Ingeniería Systems: Corriente y tensión eléctrica

En esta publicación se presentan las dos magnitudes que se emplean habitualmente para analizar los circuitos eléctricos: 'la intensidad de la corriente eléctrica y la tensión o diferencia de potencial entre dos puntos del circuito. Antes de ello se recuerdan las ideas fundamentales del comportamiento de los materiales frente a la acción de los campos eléctricos.

1. MATERIALES CONDUCTORES Y AISLANTES
Existen tres tipos fundamentales de materiales, de acuerdo con su comportamiento eléctrico:

Conductores
Aislantes
Semiconductores

En las publicaciones siguientes se analiza la respuesta de los dos primeros ante la aplicación de un campo eléctrico.

1.1. MATERIALES CONDUCTORES
Los conductores son materiales o elementos cuyos electrones de valencia pueden ser extraídos fácilmente del núcleo que les corresponde. De esta forma, se convierten en fuentes de electrones libres, capaces de producir una corriente eléctrica.

1.1.1. Estructura

Los conductores por excelencia son los metales. Estos forman redes de iones en los que cada átomo cede sus electrones de valencia para formar una nube de electrones libres. La nube negativa hace de aglutinante de Ios iones positivos, apantallando la repulsión y manteniéndolos unidos. En la siguiente figura se muestra de manera simplificada, la red de átomos del aluminio.

1.1.2. Conductores bajo la acción de un campo eléctrico

Puesto que un conductor dispone de una nube de electrones libres, la aplicación de un campo eléctrico provocará un movimiento de cargas. Este fenómeno presenta una cierta analogía con el movimiento de los cuerpos en el campo gravitatorio.

La fuerza de la gravedad es equivalente a la que ejerce el campo eléctrico, mientras que la diferencia de alturas se corresponde con la diferencia de potencial (Si 0₂). La intensidad de la corriente eléctrica es el número de portadores de carga que atraviesa una sección del conductor por unidad de tiempo.

Obsérvese que aunque el movimiento de los electrones es relativamente lento, la propagación de este movimiento en el interior del conductor se produce casi instantáneamente (a la velocidad de la luz:
3 * 10⁸ m/s).

Obviamente, la situación representada en la figura anterior es una tosca aproximación al fenómeno de la conducción eléctrica en los materiales. En realidad los electrones libres interaccionan tanto entre ellos como con los iones positivos. Como resultado de estos choques se produce un consumo de energía, que se caracteriza mediante el parámetro llamado resistencia eléctrica del conductor.

1.1.3. Conductores en equilibrio electrostático

Cuando en el interior de un conductor no se tiene movimiento neto de carga, se dice que está en equilibrio electrostático. En esta circunstancia, el conductor presenta las siguientes propiedades:

El campo eléctrico en el interior del conductor es nulo: En caso contrario, sobre los electrones libres actuaría una fuerza capaz de moverlos.

En consecuencia, la diferencia de potencial entre dos puntos del interior del conductor es nula.

En el interior del conductor no existe carga eléctrica neta: En efecto, la carga del conductor sólo puede estar distribuida en la superficie del conductor, ya que si hubiera carga interior también existiría un campo eléctrico interior.

El campo eléctrico sobre la superficie del conductor es perpendicular a la misma: De otro modo existirían fuerzas tangenciales capaces de provocar el movimiento de los electrones.

1.2. MATERIALES AISLANTES
Los materiales aislantes ideales son aquellos que no permiten el establecimiento de una corriente eléctrica.

1.2.1 Estructura

Se trata de materiales en los que, para formar el enlace, los átomos completan su última capa atómica alcanzando la estructura electrónica estable: la propia de un gas noble. Los electrones pueden cederse (enlace iónico puro), compartirse (enlace covalente puro) o combinarse (enlace covalente heteropolar). En la siguiente imagen se muestra la estructura molecular del dióxido de silicio
( Si O₂ ), material aislante por excelencia empleado en la industria microelectrónica.

El hecho fundamental es que los electrones quedan ligados al material, al contrario de lo que sucedía con la nube electrónica de los conductores.

1.2.2. Aislantes bajo la acción de un campo eléctrico

Si un aislante (o dieléctrico) ideal se somete a un campo eléctrico (o a una diferencia de potencial), no es posible la circulación de una corriente, ya que no existen cargas libres. Sin embargo, si las tensiones son muy elevadas pueden llegar a arrancar electrones e incluso iones de la red. Los electrones arrancados bombardearán otros átomos, liberando nuevos electrones. Así se genera una avalancha que si no se controla puede destruir el material.
Por lo tanto, existe un campo eléctrico por encima del cual se produce la ruptura dieléctrica del material aislante. En los buenos aislantes esta tensión es muy elevada.

2. INTENSIDAD Y DENSIDAD DE CORRIENTE ELÉCTRICA
Al movimiento neto de cargas eléctricas en una dirección se le llama corriente eléctrica. Con el fin de caracterizar esta magnitud con mayor precisión, consideremos una superficie A través de la que se desplazan las cargas, como se ilustra en la siguiente imagen. Por convenio se toma como sentido positivo para la corriente el opuesto al movimiento de los electrones.