Magnitudes eléctricas fundamentales
Tensión, intensidad y resistencia: las tres magnitudes con las que se describe cualquier circuito. Junto con la ley de Ohm y la ley de Joule forman el lenguaje básico de toda la carrera, y son lo primero que hay que saber medir con seguridad.
01Las magnitudes y sus unidades
| Magnitud | Símbolo | Unidad | Qué representa |
|---|---|---|---|
| Carga eléctrica | Q | coulomb (C) | Cantidad de electricidad. Un coulomb son 6,25 × 1018 electrones. |
| Intensidad de corriente | I | ampere (A) | Carga que pasa por segundo por una sección del conductor. |
| Tensión o diferencia de potencial | V o U | volt (V) | Energía por unidad de carga. Es lo que «empuja» a los electrones. |
| Resistencia | R | ohm (Ω) | Oposición al paso de la corriente. |
| Potencia | P | watt (W) | Energía transformada por segundo. |
| Energía | W o E | joule (J) | Potencia por tiempo. En la factura de luz se mide en kWh. |
Sirve para no perderse, siempre que se recuerde que es sólo una analogía:
- Tensión = presión / altura del tanque. Existe aunque no circule nada.
- Corriente = caudal. Sólo existe si el circuito está cerrado.
- Resistencia = estrechamiento de la cañería.
- Potencia = trabajo que hace el agua al caer.
La consecuencia práctica: la tensión se mide entre dos puntos (siempre hay un «respecto de»), mientras que la corriente se mide en un punto, atravesando el circuito.
Múltiplos y submúltiplos
En electrónica se trabaja con valores que van de los picofarad a los megaohm. Manejar los prefijos con soltura es imprescindible.
| Prefijo | Símbolo | Factor | Ejemplo típico |
|---|---|---|---|
| giga | G | 109 | 1 GΩ: aislación |
| mega | M | 106 | 1 MΩ: resistencia de fuga |
| kilo | k | 103 | 4,7 kΩ: resistencia de base |
| — | — | 1 | 8 Ω: parlante |
| mili | m | 10−3 | 20 mA: corriente de un LED |
| micro | µ | 10−6 | 100 µF: capacitor de filtro |
| nano | n | 10−9 | 100 nF: desacople |
| pico | p | 10−12 | 22 pF: oscilador de cristal |
02La ley de Ohm
Es la relación fundamental. En un conductor a temperatura constante, la corriente es directamente proporcional a la tensión aplicada e inversamente proporcional a la resistencia.
Si V está en volt e I en miliamperes, entonces R sale en kiloohm. Esa combinación (V, mA, kΩ) es la que más se usa en electrónica porque evita ceros: 5 V / 2 mA = 2,5 kΩ. Lo que nunca se puede hacer es mezclar: 5 V / 2 mA ≠ 2,5 Ω.
- Una resistencia de 220 Ω con 9 V aplicados: I = 9/220 = 40,9 mA.
- Por una resistencia circulan 15 mA y tiene 3,3 V: R = 3,3/0,015 = 220 Ω.
- Una resistencia de 1 kΩ con 25 mA: V = 0,025 × 1000 = 25 V.
Qué componentes NO cumplen la ley de Ohm
La ley de Ohm vale para conductores y resistencias, no para todo. Un diodo tiene una curva exponencial; una lámpara incandescente cambia su resistencia al calentarse; un termistor está fabricado justamente para que su resistencia dependa de la temperatura. En esos casos se habla de componentes no lineales y se trabaja con su curva característica, como se vio en semiconductores y diodos.
03Potencia y ley de Joule
La potencia eléctrica es el producto de la tensión por la corriente. Combinándola con la ley de Ohm se obtienen tres expresiones equivalentes:
En una resistencia, toda esa potencia se transforma en calor. Es la ley de Joule, y es la razón por la que las resistencias tienen una potencia nominal: 1/4 W, 1/2 W, 1 W, 5 W.
Una resistencia de 100 Ω va a tener 12 V aplicados. ¿De cuántos watt hay que comprarla?
Se elige siempre al menos el doble de la potencia calculada, porque el valor nominal supone aire libre y 25 °C: hace falta una de 3 W o 5 W. Una de 1/4 W se quemaría en segundos, y una de 2 W trabajaría al límite, muy caliente.
Energía y factura de luz
Un cargador que consume 5 W enchufado las 24 horas del día durante un mes:
W = 0,005 kW × 24 h × 30 días = 3,6 kWh por mes. A modo de referencia, un termotanque eléctrico de 1500 W usado 2 horas por día consume 90 kWh en el mismo período: 25 veces más. El cálculo de consumo es el primer paso de cualquier proyecto alimentado a batería o a panel solar.
04Resistencias
El componente más común de todos. Se caracteriza por tres datos: valor en ohm, tolerancia en porcentaje y potencia en watt.
Valores comerciales: la serie E12
Las resistencias no existen en cualquier valor. La serie E12 (tolerancia 5 %) tiene 12 valores por década, elegidos para que los rangos de tolerancia de uno y otro se toquen sin dejar huecos:
10 · 12 · 15 · 18 · 22 · 27 · 33 · 39 · 47 · 56 · 68 · 82
Y se repiten multiplicados por 10, 100, 1000… Por eso los cálculos de diseño se redondean siempre al valor E12 más cercano. La serie E24 (1 %) agrega los valores intermedios.
Serie y paralelo
Misma corriente por todas, las tensiones se suman.
La total es mayor que la mayor de ellas.
Misma tensión en todas, las corrientes se suman.
La total es menor que la menor de ellas. Para dos: RT = R1·R2/(R1+R2).
Esas dos reglas de control («mayor que la mayor» / «menor que la menor») permiten detectar errores de cálculo de un vistazo, y conviene aplicarlas siempre.
Divisor de tensión
La fórmula supone que no se conecta nada a la salida. Apenas se conecta una carga RL, hay que usar R2 ∥ RL en vez de R2, y la tensión baja. Regla práctica: el divisor funciona bien si RL es al menos 10 veces mayor que R2.
05Medición en corriente continua
| Instrumento | Cómo se conecta | R interna ideal | Precauciones |
|---|---|---|---|
| Voltímetro | En paralelo con el elemento | Infinita (en la práctica ≥ 10 MΩ) | Respetar la polaridad en analógicos. Empezar por la escala más alta. |
| Amperímetro | En serie, abriendo el circuito | Cero (en la práctica < 1 Ω) | Nunca en paralelo con una fuente. Verificar el fusible y la borna de 10 A. |
| Óhmetro | Sobre el componente aislado | — | El circuito debe estar sin alimentación y el componente desconectado al menos por una pata. |
- Nunca medir resistencia con el circuito alimentado. El óhmetro inyecta su propia corriente; si además hay tensión externa, la lectura es falsa y el instrumento se puede dañar.
- Nunca dejar las puntas en la borna de corriente y medir tensión. Es el error que funde el fusible interno (o el multímetro entero). Al terminar de medir corriente, devolver la punta a la borna de V/Ω.
- Empezar siempre por la escala más alta y bajar. En los instrumentos de rango manual, medir 220 V en la escala de 2 V destruye el instrumento.
El efecto de carga del instrumento
Todo instrumento modifica el circuito que mide. Un voltímetro conectado en paralelo con una resistencia le pone su propia resistencia interna en paralelo, y la tensión medida es menor que la real.
Divisor de 12 V con dos resistencias de 1 MΩ. La tensión real en el punto medio es 6 V. Se mide con un multímetro digital de 10 MΩ de impedancia de entrada:
- R2 en paralelo con el instrumento: 1 M ∥ 10 M = 909 kΩ.
- Tensión medida: 12 × 909/(1000+909) = 5,71 V.
- Error: 4,8 %, sin que el instrumento esté fallado.
Con resistencias de 10 kΩ en vez de 1 MΩ el error sería del 0,05 %, despreciable. Por eso el efecto de carga sólo importa en circuitos de alta impedancia. Un voltímetro analógico de 20 kΩ/V en la escala de 10 V presenta 200 kΩ y en ese mismo divisor daría 2 V: un disparate. Es la razón principal por la que el multímetro digital desplazó al analógico.
Errores de medición
La exactitud de un multímetro digital se especifica como «± (a % de la lectura + n dígitos)». Por ejemplo, ± (0,5 % + 2 d) midiendo 10,00 V significa ± (0,05 V + 0,02 V) = ± 0,07 V. La resolución (cuántos dígitos muestra) no es lo mismo que la exactitud: un instrumento puede mostrar 4 dígitos y equivocarse en el segundo.
06En el laboratorio
Fuente variable, una resistencia de 1 kΩ (1/2 W), voltímetro y amperímetro. Subir la tensión de 1 en 1 V hasta 10 V, anotando la corriente en cada paso. Graficar I en función de V: debe salir una recta que pasa por el origen, y su pendiente es 1/R. Repetir con 2,2 kΩ y comprobar que la recta es menos inclinada.
Con tres resistencias de valores distintos (por ejemplo 1 k, 2,2 k y 4,7 k):
- Medir cada una por separado con el óhmetro y comparar con su código de colores. Verificar que entran en la tolerancia.
- Conectarlas en serie, calcular la resistencia total y medirla.
- Conectarlas en paralelo, calcular y medir.
- Con el conjunto en serie alimentado a 10 V, medir la tensión en cada resistencia y verificar que la suma da 10 V (segunda ley de Kirchhoff) y que cada una es proporcional a su valor.
Una resistencia de 100 Ω / 1/4 W alimentada a 5 V disipa 0,25 W: trabaja justo en el límite y se calienta claramente al tacto. Medir su resistencia en frío y después de dos minutos encendida: el valor sube unos pocos ohm. Es la comprobación práctica de que la ley de Ohm vale a temperatura constante. No dejarla más de dos minutos ni tocarla si se ve decolorada.
Armar el divisor de 1 MΩ + 1 MΩ del ejemplo, alimentarlo con 12 V y medir el punto medio. Comparar la lectura con los 6 V teóricos. Después rehacerlo con 1 kΩ + 1 kΩ y comprobar que ahora sí mide 6,00 V. Es la práctica que enseña a desconfiar de una medición.
07Errores frecuentes
| Síntoma | Causa habitual |
|---|---|
| El multímetro no mide corriente y todo dejó de funcionar | Fusible interno quemado por haber medido tensión con las puntas en la borna de amperes. |
| La resistencia medida no coincide con el código | Está soldada en el circuito y hay otro camino en paralelo. Hay que levantar una pata. |
| La resistencia se quema o se decolora | Potencia nominal insuficiente. Se calculó el valor pero no los watt. |
| La tensión del divisor es menor que la calculada | La carga conectada está en paralelo con R2. Bajar los valores del divisor o usar un seguidor de emisor. |
| Lecturas erráticas o que van bajando | Pila del multímetro gastada, o mal contacto en las puntas. |
| Cálculo con resultado absurdo (megaamperes) | Unidades mezcladas: se dividieron volt por miliamperes esperando ohm. |
| El paralelo dio mayor que las resistencias individuales | Se olvidó invertir el resultado de la suma de inversas. |
08Autoevaluación
¿Por qué la tensión se mide «entre dos puntos» y la corriente «en un punto»?
Porque la tensión es una diferencia de potencial: no tiene sentido hablar de la tensión de un punto solo, siempre es respecto de otro (habitualmente masa). La corriente, en cambio, es el flujo de carga que atraviesa una sección, así que se mide interceptándola.
Una resistencia de 470 Ω con 6 V aplicados: corriente y potencia.
I = 6/470 = 12,8 mA. P = 6 × 0,0128 = 76,6 mW. Una de 1/4 W alcanza holgadamente.
¿Cuánto vale el paralelo de 1 kΩ con 1 kΩ? ¿Y de 1 kΩ con 10 Ω?
Dos iguales en paralelo dan la mitad: 500 Ω.
1 k ∥ 10 = (1000×10)/1010 = 9,9 Ω. Cuando una es mucho más chica, el resultado es
prácticamente esa: la grande casi no participa.
Un divisor de 10 kΩ y 10 kΩ alimentado a 9 V. ¿Qué tensión hay en el medio con y sin una carga de 10 kΩ?
Sin carga: 4,5 V.
Con carga: R2 ∥ RL = 5 kΩ, así que V = 9 × 5/(10+5) = 3 V. Cayó un
33 %: la carga no es despreciable frente a R2.
¿Por qué el amperímetro debe tener resistencia interna muy baja?
Porque se conecta en serie: toda resistencia que agregue reduce la corriente que quiere medir, alterando el circuito. Idealmente sería cero.
Se quiere medir el consumo de un circuito de 5 V. ¿Dónde se conecta el amperímetro?
Se abre el cable de alimentación (positivo o masa, da lo mismo) y se intercala el amperímetro en ese corte. Nunca en paralelo con la fuente: eso es un cortocircuito a través del instrumento.
Un artefacto de 2000 W funciona 3 horas por día. ¿Cuántos kWh consume por mes?
2 kW × 3 h × 30 días = 180 kWh.
¿Qué diferencia hay entre resolución y exactitud en un multímetro?
La resolución es el menor cambio que puede mostrar (cuántos dígitos). La exactitud es cuánto se aparta del valor verdadero, y se especifica como «± (x % de lectura + n dígitos)». Un instrumento puede mostrar 4 dígitos y estar equivocado en el segundo.
¿Por qué no se puede medir resistencia con el circuito alimentado?
Porque el óhmetro inyecta su propia corriente y calcula R a partir de la caída que produce. Si hay una tensión externa, esa medición no tiene sentido, la lectura es falsa y el instrumento se puede dañar.