Voltaje, Corriente, Resistencia, y Ley de Ohm

Conceptos Básicos de Electricidad

Cuando se comienza a explorar el mundo de la electricidad y la electrónica, es vital comenzar por entender los conceptos básicos de voltaje, corriente, y resistencia. Estos son los tres temas básicos requeridos para manipular y utilizar la electricidad. Primero, estos conceptos pueden ser difíciles de entender porque no los podemos “ver”. Uno no puede ver la energía que fluye por un alambre o el voltaje de una batería que está encima de una mesa. Incluso los relámpagos en el cielo, aunque sean visibles, no son realmente el intercambio de energía entre la tierra y las nubes, sino más bien una reacción en el aire al pasar la energía por él. Para poder detectar esta transferencia de energía debemos utilizar herramientas de medición tales como multitesters, analizadores de espectros y osciloscopios para poder visualizar lo que está ocurriendo con la carga de un sistema. Sin embargo, no temas, ya que este tutorial te va a dar los conocimientos básicos del voltaje, la corriente y la resistencia, y la forma en la cual los tres se relacionan.

Temas de este Tutorial

Como la carga eléctrica se relaciona al voltaje, la corriente, y la resistencia.
¿Qué es el voltaje, la corriente, y la resistencia?
¿Qué es la Ley do Ohm y como se utiliza para entender la electricidad?
Un experimento simple para demostrar estos conceptos

Lecturas Sugeridas

Carga Eléctrica

La electricidad es el movimiento de los electrones. Los electrones crean carga, la cual podemos utilizar para realizar trabajo. La ampolleta, el equipo de música, tu teléfono, etc., todos están utilizando el movimiento de los electrones para realizar trabajo. Todos operan usando la misma fuente de poder básica: el movimiento de los electrones.

Los tres principios básicos para este tutorial se pueden explicar utilizando electrones, o más específicamente, la carga que ellos crean:

Voltaje se define como la cantidad de energía potencial entre dos puntos de un circuito. Uno punto tiene más carga que otro. La diferencia de carga entre los puntos se llama voltaje.
Corriente es la tasa con la que fluye la carga
Resistencia es la tendencia de resistir el flujo de carga (corriente) de un material

Entonces, cuando hablamos de estos términos, realmente estamos describiendo el movimiento de la carga, y por ende, el comportamiento de los electrones. Un circuito es un lazo cerrado que permite que la carga se mueva de un lugar a otro. Los componentes en el circuito nos permiten controlar esta carga y utilizarla para realizar trabajo.

Georg Ohm era un científico Bavario que estudiaba electricidad. Ohm comienza con describir una unidad de resistencia la cual es definida por la corriente y el voltaje. Entonces, comencemos con el voltaje y continuemos de ahí.

Voltaje

Definimos el voltaje como la cantidad de energía potencial entre dos puntos en un circuito. Un punto tiene más carga que otro. La diferencia de carga entre los dos puntos se llama voltaje. Se mide en volts, que técnicamente es la energía potencial entre dos punto que van a impartir un joule de energía por coulomb de carga que pasa a través de él (no entren en pánico si no entienden, todo se va a explicar). La unidad “volt” se nombró por un físico Italiano Alessandro Volta quien invento lo que se considera ser la primera batería química. El voltaje se representa en las ecuaciones y los esquemáticos por la letra “V”

Cuando se describe el voltaje, la corriente, y la resistencia, una analogía común es un estanque de agua. En esta analogía la carga se representa por la cantidad de agua, el voltaje se representa por la presión del agua, y la corriente se representa por el flujo de agua. Entonces para esta analogía recuerde:

Agua = Carga
Presión = Voltaje
Flujo = Corriente

Considera un estanque de agua a una cierta altura sobre el suelo. En la parte inferior de este tanque hay una manguera.

La presión al final de la manguera puede representar el voltaje. El agua en el estanque representa la carga. Mientras más agua existe en el estanque, más alta la carga, y más grande la presión medida al final de la manguera.

Podemos pensar que este estanque es una batería, un lugar donde podemos almacenar una cierta cantidad de energía y después liberarla. Si vaciamos nuestro estanque una cierta cantidad, la presión creada al final de la manguera baja. Podemos pensar en esto como el voltaje decreciente, como cuando una linterna se oscurece cuando se descargan las baterías. También hay una disminución de la cantidad de agua que va a fluir a través de la manguera. Menos presión significa que hay menos agua que fluye, lo cual nos lleva a la corriente.

Corriente

Podemos pensar en la cantidad de agua que fluye a través de la manguera desde el tanque como la corriente. Mientras más alta la presión, mas alto el flujo, y viceversa. Con el agua, mediríamos el volumen de agua que fluye a través de la manguera sobre un cierto periodo de tiempo. Con la electricidad, medimos la cantidad de carga que fluye a través del circuito sobre un periodo de tiempo. La corriente se mide en Amperes. Un ampere se define como 6.241*10¹⁸electrones (1 Coulomb) por segundo que pasan a través de un punto en un circuito. La corriente eléctrica (I) es medida en amperes.

Ahora digamos que tenemos dos estanques, cada uno con una manguera en la parte inferior. Cada estanque tiene la misma cantidad de agua, pero la manguera en un tanque es más angosta que la manguera en el otro estanque.

Medimos la misma cantidad de presión al final de cada manguera, pero cuando el agua comienza a fluir, la velocidad en que fluye el agua en el estanque con la manguera más angosta va a ser menor que la velocidad en que fluye el agua en el estanque con la manguera más ancha. En términos eléctricos, la corriente a través de la manguera más angosta es menor a la corriente a través de la manguera más ancha. Si queremos que el flujo sea el mismo a través de las dos mangueras, debemos aumentar la cantidad de agua (carga) en el estanque con la manguera más angosta.

Esto aumenta la presión (voltaje) al final de la manguera más angosta, empujando más agua a través del estanque. Esto se puede comparar con un incremento en voltaje que causa un incremento en corriente.

Ahora estamos comenzando a ver la relación entre voltaje y corriente. Pero hay un tercer factor a ser considerado acá: el ancho de la manguera. En esta analogía, el ancho de la manguera es la resistencia. Esto significa que debemos agregar otro término a nuestro modelo:

Agua = Carga (medida en Coulomb)
Presión = Voltaje (medida en Volts)
Flujo = Corriente (medida en Amperes)
Ancho de Manguera = Resistencia

Resistencia

Considera de nuevo nuestros dos estanques de agua, una con manguera angosta, y una con manguera más ancha.
Es lógico pensar que no podemos hacer caber el mismo volumen a través de una manguera más angosta como en una más ancha y con la misma presión. Esto es la resistencia. La manguera más angosta “resiste” el flujo de agua a través de ella incluso cuando el agua este a la misma presión que el estanque con la manguera más ancha.

En términos eléctricos, esto es representado por dos circuitos con voltaje iguales y resistencias distintas. El circuito con la resistencia más alta va a permitir que menos carga fluya, lo que significa que el circuito con la resistencia más alta tiene menos corriente que fluye a través de él.

Esto nos trae de vuelta a Georg Ohm. Ohm define la unidad de resistencia de “1 Ohm” como la resistencia entre dos puntos en un conductor donde la aplicación de 1 volta empujara 1 ampere, o 6.241×10¹⁸ electrones. Este valor suele ser representado en los esquemáticos con la letra griega “Ω”, que se llama omega, y se pronuncia “ohm”.

La Ley de Ohm

Al combinar los elementos de voltaje, corriente, y resistencia, Ohm desarrollo la fórmula:

Donde

V = Voltaje en volts
I = Corriente en amperes
R = Resistencia en Ohm

Esto se llama la Ley de Ohm. Digamos, por ejemplo, que tenemos un circuito con el potencial de 1 volt, una corriente de 1 ampere, y una Resistencia de 1 ohm. Usando la ley de ohm podemos decir:

Digamos que esto representa nuestro estanque con manguera ancha. La cantidad de agua en el estanque se define como 1 volt y el “ancho” (resistencia al flujo) de la manguera se define como 1 ohm. Usando la Ley de Ohm, esto nos da un flujo (corriente) de 1 ampere.

Usando esta analogía, ahora veamos este estanque con la manguera más angosta. Debido a que la manguera es más angosta, su resistencia al flujo es más alta. Definamos esta resistencia como 2 ohm. La cantidad de agua en el estanque es la misma que en el otro estanque, por lo tanto, usando la Ley de Ohm, nuestra ecuación para el estanque con la manguera más angosta es:

¿Pero cuánto es la corriente? Ya que la resistencia es más alta, y el voltaje es el mismo, esto nos da un valor de corriente de 0.5 amperes:

Por lo tanto, la corriente es más baja en el estanque con mayor resistencia. Ahora podemos ver que si sabemos dos valores para la Ley de Ohm, podemos resolver para el tercero. Demostremos eso con un experimento.

Un experimento de la Ley de Ohm

Para este experimento, queremos usar una batería de 9 volt para energizar un LED. Los LED son frágiles y solo puede pasar una cierta cantidad de corriente a través de ellos antes de que se quemen. En la documentación de un LED, siempre va a existir un “valor de corriente”. Esta es la cantidad máxima de corriente que puede fluir a través del LED particular antes de que se queme.

Materiales Requeridos

Para poder realizar los experimentos listados al final del tutorial, va a necesitar:

Un Multímetro
Una batería de 9-Volt
Una resistencia de 560 Ohm ( o el próximo valor cercano)
Un LED

NOTA: Los LED son lo que se conoce como un dispositivo “no-óhmico”. Esto significa que la ecuación para la corriente que fluye a través del LED no es tan simple como V=I*R. El LED introduce algo llamado una “caída de voltaje” en el circuito, así cambiando la cantidad de corriente que corre a través de él. Sin embargo, en este experimento simplemente estamos tratando de proteger el LED de sobre corriente, así que vamos a ignorar las características de corriente del LED y escogeremos una resistencia utilizando la Ley de Ohm para asegurar que la corriente a través del LED este en un valor seguro por debajo de los 20 mA.

Para este ejemplo, tenemos una batería de 9 volt y un LED rojo con un valor de corriente de 20 miliamperes, o 0.020 amperes. Para estar seguros, preferimos no llevar el LED a su valor máximo de corriente, sino a su corriente sugerida, la cual esta expresada en el datasheet como 18mA, o 0.018 amperes. Si simplemente conectamos el LED directamente a la batería, los valores para la Ley de Ohm se verán así:

Por lo tanto:

Y como aún no tenemos resistencia:

¡Dividir por cero nos da una corriente infinita! Bueno, no es infinita en la práctica, sino la máxima corriente que puede suministrar la batería. Como no queremos que fluya tanta corriente por nuestro LED, vamos a necesitar una resistencia. Nuestro circuito se debería ver así:

Podemos usar la Ley de Ohm en exactamente la misma manera para determinar el valor de la resistencia que nos daría el valor de corriente deseado.

Por lo tanto:

Ingresando nuestros valores:

Resolviendo para la resistencia:

Entonces, necesitamos un valor de resistencia de alrededor de 500 ohm para mantener la corriente a través del LED por debajo del valor máximo de corriente.

500 ohm no es un valor común para una resistencia, por eso hemos puesto una resistencia de 560 ohm en su lugar. Así es como se debería ver nuestro dispositivo armado.

¡Éxito! Hemos escogido un valor de resistencia que es suficientemente alto para mantener la corriente a través del LED por debajo de su valor máximo, pero suficientemente bajo para que la corriente sea suficiente para mantener el LED brillando.

Esta resistencia limitante de LED/corriente es un ejemplo es una ocurrencia común de la electrónica de hobby. A menudo necesitaras usar la Ley de Ohm para cambiar la cantidad de corriente que fluye a través del circuito. Otro ejemplo de esta implementación se puede ver en los LillyPad LED boards.

Con esta configuración, en vez de tener que elegir la resistencia para el LED, la resistencia ya está en el circuito con el LED entonces la limitación de corriente es lograda sin tener que agregar una resistencia manualmente.