Lección
La teoría — Calculadora de la Ley de Ohm
Dos afirmaciones distintas se ocultan dentro de V = IR. La resistencia se define como el cociente V/I, y ese cociente se puede medir para cualquier componente en cualquier punto de funcionamiento — un diodo, una lámpara, un trozo de cuerda mojada —. La ley de Ohm es la afirmación adicional e independiente de que, para algunos materiales, ese cociente no cambia al variar la tensión. Eso es lo que convierte la gráfica en una línea recta que pasa por el origen, y es la razón por la que un solo número puede representar a todo el componente.
Qué significa cada símbolo
V- voltaje, en voltios — energía por unidad de carga. Un voltio entrega un julio a cada culombio que pasa. Esa unidad demuestra su utilidad más abajo: julios por culombio multiplicados por culombios por segundo dan julios por segundo, de modo que
VeIse multiplican para dar vatios sin añadir nueva física. I- corriente, en amperios — carga por segundo, un culombio cada segundo. A lo largo de un solo bucle es la misma en cada punto, incluidos ambos lados del resistor. Un resistor no consume corriente; consume energía.
R- resistencia, en ohmios — un ohmio es un voltio por amperio. Si se reduce, nada frena la corriente: a
0.001 Ωel instrumento muestra12000 Acon 12 V aplicados. Exactamente a0muestra—en lugar de un número, lo cual es la respuesta honesta a una pregunta sin respuesta finita.
De dónde viene la fórmula
- Comienza a partir de las unidades en lugar de una fórmula.
Vson julios por culombio eIson culombios por segundo, de modo queV × Ison julios por segundo — vatios. La potencia que un resistor convierte en calor no es una ley adicional que memorizar; es lo que dan esas dos unidades al multiplicarse. - Ahora sustituye la ley. Al introducir
V = IRenP = VIse obtieneP = (IR)I = I²R. Para una resistencia fija, el calor sigue el cuadrado de la corriente, por lo que duplicar la corriente cuadruplica la disipación. - En su lugar, sustituye a la inversa.
I = V/RenP = VIdaP = V(V/R) = V²/R. Tres expresiones, una sola magnitud — usa la que relacione las dos cosas que ya conoces. - Selecciona el ajuste preestablecido de cortocircuito: 12 V a través de
0.1 Ω, y la lectura mostrará120 A. LuegoP = I²R = 120² × 0.1 = 1440 W. Eso es un kilovatio y medio dentro de un trozo de cable, y es la razón por la que la nota adjunta a ese ajuste advierte que la corriente puede sobrecalentar los cables. La potencia en vatios que justifica esta advertencia no se muestra en ningún lugar de la página.
Cómo leer lo que ves
Lee el panel hacia abajo y verás cómo cambian las unidades bajo tus pies. La lectura grande está en amperios — circuito LED muestra 0.015 A —, mientras que la frase situada directamente debajo pasa a miliamperios y dice 15 mA. El mismo número dos veces, en dos unidades, en una sola pantalla. El resto es un cálculo detallado que puedes comprobar en lugar de dar por sentado: la fórmula muestra la relación despejada para la magnitud que hayas solicitado, I = V ÷ R o R = V ÷ I, y sustituir los valores repite esa línea con tus propios valores en su lugar.
- Supone
- Un solo elemento óhmico, a temperatura constante, en corriente continua y con toda la tensión de la fuente entre sus extremos. Nada más en el bucle: sin resistencia interna en la batería, sin un segundo componente y sin ninguna señal que varíe con el tiempo. Las tres casillas describen un único resistor en lugar de un circuito, y en un banco de trabajo real esa es la suposición que con mayor probabilidad resultará falsa.
- Falla cuando
- La trampa es el primer ajuste preestablecido de este instrumento. Circuito LED carga 3,3 V y
220 Ωy devuelve 15 mA, lo cual es exactamente correcto para un resistor con 3,3 V entre sus extremos — pero un LED no es óhmico. Mantiene una caída de tensión directa aproximadamente fija, cercana a 2 V en el caso de uno rojo, casi con independencia de la corriente que lo atraviese, por lo que en un circuito real el LED toma primero sus 2 V y al resistor le quedan 1,3 V. Si escribes1.3en la casilla de voltaje, el instrumento devuelve0.005909 A— menos de 6 mA, menos de la mitad de la respuesta del ajuste preestablecido. La ley de Ohm no falló aquí; se aplicó a la fuente en lugar de aplicarse al resistor.
Problema resuelto al detalle
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Un LED rojo en una fuente de 5 V con una resistencia de 220 Ω 5 pasos
Un LED rojo en una fuente de alimentación de 5 V, con la clásica resistencia de 220 Ω. Calcule la corriente y determine después adónde va la potencia, ya que la mayor parte no llega al LED.
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La ley de Ohm proporciona la corriente directamente a partir de la tensión en la resistencia y su valor de resistencia.
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Pero esos 3,3 V no son los de la alimentación. Un LED mantiene una tensión directa aproximadamente fija (unos 1,7 V en el caso de uno rojo) y la resistencia recibe lo que queda de los 5 V. Esa resta es la razón por la que 220 Ω se convirtió en el valor predeterminado en todos los kits para principiantes.
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La disipación de potencia de la resistencia se deduce de la corriente que circula por ella. A 0,05 W, una resistencia de un cuarto de vatio trabaja a una quinta parte de su potencia nominal y ni siquiera se calentará.
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La parte correspondiente al LED es su tensión directa multiplicada por esa misma corriente, dado que ambos están en serie y conducen la misma corriente por definición. El total es la tensión de alimentación multiplicada por esa corriente, y las dos partes se suman hasta alcanzarlo exactamente.
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De este modo, una tercera parte de la potencia llega al LED y dos terceras partes se convierten en calor en la resistencia.
Respuesta
La herramienta muestra 0,015 A. La eficiencia del paso 5 no es una coincidencia que deba calcularse: es la relación de tensiones 1,7/5,0 leída como fracción, ya que ambos componentes conducen la misma corriente y la potencia es tensión por corriente. Por tanto, una resistencia en serie es un divisor cuya pérdida queda fijada por la tensión de alimentación elegida, y ningún valor de resistencia puede mejorarla. Ese es todo el argumento a favor de los reguladores de conmutación en iluminación: cambian la corriente sin interponerse en su camino, y una linterna que consumiera dos terceras partes de su batería en una resistencia sería una mala linterna.
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Ruta de aprendizaje
Resistencia, luego reactancia
Referencias (3)
- The lesson's failure case — an LED holds a roughly fixed forward drop, so the resistor sees the supply voltage minus that drop: P. Horowitz & W. Hill, The Art of Electronics, 3rd ed. Cambridge University Press, 2015. ISBN 978-0-521-80926-9.
- The three forms of resistive power, P = VI = I²R = V²/R, as set out in a standard circuits text: J. W. Nilsson & S. A. Riedel, Electric Circuits, 10th ed. Pearson/Prentice Hall, 2015. ISBN 978-0-13-376003-3.
- Insight block 3 — the analogy Ohm built the law on: G. S. Ohm, Die galvanische Kette, mathematisch bearbeitet. Riemann, Berlin, 1827 — modelled directly on Fourier's Théorie analytique de la chaleur (1822).