La energía comunicada a una carga q por un campo eléctrico que la traslada entre dos puntos A y B de un circuito, es igual al producto de la carga por la diferencia de potencial (V_A-V_B). Así, cuando un conductor de resistencia R tiene sus extremos conectados a una tensión V y, por lo tanto, circula por él una intensidad i, consume una energía igual a W = V·i·t. Si calculamos la energía por unidad de tiempo —es decir, la potencia P- obtendremos las siguientes expresiones equivalentes:

Efecto Joule

¿Qué ocurre con esta energía? Si consideramos una corriente estable, debe salir del conductor, puesto que las cargas no se aceleran. La pérdida de energía potencial que experimentan las cargas es absorbida por los choques de éstas con los restos atómicos del conductor, que aumentan así su agitación térmica: el conductor se calienta. La energía eléctrica se disipa en forma de calor, lo cual constituye el efecto Joule. Este efecto es aprovechado en multitud de aparatos productores de calor de uso muy corriente, tales como estufas, planchas, cocinas, etc. Así mismo, como los cuerpos a altas temperaturas emiten radiación luminosa, el efecto Joule es aprovechado en las lámparas de incandescencia, en las cuales un hilo conductor de muy alto punto de fusión, colocado en una atmósfera inerte, emite luz cuando es recorrido por la corriente eléctrica.

Cuando la intensidad de la corriente que circula por un circuito no deba sobrepasar un determinado valor para no dañar los elementos, se intercala un pequeño conductor de bajo punto de fusión que, en caso de que sea necesario, corta la corriente: es el fusible.

La energía eléctrica consumida es producida por el generador. Además del efecto Joule, otros efectos útiles permiten la transformación de dicha energía. El efecto químico es utilizado en la electrólisis; y las fuerzas magnéticas, que aparecen relacionadas con la circulación de la carga eléctrica, se aprovechan en los motores, en los cuales la energía eléctrica se transforma, finalmente, en energía mecánica.

La red eléctrica

Vamos a observar el proceso de producción, transporte y utilización de la corriente eléctrica, sea industrial o doméstica. La corriente alterna varía continuamente el sentido de su intensidad (100 veces por segundo; 120 en algunos países). La producción se realiza generalmente en gran escala. Las centrales de producción utilizan, como energía primaria, la del agua, ya se encuentre embalsada (centrales hidroeléctricas) o esté en movimiento (sean las mareas o las olas del mar), el viento (centrales eólicas), la energía térmica obtenida de los combustibles, sean éstos fósiles (centrales térmicas) o. nucleares, etc.

En todos los casos, la energía cinética conseguida se transforma en energía de rotación mediante una turbina que, a su vez, hace que gire el rotor de un alternador, entre cuyos bornes aparece una tensión. En general, la tensión de salida de la corriente producida por las centrales eléctricas está entre 5 y 30 kV. En la propia central se eleva, mediante un conjunto de transformadores, hasta valores que pueden llegar a los 380 kV, lo cual facilita su transporte, a través de la red de alta tensión, a los centros de distribución. En éstos, otra serie de transformadores reducen escalonadamente los valores de la tensión hasta los habituales en usos domésticos (125 a 220 V) o industriales (220 Vo 380 V).

Generalmente, todas las centrales eléctricas están conectadas a una red única que las interrelaciona a través de estaciones de enlace y que abarca grandes extensiones de territorio, de diversos Estados, para evitar los desequilibrios en el consumo o en la producción que localmente se puedan producir.

Interior de una central hidroeléctrica.

Para reducir las pérdidas de energía por calentamiento, y dado que no es conveniente aumentar la sección del hilo, se transporta la corriente o alta tensión.

Al aumentar el potencial, la intensidad disminuye en la misma proporción y la pérdida de energía es menor (la potencia disipada es proporcional al cuadrado de la intensidad).

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La circulación de la corriente eléctrica produce varios efectos que depende de la naturaleza del conductor y de la intensidad de la corriente.

Comencemos por mencionar las consecuencias del pasaje de corriente eléctrica en los seres vivos. Como vimos, nuestro cuerpo es un conductor y cuando por él circula una corriente se producen efectos fisiológicos que pueden resultar fatales. La corriente eléctrica actúa directamente sobre el sistema nervioso provocando contracciones musculares: esto es lo que se conoce con el nombre de "choque eléctrico". Los casos peores de choque eléctrico se producen cuando la corriente penetra en el cuerpo por una mano y sale por la otra recorriendo todo el tórax de lado a lado, con gran riesgo de afectar el funcionamiento normal del corazón y el aparato respiratorio. Los efectos del paso de corriente en estos casos dependen fuertemente de la intensidad. Para bajas intensidades (de 0 a 500 µA), no llegamos a sentir el pasaje de corriente. Para corrientes de 0,5 a 2 mA se comienzan a sentir cosquilleos, y a partir de ese valor (de 2 a 10 mA), se comienzan a producir contracciones musculares que pueden llegar a ser dolorosas. A partir de los 16 mA contracción muscular impide soltarse de la fuente de choque. De 5 a 25 mA se pueden producir lesiones por intensas contracciones musculares, pero no se ven afectadas las funciones cardíacas y respiratorias. De 25 a 100 mA se paraliza la respiración. De 1 a 3 A se produce la fibrilación ventricular seguida de muerte si no se revive rápidamente el corazón.

Si la corriente supera los 3 A, se produce un paro cardíaco masivo al tiempo que el calor provocado por la corriente destruye los tejidos. Este calor es Io que se conoce como efecto térmico o efecto Joule, el cual acompaña el paso de corriente por un conductor. La cantidad de calor depende de las propiedades del conductor por donde la corriente está circulando. Por ejemplo, en un conductor metálico los portadores son los electrones llamados "de conducción". La estructura microscópica de estos metales está formada por iones (átomos cargados) fijos en determinadas posiciones (red cristalina) y rodeados de un mar de electrones de conducción. Cuando los electrones se mueven dentro de la red cristalina, colisionan con los iones que comienzan a vibrar alrededor de su posición de equilibrio. Los electrones transfieren parte de su energía cinética a la red de iones. A medida que aumentan las vibraciones de la red, se incrementa la temperatura del conductor. El efecto produce entonces un calentamiento del conductor que tiene muchísimas aplicaciones.

Las planchas, los secadores de pelo y de manos, los calentores y tostadoras son ejemplos de utilización del efecto Joule.

Existen otro tipo de conductores, distintos de los metálicos. Las soluciones salinas o soluciones electrolíticas (sales disueltas en agua) o las sales fundidas son capaces de transmitir corrientes eléctricas. En este tipo de conductores, los portadores son los iones (positivos y negativos) en que se descompone la sal. En estos
casos, el pasaje de corriente está acompañado de efectos químicos. Estos efectos tienen también una importante aplicación; por ejemplo, el recubrimiento de metales (el cromado, el niquelado, el baño de plata, etc.).

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En el anterior artículo, hablamos sobre la corriente eléctrica y su intensidad. En esta oportunidad, explicaremos como los funcionan los portadores y cómo transcurre el sentido de la corriente eléctrica.

PORTADORES Y SENTIDO DE LA CORRIENTE ELÉCTRICA

El transporte de carga eléctrica en los conductores se realiza a través de partículas cargadas. Estas partículas reciben el nombre de portadores.

En general, si hay una diferencia de potencial entre los extremos de un conductor, en las cargas aparecerá una fuerza F ⃗=q*E ⃗. Si recordamos que el campo eléctrico siempre está dirigido desde los puntos de mayor potencial hacia los de menor potencial, el movimiento de los porta dores positivos será en la dirección en que el potencial eléctrico disminuye (en la dirección del campo), mientras que el movimiento de los portadores negativos será en la dirección contraria. Definiremos el sentido de la corriente como el sentido del movimiento correspondiente a los portadores positivos. Esto significa que en un conductor la corriente eléctrica siempre será en el sentido que apunta el campo eléctrico. Cuando comenzamos a estudiar electromagnetismo, mencionamos que, en los conductores metálicos, los portadores resultan los electrones, cada uno de los cuales tiene una carga -e. Esto quiere decir que en un conductor metálico la corriente eléctrica tendrá el sentido hacia donde el potencial disminuye, pero esto se debe a los electrones que se mueven en el sentido opuesto. En un conductor metálico, los portadores siempre se moverán en dirección opuesta a la dirección de la corriente.

Podemos relacionar la intensidad de corriente con las características de los portadores del conductor. Para eso volvamos a nuestro alambre conducto, al cual le aplicamos una diferencia de potencial entre sus extremos. Como resultado del campo eléctrico que aparece, los portadores comenzarán a moverse como indica la figura. Veamos cuántos portadores cruzan una sección del conductor en un tiempo ∆t:

Si suponemos que todos los portadores se mueven a la misma velocidad Vp. Cruzarán por la sección todos los portadores que están contenidos en el volumen determinado por Vvol =A * Vp * ∆t. Si en el conductor hay n portadores por unidad de volumen (densidad de portadores) y cada portador lleva carga Qp, la cantidad de carga ∆Q que cruza la sección en ese tiempo será ∆Q = Qp * n * A * Vp * ∆t. La intensidad será entonces:

Esta sencilla ecuación nos permite no solo relacionar la intensidad de corriente con las características de los portadores del conductor, sino también verificar que los portadores con carga positiva con velocidad en un sentido producen una corriente igual a la de los portadores con carga negativa y velocidad opuesta. Entonces, en un conductor, estudiar la corriente producida por los portadores positivos que se mueven en el sentido que apunta el campo eléctrico es lo mismo que estudiar la corriente que producen los portadores negativos que se mueven en sentido contrario al campo eléctrico.

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En anteriores artículos hablamos sobre las características de la corriente continua, como también la alternativa a esta, junto a sus ventajas y desventajas. En estos hablábamos sobre la igualdad de cargas eléctricas que debía de haber en un determinado tiempo. Para las continuas, debía haber cargas eléctricas viajando en un único sentido de circulación y siempre la misma cantidad en un tiempo predeterminado. Esto sucede en la mayoría de los electrodomésticos y componentes electrónicos que poseemos en nuestros hogares. Pero, a continuación, hablaremos sobre la corriente eléctrica y cómo las cargas si pueden moverse.

LA CORRIENTE ELECTRICA

Ya hemos estudiado las propiedades de los conductores en condiciones de equilibrio electrostático, es decir; en la situación en que no hay movimiento de cargas. Si situamos a un conductor en una región del espacio donde existe un campo eléctrico externo, sabemos que las cargas dentro del conductor comenzarán a moverse hasta que el campo eléctrico creado por la distribución de cargas en el conductor se oponga y anule al campo externo dentro del conductor, En ese momento, el conductor habrá alcanzado el equilibrio electrostático y ya no habrá movimiento de cargas. Desde el momento en que situamos el conductor en el campo externo hasta que se alcanza el equilibrio hay movimiento de cargas, pero como este movimiento no es permanente, se lo denomina movimiento transitorio: dura hasta que se llega al equilibrio. Si por algún motivo la situación de equilibrio electrostático no se pudiera alcanzar nunca, existiría siempre el movimiento de las cargas. Las cargas tendrán un movimiento permanente. Ahora estudiaremos las propiedades y los efectos del movimiento de cargas permanente en los conductores.

LAS CARGAS EN MOVIMIENTO

Gran parte de la importancia que tiene la electricidad en la vida moderna está relacionada con este movimiento de cargas.

Para iniciar nuestro estudio pensemos en una forma en que podamos producir un movimiento permanente de cargas en un conductor. Para eso, como dijimos, hay que pensar en una manera en la que el conductor no alcance el equilibrio electrostático. Como vimos, todos los puntos de un conductor deben estar a un mismo potencial eléctrico. Entonces, una manera de impedir el equilibrio electrostático es forzar que dos puntos del conductor se hallen a diferente potencial. Por ejemplo, si tomamos un alambre conductor y conectamos cada uno de sus extremos (A y B) a los bornes de una batería, como muestra la figura, siempre tendremos entre los extremos de la  barra una diferencia de potencial V. Dentro del conductor habrá un campo eléctrico que apuntará desde el extremo de mayor potencial (A) hacia el de menor potencial (B). Esto significa que una carga postraba dentro del conductor comenzará a moverse hacia B. Cuando se alejen las cargas desde A hacia B, se disminuye la diferencia de potencial entre A y B, pero como está la batería que mantiene fija la diferencia de potencial entre A y B, de ella fluyen cargas hacia el extremo A que comienza a moverse hacia B; por lo tanto, el movimiento de cargas es permanente. Lo que se produce en el conductor es parecido a lo que pasa con un tanque de agua con un agujero, ubicado a cierta altura del suelo y que se llena por medio de una bomba que eleva el agua desde el cielo hacia el tanque de manera que el nivel de agua en el tanque no varía. Toda el agua que se escapa por el agujero es repuesta por la bomba y, de ese modo, ¡el agua cae permanentemente y el tanque se vacía nunca! En esta comparación, la bomba hace las veces de batería, el nivel de agua en el tanque, de diferencia de potencial entre los extremos del conductor, y el agua, de carga eléctrica. Volveremos a menudo a pensar en esta analogía en nuestro estudio del movimiento de cargas.

El movimiento de cargas eléctricas recibe el nombre de corriente eléctrica y la batería recibe el nombre de generador eléctrico o fuente de tensión.

LA INTENSIDAD DE CORRIENTE

Para describir cómo es el movimiento de las cargas eléctricas en un conductor definimos la intensidad media de corriente (i) como la cantidad de carga que atraviesa la sección del conductor por unidad de tiempo:

Cuando medimos las cargas en coulomb y el tiempo en segundos, la intensidad media de corriente (o simplemente la corriente media) queda expresada en ampères (A), que es la unidad en el sistema internacional, en honor al físico y matemático francés André Ampère. Se utilizan a menudo submúltiplos del ampère, como el miliampère (mA), que es la milésima parte del ampére (10-3 A).
Cuando esta corriente media resulta constante en el tiempo, o sea, las cargas que atraviesan la sección son directamente proporcionales a los tiempos transcurridos, decimos que la corriente es continua (cc). En otro caso, la corriente será variable en el tiempo.

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