Teoría — La electricidad desde el átomo

Esta es la sección más importante del curso. No la más difícil: la más importante. Todo lo que viene después —componentes, circuitos, antenas, propagación— se apoya en las cuatro ideas que vas a aprender aquí. Vamos despacio y sin saltarnos nada.

El átomo, o de dónde sale todo esto

Toda la materia está hecha de átomos. Un átomo tiene un núcleo central con protones (carga eléctrica positiva) y neutrones (sin carga), y a su alrededor una nube de electrones (carga negativa). La carga eléctrica es una propiedad fundamental de la materia, como la masa: no se puede explicar con nada más simple, es de las piezas básicas del universo. Solo necesitas saber tres cosas de ella:

1. Hay dos tipos, que llamamos positiva y negativa.
2. Las cargas del mismo signo se repelen; las de signo contrario se atraen.
3. La carga se mide en culombios (C). Un culombio es una cantidad enorme: la carga de unos 6,24 trillones de electrones.

En un átomo normal hay tantos protones como electrones y el conjunto es eléctricamente neutro. Pero los electrones más externos de algunos materiales están sujetos con muy poca fuerza.

• En los conductores (los metales: cobre, plata, aluminio, oro...), los electrones externos andan tan sueltos que ni siquiera pertenecen a un átomo concreto: forman una especie de gas de electrones libres que vaga por el interior del metal. Por eso los metales conducen la electricidad.
• En los aislantes (vidrio, plástico, cerámica, goma, aire seco, madera seca...), todos los electrones están firmemente sujetos. No hay quien los mueva, y el material no conduce.
• Y hay un tercer grupo, los semiconductores (silicio, germanio), que conducen «a medias» y de forma controlable. Son la base de los diodos y transistores, y les dedicaremos buena parte de la sección 4.

Guárdate esta imagen: un cable de cobre es un tubo lleno de electrones libres desordenados, agitándose al azar sin ir a ninguna parte. Falta algo que los ponga en marcha a todos en la misma dirección.

Corriente: la fila en marcha

Cuando algo empuja a esos electrones libres a avanzar todos en el mismo sentido, aparece una corriente eléctrica: un flujo ordenado de cargas.

• Símbolo: I (de intensidad de corriente).
• Unidad: el amperio (A). Un amperio es el paso de un culombio de carga por segundo a través de la sección del conductor: I = Q / t (intensidad = carga entre tiempo).

Para las magnitudes pequeñas y grandes usamos los prefijos del sistema internacional, que en radio se usan sin parar y caen en el examen:

Prefijo	Símbolo	Factor	Ejemplo
pico	p	billonésima (10⁻¹²)	47 pF (condensador)
nano	n	milmillonésima (10⁻⁹)	10 nF
micro	µ	millonésima (10⁻⁶)	100 µA, 22 µF
mili	m	milésima (10⁻³)	500 mA, 12 mV
kilo	k	mil (10³)	3,5 kΩ, 144 kHz... no: 144 MHz 😉
mega	M	millón (10⁶)	7 MHz, 1 MΩ
giga	G	mil millones (10⁹)	1,3 GHz

Conviene automatizar las conversiones: 500 mA = 0,5 A; 3,5 kΩ = 3.500 Ω; 7 MHz = 7.000.000 Hz.

Un matiz histórico que explica muchos libros confusos: por convenio, el sentido de la corriente se dibuja del polo positivo al negativo por fuera del generador. Los electrones, que tienen carga negativa, viajan en realidad al revés. El convenio se fijó antes de descubrir el electrón y nos lo quedamos. Para cálculos y examen, usa siempre el sentido convencional (+ → −); la física subterránea no cambia ningún resultado.

Dos tipos de corriente que debes distinguir desde ya:

• Corriente continua (CC): fluye siempre en el mismo sentido. La producen pilas, baterías, paneles solares y fuentes de alimentación. Casi toda la electrónica de tu emisora funciona por dentro con CC (típicamente 12-13,8 V).
• Corriente alterna (CA): cambia de sentido periódicamente. Es la de tu enchufe (230 V, 50 veces por segundo en Europa) y —atención, idea clave del curso— una señal de radio no es más que corriente alterna de frecuencia altísima. La sección 3 entera va de esto.

Tensión: el empujón

Los electrones libres no se mueven solos. Hace falta algo que los empuje: una diferencia de «presión eléctrica» entre dos puntos. Esa diferencia se llama tensión, voltaje o diferencia de potencial.

• Símbolo: U (a veces V o E en libros antiguos).
• Unidad: el voltio (V).

La analogía clásica es la hidráulica, y es honesta si conoces sus límites: imagina dos depósitos de agua conectados por una tubería. Si están al mismo nivel, no fluye nada. Si uno está más alto, la diferencia de altura empuja el agua por la tubería. La tensión es esa diferencia de altura; la corriente, los litros por segundo que pasan por la tubería; y la resistencia, lo estrecha que sea la tubería. (Límite de la analogía: si cortas una tubería, el agua se derrama; si cortas un cable, la corriente simplemente se detiene. No fuerces la analogía más allá de presión/caudal/estrechez.)

Una pila o batería es una «bomba de electrones»: mantiene una diferencia de potencial constante entre sus dos bornes mediante reacciones químicas. Valores que conviene tener en la cabeza:

• Pila alcalina: 1,5 V. Batería de móvil (litio): ~3,7 V. Batería de coche (plomo-ácido): 12 V (12,6-12,8 V llena; en carga, unos 13,8 V — por eso las fuentes de radioaficionado dan 13,8 V).
• Enchufe doméstico europeo: 230 V de alterna.
• La tensión entre dos puntos se mide con el voltímetro, conectado en paralelo (entre los dos puntos, sin cortar el circuito). La corriente se mide con el amperímetro, conectado en serie (cortando el circuito para que la corriente pase por el aparato). El polímetro de Vicente hace de ambos.

Resistencia: los codazos del pasillo

Cuando la corriente atraviesa un material, los electrones van chocando con los átomos del propio material y pierden energía en cada choque (que se convierte en calor). Esa oposición al paso de la corriente es la resistencia.

• Símbolo: R.
• Unidad: el ohmio (Ω).

La resistencia de un conductor concreto depende de cuatro cosas, y esto es pregunta clásica de examen:

1. Del material (su resistividad): el cobre conduce mejor que el hierro; la plata, mejor que el cobre.
2. De la longitud: a doble longitud, doble resistencia. (Un cable largo «roza» más.)
3. De la sección: a doble grosor (sección), mitad de resistencia. (Un pasillo ancho permite pasar a más gente.)
4. De la temperatura: en los metales, a más temperatura, más resistencia (los átomos vibran más y estorban más).

Los componentes fabricados a propósito para tener una resistencia concreta se llaman resistencias o resistores, y son el componente más abundante de cualquier aparato. Los veremos en la sección 4.

También se usa el concepto inverso: la conductancia (símbolo G, unidad el siemens, S) es lo contrario de la resistencia: G = 1 / R. Un material muy conductor tiene mucha conductancia y poca resistencia. Aparece poco en la práctica diaria, pero el examen la conoce.

La ley de Ohm: la frase más rentable del curso

En 1827, el profesor alemán Georg Simon Ohm publicó la relación entre las tres magnitudes. En notación moderna:

U = I × R

La tensión (voltios) es igual a la corriente (amperios) multiplicada por la resistencia (ohmios). En palabras: para empujar una corriente I a través de una resistencia R hace falta una tensión U. De la misma fórmula salen las otras dos formas, según lo que busques:

• I = U / R — ¿cuánta corriente circulará? (La tensión disponible entre lo que estorba.)
• R = U / I — ¿qué resistencia hay ahí? (Cuánta tensión ha hecho falta por cada amperio.)

Truco del triángulo: escribe U arriba, I y R abajo. Tapa la magnitud que buscas y lo que queda a la vista es la fórmula.

Ejemplos resueltos, del estilo exacto del examen:

1. Una resistencia de 100 Ω se conecta a una batería de 12 V. ¿Qué corriente circula? I = U / R = 12 / 100 = 0,12 A = 120 mA.

2. Por una resistencia circulan 2 A cuando se le aplican 24 V. ¿Cuánto vale la resistencia? R = U / I = 24 / 2 = 12 Ω.

3. ¿Qué tensión hay entre los extremos de una resistencia de 50 Ω por la que circulan 200 mA? Primero, unidades: 200 mA = 0,2 A. U = I × R = 0,2 × 50 = 10 V. (El error clásico del examen es no convertir los miliamperios. Cuidado ahí.)

Potencia y energía: la cuenta de la batería

Falta la magnitud que lo paga todo. La potencia es el ritmo al que se consume (o entrega) energía.

• Símbolo: P. Unidad: el vatio (W).
• Fórmula fundamental: P = U × I (potencia = tensión × corriente).

Combinándola con la ley de Ohm salen dos formas derivadas muy usadas:

• P = I² × R (útil cuando conoces la corriente que atraviesa una resistencia)
• P = U² / R (útil cuando conoces la tensión aplicada)

Ejemplos:

1. Un transceptor consume 10 A a 12 V mientras transmite. ¿Qué potencia consume? P = U × I = 12 × 10 = 120 W. (Ojo: consume 120 W de la batería; su potencia de emisión será menor, porque parte se pierde en calor. El rendimiento aparecerá en la sección 7.)

2. ¿Qué potencia disipa una resistencia de 50 Ω por la que circulan 2 A? P = I² × R = 4 × 50 = 200 W. (Esa resistencia debe ser grande y aguantar calor: una resistencia pequeña de las de 0,25 W se convertiría en humo. La «potencia máxima» de un componente es un dato tan real como su valor.)

La energía es potencia acumulada en el tiempo: E = P × t. Su unidad oficial es el julio (J) (un vatio durante un segundo), pero en la práctica doméstica usamos el kilovatio-hora (kWh) y, en el mundo de las baterías, una unidad de carga: el amperio-hora (Ah).

Una batería de 60 Ah puede suministrar, idealmente, 60 amperios durante 1 hora, o 6 A durante 10 horas, o 1 A durante 60 horas. Ahora ya puedes auditar la cuenta que Vicente le hizo a Marina:

• Transmitiendo: 10 A → 60 Ah / 10 A = 6 horas de transmisión continua.
• Escuchando: ~0,8 A → 60 Ah / 0,8 A = 75 horas de escucha.
• Una noche real de emergencia (95 % escucha, 5 % transmisión): consumo medio ≈ 0,95 × 0,8 + 0,05 × 10 = 0,76 + 0,5 = 1,26 A → unas 47 horas de autonomía. Por eso al amanecer «aún le quedaba cuerda», y por eso su regla era escuchar mucho y hablar corto.

(En la realidad las baterías no se deben descargar del todo y su capacidad baja con los años y el frío; la aritmética te da el orden de magnitud, y el orden de magnitud es lo que salva noches.)

Cortocircuito y circuito abierto: los dos extremos

Dos situaciones límite que conviene nombrar ya, porque reaparecerán todo el curso:

• Circuito abierto: el camino está interrumpido (interruptor abierto, cable roto). Resistencia infinita, corriente cero. No pasa nada... literalmente.
• Cortocircuito: los dos polos de la fuente se unen por un camino de resistencia casi nula. La ley de Ohm es implacable: I = U / R con R diminuta da una corriente enorme. Los cables se calientan al rojo (recuerda P = I²R), la batería puede reventar. Por eso existen los fusibles: un hilo calibrado que se funde y abre el circuito cuando la corriente pasa de un límite. Un fusible no protege tu equipo del rayo ni de tus errores de diseño: protege el cableado del incendio. Ponlos siempre.

Para llevar

• La materia contiene electrones libres (en los conductores); ordenarlos en marcha es la corriente (amperios), el empujón que los ordena es la tensión (voltios), la oposición del material es la resistencia (ohmios).
• Ley de Ohm: U = I × R, con sus tres formas. Convierte SIEMPRE mA→A y kΩ→Ω antes de calcular.
• Potencia: P = U × I = I²R = U²/R, en vatios. Energía = potencia × tiempo; capacidad de batería en amperios-hora.
• Resistencia de un cable: sube con la longitud y la temperatura, baja con la sección; depende del material.
• Voltímetro en paralelo, amperímetro en serie.
• Cortocircuito = corriente descontrolada = calor: fusibles siempre.

Para el examen

• La ley de Ohm cae seguro, casi siempre con una conversión de unidades escondida (mA, kΩ). Es el punto más regalado del examen si te sabes el triángulo... y el más perdido si no conviertes unidades.
• Prefijos (pico a giga): pregunta directa habitual («¿cuántos hercios son 3,5 MHz?»).
• Distinguir CC/CA, conductor/aislante/semiconductor, y de qué depende la resistencia de un conductor.
• Las tres fórmulas de potencia. Practica P = I²R, que es la que menos intuitiva resulta.
• Cómo se conectan voltímetro y amperímetro.

Para profundizar

• OpenStax, Física universitaria vol. 2 (openstax.org, licencia CC BY 4.0, disponible en español): capítulos de carga eléctrica, corriente y resistencia. El desarrollo formal y gratuito de todo lo anterior.
• Cualquier polímetro básico (desde 10 €) y una pila: mide tensiones de pilas nuevas y gastadas, la resistencia de tu cuerpo entre mano y mano, la continuidad de un cable. Diez minutos de práctica valen un capítulo.