Voltaje, corriente, resistencia y ley de Ohm: 5 pasos

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificación: 2024-01-30 08:44

Cubierto en este tutorial

Cómo se relaciona la carga eléctrica con el voltaje, la corriente y la resistencia.

Qué son voltaje, corriente y resistencia.

Qué es la Ley de Ohm y cómo usarla para entender la electricidad.

Un experimento sencillo para demostrar estos conceptos.

Paso 1: carga eléctrica

La carga eléctrica es la propiedad física de la materia que hace que experimente una fuerza cuando se coloca en un campo electromagnético. Hay dos tipos de cargas eléctricas: positivas y negativas (comúnmente transportadas por protones y electrones respectivamente). Las cargas iguales se repelen y las distintas se atraen. La ausencia de carga neta se denomina neutral. Un objeto está cargado negativamente si tiene un exceso de electrones y, por lo demás, está cargado o descargado positivamente. La unidad de carga eléctrica derivada del SI es el culombio (C). En ingeniería eléctrica, también es común utilizar el amperio-hora (Ah); mientras que en química, es común usar la carga elemental (e) como una unidad. El símbolo Q a menudo denota carga. El conocimiento temprano de cómo interactúan las sustancias cargadas ahora se llama electrodinámica clásica y aún es preciso para problemas que no requieren consideración de efectos cuánticos.

La carga eléctrica es una propiedad fundamental conservada de algunas partículas subatómicas, lo que determina su interacción electromagnética. La materia cargada eléctricamente está influenciada o produce campos electromagnéticos. La interacción entre una carga en movimiento y un campo electromagnético es la fuente de la fuerza electromagnética, que es una de las cuatro fuerzas fundamentales (Ver también: campo magnético).

Los experimentos del siglo XX demostraron que la carga eléctrica está cuantificada; es decir, viene en múltiplos enteros de pequeñas unidades individuales llamadas carga elemental, e, aproximadamente igual a 1.602 × 10-19 culombios (excepto por las partículas llamadas quarks, que tienen cargas que son múltiplos enteros de 1 / 3e). El protón tiene una carga de + e y el electrón tiene una carga de −e. El estudio de partículas cargadas y cómo sus interacciones están mediadas por fotones se llama electrodinámica cuántica.

Paso 2: Voltaje:

El voltaje, la diferencia de potencial eléctrico, la presión eléctrica o la tensión eléctrica (denominada formalmente ∆V o ∆U, pero más a menudo simplificada como V o U, por ejemplo en el contexto de las leyes de circuito de Ohm o Kirchhoff) es la diferencia en la energía potencial eléctrica entre dos puntos por unidad de carga eléctrica. El voltaje entre dos puntos es igual al trabajo realizado por unidad de carga contra un campo eléctrico estático para mover la carga de prueba entre dos puntos. Esto se mide en unidades de voltios (un julio por culombio).

El voltaje puede ser causado por campos eléctricos estáticos, por corriente eléctrica a través de un campo magnético, por campos magnéticos que varían en el tiempo o alguna combinación de estos tres. [1] [2] Se puede usar un voltímetro para medir el voltaje (o la diferencia de potencial) entre dos puntos de un sistema; a menudo se utiliza como uno de los puntos un potencial de referencia común, como la tierra del sistema. Un voltaje puede representar una fuente de energía (fuerza electromotriz) o energía perdida, usada o almacenada (caída de potencial)

Al describir voltaje, corriente y resistencia, una analogía común es un tanque de agua. En esta analogía, la carga está representada por la cantidad de agua, el voltaje está representado por la presión del agua y la corriente está representada por el flujo de agua. Entonces, para esta analogía, recuerde:

Agua = Carga

Presión = Voltaje

Flujo = actual

Considere un tanque de agua a cierta altura sobre el suelo. En el fondo de este tanque, hay una manguera.

Entonces, la corriente es menor en el tanque con mayor resistencia.

Paso 3: Electricidad:

La electricidad es la presencia y el flujo de carga eléctrica. Su forma más conocida es el flujo de electrones a través de conductores como los alambres de cobre.

La electricidad es una forma de energía que se presenta en formas positivas y negativas, que se produce de forma natural (como en un rayo) o se produce (como en un generador). Es una forma de energía que utilizamos para alimentar máquinas y dispositivos eléctricos. Cuando las cargas no se mueven, la electricidad se llama electricidad estática. Cuando las cargas se mueven, son una corriente eléctrica, a veces llamada "electricidad dinámica". Los rayos son el tipo de electricidad más conocido y peligroso de la naturaleza, pero a veces la electricidad estática hace que las cosas se peguen.

La electricidad puede ser peligrosa, especialmente cerca del agua porque el agua es una forma de conductor. Desde el siglo XIX, la electricidad se ha utilizado en todos los aspectos de nuestras vidas. Hasta entonces, era solo una curiosidad vista en una tormenta eléctrica.

Se puede generar electricidad si un imán pasa cerca de un alambre de metal. Este es el método que utiliza un generador. Los mayores generadores se encuentran en las centrales eléctricas. La electricidad también se puede generar combinando productos químicos en un frasco con dos tipos diferentes de varillas de metal. Este es el método utilizado en una batería. La electricidad estática se crea mediante la fricción entre dos materiales. Por ejemplo, un gorro de lana y una regla de plástico. Frotarlos juntos puede hacer una chispa. La electricidad también se puede crear utilizando energía del sol como en las células fotovoltaicas.

La electricidad llega a los hogares a través de cables desde el lugar donde se genera. Es utilizado por lámparas eléctricas, calentadores eléctricos, etc. Muchos electrodomésticos como lavadoras y cocinas eléctricas utilizan electricidad. En las fábricas, hay máquinas que alimentan la electricidad. Las personas que se ocupan de la electricidad y los dispositivos eléctricos en nuestros hogares y fábricas se denominan "electricistas".

Digamos ahora que tenemos dos tanques, cada tanque con una manguera que viene del fondo. Cada tanque tiene exactamente la misma cantidad de agua, pero la manguera de un tanque es más estrecha que la del otro.

Medimos la misma cantidad de presión al final de cualquiera de las mangueras, pero cuando el agua comienza a fluir, la tasa de flujo del agua en el tanque con la manguera más estrecha será menor que la tasa de flujo del agua en el tanque con el manguera más ancha. En términos eléctricos, la corriente a través de la manguera más estrecha es menor que la corriente a través de la manguera más ancha. Si queremos que el caudal sea el mismo por ambas mangueras, tenemos que aumentar la cantidad de agua (carga) en el tanque con la manguera más estrecha.

Paso 4: Conductancia y resistencia eléctrica

En la analogía hidráulica, la corriente que fluye a través de un cable (o resistencia) es como el agua que fluye a través de una tubería, y la caída de voltaje a través del cable es como la caída de presión que empuja el agua a través de la tubería. La conductancia es proporcional a la cantidad de flujo que se produce para una presión determinada, y la resistencia es proporcional a la cantidad de presión necesaria para lograr un flujo determinado. (La conductancia y la resistencia son recíprocas).

La caída de voltaje (es decir, la diferencia entre los voltajes en un lado del resistor y el otro), no el voltaje en sí, proporciona la fuerza impulsora que empuja la corriente a través de un resistor. En hidráulica, es similar: la diferencia de presión entre dos lados de una tubería, no la presión en sí, determina el flujo a través de ella. Por ejemplo, puede haber una gran presión de agua sobre la tubería, que intenta empujar el agua hacia abajo a través de la tubería. Pero puede haber una presión de agua igualmente grande debajo de la tubería, que intenta empujar el agua hacia arriba a través de la tubería. Si estas presiones son iguales, no fluye agua. (En la imagen de la derecha, la presión del agua debajo de la tubería es cero).

La resistencia y conductancia de un cable, resistor u otro elemento está determinada principalmente por dos propiedades:

• geometría (forma), y
• material

La geometría es importante porque es más difícil empujar el agua a través de una tubería larga y estrecha que a través de una tubería ancha y corta. De la misma manera, un cable de cobre largo y delgado tiene una mayor resistencia (menor conductancia) que un cable de cobre corto y grueso.

Los materiales también son importantes. Una tubería llena de cabello restringe el flujo de agua más que una tubería limpia de la misma forma y tamaño. De manera similar, los electrones pueden fluir libre y fácilmente a través de un cable de cobre, pero no pueden fluir tan fácilmente a través de un cable de acero de la misma forma y tamaño, y esencialmente no pueden fluir en absoluto a través de un aislante como el caucho, independientemente de su forma. La diferencia entre cobre, acero y caucho está relacionada con su estructura microscópica y configuración electrónica, y se cuantifica mediante una propiedad llamada resistividad.

Además de la geometría y el material, hay varios otros factores que influyen en la resistencia y la conductancia.

Es lógico que no podamos pasar tanto volumen a través de un tubo estrecho como uno más ancho a la misma presión. Esta es la resistencia. La tubería estrecha "resiste" el flujo de agua a través de ella aunque el agua esté a la misma presión que el tanque con la tubería más ancha.

En términos eléctricos, esto está representado por dos circuitos con tensiones iguales y resistencias diferentes. El circuito con mayor resistencia permitirá que fluya menos carga, lo que significa que el circuito con mayor resistencia tiene menos corriente fluyendo a través de él.

Paso 5: Ley de Ohm:

La ley de Ohm establece que la corriente a través de un conductor entre dos puntos es directamente proporcional al voltaje en los dos puntos. Introduciendo la constante de proporcionalidad, la resistencia, se llega a la ecuación matemática habitual que describe esta relación:

donde I es la corriente a través del conductor en unidades de amperios, V es el voltaje medido a través del conductor en unidades de voltios y R es la resistencia del conductor en unidades de ohmios. Más específicamente, la ley de Ohm establece que R en esta relación es constante, independiente de la corriente.

La ley recibió su nombre del físico alemán Georg Ohm, quien, en un tratado publicado en 1827, describió las mediciones de voltaje y corriente aplicados a través de circuitos eléctricos simples que contienen varias longitudes de cable. Ohm explicó sus resultados experimentales mediante una ecuación un poco más compleja que la forma moderna anterior (ver Historia).

En física, el término ley de Ohm también se usa para referirse a varias generalizaciones de la ley originalmente formuladas por Ohm.