Diferencia de potencial, tensión, fuerza electromotriz
Para que se establezca una corriente eléctrica debe existir algo que impulse a los electrones para que se muevan. Por ejemplo, colocando iones negativos de un lado de un conductor e iones positivos del otro, se establecerá una corriente eléctrica que será más grande cuanto mayor sea la “diferencia de cargas entre los iones“.
Se dice que para que exista un flujo de electrones debemos aplicar “energía al conductor”. Cuando la energía proviene de una fuerza del tipo eléctrico, se la denomina “fuerza electromotriz” porque permite el desplazamiento de electrones al desprenderse de los átomos.
Esa fuerza electromotriz puede originarla una batería. Ejemplo: el acumulador de un auto, una pila o un generador para alimentar una ciudad, como los que usan las compañías de electricidad. Estas fuentes de energía tienen 2 terminales o polos, uno negativo y otro positivo, y se dice que existe una tensión eléctrica o diferencia de potencial, que produce la fuerza eléctrica ya mencionada.
Consideremos a una tensión o diferencia de potencial como un “desnivel” que debe existir entre 2 puntos de un conductor para que se produzca un movimiento de electrones y, entonces, una corriente eléctrica. Si hay una diferencia de potencial en electricidad, ésta es comparable a una diferencia de presión entre 2 extremos de una cañería que lleva agua o cualquier fluido, y es producida por una bomba. La unidad denominada VOLT, se utiliza para medir la tensión eléctrica; se abrevia “V“. Una pila de carbón genera entre bornes una tensión de 1.5 V, un acumulador de auto genera una tensión de 12 V y la que genera la compañía de electricidad es de 127 V, en México. Muchas veces, en electrónica usaremos tensiones más pequeñas que el VOLT, pero en electricidad industrial es común hablar de KILOVOLT (kV), que equivale a 1000V.
Corriente eléctrica.
Un flujo de electrones en movimiento -como causa de la aplicación de una fuerza electromotriz o fuente de tensión a un conductor eléctrico- es lo que llamamos corriente eléctrica. El flujo está formado por electrones libres que, antes de aplicarles la tensión, eran electrones que estaban sujetos por la atracción de los núcleos de los átomos que constituyen el conductor.
En sus trayectos, los electrones libres chocan contra los iones positivos del material y retroceden y vuelven a ser acelerados por la fuerza electromotriz. Los choques son el motivo por el cual el conductor se calienta cuando lleva corriente eléctrica, ya que cualquier choque entre 2 cuerpos ocasiona un desprendimiento de energía en forma de calor. La corriente eléctrica por un conductor se define como “el número de electrones libres que pasa una sección cualquiera del conductor en un momento específico“. Los electrones llevan una carga eléctrica medida en COULOMB y podemos decir que la corriente eléctrica es la carga eléctrica transportada por esos electrones durante el intervalo de tiempo considerado. Si la carga eléctrica es de 1 Cb y el tiempo es de l seg, se obtendrá una corriente eléctrica de 1A (inicial de AMPERE, por el físico francés AMPERE), siendo la unidad de corriente eléctrica. En electrónica, esta unidad de medición resulta grande, por tal motivo se utilizan los submúltiplos del ampere.
Resistencia eléctrica
Definamos la resistencia eléctrica de un conductor como una propiedad del material que representa la oposición del mismo frente al paso de la corriente eléctrica. La oposición se origina como consecuencia de los choques entre los electrones libres de la corriente y los iones positivos del metal. La causa de estos choques es el calentamiento del conductor, el que a su vez, lo transmite al medio ambiente. La resistencia se mide en OHM, llamado así por el físico alemán que lo descubrió. La resistencia eléctrica del material dependerá de tres factores: la longitud, la sección transversal y la resistividad del material. Veamos cómo es la fórmula matemática:
La resistividad del material (p) es un número y su valor nos muestra si es bueno, o no, pequeño o grande; o sea, cómo es el material como conductor de electricidad, y se mide en Ω x m. Cabe aclarar que, normalmente, la resistividad de un metal aumenta con la temperatura.
CONDUCTANCIA
Se denomina así a la inversa de la resistencia, se simboliza con la letra G y se mide en mho (al revés de ohm) o en SIEMENS.
La unidad es: mho = SIEMENS
1kΩ = 1,000 Ω
1MΩ = 1,000,000 Ω = 1, 000 kΩ
Podemos agrupar a los resistores en:
- Resistores de composición de carbón.
- Resistores de película metálica.
- Resistores de alambre.
1) Estos se fabrican mezclando polvo de carbón y un aglomerante hasta darle forma de barrita, para fijar los terminales. El conjunto se encapsula con una resina fenólica o baquelita para protegerlo de la humedad y la temperatura, tiene un rango de valores de resistencia entre 1 y 22 MΩ.
2) Estos se fabrican depositando una película metálica, que está a alta temperatura, sobre un tubito de vidrio, al que se fijan los terminales y se los encapsula como dijimos anteriormente. Tienen un alto costo y se usan solamente cuando se necesita una gran exactitud en el valor de resistencia; ejemplo: instrumentos electrónicos.
3) Se fabrican arrollando un alambre hecho de aleaciones de cromo, níquel, etc., sobre un cilindro de cerámica. El conjunto se recubrirá de barniz, así se protege el alambre de la influencia de la humedad y temperatura. Estos son grandes y se utilizan para la conducción de altas corrientes. El rango de valores de resistencia está entre 1 y 100 kΩ.
CÓDIGO DE COLORES PARA RESISTORES
Por el código de colores se lee el valor de resistencia, que está impreso sobre el cuerpo del resistor. Cada color representa un dígito decimal: las 2 primeras bandas de colores, que están ubicadas más cercanas de un extremo, representan el valor en Ω; la 3ª banda representa el número por el que hay que multiplicar el valor anterior para obtener el valor final de resistencia; la 4ª banda representa la tolerancia, cuyo valor se explicará más adelante.
La correspondencia entre un color y su valor se muestra en la tabla de abajo. La tolerancia de un resistor es un número expresado en porcentaje, que representa el margen superior o inferior que puede tomar un valor nominal (por el código de colores) del resistor. Ejemplificando, diremos que para resistores de carbón se tienen tolerancias del ±5%, ±10% y ± 20%.
Si el valor nominal es de 100 y la tolerancia de ±10%, el valor real estará comprendido entre 100 y 90; finalmente, para una tolerancia de ± 20%, el valor real será entre 120 y 80.
COLOR DE LA TOLERANCIA 4ª BANDA
DORADO ±5 %
PLATEADO ±10 %
SIN COLOR ± 20 %
La potencia de un resistor no viene impresa en el resistor, pero se reconoce por su tamaño. Esa potencia tiene un significado de la máxima cantidad de calor que puede dar el resistor por el paso de corriente y, si ésta excede, se quemará por la alta temperatura obtenida. Se mide en watt (W). Los resistores de carbón se fabrican de 1/8W; 1/4W; 1/2W; 1W; 2W, y el tamaño aumenta gradualmente con la potencia. Para mayores potencias se utilizan resistores de alambre; los de película metálica pueden disipar hasta 1W. Los resistores de composición de carbón se fabrican con valores nominales de resistencia ya normalizados y el número dependerá del valor de la tolerancia. Para una tolerancia del 20%.
¿Qué es un circuito eléctrico?
Para que en un conductor haya corriente eléctrica, los electrones libres deberán moverse constantemente en una misma dirección, lo que se consigue por medio de una fuente de energía para aplicar las cargas de signo contrario a los extremos del conductor; las cargas negativas serán atraídas por las cargas positivas del otro extremo. Por cada electrón que dé la fuente al conductor por el lado negativo, existirá otro en el lado positivo; entonces la corriente fluirá de manera constante mientras se mantengan aplicadas al conductor las cargas eléctricas de la fuente de energía, llamándose, así, circuito cerrado o completo.
Un claro ejemplo de fuentes de energía eléctrica son las baterías y las pilas. Para que haya flujo constante de corriente, el circuito deberá estar cerrado o completo. Ahora, si un circuito se interrumpe en cualquier punto, la corriente dejará de fluir y se dice que es un circuito abierto; éste puede abrirse deliberadamente por medio de un interruptor, u ocurrir como consecuencia de fallas o desperfectos en un cable o una resistencia quemada, por ejemplo. Por lo general se usan fusibles como protección del circuito contra excesos de corrientes que puedan perjudicar la fuente de tensión.
La Ley de Ohm
Una de las leyes más importantes de la electricidad es la Ley de Ohm.
Para enunciarla, conectemos a la fuente de energía eléctrica que establezca tensiones diferentes, un cable conductor que presente cierta resistencia y midamos las corrientes correspondientes.
1) Dividiendo la tensión por cualquier valor de la corriente obtenemos siempre el mismo número:
1/0,2 = 5
5/1,0 = 5
8/1,6 = 5
El “5”, valor constante, es justamente la resistencia. Podemos establecer la importante fórmula que expresa la Ley de Ohm:
OHM dedujo: La relación entre corriente, tensión y resistencia quienes constituyen la ley fundamental de la electricidad y se conoce como “LEY DE OHM“, que se resume así: “en todo circuito eléctrico, la corriente es directamente proporcional a la tensión aplicada e inversamente proporcional a la resistencia del circuito”.
Ejemplo, Cálculo de Corriente
Se debe encontrar el valor de la corriente que circulará en el circuito de la figura, formado por: una fuente de energía de 200V, una resistencia de 40Ω y un fusible que soporta 6A máximo.
Usaremos la ecuación:
entonces:
Teniendo como resultado que si la corriente es solamente de 5A, la capacidad del fusible no será sobrepasada y éste no se quemará; pero, pensemos qué pasará si se usa una resistencia de 10Ω en el circuito. Hagamos el mismo cálculo usando la misma ecuación:
La corriente de 20 ampere resultante excederá la capacidad del fusible, que es solamente de 6 ampere, y éste se fundirá al cerrar el interruptor:
Ejemplo, Cálculo de Resistencia
¿Cuál será el valor de la resistencia del circuito si la batería es de 30 volt?
La siguiente figura nos muestra que la corriente por el circuito es de 10A; ¿cuál será en este caso el valor de la resistencia?
Ejemplo, Cálculo de Tensión(voltaje)
El foquito del circuito señalado en la siguiente figura tiene una resistencia de 200Ω y al cerrar el interruptor circula por él una corriente de 1 ampere.
así:
Después de estar encendido durante algunas horas, por el circuito del foco solamente circulan 0,5 ampere. La batería se agotó,
Ejercicios:
1. Si una resistencia o resistor de 100Ω se conecta a una fuente de 10V por medio de un fusible de 2A, ¿se quema el fusible? Demuestre porqué.
2. ¿Cuál es la corriente de un circuito alimentado con una tensión de 20V, cuando la resistencia total es de 40Ω?
3. Si por una resistencia de 20Ω circula una corriente de 2A, ¿cuál será la tensión que mediremos entre sus bornes?
4. ¿Cuál es la resistencia de un circuito por el que circula una corriente de
200mA cuando se lo alimenta con una tensión de 2V?
5. ¿En qué clase de energía se convierte la energía eléctrica en una resistencia?
6. ¿Cuál es la unidad de potencia eléctrica?