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Educación Secundaria

Descubrimos la resistencia y cómo se mide la intensidad de corriente

SEMANA 23

5.° grado: Ciencia y Tecnología

Habrás notado que la energía eléctrica ha cambiado la vida de las personas. Esta se ha convertido en el principal recurso energético que se usa dentro del hogar y fuera de él, y hace posible la convivencia en mejores condiciones para la conservación de la salud y del ambiente. Por otro lado, cada vez más artefactos eléctricos se incorporan al hogar; por ejemplo, la mayoría de las familias tiene un televisor, pero otras, dependiendo de su economía y del número de personas presentes en casa, tienen más de uno. Así como el televisor, poco a poco la computadora se ha ido introduciendo como un artefacto importante. La tendencia es que en un futuro no muy lejano todas las familias tengan algún aparato de computación (personal, portátil o tableta). Esta tendencia no debe sorprendernos, pues, como es conocido, hace una década el teléfono celular era un bien que solo algunas personas podían tener. Si retrocedemos más en el tiempo, hace dos décadas era un aparato de lujo, pues el pago del servicio era muy alto y hasta en dólares, y los teléfonos satelitales solo eran usados por gobernantes o millonarios.Por otro lado, tal vez sin darnos cuenta se están introduciendo nuevos aparatos eléctricos en los hogares. Entre estos tenemos la lavadora, el extractor de gases, el aire acondicionado, cámaras de seguridad, puertas eléctricas, ascensores, sensores para detectar movimientos en el hogar, secador de cabello, entre muchos otros. Esta tendencia hacia el incremento de aparatos eléctricos en el hogar, al parecer, no cambiará en las próximas décadas. Así como el incremento de electrodomésticos ha hecho que nuestra vida en el hogar sea mucho más confortable, también trae otras demandas. Con el correr del tiempo, los pagos por el servicio eléctrico se incrementan más y más. Si se analizan los recibos de pago por servicio de energía eléctrica, no solo ha aumentado la tarifa eléctrica, sino que se ha incrementado el consumo en los hogares. Ante esta situación, ¿qué debemos hacer? ¿Dejar de usar aparatos eléctricos? ¡No es el camino! Quizá sería mejor usar los aparatos que tenemos de manera más responsable, y para ello hay muchas recomendaciones, por ejemplo, usar la luz natural lo más que se puede o solo encender los focos de alumbrado cuando sea totalmente necesario. También puede haber fugas de energía por conexiones eléctricas inadecuadas, y para resolver estos problemas hay que saber, por ejemplo, sobre circuitos eléctricos. ¿Qué conocimientos de la física permiten usar los electrodomésticos de manera responsable? ¿Qué conocimientos permiten determinar la fuga de energía eléctrica? ¿Cómo podemos estimar el consumo mensual de energía eléctrica? Para responder estas preguntas y otras que tú formules deberás usar conceptos, modelos, teorías y evidencias científicas. Tu reto será construir explicaciones y argumentos sobre la electricidad que te permitan responder preguntas que surjan sobre el uso de la energía eléctrica y el consumo responsable, para que así puedas elaborar un periódico mural con los conocimientos científicos que has construido.

Lee la siguiente situación y, a continuación, responde las preguntas.

Descubrimos la resistencia y cómo se mide la intensidad de corriente

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1. ¿Qué es la resistencia eléctrica?

Se denomina resistencia eléctrica a la oposición del flujo de la corriente eléctrica a través de un conductor. La resistencia eléctrica depende de diferentes factores, como la naturaleza del conductor y sus dimensiones de longitud y grosor. Para la conducción de la electricidad se utiliza alambre de metal de cobre o, en casos especiales, de oro, porque estos metales ofrecen menor oposición al flujo de corriente eléctrica que otros.

Si durante su movimiento los electrones no experimentan ningún obstáculo, al ser puestos en movimiento ordenado se moverán por inercia de modo ilimitadamente prolongado, sin el efecto del campo eléctrico. Pero, en realidad, los electrones están en interacción con los iones de la red cristalina del metal. Por esta causa, se retarda su movimiento ordenado y aumenta el movimiento caótico de los iones. La intensidad de la corriente disminuye, mientras que la temperatura del conductor crece. Por lo tanto, la energía de la corriente se convierte en energía interna del conductor.

Para entender mejor la resistencia eléctrica, nos puede ayudar la siguiente analogía: Todos sabemos que el flujo de agua por las tuberías es mayor si estas son más lisas y tienen menores protuberancias que impidan la circulación del agua. Asimismo, la resistencia eléctrica depende del tipo de cristales de los que están formados los conductores como alambres de cobre, niquelina o hierro. Igualmente, la resistencia al flujo de agua será menor si los tubos son anchos, y pasará mayor cantidad de agua en menor tiempo. En los conductores eléctricos, que generalmente son alambres de metales como el cobre, níquel o hierro, la resistencia eléctrica será menor en los conductores más gruesos.

2. ¿Cuáles son las causas de la resistencia eléctrica?

Cuando conectamos a un circuito eléctrico cualquier fuente de corriente, compuesta por diversos conductores y un amperímetro, podemos observar que las indicaciones del amperímetro son distintas; es decir, al cambiar dichos conductores, la intensidad de la corriente varía. Por ejemplo, si en lugar del alambre de hierro AB (figura 1) conectamos al circuito un alambre de niquelina CD, del mismo grosor y longitud, la intensidad de la corriente en el circuito disminuirá, mientras que, al conectar el alambre de cobre EF, dicho parámetro aumentará considerablemente.

Sin duda, el descubrimiento en forma teórica y experimental de la ley que expresa la relación entre la intensidad de la corriente en el circuito, la tensión y la resistencia por el físico alemán Jorge Ohm (1787-1854) permite entender no solo el consumo de energía, sino también identificar las posibles fugas de energía. Pero ¿qué es la resistencia eléctrica? ¿En qué unidades se mide la resistencia? Para responder estas y otras interrogantes que formules, lee con atención las siguientes preguntas y sus respuestas a fin de que construyas tus propias ideas y explicaciones sobre electricidad.

V02 4 6 8

10A

01 2

3

A B

DF

CE

Figura 1. Medida de intensidad y tensión de conductores

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Un voltímetro conectado consecutivamente a los extremos de los conductores muestra una tensión igual. Esto significa que la intensidad de la corriente en el circuito depende no solo de la tensión, sino también de las propiedades de los conductores conectados al circuito. La dependencia entre la intensidad de la corriente y las propiedades del conductor se explica porque diferentes conductores tienen distinta resistencia eléctrica.

3. ¿En qué unidades se mide la resistencia?

La resistencia eléctrica del conductor es una magnitud física. Por unidad de resistencia ha sido adoptado 1 ohmio (se representa por Ω), es decir, la resistencia de un conductor, en el que con una tensión de 1 V en los extremos, la intensidad de la corriente es igual a 1 A. En forma resumida, esta definición se puede escribir en la siguiente forma:

1 ohmio = 1 voltio

1 amperio o 1 Ω = 1 V1 A , o bien 1 Ω = 1

VA

En la práctica también se utilizan otras unidades de resistencia, submúltiplos y múltiplos del ohmio: miliohmio (mΩ), kiloohmio (kΩ), megaohmio (MΩ).

1 mΩ = 0,001 Ω; 1 kΩ = 1000 Ω; 1 MΩ = 1 000 000 Ω

4. ¿Cómo se mide la intensidad de la corriente?

La intensidad de la corriente, la tensión y la resistencia están relacionadas entre sí. La dependencia entre la intensidad de la corriente y la tensión han sido establecidas en el recurso anterior. En este recurso, sobre la base de experimentos, se mostró que la intensidad de la corriente en el circuito se da a razón directa de la tensión en los extremos del conductor, o bien, lo que es lo mismo, en los extremos del sector del circuito, ya que el conductor es parte o sector del circuito eléctrico.

En los experimentos descritos, la resistencia del conductor (sector del circuito) no variaba; solamente cambiaba la tensión en sus extremos. Por esto, podemos decir que la intensidad de la corriente se da a razón directa de la tensión en los extremos del conductor, a condición de que, en tal caso, la resistencia del conductor no varíe.

Para dar respuesta a la pregunta de cómo depende la intensidad de la corriente de la resistencia, analicemos un experimento. En la figura 2 está representado un circuito eléctrico en el que la fuente de la corriente es un acumulador. Por turnos, conectemos a la red de conductores de diferente resistencia. Durante el experimento, la tensión en los extremos del conductor se mantiene constante. Esta se observa por las indicaciones del voltímetro, mientras que con un amperímetro se mide la intensidad de la corriente.

En la siguiente tabla se muestran los resultados de los experimentos con tres diferentes conductores.

N.° de experimento

Tensión en los extremos del conductor (V)

Resistencia del conductor (Ω)

Intensidad de la corriente en el circuito (A)

123

222

124

21

0,5

Descubrimos la resistencia y cómo se mide la intensidad de corriente

V02 4 6 8

10A

01 2

3

Figura 2. Intensidad de corriente - resistencia

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En el primer conductor, la resistencia era 1 Ω; y la intensidad de la corriente en el circuito, 2 A. La resistencia del segundo conductor es 2 Ω, es decir, dos veces mayor, en tanto que la intensidad de la corriente es dos veces menor. Finalmente, en el tercer caso, la resistencia del circuito aumentó cuatro veces y la intensidad de la corriente disminuyó en ese mismo valor. Notemos que, durante los tres experimentos, la tensión de los extremos de los conductores era la misma, igual a 2 V. La figura 3 representa la gráfica de la dependencia entre la intensidad de la corriente y la resistencia del conductor para la misma tensión en sus extremos. En esta gráfica, por el eje horizontal, en la escala elegida convencionalmente se representa la resistencia de los conductores en ohmios; y por el eje vertical, la intensidad de la corriente en amperios.

Generalizando los resultados de los experimentos, llegamos a la siguiente conclusión: con igual tensión en los extremos del conductor, la intensidad de la corriente es razón inversa de la resistencia en el conductor. La dependencia de la intensidad de la corriente respecto a la tensión en los extremos del sector del circuito y de la resistencia recibe el nombre de ley de Ohm, físico alemán que descubrió esta ley en 1827.

5. ¿Cómo se enuncia la ley de Ohm?

La ley de Ohm se enuncia de la siguiente manera: la intensidad de la corriente en un sector del circuito es directamente proporcional a la tensión en los extremos de dicho sector e inversamente proporcional a la resistencia:

intensidad de la corriente = tensión

resistencia

Introduciendo las siguientes designaciones: U - tensión, I - intensidad de la corriente, R - resistencia, podemos expresar la ley de Ohm en forma matemática mediante la siguiente fórmula:

I = UR

La ley de Ohm es una de las leyes fundamentales de la física.

6. ¿Cómo se calcula la resistencia de un conductor?Teniendo conocimiento de la causa de la resistencia eléctrica, podemos deducir que esta depende de las dimensiones del conductor (longitud y grosor), así como del material del que está hecho. Ten en cuenta que el grosor se refiere al área de la sección transversal. El experimento confirma esta deducción.

En la figura 4 vemos una instalación para realizar semejante experimento. Al circuito de una fuente de corriente se conectan por turnos diversos conductores; se instalan, por ejemplo, alambres de niquelina de igual grosor, pero de distinta longitud; o alambres de niquelina de igual longitud, pero de distinto grosor. También se instalarán, por turnos, alambres de niquelina y de nicromo de igual longitud y grosor.

Descubrimos la resistencia y cómo se mide la intensidad de corriente

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І, A- constante

1,5

1

0,5

0 1 2 3 R,Ω

U

Figura 3. Dependencia de la intensidad de corriente de la resistencia del conductor para una misma tensión en los extremos

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La intensidad de la corriente se mide con un amperímetro, y la tensión, con un voltímetro. Conociendo la tensión en los extremos del conductor y la intensidad de la corriente en este conductor, de acuerdo a la ley de Ohm, es posible calcular la resistencia de cada uno de los conductores.

La dependencia entre la resistencia de un conductor, sus dimensiones y material, fue estudiada por primera vez por Ohm en un experimento. Él estableció que la resistencia se da a razón directa por la longitud del conductor y a razón inversa del área de su sección transversal, y que depende del material del conductor.

La resistencia de un conductor de 1 m de longitud, de 1 m2 de sección transversal recibe el nombre de resistividad de la sustancia del conductor. Introduciendo las designaciones: ρ - resistividad, l - longitud de conductor, S - área de su sección transversal, entonces, la resistencia R del conductor será expresada mediante la siguiente fórmula:

R = ρ lS ; despejando ρ =

R ∙ St

De esta fórmula podemos determinar la unidad de resistividad:

unidad de ρ = unidad de R ∙ unidad de S

unidad l

Como la unidad de R = 1 Ω, la de S = 1 m2, la de l = 1 m, la unidad de resistividad será: 1Ω ∙ 1 m2

1 m = 1 Ω ∙ m

Es más cómodo expresar el área de la sección transversal del conductor en milímetros cuadrados, ya que con frecuencia es pequeña. Entonces, la unidad de resistividad será

1 Ω ∙ mm2

1 m .

Descubrimos la resistencia y cómo se mide la intensidad de corriente

El contenido del presente documento tiene finalidad educativa y pedagógica, y forma parte de la estrategia de educación a distancia y gratuita que imparte el Ministerio de Educación.

Figura 4. Determinación de resistencia de conductores