1.5: Resistencia

El flujo de electrones a través del filamento de la lámpara

Un uso práctico y popular de la corriente eléctrica es para el funcionamiento de la iluminación eléctrica. La forma más simple de lámpara eléctrica es un pequeño “filamento” metálico dentro de una bombilla de vidrio transparente, que brilla al blanco vivo (“incandescencias”) con energía térmica cuando pasa suficiente corriente eléctrica a través de ella. Al igual que la batería, tiene dos puntos de conexión conductores, uno para que los electrones entren y el otro para que los electrones salgan.

Conectado a una fuente de voltaje, un circuito de lámpara eléctrica se ve así:

A medida que los electrones se abren paso a través del delgado filamento metálico de la lámpara, encuentran más oposición al movimiento de lo que normalmente lo harían en un grueso trozo de alambre. Esta oposición a la corriente eléctrica depende del tipo de material, su área de sección transversal y su temperatura. Se le conoce técnicamente como resistencia. (Se puede decir que los conductores tienen baja resistencia y los aislantes tienen una resistencia muy alta). Esta resistencia sirve para limitar la cantidad de corriente a través del circuito con una cantidad dada de voltaje suministrada por la batería, en comparación con el “cortocircuito” donde no teníamos más que un cable que unía un extremo de la fuente de voltaje (batería) al otro.

Cuando los electrones se mueven contra la oposición de la resistencia, se genera “fricción”. Al igual que la fricción mecánica, la fricción producida por los electrones que fluyen contra una resistencia se manifiesta en forma de calor. La resistencia concentrada del filamento de una lámpara resulta en una cantidad relativamente grande de energía térmica disipada en ese filamento. Esta energía térmica es suficiente para hacer que el filamento brille al blanco vivo, produciendo luz, mientras que los cables que conectan la lámpara a la batería (que tienen una resistencia mucho menor) apenas se calientan mientras conducían la misma cantidad de corriente.

Como en el caso del cortocircuito, si la continuidad del circuito se rompe en algún punto, el flujo de electrones se detiene en todo el circuito. Con una lámpara en su lugar, esto significa que dejará de brillar:

Como antes, sin flujo de electrones, todo el potencial (voltaje) de la batería está disponible a través de la interrupción, esperando la oportunidad de una conexión para atravesar esa ruptura y permitir el flujo de electrones nuevamente. Esta condición se conoce como un circuito abierto, donde una interrupción en la continuidad del circuito impide la corriente en todo momento. Todo lo que se necesita es una sola interrupción en la continuidad para “abrir” un circuito. Una vez que se han vuelto a conectar alguna interrupción y se restablecerá la continuidad del circuito, se le conoce como circuito cerrado.

La base para cambiar las lámparas

Lo que vemos aquí es la base para encender y apagar las lámparas mediante interruptores remotos. Debido a que cualquier interrupción en la continuidad de un circuito da como resultado la detención de la corriente en todo el circuito, podemos usar un dispositivo diseñado para romper intencionalmente esa continuidad (llamado interruptor), montado en cualquier ubicación conveniente a la que podamos pasar cables, para controlar el flujo de electrones en el circuito:

Es así como un interruptor montado en la pared de una casa puede controlar una lámpara que se monta en un pasillo largo, o incluso en otra habitación, lejos del interruptor. El interruptor en sí está construido de un par de contactos conductores (generalmente hechos de algún tipo de metal) forzados entre sí por un actuador mecánico de palanca o pulsador. Cuando los contactos se tocan entre sí, los electrones son capaces de fluir de uno a otro y se establece la continuidad del circuito; cuando los contactos están separados, el flujo de electrones de uno a otro se impide por el aislamiento del aire entre ellos, y se rompe la continuidad del circuito.

El interruptor de cuchillo

Quizás el mejor tipo de interruptor para mostrar para ilustrar el principio básico es el interruptor de “cuchillo”:

Un interruptor de cuchilla no es más que una palanca conductora, libre de pivotar sobre una bisagra, entrando en contacto físico con uno o más puntos de contacto estacionarios que también son conductores. El interruptor mostrado en la ilustración anterior está construido sobre una base de porcelana (un excelente material aislante), utilizando cobre (un excelente conductor) para la “cuchilla” y puntos de contacto. El mango es de plástico para aislar la mano del operador de la cuchilla conductora del interruptor al abrirlo o cerrarlo.

Aquí hay otro tipo de interruptor de cuchilla, con dos contactos estacionarios en lugar de uno:

El interruptor de cuchilla particular que se muestra aquí tiene una “hoja” pero dos contactos estacionarios, lo que significa que puede hacer o romper más de un circuito. Por ahora no es terriblemente importante tener en cuenta esto, solo el concepto básico de qué es un switch y cómo funciona.

Los interruptores de cuchilla son excelentes para ilustrar el principio básico de cómo funciona un interruptor, pero presentan distintos problemas de seguridad cuando se usan en circuitos eléctricos de alta potencia. Los conductores expuestos en un interruptor de cuchilla hacen que el contacto accidental con el circuito sea una posibilidad clara, y cualquier chispas que pueda ocurrir entre la hoja móvil y el contacto estacionario es libre de encender cualquier material inflamable cercano. La mayoría de los diseños modernos de interruptores tienen sus conductores móviles y puntos de contacto sellados dentro de una caja aislante para mitigar estos peligros. Una fotografía de algunos tipos de interruptores modernos muestra cómo los mecanismos de conmutación están mucho más ocultos que con el diseño del cuchillo:

Circuitos abiertos y cerrados

De acuerdo con la terminología “abierta” y “cerrada” de los circuitos, un interruptor que está haciendo contacto de un terminal de conexión al otro (ejemplo: un interruptor de cuchilla con la hoja tocando completamente el punto de contacto estacionario) proporciona continuidad para que los electrones fluyan a través, y se llama cerrado interruptor. Por el contrario, un interruptor que está rompiendo la continuidad (ejemplo: un interruptor de cuchilla con la hoja no tocando el punto de contacto estacionario) no permitirá que los electrones pasen a través y se llama interruptor abierto. Esta terminología suele ser confusa para el nuevo alumno de la electrónica, porque las palabras “abierto” y “cerrado” se entienden comúnmente en el contexto de una puerta, donde “abierto” se equipara con paso libre y “cerrado” con bloqueo. Con los interruptores eléctricos, estos términos tienen un significado opuesto: “abierto” significa no flujo mientras que “cerrado” significa paso libre de electrones.

Revisar

• La resistencia es la medida de la oposición a la corriente eléctrica.
• Un cortocircuito es un circuito eléctrico que ofrece poca o ninguna resistencia al flujo de electrones. Los cortocircuitos son peligrosos con fuentes de energía de alto voltaje porque las altas corrientes encontradas pueden provocar que se liberen grandes cantidades de energía térmica.
• Un circuito abierto es aquel en el que la continuidad se ha interrumpido por una interrupción en el camino para que fluyan los electrones.
• Un circuito cerrado es aquel que está completo, con buena continuidad en todo momento.
• Un dispositivo diseñado para abrir o cerrar un circuito bajo condiciones controladas se llama interruptor.
• Los términos “abierto” y “cerrado” se refieren tanto a interruptores como a circuitos completos. Un interruptor abierto es uno sin continuidad: los electrones no pueden fluir a través de él. Un interruptor cerrado es aquel que proporciona una ruta directa (baja resistencia) para que los electrones fluyan.