Intensidad de Corriente Eléctrica

Hace poco más de un siglo este mundo era inimaginable. Hoy, es el testimonio de la humanidad, capaz de iluminar las noches a través de las gigantescas torres de acero que por cientos de kilómetros sostienen cables eléctricos y transmiten energía eléctrica de los recintos industriales a los centros consumidores. Para ello, por esos cables elevados a gran altura, se propagan corrientes eléctricas originadas por campos eléctricos que, a su vez, poseen altísimos potenciales eléctricos oscilantes, generados en los recintos industriales de electricidad. En este artículo comenzamos a estudiar la corriente eléctrica, el agente de esa transmisión, sus características y propiedades.

🤔 ¿Qué es la corriente eléctrica?

Ya estudiamos el comportamiento estático de partículas cargadas eléctricamente y el movimiento de esas partículas en cortos intervalos de tiempo, en que algunos cuerpos son cargados o descargados eléctricamente. Sabemos cómo estas partículas se distribuyen en un conductor y que hace que se desplacen de un cuerpo a otro. Pero aún no hemos visto cómo pueden mantenerse en movimiento de forma duradera, es decir, cómo es posible establecer en un conductor una corriente eléctrica.

La expresión corriente eléctrica está relacionada con la antigua concepción de que la electricidad se comporta como un fluido y, como tal, podría ser canalizada por conductores, tuberías hipotéticas de ese fluido eléctrico. Así como hay corriente de agua, debería haber también corrientes eléctricas. En realidad, aunque la analogía entre corriente eléctrica y corriente de agua en las tuberías es todavía muy utilizada, pero estos fenómenos tienen características muy diferentes.

Cuando no hay campo eléctrico en el interior del conductor, no hay corriente eléctrica; se puede suponer que los electrones libres se mueven en todas las direcciones y sentidos, pero, en promedio, están siempre en la misma posición. Si hay un campo eléctrico uniforme en el interior del conductor, estos electrones libres, a pesar de seguir moviéndose en todos los sentidos, pasan a tener un movimiento medio resultante que va en un sentido determinado, el conductor en ese momento ya es recorrido por una corriente eléctrica continua.

En realidad, de acuerdo con la Física moderna, no es posible definir la posición de un electrón, ni tiene sentido hablar en la trayectoria del movimiento de un electrón, pero es posible concluir que existe esa irregularidad, pues la velocidad media con que estos electrones se desplazan a través del conductor es extremadamente lenta. Si el campo eléctrico en el interior del conductor es oscilante, los electrones tienen también un movimiento similar, pero en un solo sentido, que oscilan alrededor de posiciones fijas. Aquí es donde podemos decir que el conductor es recorrido por una corriente eléctrica alterna.

⚡ Comprendiendo la Intensidad de Corriente Eléctrica

Así como el campo eléctrico es un fenómeno físico que puede ser descrito matemáticamente por una magnitud vectorial (el vector campo eléctrico E) y una magnitud escalar (el potencial eléctrico V) asociado a él, es posible hacerlo también con la corriente eléctrica. Sin embargo, como la región donde la corriente eléctrica se propaga es casi siempre restringida a los hilos conductores, basta, en general, la descripción escalar para la cual se definió la intensidad de la corriente eléctrica.

Supongamos que cierta cantidad de carga eléctrica pasa a través de la sección normal S de un conductor en determinado intervalo de tiempo. Se puede afirmar que, cuanto mayor sea la cantidad de carga que atraviesa esa sección normal en el intervalo de tiempo, más intensa será la corriente de portadores de cargas que atraviesa ese conductor. Así, se define la intensidad de la corriente eléctrica, que atraviesa la sección normal S del conductor.

➡ Sentido de la Corriente Eléctrica

A pesar de que la intensidad de corriente eléctrica es un escalar, tenemos que definir el sentido de la corriente eléctrica, para ello tenemos tres casos:

• Observe que en la figura A está representada la situación más frecuente: los electrones se mueven hacia la izquierda, podemos decir que ese es el sentido electrónico de la corriente, pero el sentido convencional, representado por la flecha está orientado hacia la derecha.

• En la figura B el sentido de la corriente eléctrica coincide con el sentido del movimiento de los portadores de carga positiva.

• En la figura C los portadores de carga son iones positivos y negativos, algo muy frecuente que ocurre en un gas o en una solución, por ejemplo. En este caso, por el sentido convencional, se mantiene el sentido de la corriente coincidente con el sentido del movimiento de los portadores de carga positiva.

📈 Gráfica de Intensidad por Tiempo

En la corriente continua, en donde los portadores de carga se mantienen en promedio en un único sentido, la intensidad de la corriente i, es constante en relación al tiempo: en la corriente alterna el sentido medio de los portadores de carga varía, por lo que la intensidad de la corriente también varía con el tiempo, del mismo modo que la posición de un punto material varía con el tiempo.

En la corriente alterna, la intensidad de i varía senoidalmente entre los valores de +i max , - i max:

El área que se da entre la región de la corriente x tiempo, obtenemos la cantidad de la carga "Q" que atraviesa la sección normal del conductor en un intervalo de tiempo considerado.

⭐ Fórmula de la Intensidad de la Corriente Eléctrica

La fórmula que relaciona a la corriente en términos de la carga y tiempo, es la siguiente:

Dónde:

q = El valor de la carga expresada en Coulombs (C)

t = El valor del tiempo expresado en Segundos (s)

I = El valor de la corriente expresada en Amperes (A)

Durante el artículo, también podrá observar la conversión de Coulombs a Electrones.

🔸 Ejercicios Resueltos de la Intensidad de la Corriente Eléctrica

Solución:

Si volvemos a leer el problema, nos damos cuenta que sobre el conductor circulan cerca de 120 Coulombs, a un ritmo de 0.4 horas, por lo que tenemos dos datos, la carga y el tiempo, justo lo necesario para poder resolver nuestro ejercicio. Entonces comencemos con colocar nuestros datos:

Datos:

$\displaystyle q=120C$

$\displaystyle t=0.4h$

a) Obteniendo la intensidad de corriente eléctrica en Amperes

Para poder obtener la intensidad de corriente eléctrica, es necesario que el tiempo esté expresado en segundos y no en horas, por lo tanto vamos a convertir dicha unidad:

$\displaystyle t=0.4h\left( \frac{60\min }{1h} \right)\left( \frac{60s}{1\min } \right)=1440s$

Ahora si podemos usar la fórmula de la corriente:

$\displaystyle I=\frac{q}{t}$

Sustituyendo nuestros datos, obtenemos:

$\displaystyle I=\frac{q}{t}=\frac{120C}{1440s}=0.083A$

El resultado está expresado en Amperes, es decir 0.083 Amperes

b) Expresar la corriente en miliamperes

Para poder expresar en miliamperes, aplicamos la notación científica y recorremos tres lugares a la derecha de la cantidad que tenemos.

$\displaystyle I=83mA$

Es decir 83mA

Solución:

A diferencia de nuestro primer problema, en este ejercicio nos piden calcular la variable del tiempo, cuando sabemos que circula una corriente y a través de dicho circuito pasan 90 Coulombs de carga, entonces para poder resolver, simplemente debemos recoger nuestros datos y posteriormente despejar al tiempo de la fórmula de la corriente.

Datos:

$\displaystyle q=120C$

$\displaystyle I=55mA=55x{{10}^{-3}}A$

a) Obteniendo el tiempo

Para poder obtener el tiempo, hemos dicho que necesitamos despejar a la variable de tiempo en la fórmula de la corriente:

$\displaystyle I=\frac{q}{t}$

Despejando a "t"

$\displaystyle t=\frac{q}{I}$

Una vez teniendo el despeje, podemos sustituir en nuestra fórmula:

$\displaystyle t=\frac{q}{I}=\frac{90C}{55x{{10}^{-3}}A}=1636.36s$

Por lo que obtenemos, un valor de 1636.36 segundos

Ahora vamos a convertir ese tiempo en segundos, expresados en horas.

b) Expresar el tiempo en horas

Para poder expresar en horas el tiempo, basta con realizar la operación con su factor de conversión.

$\displaystyle t=1636.36s\left( \frac{1h}{60\min } \right)\left( \frac{1\min }{60s} \right)=0.454h$

Es decir que tenemos un total de 0.454 horas, cerca de 27 minutos.

Solución:

Si ya hemos calculado en el primer problema el valor de la corriente, en el segundo problema el valor del tiempo, ahora veamos como obtener el valor de la carga teniendo las dos variables dichas anteriormente, y después convertirlas a electrones, para ello primero comencemos con agrupar nuestros datos y después realizar el despeje.

Datos:

$\displaystyle t=3s$

$\displaystyle I=5A$

a) Obtener el valor de la carga

Para obtener el valor de la carga, primero recordemos la fórmula de la corriente:

$\displaystyle I=\frac{q}{t}$

Si despejamos a la carga, esto quedaría de la siguiente manera:

$\displaystyle q=I\cdot t$

Ahora si podemos sustituir nuestros datos en la fórmula:

$\displaystyle q=I\cdot t=\left( 5A \right)\left( 3s \right)=15C$

Para poder encontrar el valor de los electrones, solamente haríamos la conversión de unidades.

$\displaystyle q=15C\left( \frac{6.24x{{10}^{18}}{{e}^{-}}}{1C} \right)=93.6x{{10}^{18}}{{e}^{-}}$

Un valor de 93.6x10^(18) electrones y con ello hemos resuelto los ejercicios.