Todo material ofrece cierta oposición al flujo de corriente, oposición que puede ser grande o pequeña.Esta oposición se le denomina resistencia.
Ejemplo: Hagamos una analogía para entender mejor a las resistencias. Supongamos que hay un tubo con varias pelotas de golf sujetadas fuertemente en sus sitios mediante alambres y cada una de ellas representa a un átomo con sus electrones. El espacio entre las pelotas de golf se rellena con pequeñas municiones metálicas. Cada una de esas municiones representa un electrón. Cuando se quitan municiones de un extremo y se introducen por el otro, y comienza a producirse un flujo o circulación de las mismas dentro del tubo.
Imaginemos que cada pelota de golf estuviese recubierta por engrudo. Este engrudo no se desprendería de la pelota de golf, sino que solamente retendrá las municiones a ella. La fuerza del engrudo depende del tipo de material. Asimismo en el caso de metales, si el material es cobre (conductor), el “engrudo” será muy liviano y los electrones libres no podrán ser retenidos con fuerza. Sin embargo, si el material es vidrio (aislante),el “engrudo” será sumamente poderoso: retendrá a los electrones libres y no los dejará salir. Se necesita un empuje (voltaje), esto provocaría la salida de miles de millones de
municiones por segundo.
La resistencia de un material sería comparable a la fuerza del engrudo que acabamos de describir. la resistencia depende de:
Longitud: Si comparamos dos conductores de igual
material y sección pero de diferente longitud
cada uno, el de mayor longitud tiene mayor
oposición al movimiento de los electrones
debido a que éstos tienen un mayor camino
que recorrer.
Por lo que concluimos que: cuanto mayor sea
la longitud del conductor, mayor es la
resistencia.
Sección: Al comparar dos conductores de igual
material y longitud pero de diferente sección,
notamos que en el de mayor sección existe
un mayor número de electrones, por lo que
circula una corriente más intensa.
Concluimos que: la resistencia es menor,
cuanto mayor sea la sección del conductor.
Temperatura: Los cambios de temperatura influyen en los
materiales, tanto es así, que la resistencia de
los metales puros aumenta con la
temperatura.
Por lo que concluimos que: entre mayor sea
la temperatura de un material, mayor es la
resistencia de este.
Material: Una propiedad de los materiales es la
conductancia y está definida como la
facilidad con que un material deja fluir la
corriente.
A mayor conductancia mayor cantidad de
corriente permitirá fluir. Como el conductor
más comúnmente utilizado es el cobre, todos
los metales tienen una clasificación de
conductancia, que indica la eficacia con que
conduce la corriente en comparación con el
cobre.
A esta conductancia se le llama conductancia
relativa o coeficiente de conductividad.
Se concluye que: cuanto mayor sea el
coeficiente de conductividad que tiene el
conductor, menor es la resistencia al paso de
la corriente.
La conductancia es la inversa de la resistencia y se mide en S ( Siemens ).
En la tabla siguiente se muestra la conductancia relativa de algunos materiales.
Otra propiedad de los materiales es la resistividad o la resistencia específica. La resistividad es la resistencia que ofrece un conductor de 1 m de longitud y 1 mm2 de sección a una temperatura de 20°. A cada tipo de material le corresponde un coeficiente de resistividad, es decir, indica el grado de resistencia que opone ese material al paso de la corriente. Se representa por y se mide en [Ω. mm2/m].
La resistencia se representa con la letra R, la unidad para la
medición de la resistencia es el ohm (Ω). La resistencia se
representa dentro de un circuito tal y como lo muestra la figura:
Los dispositivos que se usan para aumentar la
resistencia en un circuito eléctrico son los resistores.
Son fabricados con materiales que ofrecen una alta
resistencia al paso de la corriente eléctrica, los más
comunes son el Nicromo, el Constantán y la Manganina.
Código de Colores
Existe un método estándar para saber el valor óhmico de los resistores. A este método se le conoce
como código de colores.
Este código está compuesto por bandas de colores divididas en dos grupos:
El primer grupo consiste de tres o cuatro de estas bandas, de las cuales las primeras dos o tres indican
el valor nominal del resistor y la última es un multiplicador para obtener la escala.
El segundo grupo está compuesto por una sola banda y es la tolerancia expresada como un
porcentaje, dicha tolerancia proporciona el campo de valores dentro del cual se encuentra el valor
correcto de la resistencia, o sea, el rango o margen de error dentro del cual se encuentra el valor real
de la misma. En la tabla siguiente se muestra este código junto con los valores que representan los
colores.
Ley de Ohm
La generación de una corriente eléctrica está ligada a dos condiciones:
A la existencia de una fuerza propulsora, la fuerza que hemos denominado fuerza electromotriz
(f.e.m).
A la existencia de un circuito conductor, cerrado, que une los dos polos de la fuente de voltaje.
La intensidad de la corriente depende tanto de la magnitud de la f.e.m (V), como de la resistencia
del circuito (R). Esa dependencia fue precisada por el físico George Simon Ohm, quien formuló la ley
más importante de la electrotecnia, llamada por eso, ley de Ohm.
La ley de Ohm establece que, en un circuito eléctrico, el valor de la corriente es directamente
proporcional al voltaje aplicado e inversamente proporcional a la resistencia del circuito.
En otras palabras, esta ley nos dice:
• A más voltaje, más corriente; a menos voltaje, menos corriente.
• A más resistencia, menos corriente; a menos resistencia, más corriente.
La ley de Ohm permite conocer el voltaje en un elemento del circuito conociendo su resistencia y la
corriente que fluye a través de él y las relaciona de la siguiente manera:
Ejemplo:
Existe una manera sencilla de saber cuál es la fórmula que se debe utilizar en un momento dado:
usando un triángulo de Ohm donde se colocan la corriente, el voltaje y la resistencia.
Para utilizar el triángulo, se cubre el valor que se desea calcular y las letras restantes hacen la
fórmula.
Circuitos en Serie y en Paralelo
Las resistencias en un circuito eléctrico pueden estar dispuestas en serie o en paralelo:
Circuitos de Corriente Continua en Serie
Cuando se tienen N resistencias conectadas en serie la resistencia total del circuito es igual a la suma
de todas las resistencias.
Circuitos de Corriente Continua en Paralelo
Se dice que varios elementos están en paralelo cuando la caída de potencial entre todos ellos es la
misma.
Inductancia
Así como la resistencia se opone ante el flujo de corriente, la
inductancia (L) se opone al cambio del flujo de corriente.
El dispositivo que cumple eficazmente esta función es el inductor,
que físicamente es una bobina que tiene numerosos espiras de
alambre de cobre, de un diámetro muy fino y con un forro o aislante,
arrollados en un tubo de baquelita.
Cuando un flujo de electrones circula a lo largo de un conductor, empieza a expandirse un
campo magnético desde el eje del conductor. Las líneas de fuerza del campo magnético se
mueven hacia afuera, a través del material conductor, continuando después por el aire,
induciendo un voltaje en el propio conductor. Este voltaje inducido tiene siempre una
dirección opuesta al de la circulación de la corriente. Debido a dicha dirección opuesta, a
este voltaje se le llama fuerza contraelectromotriz (f.c.e) o f.e.m inversa. La inductancia se expresa en henrios (H) pero como es
una unidad de medición grande, es más común usar sus
submúltiplos milihenrios (mH, 1 x10-3 H = .001 H) y
microhenrios (μH, 1 x 10-6 H = .000001 H).
El efecto de la f.c.e que se crea en el conductor
es el de oponerse al valor máximo de la
corriente, aunque esta es una condición
temporal.
Cuando la corriente que pasa por el conductor
alcanza finalmente un valor permanente, las
líneas de fuerza dejan de expandirse o moverse y
ya no se produce f. c. e. m.
En el instante en que la corriente empieza a
circular, las líneas de fuerza se expanden con la
máxima velocidad y se produce el valor máximo
de la f.c.e. En dicho instante, la f.c.e.m tiene un
valor justo inferior al voltaje aplicado.
De acuerdo con la gráfica de la figura anterior, cuando la corriente empieza a circular, su valor es
pequeño. Sin embargo, a medida que las líneas de fuerza se mueven hacia afuera, disminuye
progresivamente el número de líneas que cortan al conductor cada segundo, por lo que también
disminuye progresivamente la f.c.e.m. Después de cierto tiempo, las líneas de fuerza alcanzan su
mayor expansión, deja de producirse la f.c.e.my la única f.e.men el circuito es la de la fuente de
voltaje. Entonces puede circular por el alambre la corriente máxima pues la inductancia ya no
reacciona contra la fuente de voltaje.
Existen dos tipos de inductores:
Inductores fijos: A los inductores fijos no se les puede variar su valor, una
vez que se han fabricado su valor permanece constante.
Estos inductores pueden tener un núcleo de aire o de
hierro.
Inductores variables: A los inductores variables se les puede variar el valor de
la inductancia en cierta escala. Están fabricados de
manera que el núcleo se pueda mover dentro del
devanado. De esta manera, la posición del núcleo
determina el valor de la inductancia.
Capacitancia
Así como la inductancia se opone ante cualquier cambio en la
corriente, la capacitancia (C ) se opone ante cualquier cambio en el
voltaje.
El dispositivo que introduce la capacitancia a los circuitos es el
capacitor. Este dispositivo almacena energía en un campo
electrostático y la libera posteriormente.
Un capacitor está formado por 2 placas conductoras paralelas entre sí, separadas por una
capa delgada de material aislante. A este material no conductor se le conoce como
dieléctrico.
La unidad para expresar la capacitancia es el faradio (F) pero
los capacitores comúnmente se clasifican en μF=1 x 10-6
(microfaradios) o pF=1 x 10-12 (picofaradios).
El capacitor se representa mediante los siguientes símbolos:
Funcionamiento de un Capacitor
En el instante en que se cierra el interruptor, el
terminal negativo de la batería empieza a
impulsar electrones a la placa superior del
capacitor, así como también se extraen
electrones de la placa inferior del capacitor al
extremo positivo de la batería. A medida que se
establece una diferencia de electrones entre las
2 placas, aparecen líneas de fuerza
electrostáticas entre ellas.
A. En el momento de cerrar el interruptor no existe
en el capacitor f.e.m inversa y la amplitud de la
corriente viene determinada únicamente por la
resistencia del circuito. Con el tiempo, entran más
electrones al capacitor y se produce en él una f.e.m
inversa cada vez mayor, haciendo que la corriente en
el circuito vaya decreciendo. Una vez que la f.e.m
inversa iguala a la de la fuente, la corriente dejará de
A circular completamente.
B. Por otra parte, el capacitor no puede
descargarse a través de la fuente, ya que la
polaridad del voltaje de la fuente es tal que se
opone al voltaje del capacitor. Debido a lo
anterior, el capacitor debe contar con una
trayectoria de descarga, como se muestra en la
figura (corriente de descarga).
En el instante tX se mueve el interruptor de manera
que la fuente quede desconectada del capacitor
para empezar el proceso de descarga.
Potencia Eléctrica – Ley de Joule
Es probable que, por experiencia propia, usted ya sepa que
la mayor parte de los equipos eléctricos indican su voltaje y
potencia, en volts y watts. Las lámparas eléctricas de 220
volts, también indican sus watts y suelen identificarse más
en watts que en volts.
¿Qué significa esta indicación en watts para los equipos
eléctricos?
Los watts de las lámparas eléctricas y otros equipos
indican la velocidad con que la energía eléctrica se
convierte en otra forma de energía, como calor o luz.
Cuanto mayor sea la rapidez con que la lámpara convierte
energía eléctrica en luz, mayor será su luminosidad. De
este modo, una lámpara de 100 watts suministra más luz
que una de 75 watts.
Del mismo modo, los watts de motores, resistencias y otros
dispositivos eléctricos indican la velocidad con que éstos
transforman energía eléctrica en alguna otra forma de
energía. Si se excede la cantidad de watts normales, el
equipo o dispositivo se recalienta o se deteriora.
Ley de Joule En la aplicación práctica de este efecto, son particularmente importantes las relaciones entre las
magnitudes eléctricas corriente (I), voltaje (U) y resistencia (R) con la cantidad Q de calor
desarrollado.
La cantidad de calor se mide en calorías. Una caloría (cal) es la cantidad necesaria para llevar a 1ºC
la temperatura de 1g de agua.
Joule encontró, como consecuencia de sus experiencias, que una corriente de 1 Amp desarrolla
0.239 cal en una resistencia de 1 W. Este número, determinado por la experiencia, se llama
equivalente termoeléctrico.
El calor desarrollado en un segundo es 0.239 U.I.cal y en un tiempo de t segundos:
Establece que todo conductor recorrido por una corriente se calienta, lo cual
produce el llamado "efecto calórico" de la corriente eléctrica.
Q = 0.239 U.I.t calorías
De acuerdo a la ley de Ohm, U = I R. Sustituyendo esta relación, se obtiene la ley de Joule en su
segunda forma:
Expresión que determina el calor generado en una resistencia R, por una corriente de I amperes, en
un tiempo t.
Q = 0.239 I² x R x t calorías
Enunciados
Ley de nodos Proviene de la conservación de la
carga y dice, esencialmente, que la
suma de las corrientes que llegan a
un nudo es cero; es decir, que el total
de corriente que entra a un nudo, es
igual al total de la corriente que sale
del nudo.
Esta ley ha de aplicarse a tantos
nudos existan en nuestro circuito,
menos uno.
Ley de mallas Establece que la suma de caídas de potencial a
lo largo de una malla debe coincidir con la
suma de fuerzas electromotrices (de los
elementos activos) a lo largo de la misma. Si no
hubiera elementos activos, la suma de
potenciales a lo largo de un recorrido cerrado es
cero, lo cual está ligado al carácter conservativo
del campo eléctrico. Para su aplicación es
preciso previamente asignar un sentido de
recorrido a las mallas y dar algún convenio de
signos:
• Una f.e.m se tomará como positiva si en
nuestro recorrido salimos por el polo positivo.
• Una caída de potencial se tomará como
positiva si en nuestro recorrido vamos a favor de
la corriente cuando pasamos por el elemento.
En el circuito de la figura, las caídas de
potencial son todas en resistencias óhmicas; si
es I la intensidad que atraviesa a una
resistencia R, la caída de potencial es IR.
Conocidos los valores de los elementos que
constituyen nuestro circuito, las tres
ecuaciones anteriormente expuestas configuran
un sistema lineal del que se pueden despejar
los valores de I1, I2 e I3. Obsérvese que en el
circuito anterior R2 y R4 se asocian como si
fueran una sola resistencia de valor (R2 + R4).
Este es un ejemplo de cómo se asocian
resistencias en serie, que son las que están en
una misma rama sin importar su ubicación.
Asociación de elementos en Serie y en Paralelo
Previo a analizar un circuito conviene proceder a su simplificación cuando se encuentran
asociaciones de elementos en serie o en paralelo.
Serie Se dice que varios elementos están en serie cuando están todos en la misma rama y, por
tanto, atravesados por la misma corriente. Si los elementos en serie son resistencias,
pueden sustituirse, independiente de su ubicación y número, por una sola resistencia suma
de todas las componentes.
Paralelo Se dice que varios elementos están en paralelo cuando la caída de potencial entre todos
ellos es la misma.
La corriente por cada una de ellas es V/Ri (i=1,2,3) y la corriente total que va de A a B
(que es la que atravesaría Rp cuando se le aplica el mismo potencial) será I1 + I2 + I3.
Al haber tres caminos alternativos para el paso de la corriente, la facilidad de paso es
mayor.
La puesta a tierra es una unión de todos los elementos metálicos que mediante cables de sección suficiente entre las partes de una instalación y un conjunto de electrodos, permite la desviación de corrientes
de falla o de las descargas de tipo atmosférico, y consigue que no se
pueda dar una diferencia de potencial peligrosa en los edificios,
instalaciones y superficie próxima al terreno.
Cualquier contacto directo o por humedades, en el interior del
aparato eléctrico, que alcance sus partes metálicas con conexión a la
toma a tierra encontrará por ella un camino de poca resistencia, evitando pasar al suelo a través del cuerpo del usuario que accidentalmente pueda tocar el aparato.
En las líneas de alta tensión de la red de transporte de energía eléctrica
el hilo de tierra se coloca en la parte superior de las torres de apoyo
de los conductores y conectado eléctricamente a la estructura de éstas,
que, a su vez, están dotadas de una toma de tierra como la descrita
anteriormente. En este caso el hilo de tierra cubre una doble función:
por una parte protege a las personas de una derivación accidental de los
conductores de alta tensión, y por otra, al encontrarse más alto que
los citados conductores, actúan como pararrayos,
protegiendo al conjunto de las descargas atmosféricas, que de esta
forma son derivadas a tierra causando el mínimo daño posible a las
instalaciones eléctricas.
Para hacer la conexión de este potencial de tierra a un circuito eléctrico se usa un electrodo de tierra, que puede ser algo tan simple como una barra metálica (usualmente de cobre) anclada al suelo, a veces humedecida para una mejor conducción.
La definición clásica de masa (en inglés de Estados Unidos ground de donde viene la abreviación GND, earth
en inglés de Reino Unido) es un punto que servirá como referencia de
tensiones en un circuito (0 voltios). El problema de la anterior
definición es que, en la práctica, esta tensión varía de un punto a
otro, es decir, debido a la resistencia de los cables y a la corriente que pasa por ellos, habrá una diferencia de tensión entre un punto y otro cualquiera de un mismo cable.
En la mayoría de las aplicaciones la masa del equipo o sea el chasis,
el soporte de los circuitos así como el valor 0 voltios deben, en
principio, ir conectados a tierra. Por lo que muchas veces cuando se
dice conexión a masa también significa conexión a tierra. En otras pocas
ocasiones la masa y la tierra en un circuito no tienen porque tener la
misma tensión. Incluso la forma de onda de la masa respecto a la tierra
puede ser variable, como ocurre en un convertidor Buck.
