PARTE III · Física: movimiento, energía, campos y materia

Electricidad y circuitos

Cómo las cargas y los campos permiten transferir energía de forma controlada

Capítulo 20 · 81 capítulos publicados

En este capítulo

Una lámpara se enciende casi al cerrar un interruptor, aunque los electrones individuales de un cable metálico no viajen desde la batería hasta la lámpara a esa rapidez. La electricidad obliga a distinguir movimiento de carga, propagación del campo y transferencia de energía. Un circuito no es una tubería donde una sustancia luminosa sale de la batería; es una red en la que campos eléctricos organizan el movimiento de cargas y transportan energía hacia los componentes.

Los capítulos previos introdujeron fuerzas, energía, potencia y modelos. La electricidad usa todas esas ideas y añade una propiedad fundamental: la carga eléctrica. A partir de ella aparecen campos, potenciales, corrientes y circuitos. El objetivo de este capítulo es entender qué se conserva, qué circula y qué se transforma.

20.1. Carga eléctrica y fuerza eléctrica#

La carga eléctrica es una propiedad física que puede ser positiva o negativa. Cargas de igual signo se repelen; cargas de signo opuesto se atraen. En la materia ordinaria, los protones tienen carga positiva y los electrones carga negativa. La carga elemental $e$ tiene valor exacto en el SI desde la redefinición de 2019: $1,602 176 634 \times 10^{- 19} C$ . (BIPM, SI defining constants)

La unidad de carga es el coulomb. Un coulomb es una cantidad enorme comparada con la carga de un electrón individual: corresponde a aproximadamente $6, 24 \times 10^{18}$ cargas elementales. Por eso corrientes cotidianas implican cantidades enormes de portadores, aunque el desequilibrio neto de carga en un objeto pueda ser pequeño.

La ley de Coulomb modela la fuerza entre dos cargas puntuales en reposo:

F = k \frac{| q_{1} q_{2} |}{r^{2}}

donde $q_{1}$ y $q_{2}$ son cargas, $r$ la distancia entre ellas y $k$ la constante de Coulomb. La fuerza apunta a lo largo de la línea que une las cargas y puede ser atractiva o repulsiva según los signos.

La materia suele ser casi neutra porque las cargas positivas y negativas se compensan. Esa neutralidad aproximada no significa que las fuerzas eléctricas sean débiles. Al contrario: a escala atómica y molecular, la interacción electromagnética domina enlaces, rigidez de materiales, fricción, química y luz.

20.2. Campo eléctrico: fuerza por unidad de carga#

El campo eléctrico describe la fuerza que experimentaría una carga positiva de prueba por unidad de carga:

\vec{E} = \frac{\vec{F}}{q}

Su unidad puede expresarse como newton por coulomb o volt por metro. El campo permite hablar de la influencia eléctrica en cada punto del espacio sin colocar una carga real que altere la situación. Una carga positiva siente fuerza en la dirección del campo; una carga negativa, en dirección opuesta.

Las líneas de campo son representaciones. Salen de cargas positivas y llegan a cargas negativas en el dibujo convencional; donde están más densas, el campo es más intenso. No son hilos materiales. Sirven para visualizar dirección y magnitud relativa, pero el campo es la entidad física del modelo.

En conductores en equilibrio electrostático, las cargas libres se redistribuyen hasta que el campo eléctrico interno neto se anula. Si hubiera campo interno sostenido, las cargas seguirían moviéndose. Esta propiedad explica el apantallamiento electrostático y por qué la carga excedente en un conductor aislado reside en su superficie en equilibrio.

20.3. Potencial eléctrico y voltaje#

El potencial eléctrico es energía potencial eléctrica por unidad de carga. Una diferencia de potencial, o voltaje, indica cuánta energía por unidad de carga puede transferirse entre dos puntos:

Δ V = \frac{Δ U}{q}

La unidad es el volt: $1 V = 1 J / C$ . Una batería de 1,5 V no contiene «1,5 unidades de electricidad». Mantiene una diferencia de energía por carga entre sus terminales mediante procesos químicos internos.

El campo eléctrico se relaciona con cambios de potencial. En una dimensión uniforme, puede aproximarse como:

E \approx - \frac{Δ V}{Δ x}

El signo menos indica que el campo apunta hacia donde el potencial disminuye para una carga positiva. Las cargas positivas tienden a acelerar hacia potencial menor; los electrones, al ser negativos, responden en sentido opuesto al campo.

El potencial simplifica circuitos porque permite seguir energía por carga. Así como la altura gravitatoria ayuda a calcular cambios de energía potencial cerca de la Tierra, el voltaje ayuda a calcular energía eléctrica transferida por cargas en componentes.

20.4. Corriente y resistencia#

La corriente eléctrica mide carga que atraviesa una sección por unidad de tiempo:

I = \frac{Δ q}{Δ t}

Su unidad es el ampere, equivalente a coulomb por segundo. La corriente convencional se define como el sentido en que se moverían cargas positivas. En metales, los portadores móviles principales son electrones, que se desplazan en promedio en sentido opuesto a la corriente convencional.

La resistencia expresa oposición al paso de corriente en un componente bajo ciertas condiciones. La ley de Ohm para un resistor ideal establece:

V = I R

donde $V$ es diferencia de potencial, $I$ corriente y $R$ resistencia. La unidad de resistencia es el ohm. No todos los materiales o dispositivos obedecen Ohm de forma simple: diodos, lámparas incandescentes, electrolitos y semiconductores pueden tener relaciones corriente-voltaje no lineales.

La resistencia no «gasta carga». En un circuito cerrado, la carga se conserva. Lo que se transfiere y transforma es energía. En un resistor, energía eléctrica se convierte en energía interna del material y del entorno. La corriente que entra y sale de un resistor en régimen estacionario es la misma; la diferencia está en la energía por carga, que disminuye al atravesarlo.

Circuito simple con batería y resistor; flechas de corriente recorren todo el lazo mientras flechas de energía conectan la batería con el resistor donde se disipa energía. — Figura 20.1 — En un circuito circula carga, pero se entrega energía

20.5. Circuitos: serie, paralelo y conservación#

Un circuito necesita un camino cerrado para mantener corriente estacionaria. Si el camino se abre, las cargas se redistribuyen rápidamente hasta que el campo interno ya no impulsa corriente continua. Cerrar un interruptor no crea cargas; establece condiciones para que el campo reorganice el movimiento de las cargas ya presentes en el conductor.

En una conexión en serie, la misma corriente atraviesa componentes sucesivos. La diferencia de potencial total se reparte entre ellos según sus resistencias si obedecen Ohm. En una conexión en paralelo, los componentes comparten la misma diferencia de potencial, pero la corriente total se divide entre ramas.

Estas reglas son expresiones de conservación. La ley de nodos de Kirchhoff conserva carga: la corriente que entra a un nodo iguala la que sale en régimen estacionario. La ley de mallas conserva energía por carga: al recorrer una vuelta cerrada, las subidas y caídas de potencial suman cero si no hay campos variables que exijan una formulación más general.

La resistencia equivalente organiza redes simples. En serie, las resistencias se suman:

R_{eq} = R_{1} + R_{2} + \dots

En paralelo:

\frac{1}{R_{eq}} = \frac{1}{R_{1}} + \frac{1}{R_{2}} + \dots

Estas expresiones presuponen resistores ideales y conexiones sin resistencia apreciable. En circuitos reales, cables, contactos, fuentes, temperatura y límites de potencia pueden importar.

20.6. Potencia eléctrica y disipación#

La potencia eléctrica transferida a un componente se calcula como:

P = I V

donde $I$ es corriente y $V$ diferencia de potencial en el componente. Para un resistor óhmico, también puede escribirse:

P = I^{2} R = \frac{V^{2}}{R}

Estas fórmulas muestran que aumentar corriente puede elevar mucho la potencia disipada en una resistencia. En dispositivos reales, la potencia máxima admisible depende de materiales, temperatura, ventilación y diseño. Superarla puede dañar el componente o crear riesgos.

La seguridad eléctrica no se deduce de un solo número. El daño posible depende de corriente, voltaje, trayectoria por el cuerpo, duración, frecuencia, humedad y condiciones de contacto. Por eso la electricidad de red, baterías de alta capacidad y equipos desconocidos no deben manipularse experimentalmente sin formación, protección y supervisión técnica. En este capítulo la seguridad se trata como límite conceptual: entender potencia y corriente no equivale a estar habilitado para intervenir instalaciones.

20.7. De la electricidad al magnetismo#

Una carga en reposo produce campo eléctrico. Una corriente, es decir, carga en movimiento ordenado, produce campo magnético. En el siguiente capítulo aparecerá la relación profunda entre electricidad y magnetismo: fuerzas magnéticas sobre cargas móviles, campos producidos por corrientes e inducción electromagnética.

Los circuitos de este capítulo pueden parecer estáticos si sólo se miran resistores y baterías. Pero incluso allí los campos eléctricos se establecen en el espacio alrededor de los conductores, la energía fluye hacia los componentes y las corrientes producen efectos magnéticos. El electromagnetismo completo mostrará que electricidad y magnetismo no son fenómenos separados, sino aspectos de una misma interacción.

Preguntas de transferencia#

Carga consumida#

Ejemplo construido. Una lámpara conectada a una batería brilla. Alguien dice que la lámpara consume los electrones que salen de la batería. ¿Qué debe corregirse?

Mostrar respuesta razonada

La lámpara no consume carga en régimen estacionario. La corriente que entra y sale es la misma. Lo que se transfiere desde la batería y se transforma en la lámpara es energía, no carga neta.

Corriente convencional y electrones#

Ejemplo construido. En un cable metálico se indica corriente convencional hacia la derecha. ¿En qué sentido se desplazan en promedio los electrones móviles?

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Hacia la izquierda, en promedio, porque tienen carga negativa. La corriente convencional se definió como sentido de movimiento de carga positiva. La diferencia de convención no cambia las predicciones si se usa de forma coherente.

Serie y paralelo#

Ejemplo construido. Dos resistores idénticos se conectan primero en serie y luego en paralelo a la misma batería ideal. ¿En qué conexión es menor la resistencia equivalente?

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En paralelo. Dos resistores iguales $R$ en serie dan $2 R$ ; en paralelo dan $R / 2$ . La conexión en paralelo abre más caminos para la corriente total bajo el mismo voltaje ideal.

Potencia en un resistor#

Ejemplo construido. Un resistor óhmico mantiene la misma resistencia y se duplica el voltaje aplicado. ¿Qué ocurre con la potencia disipada idealmente?

Mostrar respuesta razonada

Usando $P = V^{2} / R$ , la potencia se multiplica por cuatro si $R$ permanece constante. En un componente real, el calentamiento puede cambiar $R$ o exceder límites, por lo que la fórmula ideal tiene dominio de validez.

Fuentes y lecturas del capítulo#

OpenStax. University Physics Volume 2. Presenta carga, campo eléctrico, potencial, corriente, resistencia, circuitos y potencia eléctrica con desarrollo introductorio. (OpenStax University Physics 2)

BIPM. The International System of Units: SI defining constants. Fuente oficial para la carga elemental exacta y las unidades eléctricas derivadas. (BIPM, SI defining constants)

NIST. Fundamental Physical Constants. Referencia para constantes electromagnéticas y conversiones utilizadas en electricidad. (NIST Constants)

Richard P. Feynman, Robert B. Leighton y Matthew Sands. The Feynman Lectures on Physics, Volume II. Tratamiento conceptual de electricidad, campos y energía electromagnética. (Feynman Lectures, Volume II)

OSHA. Electrical. Recurso institucional sobre riesgos eléctricos en contextos laborales; útil para distinguir explicación física de intervención segura en sistemas reales. (OSHA Electrical)

Última revisión editorial: 28 de septiembre de 2026
Cierre de contenidos: 28 de septiembre de 2026