Tema 20

La corriente eléctrica es el movimiento neto y ordenado de cargas eléctricas a través de un medio conductor. Su estudio conecta la electrostática —el comportamiento de las cargas en reposo, tratada en temas anteriores del bloque— con la electrodinámica, y constituye el fundamento físico de prácticamente toda la tecnología contemporánea: desde el alumbrado y los motores hasta la electrónica y las telecomunicaciones. En este tema se define la corriente y sus magnitudes asociadas, se analizan los circuitos de corriente continua y sus leyes, se estudia la ley de Ohm como caso particular de la conservación de la energía y se describe el manejo de los polímetros para medir las magnitudes eléctricas.

Históricamente, el tema recoge las aportaciones de Alessandro Volta, que hacia 1800 construyó la primera pila y logró una corriente estacionaria; de André-Marie Ampère, que fundó la electrodinámica; de Georg Simon Ohm, que en 1827 estableció la relación entre tensión e intensidad; de Gustav Kirchhoff, que formuló las leyes de análisis de redes; y de James Prescott Joule, que cuantificó la disipación de energía en los conductores. Es, por tanto, un contenido central del bloque de electricidad y magnetismo.

1. Corriente eléctrica

Definición e intensidad

Se llama corriente eléctrica al desplazamiento neto de portadores de carga a través de la sección de un conductor. Para que exista de forma sostenida se necesita un campo eléctrico en el interior del conductor, mantenido por un generador que aporte energía. La magnitud que cuantifica la corriente es la intensidad, definida como la carga que atraviesa una sección del conductor por unidad de tiempo:

Su unidad en el SI es el amperio (A), que es una de las siete unidades básicas; $1\ \mathrm{A} = 1\ \mathrm{C\,s^{-1}}$. Cuando la intensidad es constante en el tiempo, la corriente se denomina continua (CC); si varía periódicamente invirtiendo su sentido, alterna (CA). Este tema se ocupa de la primera.

Sentido de la corriente

Por convenio histórico, el sentido convencional de la corriente es el del movimiento de las cargas positivas, es decir, del polo positivo al negativo por el circuito exterior. En los conductores metálicos, sin embargo, los portadores reales son los electrones, que se mueven en sentido opuesto. Ambas descripciones son equivalentes desde el punto de vista de los efectos de la corriente, y conviene distinguirlas con claridad ante el alumnado.

Modelo microscópico: densidad de corriente y velocidad de arrastre

A escala microscópica, un metal contiene una densidad $n$ de electrones libres que, en ausencia de campo, se mueven de forma caótica con velocidad media nula. Al aplicar un campo eléctrico $\vec{E}$, se superpone a ese movimiento térmico una pequeña velocidad de arrastre $\vec{v}_d$ en sentido opuesto al campo. La densidad de corriente es la intensidad por unidad de área:

Aunque la velocidad de arrastre es sorprendentemente pequeña (del orden de fracciones de milímetro por segundo), el campo eléctrico se propaga a velocidad próxima a la de la luz, de modo que la corriente se establece casi instantáneamente en todo el circuito. Corregir la idea intuitiva de que “los electrones viajan muy rápido” es un objetivo didáctico importante.

2. Circuitos de corriente continua

Elementos de un circuito

Un circuito eléctrico es un conjunto de conductores y componentes que forman uno o varios caminos cerrados por los que circula la corriente. Sus elementos básicos son:

• Generador o fuente: dispositivo que mantiene una diferencia de potencial entre sus bornes aportando energía (pila, batería, dínamo). Se caracteriza por su fuerza electromotriz (fem) $\varepsilon$.
• Receptores: transforman la energía eléctrica en otra forma (resistencias, motores, lámparas).
• Conductores de conexión: idealmente sin resistencia.
• Elementos de control y medida: interruptores, amperímetros, voltímetros.

Fuerza electromotriz y resistencia interna

La fuerza electromotriz $\varepsilon$ es la energía que el generador proporciona por unidad de carga que lo atraviesa, $\varepsilon = W/q$; se mide en voltios. Todo generador real posee una resistencia interna $r$ que disipa parte de esa energía. En consecuencia, la diferencia de potencial en bornes (tensión útil) es menor que la fem cuando circula corriente:

En circuito abierto ($I = 0$) la tensión en bornes coincide con la fem. Al cerrar el circuito sobre una resistencia externa $R$, la aplicación de la conservación de la energía a la malla da:

Asociación de resistencias

Las resistencias pueden combinarse para obtener una resistencia equivalente. En serie, la misma intensidad atraviesa todas y las tensiones se suman:

En paralelo, todas soportan la misma tensión y las intensidades se reparten, por lo que se suman los inversos:

La resistencia equivalente en serie es mayor que la mayor de las resistencias; en paralelo, menor que la menor. Estas reglas permiten reducir circuitos complejos y son análogas (con inversión) a las de la asociación de condensadores.

Leyes de Kirchhoff

Para redes con varias mallas, el análisis se sistematiza con las dos leyes de Kirchhoff, que no son sino expresiones de dos principios de conservación:

Primera ley (ley de nudos) — conservación de la carga. La suma de las intensidades que entran en un nudo es igual a la suma de las que salen:

Segunda ley (ley de mallas) — conservación de la energía. En cualquier malla cerrada, la suma de las fem es igual a la suma de las caídas de tensión en las resistencias:

Aplicando ambas leyes con un criterio de signos coherente se obtiene un sistema de ecuaciones cuya resolución proporciona las intensidades de cada rama. Constituyen la herramienta general de análisis de circuitos de corriente continua.

3. Conservación de la energía: ley de Ohm

Ley de Ohm

Ohm descubrió experimentalmente que, para muchos conductores metálicos a temperatura constante, la intensidad que los recorre es directamente proporcional a la diferencia de potencial aplicada entre sus extremos. La constante de proporcionalidad es la resistencia eléctrica $R$:

La unidad de resistencia en el SI es el ohmio ($\Omega$), con $1\ \Omega = 1\ \mathrm{V\,A^{-1}}$. Los materiales que cumplen esta relación lineal se denominan óhmicos; muchos dispositivos (diodos, lámparas de incandescencia, semiconductores) son no óhmicos, y su curva $I$–$V$ no es una recta. Conviene insistir en que la ley de Ohm no es una ley universal, sino un comportamiento empírico de ciertos materiales.

En su versión microscópica, la ley de Ohm se expresa como la proporcionalidad entre la densidad de corriente y el campo eléctrico:

donde $\sigma$ es la conductividad del material.

Resistencia de un conductor

La resistencia de un conductor homogéneo de longitud $L$ y sección $A$ depende de su geometría y de una propiedad del material, la resistividad $\rho$ (inversa de la conductividad, $\rho = 1/\sigma$):

La resistividad varía con la temperatura. En los metales aumenta de forma aproximadamente lineal en un amplio intervalo:

siendo $\alpha$ el coeficiente térmico de resistividad. En los semiconductores, por el contrario, la resistividad disminuye al aumentar la temperatura, un comportamiento de gran importancia tecnológica.

Energía y potencia: efecto Joule

Cuando una carga $q$ recorre un elemento entre cuyos extremos hay una diferencia de potencial $V$, la energía transferida es $W = q\,V$. Dividiendo por el tiempo se obtiene la potencia eléctrica, expresión general de la conservación de la energía en el circuito:

Su unidad es el vatio ($\mathrm{W}$), con $1\ \mathrm{W} = 1\ \mathrm{J\,s^{-1}}$. En un elemento resistivo, combinando esta expresión con la ley de Ohm resulta la potencia disipada en forma de calor, el efecto Joule:

La energía calorífica producida en un tiempo $t$ es, por tanto, $Q = I^2\,R\,t$ (ley de Joule). Este efecto es la base de estufas, hornos, fusibles y bombillas de incandescencia, pero también representa una pérdida indeseada en el transporte de energía eléctrica.

Balance energético del generador

Un generador de fem $\varepsilon$ y resistencia interna $r$ que suministra una intensidad $I$ desarrolla una potencia total $P = \varepsilon\,I$. Parte se disipa internamente por efecto Joule, $I^2 r$, y el resto es la potencia útil entregada al circuito exterior:

El rendimiento del generador es el cociente entre la potencia útil y la total:

Puede demostrarse que la potencia útil transferida a la carga es máxima cuando $R = r$ (teorema de la máxima transferencia de potencia), condición para la que, no obstante, el rendimiento es solo del 50 %. Todo el análisis anterior es una aplicación directa del principio de conservación de la energía a los circuitos.

4. Utilización de polímetros

El polímetro o multímetro es un instrumento versátil que integra en un único aparato las funciones de amperímetro, voltímetro y ohmímetro, entre otras. Puede ser analógico —basado en un galvanómetro de cuadro móvil (D’Arsonval), cuya aguja se desvía proporcionalmente a la intensidad— o digital, que mide una tensión mediante un convertidor analógico-digital y la muestra numéricamente. El polímetro digital es hoy el más habitual por su precisión, su elevada impedancia y la ausencia de error de paralaje en la lectura.

Medida de la intensidad: el amperímetro

El amperímetro mide la intensidad y debe conectarse en serie en la rama cuya corriente se quiere medir, de modo que toda ella lo atraviese. Para no alterar el circuito, su resistencia interna debe ser muy pequeña (idealmente nula). Para ampliar su alcance se coloca en paralelo una resistencia derivadora o shunt $R_s$, que desvía parte de la corriente; si el galvanómetro admite como máximo $I_g$ con resistencia $R_g$ y se desea medir hasta $I$:

Precaución fundamental: nunca debe conectarse un amperímetro en paralelo con un generador o una carga, porque su baja resistencia provocaría un cortocircuito con corrientes muy elevadas.

Medida de la tensión: el voltímetro

El voltímetro mide la diferencia de potencial entre dos puntos y debe conectarse en paralelo con el elemento sobre el que se realiza la medida. Para no derivar corriente apreciable y no perturbar el circuito, su resistencia interna debe ser muy grande (idealmente infinita). Para ampliar el alcance se añade en serie una resistencia multiplicadora $R_m$:

La diferencia entre la conexión en serie del amperímetro y en paralelo del voltímetro es una de las claves prácticas del tema y una fuente habitual de errores en el laboratorio escolar.

Medida de la resistencia: el ohmímetro

En la función de ohmímetro, el aparato incorpora una pila interna que hace circular una corriente por la resistencia desconocida; a partir de la ley de Ohm, deduce y muestra su valor. La medida debe hacerse siempre con el componente sin alimentar y desconectado del circuito, para evitar lecturas erróneas y no dañar el instrumento. Muchos polímetros incorporan además funciones de comprobación de continuidad, prueba de diodos y medida de capacidad.

Cifras de precisión y errores

Toda medida lleva asociada una incertidumbre. En los instrumentos analógicos domina el error de paralaje y la apreciación de la escala; en los digitales, la precisión se expresa como un porcentaje de la lectura más un número de dígitos. La elección de la escala adecuada —empezando por la mayor y reduciéndola— y la correcta selección de la magnitud y del tipo de corriente (CC/CA) son destrezas experimentales que conviene trabajar de forma explícita.

Aplicación didáctica

En el currículo LOMLOE (Real Decreto 217/2022), los contenidos de electricidad se introducen de forma cualitativa en los primeros cursos de la ESO y se formalizan principalmente en 2.º y 3.º de ESO dentro de la materia de Física y Química, con un tratamiento más cuantitativo de la ley de Ohm, los circuitos y la potencia. En Bachillerato, la materia de Física profundiza en la electrodinámica y el análisis de redes. Es un tema idóneo para desarrollar la competencia STEM y la competencia digital, y para plantear situaciones de aprendizaje en torno a contextos reales: el consumo eléctrico doméstico y la factura de la luz (kWh), el ahorro energético, la seguridad eléctrica o el montaje de circuitos.

El trabajo experimental con fuentes de alimentación, resistencias, lámparas y polímetros, así como el uso de simuladores libres (por ejemplo, los del proyecto PhET), resulta especialmente eficaz. Permite verificar la ley de Ohm, comparar el brillo de lámparas asociadas en serie y en paralelo o comprobar el efecto Joule.

Conviene anticipar las ideas previas y errores frecuentes del alumnado:

• Creer que la corriente “se gasta” o “se consume” al recorrer el circuito, cuando lo que se transforma es la energía, no la carga (conservación de la carga).
• Confundir intensidad, tensión y resistencia, o usar “corriente” y “voltaje” como sinónimos.
• Pensar que la corriente sale del generador y “tarda” en llegar, sin distinguir entre la lenta velocidad de arrastre y la rápida propagación del campo.
• Conectar mal los instrumentos (amperímetro en paralelo, voltímetro en serie).
• Suponer que la ley de Ohm se cumple siempre, ignorando los elementos no óhmicos.

Conclusión

La corriente eléctrica, definida como flujo ordenado de carga y medida por la intensidad, es el fenómeno central de la electrodinámica. Su tratamiento en circuitos de corriente continua se apoya en dos pilares: la ley de Ohm, que relaciona tensión, intensidad y resistencia en los conductores óhmicos, y las leyes de Kirchhoff, que sistematizan el análisis de redes como aplicación de la conservación de la carga y de la energía. El efecto Joule y el balance energético del generador completan el panorama energético, mientras que el manejo correcto de los polímetros conecta la teoría con la medida experimental. Este armazón conceptual es la base sobre la que se construyen el electromagnetismo, la corriente alterna y la electrónica, y posee además una enorme proyección tecnológica y cotidiana.