16.1.1: Ley de Ohm

Los átomos están hechos de protones, neutrones y electrones. Los protones y neutrones (cada uno de los cuales es 1800 veces más pesado que el electrón) se encuentran en el centro del átomo en el núcleo. Los electrones rodean el núcleo y ocupan la mayor parte del espacio en el átomo. La carga se mide en culombios; un protón tiene una carga positiva de\(+1.6\times 10^{-19}\text{ C}\) mientras que el electrón tiene una carga negativa de\(-1.6\times 10^{-19}\text{ C}\) y el neutrón no tiene carga. La fuerza nuclear mantiene unidos los protones y los neutrones; la fuerza eléctrica entre los protones y los electrones evita que los electrones se desvíen. Los electrones asociados a átomos metálicos como el hierro, el aluminio o el cobre pueden moverse libremente de un átomo a otro en un sólido hecho de estos átomos. Un flujo de electrones se llama corriente eléctrica que se mide en amperios. Un amperio es un flujo de un culombo de carga por segundo.

¿Qué se requiere para que una corriente fluya? Ya sabemos que debe haber un conductor metálico para que haya electrones libres. También debe haber energía para que comiencen a moverse. Recordemos a principios del semestre dijimos que si elevas una masa hasta cierta altura almacenaría energía potencial gravitacional, medida en julios. En la electricidad, en lugar de medir la energía potencial medimos la energía potencial por carga que se llama voltaje. Un voltio es un joule de energía potencial por cada culombo de carga. Cuando los electrones fluyen a través de un componente eléctrico como una bombilla, tostadora o radio, renuncian a parte de su energía pero el mismo número de electrones por segundo fluyen hacia afuera que fluyen hacia adentro (la carga se conserva; no perdemos nada de ella). Aunque la misma corriente (electrones por segundo) fluye fuera del componente que fluye hacia adentro, la corriente total en el circuito es controlada por la resistencia del circuito. La resistencia se mide en ohmios. La relación entre resistencia (\(R\)), corriente (\(I\)) y potencial eléctrico (\(V\)) es la ley de Ohm:\(V=IR\). La ley de Ohm dice que un voltaje mayor hace que fluya más corriente si la resistencia es fija. O si la resistencia es menor al mismo voltaje, fluirá más corriente.

Una buena analogía para la ley de Ohm es el agua que fluye en un sistema de tuberías. La corriente es como el agua, el voltaje es como la presión y la resistencia es análoga al tamaño y número de tuberías. Hay presión en las tuberías (energía potencial en la batería o fuente de alimentación) incluso si el agua no está fluyendo justo en este momento. Girar un interruptor en un circuito eléctrico equivale a encender una válvula en un sistema de flujo de agua. Si las tuberías son más grandes o hay más de ellas (menos resistencia) hay más flujo (más corriente) a la misma presión (misma tensión).

Ejemplos de video/audio:

• Simulación de la ley de Ohm (entregar respuestas en una hoja de papel separada): Circuitos eléctricos. Requiere JAVA.

  Nota

  Hay una versión HTML5 simplificada de esta simulación también disponible en PhET.

  1. Descarga o ejecuta la simulación desde la página web. Arrastre una batería, una bombilla, un interruptor y varios cables desde el panel a la pantalla. Conéctelos para que obtengas corriente para que fluya y la bombilla a la luz. Dibuja un boceto de tu circuito. Pista: Los diferentes elementos se conectan entre sí automáticamente; puedes separarlos usando un clic de control en el cruce.
  2. Haga clic en la casilla para agregar un amperímetro sin contacto. Arrástralo sobre diferentes partes del circuito. ¿Cuál es la corriente en el circuito? ¿Es lo mismo en todas partes? Si la corriente no se agota en el circuito, ¿qué es?
  3. Da click en la caja para agregar un voltímetro. Notarás que hay dos cables al voltímetro; esto se debe a que mide la diferencia de energía potencial entre dos ubicaciones. ¿Cuál es la diferencia de voltaje entre la batería? ¿Qué pasa con el voltaje a través de la bombilla? ¿Qué pasa con el voltaje de un extremo de un cable al otro extremo?
  4. Separe una de las uniones y agregue una resistencia. ¿Qué pasa con la corriente en comparación con el circuito sin resistencia? ¿Qué pasa con tus lecturas de voltaje?
  5. Reemplace la batería con la fuente de CA. ¿Cuál es la diferencia entre una batería (que proporciona CC o corriente continua) y la fuente de CA (corriente alterna)?
  6. Agrega un gráfico de corriente al circuito. Mueva la sonda sobre varias partes del circuito. Describir o esbozar lo que está haciendo la corriente, de acuerdo con el gráfico actual.
• Los fundamentos de la ley de Ohm.
• No es el voltaje lo que te mata... o lo es?

Preguntas sobre la Ley de Ohm (\(V=IR\)):

1. Supongamos que tiene un cable en un circuito que tiene\(10\text{ A}\) fluyendo en él y se ramifica en otros dos cables. Si hay\(7\text{ A}\) en uno de los cables, ¿cuánto debe estar fluyendo en el otro?
2. ¿Cuál es más como un circuito eléctrico, el sistema de refrigeración de tu auto o la plomería de tu casa? Explique.
3. ¿Por qué es incorrecto decir que el voltaje fluye alrededor de un circuito? (Pista: comience con definiciones de corriente y voltaje.)
4. Una persona de pie en un taburete aislado toca un conductor aislado cargado. ¿Qué pasa?
5. Las aves se sientan en cables de alta tensión y no se electrocutan, incluso cuando el cable está desnudo, sin embargo, una ardilla que pasa de un cable desnudo a un poste o a otro cable muere instantáneamente. ¿Por qué?
6. ¿Qué pasa con el brillo de una bombilla si más corriente fluye a través de ella?
7. ¿Cuál es la diferencia entre corriente (en amperios) y voltaje (en voltios)?
8. Si quieres hacer una bombilla más brillante, ¿quieres aumentar la resistencia o disminuir la resistencia del filamento? (Pista: El brillo aumenta si fluye más corriente.)
9. ¿Cuál es la diferencia entre AC y DC?
10. ¿Qué suministran las baterías a un circuito eléctrico?
11. Cuando una batería muere, ¿está sin electrones o sin energía? Explique.
12. Si la misma cantidad de corriente (electrones por segundo) fluye hacia una bombilla fluye fuera de ella, ¿qué se está “agotando” en el circuito?
13. Si la misma corriente fluye hacia tu casa que fluye fuera de ella, ¿por qué tienes que pagar la electricidad?
14. ¿Es la corriente o voltaje lo que provoca una descarga eléctrica?
15. Los pies mojados reducen la resistencia entre usted y el suelo. De este hecho explica por qué la misma\(120\text{ V}\) salida es mucho más peligrosa si tienes los pies mojados que si tienes los pies secos.
16. ¿Por qué las advertencias en las estaciones de retransmisión de energía dicen 'Advertencia, alto voltaje' cuando es la corriente la que es peligrosa?