¿Qué es *exactamente* la corriente eléctrica, el voltaje y la resistencia?

Question

En este momento estoy tomando Física AP (soy estudiante de secundaria) y estamos aprendiendo sobre circuitos, corriente, resistencia, voltaje, la Ley de Ohm, etc. Estoy buscando definiciones exactas de lo que son la corriente, el voltaje y la resistencia.

Mi profesor, como estoy seguro que hacen la mayoría de profesores de física, comparó un cable con corriente fluyendo a través de él con un tubo con agua fluyendo a través de él. Mientras más delgado sea el tubo, mayor es la 'resistencia'. Mientras más presión del agua, mayor es el 'voltaje'. Y mientras más rápido viaje el agua, mayor es la 'corriente'.

Tomé esto de forma algo literal y asumí que la corriente es literalmente la velocidad de los electrones, el voltaje es la presión, etc. Mi profesor de física dijo que la analogía con el tubo de agua solo se usa realmente con propósitos ilustrativos. Estoy tratando de entender exactamente qué son la corriente, la resistencia y el voltaje, porque realmente no puedo trabajar con una analogía vaga que medio aplica y medio no.

Investigué un poco y encontré esta página que proporcionaba una explicación decente, pero me perdí un poco en la explicación dada.

Avísenme si esta pregunta ya ha sido formulada (de nuevo, recuerden: no quiero una analogía, quiero una definición concreta).

Edit 1: Nota, cuando digo 'definición exacta' simplemente quiero decir una definición que no requiera una analogía. Para mí, una definición exacta para un término se aplica a todos los casos de uso. Ya sea que esté hablando de un circuito en serie, un circuito en paralelo, o corriente eléctrica dentro de una celda, la 'definición exacta' debería aplicarse a todos ellos y tener sentido.

Answer 1

Antes de explicar la corriente actual, necesitamos saber qué es la carga, ya que la corriente es la tasa de flujo de carga.

La carga se mide en coulombs. Cada coulomb ES un gran grupo de electrones: aproximadamente 6.24 ˟ 10^18 de ellos.

La "tasa de flujo" de carga es simplemente carga/tiempo y este cálculo para un circuito te da el número de coulombs que pasaron por un punto en un segundo. Esto es exactamente lo que es la corriente.

La resistencia es la resistencia de un circuito a la corriente; es, como dijiste, medida en ohms, pero se debe a las vibraciones de los átomos en el cable y los componentes de un circuito, lo que resulta en colisiones con electrones, dificultando el paso de la carga. Esto aumenta con un aumento en la temperatura del circuito, ya que los átomos del circuito tienen más energía cinética para vibrar.

La tensión es la energía en joules por coulomb de electrones. Esto se muestra a través de la ecuación E=QV donde la relación de Energía sobre carga = tensión. Esto es proporcionado por la batería, que empuja coulombs de electrones, con lo que llamamos fuerza electromotriz. Sin embargo, cuando se dice que la diferencia de potencial a través de un componente es X voltios, significa que cada coulomb está dando X joules de energía a ese componente.

Nota: si una ecuación no tiene sentido intuitivo para ti, es probable que sea una derivación complicada y, para entenderla, tendrás que aprender su derivación.

Answer 2

En términos de circuitos...

La corriente es la tasa a la cual la carga fluye pasando por un punto en un circuito.

$$I=\frac{dQ}{dt}$$

El voltaje entre dos puntos en un circuito es el negativo de la integral de línea del campo eléctrico a lo largo del circuito entre esos dos puntos.

$$\Delta V_{AB}=-\int_A^B \mathbf{E}\cdot d\ell$$

La resistencia de un segmento del circuito es la relación entre el voltaje a través de ese segmento y la corriente a través de ese segmento.

$$R=\frac{V}{I}$$

Answer 3

La "definición concreta" que estás buscando no existe, y nunca existirá.

La física no se preocupa por cómo es "realmente" cualquier cosa, o "exactamente" lo que es. Las respuestas a esas preguntas son temas de filosofía y religión, no de ciencia, y suelen ser cuestiones de dogma, que es "un principio o conjunto de principios establecidos por una autoridad como incontrovertiblemente verdadero".

La única "autoridad final" en la ciencia es lo que puedes medir, no lo que alguien te dice.

Lo que deberías preocuparte es qué hace "electricidad", y no qué es. Todo lo que realmente puedes saber acerca de la carga eléctrica es que es una propiedad de algunas cosas (como electrones y protones) y viene en dos tipos "opuestos", que arbitrariamente etiquetamos como "positivo" y "negativo". Eso es todo. Lo siento, pero no hay más que saber sobre "qué es realmente la carga". Todo lo demás que encontrarás en un libro de física describe qué hace la carga, no qué es.

La "corriente eléctrica" es simplemente el movimiento de la carga eléctrica. Esa afirmación no es tan simple como parece. ¡No dice que la corriente eléctrica sea simplemente el movimiento de partículas cargadas, como electrones en un cable! La "carga eléctrica" no es una "cosa". Es una propiedad de otras cosas (como electrones).

De hecho, el párrafo anterior no es toda la historia, porque hay cosas que se comportan como corrientes eléctricas donde no se está moviendo físicamente nada en absoluto. Pero comprender eso en detalle tendrá que esperar hasta que sepas suficiente matemáticas para manejar las ecuaciones de Maxwell...

Answer 4

Esta no es una respuesta completa, pero es un poco demasiado extensa para solo un comentario. Quiero abordar solo un par de puntos en tu pregunta.

Cuando dices "la corriente es la velocidad de los electrones", estás medio en lo correcto. La corriente mide la cantidad total de carga que se desplaza a través de una superficie (por ejemplo, una sección transversal de un cable) por unidad de tiempo. Podría aumentar si la velocidad de los portadores aumenta, o si simplemente hay más portadores presentes moviéndose a la misma velocidad. Y los portadores podrían ser electrones, o podrían ser protones (por ejemplo, en una solución iónica o una celda húmeda), o podrían ser huecos de electrones, pero explicar eso probablemente estaría más allá de lo que necesitas aprender en este momento.

Cuando decimos "el voltaje es como la presión", ahí realmente estamos haciendo una analogía muy suelta. Las diferencias de voltaje son las que ejercen fuerzas sobre los portadores de carga, por lo que las diferencias de voltaje son las que hacen que fluya la corriente. De la misma manera, las diferencias de presión son las que hacen que el agua fluya en una tubería. Pero ahí es donde termina la analogía. No debes interpretar nada sobre lo que crea diferencias de voltaje, cómo se podría distribuir el voltaje en un cable, etc.

También debes darte cuenta de que el voltaje no es realmente fundamental. En electrostática, es simplemente una forma de resumir los efectos de los campos eléctricos (como señaló otra respuesta, el voltaje electrostático es simplemente la integral del campo eléctrico a lo largo de un camino). Más generalmente, también puede ser producido por cambios en campos magnéticos. Pero realmente es el campo eléctrico el que produce una fuerza en las partículas cargadas, no el voltaje per se.

Answer 5

Estoy buscando definiciones exactas de lo que son corriente, voltaje y resistencia.

Definiciones exactas no te van a servir de mucho porque los términos tienen diferentes connotaciones, restricciones e incluso significados en diferentes contextos. Creo que estás buscando definiciones conceptuales fundamentales. Eso formará el contexto de mi respuesta.

corriente eléctrica

La corriente eléctrica es la tasa de flujo de carga eléctrica a través de una cierta área transversal definida. La carga eléctrica es una propiedad fundamental de las partículas elementales. El flujo de carga para la corriente es el flujo de carga neta. Uno podría tener carga negativa fluyendo a través de un área, al igual que carga positiva. O carga negativa podría fluir en una dirección y la positiva en otra. La corriente involucra la tasa del flujo neto de carga. Por convención, la corriente positiva es la dirección en la que fluye la carga positiva, por lo que si los electrones se mueven a través de alguna área, la corriente positiva es opuesta a su flujo.

En cuanto a la carga, se podría decir que la carga es una propiedad que crea campos electromagnéticos y permite que la energía se transmita a través de esos campos.

En un circuito eléctrico, la corriente generalmente está relacionada con el flujo de electrones a través de los cables. (Por cierto, las velocidades de esos electrones son muy pequeñas. MUCHOS electrones se mueven lentamente para dar corrientes considerable).

voltaje eléctrico

El voltaje eléctrico es la diferencia en el potencial eléctrico de dos ubicaciones. El potencial eléctrico es una propiedad del espacio que surge de un campo electromagnético. Un grupo distinto de partículas cargadas siempre tiene un campo electromagnético en el espacio que lo rodea. El voltaje nos dice cuánto trabajo específico (trabajo por carga) se hace, o se puede hacer, en otras cargas cuando se mueven entre las dos ubicaciones que tienen potenciales diferentes. El voltaje nos dice algo sobre el paisaje eléctrico de un espacio (en un circuito simple, el espacio es casi unidimensional). Una carga colocada en un campo eléctrico experimentará una fuerza, así que si se mueve (al menos parcialmente) de forma paralela al campo, se hará trabajo en ella.

resistencia eléctrica

La resistencia eléctrica es una noción muy especializada y puede definirse como la razón entre el voltaje a través de un dispositivo eléctrico y la corriente a través del mismo dispositivo. La Ley de Ohm, en su forma introductoria de circuitos de $V=IR$ es engañosa porque la gente a menudo piensa que el voltaje es producido por el resistor. Recuerda que el voltaje es el trabajo específico hecho/por-hacerse entre dos ubicaciones, por lo que la Ley de Ohm es una relación que en realidad define la resistencia: $$R=\frac{V}{I}.$$

La resistencia es una propiedad del objeto que dificulta que la carga fluya continuamente. El voltaje a través de un resistor es el trabajo específico que debe hacerse por el campo en las cargas que fluyen para mantener la corriente continua. También se puede pensar como la energía específica (energía por carga) eliminada del sistema de campo eléctrico/corriente a medida que las cargas se mueven a través (y no se acumulan) en el resistor.