La ley de Ohm

La etiqueta de un cargador de teléfono puede decir «5 V 2 A». El primer número es la tensión que entrega. El segundo es la corriente máxima que puede dar. Una ecuación une las dos con una tercera magnitud, la resistencia. La vas a usar en casi todas las lecciones que siguen.

Corriente, tensión y resistencia

Un circuito es un camino cerrado por el que circula la corriente: sale de una pila, pasa por las piezas y vuelve a la pila.

La carga eléctrica es lo que llevan los electrones. La corriente es carga eléctrica en movimiento: cuánta carga eléctrica pasa por un punto cada segundo. Se mide en amperios (A). Un amperio es un culombio por segundo, y un culombio es una cantidad fija de carga eléctrica: unos 6,24 × 10¹⁸ electrones.

La corriente que atraviesa una pieza es lo que la hace funcionar. Calienta un cable, hace girar un motor y enciende un LED (diodo emisor de luz): una pieza pequeña que se ilumina cuando la atraviesa corriente, como la luz de encendido de muchos cargadores.

La tensión (también llamada voltaje) es cuánto empuja la fuente a la carga eléctrica de un punto a otro. Se mide en voltios (V), y su nombre formal es diferencia de potencial. La fuente es lo que aporta la tensión, como una pila o un puerto USB. Una pila AA (una sola unidad de batería, también llamada celda) da 1,5 V, un puerto USB da 5 V y el sistema eléctrico de un auto funciona a unos 12 V.

La tensión siempre se mide entre dos puntos. Un punto solo no tiene tensión. Por eso eliges un punto del circuito y lo llamas 0 V. Ese punto es la tierra (GND), y casi siempre es el negativo de la pila. Cuando una lección dice «la salida está a 3 V», quiere decir 3 V medidos desde tierra. Un esquema, el dibujo de un circuito con símbolos para las piezas y líneas para los cables, marca la tierra con un símbolo propio.

La resistencia es cuánto se opone algo al paso de la corriente. Se mide en ohmios (Ω). Un cable largo y delgado tiene más resistencia que uno corto y grueso. Por eso son tan gruesos los cables que se usan para arrancar un auto con la batería de otro. Un resistor es una pieza fabricada para tener una resistencia determinada: la pieza pequeña con rayas de colores y dos patas de alambre que encuentras en cualquier kit de iniciación. En este curso, «resistor» es la pieza y «resistencia» es la propiedad, medida en ohmios.

La tensión se mide entre los dos extremos de una pieza; por eso se habla de la tensión «sobre» un resistor. La corriente pasa a través de él.

La ley

En un resistor, las tres magnitudes están ligadas:

V = I × R

Despejada según lo que necesites: I = V / R y R = V / I. Un ohmio es la resistencia en la que 1 V hace circular 1 A.

Pruébalo abajo. En «Calcular», elige la magnitud que quieres que calcule el instrumento y ajusta las otras dos. Empieza en 9 V y 470 Ω, lo que da 19,1 mA. La «m» significa mili-, una milésima, así que 19,1 mA (miliamperios) son 0,0191 A.

La ley dice tres cosas:

• Más tensión sobre el mismo resistor da más corriente. Un empuje más fuerte mueve más carga eléctrica.
• Más resistencia con la misma tensión da menos corriente.
• Una corriente a través de un resistor produce una tensión sobre él. Al principio casi nadie se fija en esta, pero la vas a usar mucho. La mayoría de los medidores USB (las cajitas que se conectan entre el cargador y el cable del teléfono) miden la corriente así: miden la tensión sobre un resistor diminuto que está en el camino de la corriente, llamado shunt.

Potencia: adónde va la energía

Cuando la corriente atraviesa una resistencia, esa resistencia convierte energía eléctrica en calor. A esto se le llama disipar la energía. La rapidez con la que la energía se convierte en calor es la potencia, que se mide en vatios (W):

P = V × I

Si metes la ley de Ohm en esta fórmula, salen las dos formas que más vas a usar:

P = I² × R y P = V² / R

El cargador del principio puede entregar como máximo 5 V × 2 A = 10 W. Un cable de carga que se siente tibio está convirtiendo un poco de esa potencia en calor, en la resistencia de sus hilos.

La potencia va con el cuadrado de la corriente. Si duplicas la corriente por un resistor, produce cuatro veces más calor. Por eso una pieza que se pone tibia a 1 A puede quemarse a 2 A.

Toda pieza tiene una potencia nominal: la máxima potencia que puede convertir en calor sin dañarse. Los resistores con patas de alambre de un kit de iniciación suelen ser de 1/4 W. Los resistores diminutos de montaje superficial, soldados planos sobre la placa como casi todas las piezas de un teléfono, suelen ser de 1/10 W. La lectura «Potencia» del instrumento agrega un aviso cuando el calor pasa de 1/10 W y otro al pasar de 1/4 W.

La imagen del agua en las tuberías, y sus límites

Una imagen común: la tensión es la presión del agua, la corriente es cuánta agua circula y la resistencia es un tramo estrecho de tubería. La imagen te sirve para todo este módulo.

Se equivoca en dos cosas:

• La carga eléctrica no se gasta. El agua sale de la llave y se va. Los electrones no se consumen: a la pila vuelven tantos electrones como salieron de ella. Lo que se gasta es energía, no carga eléctrica. Cuando se agotan las pilas del control remoto del televisor, se quedaron sin energía, no sin electrones. Por eso un circuito tiene que ser un camino cerrado. Si no puedes seguir el camino hasta el punto de partida, no circula corriente.
• Los electrones son lentos, pero el empuje es rápido. Cada electrón avanza por el cobre a bastante menos de un milímetro por segundo. Aun así, una linterna se enciende en cuanto aprietas el botón, porque el empuje recorre el cable a una fracción grande de la velocidad de la luz. En este módulo la diferencia no importa. Vuelve a importar en el módulo 11, sobre placas de circuito.

Un ejemplo resuelto

Los 5 V de un puerto USB encienden un LED rojo a través de un resistor de 220 Ω conectado en línea con él. El resistor fija cuánta corriente le llega al LED. En un LED rojo caen típicamente unos 2,0 V de los 5 V. Esa es su caída de tensión: la tensión entre los extremos de una pieza mientras la atraviesa corriente. El resistor se queda con el resto:

• Tensión en el resistor: 5 V − 2,0 V = 3,0 V
• Corriente: I = 3,0 V / 220 Ω = 13,6 mA
• Potencia en el resistor: P = 3,0 V × 13,6 mA = 40,9 mW

Un milivatio (mW) es una milésima de vatio. Para comprobar las cuentas, pon el instrumento en 3 V y 220 Ω. 40,9 mW queda muy por debajo de una potencia nominal de 1/4 W (250 mW).

Ahora usa el mismo resistor de 220 Ω con una fuente de 24 V. Al resistor le quedan 24 V − 2,0 V = 22 V, así que la corriente es 22 V / 220 Ω = 100 mA, y el resistor convierte 2,2 W en calor. Eso es casi nueve veces su potencia nominal de 1/4 W, así que se recalienta y se quema.