Georg Ohm descubrió que, a una temperatura constante, la corriente eléctrica que fluye a través de una resistencia lineal fija es directamente proporcional a la tensión aplicada a través de ella, y también inversamente proporcional a la resistencia. Esta relación entre la Tensión, la Corriente y la Resistencia constituye la base de la Ley de Ohms y se muestra a continuación.
Relación de la Ley de Ohms
Conociendo dos valores cualesquiera de las magnitudes Tensión, Corriente o Resistencia podemos utilizar la Ley de Ohms para encontrar el tercer valor que falta. La Ley de Ohms se utiliza mucho en fórmulas y cálculos de electrónica por lo que es «muy importante entender y recordar con precisión estas fórmulas».
Para encontrar la Tensión, ( V )
V (voltios) = I (amperios) x R (Ω)
Para encontrar la Corriente, ( I )
I (amperios) = V (voltios) ÷ R (Ω)
Para encontrar la Resistencia, ( R )
R (Ω) = V (voltios) ÷ I (amperios)
A veces es más fácil recordar esta relación de la ley de Ohms utilizando imágenes. Aquí las tres cantidades de V, I y R se han superpuesto en un triángulo (cariñosamente llamado el triángulo de la ley de Ohms) dando el voltaje en la parte superior con la corriente y la resistencia debajo. Esta disposición representa la posición real de cada magnitud dentro de las fórmulas de la ley de Ohms.
Triángulo de la Ley de Ohms
Transponiendo la ecuación estándar de la Ley de Ohms anterior nos dará las siguientes combinaciones de la misma ecuación:
Entonces utilizando la Ley de Ohms podemos ver que un voltaje de 1V aplicado a una resistencia de 1Ω hará que fluya una corriente de 1A y cuanto mayor sea el valor de la resistencia, menor será la corriente que fluya para un determinado voltaje aplicado. Cualquier dispositivo o componente eléctrico que obedezca la «Ley de Ohms», es decir, la corriente que fluye a través de él es proporcional a la tensión que lo atraviesa ( I α V ), como las resistencias o los cables, se dice que son de naturaleza «óhmica», y los dispositivos que no lo hacen, como los transistores o los diodos, se dice que son dispositivos «no óhmicos».
Potencia eléctrica en los circuitos
La potencia eléctrica, ( P ) en un circuito es la velocidad a la que se absorbe o produce energía dentro de un circuito. Una fuente de energía, como un voltaje, producirá o entregará energía mientras la carga conectada la absorbe. Las bombillas y los calefactores, por ejemplo, absorben energía eléctrica y la convierten en calor, luz o ambos. Cuanto más alto sea su valor o clasificación en vatios, mayor será la potencia eléctrica que consuman.
El símbolo de cantidad para la potencia es P y es el producto del voltaje multiplicado por la corriente, siendo la unidad de medida el vatio ( W ). Se utilizan prefijos para denotar los distintos múltiplos o submúltiplos de un vatio, como por ejemplo: milivatios (mW = 10-3W) o kilovatios (kW = 103W).
Entonces, utilizando la ley de Ohm y sustituyendo los valores de V, I y R se puede encontrar la fórmula de la potencia eléctrica como:
Para encontrar la Potencia (P)
P (vatios) = V (voltios) x I (amperios)
También:
P (vatios) = V2 (voltios) ÷ R (Ω)
También:
P (vatios) = I2 (amperios) x R (Ω)
De nuevo, las tres cantidades se han superpuesto en un triángulo esta vez llamado Triángulo de Potencia con la potencia en la parte superior y la corriente y la tensión en la parte inferior. De nuevo, esta disposición representa la posición real de cada magnitud dentro de las fórmulas de potencia de la ley de Ohms.
El triángulo de potencia
Así que podemos ver que hay tres fórmulas posibles para calcular la potencia eléctrica en un circuito. Si la potencia calculada es positiva, (+P) en valor para cualquier fórmula el componente absorbe la potencia, es decir está consumiendo o utilizando potencia. Pero si la potencia calculada es negativa, (-P) en valor, el componente produce o genera energía, es decir, es una fuente de energía eléctrica como las baterías y los generadores.
Calificación de la potencia eléctrica
Los componentes eléctricos reciben una «calificación de potencia» en vatios que indica la tasa máxima a la que el componente convierte la potencia eléctrica en otras formas de energía como calor, luz o movimiento. Por ejemplo, una resistencia de 1/4W, una bombilla de 100W, etc.
Los dispositivos eléctricos convierten una forma de energía en otra. Así, por ejemplo, un motor eléctrico convertirá la energía eléctrica en una fuerza mecánica, mientras que un generador eléctrico convierte la fuerza mecánica en energía eléctrica. Una bombilla convierte la energía eléctrica en luz y calor.
Además, ahora sabemos que la unidad de potencia es el WATT, pero algunos dispositivos eléctricos como los motores eléctricos tienen una potencia en la antigua medida de «Caballos de fuerza» o CV. La relación entre caballos de fuerza y vatios se da como: 1hp = 746W. Así que, por ejemplo, un motor de dos caballos tiene una potencia de 1492W, (2 x 746) o 1,5kW.
Gráfico circular de la Ley de Ohm
Para ayudarnos a entender la relación entre los distintos valores un poco más, podemos tomar todas las ecuaciones de la Ley de Ohm de arriba para encontrar la Tensión, la Corriente, la Resistencia y, por supuesto, la Potencia y condensarlas en un simple gráfico circular de la Ley de Ohm para su uso en los circuitos y cálculos de CA y CC como se muestra.
Gráfico circular de la Ley de Ohm
Además de utilizar el gráfico circular de la Ley de Ohm mostrado arriba, también podemos poner las ecuaciones individuales de la Ley de Ohm en una simple tabla matricial como la mostrada para facilitar la referencia cuando se calcula un valor desconocido.
Tabla matricial de la ley de Ohm
Ejemplo de la ley de Ohm nº1
Para el circuito que se muestra a continuación encuentra la Tensión (V), la Corriente (I), la Resistencia (R) y la Potencia (P).
Tensión = 2 x 12Ω = 24V
Corriente = 24 ÷ 12Ω = 2A
Resistencia = 24 ÷ 2 = 12 Ω
Potencia = 24 x 2 = 48W
La potencia dentro de un circuito eléctrico sólo está presente cuando AMBAS tensiones y corrientes están presentes. Por ejemplo, en una condición de circuito abierto, la tensión está presente pero no hay flujo de corriente I = 0 (cero), por lo tanto V*0 es 0 por lo que la potencia disipada dentro del circuito también debe ser 0. Del mismo modo, si tenemos una condición de cortocircuito, el flujo de corriente está presente pero no hay tensión V = 0, por lo tanto 0*I = 0 por lo que de nuevo la potencia disipada dentro del circuito es 0.
Como la potencia eléctrica es el producto de V*I, la potencia disipada en un circuito es la misma si el circuito contiene alta tensión y baja corriente o baja tensión y alto flujo de corriente. Generalmente, la potencia eléctrica se disipa en forma de Calor (calentadores), Trabajo Mecánico como los motores, Energía en forma de radiada (Lámparas) o como energía almacenada (Baterías).
Energía Eléctrica en los Circuitos
La Energía Eléctrica es la capacidad de realizar trabajo, y la unidad de trabajo o energía es el joule ( J ). La energía eléctrica es el producto de la potencia multiplicada por el tiempo de consumo. Por lo tanto, si sabemos cuánta potencia, en vatios, se consume y el tiempo, en segundos, durante el que se utiliza, podemos hallar la energía total utilizada en vatios-segundos. En otras palabras, Energía = potencia x tiempo y Potencia = tensión x corriente. Por lo tanto, la potencia eléctrica está relacionada con la energía y la unidad dada para la energía eléctrica es el vatio-segundo o julio.
La potencia eléctrica también se puede definir como la tasa de por la que se transfiere la energía. Si un julio de trabajo es absorbido o entregado a un ritmo constante de un segundo, entonces la potencia correspondiente será equivalente a un vatio por lo que la potencia se puede definir como «1Julio/seg = 1Vatio». Entonces podemos decir que un vatio es igual a un julio por segundo y la potencia eléctrica puede definirse como la tasa de realización de trabajo o la transferencia de energía.
Triángulo de la potencia y la energía eléctrica
o para encontrar las distintas cantidades individuales:
Hemos dicho anteriormente que la energía eléctrica se define como vatios por segundo o julios. Aunque la energía eléctrica se mide en julios puede llegar a ser un valor muy grande cuando se utiliza para calcular la energía consumida por un componente.
Por ejemplo, si una bombilla de 100 vatios se deja «encendida» durante 24 horas, la energía consumida será de 8.640.000 julios (100W x 86.400 segundos), por lo que en su lugar se utilizan prefijos como kilojulios (kJ = 103J) o megajulios (MJ = 106J) y en este sencillo ejemplo, la energía consumida será de 8,64MJ (megajulios).
Pero al tratar con julios, kilojulios o megajulios para expresar la energía eléctrica, las matemáticas implicadas pueden terminar con algunos números grandes y muchos ceros, por lo que es mucho más fácil expresar la energía eléctrica consumida en Kilovatios-hora.
Si la energía eléctrica consumida (o generada) se mide en vatios o kilovatios (miles de vatios) y el tiempo se mide en horas, no en segundos, entonces la unidad de energía eléctrica será el kilovatio-hora,(kWhr). Entonces nuestra bombilla de 100 vatios de arriba consumirá 2.400 vatios-hora o 2,4kWhr, que es mucho más fácil de entender que los 8.640.000 julios.
1 kWhr es la cantidad de electricidad utilizada por un dispositivo de 1000 vatios en una hora y se llama comúnmente «Unidad de Electricidad». Esto es lo que mide el contador de la compañía eléctrica y es lo que nosotros, como consumidores, compramos a nuestros proveedores de electricidad cuando recibimos nuestras facturas.
Los kilovatios-hora son las unidades estándar de energía que utiliza el contador de electricidad de nuestros hogares para calcular la cantidad de energía eléctrica que utilizamos y, por tanto, cuánto pagamos. Así, si enciende un fuego eléctrico con una resistencia de 1.000 vatios y lo deja encendido durante una hora, habrá consumido 1 kWh de electricidad. Si se encienden dos fuegos eléctricos, cada uno con elementos de 1000 vatios, durante media hora, el consumo total será exactamente la misma cantidad de electricidad: 1kWhr.
Así, consumir 1000 vatios durante una hora utiliza la misma cantidad de energía que 2000 vatios (el doble) durante media hora (la mitad del tiempo). Entonces para que una bombilla de 100 vatios consuma 1 kWhr o una unidad de energía eléctrica tendría que estar encendida un total de 10 horas (10 x 100 = 1000 = 1kWhr).
Ahora que sabemos cuál es la relación entre la tensión, la corriente y la resistencia en un circuito, en el siguiente tutorial relacionado con los Circuitos de CC, veremos las Unidades Eléctricas Estándar utilizadas en la ingeniería eléctrica y electrónica para poder calcular estos valores y ver que cada valor puede ser representado por múltiplos o submúltiplos de la unidad estándar.
