2.1: Ley de Ohm - Cómo se relacionan el voltaje, la corriente y la resistencia

Voltaje, corriente y resistencia

Se forma un circuito eléctrico cuando se crea una trayectoria conductora para permitir que los electrones libres se muevan continuamente. Este movimiento continuo de electrones libres a través de los conductores de un circuito se llama corriente, y a menudo se le hace referencia en términos de “flujo”, al igual que el flujo de un líquido a través de una tubería hueca.

La fuerza que motiva a los electrones a “fluir” en un circuito se llama voltaje. El voltaje es una medida específica de la energía potencial que siempre es relativa entre dos puntos. Cuando hablamos de cierta cantidad de voltaje que está presente en un circuito, nos referimos a la medición de cuánta energía potencial existe para mover electrones de un punto particular de ese circuito a otro punto en particular. Sin hacer referencia a dos puntos particulares, el término “voltaje” no tiene sentido.

Los electrones libres tienden a moverse a través de conductores con cierto grado de fricción, u oposición al movimiento. Esta oposición al movimiento se llama más propiamente resistencia. La cantidad de corriente en un circuito depende de la cantidad de voltaje disponible para motivar a los electrones, y también de la cantidad de resistencia en el circuito para oponerse al flujo de electrones. Al igual que el voltaje, la resistencia es una cantidad relativa entre dos puntos. Por esta razón, las cantidades de voltaje y resistencia a menudo se declaran como “entre” o “a través” de dos puntos en un circuito.

Unidades de Medida: Volt, Amp y Ohm

Para poder hacer declaraciones significativas sobre estas cantidades en los circuitos, necesitamos poder describir sus cantidades de la misma manera que podríamos cuantificar la masa, la temperatura, el volumen, la longitud o cualquier otro tipo de cantidad física. Para la masa, podríamos usar las unidades de “kilogramo” o “gramo”. Para la temperatura, podríamos usar grados Fahrenheit o grados Celsius. Aquí están las unidades estándar de medida para corriente eléctrica, voltaje y resistencia:

El “símbolo” dado para cada cantidad es la letra alfabética estándar utilizada para representar esa cantidad en una ecuación algebraica. Letras estandarizadas como estas son comunes en las disciplinas de física e ingeniería, y son reconocidas internacionalmente. La “abreviatura de unidad” para cada cantidad representa el símbolo alfabético utilizado como notación abreviada para su unidad de medida particular. Y, sí, ese símbolo de “herradura” de aspecto extraño es la letra griega mayúscula Ω, solo un carácter en un alfabeto extranjero (disculpas a cualquier lector griego aquí).

Cada unidad de medida lleva el nombre de un famoso experimentador en electricidad: El amplificador después del francés Andre M. Ampere, el voltio después del italiano Alessandro Volta, y el ohm después del alemán Georg Simon Ohm.

El símbolo matemático para cada cantidad también es significativo. La “R” para la resistencia y la “V” para el voltaje son ambas autoexplicativas, mientras que “I” para la corriente parece un poco raro. Se cree que el “yo” estaba destinado a representar “Intensidad” (del flujo de electrones), y el otro símbolo para voltaje, “E”, significa “fuerza electromotriz”. Por la investigación que he podido hacer, parece haber alguna disputa sobre el significado de “yo”. Los símbolos “E” y “V” son intercambiables en su mayor parte, aunque algunos textos reservan “E” para representar voltaje a través de una fuente (como una batería o generador) y “V” para representar voltaje en cualquier otra cosa.

Todos estos símbolos se expresan con letras mayúsculas, excepto en los casos en que se describe una cantidad (especialmente voltaje o corriente) en términos de un breve periodo de tiempo (denominado valor “instantáneo”). Por ejemplo, el voltaje de una batería, que es estable durante un largo período de tiempo, se simbolizará con una letra mayúscula “E”, mientras que el pico de voltaje de un rayo en el mismo instante en que golpea una línea eléctrica probablemente estaría simbolizado con una letra minúscula “e” (o “v” minúscula) para designar eso valor como estar en un solo momento en el tiempo. Esta misma convención en minúscula también es válida para actual, la letra minúscula “i” representa actual en algún instante en el tiempo. La mayoría de las mediciones de corriente continua (CC), sin embargo, al ser estables en el tiempo, se simbolizarán con letras mayúsculas.

Coulomb y Carga Eléctrica

Una unidad fundamental de medición eléctrica, a menudo impartida al inicio de los cursos de electrónica pero que se utiliza con poca frecuencia después, es la unidad del culombo, que es una medida de carga eléctrica proporcional al número de electrones en estado desequilibrado. Un culombio de carga es igual a 6,250,000,000,000,000,000 electrones. El símbolo para la cantidad de carga eléctrica es la letra mayúscula “Q”, con la unidad de culombs abreviada con la letra mayúscula “C”. Se da la circunstancia de que la unidad para el flujo de electrones, el amp, es igual a 1 culombo de electrones que pasan por un punto dado en un circuito en 1 segundo de tiempo. Fundido en estos términos, la corriente es la tasa de movimiento de carga eléctrica a través de un conductor.

Como se indicó anteriormente, el voltaje es la medida de la energía potencial por unidad de carga disponible para motivar electrones de un punto a otro. Antes de que podamos definir con precisión qué es un “voltio”, debemos entender cómo medir esta cantidad que llamamos “energía potencial”. La unidad métrica general para energía de cualquier tipo es el joule, igual a la cantidad de trabajo realizado por una fuerza de 1 newton ejercida a través de un movimiento de 1 metro (en la misma dirección). En unidades británicas, esto es un poco menos de 3/4 libra de fuerza ejercida sobre una distancia de 1 pie. En términos comunes, se necesita aproximadamente 1 julio de energía para levantar un peso de 3/4 libra a 1 pie del suelo, o para arrastrar algo a una distancia de 1 pie usando una fuerza de tracción paralela de 3/4 libra. Definido en estos términos científicos, 1 voltio equivale a 1 julio de energía potencial eléctrica por (dividido por) 1 culombio de carga. Así, una batería de 9 voltios libera 9 julios de energía por cada culombo de electrones movidos a través de un circuito.

Estas unidades y símbolos para cantidades eléctricas serán muy importantes de conocer a medida que comencemos a explorar las relaciones entre ellas en los circuitos.

La ecuación de la ley de Ohm

El principal descubrimiento de Ohm fue que la cantidad de corriente eléctrica a través de un conductor metálico en un circuito es directamente proporcional al voltaje impreso a través de él, para cualquier temperatura dada. Ohm expresó su descubrimiento en forma de una ecuación simple, describiendo cómo el voltaje, la corriente y la resistencia se interrelacionan:

En esta expresión algebraica, la tensión (E) es igual a la corriente (I) multiplicada por la resistencia (R). Usando técnicas de álgebra, podemos manipular esta ecuación en dos variaciones, resolviendo para I y para R, respectivamente:

Análisis de circuitos simples con la ley de Ohm

Veamos cómo podrían funcionar estas ecuaciones para ayudarnos a analizar circuitos simples:

En el circuito anterior, solo hay una fuente de voltaje (la batería, a la izquierda) y solo una fuente de resistencia a la corriente (la lámpara, a la derecha). Esto hace que sea muy fácil aplicar la Ley de Ohm. Si conocemos los valores de dos cualesquiera de las tres cantidades (voltaje, corriente y resistencia) en este circuito, podemos usar la Ley de Ohm para determinar la tercera.

En este primer ejemplo, calcularemos la cantidad de corriente (I) en un circuito, dados los valores de voltaje (E) y resistencia (R):

¿Cuál es la cantidad de corriente (I) en este circuito?

n este segundo ejemplo, calcularemos la cantidad de resistencia (R) en un circuito, dados los valores de voltaje (E) y corriente (I):

¿Cuál es la cantidad de resistencia (R) que ofrece la lámpara?

En el último ejemplo, calcularemos la cantidad de voltaje suministrado por una batería, dados los valores de corriente (I) y resistencia (R):

¿Cuál es la cantidad de voltaje que proporciona la batería?

La Ley de Ohm es una herramienta muy sencilla y útil para analizar circuitos eléctricos. Se utiliza con tanta frecuencia en el estudio de la electricidad y la electrónica que necesita ser comprometida con la memoria por el estudiante serio. Para aquellos que aún no se sienten cómodos con el álgebra, hay un truco para recordar cómo resolver por cualquier cantidad, dadas las otras dos. Primero, arregle las letras E, I y R en un triángulo como este:

Si conoces E y yo, y deseas determinar R, simplemente elimina R de la imagen y ve lo que queda:

Si conoces E y R, y deseas determinar I, eliminar I y ver lo que queda:

Por último, si conoce I y R, y desea determinar E, eliminar E y ver lo que queda:

Eventualmente, tendrás que estar familiarizado con el álgebra para estudiar seriamente la electricidad y la electrónica, pero este consejo puede hacer que tus primeros cálculos sean un poco más fáciles de recordar. Si se siente cómodo con el álgebra, ¡todo lo que necesita hacer es comprometer E=IR a la memoria y derivar las otras dos fórmulas de eso cuando las necesite!

Revisar

• El voltaje se mide en voltios, simbolizado por las letras “E” o “V”.
• La corriente se mide en amperios, simbolizada por la letra “I” o “Ω”.
• La resistencia se mide en ohmios, simbolizada por la letra “R” o “A”.
• Ley de Ohm: E = IR; I = E/R; R = E/I