Calibre de alambre estadounidenseEl calibre de alambre estadounidense (en inglés american wire gauge o AWG) es una referencia de clasificación de diámetros. En muchos sitios de Internet y también en libros y manuales, especialmente de origen norteamericano, es común encontrar la medida de conductores eléctricos (cables) indicados con la referencia AWG. Cuanto más alto es este número, más delgado es el alambre. El alambre de mayor grosor (AWG más bajo) es menos susceptible a la interferencia, posee menos resistencia interna y, por lo tanto, soporta mayores corrientes a distancias más grandes.

Historia

La escala fue creada en 1857 por la compañía J.R. Brown & Sharpe de Providence (Rhode Island), por tal motivo la escala también fue conocida como Brown and Sharpe Gauge. Lucien Sharpe presentó la idea ante la Asociación Waterbury Brass, y ésta fue adoptada rápidamente durante febrero del mismo año por los ocho mayores fabricantes de cable en Estados Unidos, proporcionando una estandarización de la medida. Muy pronto, su uso se extendió a gran parte de los países latinoamericanos.

Tabla

Esta tabla de conversión permite saber el diámetro y superficie o área de sección del conductor, conociendo el número AWG

AWG Diámetro Área

Resistencia

eléctrica en cobre

Resistencia

eléctrica en cobre

3 Corriente

admisible en

cobrea 60 °C aislado

Equivalencia

aproximada en

estándar métrico

(in) (mm)(kcmi

l)(mm²)

(Ω/1 km)

(Ω/1000 ft)

(A)

10001.0000

25.40 1000 507

9000.9487

24.10 900 456

7500.8660

22.00 750 380

6000.7746

19.67 600 304

5000.7071

17.96 500 253

4000.6325

16.06 400 203

3500.5916

15.03 350 177.3

2500.5000

12.70 250 126.7

0000(4/0)

0.4600

11.68 211.6 107

000(3/0)

0.4096

10.40 167.8 85

00(2/0)0.3648

9.266 133.1 67.4

0(1/0)0.3249

8.251 105.5 53.5 ~0.3281 ~0.1

10.2893

7.348 83.69 42.4 110

20.2576

6.544 66.37 33.6 95

30.2294

5.827 52.63 26.7 85 196/0.4

40.2043

5.189 41.74 21.2 70

50.1819

4.621 33.10 16.8 126/0.4

60.1620

4.115 26.25 13.3 55

70.1443

3.665 10.5 80/0.4

80.1285

3.264 8.37 40

90.1144

2.906 6.63 >84/0.3

100.1019

2.588 5.26 3.2772 0.9989 30 <84/0.3

110.0907

2.305 4.17 4.1339 1.260 56/0.3

120.0808

2.053 3.31 5.210 1.588 25

130.0720

1.828 2.62 6.572 2.003 50/0.25

140.0641

1.628 2.08 8.284 2.525 15

150.0571

1.450 1.65 10.45 3.184 >30/0.25

160.0508

1.291 1.31 13.18 4.01610 / 18 (90 °C)

<30/0.25

170.0453

1.150 1.04 16.614 5.064 32/0.2

180.0403

1.02362

0.823 20.948 6.3855 / 14 (90 °C)

>24/0.2

190.0359

0.9116 0.653 26.414 8.051 <24/0.2

200.0320

0.8128 0.518 33.301 10.15 16/0.2

210.0285

0.7229 0.410 41.995 12.80

220.0253

0.6438 0.326 52.953 16.14 7/0.25

230.0226

0.5733 0.258 66.798 20.36

240.0215

0.5461 0.205 84.219 25.671/0.5, 7/0.2, 30/0.1

250.0179

0.4547 0.162 106.201 32.37

260.0159

0.4049 0.129 133.891 40.81 7/0.15

270.0142

0.3606 0.102 168.865 51.47

280.0126

0.3211 0.081 212.927 64.90

290.0113

0.2859 0.0642 268.471 81.83

300.0100

0.2546 0.0509 338.583 103.21/0.25, 7/0.1

310.0089

0.2268 0.0404 426.837 130.1

320.0080

0.2019 0.0320 538.386 164.11/0.2, 7/0.08

330.0071

0.1798 0.0254 678.806 206.9

340.0063

0.1601 0.0201 833 260.9

350.0056

0.1426 0.0160 1085.958 331.0

360.0050

0.1270 0.0127 1360.892 414.8

370.0045

0.1131 0.0100 1680.118 512.1

380.0040

0.10070.00797

2127.953 648.6

390.0035

0.08969

0.00632

2781.496 847.8

400.00

31

0.079

87

0.005

01

3543.30

7

1080.0

Conductancia eléctricaSe denomina conductancia eléctrica (G) a la propiedad de transportar, mover o desplazar uno o más electrones en su cuerpo; es decir, que la conductancia es la propiedad inversa de la resistencia eléctrica.

No debe confundirse con conducción, que es el mecanismo mediante el cual la carga fluye, o con la conductividad, que es la conductancia específica de un material.

La unidad de medida de la conductancia en el Sistema Internacional de Unidades es el siemens.

Este parámetro es especialmente útil a la hora de tener que manejar valores de resistencia muy pequeños, como es el caso de los conductores eléctricos.

QUÉ ES LA CONDUCTANCIA

La conductancia está directamente relacionada con la facilidad que ofrece un material cualquiera al paso de la corriente eléctrica. La conductancia es lo opuesto a la resistencia. A mayor conductancia la resistencia disminuye y viceversa, a mayor resistencia, menos conductancia, por lo que ambas son inversamente proporcionales.

Existen algunos materiales que conducen mejor la corriente que otros. Los mejores conductores son, sin duda alguna, los metales, principalmente el oro (Au) y la plata (Ag), pero por su alto costo en el mercado se prefiere utilizar, en primer lugar, el cobre (Cu) y, en segundo lugar, el aluminio (Al), por ser ambos metales buenos conductores de la electricidad y tener un costo mucho menor que el del oro y la plata.

Otros tipos de materiales, como el alambre nicromo (Ni-Cr, aleación de níquel y cromo), el constante, la manganina, el carbón, etc. no son buenos conductores y ofrecen mayor resistencia al paso de la corriente eléctrica, por lo que son utilizados como tales, es decir, como “resistencias eléctricas” para producir calor fundamentalmente, o para controlar el paso de la corriente en los circuitos electrónicos.

Además de los conductores y las resistencias, existen otros materiales denominados semiconductores como, por ejemplo, el germanio y el silicio, que permiten el paso de la corriente en un sentido, pero lo impiden en el sentido opuesto. El silicio, sobre todo, se emplea desde hace años para fabricar diodos, transistores, circuitos integrados y microprocesadores, aprovechando sus propiedades semiconductoras.

Por otro lado podemos encontrar también materiales no conductores, que ofrecen total resistencia al flujo de la corriente eléctrica. En ese caso se encuentran el vidrio, el plástico, el PVC, la porcelana, la goma, etc., que se emplean como materiales aislantes en los circuitos eléctricos.

Si hacemos una comparación entre diferentes materiales como el cobre, nicromo, silicio y la porcelana y buscamos en una tabla sus coeficientes de resistividad a 20ºC, veremos que el cobre tiene 0,0172, el

nicromo 1,5 y el silicio 1 000   · mm2 / m, mientras el coeficiente de resistividad de la porcelana es infinito.

De acuerdo con la Ley de Ohm, el valor de la resistencia “R” se obtiene dividiendo el voltaje o tensión en volt “E” del circuito, por el valor de la intensidad “I” en ampere, como se muestra en el ejemplo siguiente:

Si representamos la conductancia eléctrica con la letra “G”(sabiendo que es lo opuesto a la resistencia y que podemos representarla matemáticamente como 1/R), es posible hallar su valor invirtiendo los valores de la tensión y la intensidad en la fórmula anterior, tal como se muestra a continuación:

Por tanto, sustituyendo por “G” el resultado de la operación, tendremos:

 

O también:

es decir, lo inverso a la resistencia.

El valor de la conductancia “G” de un material se indica en “siemens” y se identifica con la letra "S".

Un siemens equivale a,   o también a   .

Convencionalmente, se han dividido los componentes electrónicos en dos grandes grupos: componentes activos y componentes pasivos, dependiendo de si éste introduce energía adicional al circuito del cual forma parte. Componentes pasivos son las resistencias, condensadores, bobinas, y activos son los transistores, válvulas termoiónicas, diodos y otros semiconductores.

El objetivo de una resistencia es producir una caída de tensión que es proporcional a la corriente que la atraviesa; por la ley de Ohm tenemos que V = IR. Idealmente, en un mundo perfecto, el valor de tal resistencia debería ser constante independientemente del tiempo, temperatura, corriente y tensión a la que está sometida la resistencia. Pero esto no es así. Las resistencias actuales, se aproximan mejor a la resistencia "ideal", pero insisto, una cosa es la teoría y otra muy diferente la vida real, en la que los fenómenos físicos son mucho más complejos e intrincados como para poder describirlos completamente con una expresión del tipo de la Ley de Ohm. Esta nos proporciona una aproximación muy razonable, y válida para la gran mayoría de circuitos que se diseñan.

Por su composición, podemos distinguir varios tipos de resistencias:

De hilo bobinado (wirewound) Carbón prensado (carbon composition) Película de carbón (carbon film) Película óxido metálico (metal oxide film) Película metálica (metal film) Metal vidriado (metal glaze)

Por su modo de funcionamiento, podemos distinguir:

Dependientes de la temperatura (PTC y NTC) Resistencias variables, potenciómetros y reostatos

Resistencias de hilo bobinado.- Fueron de los primeros tipos en fabricarse, y aún se utilizan cuando se requieren potencias algo elevadas de disipación. Están constituidas por un hilo conductor bobinado en forma de hélice o espiral (a modo de rosca de tornillo) sobre un sustrato cerámico.

Las aleaciones empleadas son las que se dan en la tabla, y se procura la mayor independencia posible de la temperatura, es decir, que se mantenga el valor en ohmios independientemente de la temperatura.

metalresistividad relativa

(Cu = 1)Coef. Temperatura

a (20° C)

Aluminio 1.63 + 0.004

Cobre 1.00 + 0.0039

Constantan 28.45 ± 0.0000022

Karma 77.10 ± 0.0000002

Manganina 26.20 ± 0.0000002

Cromo-Níquel 65.00 ± 0.0004

Plata 0.94 + 0.0038

La resistencia de un conductor es proporcional a su longitud, a su resistividad específica (rho) e inversamente proporcional a la sección recta del mismo. Su expresión es:

En el sistema internacional (SI) rho viene en ohmios·metro, L en metros y el área de la sección recta en metros cuadrados. Dado que el cobre, aluminio y la plata tienen unas resistividades muy bajas, o lo que es lo mismo, son buenos conductores, no se emplearán estos metales a no ser que se requieran unas resistencias de valores muy bajos. La dependencia del valor de resistencia que ofrece un metal con respecto a la temperatura a la que está sometido, lo indica el coeficiente de temperatura, y viene expresado en grado centígrado elevado a la menos uno. Podemos calcular la resistencia de un material a una temperatura dada si conocemos la resistencia que tiene a otra temperatura de referencia con la expresión:

Los coeficientes de temperatura de las resistencias bobinadas son extremadamente pequeños. Las resistencias típicas de carbón tienen un coeficiente de temperatura del orden de decenas de veces mayor, lo que ocasiona que las resistencias bobinadas sean empleadas cuando se requiere estabilidad térmica.

Un inconveniente de este tipo de resistencias es que al estar constituida de un arrollamiento de hilo conductor, forma una bobina, y por tanto tiene cierta inducción, aunque su valor puede ser muy pequeño, pero hay que tenerlo en cuenta si se trabaja con frecuencias elevadas de señal.

Por tanto, elegiremos este tipo de resistencia cuando 1) necesitemos potencias de algunos watios y resistencias no muy elevadas 2) necesitemos gran estabilidad térmica 3) necesitemos gran estabilidad del valor de la resistencia a lo largo del tiempo, pues prácticamente permanece inalterado su valor durante mucho tiempo.

 

Resistencias de carbón prensado.- Estas fueron también de las primeras en fabricarse en los albores de la electrónica. Están constituidas en su mayor parte por grafito en polvo, el cual se prensa hasta formar un tubo como el de la figura.

Las patas de conexión se implementaban con hilo enrollado en los extremos del tubo de grafito, y posteriormente se mejoró el sistema mediante un tubo hueco cerámico (figura inferior) en el que se prensaba el grafito en el interior y finalmente se disponian unas bornas a presión con patillas de conexión.

Las resistencias de este tipo son muy inestables con la temperatura, tienen unas tolerancias de fabricación muy elevadas, en el mejor de los casos se consigue un 10% de tolerancia, incluso su valor óhmico puede variar por el mero hecho de la soldadura, en el que se somete a elevadas temperaturas al componente. Además tienen ruido térmico también elevado, lo que las hace poco apropiadas para aplicaciones donde el ruido es un factor crítico, tales como amplificadores de micrófono, fono o donde exista mucha ganancia. Estas resistencias son también muy sensibles al paso del tiempo, y variarán ostensiblemente su valor con el transcurso del mismo.

 

Resistencias de película de carbón.- Este tipo es muy habitual hoy día, y es utilizado para valores de hasta 2 watios. Se utiliza un tubo cerámico como sustrato sobre el que se deposita una película de carbón tal como se aprecia en la figura.

Para obtener una resistencia más elevada se practica una hendidura hasta el sustrato en forma de espiral, tal como muestra (b) con lo que se logra aumentar la longitud del camino eléctrico, lo que equivale a aumentar la longitud del elemento resistivo.

 

Las conexiones externas se hacen mediante crimpado de cazoletas metálicas a las que se une hilos de cobre bañados en estaño para facilitar la soldadura. Al conjunto completo se le baña de laca ignífuga y aislante o incluso vitrificada para mejorar el aislamiento eléctrico. Se consiguen así resistencias con una tolerancia del 5% o mejores, además tienen un ruido térmico inferior a las de carbón prensado, ofreciendo también mayor estabilidad térmica y temporal que éstas.

 

Resistencias de película de óxido metálico.- Son muy similares a las de película de carbón en cuanto a su modo de fabricación, pero son más parecidas, eléctricamente hablando a las de película metálica. Se hacen igual que las de película de carbón, pero sustituyendo el carbón por una fina capa de óxido metálico (estaño o latón). Estas resistencias son más caras que las de película metálica, y no son muy habituales. Se utilizan en aplicaciones militares (muy exigentes) o donde se requiera gran fiabilidad, porque la capa de óxido es muy resistente a daños mecánicos y a la corrosión en ambientes húmedos.

Resistencias de película metálica.- Este tipo de resistencia es el que mayoritariamente se fabrica hoy día, con unas características de ruido y estabilidad mejoradas con respecto a todas las anteriores. Tienen un coeficiente de temperatura muy pequeño, del orden de 50 ppm/°C (partes por millón y grado Centígrado). También soportan mejor el paso del tiempo, permaneciendo su valor en ohmios durante un mayor período de tiempo. Se fabrican este tipo de resistencias de hasta 2 watios de potencia, y con tolerancias del 1% como tipo estándar.

Resistencias de metal vidriado.- Son similares a las de película metálica, pero sustituyendo la película metálica por otra compuesta por vidrio con polvo metálico. Como principal característica cabe destacar su mejor comportamiento ante sobrecargas de corriente, que puede soportar mejor por su inercia térmica que le confiere el vidrio que contiene su composición. Como contrapartida, tiene un coeficiente térmico peor, del orden de 150 a 250 ppm/°C. Se dispone de potencias de hasta 3 watios.Se dispone de estas resistencias encapsuladas en chips tipo DIL (dual in line) o SIL (single in line).

Resistencias dependientes de la temperatura.- Aunque todas las resistencias, en mayor o menor grado, dependen de la temperatura, existen unos dispositivos específicos que se fabrican expresamente para ello, de modo que su valor en ohmios dependa "fuertemente" de la temperatura. Se les denomina termistores y como cabía esperar, poseen unos coeficientes de temperatura muy elevados, ya sean positivos o negativos. Coeficientes negativos implican que la resistencia del elemento disminuye según sube la temperatura, y coeficientes positivos al contrario, aumentan su resistencia con el aumento de la temperatura. El silicio, un material semiconductor, posee un coeficiente de temperatura negativo. A mayor temperatura, menor resistencia. Esto ocasiona problemas, como el conocido efecto de "avalancha térmica" que sufren algunos dispositivos semiconductores cuando se eleva su temperatura lo suficiente, y que puede destruir el componente al aumentar su corriente hasta sobrepasar la corriente máxima que puede soportar. 

A los dispositivos con coeficiente de temperatura negativo se les denomina NTC (negative temperature coefficient).A los dispositivos con coeficiente de temperatura positivo se les denomina PTC (positive temperature coefficient).Una aplicación típica de un NTC es la protección de los filamentos de válvula, que son muy sensibles al "golpe" de encendido o turn-on. Conectando un NTC en serie protege del golpe de encendido, puesto que cuando el NTC está a temperatura ambiente (frío, mayor resistencia) limita la corriente máxima y va aumentando la misma según aumenta la temperatura del NTC, que a su vez disminuye su resistencia hasta la resistencia de régimen a la que haya sido diseñado. Hay que elegir correctamente la corriente del dispositivo y la resistencia de régimen, así como la tensión que caerá en sus bornas para que el diseño funcione correctamente.

 

NTC PTC

. Clasificación de resistencias

Clasificación de las resistencias

Nomenclatura de las resistencias

Símbolos

Código de colores

Clasificación de los resistores fijos

Clasificación de los resistores variables

Clasificación de los resistores especiales

- Clasificación de las resistencias

Podemos clasificar las resitencias en tres grandes grupos:

o Resistencias fijas: Son las que presentan un valor óhmico que no podemos modificar.

o Resistencias variables: Son las que presentan un valor óhmico que nosotros podemos variar modificando la posición de un contacto deslizante.

o Resistencias especiales: Son las que varían su valor óhmico en función de la estimulación que reciben de un factor externo (luz, temperatura...)

- Nomenclatura de las resistencias

En todas las resistencias nos podemos encontrartres características, el valor nominal expresado en ómios (, la tolerancia en % y la potencia en vatios (W).

Valor nominal: Es el que indica el fabricante. Este valor normalmente es diferente del valor real, pues influyen diferentes factores de tipo ambiental o de los mismos procesos de fabricación, pues no son exactos. Suele venir indicado, bien con un código de colores, bien con caracteres alfanuméricos.

Tolerancia: Debido a los factores indicados anteriormente, y en función de la exactitud que se le de al valor, se establece el concepto de tolerancia como un % del valor nominal. De esta forma, si nosotros sumamos el resultado de aplicar el porcentaje al valor nominal, obtenemos un valor límite superior. Si por el contrario lo que hacemos es restarlo, obtenemos un valor límite inferior. Con la toelrancia, el fabricante nos garantiza que el valor real de la resistencia va a estar siempre contenido entre estos valores, Si esto no es así, el componente está defectuoso.

Potencia nominal: Es el valor de la potencia disipada por el resistor en condiciones normales de presión y temperatura.

- Símbolos

Nos podemos encontrar con dos símbolos, uno regulado por una norma americana y otro por una norma europea.

- Código de colores

Como ya se indicó con anterioridad, una dels formas de indicar el valor nominal de una resistencia es mediante un código de colores que consta, como norma general, de 3 bandas de valor y una de tolerancia.

El código empleado es el siguiente:

Color

1ª y 2ª

bandas de color

Factor multiplica

dor

Tolerancia

Figura

Negro 0 x 1 -

Marrón

1 x 10 ± 1 %

Rojo 2 x 100 ± 2 %

Naranja

3 x 1000 -

Amarillo

4 x 10000 -

Verde 5 x 100000 ± 0'5 %

Azul 6 x 1000000 -

Violeta 7 x 10000000 -

Gris 8x

100000000-

Blanco 9x

1000000000

-

Oro - : 10 ± 5 %

Plata - : 100 ± 10 %

Cogiendo como ejemplo la resistencia de la figura, colores rojo - amarillo - naranja - oro, tendremos:

2 4 x 1000 ± 5% () = 24000 ± 5% = 24 K ± 5%

- Clasificación de los resistores fijos

En principio, las resitencias fijas pueden ser divididas en dos grandes grupos:

Bobinados: Están fabricados con hilos metálicos bobinados sobre núcleos cerámicos. Como regla general, se suelen utilizar aleaciones del Níquel. Podemos distinguir dos subgrupos:

1. Resistores bobinados de potencia: Son robustos y se utilizan en circuitos de alimentación, como divisores de tensión. Están formados por un soporte de porcelana o aluminio aglomerado, sobre el que se devana el hilo resistivo. La protección la aporta el proceso final de cementado o vitrificado externo. Las tolerancias son inferiores al 10 % y su tensión de ruido es prácticamente despreciable. Para garantizar su fiabilidad es conveniente que el diámetro no sea excesivo y que no se utilicen a más del 50 % de su potencia nominal.

2. Resistores bobinados de precisión: La precisión del valor óhmico de estos componentes es superior a + 1 por 100. Su estabilidad es muy elevada y presentan una despreciable tensión de ruido. El soporte, cerámico o de material plástico (baquelita), presenta gargantas para alojar el hilo resistivo. El conjunto se impregna al vacío con un barniz especial. Son estabilizados mediante un tratamiento térmico y se obtienen tolerancias del + 0,25 %, + 0,1 % y + 0,05 %.

No bobinados: En estas resistencias el material resistivo se integra en el cuerpo del componente. Están previstos para disipar potencias de hasta 2 vatios. Son más pequeños y económicos que los bobinados, y el material resistivo suele ser carbón o película metálica. Dentro de este apartado caben resistores destinados a diversas finalidades, los cuales ofrecen características básicas muy dispares.

Veamos ahora algunos tipos de resitencias no bobinadas:

o Resistencias aglomeradas o de precisión: son pequeños, económicos y de calidad media. Los valores de tensión de ruido y coeficientes de temperatura y tensión son apreciables. Bien utilizados, tienen buena estabilidad. Se fabrican con una mezcla de carbón, aislante y aglomerante. Dependiendo de la cantidad de carbón, variará el valor óhmico de la resistencia. Son sensibles a la humedad y tienen una tolerancia entre el 5 y el 20 %. Se deben usar en circuitos que no necesiten mucha precisión y no usar más del 50 % de su potencia nominal.

o Resistencias de capa de carbón por depósitos: están fabricados en un soporte vidrio sobre el que se deposita una capa de carbón y resina líquida. El valor óhmico lo determina el porcentaje de carbón de la mezcla. El soporte se divide en partes, que componen las resistencias. Después se metalizan los extremos, para soldar los terminales, se moldea con una resina termoendurecible, se comprueba el valor del componente y se litografían los valores.

o Resistores pirolíticos: Sobre un núcleo de material cerámico se deposita carbón por pirólisis. El núcleo se introduce en un horno al que se inyecta un hidrocarburo (metano, butano...). Este se descompone y el carbono se deposita en el núcleo; tanto más cuanto mayor cantidad de hidrocarburo se inyecte en el horno. Después de un proceso de esmaltado, se realiza el encasquillado de terminales, quedando preparado el resistor para el espiralado de la superficie resistiva. Para que haya un buen encasquillado, la metalización de los extremos se realiza con oro, plata o estaño. El valor óhmico es función del espesor de la capa espiralada. Dicho espesor condiciona el coeficiente de temperatura. De ahí que se tienda a espesores más gruesos y a espiralados de

mayor longitud para incrementar la estabilidad del componente. Finalmente se sueldan los terminales, se aísla la superficie mediante sucesivas capas de pintura y se inscribe la codificación de sus valores característicos.

o Resistencias de capa metálica: Están fabricados con una capa muy fina de metal (oro, plata, níquel, cromo u óxidos metálicos) depósitados sobre un soporte aislante (de vidrio, mica, ..). Estas resistencias tienen un valor óhmico muy bajo y una estabilidad muy alta.

o Resistencias de película fotograbada: Puede ser por depósito de metal sobre una placa de vidrio o por fotograbado de hojas metálicas. Este tipo de resistencias tiene un elevado valor de precisión y estabilidad.

o Resistencias de película gruesa Vermet: El soporte es una placa cerámica de reducido espesor, sobre la que se deposita por serigrafía un esmalte pastoso conductor. El esmalte recubre los hilos de salida que ya se encontraban fijados sobre la placa soporte. Al introducir el conjunto en un horno, el esmalte queda vitrificado.

- Clasificación de los resistores variables

Este tipo de resistores presentan la particularidad de que su valor puede modificarse a voluntad. Para variar el valor óhmico disponen de un cursor metálico que se desliza sobre el cuerpo del componente, de tal forma que la resistencia eléctrica entre el cursor y uno de los extremos del resistor dependerá de la posición que ocupe dicho cursor.En esta categoría cabe distinguir la siguiente clasificación:

Resistencias ajustables: Disponen de tres terminales, dos extremos y uno común, pudiendo variarse la resistencia (hasta su valor máximo), entre el común y cualquiera de los dos extremos. Son de baja potencia nominal.

Foto obtenida de http://www.piher-nacesa.com/es/product.htm

Resistencia variable (potenciómetro): Su estructura es semejante a la de los resistores ajustables, aunque la disipación de potencia es considerablemente superior. Se utilizan básicamente para el control exterior de circuitos complejos. Los potenciómetros pueden variar su resistencia de forma lineal (potenciómetros lineales) o exponencial (potenciómetros logarítmicos).

Foto obtenida de http://www.piher-nacesa.com/es/product.htm

- Clasificación de los resistores especiales

En el apartado de resistores especiales caben toda una variedad de componentes resistivos no lineales que modifican su valor óhmico en función de algún factor externo: temperatura, tensión aplicada, luminosidad incidente.... Los principales tipos son:

Termistores: Son de mediana estabilidad y bajo precio. Se suelen fabricar a partir de elemntos o mateirlae semiconductores. Los termistores o resistores variables con la temperatura se encuadran en dos categorías:

NTC (Negative Thermistor Coeficient): Posee un coeficiente de temperatura negativo. La resistencia eléctrica del componente disminuye al aumentar la temperatura.

PTC (Positive Thermistor Coeficient): En este caso el coeficiente de temperatura es positivo. La resistencia eléctrica del componente aumenta al hacerlo la temperatura.

o Características de los termistores:a. Tolerancia sobre la resistencia

nominal: Es la desviación máxima entre la resistencia nominal del termistor y la resistencia real a la temperatura de 25 ºC.

b. Coeficiente de temperatura nominal: Valor del coeficiente de temperatura a 25 ºC, expresado en tanto por ciento por grado centígrado, o en tanto por uno por grado centígrado.

c. Temperatura de conmutación: Temperatura para la cual el valor de la resistencia eléctrica es igual al doble de la que corresponde a 25 ºC.

d. Factor de disipación térmica (C): Se define como la potencia necesaria para elevar la temperatura del termistor en 1º C en aire calmado.

e. Relación Tensión-Intensidad: Cuando crece la intensidad de corriente que atraviesa a un termistor, la tensión entre sus extremos se mantiene proporcional hasta alcanzar un cierto valor que corresponde al comienzo del calentamiento del termistor. La variación súbita en el valor máximo de la tensión se denomina vuelco.

f. Potencia disipada: Coincide con el producto de la tensión aplicada al termistor por la intensidad de la corriente eléctrica que lo atraviesa en ese instante.

Varistores, VDR (Voltage Depended Resitor): Son resistencias cuyo valor óhmico depende con la tensión. Mientras mayor es la tensión aplicada en sus extremos, menor es el valor de la resistencia del componente.

Magnetoresistores, MDR (Magnetic Depended Resistor): El valor óhmico aumenta en función del campo magnético aplicado perpendicularmente a su superficie. Es decir la resistencia varía en función de la dirección del campo magnético.

Fotoresistores, LDR (Light Depended Resistor): El valor óhmico del componente disminuye al aumentar la intensidad de luz que incide sobre el componente.

ReostatoEl reostato o reóstato es una de las dos funciones eléctricas del dispositivo denominado resistencia variable, resistor variable o ajustable. La función reostato consiste en la regulación de la intensidad de corriente a través de la carga, de forma que se controla la cantidad de energía que fluye hacia la misma; se puede realizar de dos maneras equivalentes: La primera conectando el cursor de la resistencia variable a la carga con uno de los extremos al terminal de la fuente; la segunda, conectando el cursor a uno de los extremos de la resistencia variable y a la carga y el otro a un borne de la fuente de energía eléctrica, es decir, en una topología, con la carga, de circuito conexión serie.

Los reostatos son usados en tecnología eléctrica (electrotecnia), en tareas tales como el arranque de motores o cualquier aplicación que requiera variación de resistencia para el control de la intensidad de corriente eléctrica.

un reostato, también conocido como reóstato, es el dispositivo de un circuito eléctrico que permite modificar su resistencia. A través del

movimiento de un cursor o de un eje, el reostato permite variar el nivel de la corriente.Es posible asociar el reostato a otros elementos de un circuito eléctrico. Se lo suele comparar a un potenciómetro, aunque sus características son diferentes: el potenciómetro divide el voltaje, mientras que el reostato tiene una resistencia variable. También puede decirse que el reostato es un tipo de resistor que se emplea para alterar el nivel de corriente.

Los reostatos se conectan al circuito en serie. Es importante saber si su potencia y su valor son apropiados para manejar la corriente que circulará a través de él. En general los reostatos tienen una gran resistencia y pueden disipar mucha potencia.

El reostato, en definitiva, regula la intensidad de la corriente, controlando la energía que pasa a la carga. Suelen emplearse en aquellos procesos que necesitan variar la resistencia y controlar la intensidad de la corriente eléctrica, como ocurre cuando arranca un motor.

Puede decirse que el reostato es una resistencia variable que cuenta con dos contactos. La resistencia tiene como misión resistir el flujo eléctrico: a mayor resistencia, la corriente circulará más lento en el circuito. El reostato, al tener la capacidad de disminuir o incrementar la resistencia, posibilita modificar el nivel de corriente que fluye por el circuito eléctrico. Para cumplir con su tarea, los reostatos suelen contar con carbono u otro elemento aislante y con un control deslizante.

PotenciómetroUn potenciómetro es un resistor cuyo valor de resistencia es variable. De esta manera, indirectamente, se puede controlar la intensidad de corriente que fluye por un circuito si se conecta en paralelo, o la diferencia de potencial al conectarlo en serie.

Normalmente, los potenciómetros se utilizan en circuitos de poca corriente. Para circuitos de corrientes mayores, se utilizan los reostatos, que pueden disipar más potencia.

ConstrucciónExisten dos tipos de potenciómetros:

Potenciómetros impresos, realizados con una pista de carbón o de cermet sobre un

soporte duro como papel baquelizado, fibra, alúmina, etc. La pista tiene sendos

contactos en sus extremos y un cursor conectado a un patín que se desliza por la pista

resistiva.

Potenciómetros bobinados, consistentes en un arrollamiento toroidal de un hilo

resistivo (por ejemplo,constantán) con un cursor que mueve un patín sobre el mismo.

Tipos

Según su aplicación se distinguen varios tipos:

Potenciómetros de Mando. Son adecuados para su uso como elemento de control

en los aparatos electrónicos. El usuario acciona sobre ellos para variar los parámetros

normales de funcionamiento. Por ejemplo, el volumen de una radio.

Potenciómetros de ajuste. Controlan parámetros preajustados, normalmente en

fábrica, que el usuario no suele tener que retocar, por lo que no suelen ser accesibles

desde el exterior. Existen tanto encapsulados en plástico como sin cápsula, y se

suelen distinguir potenciómetros de ajuste vertical, cuyo eje de giro es vertical, y

potenciómetros de ajuste horizontal, con el eje de giro paralelo al circuito impreso.

Según la ley de variación de la resistencia  :

Potenciómetros lineales. La resistencia es proporcional al ángulo de giro.

Generalmente denominados con una letraB.

Logarítmicos. La resistencia depende logarítmicamente del ángulo de giro.

Generalmente denominados con una letraA.

Senoidales. La resistencia es proporcional al seno del ángulo de giro. Dos

potenciómetros senoidales solidarios y girados 90° proporcionan el seno y el coseno

del ángulo de giro. Pueden tener topes de fin de carrera o no.

Antilogarítmicos. Generalmente denominados con una letra F.

En los potenciómetros impresos la ley de resistencia se consigue variando la anchura de la pista resistiva, mientras que en los bobinados se ajusta la curva a tramos, con hilos de distinto grosor.

Potenciómetros multivuelta. Para un ajuste fino de la resistencia existen potenciómetros multivuelta, en los que el cursor va unido a un tornillo desmultiplicador, de modo que para completar el recorrido necesita varias vueltas del órgano de mando.

Tipos de potenciómetros de mando

Potenciómetros rotatorios. Se controlan girando su eje. Son los más habituales pues

son de larga duración y ocupan poco espacio.

Potenciómetros deslizantes. La pista resistiva es recta, de modo que el recorrido del

cursor también lo es. Han estado de moda hace unos años y se usa, sobre todo, en

ecualizadores gráficos, pues la posición de sus cursores representa la respuesta del

ecualizador. Son más frágiles que los rotatorios y ocupan más espacio. Además

suelen ser más sensibles al polvo.

Potenciómetros múltiples. Son varios potenciómetros con sus ejes coaxiales, de

modo que ocupan muy poco espacio. Se utilizaban en instrumentación, autorradios,

etc.

Potenciómetros digitales

Se llama potenciómetro digital a un circuito integrado cuyo funcionamiento simula el de un potenciómetro Analógico. Se componen de un divisor resistivo de n+1 resistencias, con sus n puntos intermedios conectados a un multiplexor analógico que selecciona la salida. Se manejan a través de una interfaz serie (SPI, I2C, Microwire, o similar). Suelen tener una tolerancia en torno al 20 % y a esto hay que añadirle la resistencia debida a los switches internos, conocida como Rwiper. Los valores más comunes son de 10K y 100K aunque varia en función del fabricante con 32, 64, 128, 512 y 1024 posiciones en escala

logarítmica o lineal. Los principales fabricantes son Maxim, Intersil y Analog Devices. Estos dispositivos poseen las mismas limitaciones que los conversores DAC como son la corriente máxima que pueden drenar, que esta en el orden de los mA, la INL y la DNL, aunque generalmente son monotónicos.

Los potenciómetros limitan el paso de la corriente eléctrica (Intensidad) provocando una caída de tensión en ellos al igual que en una resistencia,  pero en este caso el valor de la corriente y  la tensión en el potenciómetro las podemos variar solo con cambiar el valor de su resistencia. En una resistencia fija estos valores serían siempre los mismos. Si esto no lo tienes claro es mejor que estudies las magnitudes eléctricas (enlace en lo subrayado). 

   El valor de un potenciómetro viene expresado en ohmios (símbolo Ω) como las resistencias, y el valor del potenciómetro siempre es la resistencia máxima que puede llegar a tener. La mínimo lógicamente es cero. Por ejemplo un  potenciómetro de 10KΩ puede tener una resistencia con valores entre 0Ω y 10.000Ω.

   El potenciometro más sencillo es una resistencia variable mecánicamente. Los primeros potenciómetros y más sencillos son los reóstatos.

   Fíjate que la resistencia es el hilo conductor enrollado. Tenemos 3 terminales A, B y C. Si conectáramos los terminales A y B al circuito sería una resistencia Fija del valor igual al máximo de la resistencia que podría tener el reóstato. Ahora bien si conectamos los terminales A y C el valor de la resistencia dependería de la posición donde estuviera el terminal C, que se puede mover hacia un lado o el otro. Hemos conseguido un Potenciómetro, ya que es una resistencia variable. Este potenciómetro es variable mecánicamente, ya que para que varía la resistencia lo hacemos manualmente, moviendo el terminal C. Este tipo de potenciómetros se llaman reóstatos, suelen tener resistencia grandes y se suelen utilizar en circuitos eléctricos por los que circula mucha intensidad.

   Se suelen llamar potenciómetros lineales o deslizantes por que cambian su valor deslizando por una línea la patilla C. Veamos como son en realidad.

   El mismo mecanismo, pero mas pequeño, tendrían los potenciómetros rotatorios para electrónica. Se usan en circuitos de pequeñas corrientes. Veamos como son.

   Si nos fijamos tienen 3 patillas como el anterior. Para conectarlo debemos conectar al circuito las patillas A y B o la C y B, es decir la del medio siempre con una de los extremos y así conseguiremos que sea variable. Tienen una rosca que puede variarse con un

destornillador, como es el caso del de color negro, o puede tener un saliente que gira con la mano para variar la resistencia del potenciómetro al valor que queramos. Estos potenciometros también se llamanrotatorios.

   El símbolo de un potenciómetro mecanico en un circuito eléctrico es el siguiente:

   Vemos que es como el de una resistencia pero con una flecha que lo atraviesa y que significa variabilidad (que varia). Podemos usar cualquiera de los dos.

   Ya tenemos claro lo que es un  potenciometro, ahora veamos los tipos que hay.

   Tipos de Potenciómetros

   Los primeros y más usados son los ya estudiados llamados mecánicos. Los hay rotatorios,lineales, logarítmicos y senoidales. Los dos primeros ya los hemos visto, veamos los otros.

   Logarítmicos: Estos son empleados normalmente para audio por su manera asimétrica de comportarse ante la variación de su eje, al principio sufriremos un incremento de la resistencia muy leve, hasta llegar a un punto en que el incremento será mucho mayor. En los anteriores la resistencia varía de forma lineal, sin embargo en estos la variación de la resistencia tendría una curva logarítmica. Cuanto más giramos la rueda mayor es el aumento de la resistencia. Al principio varía muy poco la resistencia. Se suelen usar por ejemplo para el volumen de una radio.

   Senoidales. La resistencia es proporcional al seno del ángulo de giro. Dos potenciómetros senoidales solidarios y girados 90° proporcionan el seno y el coseno del ángulo de giro. Pueden tener topes de fin de carrera o no.

    Ahora hay los llamados Potenciómetros Digitales. Se usan para sustituir a los mecánicos simulando su funcionamiento y evitando los problemas mecánicos de estos últimos. Está formado por un circuito integrado que simula el comportamiento de su equivalente analógico. Tienen un divisor resistivo (divisor de tensión) con n+1 resistencias.

  Por último vamos hablar de unos componentes que no se consideran

potenciómetros propiamente, pero si que son resistencias variables.

   - LDR son resistencias que varían con la luz que incide sobre ella. Es un resistencia variable con la luz.

  - NTC y PTC son resistencias variable con la temperatura. La NTC aumenta al disminuir la temperatura y la PTC aumenta al aumentar la temperatura.

   Circuitos con Potenciómetro

   Veamos el circuito más clásico. Tenemos un circuito para que se encienda un led con una pila a 9V. El Led trabajo a una tensión de 2V, por lo que pondremos una resistencia fija (para que la resistencia total del circuito nunca sea 0, en caso de poner a 0 el potenciómetro) y un potenciómetro para provocar una caída de tensión de 7V entre la Rfija y el Potenciómetro, de tal forma que el Led solo tenga los 2V necesario como máximo.

    Si el  potenciómetro lo ponemos a 0 de resistencia la tensión del Led será la máxima que pueda tener (2V). si ahora aumentamos la resistencia del potenciometro el Led estará a menos tensión y lucirá menos. A más resistencia del potenciómetro menos tensión en el Led y lucirá menos.

   Podemos usar un  potenciómetro para controlar el nivel de luz, pero también para controlar el volumen en audífonos, radios y amplificadores, el nivel de calor en un radiador, nivel de iluminación de un televisor, indicar el nivel de gasolina en un coche, etc.

   Si cambiamos el Led por un altavoz controlaremos el nivel del altavoz.

   Otro de los usos de los potenciómetros es la de reguladores de velocidad en motores. Si ponemos en serie un potenciometro con un motor al aumentar la resistencia del potenciómetro disminuirá la velocidad del motor d.c. Esto es mejor hacerlo con un transistor. El potenciómetro controla la intensidad que envía el transistor al motor. El potenciómetro controla la intensidad de base. Para saber más sobre el transistor pincha en el enlace subrayado. Veamos el esquema.

Calculador de código de colores de resistencias de 5 bandas

.

Esta herramienta se utiliza para decodificar información para las resistencias con conductores axiales en una banda de colores. Seleccione la cantidad de bandas y, luego, sus colores para determinar el valor y la tolerancia de las resistencias o vea todas las resistencias que Digi-Key tiene para ofrecerle.

 El código de colores

Muchas veces nos habremos preguntado porqué algunos resistores tienen unas

bandas o líneas de colores alrededor de su cuerpo. Estas bandas tienen un

significado específico determinado por un código especial llamado el código de

colores.

Para los resistores de alambre o de carbón de 1 vatio en adelante es fácil escribir el

valor en su cuerpo, pero para los resistores más pequeños es muy difícil hacerlo ya

que su tamaño lo impide.

Para los resistores pequeñas de carbón y película de carbón, que son las más

utilizadas en los circuitos electrónicos, existe un método de identificación muy

versátil llamado el código de colores. Este método, que utiliza tres, cuatro o cinco

líneas de colores pintadas alrededor del cuerpo del resistor, sirve para indicar su

valor en Ohmios y su precisión.

El sistema de las líneas de colores resuelve dos problemas principalmente:

Sería demasiado difícil ver números grandes marcados en resistores

pequeños. Por ejemplo: 1.000.000 ohmios en un resistor de 1/4 de vatio no

se vería muy bien.

Si el resistor queda en cierta posición en el circuito, no sería visible este

número y no se podría leer su valor.

Las bandas de colores que tienen este tipo de resistores alrededor de su cuerpo,

parece que resuelven todos estos problemas. En este código, cada color

corresponde a un número en particular. Hay dos códigos de colores para los

resistores de carbón. El de 3 o 4 bandas y el de 5 bandas.

Para leer el código de colores de un resistor, ésta se debe tomar en la mano y

colocar de la siguiente forma: la línea o banda de color que está más cerca del

borde se coloca a la izquierda, quedando generalmente a la derecha una banda de

color dorado o plateado.

Multímetro analógico

Multímetro analógico

El multímetro o polímetro analógico, así como existen instrumentos para medir el peso, la longitud, el volumen, la temperatura y otros parámetros asociados con los cuerpos también hay instrumentos de medición necesarios en el taller de electrónica que sirven para obtener medidas específicas de corriente eléctrica como voltaje, resistencias, frecuencias y otras

Multímetro: este instrumento es el más importante ya que cuenta con varias funciones y se puede utilizar para medir resistencias como omhetro; corrientes eléctricas como amperímetro.

Óhmetro

Esquema 4: óhmetro

El óhmetro permite medir resistencias. Una pila interna hace circular una corriente a través de la resistencia a medir, el instrumento y una resistencia adicional de ajuste.

Cuando los terminales de medida se ponen en cortocircuito circula la máxima corriente por el galvanómetro. Es el valor de corriente que se asocia a R = 0. Con la resistencia de ajuste se retoca esa corriente hasta que coincida con el fondo de escala y en la división que indica la corriente máxima se pone el valor de 0 ohmios. Cuando en los terminales se conecta la resistencia que se desea medir, se provoca una caída de tensión y la aguja

se desplaza hacia valores inferiores de corriente, esto es, hacia la izquierda. La escala de resistencias crecerá, pues, de derecha a izquierda.

Debido a la relación inversa entre resistencia y corriente (R=V/I), la escala del óhmetro no es lineal, lo cual provocará mayor error de medida conforme nos acerquemos a corrientes pequeñas (grandes valores de la resistencia R a medir).

Montaje

A continuación presentamos el circuito eléctrico que hará las veces de óhmetro (Esquema 4):

Añadiremos una resistencia de protección   a la resistencia variable  .

Como elemento activo se incluye una pila que hace circular la corriente, cuyas magnitudes serán la fuerza electromotriz ε y la resistencia interna  .

Lo primero que hay que hacer es cortocircuitar la resistencia a medir R, y ajustar la

resistencia variable   para que la aguja llegue al fondo de la escala.

La intensidad que circulará por el circuito en este caso será   y se puede expresar:

Si ahora conectamos R (eliminamos el cortocircuito), la nueva intensidad quedará:

y se verificará que:

Si combinamos las dos ecuaciones anteriores, obtenemos:

Un óhmetro u ohmímetro es un instrumento para medir la resistencia eléctrica.

El diseño de un óhmnimetro se compone de una pequeña batería para aplicar un voltaje a la resistencia bajo medida, para luego, mediante un galvanómetro, medir la corriente que circula a través de la resistencia.

La escala del galvanómetro está calibrada directamente en ohmios, ya que en aplicación de la ley de Ohm, al ser el voltaje de la batería fijo, la intensidad circulante a través del galvanómetro sólo va a depender del valor de la resistencia bajo medida, esto es, a menor resistencia mayor intensidad de corriente y viceversa.

Existen también otros tipos de óhmetros más exactos y sofisticados, en los que la batería ha sido sustituida por un circuito que genera una corriente de intensidad constante I, la cual se hace circular a través de la resistencia R bajo prueba. Luego, mediante otro circuito se mide el voltaje V en los extremos de la resistencia. De acuerdo con la ley de Ohm el valor de R vendrá dado por:

Para medidas de alta precisión la disposición indicada anteriormente no es apropiada, por cuanto que la lectura del medidor es la suma de la resistencia de los cables de medida y la de la resistencia bajo prueba.Para evitar este inconveniente, un óhmetro de precisión tiene cuatro terminales, denominados contactos Kelvín. Dos terminales llevan la corriente constante desde el medidor a la resistencia, mientras que los otros dos permiten la medida del voltaje directamente entre terminales de la misma, con lo que la caída de tensión en los conductores que aplican dicha corriente constante a la resistencia bajo prueba no afecta a la exactitud de la medida.

Hasta ahora hemos considerado los circuitos con un solo receptor, pero lo cierto es que es más común encontrar varios receptores en el mismo circuito.

Cuando se instalan varios receptores, éstos pueden ser montados de diferentes maneras:

En serie En paralelo Mixtos

Circuitos en serie

En un circuito en serie los receptores están instalados uno a continuación de otro en la línea eléctrica, de tal forma que la corriente que atraviesa el primero de ellos será la misma que la que atraviesa el último. Para instalar un nuevo elemento en serie en un circuito tendremos que cortar el cable y cada uno de los terminales generados conectarlos al receptor.

 

Circuito en paralelo

En un circuito en paralelo cada receptor conectado a la fuente de alimentación lo está de forma independiente al resto; cada uno tiene su propia línea, aunque haya parte de esa línea que sea común a todos. Para conectar un nuevo receptor en paralelo, añadiremos una nueva línea conectada a los terminales de las líneas que ya hay en el circuito.

Caída de tensión en un receptor

Aparece un concepto nuevo ligado a la tensión. Cuando tenemos más de un receptor conectado en serie en un circuito, si medimos los voltios en los extremos de cada uno de los receptores podemos ver que la medida no es la misma si aquellos tienen resistencias diferentes. La medida de los voltios en los extremos de cada receptor la llamamos caída de tensión.

La corriente en los circuitos serie y paralelo

Una manera muy rápida de distinguir un circuito en seria de otro en paralelo consiste en imaginala circulación de los electrones a través de uno de los receptores: si para regresen a la pila atravesando el receptor, los electrones tienen que atravesar otro receptor, el circuito está en serie; si los electrones llegan atravesando sólo el receptor seleccionado, el circuito está en paralelo.

Circuito en paraleloEl circuito eléctrico en paralelo es una conexión donde los puertos de entrada de todos los dispositivos (generadores, resistencias, condensadores, etc.) conectados coincidan entre sí, lo mismo que sus terminales de salida.

Siguiendo un símil hidráulico, dos tinacos de agua conectados en paralelo tendrán una entrada común que alimentará simultáneamente a ambos, así como una salida común que drenará a ambos a la vez. En una casa habitación se conectan todas las cargas en paralelo para tener el mismo voltaje (por ejemplo 120 Volts en México).

En función de los dispositivos conectados en paralelo, el valor total o equivalente se obtiene con las siguientes expresiones

Para generadores

También Para Resistencias

Para Condensadores

Para Interruptores

Interruptor A

Interruptor B

Interruptor C

Salida

Abierto

Abierto

Abierto

Abierto

Abierto

Abierto

Cerrado

Cerrado

Abierto

Cerrado

Abierto

Cerrado

Abierto

Cerrado

Cerrado

Cerrado

Cerrado

Abierto

Abierto

Cerrado

Cerrado

Abierto

Cerrado

Cerrado

Cerrado

Cerrado

Abierto

Cerrado

Cerrado

Cerrado

Cerrado

Cerrado

Asociación de pilas: calcular el voltaje total: (v1+v2+v3…)/vn → (Cada componente tiene el voltaje de la fuente A y B) los circuitos serie o paralelo sirven para tener un reparo automático de conexiones o circuitos automáticos como por ejemplo un foco (lampara).

Fotorresistor

LDR

Un fotorresistor o LDR (por sus siglas en inglés "light-dependent resistor") es un componente electrónico cuya resistencia varia en función de la luz.

El valor de resistencia eléctrica de un LDR es bajo cuando hay luz incidiendo en él (puede descender hasta 50 ohms) y muy alto cuando está a oscuras (varios megaohmios).

Características

Su funcionamiento se basa en el efecto fotoeléctrico. Un fotorresistor está hecho de un semiconductor de alta resistencia como el sulfuro de cadmio, CdS. Si la luz que incide en el dispositivo es de alta frecuencia, los fotones son absorbidos por las elasticidades delsemiconductor dando a los electrones la suficiente energía para saltar la banda de conducción. El electrón libre que resulta, y su hueco asociado, conducen la electricidad, de tal modo que disminuye la resistencia. Los valores típicos varían entre 1 MΩ, o más, en la oscuridad y 100 Ω con luz brillante.

Las células de sulfuro del cadmio se basan en la capacidad del cadmio de variar su resistencia según la cantidad de luz que incide en la célula. Cuanta más luz incide, más baja es la resistencia. Las células son también capaces de reaccionar a una amplia gama de frecuencias, incluyendo infrarrojo (IR), luz visible, y ultravioleta (UV).

Fotocelda o fotorresistencia, cambia su valor resistivo (Ohms) conforme a la intensidad de luz.

Mayor luz, menor resistencia y viceversa..

La variación del valor de la resistencia tiene cierto retardo, diferente si se pasa de oscuro a iluminado o de iluminado a oscuro. Esto limita a no usar los LDR en aplicaciones en las que la señal luminosa varía con rapidez. El tiempo de respuesta típico de un LDR está en el orden de una décima de segundo. Esta lentitud da ventaja en algunas aplicaciones, ya que se filtran variaciones rápidas de iluminación que podrían hacer inestable un sensor (ej. tubo fluorescente alimentado por corriente alterna). En otras aplicaciones (saber si es de día o es de noche) la lentitud de la detección no es importante.

Se fabrican en diversos tipos y pueden encontrarse en muchos artículos de consumo, como por ejemplo en cámaras, medidores de luz, relojes con radio, alarmas de seguridad o sistemas de encendido y apagado del alumbrado de calles.

También se fabrican fotoconductores de Ge:Cu que funcionan dentro de la gama más baja "radiación infrarroja".

LRD(Fotorresistencia)Brevemente podriamos definir una fotorresistencia como un transistor bipolar capaz de detectar variaciones de luz.Sin embargo este dispositivo encierra una mayor complejidad y merece un mayor reconocimiento debido a la gran importancia práctica que ha adquirido en la segunda parte del siglo XX y en los inicios del nuevo milenio, ya que  son múltiples los usos que se realizan con este sensor lumínico: desde camaras de video, alarmas de seguridad hasta sistemas de encendido y apagado del alumbrado de calles.

La fotorresistencia surgio como resultado de varios descubrimientos entre los que cabe destacar la invención de la resistencia por parte de George Ohm en 1827, posteriormente fueron investigadas las teorias de Albert Einstein sobre el efecto fotoeléctrico, el cual tuvo como base las teorias anteriormente expuestas por Max Planck, ambos son considerados los padres de la teoría cuantica.Por último Willoughby Smith descubridor de la fotoconductividad lo que fue clave para que años despues, mitad del siglo XX, se crearan y patentaran las primeras fotorresistencias en EEUU.

La fotorresistencia, tambien llamada LDR debido a que en terminología inglesa su nombre es Light-Dependet resistor , pertenece al grupo de los llamados sensores fotoeléctricos, es decir aquellos queresponden al cambio en la intensidad de la luz, algunos de ellos ( no es el caso de la fotorresistencia) llevan incorporados una fuente luminosa, generelamente la mayoría de los sensores fotoeléctricos utilizan LEDs como fuentes de luz.

Realmente una fotorresistencia( o también llamado fotorresistor, fotoconductor, célula fotoeléctrica) es una resistencia cualquiera que cambia su  valor dependiendo de la cantidad de luz que lo ilumina, en especial, disminuye cuando aumenta la intensidad de la luz incidente, el valor de resistencia eléctrica de un LDR es bajo cuando hay luz incidiendo en él (puede variar entre 1K :1000 Ohms hasta 50 Ohms) y bastante alto cuando está en penumbra (aproxidamadamente 50K : 50,000 Ohms).

Como se puede apreciar en la imagen adjunta, la fotorresistencia consta de un cuerpo compuesto por una célula o celda y dos patillas.El cuerpo del mismo esta compuesto por sulfuro de cadmio un material semiconductor, el cual hace variar el valor de la resistencia dependiendo de la luz incidida en el mismo, esta luz si es de alta frecuencia(incluida las frecuencias infrarrojas , ultravioletas y otras frecuencias  que puedan encontrarse  en el espectro electromagnético) los fotones son absorbidos por la elasticidad del sulfato de cadmio lo que favorece que surga un electrón libre que  pueda conducir la electricidad disminuyendo asi su resistencia.

Termistor

Símbolo genérico de un termistor.

Símbolo NTC.

Símbolo PTC.

Un termistor es un sensor resistivo de temperatura. Su funcionamiento se basa en la variación de la resistividad que presenta unsemiconductor con la temperatura. El término termistor proviene de Thermally Sensitive Resistor. Existen dos tipos de termistor:

NTC (Negative Temperature Coefficient) – coeficiente de temperatura negativo

PTC (Positive Temperature Coefficient) – coeficiente de temperatura positivo (también

llamado posistor).

Cuando la temperatura aumenta, los tipo PTC aumentan su resistencia y los NTC la disminuyen.

Introducción

El funcionamiento se basa en la variación de la resistencia del semiconductor debido al cambio de la temperatura ambiente, creando una variación en la concentración de portadores. Para los termistores NTC, al aumentar la temperatura, aumentará también la concentración de portadores, por lo que la resistencia será menor, de ahí que el coeficiente sea negativo. Para los termistores PTC, en el caso de un semiconductor con un dopado muy intenso, éste adquirirá propiedades metálicas, tomando un coeficiente positivo en un margen de temperatura limitado. Usualmente, los termistores se fabrican a partir de óxidos semiconductores, tales como el óxido férrico, el óxido de níquel, o el óxido de cobalto.

Sin embargo, a diferencia de los sensores RTD, la variación de la resistencia con la temperatura no es lineal. Para un termistor NTC, la característica es hiperbólica. Para pequeños incrementos de temperatura, se darán grandes incrementos de resistencia. Por ejemplo, el siguiente modelo caracteriza la relación entre la temperatura y la resistencia mediante dos parámetros:

con

donde:

 es la resistencia del termistor NTC a la temperatura T (K)

 es la resistencia del termistor NTC a la temperatura de referencia   (K)

B es la temperatura característica del material, entre 2000 K y 5000 K.

Por analogía a los sensores RTD, podría definirse un coeficiente de temperatura equivalente  , que para el modelo de dos parámetros quedaría:

Puede observarse como el valor de este coeficiente varía con la temperatura. Por ejemplo, para un termistor NTC con B = 4000 K y T = 25 °C, se tendrá un

coeficiente equivalente   = -0.045  , que será diez veces superior a la

sensibilidad de un sensor Pt100 con   = 0.00385  .

El error de este modelo en el margen de 0 a 50 °C es del orden de ±0.5 °C. Existen modelos más sofisticados con más parámetros que dan un error de aproximación aún menor.

En la siguiente figura se muestra la relación tensión – corriente de un termistor NTC, en la que aparecen los efectos del autocalentamiento.

Autocalentamiento.

A partir del punto A, los efectos del autocalentamiento se hacen más evidentes. Un aumento de la corriente implicará una mayor potencia disipada en el termistor, aumentando la temperatura de éste y disminuyendo su resistencia, dejando de aumentar la tensión que cae en el termistor. A partir del punto B, la pendiente pasa a ser negativa.

Tipos

Termistor (tipo perla)

 

Termistor (tipo SMD)

 

Termistor (tipo disco)

 

Termistor (axial)

 

Sonda de medida

Termopar.

Un termopar (también llamado termocople) es un transductor formado por la unión de dos metales distintos que produce una diferencia de potencial muy pequeña (del orden de los milivoltios) que es función de la diferencia de temperatura entre uno de los extremos denominado «punto caliente» o «unión caliente» o de «medida» y el otro llamado «punto frío» o «unión fría» o de «referencia» (efecto Seebeck).

Normalmente los termopares industriales están compuestos por un tubo de acero inoxidable u otro material. En un extremo del tubo está la unión, y en el otro el terminal eléctrico de los cables, protegido dentro de una caja redonda de aluminio (cabezal). En instrumentación industrial, los termopares son usados como sensores de temperatura. Son económicos, intercambiables, tienen conectores estándar y son capaces de medir un amplio rango de temperaturas. Su principal limitación está en la exactitud, pues es fácil obtener errores del sistema cuando se trabaja con precisiones inferiores a un grado Celsius.[cita requerida]. El grupo de termopares conectados en serie recibe el nombre de termopila. Tanto los termopares como las termopilas son muy usados en aplicaciones de calefacción a gas.

Linealización

Además de lidiar con la compensación de unión fría, el instrumento de medición debe además enfrentar el hecho de que la energía generada por un termopar no es una función lineal de la temperatura. Esta dependencia se puede aproximar por un polinomio complejo (de grado 5 a 9, dependiendo del tipo de termopar). Los métodos analógicos de linealización son usados en medidores de termopares de bajo costo.

Formato de termopares

Los termopares están disponibles en diferentes formatos, como sondas. Estas últimas son ideales para variadas aplicaciones de medición, por ejemplo, en la investigación médica, sensores de temperatura para los alimentos, en la industria y en otras ramas de la ciencia, etc. A la hora de seleccionar una sonda de este tipo debe tenerse en consideración el tipo de conector. Los dos tipos son el modelo «estándar», con pines redondos y el modelo «miniatura», con pines chatos, siendo estos últimos (contradictoriamente al nombre de los primeros) los más populares.

Otro punto importante en la selección es el tipo de termopar, el aislamiento y la construcción de la sonda. Todos estos factores tienen un efecto en el rango de temperatura a medir, precisión y fiabilidad en las lecturas.

Tipos

Tipo K (cromel/alumel): con una amplia variedad aplicaciones, está disponible a un bajo costo y en una variedad de sondas. El cromel es una aleación de Ni-Cr, y el alumel es una aleación de Ni-Al. Tienen un rango de temperatura de –200 °C a +1372 °C y una sensibilidad 41 µV/°C aproximadamente. Posee buena resistencia a la oxidación.

Tipo E (cromel/constantán [aleación de Cu-Ni]: no son magnéticos y gracias a su sensibilidad, son ideales para el uso en bajas temperaturas, en el ámbito criogénico. Tienen una sensibilidad de 68 µV/°C.

Tipo J (hierro/constantán): su rango de utilización es de –270/+1200 °C. Debido a sus características se recomienda su uso en atmósferas inertes, reductoras o en vacío, su uso continuado a 800 °C no presenta problemas, su principal inconveniente es la rápida oxidación que sufre el hierro por encima de 550 °C; y por debajo de 0 °C es necesario tomar precauciones a causa de la condensación de vapor de agua sobre el hierro.

Tipo T (cobre/constantán): ideales para mediciones entre -200 y 260 °C. Resisten atmósferas húmedas, reductoras y oxidantes y son aplicables en criogenia. El tipo termopar de T tiene una sensibilidad de cerca de 43 µV/°C.

Tipo N (nicrosil [Ni-Cr-Si]/nisil [Ni-Si]): es adecuado para mediciones de alta temperatura gracias a su elevada estabilidad y resistencia a la oxidación de altas temperaturas, y no necesita del platino utilizado en los tipos B, R y S, que son más caros.

Por otro lado, los termopares tipo B, R y S son los más estables, pero debido a su baja sensibilidad (10 µV/°C aprox.) generalmente son usados para medir altas temperaturas (superiores a 300 °C).

Tipo B (Pt-Rh): son adecuados para la medición de altas temperaturas superiores a 1800 °C. Los tipo B presentan el mismo resultado a 0 °C y 42 °C debido a su curva de temperatura/voltaje, limitando así su uso a temperaturas por encima de 50 °C.

Tipo R (Pt-Rh): adecuados para la medición de temperaturas de hasta 1300 °C. Su baja sensibilidad (10 µV/°C) y su elevado precio quitan su atractivo.

Tipo S (Pt/Rh): ideales para mediciones de altas temperaturas hasta los 1300 °C, pero su baja sensibilidad (10 µV/°C) y su elevado precio lo convierten en un instrumento no adecuado para el uso general. Debido a su elevada estabilidad, el tipo S es utilizado para la calibración universal del punto de fusión del oro (1064,43 °C).

Los termopares con una baja sensibilidad, como en el caso de los tipos B, R y S, tienen además una resolución menor. La selección de termopares es importante para asegurarse que cubren el rango de temperaturas a determinar.

Precauciones y consideraciones al usar termopares[editar]

La mayor parte de los problemas de medición y errores con los termopares se deben a la falta de conocimientos del funcionamiento de los termopares. A continuación, un breve listado de los problemas más comunes que deben tenerse en cuenta.

Problemas de conexión[editar]

La mayoría de los errores de medición son causados por uniones no intencionales del termopar. Se debe tener en cuenta que cualquier contacto entre dos metales distintos creará una unión. Si lo que se desea es aumentar la longitud de las guías, se debe usar el tipo correcto del cable de extensión. Así por ejemplo, el tipo K corresponde al termopar K. Al usar otro tipo se introducirá una unión termopar. Cualquiera que sea el conector empleado debe estar hecho del material termopar correcto y su polaridad debe ser la adecuada. Lo más correcto es emplear conectores comerciales del mismo tipo que el termopar para evitar problemas.

Resistencia de la guía[editar]

Para minimizar la desviación térmica y mejorar los tiempos de respuesta, los termopares están integrados con delgados cables. Esto puede causar que los termopares tengan una alta resistencia, la cual puede hacer que sea sensible al ruido y también puede causar errores debidos a la resistencia del instrumento de medición. Una unión termopar típica expuesta con 0,25 mm tendrá una resistencia de cerca de 15 ohmios por metro. Si se necesitan termopares con delgadas guías o largos cables, conviene mantener las guías cortas y entonces usar el cable de extensión, el cual es más grueso (lo que significa una menor resistencia) ubicado entre el termopar y el instrumento de medición. Se recomienda medir la resistencia del termopar antes de utilizarlo.

Voltaje en modo común

Estos voltajes pueden ser causados tanto por una recepción inductiva (un problema cuando se mide la temperatura de partes del motor y transformadores) o por las uniones a conexiones terrestres. Un ejemplo típico de uniones a tierra sería la medición de un tubo de agua caliente con un termopar sin aislamiento. Si existe alguna conexión terrestre pueden existir algunos voltios entre el tubo y la tierra del instrumento de medición. Estas señales están una vez más en el modo común (las mismas en ambos cables del termopar) así que no causarán ningún problema con la mayoría de los instrumentos siempre y cuando no sean demasiado grandes. Los voltajes del modo común pueden ser minimizados al usar los mismos recaudos del cableado establecidos para el ruido, y también al usar termopares aislados.

Desviación térmica

Al calentar la masa de los termopares se extrae energía que afectará a la temperatura que se trata determinar. Considérese por ejemplo, medir la temperatura de un líquido en un tubo de ensayo: existen dos problemas potenciales. El primero es que la energía del calor viajará hasta el cable del termopar y se disipará hacia la atmósfera reduciendo así la temperatura del líquido alrededor de los cables. Un problema similar puede ocurrir si un termopar no está suficientemente inmerso en el líquido, debido a un ambiente de temperatura de aire más frío en los cables, la conducción térmica puede causar que la unión del termopar esté a una temperatura diferente del líquido mismo. En este ejemplo, un termopar con cables más delgados puede ser útil, ya que causará un gradiente de temperatura más pronunciado a lo largo del cable del termopar en la unión entre el líquido y el aire del ambiente. Si se emplean termopares con cables delgados, se debe prestar atención a la resistencia de la guía. El uso de un termopar con cables delgados conectados a un termopar de extensión mucho más gruesa a menudo ofrece el mejor resultado.

Varistor

Un varistor es un componente electrónico con una curva característica similar a la del diodo. El término proviene de la contracción del inglés variable resistor. Los varistores suelen usarse para proteger circuitos contra variaciones de tensión al incorporarlos en el circuito de forma que cuando se active la corriente no pase por componentes sensibles. Un varistor también se

conoce como Resistor Dependiente de Voltaje o VDR. La función del varistor es conducir una corriente significativa cuando el voltaje es excesivo.

Nota: Sólo los resistores variables no ohmicos son usualmente llamados varistores. Otros tipos de resistores variables incluyen al potenciómetro y al reostato.

Funcionamiento

El tipo más común de varistor es el de óxido metálico (MOV). Este contiene una masa cerámica de granos de óxido de zinc, en una matriz de otros óxidos de metal (como pequeñas cantidades de bismuto, cobalto y manganeso) unidos entre sí por dos placas metálicas (los electrodos). La región de frontera entre cada grano y su alrededor forma una unión de diodo, la cual permite el flujo de corriente en una sola dirección. La masa de granos aleatoriamente orientados es eléctricamente equivalente a una red hecha por un par de diodos con sentido contrario al otro, cada par en paralelo junto con muchos otros pares. Cuando un VOLTAJE PEQUEÑO o moderado se aplica a través de los electrodos, SÓLO UNA CORRIENTE MUY PEQUEÑA fluye, causada por las corrientes de fuga en las uniones del diodo. Cuando un GRAN VOLTAJE se aplica, la unión de diodo se rompe debido a una combinación de emisión termoiónica y efecto túnel, produciendo que UNA GRAN CANTIDAD DE CORRIENTE FLUYA. El resultado de este comportamiento es una curva característica altamente no lineal, donde el MOV tiene una gran resistencia en bajas tensiones y una baja resistencia en altas tensiones.

Cuando la tensión en el varistor está por debajo de su "voltaje de disparo", éste funciona como un dispositivo regulador de corriente a operación normal, por lo que los varistores generalmente se usan como supresores de picos de tensión. Sin embargo, un varistor podría no limitar de forma exitosa la corriente de un evento como la caída de un rayo, donde la energía es mucho más grande de la que puede soportar. La corriente que fluye en el varistor podría ser tan grande que destruiría completamente el varistor. Inclusive, picos de tensión más pequeños podrían degradarlo. La degradación está definida por los gráficos de esperanza de vida, proporcionados por el fabricante, que relacionan corriente, tiempo y número de pulsos. El parámetro más importante que afecta la esperanza de vida del varistor es su energía consumida. A medida que el consumo de energía aumenta, su esperanza de vida decrece exponencialmente, y el número de picos que pueden soportar y el voltaje de disparo que provee durante cada pico decrecen. La probabilidad de una falla catastrófica puede reducirse al ampliar el rango o al conectar más varistores en paralelo. Se dice que un varistor está completamente degradado cuando su voltaje de disparo ha cambiado cerca del 10%. En esta condición el varistor no se ve dañado y todavía se mantiene funcional (no tiene falla catastrófica).

Típicamente, su tiempo de respuesta es del orden de los 5 a 25 nanosegundos y su voltaje de activación está comprendido entre 14V y 550V. Sin embargo, su confiabilidad es limitada, ya que se degradan con el uso. Su costo es bajo comparado con otros dispositivos protectores,

como los diodos supresores de avalancha de silicio, y poseen buena disipación de la energía eléctrica indeseable.

El varistor se coloca en paralelo al circuito a proteger y absorbe todos los picos mayores a su tensión nominal. El varistor sólo suprime picos transitorios; si es sometido a una tensión elevada constante, se destruye. Esto sucede, por ejemplo, cuando se aplica 220 VAC a un varistor de 110VAC, o al colocar el selector de tensión de una fuente de alimentación de un PC en posición incorrecta. En el diseño de circuitos es aconsejable colocar el varistor en un punto ubicado después de un fusible.

Tiene un gran campo de aplicación como aparamenta de protección en redes eléctricas, tanto de transporte como de distribución. Se utiliza como elemento "pararrayos" situado en los

propios apoyos de la línea, desviando las sobretensiones a tierra, y también como elemento de protección en los bypass de los bancos de condensadores compensadores de reactancia de

línea.

Superconductividad

Se denomina superconductividad a la capacidad intrínseca que poseen ciertos materiales para conducir corriente eléctrica sin resistencia ni pérdida de energía en determinadas condiciones. Fue descubierto por el físico neerlandés Heike Kamerlingh Onnes el 8 de abril de 1911 en Leiden. La resistividad eléctrica de un conductor metálico disminuye gradualmente a medida que la temperatura se reduce. Sin embargo, en los conductores ordinarios, como el cobre y la plata, las impurezas y otros defectos producen un valor límite. Incluso cerca de cero absoluto una muestra de cobre muestra una resistencia no nula. La resistencia de un superconductor, en cambio, desciende bruscamente a cero cuando el material se enfría por debajo de su temperatura crítica. Una corriente eléctrica que fluye en una espiral de cable superconductor puede persistir indefinidamente sin fuente de alimentación. Al igual que el ferromagnetismo y las líneas espectrales atómicas, la superconductividad es un fenómeno de la mecánica cuántica.

La superconductividad ocurre en una gran variedad de materiales, incluyendo elementos simples como el estaño y el aluminio, diversas aleaciones metálicas y algunos semiconductores fuertemente dopados. La superconductividad, normalmente, no ocurre en metales nobles como el cobre y la plata, ni en la mayoría de los metales ferromagnéticos. Pero en ciertos casos, el oro se clasifica como superconductor; por sus funciones y los mecanismos aplicados.

Comportamiento magnético

Expulsión del campo magnético.

Aunque la propiedad más sobresaliente de los superconductores es la ausencia de resistencia, lo cierto es que no podemos decir que se trate de un material de conductividad infinita, ya que este tipo de material por sí sólo no tiene sentido termodinámico. En realidad un material

superconductor de tipo I es perfectamente diamagnético. Esto hace que no permita que penetre en el campo, lo que se conoce como efecto Meissner.

El campo magnético distingue dos tipos de superconductores: los de tipo I, que no permiten en absoluto que penetre un campo magnético externo (lo cual conlleva un esfuerzo energético alto, e implica la ruptura brusca del estado superconductor si se supera la temperatura crítica), y los de tipo II, que son superconductores imperfectos, en el sentido en que el campo realmente penetra a través de pequeñas canalizaciones denominadas vórtices de Abrikosov, o fluxones. Estos dos tipos de superconductores son de hecho dos fases diferentes que fueron predichas por Lev Davidovich Landau y Aleksey Alekséyevich Abrikósov.

Cuando a un superconductor de tipo II le aplicamos un campo magnético externo débil lo repele perfectamente. Si lo aumentamos, el sistema se vuelve inestable y prefiere introducir vórtices para disminuir su energía. Éstos van aumentando en número colocándose en redes de vórtices que pueden ser observados mediante técnicas adecuadas. Cuando el campo es suficientemente alto, el número de defectos es tan alto que el material deja de ser superconductor. Éste es el campo crítico que hace que un material deje de ser superconductor y que depende de la temperatura.

Calor específico

En los metales el calor específico es una función de la temperatura. Cuando la temperatura es muy baja, pero el metal está en el estado normal (es decir, cuando aún no está en estado superconductor) el calor específico tiene la forma

C_v = aT + bT^3 \,\!

Donde a y b son constantes que se pueden medir mediante experimentos. El primer término (el término lineal) refleja la conducción eléctrica, mientras que el segundo término (el que varía con el cubo de la temperatura) se debe a los fonones (es decir, a las vibraciones de la red).

Historia de la superconductividad

Ya en el siglo XIX se llevaron a cabo diversos experimentos para medir la resistencia eléctrica a bajas temperaturas, siendo James Dewar el primer pionero en este campo.

Sin embargo, la superconductividad como tal no se descubriría hasta 1911, año en que el físico holandés Heike Kamerlingh Onnes observó que la resistencia eléctrica del mercurio desaparecía bruscamente al enfriarse a 4 K (-269 °C), cuando lo que se esperaba era que disminuyera gradualmente hasta el cero absoluto. Gracias a sus descubrimientos, principalmente por su método para lograr la producción de helio líquido, recibiría dos años más tarde el premio Nobel de física. Durante los primeros años el fenómeno fue conocido como supraconductividad. En 1913 se descubre que un campo magnético suficientemente grande también destruye el estado superconductor, descubriéndose tres años después la existencia de una corriente eléctrica crítica.

Puesto que se trata de un fenómeno esencialmente cuántico, no se hicieron grandes avances en la comprensión de la superconductividad, puesto que la comprensión y las herramientas matemáticas de que disponían los físicos de la época no fueron suficientes para afrontar el problema hasta los años cincuenta. Por ello, la investigación fue hasta entonces meramente fenomenológica, como por ejemplo el descubrimiento del efecto Meissner en 1933 y su primera explicación mediante el desarrollo de la ecuación de London dos años más tarde por parte de los hermanos Fritz y Heinz London.

Ley de Ohm

La ley de Ohm, postulada por el físico y matemático alemán Georg Simon Ohm, es una ley de la electricidad. Es una ley válida para los materiales "óhmicos" que son la mayoría de los empleados en componentes eléctricos (si bien existen tipos de materiales y dispositivos que no satisfacen la ley de Ohm).

La ley establece que la diferencia de potencial V que aparece entre los extremos de un conductor determinado es proporcional a la intensidad de la corriente I que circula por el citado conductor. Ohm completó la ley introduciendo la noción de resistencia eléctrica R; que es el factor de proporcionalidad que aparece en la relación entre V e I:

V = R \cdot I \,

La fórmula anterior se conoce como ley de Ohm incluso cuando la resistencia varía con la corriente,1 2 y en la misma V corresponde a la diferencia de potencial, R a la resistencia e I a la intensidad de la corriente. Las unidades de esas tres magnitudes en el sistema internacional de unidades son, respectivamente, voltios (V), ohmios (Ω) y amperios (A).

Otras expresiones alternativas, que se obtienen a partir de la ecuación anterior, son:

I = \frac V R válida si 'R' no es nulo

R = \frac V I válida si 'I' no es nula

En los circuitos de alterna senoidal, a partir del concepto de impedancia, se ha generalizado esta ley, dando lugar a la llamada ley de Ohm para circuitos recorridos por corriente alterna, que indica:3

I= \frac{V}{Z}

Donde I corresponde al fasor corriente, V al fasor tensión y Z a la impedancia.

Introducción histórica

Georg Simon Ohm nació en Erlangen (Alemania) el 16 de marzo de 1789 en el seno de una familia protestante, y desde muy joven trabajó en la cerrajería de su padre, el cual también hacía las veces de profesor de su hijo. Tras su paso por la universidad dirigió el Instituto Politécnico de Núremberg y dio clases de física experimental en la Universidad de Múnich hasta el final de su vida. Falleció en esta última ciudad el 6 de julio de 1854.

Poniendo a prueba su intuición en la física experimental consiguió introducir y cuantificar la resistencia eléctrica. Su formulación de la relación entre intensidad de corriente, diferencia de potencial y resistencia constituye la ley de Ohm, por ello la unidad de resistencia eléctrica se denominó ohmio en su honor.

V =R\cdot I \quad ; \quad R= \frac V I \quad ; \quad I= \frac V R

Sufrió durante mucho tiempo la reticencia de los medios científicos europeos para aceptar sus ideas pero finalmente la Real Sociedad de Londres le premió con la Medalla Copley en 1841 y la Universidad de Múnich le otorgó la cátedra de Profesor de Física en 1849.4

En 1840 estudió las perturbaciones sonoras en el campo de la acústica fisiológica (ley de Ohm-Helmholtz) y a partir de 1852 centró su actividad en los estudios de carácter óptico, en especial en los fenómenos de interferencia.

Algunas aplicaciones de la ley

La importancia de esta ley reside en que verifica la relación entre la diferencia de potencial en bornes de una resistencia o impedancia, en general, y la intensidad de corriente que circula a su través. Con ella se resuelven numerosos problemas eléctricos no solo de la física y de la industria sino también de la vida real como son los consumos o las pérdidas en las instalaciones eléctricas de las empresas y de los hogares. También introduce una nueva forma para obtener la potencia eléctrica, y para calcular la energía eléctrica utilizada en cualquier suministro eléctrico desde las centrales eléctricas a los consumidores. La ley es necesaria, por ejemplo, para determinar qué valor debe tener una resistencia a incorporar en un circuito eléctrico con el fin de que este funcione con el mejor rendimiento.

La elección de la fórmula a utilizar dependerá del contexto en el que se aplique. Por ejemplo, si se trata de la curva característica I-V de un dispositivo eléctrico como un calefactor, se escribiría como: I = V/R. Si se trata de calcular la tensión V en bornes de una resistencia R por la que circula una corriente I, la aplicación de la ley sería: V= R I. También es posible calcular la resistencia R que ofrece un conductor que tiene una tensión V entre sus bornes y por el que circula una corriente I, aplicando la fórmula R = V/ I.

Corriente eléctrica y movimiento de carga

Corriente eléctrica de cargas negativas

Algunas partículas presentan una propiedad fundamental de la materia llamada carga eléctrica. Para estudiar la corriente eléctrica interesa ver cómo se desplazan esas cargas, es decir cómo se mueven las partículas elementales con una carga asociada como los electrones o los iones.6 La corriente se define como la carga neta que fluye a través de un área transversal \scriptstyle A por unidad de tiempo.

I= {{dq}\over {dt}}

Su unidad en el SI es el amperio (A). Un amperio es un culombio por segundo (electrones/segundo). Dado que en el movimiento de las cargas pueden intervenir tanto cargas positivas como negativas, por definición se adopta el criterio de que la corriente eléctrica tiene el sentido del movimiento de cargas positivo.7

Tal y como está definida la corriente, parece que la velocidad a la que se desplazan los electrones es constante. Sin embargo, para conseguir una corriente eléctrica es necesario que las cargas estén sometidas a un campo eléctrico \vec E. El campo eléctrico es la fuerza por unidad de carga. Por tanto, al establecer una corriente eléctrica se ejerce sobre las cargas una fuerza eléctrica \vec{F_e}=q\cdot \vec {E} y sobre las partículas cargadas se producirá, por tanto, una aceleración, tal y como señala la primera ley de Newton. Cada electrón experimenta una fuerza \vec{F_e}=q\cdot \vec {E} ; por tanto, la aceleración es

\vec{a}={{q\cdot \vec {E}}\over {m}}

siendo m la masa de la partícula cargada. Como \vec E es constante y la masa y la carga también, entonces \vec a también es constante.8

Analogía de la velocidad límite con la velocidad media de caída de una bola por un plano inclinado con pivotes. La bola es frenada repetidamente por los pivotes (los iones de la red cristalina del material conductor) de manera que su velocidad media de bajada es constante

El razonamiento anterior es válido cuando las cargas se mueven en el vacío y, por tanto, sin encontrar ningún obstáculo a su movimiento. Sin embargo, al desplazarse las cargas (electrones) por el interior de un material, por ejemplo en un metal, chocan reiteradamente con los iones de la estructura del metal, de forma que la velocidad definitiva con la que se mueven las cargas es constante.8 A esta velocidad (v_a) se le llama velocidad de arrastre o de deriva.

El fenómeno de los choques se puede interpretar como una fuerza de rozamiento o resistiva que se opone a \vec{F_e} hasta el punto de anularla, y entonces la velocidad neta de las cargas es constante. En cierta manera el fenómeno es similar al de las gotas de lluvia que en lugar de caer con una aceleración constante ( g ), alcanzan una velocidad límite constante en su caída debido a la presencia de aire.8

La densidad de corriente J[editar]

Detalle de la corriente en el conductor, la densidad de corriente y la velocidad de arrastre. En la figura aparece el esquema de un trozo elemental de material (ampliado) por el que circula una corriente eléctrica; se aprecia el sentido del movimiento de cargas según el campo eléctrico aplicado (por tanto, el de las cargas positivas) y que por convenio es el de circulación de la corriente

La densidad de corriente \vec {J} es un vector que lleva la dirección de la corriente y el sentido del campo eléctrico que acelera las cargas (si el material es lineal) como se explica en la Ley de Ohm en forma local.8 El vector \vec {J} establece, además, una relación directa entre la corriente eléctrica y la velocidad de arrastre v_a \ de las partículas cargadas que la forman. Se supone que hay n partículas cargadas por unidad de volumen. Se tiene en cuenta también que la \vec {v_a} es igual para todas las partículas. En estas condiciones se tiene que en un tiempo dt una partícula se desplazará una distancia v_a \cdot dt.

Se elige un volumen elemental tomado a lo largo del conductor por donde circula la corriente y se amplía para observarlo mejor. Por ejemplo, el volumen de un cilindro es igual a A v_a dt. El número de partículas dentro del cilindro es n(Av_a dt). Si cada partícula posee una carga q, la carga dQ que fluye fuera del cilindro durante el tiempo dt es nqv_a A dt.

La corriente por unidad de área trasversal se conoce como densidad de corriente J.8

J= {{I} \over {A}} = nqv_a

La densidad de corriente, y por tanto el sentido de circulación de la corriente, lleva el signo de las cargas positivas, por ello sustituimos en la expresión anterior q por |q| y se obtiene, finalmente, lo siguiente:

J= {{dQ} \over {dt}} = n |q| A v_a

La densidad de corriente se expresa como un vector cuyo sentido es el del campo eléctrico aplicado al conductor. Su expresión vectorial es:

\vec {J} = nq \vec {v_a}

Si por ejemplo se tratara de electrones, su carga q es negativa y el sentido de su velocidad de arrastre v_a \ también negativo; el resultado sería, finalmente, positivo.

Intensidad de corriente eléctrica y ley de Ohm en forma local[editar]

Las aplicaciones más generales sobre la corriente eléctrica se realizan en conductores eléctricos, siendo los metales los más básicos.9 En un metal los electrones de valencia siguen el llamado modelo de electrón libre, según el cual los electrones de valencia de un metal tienen libertad para moverse y están deslocalizados, es decir, no se pueden asociar a ningún ion de la estructura porque están continuamente moviéndose al azar, de forma similar a las moléculas de un gas. Las velocidades de los electrones dependen de la temperatura del material conductor; a la temperatura ambiente estas velocidades térmicas son elevadas, pudiendo alcanzar valores de 4 \times 10 ^{6} m/s. Ahora bien, el hecho de que se desplacen no quiere decir que haya una corriente eléctrica: el movimiento que llevan a cabo es desordenado y al azar, de forma que en conjunto el desplazamiento de unos electrones se compensa con el de otros y el resultado es que el movimiento neto de cargas es prácticamente nulo.9

Cuando se aplica un campo eléctrico \vec E a un metal los electrones modifican su movimiento aleatorio de tal manera que se arrastran lentamente en sentido opuesto al del campo eléctrico. De esta forma la velocidad total de un electrón pasa a ser la velocidad que tenía en ausencia de campo eléctrico más la provocada por el campo eléctrico. Así, la trayectoria de este electrón se vería modificada. Aparece, pues, una velocidad neta de los electrones en un sentido que recibe el nombre de velocidad de arrastre \vec {v_a}. Los valores numéricos de esta velocidad son bajos pues se encuentran en torno a los 10 ^{-6} m/s.

Trayectoria de un electrón sin ser sometido a un campo eléctrico (azul) y siendo sometido a campos cada vez más intensos (rojo). Con línea quebrada en azul se representa la trayectoria de movimiento caótico para un electrón que sufre sucesivos choques con los iones fijos de la estructura cristalina. La trayectoria en rojo representa el mismo fenómeno cuando se aplica un campo eléctrico orientado de derecha a izquierda y que puede alcanzar diferente intensidad (a mayor separación de la trayectoria azul, mayor valor del campo eléctrico). Aparece pues una pequeña desviación de las grandes velocidades térmicas de los electrones, cuyo efecto global se manifiesta como un movimiento ordenado con un pequeño valor de velocidad \vec {v_a} de arrastre según la dirección del campo \vec {E} y en sentido opuesto (debido al signo negativo de la carga del electrón).9

Si se toma como tiempo τ el tiempo promediado entre colisiones del electrón con los iones atómicos, usando la expresión de la aceleración que provoca un campo eléctrico sobre una carga, se obtiene la velocidad de arrastre \vec {v_a} = { {q \vec {E}} \over {m_e} }\tau . Sustituyendo en la ecuación anterior para la densidad de corriente \vec {J}, se llega a la ley de Ohm microscópica o en forma local.9

\vec {J} = { {n {q^2 } \vec {E}} \over {m_e} }\tau = \sigma \vec {E}

donde σ es la llamada conductividad eléctrica que relaciona directamente la densidad de corriente \vec {J} en un conductor y el campo eléctrico aplicado al mismo \vec {E}. En materiales lineales u óhmicos esta relación es lineal y a mayor campo eléctrico aplicado, mayor será la densidad de corriente generada, con su misma dirección y sentido ya que es una ley vectorial.

A partir de la ley de Ohm en forma local se puede obtener la ley de Ohm macroscópica, generalmente usada. Para ello se parte de un conductor metálico de sección A por donde circula una corriente I y se toma una longitud l del mismo. Entre los dos extremos del tramo aparece una diferencia de potencial \Delta V= E \cdot l. Por tanto, si se sustituye en la expresión anterior sucede que

\Delta V= {{m_e \cdot l} \over {n q^2 \tau}}\cdot J ={{l}\over{\sigma A}} \cdot I = R \cdot I .

Por definición, la relación entre la densidad J y la intensidad I de la corriente eléctrica que circula a través del conductor es J={{I} \over {A}} y R es una propiedad importante del material conductor que se llama resistencia eléctrica, que es inversamente proporcional a la conductividad del material y que representa una medida de la oposición del conductor a la conducción eléctrica.9

Ley de Ohm clásica

La ley de Ohm determina que para algunos materiales —como la mayoría de los conductores metálicos— la densidad de corriente J y el campo eléctrico E se relacionan a través de una constante \sigmallamada conductividad, característica de cada sustancia.10 Es decir:

\vec {J} = \sigma \vec {E}

Esta es la ley de Ohm en forma local, obtenida a partir de la noción del campo eléctrico que acelera a los electrones que se desplazan libremente por el metal conductor. Gracias a ella se ha obtenido la ley clásica o macroscópica:

V=R I

Aquellos materiales que cumplen dicha ley se les llama óhmicos mientras que a los que no la cumplen se les denomina no óhmicos. Esta ley contiene menos información, al ser escalar, que la ley vectorial para la densidad de corriente (incluye módulo, dirección y sentido).

No se puede considerar la ley de Ohm como una ley fundamental de la naturaleza ya que solo la cumplen ciertos materiales por lo que se considera una relación empírica.10 Sin embargo, esta ley tiene aplicación para una gran variedad de materiales, en especial los metales. Incluso en los materiales no óhmicos, como los semiconductores, la relación I(V) o curva característica, tiene tramos lineales donde es aplicable la ley de Ohm.

Definición de resistividad y su relación con la resistencia

Resistencia eléctrica de un conductor

De forma práctica, la ley de Ohm puede obtenerse considerando una porción de un cable recto de sección trasversal A y longitud l

Una diferencia de potencial \Delta V = V_b - V_a mantenida a través de un conductor establece un campo eléctrico E y este campo produce una corriente I que es proporcional a la diferencia de potencial. Si el campo se considera uniforme, la diferencia de potencial \Delta V se puede relacionar con el campo eléctrico E de la siguiente forma:

\Delta V = E l

Por tanto, la magnitud de la densidad de corriente en el cable J se puede expresar como:

J = \sigma E = (1/\rho)\cdot E = (1/\rho)\cdot \Delta V / l

Puesto que J = I / A , la diferencia de potencial puede escribirse como:

\Delta V = \rho\cdot l\cdot J = \left ( \frac{\rho \cdot l}{A} \right )\cdot I = R I

La cantidad R=\left ( \frac{\rho \cdot l}{A} \right ) se denomina resistencia R del conductor. La resistencia es la razón entre la diferencia de potencial aplicada a un conductor \Delta V y la corriente que pasa por el mismo I :

R = {V \over I}

Resistividad eléctrica y su relación con la resistencia eléctrica

Dicha igualdad representa un caso particular de la ecuación J = \sigma E , donde la sección del conductor es uniforme y el campo eléctrico creado también, lo que permite expresar el ohmio (\Omega ) como unidad de la resistencia de la siguiente manera:11

Es la resistencia de un conductor que teniendo aplicada entre sus extremos una diferencia de potencial de un voltio está recorrido por una corriente de un amperio.

Dado que R es igual a \left ( \frac{\rho \cdot l}{A} \right ) , la resistencia de un conductor cilíndrico determinado es proporcional a su longitud e inversamente proporcional al área de su sección transversal.

La resistividad \rho es una propiedad de una sustancia, en tanto que la resistencia es la propiedad de un objeto constituido por una sustancia y con una forma determinada. Las sustancias con resistividades grandes son malos conductores o buenos aislantes, e inversamente, las sustancias de pequeña resistividad son buenos conductores.11

Dependencia de la resistividad con la temperatura[editar]

La resistividad de cada material óhmico depende de las propiedades de dicho material y de la temperatura y, por otro lado, la resistencia de una sustancia depende de la forma del material y de la resistividad.10 En general, la relación funcional entre la temperatura y la resistividad de un metal puede calcularse a partir de la relación polinómica:12

\rho=\rho_0 [1+ \alpha (T-T_0) + \beta (T-T_0)^2 + \gamma (T-T_0)^3 + ...]

En el rango de temperaturas de 0ºC a 200ºC, la resistividad de un metal varía aproximadamente de manera lineal con la temperatura de acuerdo con la expresión:12

\rho=\rho_0 [1+ \alpha (T-T_0)]

Donde \rho es la resistividad a cierta temperatura T (en grados Celsius), \rho_0 es la resistividad a determinada temperatura de referencia T_0 (que suele considerarse igual a 20º C) y \alpha es el coeficiente de temperatura de resistividad.

Resistividades y coeficientes de temperatura de resistividad para varios materiales13 14

Material

Resistividad ρ a 20 °C, Ω x m

Coeficiente de temperatura α a 20 °C, K-1

Plata

1,6 x 10-8

3,8 x 10-3

Cobre

1,7 x 10-8

3,9 x 10-3

Aluminio

2,8 x 10-8

3,9 x 10-3

Wolframio

5,5 x 10-8

4,5 x 10-3

Hierro

10 x 10-8

5,0 x 10-3

Plomo

22 x 10-8

4,3 x 10-8

Mercurio

96 x 10-8

0,9 x 10-3

Nicron

100 x 10-8

0,4 10-3

Carbono

3500 x 10-8

-0,5 x 10-3

Germanio

0,45

-4,8 x 10-2

Silicio

640

-7,5 x 10-2

Madera

108 -1014

Vidrio

1010 -1014

Goma dura

1013 -1016

Ámbar

5 x 1014

Azufre

1 x 1015

Nótese que los valores de \alpha son en general positivos, salvo para el carbono, el germanio y el silicio.

Dado que en un objeto dado, la resistencia es proporcional a la resistividad, se puede denotar la variación en su resistencia como:

R=R_0 [1+\alpha(T-T_0)]

A partir de la fórmula anterior se pueden realizar determinaciones de temperatura, a partir de la medición de la resistencia de un objeto.

Resistividad en función de la temperatura para un metal como el cobre. Se observa que la resistividad es casi proporcional a la temperatura. La curva es lineal sobre un amplio intervalo de temperaturas y \rho aumenta al hacerlo la temperatura. Cuando T tiende al cero absoluto, la resistividad tiende a un valor finito \rho_0.

Resistividad en función de la temperatura para un semiconductor puro, como el silicio o el germanio.

Resistencia en función de la temperatura para una muestra de mercurio, cuya temperatura crítica T_c es de 4,2 K.

Materiales de comportamiento lineal u óhmico

Para los metales la resistividad es casi proporcional a la temperatura, aunque siempre hay una zona no lineal a muy bajas temperaturas donde resistividad suele acercarse a un determinado valor finito según la temperatura se acerca al cero absoluto. Esta resistividad cerca del cero absoluto se debe, sobre todo, a choques de electrones con impurezas e imperfecciones en el metal. En contraposición, la resistividad de alta temperatura (la zona lineal) se caracteriza, principalmente, por choques entre electrones y átomos metálicos.10

Materiales no lineales, como los semiconductores o los superconductores

La disminución de la resistividad a causa a la temperatura, con valores de \alpha negativos, es debida al incremento en la densidad de portadores de carga a muy altas temperaturas. En vista de que los portadores de carga en un semiconductor a menudo se asocian con átomos de impurezas, la resistividad de estos materiales es muy sensible al tipo y concentración de dichas impurezas.15

Superconductores

Los metales son materiales que conducen bien el calor y la electricidad. Cuando una corriente eléctrica circula por un hilo conductor, este se calienta. Dicho fenómeno se conoce como efecto Joule, se debe a que los metales presentan cierta resistencia al paso de la corriente eléctrica por su interior, ya que cuando se mueven sufren colisiones con los átomos del material. Sin embargo, en un material superconductor esto no ocurre; estos materiales no ofrecen ninguna resistencia al paso de la corriente eléctrica por debajo de una cierta temperatura T_c, llamada temperatura crítica. Los electrones se agrupan en parejas interaccionando con los átomos del material de manera que logran sintonizar su movimiento con el de los átomos, desplazándose sin sufrir colisiones con ellos. Esto significa que no se calientan, por lo que no hay pérdida de energía al transportar la corriente eléctrica debido al efecto Joule. La teoría básica que explica su comportamiento microscópico se llama 'teoría BCS' porque fue publicada por Bardeen, Cooper y Schrieffer en 1957.16 Sin embargo, en sentido estricto, no hay una única teoría CBS sino que agrupa a un cierto número de ellas, que son en parte fenomenológicas.17

El valor de T_c depende de la composición química, la presión y la estructura molecular. Algunos elementos como el cobre, la plata o el oro, excelentes conductores, no presentan superconductividad.18

La gráfica resistencia-temperatura para un superconductor sigue la de un metal normal a temperaturas por encima de T_c.

Cuando la temperatura alcanza el valor de T_c, la resistividad cae repentinamente hasta cero. Este fenómeno fue descubierto en 1911 por el físico neerlandés Heike Kamerlingh Onnes, de la Universidad de Leiden. Onnes estudió a principios del siglo XX las

propiedades de la materia a bajas temperaturas. Su trabajo le llevó al descubrimiento de la superconductividad en el mercurio al ser enfriado a -269 °C.18 Sus esfuerzos se vieron recompensados en 1913 cuando se le concedió el Premio Nobel de Física.

Temperaturas críticas de varios superconductores18

Material

Tc (K)

HgBa_2Ca_2Cu_3O_8

134

Tl-Ba-Ca-Cu-O

125

YBa_2Cu_3O_7

92

Nb_3Ge

23.2

Nb_3Sn

23.2

Nb

9.46

Pb

7.18

Hg

4.15

Sn

3.72

Al

1.19

Zn

0.88

Recientes mediciones han demostrado que las resistividades de superconductores por debajo de sus valores de temperaturas críticas son inferiores que 4x10^{-25} ( \Omega m) –aproximadamente 10^{17} veces más pequeños que la resistividad del cobre- y en la práctica se consideran iguales a cero.18 Actualmente se conocen miles de superconductores y las temperaturas críticas de los superconductores son bastante más elevadas de lo que en principio se pudo suponer.

En 1986 Johannes Georg Bednorz y Karl Alexander Müller (ganadores del Premio Nobel en 1987), en unos laboratorios de IBM en Suiza, descubrieron los materiales superconductores cerámicos. Estos materiales han revolucionado el mundo de la superconductividad al poder trabajar a temperaturas por encima de la de ebullición del nitrógeno líquido (-169 °C), lo que permite enfriarlos con mucha facilidad y de forma barata. Dichos materiales superconductores han logrado que aumente el interés tecnológico para desarrollar un gran número de aplicaciones.19

Una de las características más importantes de los superconductores es que una vez que se ha establecido en ellos una corriente, esta persiste sin necesidad de una fuerza electromotriz aplicada debido a la práctica ausencia de resistencia. Se han observado corrientes estables que persisten en circuitos superconductores durante varios años sin un decaimiento aparente.18

En 1933 Walter Meissner y Robert Ochsenfeld descubrieron que un material superconductor no solamente no presenta resistencia al paso de corriente, sino que también cuenta entre sus propiedades la capacidad para apantallar un campo magnético. Si enfriamos el superconductor por debajo de su temperatura crítica y lo colocamos en presencia de un campo magnético, este crea corrientes de apantallamiento capaces de generar un campo magnético opuesto al aplicado. Esto ocurre hasta que el campo magnético alcanza un valor, llamado campo magnético crítico, momento en el que el superconductor deja de apantallar el campo magnético y el material recupera su estado normal.19

El hecho de que el superconductor pueda apantallar totalmente el campo magnético de su interior se conoce como superconductividad tipo I. Los superconductores tipo II permiten que el campo magnético pueda penetrar en su interior sin dejar de ser superconductores. Este comportamiento se mantiene para campos magnéticos cuyo valor puede ser hasta varios millones de veces el campo magnético terrestre. Mientras que los superconductores tipo I siempre intentan expulsar el campo magnético de su interior, los de tipo II se oponen a que este cambie.19

Consecuencias energéticas de la ley de Ohm: disipación y el efecto Joule

Llamamos efecto Joule al fenómeno irreversible por el cual si en un conductor circula corriente eléctrica, parte de la energía cinética de los electrones se transforma en calor debido a los choques que sufren con los átomos del material conductor por el que circulan, elevando la temperatura del mismo. Llega un momento en el que la temperatura del conductor alcanza el equilibrio térmico con el exterior, comenzando entonces a disipar energía en forma de calor.20 El nombre es en honor a su descubridor, el físico británico James Prescott Joule.

El movimiento de los electrones en un conductor es desordenado; esto provoca continuos choques entre los electrones y los átomos móviles de la red y como consecuencia aparece un aumento de la temperatura en el propio conductor pues transforma energía cinética en calorífica de acuerdo con la siguiente ecuación y tomando como unidades [P]=W=vatios, [V]=V=voltios, [I]=A=amperios, [E]=J=julios, [t]=s=segundos,

P= V\cdot I

para la potencia disipada en un tramo conductor que tiene una tensión V entre sus extremos y circula a su través una corriente I. Además, la energía que habrá disipado al cabo de un tiempo t será:

E = P\cdot t.

De las dos ecuaciones se deduce: E= V\cdot I\cdot t

Según Joule, «la cantidad de energía calorífica producida por una corriente eléctrica depende directamente del cuadrado de la intensidad de la corriente, del tiempo que esta circula por el conductor y de la resistencia que opone el mismo al paso de la corriente».21 Con [R]=Ω=ohmios. Si sustituimos en esta ecuación, la ley de Ohm clásica V=R I, se obtiene la ley de Joule en su forma más clásica:

E = I^{2}\cdot R\cdot t

Asimismo, ya que la potencia disipada es la energía perdida por unidad de tiempo, podemos calcular la potencia disipada en un conductor o en una resistencia de las siguientes tres maneras:

P = I^{2}\cdot R = I\cdot V = V^2/R ,

El circuito desprende energía en forma de calor

El funcionamiento eléctrico y las aplicaciones de numerosos electrodomésticos se fundamentan primero en la ley de Ohm, y en segundo lugar, sus implicaciones

energéticas, en la ley de Joule. En algunos de estos aparatos eléctricos como los hornos, las tostadoras, las calefacciones eléctricas y otros empleados industrialmente, el efecto útil buscado es precisamente el calor que desprende el conductor por el paso de la corriente. En la mayoría de las aplicaciones, sin embargo, es un efecto indeseado y la razón por la que los aparatos eléctricos y electrónicos (como el ordenador) necesitan un ventilador que disipe el calor generado y evite el calentamiento excesivo de los diferentes dispositivos.22

Piezoelectricidad

La piezoelectricidad (del griego piezein, "estrujar o apretar") es un fenómeno que ocurre en determinados cristales que, al ser sometidos a tensiones mecánicas, en su masa adquiere una polarización eléctrica y aparece una diferencia de potencial y cargas eléctricas en su superficie.

Este fenómeno también ocurre a la inversa: se deforman bajo la acción de fuerzas internas al ser sometidos a un campo eléctrico. El efecto piezoeléctrico es normalmente reversible: al dejar de someter los cristales a un voltaje exterior o campo eléctrico, recuperan su forma.

Los materiales piezoeléctricos son cristales naturales o sintéticos que carecen de centro de simetría. Una compresión o un cizallamiento provocan disociación de los centros de gravedad de las cargas eléctricas, tanto positivas como negativas. Como consecuencia, en la masa aparecen dipolos elementales y, por influencia, en las superficies enfrentadas surgen cargas de signo opuesto.

Grupos de material piezoeléctrico

Se distinguen dos grupos de materiales:

Los de naturaleza piezoeléctrica primigenia: cuarzo, turmalina, etcétera.

Los denominados ferroeléctricos: tantalato de litio, nitrato de litio, berlinita, en forma de materiales monocristalinos y cerámicas o polímeros polares, que tras ser sometidos a polarización adquieren propiedades piezoeléctricas, ya como microcristales orientados.

Historia de los materiales piezoeléctricos

La propiedad de la piezoelectricidad fue observada por primera vez por Pierre y Jacques Curie en 1881 estudiando la compresión del cuarzo. Al someterlo a la acción mecánica de la compresión, las cargas de la materia se separan. Esto propicia una polarización de la carga, lo cual causa que salten chispas.

Para que en la materia ocurra la propiedad de la piezoelectricidad debe cristalizar en sistemas que carezcan de centro de simetría (que posean disimetría) y, por lo tanto, de eje polar. De las 32 clases cristalinas, en 21 no existe el centro mencionado. En 31 de estas clases ocurre la propiedad piezoeléctrica, en mayor o menor medida. Los gases, los líquidos y los sólidos con simetría no poseen piezoelectricidad.

Si se ejerce presión en los extremos del eje polar se produce polarización: flujo de electrones se dirige hacia un extremo y genera en él una carga negativa, mientras que en el extremo opuesto se induce una carga positiva.

Cuando se utilizan láminas de cristal estrechas y de gran superficie, el alto voltaje obtenido –necesario para que salte la chispa– es mayor. Las láminas estrechas se cortan de manera que el eje polar cruce perpendicularmente dichas caras.

La corriente generada es proporcional al área de la placa y a la rapidez de la variación de la presión aplicada ortogonalmente a la superficie de la placa.

Otra aplicación importante de la piezoelectricidad resulta por cumplirse la propiedad inversa:

Si la placa de material piezoeléctrico se somete a una tensión variable, se comprime y se relaja, oscilando a los impulsos de una señal eléctrica.

Cuando esta placa está en contacto con un fluido le transmite sus vibraciones y produce ultrasonidos.

La primera aplicación práctica de la piezoelectricidad, que surge de la cualidad de transformar una señal mecánica (presión) en una señal eléctrica (corriente eléctrica), es la del sónar.

Al final de la Primera guerra mundial se descubrió que las ondas sonoras producidas por los submarinos podían ser detectadas por un trozo de cuarzo sumergido en el agua, en el que se medían las corrientes generadas y posibilitaba la detección de la dirección proveniente del sonido.

El sónar consta de una sonda (piezoeléctrico) que es un transductor; es decir: funciona según la sucesión de eventos siguiente:

Emite vibraciones que producen ondas ultrasónicas en el agua en la dirección del eje polar; es decir: recibe su eco.

El emisor se mueve para que la onda emitida «barra» el espacio hasta localizar la dirección en que se encuentra el obstáculo.

El eco recibido golpea el cristal piezoeléctrico y produce una corriente eléctrica.

Finalmente, el dato de la distancia a la cual se encuentra el obstáculo que reemite un eco se obtiene aplicando los cálculos derivados de la teoría del efecto Doppler.

Clases de cristales de sustancias que contienen piezoelectricidad

Dentro de los 32 grupos cristalográficos existen 21 que no tienen centro de simetría. De estos, unos 20 exhiben directamente piezoelectricidad (la número 21 es la clase cúbica 432). Diez de ellos son polares; es decir: presentan polarización instantánea, debido a que en su celda unidad contienen un dipolo eléctrico, y el material exhibe piroelectricidad. De estos –cuando la dirección del dipolo puede invertirse mediante aplicación de un campo eléctrico– algunos son además ferroeléctricos. Las clases cristalográficas son:

Clases cristalográficas piezoeléctricas: 1, 2, m, 222, mm2, 4, -4, 422, 4mm, -42m, 3, 32, 3m, 6, -6, 622, 6mm, -62m, 23, -43m.

Clases cristalográficas piroeléctricas: 1, 2, m, mm2, 4, 4mm, 3, 3m, 6, 6mm.

Ecuaciones de la piezoelectricidad

Las ecuaciones constitutivas de los materiales piezoeléctricos combinan tensiones, deformaciones y comportamiento eléctrico:

D=\epsilon E \;

D es la densidad de flujo eléctrico, \epsilon \; es la permitividad y E es el campo eléctrico:

S=s T \;

S es la deformación y T es la tensión.

Estas ecuaciones pueden combinarse en una sola ecuación donde se considera la relación entre carga y deformación:

\{S\} = \left [s^E \right ]\{T\}+[d^T]\{E\} \{D\} = [d]\{T\}+\left [ \epsilon^T \right ] \{E\}

d representa las constantes piezoeléctricas del material, y el superíndice E indica que la magnitud está medida bajo campo eléctrico constante o cero, y el superíndice T señala que se trata de una forma traspuesta de matriz.

Aplicaciones

Una de las aplicaciones más extendidas de este tipo de cristales sucede en los encendedores eléctricos. En su interior llevan un cristal piezoeléctrico al cual golpea bruscamente el mecanismo de encendido. Este golpe seco provoca una elevada concentración de carga eléctrica, capaz de crear un arco voltaico o chispa, que enciende el mechero.

Otra aplicación importante de un cristal piezoeléctrico es su utilización como sensor de vibración. Cada una de las variaciones de presión producidas por la vibración provoca un pulso de corriente proporcional a la fuerza ejercida.

Fácilmente se ha convertido una vibración mecánica en una señal eléctrica lista para amplificar. Basta conectar un cable eléctrico a cada una de las caras del cristal y enviar esta señal hacia un amplificador. Por ejemplo, en pastillas piezoeléctricas de guitarra.

Una aplicación adicional muy importante de la piezoelectricidad, pero en este caso al revés, sucede en los inyectores de combustible de los motores de combustión interna. Al aplicarse una diferencia de potencial a un material piezoeléctrico se consigue abrir el inyector, lo cual permite al combustible, a muy alta presión, entrar en el cilindro. El uso de inyectores piezoeléctricos posibilita controlar, con enorme precisión, los tiempos de inyección y la cantidad de combustible que se introduce en el motor. Ello redunda en mejoras en consumo, prestaciones y rendimiento de los motores.

Materiales

Materiales utilizados en electrónica: Cuarzo Rubidio Sal de Seignette Cerámicas Cerámica piezoeléctrica Cerámica técnica

Aplicaciones

Altavoces de agudos (tweeters: pequeños altavoces). Cápsula (pick-up) de tocadiscos. Mecheros eléctricos Encendido electrónico de calefones y estufas a gas. Sensores Transductores ultrasónicos (como los cabezales de los ecógrafos). Transductor piezoeléctrico Transformadores piezoeléctricos. Destartradores odontológicos de ultrasonido, para remoción del tártaro o "sarro"

interdental.

Potencia eléctrica

La energía eléctrica se transmite por líneas sobre torres, como estas en Brisbane, Australia.

La potencia eléctrica es la relación de paso de energía de un flujo por unidad de tiempo; es decir, la cantidad de energía entregada o absorbida por un elemento en un tiempo determinado. La unidad en el Sistema Internacional de Unidades es el vatio (watt).

Cuando una corriente eléctrica fluye en cualquier circuito, puede transferir energía al hacer un trabajo mecánico o termodinámico. Los dispositivos convierten la energía eléctrica de muchas maneras útiles, como calor, luz (lámpara incandescente), movimiento (motor eléctrico), sonido (altavoz) o procesos químicos. La electricidad se puede producir mecánica o químicamente por la generación de energía eléctrica, o también por la transformación de la luz en las células fotoeléctricas. Por último, se puede almacenar químicamente en baterías.

La energía consumida por un dispositivo eléctrico se mide en vatios-hora (Wh), o en kilovatios-hora (kWh). Normalmente las empresas que suministran energía eléctrica a la industria y los hogares, en lugar de facturar el consumo en vatios-hora, lo hacen en kilovatios-hora (kWh). La potencia en vatios (W) o kilovatios (kW) de todos los aparatos eléctricos debe figurar junto con la tensión de alimentación en una placa metálica ubicada, generalmente, en la parte trasera de dichos equipos. En los motores, esa placa se halla colocada en uno de sus costados y en el caso de las bombillas de alumbrado el dato viene impreso en el cristal o en su base.

Potencia en corriente continua

Cuando se trata de corriente continua (CC) la potencia eléctrica desarrollada en un cierto instante por un dispositivo de dos terminales, es el producto de la diferencia de potencial entre dichos terminales y la intensidad de corriente que pasa a través del dispositivo. Por esta razón la potencia es proporcional a la corriente y a la tensión. Esto es,

(1)P = \frac{dw}{dt} = \frac{dw}{dq}\cdot\frac{dq}{dt} = V\cdot I\,

donde I es el valor instantáneo de la intensidad de corriente y V es el valor instantáneo del voltaje. Si I se expresa en amperios y V en voltios, P estará expresada en watts (vatios). Igual definición se aplica cuando se consideran valores promedio para I, V y P.

Cuando el dispositivo es una resistencia de valor R o se puede calcular la resistencia equivalente del dispositivo, la potencia también puede calcularse como,

(2)P = R\cdot I^2 = {V^2 \over R}

recordando que a mayor corriente, menor voltaje.

Potencia en corriente alterna[editar]

Cuando se trata de corriente alterna (AC) sinusoidal, el promedio de potencia eléctrica desarrollada por un dispositivo de dos terminales es una función de los valores eficaces o valores cuadráticos medios, de la diferencia de potencial entre los terminales y de la intensidad de corriente que pasa a través del dispositivo.

Si a un circuito se aplica una tensión sinusoidal v(t) \,\! con velocidad angular \omega \,\! y valor de pico V_o \,\! de forma

v(t)=V_0 \cdot \sin(\omega t) \,\!

Esto provocará, en el caso de un circuito de carácter inductivo (caso más común), una corriente i(t) \,\! desfasada un ángulo \phi \,\! respecto de la tensión aplicada:

i(t)=I_0 \cdot \sin(\omega t - \phi) \,\!

Donde, para el caso puramente resistivo, se puede tomar el ángulo de desfase como cero.

La potencia instantánea vendrá dada como el producto de las expresiones anteriores:

p(t)=V_0 \cdot I_0 \cdot \sin(\omega t)\cdot \sin(\omega t - \phi) \,\!

Mediante trigonometría, la expresión anterior puede transformarse en la siguiente:

p(t)=V_0 \cdot I_0 \cdot \frac {\cos (\phi) - \cos(2 \omega t - \phi)}{2} \,\!

Y sustituyendo los valores del pico por los eficaces:

P(t)=V \cdot I \cos(\phi) - V \cdot I \cos(2 \omega t - \phi) \,\!

Se obtiene así para la potencia un valor constante, V I \cos(\phi) \,\! y otro variable con el tiempo, V I \cos(2\omega t - \phi) \,\!. Al primer valor se le denomina potencia activa y al segundo potencia fluctuante.

Potencia Reactiva Inductiva

Esta potencia no se consume ni se genera en el sentido estricto (el uso de los términos "potencia reactiva generada" y/o "potencia reactiva consumida" es una convención) y en circuitos lineales solo aparece cuando existen bobinas o condensadores. Por ende, es toda aquella potencia desarrollada en circuitos inductivos. Considérese el caso ideal de que un circuito pasivo contenga exclusivamente, un elemento inductivo (R = 0; Xc = 0 y Xl = o) al cual se aplica una tensión senoidal de la forma u(t) = Umáx * sen w*t. En dicho caso ideal se supone a la bobina como carente de resistencia y capacidad, de modo que solo opondrá su reactancia inductiva a las variaciones de la intensidad del circuito. En dicha condición, al aplicar una tensión alterna a la bobina la onda de la intensidad de corriente correspondiente resultará con el máximo ángulo de desfasaje (90º). La onda representativa de dicho circuito es senoidal, de frecuencia doble a la de red, con su eje de simetría coincidiendo con el de abscisas, y por ende con alternancias que encierran áreas positivas y negativas de idéntico valor. La suma algebraica de dichas sumas positivas y negativas da una potencia resultante nula, fenómeno que se explica conceptualmente considerando que durante las alternancias positivas el circuito toma energía de la red para crear el campo magnético en la bobina; mientras en las alternancias negativas el circuito la devuelve, y a dicha devolución se debe la desaparición temporaria del campo magnético. Esta energía que va y vuelve de la red constantemente no produce trabajo y recibe el nombre de "energía oscilante", correspondiendo a la potencia que varía entre cero y el valor (Umáx*Imáx)/2 tanto en sentido positivo como en negativo.

Potencia Reactiva Capacitiva

Es toda aquella potencia desarrollada en un circuito capacitivo. Considerando el caso ideal de que un circuito pasivo contenga únicamente un capacitor (R = 0; Xl = 0; Xc = 0) al que se aplica una tensión senoidal de la forma U(t) = Umáx*sen w*t, la onda correspondiente a la corriente I, que permanentemente carga y descarga al capacitor resultará 90º adelantada en relación a la onda de tensión aplicada. Por dicha razón también en este caso el valor de la potencia posee como curva representativa a una onda senoidal de valor oscilante entre los valores cero y (Umáx*Imáx)/2 en sentido positivo y negativo.

Las alternancias de dicha onda encierran áreas positivas correspondientes a los períodos en que las placas del capacitor reciben la carga de la red; significando los períodos negativos el momento de descarga del capacitor, que es cuando se devuelve a la red la totalidad de la energía recibida. En esta potencia también la suma algebraica de las áreas positivas y negativas es nula dado que dicha áreas son de igual y opuesto valor. La potencia activa vale cero, y por existir como único factor de oposición la reactancia capacitiva del circuito la intensidad eficaz que recorre al mismo vale:

I = \frac{U}{X_C} = U\cdot 2 \cdot \pi \cdot f \cdot C \,\!

Siendo φ = 90º (La tensión atrasa respecto de la corriente.

Potencia trifásica

La representación matemática de la potencia activa en un sistema trifásico equilibrado (las tres tensiones de fase tienen idéntico valor y las tres intensidades de fase también coinciden) está dada por la ecuación:

P _3 \varphi\ = \sqrt{3}\cdot I \cdot V \cdot \cos \Phi\

Siendo I la intensidad de línea y V la tensión de línea (no deben emplearse para esta ecuación los valores de fase). Para reactiva y aparente:

Q _3 \varphi\ = \sqrt{3}\cdot I \cdot V \cdot \sin \Phi\

S _3 \varphi\ = \sqrt{3}\cdot I \cdot V \

Efecto Joule

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Se conoce como efecto Joule al fenómeno irreversible por el cual si en un conductor circula corriente eléctrica, parte de la energía cinética de los electrones se transforma en calor1 2 debido a los choques que sufren con los átomos del material conductor por el que circulan, elevando la temperatura del mismo. El nombre es en honor a su descubridor, el físico británico James Prescott Joule.

El movimiento de los electrones en un cable es desordenado, esto provoca continuas colisiones con los núcleos atómicos y como consecuencia una pérdida de energía cinética y un aumento de la temperatura en el propio cable.

Efecto Joule

Este efecto es utilizado para calcular la energía disipada en un conductor atravesado por una corriente eléctrica de la siguiente manera:

\left . \begin{array}{l} P = V \cdot I \\ E = P \cdot t \end{array} \right \} \; \longrightarrow \quad E = V \cdot I \cdot t

La potencia P disipada en un conductor es igual a la diferencia de potencial V a la que está sometido multiplicada por la intensidad de corriente I que lo atraviesa. La energía desarrollada E es el producto de la potencia P por el tiempo t transcurrido, luego la energía E es el producto de la tensión V por la intensidad I y por el tiempo t.

Si a esta expresión añadimos la Ley de Ohm tendremos:

\left . \begin{array}{l} E = V \cdot I \cdot t \\ I = \cfrac{V}{R} \end{array} \right \} \; \longrightarrow \quad \left \{ \begin{array}{l} E = I^2 \cdot R \cdot t \\ E = \cfrac{V^2}{R} \cdot t \end{array} \right .

La energía desarrollada es igual al cuadrado de la intensidad por la resistencia y por el tiempo, o lo que es lo mismo, el cuadrado de la tensión dividido por la resistencia y por el tiempo.

Microscópicamente el efecto Joule se calcula a través de la integral de volumen del campo eléctrico \vec{E} por la densidad de corriente \vec{J}:

P = \int\!\!\!\int\!\!\!\int_V \vec{J}\cdot \vec{E} dV \,

La resistencia es el componente que transforma la energía eléctrica en calor, (por ejemplo un hornillo eléctrico, una estufa eléctrica, una plancha etc.).

Vatímetro

El vatímetro es un instrumento electrodinámico para medir la potencia eléctrica o la tasa de suministro de energía eléctrica de un circuito eléctrico dado. El dispositivo consiste en un par de bobinas fijas, llamadas «bobinas de corriente» o amperométrica, y una bobina móvil llamada «bobina de potencial» o voltimétrica.

Las bobinas fijas se conectan en serie con el circuito, mientras la móvil se conecta en paralelo. Además, en los vatímetros analógicos la bobina móvil tiene una aguja que se mueve sobre una escala para indicar la potencia medida. Una corriente que circule por las bobinas fijas genera un campo electromagnético cuya potencia es proporcional a la corriente y está en fase con ella. La bobina móvil tiene, por regla general, una resistencia grande conectada en serie para reducir la corriente que circula por ella.

El resultado de esta disposición es que en un circuito de corriente continua, la deflexión de la aguja es proporcional tanto a la corriente como al voltaje, conforme a la ecuación W=VA o P=EI. En un circuito de corriente alterna la deflexión es proporcional al producto instantáneo medio del voltaje y la corriente, midiendo pues la potencia real y posiblemente (dependiendo de las características de cargo) mostrando una lectura diferente a la obtenida multiplicando simplemente las lecturas arrojadas por un voltímetro y un amperímetro independientes en el mismo circuito.

Los dos circuitos de un vatímetro son propensos a resultar dañados por una corriente excesiva. Tanto los amperímetros como los voltímetros son vulnerables al recalentamiento: en caso de

una sobrecarga, sus agujas pueden quedar fuera de escala; pero en un vatímetro el circuito de corriente, el de potencial o ambos pueden recalentarse sin que la aguja alcance el extremo de la escala. Esto se debe a que su posición depende del factor de potencia, el voltaje y la corriente. Así, un circuito con un factor de potencia bajo dará una lectura baja en el vatímetro, incluso aunque ambos de sus circuitos esté cargados al borde de su límite de seguridad. Por tanto, un vatímetro no sólo se clasifica en vatios, sino también en voltios y amperios.

Vatímetro electrónico

Los vatímetro electrónico, es un dispositivo pasivo, utilizado en electricidad y electrónica, capaz de almacenar energía sustentando un campo eléctrico. Está formado por un par de superficies conductoras, generalmente en forma de láminas o placas, en situación de influencia total (esto es, que todas las líneas de campo eléctrico que parten de una van a parar a la otra) separadas por un material dieléctrico o por el vacío. Las placas, sometidas a una diferencia de potencial, adquieren una determinada carga eléctrica, positiva en una de ellas y negativa en la otra, siendo nula la variación de carga total. Aunque desde el punto de vista físico un condensador no almacena carga ni corriente eléctrica, sino simplemente energía mecánica latente; al ser introducido en un circuito se comporta en la práctica como un elemento "capaz" de almacenar la energía eléctrica que recibe durante el periodo de carga, la misma energía que cede después durante el periodo de descarga. claro que también puede explotar o dar una leve descarga.

Cortocircuito

Se denomina cortocircuito al fallo en un aparato o línea eléctrica por el cual la corriente eléctrica pasa directamente del conductor activo o fase al neutro o tierra en sistemas monofásicos de corriente alterna, entre dos fases o igual al caso anterior para sistemas polifásicos, o entre polos opuestos en el caso de corriente continua. Es decir: Es un defecto de baja impedancia entre dos puntos de potencial diferente y produce arco eléctrico, esfuerzos electrodinámicos y esfuerzos térmicos.

El cortocircuito se produce normalmente por los fallos en el aislante de los conductores, cuando estos quedan sumergidos en un medio conductor como el agua o por contacto accidental entre conductores aéreos por fuertes vientos o rotura de los apoyos.

Debido a que un cortocircuito puede causar importantes daños en las instalaciones eléctricas e incluso incendios en edificios, estas instalaciones están normalmente dotadas de fusibles o interruptores magnetotérmicos a fin de proteger a las personas y los objetos.

Ley de Ohm

En un circuito cerrado el voltaje, corriente eléctrica y la resistencia deben tener valores debidamente controlados para un buen funcionamiento del sistema. Una condición de cortocircuito queda determinada al eliminarse, desde el punto de vista práctico, la resistencia de consumo del circuito. Según la ley de Ohm se tiene que

I = \frac{V}{R}

Por tanto, si la resistencia se disminuye aproximadamente a cero la intensidad de la corriente tiende a infinito. Esta situación se da, por ejemplo, al caer una barra de metal sobre los conductores y formar un puente. En este caso se dice que han quedado "puenteados" el vivo o fase y el neutro del circuito, oponiendo este una resistencia prácticamente igual a 0 al paso de corriente eléctrica.

Efecto Joule

Según el Efecto Joule la corriente que circula por un conductor genera un calor que puede determinarse según la relación:

Q = I^2\cdot R\cdot t \,

Por lo que si la corriente adquiere valores excesivos, la cantidad de calor puede ser tal que puede fundir casi instantáneamente los conductores del circuito, siendo este el fenómeno más apreciable en un cortocircuito.

Tipos de cortocircuito

Aunque hay sistemas monofásicos, trifásicos y polifásicos en los que ocurren cortocircuitos. Se analizarán los típicos cortocircuitos de sistemas de trifásicos estas fallas son[cita requerida]:

Cortocircuito trifásico: Da lo mismo si es trifasico o trifásico a tierra.

Cortocirtuito monofásico: Una fase a tierra

Cortocircuito bifásico: Dos fases se cortocircuitan o se genera un camino de mínima impedancia entre dos fases.

Cortocircuito bifásico a tierra: Identico al anterior con contacto a tierra

Fusible

En electricidad, se denomina fusible a un dispositivo, constituido por un soporte adecuado, un filamento o lámina de un metal o aleación de bajo punto de fusión que se intercala en un punto determinado de una instalación eléctrica para que se funda, por Efecto Joule, cuando la intensidad de corriente supere, por un cortocircuito o un exceso de carga, un determinado valor que pudiera hacer peligrar la integridad de los conductores de la instalación con el consiguiente riesgo de incendio o destrucción de otros elementos.

Datos generales

El fusible eléctrico, denominado inicialmente como aparato de energía y de protección contra sobrecarga de corriente eléctrica por fusión, es el dispositivo más antiguo de protección contra posibles fallos en circuitos eléctricos, apareciendo las primeras citas bibliográficas en el año 1774, momento en el que se le empleaba para proteger a condensadores de daños frente a corrientes de descarga de valor excesivo. Durante la década de 1880 es cuando se reconoce su potencial como dispositivo protector de los sistemas eléctricos, que estaban recién comenzando a difundirse. Desde ese momento, hasta la actualidad, los numerosos desarrollos y la aparición de nuevos diseños de fusibles han avanzado al paso de la tecnología, y es que, a pesar de su aparente simplicidad, este dispositivo posee en la actualidad un muy elevado nivel tecnológico, tanto en lo que se refiere a los materiales usados como a las metodologías de fabricación. El fusible coexiste con otros dispositivos protectores, dentro de un marco de cambios tecnológicos muy acelerados que lo hacen aparecer como pasado de moda u obsoleto, lo que no es así.

Este concepto se entiende con mayor facilidad cuando se describe el campo de aplicación actual, cuyos parámetros nominales poseen rangos muy amplios. Las tensiones de trabajo van desde unos pocos voltios hasta 132 kV; las corrientes nominales, desde unos pocos mA hasta 6 kA y las capacidades de ruptura alcanzan en algunos casos los 200 kA.

La producción anual de fusibles supera los 30 millones de unidades, mientras que en la Argentina se utilizan aproximadamente 300.000 unidades anuales. Una industria de tamaño medio puede tener instalados algunos centenares de fusibles y en un automóvil moderno pueden encontrarse en uso entre 40 y 60 fusibles. La mayoría de los equipos electrónicos poseen al menos un fusible. Sus tamaños pueden ser tan pequeños como la cabeza de un fósforo de madera, y en el otro extremo, o sea para aplicaciones de alta tensión y con alta potencia de corto circuito, se encuentran fusibles cuyo peso ronda los 20 kilogramos.

Las estadísticas de producción a nivel mundial indican el crecimiento constante del mercado. Para algunos tipos de fusibles el crecimiento es muy elevado, como es el caso de los dispositivos para circuitos electrónicos de baja potencia y los elementos para uso en automóviles. En cambio, para los fusibles tradicionales (baja y media tensión, y alta capacidad de ruptura) se estima un crecimiento con menor velocidad, del orden del crecimiento de los sistemas eléctricos, que ronda el 3% anual.

El principio de funcionamiento del fusible es muy simple: se basa en intercalar un elemento más débil en el circuito, de manera tal que cuando la corriente alcance niveles que podrían dañar a los componentes del mismo, el fusible se funda e interrumpa la circulación de la corriente. Que el elemento fusible o eslabón débil del circuito alcance la fusión no implica necesariamente que se interrumpa la corriente, siendo esta diferencia la clave para entender la tecnología involucrada en el aparentemente simple fusible.

A lo largo de los años han ido apareciendo fusibles para aplicaciones específicas, tales como proteger líneas, motores, transformadores de potencia, transformadores de tensión, condensadores, semiconductores de potencia, conductores aislados (cables), componentes electrónicos, circuitos impresos, circuitos integrados, etc. Estos tipos tan diversos de fusibles poseen características de selección muy distintas, lo que hace compleja su correcta selección.

Este rango tan amplio requiere que el usuario de fusibles posea un importante nivel de conocimientos, que no es fácil de adquirir por la falta de material informativo de fácil acceso.

Hay que considerar otro factor importante, que es la existencia de fusibles respondiendo a normalizaciones de diversos países. Cuando se habla de los sistemas de distribución de energía eléctrica, se emplean en nuestro medio fusibles de alta potencia respondiendo fundamentalmente a normas europeas, pero para la distribución de media tensión y baja potencia, se emplean elementos afines a la normalización norteamericana.

La normalización europea, en la actualidad prácticamente se ha unificado en las normas IEC (International Electrotechnical Commission), pero en nuestro medio todavía hay infinidad de dispositivos instalados cuyo origen proviene de tiempos anteriores a la unificación. La situación se empeora mucho cuando se hace referencia a los fusibles instalados en equipos, ya sean industriales, electrodomésticos o electrónicos, pues los dispositivos responden a las normas del país de origen del equipamiento.

El abanico de posibilidades de fusibles para equipos de baja tensión es prácticamente ilimitado, pudiendo afirmarse que cada país del mundo está representado con algún fusible. Frente a esta situación, la reposición del fusible es muy difícil de lograr, por lo que debe recurrirse al reemplazo por el dispositivo de características tan parecidas como sea posible, lo que nuevamente requiere de un buen nivel de conocimientos por parte del usuario.

Historia

Primera Etapa

El fusible fue el primer dispositivo de protección usado en los sistemas eléctricos desde hace más de 240 años, cuyo desarrollo puede dividirse para su estudio en siete etapas. La historia de los fusibles y la primera etapa de su desarrollo comienza en el año 1774, momento en el cual se publican los resultados de la extensa investigación llevada a cabo por Narne. Estos experimentos consistían en el estudio del efecto de la electricidad sobre las plantas, animales y voluntarios humanos, para lo cual se producían corrientes elevadas mediante descargas de condensadores (botellas de vidrio recubiertas internamente y externamente con placas metálicas), protegiendo a los elementos con un conductor de baja sección. Posteriormente, fueron apareciendo artículos describiendo muchos experimentos y explicando algunas aplicaciones extremadamente simples, como por ejemplo: la protección de sistemas telegráficos, llegaron a la década de 1880.

Debe recordarse que en esos momentos se trabajaba solamente en corriente continua, por lo que además de la fusión debía producirse la rápida separación de los electrodos a fin de apagar el arco eléctrico. Los primeros diseños de fusibles eran de tipo abierto, por lo que el elemento conductor, cuando fundía era expulsado en forma de gotas, con mayor o menos violencia según la energía de corriente que lo fundía. El riesgo de incendio y de daño personal era muy elevado, con lo que se comenzó a introducir al elemento fusible en tubos de vidrios con ambos extremos abiertos, disminuyendo los riesgos citados, sin anularlos totalmente.Este tipo de fusible, o sea no se podían tapar los extremos del tubo, ya que el resultado cuando operaba en corrientes altas, era su explosión.

En el año 1880, más precisamente el 4 de mayo, Edison presenta la primera patente sobre fusibles, con el número 227226, la cual tiene lugar en Estados Unidos, en la cual se indica que el fusible es el " elemento débil del circuito", ya que la presencia de sobrecorrientes peligrosas para el circuito lo harían fundirse y cortar la circulación de corriente. En ese momento, la principal aplicación era en la protección de las costosas lámparas eléctricas, que se dañaba por la sobrecorriente y las sobretensiones que se generaban en la pobreza de los reguladores de

tensión usados en esa época. El primer fusible cerrado fue patentado por W. M. Mordey en Inglaterra en el año 1890.

Siguiendo a las primeras patentes, pueden encontrarse infinidad de diseños introduciendo ideas sumamente ingeniosas, muchas de ellas en la dirección de permitir que el fusible fuera reusable, o sea, no debiera descartarse después de haber operado.

Ya en ese momento se entendió que unas de las claves de uso del fusible radicaba en su elevada confiabilidad, elemento que se ve seriamente perjudicado con los agregados necesarios para permitir que el fusible fuera re-usable. De tiempo en tiempo, aún en la actualidad, surgen ideas nuevas para alcanzar ese objetivo, pero su aplicabilidad es baja o nula, por lo cual, el elemento fusible sigue siendo "descartable" o de una sola operación.

Segunda etapa

Se puede considerar que la segunda etapa comienza en el año 1906, con la publicación del libro del investigador alemán Meyer, en la cual se presenta un análisis del proceso de fusión, mucho más científico que en los artículos previos. Durante esta etapa, los investigadores dedicaron sus esfuerzos principalmente a la predicción de la relación entre el material y dimensiones de elemento fusible con el tiempo tardado por el mismo en alcanzar la fusión. Se comienza a entender el comportamiento térmico del fusible, la conducción axial y radial, el efecto de los terminales, etc. En ese momento se definió el principal parámetro de trabajo del fusible para esa época, la "corriente mínima de fusión". En esa publicación se presenta la denominada constante de Meyer, valor que permite determinar el tiempo de fusión de un fusible por la densidad de corriente que lo atraviesa y en función del material empleado, bajo condiciones adiabáticas (sin intercambio de calor). En forma analítica, la constante de Meyer es el valor de la integral de la densidad de corriente elevada al cuadrado, la cual almacena en el elemento una cantidad de calor suficiente para provocar la fusión, integral que recibió el nombre de energía específica.

La idea en esa etapa de desarrollo, era en que si el elemento alcanzaba la fusión, eventualmente interrumpiría la sobrecorriente. Al poco tiempo se reconoció que cumplir con el primer requisito no siempre significaba el cumplimiento del segundo. En esa etapa, las energías liberadas por los sistemas eléctricos en casos de fallas comenzaron a superar a la capacidad del fusible para su interrupción, por lo que comenzó a ser común la explosión del fusible. El bajo nivel de conocimientos del momento sobre el proceso de interrupción, no permitía reconocer donde radicaba el problema. Era normal encontrar en los manuales de instrucciones sobre el manejo de fusibles, indicaciones que hoy parecen ridículas, como que "el operario debía aproximarse al fusible de costado para reducir el perfil expuesto a la explosión, con el brazo izquierdo cubierto con una manga de cuero, el cual debía desplazarse

hacia arriba hasta cubrir los ojos y recién operar con la mano derecha enguantada", o que "el operario solo puede operar fusibles cuando está acompañado por otro trabajador".

En esta etapa del desarrollo, los sistemas eléctricos comenzaron a migrar de corriente continua a corriente alterna, por lo que se construyen líneas de distribución de longitud importante y se empieza a elevar la tensión de trabajo, ya teniéndose sistemas con algunas decenas de kV. En esa altura de desarrollo se disponía fusibles abiertos, capaces de funcionar desde unos pocos voltios hasta los 70 kV, recibiendo el nombre de "fusible de expulsión", poseyendo muy poca capacidad de interrupción de corriente.

Los dispositivos de alta tensión se instalaban en lugares solitarios y en puntos elevados del poste, para reducir el riesgo de daño por los elementos expulsados. Esto significaba que solo podía emplearse fusibles en esas tensiones para corrientes muy bajas quedando relegados a los sistemas de distribución de baja potencia y rurales.

Para la protección y operación de estos sistemas de mayor tensión, existían interruptores basados en la extinción en aceite, naciendo la idea de emplear una combinación de interruptor en aceite y fusible, denominado "fusible líquido o de aceite". El elemento fusible, tensionado por un resorte, se encuentra dentro que el fusible se debilita por la temperatura alcanzada, el resorte lo corta y desplaza, alargando el arco eléctrico que se apaga en aceite. Este dispositivo, en uso durante varios años, permitía potencias de interrupción mucho mayores que las de expulsión.

La gran variedad de diseños disponibles comercialmente y las diferencias en los criterios de diseño y aplicación, condujeron a la necesidad de "Normalizar", momento en el cual se comienza a trabajar en las normal específicas a fin de poder garantizar uniformidad e intercambiabilidad entre fabricantes. Se aprueban normas sobre fusibles en Norteamérica, Alemania e Inglaterra, que eran los países que lideraban el desarrollo.

Se exploró la idea de colocar el elemento fusible inmerso en material de relleno, probándose con las siguientes substancias: tiza, mármol, ladrillo molido, arena, mica, carborudurm y amianto, sin alcanzar resultados concluyentes.

Tercera etapa

La tercera etapa se considera que se inicia con el nacimiento del dispositivo denominado "Fusible de potencia" o fusible con material exterior con relleno, que fue introducido por investigadores alemanes durante la década de 1940. Durante esa etapa, se efectuaron

extensos estudios sobre el fenómeno de extinción del arco eléctrico y la influencia del relleno, determinando que el mejor elemento extintor era y todavía lo es hoy, la arena de cuarzo. La idea del empleo de la arena de cuarzo nace de su ya difundido uso para el apagado de incendios.

Cuarta etapa

A continuación se presentó la cuarta etapa denominada la "era oscura del fusible", que fue el período en el cual se desencadenó la segunda guerra mundial. En esta etapa, se produjo un rápido incremento de las energías de falla de los ya importantes sistemas eléctricos, que superó en muy corto tiempo a los desarrollos pendientes a suministrar al fusible la capacidad de ruptura para manejaras. Además, contemporáneamente se introdujo el interruptor automático magneto térmico, que como competidor amenazó seriamente, al en ese momento "atrasado" fusible. Esta situación se mantuvo hasta aproximadamente el año 1945, es decir, hasta finales de la segunda guerra mundial, momento en el que comenzaron a aparecer nuevos e ingeniosos diseños de fusibles, con una importante variedad en distintos tipos y aplicaciones.

Quinta etapa

La introducción de innovaciones importantes para mejorar el comportamiento del fusible marcó el inicio de la quinta etapa. Tales innovaciones son, fundamentalmente: el agregado del denominado efecto , uso de elemento fusible con reducciones de sección distribuidas, utilización de material extintor como relleno, etcétera. Tales características pusieron nuevamente al fusible nuevamente en condiciones de competir con el recién llegado interruptor magnetotérmico, superándolo el fusible en lo que se refiere a capacidad de ruptura y fiabilidad. El fusible de elevada capacidad de interrupción, alcanzó niveles de tensión del orden de los 60 kV, con lo que se introdujo en el campo en el que hasta ese momento era casi exclusivo para los interruptores. Desde ese momento y hasta la actualidad, el fusible es el dispositivo con mayor capacidad volumétrica en el manejo de energía de fallas, lo que se logra con la rápida intervención, fenómenos que se denominan "limitación", que significa que el fusible anula la corriente sin esperar su paso natural por cero.

Este período coincidió con la gran expansión mundial que le siguió al final de la guerra, creciendo el tamaño y la demanda de los sistemas eléctricos, dando lugar al nacimiento de grandes empresas fabricantes de fusibles, fundamentalmente en Europa y Norteamérica.

Sexta etapa

La sexta etapa se originó con la introducción del semiconductor de estado sólido, que tuvo lugar en los comienzos de la década del 1950, si bien los semiconductores con potencias recientemente importantes vieron la luz durante la década de 1970. Los semiconductores de

potencia poseen característica de operación totalmente diferentes a los sistemas eléctricos. Basada tal diferencia, fundamentalmente, en su elevada densidad de energía bajo condiciones de funcionamiento nominal y su reducida capacidad térmica. En otras palabras, los semiconductores de potencia, manejaban elevados valores de energía en muy pequeño volumen, pero poseían muy baja capacidad para soportar sobrecorrientes del tipo corto-circuito. Estas características requerían de un nuevo tipo de dispositivos protectores.

El fusible resulta muy superior a los restantes dispositivos protectores para esta tarea, función que todavía hoy sigue liderando. La adaptación del fusible tradicional, para cumplir con esta nueva función no fue rápidamente lograda, ya que inicialmente los fabricantes pre-existentes de fusibles no fueron capaces de desarrollar el fusible adecuado. Ante esta dificultad, las fábricas de semiconductores de potencia crearon sus propias divisiones de desarrollo de fusibles específicos para sus semiconductores. No obstante, en un breve espacio de tiempo los fabricantes de fusibles pudieron entender los requerimientos del semiconductor, armonizando parámetros y características, haciéndose cargo de la fabricación de los mismos. Las fábricas de fusibles pertenecientes a los fabricantes de semiconductores fueron lentamente desapareciendo, al haber tomando nuevamente los "expertos" el negocio en sus manos.

Desde ese momento, hasta aproximadamente la década del 1990, la velocidad del desarrollo de fusibles se redujo en gran medida, fundamentalmente debido a la fuerte posición de estos dispositivos en los sistemas eléctricos. En ese período, no se produjo ninguna innovación excepcional en el desarrollo de los fusibles, salvo la habilidad de realizar estudios analíticos muchos más precisos empleando el poder de las computadoras y técnicas de análisis tales como las de Elementos finitos, Diferencias finitas, Transmission Line Network, etcétera. Tales estudios analíticos, permitieron comprender mejor el funcionamiento y facilitaron la optimización de las dimensiones y materiales empleados en los dispositivos. Además no debe olvidarse la política comercial sumamente agresiva y muchas veces con poco fundamento técnico de los fabricantes de interruptores termo-magnéticos de baja tensión, que son presentados como la panacea de los dispositivos de protección.

Séptima etapa

En la década del 1990 se inicia la séptima etapa de desarrollo de fusibles, que se puede considerar como generada por el denominado "Fusible Delgado". Uno de los campos de aplicación más difícil del fusibles es para corrientes nominales bajas, del orden desde las fracciones de amperes hasta no más de 10 A. Para operar adecuadamente con estas corrientes nominales, el elemento fusible debe poseer dimensiones tan pequeñas, que lo vuelven inmanejable en el armado, desde el punto de vista mecánico. Aparece así el denominado "Fusible en Sustrato", que consiste en el material conductor depositado sobre una placa de aislante, similarmente a los circuitos impresos ampliamente desarrollados para el armado de los dispositivos electrónicos. Se emplean varias técnicas de deposición del material conductor,

como es la fotográfica y ataque por ácido empleada en los circuitos impresos, deposición en vacío usada en las plateados de materiales no conductores, máscara permeable aplicada en el etiquetado, etc. Como sustrato se utiliza Alúmina, Silicio, Mica, etc. En la actualidad se encuentran en desarrollos fusibles de dimensiones aún menores, denominados fusibles litográficos, ya que se obtienen por el conocido método de offset, empleando sustrato muy delgado y flexible. La necesidad de fusibles de bajo tamaño es cada vez mayor, por la miniaturización de la electrónica, pudiendo afirmar que cada equipo electrónico moderno posee en la actualidad uno o más fusibles, como por ejemplo los teléfonos móviles, las cámaras fotográficas digitales, filmadoras, etc. Otro campo de muy alto desarrollo actual fusible para automotores, debido al agregado cada vez mayor de electrónica y electricidad en el automóvil. Éste, totalmente eléctrico o simplemente híbrido, contiene muchísimos circuitos eléctricos y con ellos un gran número de fusibles. El próximo desarrollo que se espera de fusibles, que daría lugar a la próxima etapa, es el agregado de capacidad o habilidad de toma de decisiones o de adaptación, que haría que su operación sea modificada por condiciones de trabajo independientemente de la magnitud de la corriente. Dando así lugar al denominado fusible inteligente, del que ya se están produciendo algunos avances todavía incipientes y muy protegidos por sus posibilidades de ser patentados.

Definiciones

Características nominales: Términos generales para designar cada una de las magnitudes características que definen en conjunto las condiciones de funcionamiento para las que ha sido diseñado el dispositivo y a partir de las cuales se determinan las condiciones de ensayo.

Corriente presunta de un circuito: Corriente que fluiría en un circuito si el cortacircuito fuera reemplazado por una lámina de impedancia despreciable, sin ningún otro camino ni en el circuito ni en la fuente.

Corriente presunta de ruptura: La corriente presunta correspondiente al instante de iniciación del arco durante la operación de ruptura.

Capacidad de ruptura: Corriente presunta de ruptura que un fusible es capaz de interrumpir en las condiciones prescritas.

Corriente de ruptura límite El valor máximo instantáneo alcanzado por la corriente durante la operación de ruptura del fusible, cuando opera en forma de evitar que la corriente alcance el valor máximo al que llegaría en ausencia del cortacircuito.

Tiempo de pre-arco: Lapso entre el comienzo de la circulación de una corriente suficiente como para fundir a los elementos fusibles y el aislante en que se inicia el arco.

Tiempo de operación: Suma del tiempo de pre-arco y el tiempo de arco.

Integral de Joule (I2 t): La integral del cuadrado de la corriente presunta de ruptura.

Tiempo virtual: I2 t dividido por el cuadrado de la corriente presunta de ruptura.

Tensión de restablecimiento: Tensión que aparece entre bornes de un cortacircuito después de la ruptura de la corriente.

Tensión de ruptura: Valor máximo de la tensión, expresado en valor de cresta, que aparece entre los bornes del cortacircuito durante la operación del fusible.

Clasificación

Los fusibles pueden clasificarse empleando diversas características constructivas u operativas, existiendo numerosos antecedentes con distintos criterios. Por ejemplo si se dividen en base a su propiedad de ser reutilizables, se pueden clasificar en:

Descartable

Renovable

Inteligente, se reutiliza solo la porción no usada.