¿Cómo funcionan el voltaje, la resistencia y el amperaje? (En circuitos DC)

La mitad del objetivo de usar voltaje, corriente y resistencia es que no tenemos que preocuparnos por la fuente de alimentación y la resistencia. Ya sea que esté usando ocho baterías AA de 1,5 voltios en serie o una batería de automóvil de 12 voltios, si conecta 150 ohmios entre los terminales, obtendrá alrededor de 0,08 amperios. (Las baterías tienen cierta resistencia interna, pero es muy pequeña).

Podría ser útil ver esto desde una perspectiva física. Tienes un campo eléctrico que empuja las cargas eléctricas, dándoles energía en el proceso. Esa energía luego se pierde a medida que las cargas se mueven a través de un medio. (Más específicamente, los electrones en movimiento chocan con los átomos). La velocidad a la que se mueven las cargas depende tanto de la fuerza del campo eléctrico como de la capacidad del medio para permitir que las cargas se muevan sin obstáculos. Resulta que el medio a menudo se puede describir mediante un solo parámetro llamado conductividad . Esto da una relación simple, conocida como Ley de Ohm:

dónde$\vec{E}$es la intensidad del campo eléctrico y$\sigma$es la conductividad.$\vec{J}$se denomina densidad de corriente y representa la tasa de flujo de carga. Esta es una relación microscópica. Tenga en cuenta que la corriente y el campo E son cantidades vectoriales. Hacer física con vectores 3D es mucho trabajo, pero afortunadamente tenemos una opción más simple: la teoría de circuitos. En teoría de circuitos, hablamos de voltaje (energía) en lugar de intensidad de campo eléctrico (fuerza). Al igual que en la mecánica básica, esto nos permite enfrentarnos a situaciones complicadas de forma sencilla.

Para dar el salto a la teoría de circuitos, tenemos que cambiar al uso de variables macroscópicas. En lugar de hablar de la fuerza del campo eléctrico en cada punto, hablamos de la diferencia de energía entre dos puntos. En lugar de hablar de la conductividad de un medio, hablamos de la conductancia de un objeto físico. En lugar de hablar de la densidad del flujo de carga, hablamos de la corriente total a través de un cable. Ahora podemos usar la Ley de Ohm en su forma macroscópica:

donde V es el voltaje (energía por unidad de carga), G es la conductancia (medida en amperios/voltios, también conocida como siemens) e I es la corriente.

Puede pensar en el voltaje como una especie de presión que empuja la carga a través de un circuito. La conductancia te dice cuánta corriente obtienes para un voltaje dado. Ahora probablemente estés pensando "¿De dónde diablos salió la conductancia? ¡Estaba preguntando sobre la resistencia!" Bueno, la resistencia es solo el recíproco de la conductancia:

La resistencia es más conveniente porque generalmente nos interesan más los elementos de baja conductancia en un circuito. Con la resistencia, podemos usar un número normal como 150 ohmios en lugar de una pequeña fracción como 0,00667 siemens. Esto nos da la forma más familiar de la Ley de Ohm:

Ahora, volviendo a tu pregunta. La razón por la que una batería de automóvil y ocho baterías AA tienen el mismo efecto en su circuito es que ambas producen campos eléctricos similares. He aquí una analogía: tirar de un carro sobre una superficie rugosa. Se necesita una cierta cantidad de fuerza para hacer que el vagón ruede a cierta velocidad. No importa si esa fuerza proviene de tu mano o del motor de un automóvil, sigue siendo la misma fuerza.

Sí, 12 V en una resistencia de 150 Ω hacen que fluyan 80 mA. Esto se debe a que los voltios son voltios, independientemente de cómo se produzcan.

La diferencia entre las 8 AA y la batería de un automóvil es que la batería del automóvil puede proporcionar más corriente si la carga trata de consumirla . Una resistencia de 150 Ω siempre intentará consumir 80 mA cuando se le apliquen 12 V. Tanto los AA como la batería del automóvil pueden hacer eso, así que no hay problema.

Sin embargo, suponga que tiene una resistencia de 1 Ω en su lugar. Eso dibujará 12 A si aplica 12 V a través de él. La batería del automóvil puede hacer eso fácilmente, así que eso es exactamente lo que sucederá. Los AA no pueden hacer eso, así que algo tiene que ceder. Lo que da es que las pilas AA ya no emitirán 1,5 V por celda. El voltaje disminuirá, de modo que la corriente que consume la resistencia disminuirá hasta un nivel que las baterías puedan soportar. En este caso, los AA se agotarían rápidamente, por lo que el voltaje seguirá bajando y bajando a medida que las baterías se agoten cada vez más.

Algo similar ocurrirá con las fuentes de alimentación. Si tiene una fuente de alimentación de 12 V y 12 A, puede mantener los 12 V en la resistencia de 1 Ω indefinidamente. Si solo tiene un suministro de 12 V 5 A, entonces no podrá mantener 12 V. Se quemará un fusible, se apagará, entrará en el modo de límite de corriente o algo más. Lo que no hará es mantener la salida a 12 V. Si pudiera, se marcaría como suministro de 12 A y se vendería por más dinero.

En el caso de la limitación de corriente, puede usar la ley de Ohm nuevamente para determinar cuál será el voltaje a través de la resistencia. Digamos que el suministro tiene un límite de corriente preciso establecido en 5 A. Eso significa que emite 12 V o 5 A, lo que resulte en menos. Dado que la resistencia de 1 Ω requeriría 12 A y el suministro no puede hacer eso, en su lugar regulará su salida a 5 A. (5 A)(1 Ω) = 5 V, que es lo que producirá el suministro con la resistencia conectada.

Una mejor declaración de lo que es la resistencia es la oposición al flujo de corriente eléctrica; no detiene el flujo de corriente eléctrica. Piense en vadear una piscina de miel en lugar de una hecha de agua. La miel ofrece más resistencia que el agua por lo que con el mismo esfuerzo te moverás más lento a través de la miel, pero en ambos casos podrás avanzar por la piscina.

La Ley de Ohm establece que el voltaje a través de un componente puramente resistivo es proporcional a la corriente que fluye a través de él. No hace suposiciones sobre cuál es la fuente.

Como señaló Ignacio Vásquez-Abrams, es posible que un paquete de baterías de 12 V hecho con baterías 8AA no pueda desarrollar 12 V a través de una resistencia muy pequeña porque hay algún otro factor limitante (por ejemplo, la resistencia interna de las baterías).

Si el voltaje máximo a través de 150 ohmios es de 12 V, entonces sí, la corriente máxima a través de él es de 80 mA.

En consecuencia, si no se pueden generar 80 mA, entonces el voltaje a través de la resistencia será proporcionalmente menor a 12 V, y cualquier voltaje que no caiga en la resistencia tendrá que ser eliminado por las otras partes del circuito (como la resistencia interna de el suministro).

La analogía simple del flujo de agua es mejor para la mayoría de los principiantes y para tener una idea básica de trabajo antes de pasar a las matemáticas.

El voltaje de un circuito se puede considerar como la presión del agua en un sistema de tuberías.

El amperaje se puede considerar como la cantidad de agua que fluye por segundo (piense en las moléculas de agua que fluyen como una corriente).

La resistencia en esta idea acuosa se puede relacionar con una tubería que tiene un diámetro reducido. Cuanto menor sea el diámetro de la tubería, mayor será la resistencia al flujo (o corriente, o flujo de amperaje). Una alta resistencia al flujo reduce la corriente y permite que se acumule una mayor presión (o voltaje) detrás de ella.

El V = IR es correcto para su ejemplo: 12v = 0.08A x 150 Ohms.

En la forma de ecuación verbal básica usando unidades de uno:
1 voltio empuja 1 amperio de corriente a través de 1 ohmio.

La ecuación anterior (Ley de Ohm) se puede reescribir de otras formas para encontrar V, I o R, conociendo las otras dos. Por ejemplo: V=IR, I=V/R, R=V/A