La Ley de Ohm y otras cosas importantes

Estoy emocionado y nervioso a partes iguales, y más deberías estarlo tú. Ha llegado el momento de ver la Ley de Ohm. Después de leer esta pieza, tendrás la mejor herramienta para analizar y diseñar circuitos, pero eso solo será así, si me consigo explicar bien… Vamos a intentarlo. Antes de eso, un breve comentario sobre la manera en que se suele enseñar la Ley de Ohm, ya que me tortura por dentro. Típicamente, se presentan las tres magnitudes (voltaje, intensidad y resistencia) mediante una especie de pirámide o triángulo. Compruébalo tú mismo: ve a tu buscador de confianza (¡Pero vuelve aquí!!!) y busca “Ley de Ohm”. Verás que hay un montón de dibujos y pirámides. Bien, todo eso es una mie$%**a💩. En serio, no entiendo qué aporta dibujarlo como una pirámide, es añadir información vacía. Algunos podrán argumentar que es para recordarla más fácilmente. Eso tendría sentido si la ecuación fuese muy compleja, pero vamos: V=I*R, no es tan difícil, ¿no?, los humanos tenemos capacidad para recordar una ecuación tan corta. Ya estoy más relajado, por fin lo he soltado. Si vas a entrar en la sociedad secreta de electrónicos, debes jurar nunca enseñar la Ley de Ohm con pirámides. Y, ale, vamos al meollo.

La Ley de Ohm y otras cosas importantes

En electrónica hay tres magnitudes muy importantes: voltaje, intensidad, y resistencia. La Ley de Ohm nos dice cómo se relacionan. Por si te da pereza leer textos largos, te dejo aquí la ecuación en sus tres formas, aunque probablemente no te digan mucho:

V = I x R, I=V/R, R=V/I.

Bien, si estás leyendo este blog, seguro que te gusta pensar y ver las cosas con cierta profundidad, así que ahora vamos a ampliar un poco el tema. Lo primero que tenemos que hacer, es entender qué son el voltaje y la intensidad, también conocidos como tensión y corriente. Es más, si dices la palabra voltaje, inconscientemente la gente asumirá que no sabes de electrónica. Esto es un hecho que me he sacado de la manga, pero no tengo muchas dudas. Otra manera de referirse a la tensión es con los términos “diferencia de potencial”, que es bastante pro. Va, me dejo de historias y empezamos con conceptos importantes.

La carga eléctrica

La carga eléctrica es una propiedad que tienen los elementos/moléculas/isótopos. Esta propiedad, es la responsable de la fuerza electromagnética, que, dicho a lo bruto, es la fuerza que se hacen unas cargas sobre otras (detrás de esta frase hay chicha como para escribir varios libros, así que investiga el tema por tu cuenta). Se hacen fuerza del mismo modo que tú puedes hacer fuerza sobre un objeto u otra persona, o que la Tierra hace sobre todo (gravedad), o el viento sobre un campo de trigo (que se convirtió en chocapic). Las cargas se manifiestan de dos maneras, a las que hemos llamado “positiva” (+) y “negativa” (-) aunque podríamos haberlas llamado “A” y “B”, o “azul” y “roja”. Por ejemplo, los imanes también se manifiestan de dos maneras y les llamamos “norte” y “sur” por razones históricas (piensa en las brújulas). La terminología no es lo crítico, lo importante es que hay dos maneras de manifestar el fenómeno. Y, bueno, te preguntarás cuál es la diferencia entre las positivas y las negativas. Pues ninguna si consideramos la carga como algo aislado. Sin embargo, sí modifican su comportamiento en relación con otras cargas. Hemos dicho que las cargas son responsables de la fuerza electromagnética y esto, trasladado a algo práctico, significa que las cargas se hacen fuerza las unas sobre las otras. Ojo, esta fuerza la ejercen las cargas, y también la sienten las cargas. La fuerza es una magnitud vectorial, es decir, tiene una dirección y magnitud, además del valor en sí mismo. Pues bien, dos cargas sienten una fuerza en sentido de atracción si son diferentes (positiva con negativa), y en sentido de repulsión si son de igual signo (positiva con positiva o negativa con negativa).

En la primera parte de la serie, hemos hablado de los conductores y los aislantes. Ahora que sabemos lo que son las cargas podemos entrar un poco más en el tema. En un conductor las cargas se pueden mover de manera libre. Los conductores están constituidos de materiales cuyos átomos están colocados de cierta manera en los que el movimiento de electrones por dentro del material es fácil. En un aislante, pasa justo lo contrario.

Un matiz importante: en general, cuando hablamos de carga, nos referimos a carga neta. En general, dentro de un materail, las cargas positivas y negativas están equilibradas y sus fuerzas se cancelan (es bastante más complejo pero nos quedamos con esta idea). La carga neta nos habla de aquellas cargas que “sobran” y que generan fuerzas que pueden sentir otras cargas “sobrantes”. La inmensa mayoría de cargas están equilibradas. Las netas son muy muy pocas en comparación, ¡Pero importantes! Es la carga neta la que nos importa en los fenómenos electromagnéticos. No escribiré carga neta todo el rato, hablaré de cargas en general, así que no olvides este aspecto.

Cabe preguntarse dónde están las cargas dentro de un material. ¿Están repartidas aleatoriamente?¿Equidistribuidas?¿Solo en la superficie? Meditar sobre estas preguntas te ayudará a entender el concepto de carga. Recuerda: las cargas eléctricas generan fuerzas entre sí, las unas con las otras. También sabes que una fuerza acelera al ente que la recibe, que en este caso son cargas también. En un conductor, las cargas (netas) se pueden mover libremente, con lo que es esperable, que las fuerzas que se hacen las cargas unas sobre otras lleve a un estado de equilibrio en el que las cargas acaben quedando “quietas” tras repelerse las unas con las otras. Es decir, maximizan la distancia entre ellas. Eso se da en la superficie del conductor.

Desde un punto de vista físico, las cargas las definen elementos subatómicos: el protón y el electrón. Si un elemento tiene el mismo número de partículas de ambos tipos, pues es un elemento neutro. Si tiene más protones, pues tiene carga neta positiva, y lo contrario pasa si hay exceso de electrones. Importante: una carga negativa no es lo mismo que un electrón. El electrón tiene carga negativa. Menciono esto porque es habitual hacer abusos de lenguaje relacionados con este tema (yo los haré, ¡He avisado!). La carga se mide en unidades de Coulombs [C], y se suele identificar en ecuaciones con la letra Q de Qarga (jojojojo). Ahora, en serio, se usa la letra Q por “Quantity” of electricity. Un tanto cutre, en mi opinión, pero es que la terminología electrónica tiene su miga. Algún día haré una entrada sobre ella, especialmente la histórica. Volviendo a las unidades de carga: te preguntarás, un Coulomb, ¿Es mucho, o poco? Pues para las cosas generales de tamaños normales, un Coulomb es un huevo. Un protón o electrón tiene 1.60217663 × 10^-19 Coulombs. Por cierto, he usado notación científica. Si no te es familiar, deja de leer esto inmediatamente y aprende eso antes.

Aunque la carga sea la base de la electricidad, paradójicamente, no se le menciona demasiado al trabajar con electrónica. Eso es porque nos interesan las cargas, sí, pero más aún cuando se mueven. Es justo lo que vamos a ver.

La corriente

Ahora que sabes lo que son las cargas, podemos pensar con algo de detalle lo que es la corriente. En entradas previas hemos usado el término sin detenernos demasiado a pensar en él, así que ya toca. La corriente es, simplemente, cargas en movimiento. Ya ves que he caído en el abuso de lenguaje que he comentado previamente. Lo que se mueve no es la carga, sino partículas con carga, típicamente electrones. En la terminología habitual usada en electrónica, a los electrones que participan en la corriente se les llama portadores de carga. Hay otros portadores de carga además de los electrones, y no todos los electrones son portadores de carga, pero no te preocupes por esto, de momento, ya que lo veremos al hablar de semiconductores. Aquí conviene detenerse un poco porque hay dos confusiones muy típicas entre los aficionados a la electrónica.

Vamos con la primera: si decimos que la corriente son cargas en movimiento, está claro que se tienen que mover hacia algún sitio. Sigamos con el circuito de la bombilla que hemos visto en la parte anterior de esta serie. La corriente se mueve en lazo cerrado, sí, pero lo hace en sentido horario, ¿o antihorario? Pues una pregunta parecida se hicieron los científicos del s. XVIII. En esa época, no conocían que los portadores de carga eran los electrones. Bueno, más bien, no sabían lo que es un electrón ni un átomo (inciso: ¿Lo sabemos bien, ahora? Si hay algún físico en la sala que comente, por favor). Entonces, hicieron la suposición de que los portadores de carga eran cargas positivas (“protones”, pero ojo porque no sabían qué es un protón) y que estos salen del terminal positivo (se repelen del terminal positivo por tener cargas del mismo signo) y se mueven hacia el terminal negativo, pues son atraídos. Se trabajó de manera generalizada con esta hipótesis, es decir, asumiendo que la corriente sale del terminal positivo y va al negativo. Y, hasta aquí, todo bien, pero hay un problema, ¡Está todo mal! La hipótesis que usaron es incorrecta y lo que pasa es que los portadores de carga son los electrones, que se mueven desde el terminal negativo al positivo. Sin embargo, para cuando se dieron cuenta (un porrón de años después), ya se había extendido la idea de que la corriente iba de positivo a negativo. ¿Cuál es la consecuencia de este error? Ninguna. ¿Cómo es posible eso? Pues porque, en un circuito, podemos inventarnos el sentido de la corriente, que los resultados no van a cambiar. Si no te lo crees, lo veremos luego con un ejemplo. Entonces, al sentido “erróneo” se le llama sentido de la corriente convencional, mientras que el otro es el sentido de los electrones. Todo el mundo que no está loco usa el sentido convencional. Echa un ojo a la siguiente figura por si la explicación no quedaba del todo clara.

La segunda confusión habitual es pensar que los electrones se mueven por el circuito. Antes de empezar con esto, una advertencia: las teorías que explican cómo los electrones se mueven por los materiales son muy complejas. Por suerte, no aportan nada al electrónico medio cuando trabaja en sus proyectos. Volvamos a la confusión. Si decimos que la corriente existe en un circuito cerrado, y también decimos que la corriente son cargas en movimiento, cabe concluir que los electrones se mueven en círculos por el circuito. Pues no, eso es falso (en realidad sí se mueven un poco, y muy lentamente, pero no nos vamos a liar con esto ahora). No es necesario que, para propagar un movimiento, los elementos se muevan. Piensa, por ejemplo, en una cadena de fichas de dominó cayendo. Hay un movimiento, pero las fichas no avanzan con ese movimiento, se quedan quietas. Obviamente, lo que pasa a nivel subatómico no tiene nada que ver con las fichas de dominó, solo lo pongo como ejemplo para que veas que no es necesario que las partículas se desplacen para que haya un movimiento de energía. Puedes pensar que los electrones se influyen los unos sobre los otros, y esa influencia se propaga de unos a otros muy rápido por el material.

Bien, después de haber leído los dos últimos párrafos, ya puedes olvidarlos. Nunca necesitarás esa info. Lo siguiente sí es importante: la corriente se mide en Amperios [A]. Un amperio es un Coulomb de carga pasando por una sección durante un segundo [C/s]. La letra para identificar la corriente es la I, de Intensidad. Las palabras “intensidad” y “corriente” se usan indistintamente para referirse a lo mismo. ¡Por fin! Ya sabes qué es la corriente. Solo un último apunte: el verbo que acompaña a la corriente es “pasar”. La corriente pasa por un componente/hilo/lo-que-sea. Una pregunta que quizá te hagas es: ¿Por qué iban las cargas a empezar a moverse? Sigue leyendo.

La tensión

El concepto de tensión es bastante complejo, así que empezamos con una definición sencilla y, después, profundizamos un poco. La tensión, también llamada voltaje o diferencia de potencial eléctrico, es el trabajo necesario para mover una carga eléctrica entre dos puntos en un campo eléctrico. A nivel de intuición puedes entender que es una magnitud que nos indica las ganas que tienen las cargas de moverse por el circuito. Admito que no es muy rigurosa esta definición, pero es práctica. Vamos a zambullirnos un poco en el tema. Si recuerdas, hemos dicho que las cargas se hacen fuerza (atracción o repulsión) las unas sobre las otras. Cuando se ejerce una fuerza sobre algo (sea una carga, una pelota, una silla o cualquier cosa), ese algo acelera. Sin embargo, no ves cargas moviéndose de un lado para otro espontáneamente. Eso es porque las fuerzas están (casi) perfectamente equilibradas. Lo están porque un porrón de cargas se hacen fuerza en todos los sentidos y se compensan las unas con las otras. Vamos, es como si te empujo desde delante, pero alguien te empuja desde detrás. Si lo hacemos con la misma fuerza, no te vas a mover. Las zonas del espacio en las que la fuerza que generan las cargas se puede sentir, constituyen el campo eléctrico. Prepárate que viene lo importante, activa el cerebro.

Las cargas y el campo que generan están ahí quietos, sin moverse (lo que se llama un campo estático). En este campo eléctrico, hay unas fuerzas generadas por las cargas, da igual cómo sean. Pues bien, la tensión, es el trabajo, que se debe hacer sobre una carga para moverla de un punto a otro del espacio dentro de ese campo eléctrico lleno de fuerzas. He usado la palabra trabajo, que igual la recuerdas de física. El trabajo es una fuerza aplicada en una distancia. En este caso, es la fuerza del campo aplicada sobre la carga, y como resultado de esta fuerza, la carga se mueve. Igual vale la pena reflexionar un poco más sobre el tema. Hagámoslo, esta vez, pensando en términos de energía. Recuerda que la energía es la capacidad de hacer un trabajo. Cuando un objeto está en un campo (en este caso eléctrico, pero pasa igual en el gravitatorio), tiene una cierta energía potencial. La energía potencial puedes entenderla como algo que no se está manifestando, pero que está disponible para hacerlo. Ejemplo express: imagina que aguantas una piedra con la mano. ¿A que la piedra está quieta? Pero ¿Qué pasa si la sueltas? Obviamente se cae. Al caer, transforma una energía potencial que tenía por el hecho de estar a una cierta altura, en una energía cinética (de movimiento). Es decir, el conjunto piedra-Tierra tenía “guardada” una energía preparada para transformarse en otra. En el campo eléctrico tenemos una situación análoga. Hay un campo con unas fuerzas. Si dejamos un objeto cargado en un punto del campo experimentará una fuerza de atracción o repulsión, en función del signo de su carga. Ese objeto cargado tiene, por tanto, una cierta energía potencial. Pues si ese objeto, en lugar de ser un objeto, fuese una única carga, diríamos que tiene un potencial eléctrico. Este potencial depende de su ubicación dentro del campo eléctrico (en términos gravitatorios, seguro que intuyes que una piedra aguantada a 5cm del suelo no tiene la misma energía potencial que si la aguantas a 100m de altura). En cierto modo, puedes imaginar que existe un campo de potencial eléctrico, aunque esto tengo dudas de si es filosofía o física. Pero, por no liarnos y volver al origen, es decir, a responder a la pregunta de qué es la tensión. Pues es la diferencia entre el potencial eléctrico de dos puntos del campo eléctrico. Chim pum. La tensión usa unidades de Voltio [V], que se derivan de trabajo entre carga, cuyas unidades serían Joules por Coulomb [J/C]

Detente un momento para imaginar una situación en la que movemos la carga entre dos puntos concretos del espacio. La carga que se mueve está siendo afectada por las fuerzas de todas las otras cargas. Mira la siguiente imagen (dibujar no es mi fuerte 😂):

Abajo a la izquierda hay una región pintada de verde que representa varias cargas juntas. Dado que tiene una forma arbitraria, las fuerzas del campo (representadas con “flechas” negras) no apuntan a ningún sitio en particular. A la derecha, tenemos una segunda carga que se mueve por el campo. Esta carga está sometida a las fuerzas del campo, así que, al seguir la trayectoria indicada, se hace un trabajo sobre ella. A este trabajo, le llamamos diferencia de potencial, o tensión, y se le denota como “∆V”, aunque se suele simplificar simplemente como “V”. El símbolo delta ∆, en ecuaciones, suele hacer referencia a conceptos como “variación”, “incremento” o “diferencia”. La “V” hace referencia a “voltaje”. En la imagen previa, la tensión o el voltaje es la diferencia de potencial eléctrico entre el punto “a” y el punto “b”. Ejemplo: supón que el potencial en “a” es 10V, y que el potencial en “b” es 11V. Pues la tensión, o voltaje, o diferencia de potencial entre “a” y “b” es de 1V. En electrónica, el potencial de por sí nos da igual. Lo que nos interesa es saber la diferencia de potencial entre dos puntos porque eso determina el comportamiento de la carga entre esos dos puntos.

Vamos a aterrizar un poco el concepto con algo familiar à Los enchufes de tu casa. Entre un agujero y el otro hay 220V. Ojo, no es que en un agujero haya 0V y en el otro 220V. Bien podría haber en uno 1000V, y en el otro 1220V; o 7V en uno, y 227V en el otro; o -420V en uno, y -200V en el otro. Da exactamente lo mismo. Ahora bien, por economía de lenguaje y por simplificar ecuaciones, asumimos que el potencial en algún punto del circuito es 0V. A se punto, le llamamos masa, o tierra. Seguro que habías oído esas palabras y ahora ya sabes a qué hacen referencia exactamente.

Al dibujar los circuitos, es importante indicar cuál es la referencia de 0V. Si no lo hacemos, es difícil comunicarnos con otras personas porque cada uno puede pensar que los 0V están en un sitio diferente. Típicamente, aunque no es obligatorio, se asume que la masa está conectada al terminal negativo de alguna fuente de tensión. Sin embargo, quiero reforzar la idea de que no hay, realmente, 0V en masa. Se trata de una convención para facilitar cálculos y comunicarnos. En este sentido, los dos siguientes circuitos son iguales, aunque uno parece mucho más simple.

El circuito de la izquierda tiene el símbolo de masa dibujado en el terminal negativo de la fuente de tensión, que para nosotros es un enchufe que garantiza una diferencia de 220V entre sus agujeros. Eso implica que en el terminal positivo hay 220V respecto a la masa. En el dibujo de la derecha, he dibujado la masa entre las dos bombillas. ¿Por qué alguien haría esto? Pues porque está loco. Sin embargo, ahora nos sirve para reforzar el concepto de diferencia de potencial. En el circuito de la derecha, hemos acordado que el punto de 0V está entre las bombillas. Ahora, en esta nueva convención, el terminal positivo de la fuente de tensión está a 110V, mientras que el terminal negativo está a -110V. Si te fijas, la diferencia entre el terminal positivo y negativo sigue siendo 220V. Esa diferencia de 220V va a generar la misma corriente independientemente de dónde dibuje la masa.

Te habrás fijado en que he dibujado cerca de cada bombilla un “110V” con un “+” y un “-“. Esta es la manera en la que se indica como cae la tensión. El verbo “caer” es el que se utiliza. Importantísimo: nunca en la vida digas la tensión “pasa”. ¡¡¡Es la regla más importante de la electrónica!!! Volviendo a las caídas de tensión. He puesto un 110V porque estamos asumiendo que las bombillas son iguales. Entonces, si el enchufe me garantiza una diferencia de 220V entre agujeros, y tengo 2 bombillas idénticas, a cada bombilla le corresponden 110V. Pero ¿Y si las bombillas fuesen diferentes? Aaaalto ahí, ¡No te muevas! Es una pregunta muuuy correcta, y la contestaremos usando la Ley de Ohm.

La potencia eléctrica

Otra magnitud importante con la que te debes familiarizar es la potencia eléctrica. El término potencia lo tenemos perfectamente integrado en el lenguaje habitual y lo usamos en contextos variados con definiciones bastante holgadas. En electrónica tenemos que hacer un uso preciso, así que es importante que lo tengamos perfectamente definido.

Genéricamente, la potencia es la energía transferida por unidad de tiempo. Es decir, nos da una idea de la cadencia de uso/transformación de una cierta energía. Por dar un ejemplo absurdo: imagina que tengo una muralla medieval. Mi enemigo tiene una catapulta y me va tirando piedras a la muralla. Con cada piedra que tira, se transfiere una energía a la muralla que la hace moverse/deformarse (hace un trabajo) y también hace ruido y vibraciones. Supongamos que esa muralla se rompe tras 10 impactos de piedra porque la energía transferida será suficiente para romperla. Pues bien, la potencia pone en perspectiva el tiempo que tarda ese hecho en transcurrir. Si el enemigo me tira 10 piedras en una hora, la potencia de su catapulta será baja. En cambio, si me tira las 10 piedras en un minuto, la potencia de su catapulta es muy alta. Fíjate que ambas catapultas tiran 10 piedras (transfieren la misma energía) y rompen la muralla igualmente, pero el tiempo en que lo hacen cambia (una hora vs un minuto).

Fantástico, pero esto no es una web de asedios medievales, así que vamos a usar la idea del párrafo previo pero aplicado a la electrónica. En las secciones previas del post hemos hablado de carga, corriente y tensión. Estas magnitudes están relacionadas con la potencia, obviamente, aunque no es del todo trivial. Recordemos, la potencia es la cadencia de uso de energía. Tenemos que llegar a esa definición desde nuestras magnitudes eléctricas. Repasemos conceptos básicos muy rápido. Las cargas eléctricas generan un campo eléctrico con fuerzas de atracción o repulsión que actúan sobre otras cargas. La tensión (o diferencia de potencial) es el trabajo necesario para mover una carga en un campo eléctrico determinado. El trabajo es la transferencia de energía mediante la aplicación de una fuerza a lo largo de un desplazamiento. La corriente es la cantidad de carga que pasa por algún sitio en un tiempo dado. Tal y como ves, al repasar las definiciones han salido los temas de energía, tiempo y trabajo al igual que en el ejemplo de la catapulta. La potencia eléctrica es el producto de tensión y corriente, es decir, P = V * I. El término de tensión “V” nos habla del trabajo (transferencia de energía) por unidad de carga, mientras que el término de corriente “I” nos da la cadencia a la que esto ocurre, es decir, las cargas por unidad de tiempo pasando por un sitio. La potencia se mide en Watts [W], que es una simplificación de Joules por segundo [J/s], es decir, energía por unidad de tiempo. Si no tienes frito el cerebro todavía, igual te ha chocado un poco. Hemos hecho V * I, que se mide en Voltios y Amperios, y hemos acabado con Joules por segundo… Suena sospechoso. Sin embargo, todo es 100% legal. Recuerda las definiciones de tensión y corriente y verás que tiene sentido que Voltios sea igual a Joules entre Coulombs (J/C), y que Amperios sea igual Coulombs entre segundos (C/s), así que todo encaja. Uff, ¡Vaya párrafo más denso!

Pero bien, ¿Para qué te pego todo este rollo? ¿Por qué es importante tener controlada la potencia en la electrónica? Son preguntas bastante razonables. Pues son varias las razones. La primera de ellas, es que todos los circuitos necesitan consumir energía a un cierto ritmo (es decir, necesitan potencia) para funcionar. Por tanto, nuestras fuentes de energía deberán estar dimensionadas adecuadamente para nuestros circuitos. Por ejemplo, la fuente de alimentación del PC desde el que estás leyendo esto, está dimensionada para poder gestionar la potencia que necesitan el resto de sus componentes. Otra razón es que la potencia es una magnitud que se puede “intercambiar” en sistemas diferentes. Por ejemplo, podemos convertir potencia eléctrica en potencia mecánica y al revés. Eso es lo que hacen los motores y generadores eléctricos. Piensa en un coche eléctrico. Para que funcione hay que “llevar” una potencia desde las centrales eléctricas, que pueden ser de varios tipos, hasta el motor del coche. En función del tipo de central eléctrica, se convierte potencia de algún tipo en potencia eléctrica, es decir, en tensión y corriente, que se distribuye por la red eléctrica hasta el coche eléctrico en cuestión. Estos procesos no son perfectos, y siempre se “pierde” potencia por el camino en forma de calor. La métrica que usamos para referirnos a lo bien que un sistema gestiona la potencia es la eficiencia, que es, básicamente, la relación entre la potencia disponible para su consumo final, respecto a la potencia de partida.

Una última cuestión terminológica acerca de la potencia. A veces le ponemos apellidos a la potencia. Te cuento los más comunes por si los ves por ahí. Sin embargo, disclaimer: hay muchos abusos de lenguaje con estos conceptos. Igual generan cierta polémica o maneras de entenderlos.

• La potencia generada hace referencia a la energía eléctrica producida por una fuente, como un generador o una batería, por unidad de tiempo. Representa la cantidad de energía disponible para el sistema.
• La potencia entregada hace referencia a la energía (por unidad de tiempo) que un componente o sistema suministra a otro en un circuito eléctrico.
• La potencia disipada hace referencia a la energía (por unidad de tiempo) convertida en calor o perdida en un componente, como una resistencia, debido a fenómenos como la resistencia eléctrica o ineficiencias.
• La potencia consumida hace referencia a la energía eléctrica (por unidad de tiempo) utilizada por los dispositivos o cargas para realizar trabajo útil, como iluminar, mover, o alimentar circuitos electrónicos, por unidad de tiempo.

Y, ahora ya sí, te dejo vivir y seguir con otros temas.

La Ley de Ohm

Es momento en que te prepares un café, o una copa de vino, o una jarra de cerveza porque te mereces disfrutar del momento. Has llegado hasta la sección en que vamos a ver la Ley de Ohm, y lo has hecho aprendiendo los conceptos que forman parte de ella.

En realidad, la carga, la tensión, y la corriente son conceptos mucho más complejos (pero mucho) de lo que hemos visto aquí, pero nos vale para lo que necesitaremos. Te lo digo para que, en algún momento futuro, investigues un poco más.

Hemos estado hablando de corriente, que, dicho de modo rápido, son cargas moviéndose, y también hemos hablado de tensión, que es el “esfuerzo” que tienen que hacer las cargas para moverse. Estas dos magnitudes hablan del comportamiento que tienen las cargas eléctricas. Uno podría preguntarse si hay relaciones predecibles entre ellas. Por ejemplo, si conozco una tensión (o diferencia de potencial) entre dos puntos, ¿Puedo saber qué corriente habrá? O bien, si hay una corriente pasando por un componente, ¿Puedo saber qué tensión cae en el componente? Esas preguntas y otras similares, se las hicieron durante el siglo XVIII bastantes personas. Con el instrumental moderno, “descubrir” la relación entre la tensión y la corriente sería relativamente sencillo, pero en aquel momento tenían muchas limitaciones. Para que te hagas una idea, hacia 1820 se inventaron los primeros medidores de corriente rudimentarios. Pues antes de eso, medían la corriente poniendo el cuerpo en el circuito y electrocutándose. Mucha pupa = mucha corriente. Eso era ciencia hardcore de verdad. Hoy, seguro que si usas a los becarios para medir corriente acabas en la cárcel... Supongo que hemos ido a mejor. Bueno, dejo de decir tonterías.

Quienes investigaban la electricidad sospechaban que tensión y corriente debían estar relacionadas, pero desconocían de qué manera y qué factores podrían influir en esa relación. No podían avanzar mucho sin medidas precisas, así que la tarea no dio resultados hasta que se inventaron dos elementos clave: el termopar y el galvanómetro. No vamos a profundizar mucho en los principios de funcionamiento de estos dos inventos (que se siguen usando), pero te recomiendo que investigues ya que son bastante interesantes. Solo te doy unas nociones muy básicas para hilar con la Ley de Ohm.

El termopar es un es un transductor que relaciona temperatura y tensión. “Transductor” es una palabra un poco particular, así que puede ser que no la hayas oído antes. Dicho de modo sencillo, es aquella cosa que transforma la energía de una forma a otra. Tu vida está llena de transductores. Por ejemplo, un altavoz convierte energía eléctrica en acústica. Un micrófono hace lo contrario. Un motor eléctrico transforma entre electricidad y movimiento. Pues bueno, volviendo al termopar, tenemos relación entre temperatura y electricidad. Concretamente, hay una dependencia entre la temperatura y la tensión. Si quieres buscar el funcionamiento del termopar, investiga el efecto termoeléctrico. El caso es que con un termopar puedes generar una tensión, y esta tensión depende de la temperatura. Antes de la invención del termopar, Georg Ohm, el protagonista de hoy, no podía medir o generar tensiones con precisión, pero sí podía calentar cosas y medir temperaturas. Así que cuando se inventó el termopar se puso muy contento y empezó a investigar.

El segundo invento clave, el galvanómetro, permite medir corriente. Es una especie de brújula bastante sofisticada. Una brújula ya sabes que es un cacharro que tiene una aguja imantada. Esta aguja se alinea con las líneas del campo magnético terrestre. El campo magnético terrestres es (por resumir mucho) un efecto natural. Sin embargo, también se pueden producir campos magnéticos a voluntad mediante corrientes eléctricas. En una entrada futura hablaremos de la relación entre el campo eléctrico y magnético (es meeeega importante), pero ahora no me puedo meter en ese tema porque descarrila el tren. El asunto clave, es que la corriente eléctrica genera un campo magnético. Entonces, ¿cómo funciona un galvanómetro de modo resumido? Pues este instrumento tiene un imán permanente (como los de la nevera) dentro que hace que una aguja imantada apunte hacia un cierto lugar. El galvanómetro tiene también una bobina de hilo conductor dentro. Esta bobina se conecta en serie con el circuito, de modo que la corriente del circuito que se quiere medir pasa por dentro del galvanómetro. Al pasar la corriente por la bobina y generarse un campo, la aguja imantada que hemos mencionado cambia de dirección, ya que sobre ella afectan dos fuerzas: la del campo magnético generado por el imán permanente, pero ahora también la fuerza del campo magnético generada por la corriente que pasa por la bobina. Según la corriente que pase, cambia más o menos de dirección, con lo que se pueden medir corrientes.

En la imagen superior puedes ver los elementos que forman parte de este invento. Digamos que el imán fuerza a la aguja a estar en el centro, pero al pasar corriente por la bobina una fuerza hace rotar el cilindro que está dentro del imán hacia la derecha, en caso de corrientes en un sentido, o hacia la izquierda para corrientes en sentido opuesto. Las fuerzas del imán permanente y las generadas por la corriente se equilibran en una posición u otra en función de la magnitud de la corriente. Es un invento bastante chulo para los estándares de la época.

Con el termopar y el galvanómetro, Georg Ohm estaba muy feliz experimentando. Por fin podía aplicar tensiones controladas mediante el termopar, pues podía controlar la temperatura, y también podía medir las corrientes que se generaban. Por tanto, tras diversas observaciones, podría seguro establecer una relación entre la tensión y la corriente. Lo que hizo fue conectar los extremos del termopar (donde se produce la diferencia de potencial asociada a la diferencia de temperatura) con hilos de cobre de diferente longitud y grosor. Por cada hilo de cobre que conectaba, se hacía las siguientes preguntas:

• ¿Cuál es la corriente que pasa por este hilo de cobre?
• Si el hilo es más largo, ¿Pasa más corriente o menos?
• Si el hilo es más grueso, ¿Pasa más corriente o menos?

Después de medir varios hilos, anotar los resultados, y pintarlos en una gráfica debió obtener algo parecido a lo siguiente:

En el eje vertical tenemos corriente. En el eje horizontal la longitud del hilo. He pintado las trazas resultantes de experimentar con hilos de diversos grosores. Lo que observó fue que, para una tensión constante e hilos de un material concreto, la corriente dependía de dos factores: la longitud y el grosor del hilo usado. Si el hilo era más largo, la corriente era menor. Si el hilo era más fino, también la corriente era menor. Lo opuesto pasaba para hilos más cortos y más gruesos. Además, también debió ver que, si cambiaba el material del hilo, las corrientes que medía cambiaban, pero seguía el mismo patrón: hilo largo y fino-->Poca corriente, hilo grueso y corto-->Mucha corriente. A esta característica de cada uno de los hilos le llamó (o lo habría hecho si hablase en los términos que usamos hoy) resistencia. La unidad que se usa para medir la resistencia es el Ohm, que se representa con la letra omega mayúscula [Ω].

Los trabajos en caracterizar la corriente en función de lo que conectaba (material, grosor, longitud) al termopar le proporcionaron todos los ingredientes que necesitaba para poder estudiar la relación entre tensión y corriente, estaba ya muy cerca. Recordemos que había hecho los experimentos con una tensión constante usando un termopar a una temperatura controlada. Ahora la cuestión era la siguiente: si repetía los experimentos, pero con tensiones diferentes, ¿Qué podría pasar? Piensa que esta pregunta era muy difícil de responder sin haber comprendido bien la relación entre la corriente y el material usado para cerrar el circuito, pues cualquier observación se podría atribuir a múltiples causas. Sin embargo, eso ya no era así, porque Georg Ohm conocía perfectamente el comportamiento de las corrientes en función de las características de los hilos. Y, dado que lo conocía perfectamente, cualquier observación la podría atribuir a las variaciones de tensión. Así que, manos a la obra, y a repetir el experimento variando la tensión. Para no complicarnos mucho, vamos a suponer que probó con tres hilos de una longitud y material conocidos, pero diferente grosor. ¿Qué observó al hacerlo?

En el eje vertical tenemos la corriente, y en el eje horizontal la tensión. La gráfica muestra una relación muy simple entre la tensión y la corriente. Fíjate que, para un hilo cualquiera, la corriente aumenta de manera proporcional a la tensión. Por ejemplo, para el hilo fino, si se estimula el circuito con 10[V], la corriente es de 5[A]. Si se estimula con el doble, es decir, 20[V], la corriente pasa a ser también el doble, 10[A]. La relación entre tensión y corriente para el hilo fino es de 2 Voltios por cada Amperio. Para otros tipos de hilo, habrá otra relación, pero la proporcionalidad se mantiene. Y, ¿Qué es justamente esta relación? ¡La resistencia [Ω] de la que hemos estado hablando unos párrafos arriba! Esta relación tan simple puede parecer ahora intuitiva, pero no era el caso en la época. De hecho, hacia 1820 había un consenso medianamente generalizado de que la tensión no tenía influencia en la corriente y el trabajo de Ohm fue muy criticado. Incluso, le costó varios disgustos en su vida, pero de eso ya hablaremos otro día. Tuvieron que pasar varios años hasta que se fue aceptando generalizadamente la Ley de Ohm. Por cierto, tanto rollo y no he puesto la ecuación. Ahora sí que puedes entenderla bien:

$V = I \cdot R$

$I = \frac{V}{R}$

$R = \frac{V}{I}$

La ecuación la puedes encontrar en tres formas, que son en realidad la misma cosa manipulada algebraicamente. Una forma u otra es necesaria en función de lo que queramos calcular. Por cierto, en esta página tienes una calculadora de Ley de Ohm para ahorrarte hacer los cálculos a mano.

Y, de esta manera, llegamos al final de la parte conceptual de la Ley de Ohm. Ha sido un paseo un poco más largo de lo que tenía pensado. De hecho, tanto es así, que me guardo una parte para el siguiente artículo. Hablaremos de los componentes básicos de los circuitos (sorpresa, en la vida real los electrónicos no hablamos de enchufes ni de bombillas 😅) y usaremos la Ley de Ohm en la práctica.

Enhorabuena por el esfuerzo de leer, en los tiempos de tiktok cada vez cuesta más. Espero que hayas podido aprender un poco. Si algo es confuso o te parece incorrecto, deja un comentario. Otros usuarios y yo mismo podemos aprender mucho también de ti.