Ley de Ohm: Cómo funciona (Fórmula y Triángulo de la Ley de Ohm)

Electrical4u

Campo: Electricidad Básica

China

¿Qué es la ley de Ohm?

La ley de Ohm establece que la corriente eléctrica que fluye a través de cualquier conductor es directamente proporcional a la diferencia de potencial (voltaje) entre sus extremos, suponiendo que las condiciones físicas del conductor no cambian.

En otras palabras, la relación entre la diferencia de potencial entre dos puntos de un conductor y la corriente que fluye entre ellos es constante, siempre que las condiciones físicas (por ejemplo, la temperatura, etc.) no cambien.

Matemáticamente, la ley de Ohm se puede expresar como,

$\begin{align*} I \propto V \end{align*}$

Introduciendo la constante de proporcionalidad, la resistencia R en la ecuación anterior, obtenemos,

$\begin{align*} I = \frac{V}{R} \,\, or \,\, V = I * R \end{align*}$

Donde,

R es la resistencia del conductor en Ohm ( $\Omega$ ),
I es la corriente a través del conductor en Amperios (A),
V es el voltaje o diferencia de potencial medida a través del conductor en Voltios (V).

La ley de Ohm es aplicable tanto a CC como a CA.

La relación entre la diferencia de potencial o voltaje (V), la corriente (I) y la resistencia (R) en un circuito eléctrico fue descubierta por primera vez por el físico alemán George Simon Ohm.

La unidad de resistencia es Ohm ( $\Omega$ ) fue nombrada en honor a George Simon Ohm.

¿Cómo funciona la ley de Ohm?

Según la definición de la ley de Ohm, la corriente que fluye a través de un conductor o resistencia entre dos puntos es directamente proporcional a la diferencia de voltaje (o diferencia de potencial) a través del conductor o resistencia.

Pero... eso puede ser un poco difícil de entender.

Así que obtengamos una mejor intuición de la ley de Ohm utilizando algunas analogías.

Analogía 1

Considere un tanque de agua colocado a cierta altura sobre el suelo. Hay una manguera en la parte inferior del tanque de agua, como se muestra en la imagen a continuación.

Analogy 1.png

La presión del agua en pascals al final de la manguera es análoga a la tensión o diferencia de potencial en un circuito eléctrico.
El caudal de agua en litros por segundo es análogo a la corriente eléctrica en coulombs por segundo en un circuito eléctrico.
Los restrictores al flujo de agua, como las aberturas colocadas en tuberías entre dos puntos, son análogos a los resistores en un circuito eléctrico.

Así, el caudal de agua a través de un restrictor de apertura es proporcional a la diferencia de presión de agua a través del restrictor.

De manera similar, en un circuito eléctrico, la corriente que fluye a través de un conductor o resistor entre dos puntos es directamente proporcional a la diferencia de tensión o diferencia de potencial a través del conductor o resistor.

También podemos decir que la resistencia ofrecida al flujo de agua depende de la longitud de la tubería, el material de la tubería y la altura del tanque colocado sobre el suelo.

La ley de Ohm funciona de manera similar en un circuito eléctrico, donde la resistencia eléctrica ofrecida al flujo de corriente depende de la longitud del conductor y el material del conductor utilizado.

Analogía 2

Una simple analogía entre el circuito hidráulico de agua y el circuito eléctrico para describir cómo funciona la ley de Ohm se muestra en la imagen a continuación.

Analogy 2.png Analogy 2.2.png

Como se muestra, si la presión del agua es constante y la restricción aumenta (haciendo más difícil el flujo del agua), entonces la tasa de flujo de agua disminuye.

De manera similar, en un circuito eléctrico, si la tensión o diferencia de potencial es constante y la resistencia aumenta (haciendo más difícil el flujo de corriente), entonces la tasa de flujo de carga eléctrica, es decir, la corriente, disminuye.

Ahora, si la restricción al flujo de agua es constante y la presión de la bomba aumenta, la tasa de flujo de agua aumenta.

De manera similar, en un circuito eléctrico, si la resistencia es constante y el diferencial de potencial o voltaje aumenta, entonces la tasa de flujo de carga eléctrica, es decir, la corriente, aumenta.

Fórmula de la Ley de Ohm

La relación entre el voltaje o el diferencial de potencial, la corriente y la resistencia se puede escribir de tres maneras diferentes.

Si conocemos dos valores, podemos calcular el tercer valor desconocido utilizando la relación de la ley de Ohm. Por lo tanto, la ley de Ohm es muy útil en fórmulas y cálculos electrónicos y eléctricos.

Cuando una corriente eléctrica conocida fluye a través de una resistencia conocida, entonces la caída de tensión a través de la resistencia se puede calcular mediante la relación

$\begin{align*} V = IR \,\, i.e., \,\, Potential \,\, Difference = Current * Resistance \end{align*}$

Cuando se aplica un voltaje conocido a través de una resistencia conocida, entonces la corriente que fluye a través de la resistencia se puede calcular mediante la relación

$\begin{align*} I = \frac{V}{R} \,\, i.e., \,\, Current = \frac{Potential \,\, Diffrence}{Resistance} \end{align*}$

Cuando se aplica un voltaje conocido a través de una resistencia desconocida y la corriente que fluye a través de la resistencia también es conocida, entonces el valor de la resistencia desconocida puede calcularse mediante la relación

$\begin{align*} R = \frac{V}{I} \,\, i.e., \,\, Resistance = \frac{Potential \,\, Diffrence}{Current} \end{align*}$

Fórmula de la Ley de Ohm para Potencia

La potencia transferida es el producto del voltaje de suministro y la corriente eléctrica.

Ahora, sustituyendo $V = I * R$ en la ecuación (1) obtenemos,

$\begin{equation*} P = IR * I = I^2*R \end{equation*}$

Esta fórmula es conocida como la fórmula de pérdidas ohmicas o fórmula de calentamiento resistivo.

Ahora, sustituyendo $I = \frac{V}{R}$ en la ecuación (1) obtenemos,

(3) $\begin{equation*} P = V * \frac{V}{R}= \frac{V^2}{R} \end{equation*}$

A partir de esta relación, podemos determinar la disipación de potencia en una resistencia si se conoce el voltaje y la resistencia o la corriente y la resistencia.

También podemos determinar el valor desconocido de la resistencia utilizando esta relación si se conoce el voltaje o la corriente.

$\begin{align*} R = \frac{V^2}{P} \,\, \& \,\, R = \frac{P}{I^2} \end{align*}$

Si se conocen dos variables de potencia, voltaje, corriente y resistencia, entonces, utilizando la ley de Ohm, podemos determinar las otras dos variables.

$\begin{align*} P = \frac{V^2}{R} \,\,or\,\,R = \frac{V^2}{P} \,\,or\,\, V = \sqrt{PR} \end{align*}$

$\begin{align*} P = {I^2}{R} \,\,or\,\, R = \frac{P}{I^2} \,\,or\,\, I = \sqrt{\frac{P}{R}} \end{align*}$

Las limitaciones de la ley de Ohm

A continuación se discuten algunas de las limitaciones de la ley de Ohm.

La ley de Ohm no se aplica a todos los conductores no metálicos. Por ejemplo, para el carburo de silicio, la relación se da por $V = KI^m$ donde K y m son constantes y m<1.
La ley de Ohm no es aplicable a los siguientes elementos no lineales.

Resistencia
Capacitancia
Semiconductores
Tubos de vacío
Electrolitos
Resistencias de carbón
Lámparas de arco
Diodo Zener

(Nota: los elementos no lineales son aquellos en los que la relación entre corriente y voltaje es no lineal, es decir, la corriente no es exactamente proporcional al voltaje aplicado.)

La ley de Ohm es aplicable solo a conductores metálicos a una temperatura constante. Si la temperatura cambia, la ley no es aplicable.
La ley de Ohm tampoco es aplicable a redes unilaterales. Nótese que una red unilateral contiene elementos unilaterales como transistores, diodos, etc. Los elementos unilaterales son aquellos que permiten el flujo de corriente solo en una dirección.

Triángulo de la Ley de Ohm

Las fórmulas básicas de la ley de Ohm se resumen a continuación en el triángulo de la ley de Ohm.

Ohm’s Law Triangle.png

Problemas Prácticos de la Ley de Ohm

Ejemplo 1

Como se muestra en el circuito a continuación, una corriente de 4 A fluye a través de una resistencia de 15 Ω. Determine la caída de voltaje en el circuito utilizando la ley de Ohm.

Solución:

Datos dados: $I = 4\,\,A$ y $R = 15\,\,\Omega$

Según la ley de Ohm,

$\begin{align*} \begin{split} V = I * R \\ = 4*15 \\ V = 60 \,\, Volts \end{split} \end{align*}$

Por lo tanto, utilizando la ecuación de la ley de Ohm, obtenemos un caída de tensión en el circuito de 60 V.

Ejemplo 2

Como se muestra en el circuito a continuación, se aplica un voltaje de alimentación de 24 V a través de una resistencia de 12 Ω. Determine la corriente que fluye a través del resistor utilizando la ley de Ohm.

$\begin{equation*} P = V * I \end{equation*}$

Solución:

Datos proporcionados: $V = 24\,\,V$ y $R = 12\,\,\Omega$

Según la ley de Ohm,

$\begin{align*} \begin{split} I = \frac{V}{R} \\ = \frac{24}{12} \\ I = 2 \,\, A (Ampere) \end{split} \end{align*}$

Por lo tanto, utilizando la ecuación de la ley de Ohm, obtenemos que la corriente que fluye a través del resistor es 2 A.

Ejemplo 3

Como se muestra en el circuito a continuación, un voltaje de suministro es de 24 V y la corriente que fluye a través de una resistencia desconocida es de 2 A. Determine el valor desconocido de la resistencia utilizando la ley de Ohm.

Solución:

Datos proporcionados: $V = 24\,\,V$ y $I = 2\,\,A$

Según la ley de Ohm,

$\begin{align*} \begin{split} R = \frac{V}{I} \\ = \frac{24}{2} \\ R = 12 \,\, \Omega \end{split} \end{align*}$

Así, utilizando la ecuación de la ley de Ohm, obtenemos el valor desconocido de la resistencia $12\,\,\Omega$ .

Aplicaciones de la ley de Ohm

Algunas de las aplicaciones de la ley de Ohm incluyen:

Para calcular la diferencia de potencial o voltaje desconocido, la resistencia y el flujo de corriente en un circuito eléctrico.
La ley de Ohm se utiliza en un circuito electrónico para determinar la caída de tensión interna a través de los componentes electrónicos.
La ley de Ohm se utiliza en circuitos de medición de CC, particularmente en amperímetros de CC, en los que se utiliza una derivación de baja resistencia para desviar la corriente.

Fuente: Electrical4u

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