El físico y matemático alemán Georg Simon Ohm postuló a principios del siglo XX, en concreto hacia el año 1827, que el potencial eléctrico aplicado sobre un conductor es directamente proporcional a la corriente que por él fluye y a su resistencia.
Pero, ¿qué son todos estos parámetros? ¿Qué es el potencial eléctrico o qué diablos será la corriente eléctrica? Nos podemos preguntar, con toda la razón del mundo. Para ello, lector, necesitaremos hacer uso de nuestro ingenio y de una pizca de imaginación. Pongamos en contexto a toda esta palabrería, imaginemos por un momento una simple batería conectada mediante un cable a una bombilla, ¿fácil no?1
La batería puede ser cualquier cosa que tengamos por casa ¡desde una simple pila hasta un enchufe! En definitiva, un elemento que nos aporte energía a nuestro circuito, simple. Los cables que conectamos a cada polo de nuestra batería actúan de la misma manera que cuando conectamos una manguera del grifo de nuestro patio hasta la piscina, nos sirven para transportar la energía eléctrica de la batería hasta nuestra bombilla para poder encenderla. Pero, ¿cómo que energía eléctrica? ¿Qué es lo que se mueve exactamente? 2
Supongo que recordarás qué es un átomo, ¿no? El átomo constituye la mínima unidad indivisible que conforma la materia que nos rodea, cualquier cosa que observamos está formada por ellos. El modelo más sencillo que conocemos para describir su estructura es el modelo de Bohr, sí ese que vemos en las camisetas y en las series de televisión.
El átomo se conforma de un núcleo, el cuál contiene protones y neutrones, y de unas capas externas donde encontramos los electrones. El número de protones y neutrones de un núcleo determina el tipo de elemento que constituye el átomo, y cada átomo en función de la cantidad de estos tendrá más o menos electrones distribuidos en sus capas. Aunque no daremos una explicación muy exhaustiva en esta entrada, sí deberás conocer que tanto electrones como protones son partículas con carga, en concreto de signo opuesto. De ahí podemos inferir, es decir deducir, que existirá una fuerza de atracción entre ellos, que podrá ser más o menos fuerte en función de la distancia a la que nos encontremos.
Si no estás muy relacionado con estos conceptos te invito que lo verifiques tú mismo en casa, realiza el siguiente experimento. Busca un par de imanes, y juega con ellos rotándolos entre si mientras los acercas y los alejas. ¿Qué es lo que observas?
La corriente eléctrica se basa en este principio. En vez de tener un par de imanes, nos imaginamos ahora que agarramos electrones de un material y los depositamos en otro. Tenemos ahora una zona cargada eléctricamente positiva, es decir con déficit de electrones, y otra zona eléctricamente negativa, es decir con exceso de electrones. De esta manera, si unimos ambas zonas mediante un camino o material conductor, al igual que con el imán los electrones de la zona eléctricamente negativa, es decir con exceso de ellos, se verán atraídos hacia la zona con déficit. Generándose así un flujo de electrones, o lo que conocemos vulgarmente como corriente eléctrica. Si nunca interrumpimos el flujo el sistema tendirá al equilibrio, y una vez ambas zonas se neutralicen, es decir que pierdan el exceso o defecto de electrones, ya no se producirá más corriente eléctrica.
Ough, hemos dado muchos pasos pero, ¿cómo se relaciona todo esto con lo que hemos visto al principio? Tienes toda la razón del mundo, vayamos por partes que no estamos tan lejos.
Por un lado hemos hablado del flujo de electrones, ¿cierto? La intensidad o la corriente eléctrica es, precisamente, la variable que mide cuántos electrones circulan por segundo en nuestro cable. De la misma manera que nuestra manguera medimos el caudal, la cantidad de litros por segundo que circula. El Coulomb $(C)$, en honor a Andrè Marié de Coulomb, es la unidad del Sistema Internacional (SI) que mide la cantidad de carga. Por lo que según el sistema internacional, la corriente eléctrica se expresa en $\left(\frac{C}{s}\right)$ o Ampères $\left(A\right)$.
Si continuamos con nuestro imaginario de la manguera que transporta agua desde el grifo hasta la piscina, podemos identificar otra propiedad además del caudal, ¿cierto? De la misma manera que el grifo proporciona un flujo de agua a una presión, el voltaje eléctrico o la tensión entre dos puntos es el esfuerzo necesario para poder desplazar las cargas eléctricas de un punto al otro, en términos físicos el trabajo o la energía necesaria. El Volt $\left(V\right)$, en honor a Alessandro Volta, es la unidad del Sistema Internacional (SI) que mide el potencial eléctrico.
¿Qué es la resistencia eléctrica?
Imaginemos un pedazo de material conductor, es decir un material por el que puede fluir una corriente eléctrica. En electromagnetismo, un conductor de cargas puede ser un material metálico, o lo que conocemos también como conductor quasi-ideal, o, por ejemplo, un material cerámico. Cada uno tiene su propia estructura molecular interna, es decir que cada material ordena los átomos de una manera particular. Como ya hemos visto, la corriente eléctrica es el flujo de electrones, por lo que no nos debería de extrañar que la manera en que los átomos se ordenan dentro de un material facilite o dificulte el flujo de ellos, de la misma manera en que cuando hay que buscar algo en una habitación muy desordenada. Además, también podemos imaginar que no todos los átomos tendrán la misma facilidad para ceder algunos de sus electrones, ¿cierto? Si hemos dicho que un protones y electrones tienen cargas opuestas, y, por tanto, existe una fuerza de atracción entre ellos, podemos suponer que dependiendo de qué tan lejos se encuentren los unos de los otros será más o menos difícil poder arrancarlos del átomo ¡Justo de la misma manera que con los imanes!
Estos factores, y muchos más, condicionan lo que conocemos como resistencia al flujo de electrones o resistencia eléctrica, que no es más que la oposición de un material al flujo de la corriente eléctrica, y se mide en Ohms $(\Omega)$, en honor a su inventor. Si ahora seccionamos nuestro material conductor, podemos identificar ciertos parámetros a nivel macro que nos permiten estudiar el comportamiento de su resistencia eléctrica. La resistencia es directamente proporcional a la longitud del material, e inversamente proporcional a su sección. Por analogía con una manguera, otra vez, al aumentar su sección permitimos un mayor caudal, por lo que puede pasar un mayor flujo de agua por segundo, luego la resistencia que genera la manguera al paso del agua disminuye. Si mantenemos fija su sección, y, por contra, prolongamos su longitud el agua tardará más en llegar al final. En nuestro caso es completamente igual, ya que nuestra manguera es el material conductor, y el agua son nuestros electrones. Además, falta un parámetro, ¿no? Hemos comentado que el propio material, por la manera en que está conformado, genera una oposición intrínseca al flujo de electrones. La resistividad, $\rho$ $(\Omega\cdot m)$, describe precisamente la resistencia intrínseca del material por unidad de longitud. Este parámetro es natural al material, luego si las condiciones no varían (temperatura etc) este tampoco lo hará, ya que depende única y exclusivamente de su estructura interna.
¿Para qué sirve la Ley de Ohm?
La ley de Ohm es una de las bases fundamentales en el análisis de circuitos. Las redes fundamentales que conforman los circuitos más básicos en electrónica estan formados por componentes pasivos lineales, como resistencias y baterías. En general, cualquier componente que disipe una potencia, y tenga una dependencia lineal para con la tensión y la corriente puede ser modelado mediante la Ley de Ohm como un elemento resistivo. El caso de las capacitancias y las inductancias son un claro ejemplo, las cuales se modelan como una impedancia que cumple la Ley de Ohm en el dominio fasorial y complejo.
Sea una batería conectada a un televisor y una lámpara en paralelo, y sean estos componentes modelables mediante una carga resistiva de valores $750\Omega$ y $150\Omega$ respectivamente. Sabemos que la batería es capaz de aportar $25\text{v}$, y podemos asumir que la batería es capaz de mantener el potencial que aporta hasta que se agota. Si sabemos que la batería tiene una capacidad de $4500\text{mA}\cdot\text{h}$, y que la condición inicial es de completa carga ¿Cuántas horas aguantaran televisor y lámpara encendidos?
Material complementario.
Ahora que has acabado de leer el artículo, ¿por qué no aprovechas para practicar lo que has aprendido? A continuación encontrarás una colección de material incluyendo ejercicios de práctica y apuntes. Recuerda que todo esto es completamente gratuito, si estás disfrutando del blog no olvides compartirnos para ayudarnos a llegar a más personas. ¡Muchas gracias!
