para referirse a la magnitud, y no al fenómeno, pero esto crea a veces malentendidos que se resuelven fácilmente distinguiendo ambos términos. De modo que, a lo largo de esta serie –si no se me escapa alguna vez, claro– emplearemos el término corriente para referirnos al fenómeno físico del movimiento de cargas, e intensidad de corriente (o simplemente intensidad) para la magnitud que cuantifica el movimiento.

Aquí tienes una definición lo más llana posible de lo que es la intensidad de corriente:

La intensidad de corriente a través de una superficie es la cantidad de carga que la atraviesa por unidad de tiempo.

Como puedes ver, se trata de una definición que no tiene mucho sentido para un solo protón, o electrón, que se mueva. Recuerda que es un concepto antiguo, que no funciona demasiado bien para describir las cosas a escala microscópica sino a gran escala, con continuos movimientos de cargas a través de algo. De ahí que, cuando se trabaja –como hicimos nosotros en nuestro experimento mental unos párrafos más arriba– con unas pocas cargas sueltas, se suelan utilizar para describir su movimiento cosas como su velocidad o aceleración, mientras que, cuando se trabaja con muchas partículas cargadas moviéndose (como sucede, como veremos más adelante, en un cable eléctrico) sea muy útil emplear el concepto de intensidad de corriente.

La idea de un “fluido eléctrico” que se mueve se percibe en la propia definición. Si te fijas, es muy parecida a la del caudal de agua en un río: en vez del volumen de agua que fluye por unidad de tiempo, se mide la cantidad de carga que fluye por unidad de tiempo. El concepto es, de hecho, muy similar: si la intensidad de corriente es pequeña, hay poca carga atravesando la superficie por unidad de tiempo. Si es grande, hay mucha carga atravesando la superficie por unidad de tiempo.

Normalmente se asigna a la intensidad de corriente eléctrica, además de un valor, una dirección y sentido, como hacemos con la velocidad del viento, por ejemplo. Sin embargo, con la velocidad del viento no hay problema: su dirección y sentido es la del aire que se mueve. ¡Pero la corriente eléctrica puede ser un movimiento de cargas positivas, o negativas, o de ambas a la vez! Hace falta establecer un convenio –y podría haber varios, todos arbitrarios, como nos ha sucedido antes en este bloque–. El que se eligió históricamente, y que seguimos usando hoy en día, es el siguiente:

La dirección y sentido de la intensidad de corriente son los del movimiento de las cargas positivas, y contrario al de las cargas negativas.

Con este convenio, si se mueven, por ejemplo, protones hacia la derecha, la intensidad de corriente va hacia la derecha:

Si se trata, por el contrario, de electrones que se muevan hacia la izquierda, la intensidad de corriente va también hacia la derecha:

Este convenio puede parecer peor que otro en principio más simple, como el de que la intensidad de corriente tuviera el sentido de movimiento de las cargas, cualquiera que fuera su tipo… pero tiene ventajas en el cálculo que lo hacen muy útil, aunque a veces cree confusión o incluso induzca a error –aunque, como en este Bloque aún no usaremos fórmulas, por ahora tendrás que creerme–.

Un consejo para recordar hacia dónde va la intensidad de la corriente, por si alguna vez te lías: hacia donde aumenta la cantidad de carga positiva. Da igual que esto sea porque cada vez hay más protones, por ejemplo, o que sea porque cada vez hay menos electrones, o por la razón que sea. Si sigues el aumento de carga positiva, tendrás la dirección y el sentido de la corriente.

Espero también que estos dos ejemplos hayan servido para que no caigas en un error que a veces se ve por ahí: el de pensar que la corriente eléctrica es el movimiento de los electrones. La corriente eléctrica es el movimiento de cargas eléctricas, cualquiera que sea su tipo, tamaño y naturaleza. Sí es cierto que, a menudo, estas cargas son electrones, pero a lo largo de estos artículos veremos ejemplos en los que esto no es así.

De modo que, si la intensidad es cero, no hay movimiento de cargas, y cuanto mayor sea la intensidad, más cantidad de carga se está moviendo a través de una superficie. Pero, como siempre en Física, una vez definida una magnitud hace falta definir la unidad en la que se mide… y aquí, una vez más, la herencia histórica nos muerde en salva sea la parte.

Unidad de intensidad de corriente eléctrica: el amperio

Como en el caso del culombio, la unidad de medida de la intensidad de corriente recibe su nombre en honor a un físico (y, esta vez, también matemático). En este caso se trata de otro francés, el genial André-Marie Ampère, cuyos descubrimientos en electricidad y, especialmente, en electromagnetismo, fueron fundamentales para el avance de la Física. La unidad de intensidad de corriente es el amperio (A), a veces también escrito ampere.

La definición oficial del amperio, igual que la del culombio, me causa cierto escozor interno, pero no tengo más remedio que mencionarla, antes de darte una segunda definición extraoficial que me gusta mucho más pero que, como pasaba entonces, requiere redefinir ciertos aspectos del Sistema Internacional de unidades. Aquí tienes la definición ortodoxa:

Un amperio es la intensidad de corriente constante que, manteniéndose en dos conductores paralelos, rectilíneos, de longitud infinita, de sección circular despreciable y situados a una distancia de un metro uno de otro en el vacío, produciría una fuerza igual a 2·10^-7 newtons por cada metro de longitud de los cables.

¡Chúpate esa! No sólo es una definición engorrosa –y que, por cierto, no puedo explicar en detalle porque la fuerza a la que se refiere es una fuerza magnética y no hemos hablado aún de magnetismo–; además, el amperio se convierte con ella en una magnitud fundamental, no derivada, a pesar de que se refiere realmente al movimiento de las cargas eléctricas, que son algo más básico que la intensidad de corriente. En fin.

Ya que dimos una definición alternativa de culombio que convertía a aquella unidad en fundamental (“un culombio es la carga de 6 241 509 629 152 650 000 protones o electrones”), lo suyo es ahora dar una definición alternativa del amperio a partir del culombio, en vez de al revés:

Un amperio es la intensidad de corriente que se corresponde con el flujo de un culombio cada segundo.

De este modo es mucho más fácil –en mi opinión, claro– tener una idea de qué significa decir, por ejemplo, que por un cable circula una intensidad de 0,5 A: que cada segundo atraviesan cualquier sección del cable 0,5 culombios, es decir, 3 120 754 814 576 325 000 electrones o protones. Con la analogía del agua, esta definición es algo así como una definición del caudal de un río: un amperio es algo así como un “litro cada segundo”, sólo que al medir carga no hablamos de “litros” sino de culombios. Pero, como ya hicimos al hablar de los culombios, ¿cuánto es realmente un amperio?

Antes de nada, miremos a nuestro alrededor para ver de qué orden son las intensidades de corriente que nos rodean. Para que te hagas una idea, utilizaré como ejemplos los aparatos que tengo cerca: el ordenador con el que escribo estas líneas recibe una intensidad de corriente desde el transformador de unos 4,7 A, y el transformador a su vez recibe unos 1,5 A del enchufe. Mi casa puede consumir una intensidad máxima de unos 40 A. La batería de un coche puede llegar a suministrar unos cuantos cientos de amperios. Como ves, la cosa varía muchísimo – y, antes de que lo preguntes, todavía tenemos que avanzar más para responder a la pregunta de “¿a partir de cuántos amperios es peligrosa la corriente eléctrica?” porque la respuesta es “depende de más cosas que no hemos visto aún”.

Algo que puede que te plantees a estas alturas es, si un culombio de carga “desnuda” genera fuerzas tremendas, una intensidad de 1 A (es decir, 1 C cada segundo) ¿no debería hacer lo mismo? La respuesta es: no necesariamente. Un culombio de electrones moviéndose cada segundo sin ninguna otra carga más, desde luego, originaría fuerzas tremendas por esa misma razón… pero si hay otro culombio de protones con ellos, la carga total es neutra y no se notan efectos por ella.

Puedes imaginarlo así: supón que tienes un donut de carga roja, y el mismo donut de carga verde, y que los pones uno sobre el otro, solapándolos como hemos hecho tantas veces en el bloque, de modo que tienes un donut “negro” (rojo + verde). Si ahora mantienes el donut de carga verde sin moverse, pero haces girar el de carga roja en el sentido de las agujas del reloj, el donut sigue siendo negro (es decir, neutro de forma neta), ¡pero hay cargas moviéndose en él! El movimiento de carga, incluso si tiene valores muy grandes, no significa que haya grandes cantidades de carga excesiva de uno u otro tipo en el cuerpo.

Otra manera de comprender “cuánto es” un amperio es hacerlo a partir de lo que ya hemos asimilado: el culombio. Si por un cable circula una intensidad de un amperio, es decir, un culombio cada segundo, ¿cuánto es eso comparado con la carga total del cable? La respuesta puedes darla tú mismo, si comprendiste la entrada anterior y conoces la magnitud de un culombio y la carga total de cualquier objeto macroscópico – una fracción minúscula de su carga total de cada tipo. Un culombio, comparado con la carga total de un objeto de la vida cotidiana, es algo ridículamente pequeño… pero, eso sí, que la fracción de carga sea pequeña no quiere decir que no se noten sus efectos.

Podrías llegar a la conclusión, ya que la fracción de carga que atraviesa una superficie determinada es pequeña, de que apenas hay cargas moviéndose en el cable… pero estarías descartando, sin pensar en ella, una de las dos posibles explicaciones de lo minúsculo de ese 1 culombio/segundo comparado con la carga total del cable. Para explicar por qué esto es así, un par de ejemplos de intensidades de corriente.

En primer lugar, observa esta figura, en la que hay muy pocos protones moviéndose por un cable, pero cada uno se mueve muy rápido. Imagina que medimos cuántos de ellos atraviesan el aro azul cada segundo, es decir, medimos la intensidad de corriente (si convertimos el número de protones a amperios), y resulta que atraviesan el aro cien protones cada segundo:

Pero ahora, fíjate en esta otra, en la que hay muchísimos protones movíendose, pero se mueven muy despacio. Si medimos una vez más el flujo de carga a través del aro azul, es posible que midamos exactamente lo mismo que antes, y que atraviesen el aro cien protones cada segundo:

¿Ves a lo que me refiero? La intensidad no indica cuánta carga se está moviendo, indica cuánta carga atraviesa cada segundo una superficie determinada. De igual modo, un río puede tener un caudal grande porque sea muy ancho aunque el agua se mueva despacio, o porque sea estrecho pero el agua fluya a gran velocidad. Una corriente puede tener poca intensidad porque haya pocas cargas moviéndose, o porque las que se mueven lo hacen muy despacio.

Pero ¿cuál de las dos posibilidades es la correcta en el caso de la corriente eléctrica del cable de mi ordenador? ¿Hay una fracción minúscula de cargas moviéndose, o es que se están moviendo a paso de tortuga? De eso, y de otras cosas relacionadas con los materiales y la corriente eléctrica, hablaremos en la siguiente entrada del Bloque.

Ideas clave

Lo esencial que debes tener claro para poder continuar con el siguiente artículo del Bloque con garantías es:

• La intensidad de corriente a través de una superficie indica qué cantidad de carga la atraviesa por unidad de tiempo.

• El sentido de la intensidad coincide con el movimiento de las cargas positivas (y contrario al de las negativas).

• La intensidad se mide en amperios, es decir, en culombios que atraviesan la superficie cada segundo.

• Una intensidad puede ser pequeña o grande dependiendo de la cantidad de carga en movimiento, pero también de la velocidad de las cargas.

Hasta la próxima…

Aparte de recomendarte que eches un ojo a los amperios que hay en los aparatos que empleas, en el cuadro de fusibles de tu casa, etc., un pequeño desafío para que ejercites la mente hasta la próxima entrada. En este caso hace falta hacer algunos números y buscar algunos datos, de modo que tal vez te haga falta una calculadora (aunque siempre puedes estimar burdamente sin utilizar una, si lo prefieres).

Parte de la “moraleja” del desafío de hoy es que la búsqueda de datos es esencial en Ciencia. A veces no hay más que experimentar para determinar esos datos, otras veces –como hoy– es posible acudir a fuentes que dispongan de esos datos, porque otro antes que nosotros ha realizado los experimentos necesarios para determinarlos. En cualquier caso, si las matemáticas no son tu fuerte, puede que acabes frustrado (hay que realizar cambios de unidades y cosas así, y puede que estés oxidado). Si es así, no te preocupes – el mero hecho de que pienses sobre ello es importante, aunque no llegues al resultado correcto, o incluso a ningún resultado.

Puedes encontrar este artículo y otros como él en el número de noviembre de 2009 de nuestra revista electrónica, disponible a través de Lulu:

Para saber más:

• Intensidad de corriente / Electric current