Ley de Ohm – Conceptos, Componentes y Funciones



La ley de Ohm es uno de las descripciones cuantitativas más relevantes que se han manifestado tanto en la física como en el mundo, esto se debe a que la mayoría de las actividades económicas, industriales, entre otras utilizan de la electricidad para la normalidad cotidiana del día a día.

Son pocas las ocupaciones que no empleen aunque sea un poco de este servicio. Sin embargo a pesar de que este descubrimiento revolucionó un nuevo comienzo en la humanidad, cuando su creador publicó por primera vez los trabajos referentes a la ecuación, las críticas negativas no se hicieron esperar.

Los múltiples rechazos hacia el trabajo de Ohm se debían a la fuerte filosofía científica que predominaba en esa época que hasta llevaron al ministro de educación del país, expresar declaraciones que lo colocaban como un profesor que predicaba herejías y por esto, no era digno de enseñar ciencia.

Incluso en la población al principio se le denomino a esta hipótesis como una red de fantasías desnudas.

¿Quien fue Georg Simón Ohm?

Ohm, Georg Simón (1787-1854), fue un físico alemán, nacido en Erlangen, Alemania que dedicó prácticamente su vida a trabajos relacionados con las corrientes eléctricas que le llevaron a plantear su mayor reconocimiento, la ley de la electricidad.

En la actualidad la unidad de resistencia eléctrica y la ley llevan su nombre en honor. Fue hijo de un herrero, que desde edad temprana demostró su compromiso por los estudios, donde se notaba la preferencia por las ramas científicas.

Por lo tanto en 1803 inicio la preparación superior en la Universidad de Erlangen donde se desempeñó rápidamente.

Tanto así que unos años después empezó a desenvolverse como maestro en Bamberg, lo que lo llevo en 1817 a ser nombrado profesor de Matemáticas y Física en el Instituto de Colonia.

Sus inicios en la física se vieron marcadas por su dedicación en los estudios de galvanoplastia, donde para el año de 1827 difundió, en un artículo llamado el circuito galvánico investigado matemáticamente, donde dio detalles de su ley, que lastimosamente obtuvo una aceptación muy fría, lo que lo encamino a renunciar a su cargo en el colegio jesuita.

Sin embargo a partir de 1833 participó activamente en su puesto en la Escuela Politécnica de Núremberg.

Esto fue un punto clave para su carrera pues luego de esto, su trabajo empezó a ser valorado por la comunidad científica. Por ende en 1845 recibe la medalla Copley de la Royal Society de Londres.

 Logros de Georg Simón Ohm

En 1849 se le adjudicó la cátedra de Física de Múnich, donde también se desempeñó como asesor de la administración de telégrafos.

Por otro lado, entre 1825 1826, Ohm realizo un trabajo acerca de las resistencias, los cuales en 1827 expuso los resultados en el libro Trabajos matemáticos sobre los circuitos eléctricos.

Tomando en cuenta los métodos utilizados en sus experimentos, se ha mencionado que al principio utilizaba pilas voltaicas y que luego implementó el uso de termopar debido a que este le resultaba más factible medir.

Algo importante de señalar es que al momento de aplicar un galvanómetro para medir la corriente en sus ensayos, se dio cuenta de que la tensión de las terminales del termopar era proporcional a su temperatura.

Al presentar esto, decidió agregar cables de prueba con diferentes tamaños, diámetro y material para completar el circuito.

De modo que los resultados arrojados le permitieron recrear a través de la siguiente ecuación:

 OhmFormula1

Cabe destacar que la x representa la lectura del galvanómetro, l el largo del conductor, a denominaba la temperatura del termopar, y b la constante de cada material.

Por tanto con esta inicial ecuación, Ohm planteó su ley de proporcionalidad y los publico.

Conceptos generales de Ohm

Antes de explicar los fundamentos de la ley de Ohm, es importante conceptualizar ciertas definiciones básicas para entender en su totalidad lo que quiso plantear Ohm.

Conductores

Se describe como una coordinación tridimensional de átomos o iones con una serie de electrones libres, llamados electrones de conducción.

Resistores

También llamados comúnmente como resistencias, son componentes que se emplean en los circuitos eléctricos para dominar la cantidad de corriente eléctrica en las diferentes partes del circuito.

Cabe agregar que existen dos tipos de resistores más usados son el resistor de composición o de carbono, y la resistencia de alambre en espiral.

Corriente eléctrica

Es un fenómeno que existe siempre que haya algún flujo de carga a través de un material, donde esta proporción de flujo depende mucho del tipo de material y de la diferencia de potencial.

Por ende se puede definir a la corriente eléctrica como la velocidad a la cual una carga pasa por una superficie determinada.

Este se representa en el sistema internacional, con la unidad de ampere (A) donde se basa que un ampere de corriente es equivalente a 1 C de carga que fluye por una superficie en un segundo.

Cabe mencionar que las cargas que pasan por la superficie pueden ser positivas, negativas o ambas.

En términos generales se le concede un sentido de corriente igual a la del flujo de carga positiva cuando esta es libre de trasladarse.

Sin embargo, en los casos donde se cuenta con la corriente de un conductor ordinario, la dirección de la corriente es opuesta al flujo de carga.

Así como también la corriente puede ser tanto negativa como positiva en los casos donde se implican gases y electrolitos.  La corriente eléctrica puede ser expresada de esta manera:

  • La corriente promedio ( ) se representa por la cantidad de carga ( Q) que pasa por una superficie en un tiempo determinado ( t):

OhmFormula2

En la situación donde la velocidad n0  cambia con el tiempo, la corriente también se altera,  por lo que se le definiría como una corriente instantánea que se mide por la diferencia de la carga y del tiempo:

OhmFormula3

Campo eléctrico

Es el medio donde se manifiestan las cargas y se basa según dos condiciones:

  • Cuando ocurre el caso de que tanto dentro como sobre la superficie del conductor el valor del campo eléctrico es cero, así como la diferencia de potencial. Lo que por ende significa que no hay una conducción neta de carga a través del cable, y da como producto que no haya corriente eléctrica.
  • Por otra parte, cuando los extremos del cable conductor se enlazan, por ejemplo, a una batería (crea un campo eléctrico dentro del cable) los trazos del circuito no están en el mismo potencial eléctrico, lo que también quiere decir que el campo eléctrico no es cero porque dentro del conductor actúa una fuerza sobre los electrones conductores.

Densidad de corriente

Se representa con la letra J y se define como la medida de corriente eléctrica que hay por unidad de área. Presentada como A/  en el sistema internacional.

Si la densidad de corriente es uniforme y la superficie de la sección transversal de área (A) es perpendicular a la dirección de las corrientes, se utiliza la siguiente ecuación:

OhmFormula4

Esta expresión determina que la densidad de corriente luce la misma dirección que el movimiento de las cargas positivas y una orientación distinta con respecto al movimiento de las cargas negativas.

Cabe destacar que en ciertos materiales, esta densidad de corriente es distributivo al campo eléctrico (E) y por ende los materiales que siguen esta orientación se les considera que también siguen la ley de Ohm (materiales óhmicos).

A continuación la expresión:OhmFormula5

Donde  es una constante de la conductividad del conductor

¿En qué consiste la ley de Ohm?

Esta ley manifiesta que la cantidad de corriente que fluye por un circuito, comprendido por resistencias puras, es directamente proporcional a la diferencia de potencial entre los extremos del conductor e inversamente proporcional a la resistencia que éste presenta.

Ohm resalto que a cierta temperatura dada hay una probabilidad directa entre la diferencia de potencial que se aplican a los extremos del conducto y la intensidad de corriente que fluye en él.

Fue publicada y demostrada por su creador en 1827.

Por tanto al ser presentada a la comunidad, se expresó mediante la siguiente ecuación:

OhmFormula6

Donde l representa la intensidad de corriente medida en amperios (A), R significa la resistencia eléctrica en unidades ohmios (Ω) y V es manifestada como la diferencia de potencial, fuerza motriz o tensión eléctrica en voltios.

Dicha ley puede ser aplicada tanto a un circuito eléctrico continuo como a un circuito de corriente alterna, en realidad puede ser utilizada para cualquiera.

Incluso se ha establecido que los materiales que obedecen la ley de Ohm  (y que también demuestran la relación entre E Y J) se les llame materiales óhmicos o conductores lineales.

Sin embargo, la ley se ha sometido a muchas pruebas que demuestran que no representa el carácter general y al total de la materia pues no todos los materiales tienen esta propiedad.

En este caso, cuando no se rigen por esta ley se le llama como materiales no óhmicos o conductores no lineales.  Por ende, no se puede ver como una ley fundamental en la naturaleza sino más bien como una condición experimental que es certera para algunos tipos de materiales.

OhmImagen

Componentes de la ley de Ohm

Resistencia

Es la capacidad que tiene un objeto o una sustancia que le permite oponerse cuando pasa una corriente eléctrica.

Esta propiedad en un conductor depende de la longitud del mismo (l) de la sección en la que se encuentre (s) del tipo de material que se use y la temperatura que presente.

Según la ley de Ohm, la resistencia permite establecer el valor de cuenta corriente pasa por el circuito cuando se le coloca una determinada carga de voltios.

Como se mencionó con anterioridad, la unidad de esta propiedad es representada por ohmio con la letra griega omega () como símbolo, y es descrita como la resistencia presente en el recorrido de una corriente de un amperio cuando se le agrega un voltio de tensión.

Esta resistencia se puede determinar por la siguiente ecuación:OhmFormula7Donde ρ tiene el significado de resistividad ( ) que es estudiado como una característica particular que se le confiere a cada material.

A continuación se adjudica una tabla con valores de resistividad de los materiales más comunes en los circuitos.

Material Resistividad (Ω·m)
Plata 1,55 x
Cobre 1,70 x
Oro 2,22 x

Diferencia de potencial

Esta tensión eléctrica se conoce como el trabajo que se debe asigna para llevar una carga positiva de un punto del circuito a otro en el interior de un campo eléctrico.

Por ende seria manifestado como una diferencia de potencias entre los dos puntos.

Esta diferencia de potencial se puede mantenerse persistente gracias a un generador de corriente eléctrica, lo que da la posibilidad de que la corriente eléctrica se quede entre los extremos de un conductor.

Pero de debe tomar en cuenta, que existen diferentes conductores, en cada diferencia de potencial,  que se difieren por el grado de intensidad en una determinada corriente.

En la ley de Ohm se manifiesta una relación de proporcionalidad que abarca esta diferencia, conjunto a los extremos del conductor y la intensidad que circula por él.

Esta constante se le confiere el nombre de resistencia del conductor, la cual depende de su naturaleza, de las condiciones físicas que tenga, la temperatura, las dimensiones.

Cabe destacar que la diferencia de potencial se puede medir por medio de un voltímetro.

Intensidad de corriente

Figurada como una magnitud del sistema internacional de unidades, donde se le puntualiza como la carga que fluye por el circuito en una determinada unidad de tiempo, en una sección específica del conductor.

En el caso de que la corriente sea continua, la intensidad será igual en todos las partes del circuito, pero si por el contrario, la corriente se encuentra variable (corriente alterna) la intensidad va a variar de acuerdo a la posición y el tiempo en el que se encuentre.

La expresión de esta propiedad se manifiesta de la siguiente manera:

Donde la carga se simboliza con la letra q y con la unidad Culombios, mientras que la unidad de tiempo se valora en segundos y la sección con el símbolo L y medida en amperios.

Si la corriente es continua, la intensidad es la misma en cualquier momento y en todos los puntos del circuito (supuesto sin derivaciones).

A la corriente variar, como en la corriente alterna o en una oscilación eléctrica, la intensidad cambia paralelamente con el tiempo y la posición.

En la situación de que se quiera medir la intensidad de la corriente se puede hacer a través de un amperímetro.

Medidores eléctricos Ohm

Para calcular magnitudes eléctricas como la carga, energía, corriente y  otras propiedades eléctricas básicas en los circuitos, existen instrumentos que permiten indicar en valores y en unidades eléctricas estándares como ohmios, voltios, amperios, culombios, entre otros.

Y por ende al tener un elemento una o más características eléctricas se puede tomar la medida de cualquiera de las fuentes que se manifiesten en estos medidores.

Entre los más destacados están el amperímetro y el voltímetro, que se originaron del famoso instrumento llamado galvanómetro que Ohm en algún momento uso en sus experimentos.

Este antiguo artefacto se localiza un imán que desarrolla un campo magnético que provoca una fuerza posible de cuantificar en el momento que fluye la  corriente por una bobina cercana.

Por otro lado, el amperímetro trabaja esquivando las corrientes por una bobina para medir la intensidad de la corriente.

Mientras que el voltímetro se instala de manera paralela para establecer las diferencias de potencial, sin embargo, la resistencia aquí debe ser muy alta para que la corriente sea mínima.

Cabe destacar que esto no sucede en el amperímetro.

Materiales Óhmicos y no óhmicos

Entre las características que determinan que un material sea óhmico o no se encuentran:

  • En los óhmicos la resistencia siempre esta constante a lo largo de una gran variedad de diferencias de potencial.
  • Además de que la relación que se manifiesta entre la corriente eléctrica (I) y la diferencia de potencial es lineal. Por lo tanto al momento de graficarla, la pendiente de I=  es inversa a la resistencia.
  • En los materiales no óhmicos, por su parte, tiene una resistencia que cambia cuando también se modifica la diferencia de potencial o la corriente eléctrica.
  • Por lo tanto la relación entre la corriente eléctrica y la diferencia de potencial no se encuentra dispuesta de manera lineal.

Tipos de conexiones

Serie

Adjudica que sucede esto cuando, entre dos o más resistencia, se aplica en conjunto una diferencia de potencial que genera que todas transiten por la misma corriente.

De modo que la resistencia total (RT) del circuito es igual a la suma de todas las resistencias presentes.

OhmFormula

Ohmimagen

Paralelo

Sucede cuando dos o más resistencias se posicionan de manera paralela cuando hay dos terminales comunes, por lo tanto al agregar una diferencia de potencial, todas las resistencias tienen la misma caída de tensión.

OhmFormula

OhmImagen



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