Al estudiar los circuitos eléctricos se suele utilizar la ley de Ohm, que es una relación entre tres magnitudes físicas que capturan las características principales de un circuito. Otra herramienta importante para describir circuitos y los materiales que los forman son sus curvas de corriente-voltaje; necesitamos estudiar las curvas y el comportamiento de los distintos dispositivos para comprender cómo se comportan y emplean la corriente/intensidad y el voltaje.
Corriente eléctrica
Al flujo de electrones a través de un conductor se le conoce como corriente eléctrica.
Se define a la corriente eléctrica como la razón del flujo de electrones que se mueven a través de un medio conductor.
La corriente se mide en coulombs por segundo y la unidad de medida definida por el Sistema Internacional de Unidades el Ampère (A). Existen dos tipos de corrientes: la alterna y la directa.
- Se define corriente alterna al flujo de electrones que cambia continuamente su dirección.
- La corriente directa es aquella en la que el flujo de los electrones se mantiene en la misma dirección.
Generadores de corriente
Para producir corriente y utilizarla en nuestra casa, oficina o escuela necesitamos un generador de corriente. Este dispositivo convierte energía mecánica en energía eléctrica lista para usar. El generador utiliza la energía mecánica para mover a los electrones a través de un material conductor y así crear un flujo de corriente.
Existen diferentes tipos de generadores y se clasifican según el tipo que de corriente que producen: alterna o directa. El funcionamiento de estos dispositivos está basado en los experimentos de Michael Faraday, en los que descubrió que el voltaje inducido en un circuito es directamente proporcional al cambio del flujo magnético generado en un material conductor.
Diferencia entre voltaje y corriente
El voltaje es una magnitud física que nos sirve para describir la cantidad necesaria de trabajo para mover electrones a través de un conductor. Por otro lado, la corriente es el flujo de electrones que obtenemos después de aplicar dicha energía. En otras palabras, la corriente es el efecto y la causa es el voltaje. Sin voltaje no hay flujo de electrones, por lo tanto, no hay corriente.
La tensión eléctrica o voltaje se define como la cantidad de trabajo por unidad de carga para mover a un electrón entre dos puntos.
Se puede entender el voltaje como una característica para comunicar energía en un circuito; a mayor diferencia de voltaje, mayor tendencia para conducir la corriente. El Sistema Internacional de Unidades define el Voltio (V) como unidad de medida del voltaje y recibe su nombre en honor a Alessandro Volta, quien fue el inventor de la primera batería química en el siglo XVII.
Tipos de voltaje
El voltaje puede clasificarse de la siguiente manera:
La diferencia entre ambos recae en la polaridad de la corriente. El voltaje DC siempre tiene la misma polaridad, esto significa que la corriente se mueve en una dirección. El voltaje AC alterna la polaridad entre positiva o negativa, lo que implica que la corriente cambia su dirección continuamente.
¿Qué es la ley de Ohm?
Ahora que conocemos la diferencia entre voltaje y corriente, podemos estudiar la ley de Ohm.
Para un conductor a temperatura constante, la corriente eléctrica que lo atraviesa es proporcional al voltaje a través de él, puesto que las condiciones físicas externas y la resistencia permanecen constantes.
En lenguaje matemático:
Esta ecuación recoge la relación lineal existente entre el voltaje y la corriente eléctrica. V es el voltaje (medida en voltios, V), I es la corriente eléctrica (medida en amperios, A) y R es la resistencia eléctrica (medida en ohmios, Ω).
Lo primero que debemos definir es qué es la resistencia.
En resumen, la resistencia es el efecto colectivo de un medio que obstruye el movimiento de las cargas (corriente) en su interior. La resistencia depende de muchos factores, como el tipo de material utilizado y la temperatura del mismo.
Establecer un voltaje (también llamado diferencia de potencial o ΔV) es relativamente sencillo en la práctica, esto se consigue gracias a dispositivos como pilas o baterías. Según la ley de Ohm, podemos generar una determinada corriente eléctrica para una diferencia de voltaje dada, modificando la resistencia del conductor que lleva la corriente. La corriente eléctrica aparecerá cuando establezcamos una diferencia de voltaje entre los dos extremos de un conductor.
Dado que podemos modificar la corriente eléctrica cambiando la resistencia, es necesario estudiar cómo afecta esta resistencia al flujo de la corriente. Por tanto, es útil estudiar el comportamiento de la resistencia de distintos materiales y elementos en un circuito; así se hace viable diseñar, construir y analizar dispositivos que satisfagan distintos fines en el circuito.
La ley de Ohm establece que la relación entre el voltaje de un circuito y la corriente que circula por él es lineal y, normalmente, constante. Esta es una simple aproximación al comportamiento de la mayoría de los materiales.
Materiales no óhmicos
En general, la resistencia no es una constante que se obtiene dividiendo el voltaje por la corriente eléctrica. La resistencia es, en realidad, una función arbitraria R(V, I) que depende del voltaje y de la corriente. La ley de Ohm es la aproximación lineal para una pequeña región de esta relación. En los materiales no óhmicos, la resistencia no sigue la aproximación lineal de la ley de Ohm.
Si tenemos la relación entre la corriente I y el voltaje V(I), podemos calcular la resistencia de la siguiente manera:
Si la relación entre el voltaje y la corriente es de proporcionalidad lineal, es decir, V=k·I, la derivada muestra que la constante de proporcionalidad es la resistencia.
Para otros tipos de dependencia, encontramos otras funciones. El gráfico siguiente muestra por qué la ley de Ohm es aproximadamente válida en un pequeño rango de valores de la corriente y el voltaje.
Fig. 1: Aproximación lineal.
Para una función general (azul) que no es una línea recta, siempre podemos limitarnos a un rango muy pequeño en el que la relación pueda aproximarse mediante una línea recta. Cuanto menor sea el rango, mejor será la aproximación.
Si la función anterior representa la relación entre el voltaje y la corriente eléctrica, vemos que para un rango pequeño dentro de la región delineada por \(a\), el voltaje y la corriente no varían mucho y la función se puede aproximar por la línea verde. Entonces, podemos utilizar la ley de Ohm para determinar la resistencia, sin necesidad de usar otras herramientas para calcularla.
Curvas características corriente-voltaje
Las curvas características corriente-voltaje son las curvas que especifican la relación entre la corriente eléctrica y el voltaje de un dispositivo.
Estudiemos varios ejemplos de estas curvas en distintos aparatos y averigüemos qué conclusiones podemos sacar de ellas:
Curvas características corriente-voltaje de una resistencia óhmica
Las características corriente-voltaje de las resistencias óhmicas son:
- La gráfica corriente-voltaje de una resistencia óhmica es una línea recta.
- La curva pasa por el origen, lo que significa que para un voltaje nulo tenemos una corriente nula.
- La corriente (I) es directamente proporcional al voltaje (V). La constante de proporcionalidad es el valor de la resistencia de material (R).
La gráfica corriente-voltaje de una resistencia óhmica es una línea recta.
Fig. 2: Curva característica corriente-voltaje.
Curvas características corriente-voltaje de un filamento
Los filamentos son un tipo de dispositivo eléctrico, llamado termistor, que es un material cuya resistencia depende de su temperatura. Los filamentos son materiales empleados en lámparas que se componen de metales que brillan cuando pasa por ellos una determinada cantidad de corriente; por lo general, suelen ser hechos de tungsteno.
Como la resistencia es sensible al calor y una corriente calienta el material cuando fluye a través de él, la resistencia cambiará. Este efecto se observa en las curvas características corriente-voltaje de los filamentos. Técnicamente, todos los materiales se comportan así, pero algunos lo hacen en escalas muy pequeñas.
Las curvas características corriente-voltaje de una lámpara de filamento son:
- El gráfico intensidad-voltaje muestra que la intensidad aumenta a un ritmo menor que el voltaje, después de cierto valor.
- En los rangos en los que el voltaje no es demasiado alto, la corriente no es muy intensa y la temperatura no es muy alta. Esto significa que la resistencia es baja en este régimen y la corriente puede fluir fácilmente.
- En los rangos en los que el voltaje es alto (positiva o negativamente), la corriente generada es muy fuerte y la temperatura aumenta rápidamente. Al aumentar la temperatura, aumenta la resistencia y disminuye el flujo de la corriente. Para un voltaje suficientemente alto, se alcanza una corriente máxima y la pendiente de la curva disminuye.
En el caso de las lámparas de filamento, el gráfico corriente-voltaje muestra que la corriente aumenta a un ritmo menor que el voltaje.
Fig. 3: Curva característica corriente-voltaje de un termistor.
Curvas características corriente-voltaje de un diodo
Un diodo es un semiconductor que permite que la corriente fluya en una dirección determinada, pero no en la contraria. Funciona como un conductor o una muy buena resistencia, según el sentido de la corriente.
Las características corriente-voltaje de los diodos son:
- Cuando la corriente fluye en la dirección que funciona como conductor (voltaje positivo), se produce un fuerte aumento de la corriente, a partir de determinados valores de voltaje, y la resistencia disminuye bruscamente; lo hace para un determinado valor que define cuándo el diodo empieza a conducir la electricidad.
- Cuando la corriente intenta fluir en la dirección que se comporta como una resistencia (voltaje negativo), no fluye corriente (o fluye muy débilmente). La resistencia en este caso se aproxima al infinito.
Los diodos pueden funcionar como un conductor o como una resistencia muy buena, dependiendo de la dirección de la corriente.
Fig. 4: Curva característica corriente-voltaje de un diodo.
Curvas características corriente-voltaje de una célula solar fotovoltaica
Una célula solar fotovoltaica es un dispositivo que convierte la luz en energía eléctrica. Su funcionamiento se basa en el efecto fotoeléctrico: la liberación de electrones por parte de un material cuando recibe el impacto de radiación electromagnética de un determinado rango de frecuencia. Cuanto mayor sea la frecuencia de la luz, más intensa será la corriente eléctrica inducida.
Las curvas características corriente-voltaje de las células solares fotovoltaicas son un poco diferentes a las anteriores porque, en este caso, tenemos control sobre la corriente generada y nuestro objetivo es producir un voltaje.
- En la región de voltaje positivo, la corriente puede crecer arbitrariamente y aparece un voltaje constante. En esta región no podemos utilizarla eficazmente; esta es la región en la que el material no recibe luz.
- A medida que la cantidad de luz incidente comienza a crecer, la corriente se vuelve cada vez más negativa, y aparece un voltaje negativo que puede crecer arbitrariamente, en función de las características de la luz y del material.
Fig. 5: Curva característica corriente-voltaje de una célula fotovoltaica.
Propiedades del voltaje y la corriente - Puntos clave
La ley de Ohm establece que la relación entre el voltaje de un circuito y la corriente que circula por él es lineal y, normalmente, constante. Esta es una aproximación al comportamiento de la mayoría de los materiales.
La relación entre el voltaje y la corriente no es lineal: está determinada por la resistencia, que mide la obstrucción de un medio al flujo de la corriente.
Es útil estudiar las curvas de corriente-voltaje, o curvas características corriente-voltaje, de diferentes dispositivos y materiales para entender cómo funcionan.
Los diodos, los filamentos y las células fotovoltaicas son buenos ejemplos de dispositivos no óhmicos que sirven para diferentes fines.
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