EF IX: El ohmio. Resistencia de los materiales a la corriente eléctrica
El ohmio es la unidad de resistencia eléctrica del SI: se nombró en honor del físico y matemático alemán Georg Simon Ohm. Ohmios y resistencia eléctrica son los dos temas de que trata este artículo de la serie Electricidad Fácil.
Vida de Georg Simon Ohm
Georg Simon Ohm nació en 1789 en el Imperio antiguo o Primer Reich (actualmente Alemania). Con 38 años Georg Ohm publica el libro Die galvanische Kette, en donde formula una ley básica de la electricidad que relaciona la intensidad, el voltaje y la resistencia, y que hoy lleva su nombre. Es la célebre ley de Ohm.
Foto de Schubbay, CC BY-SA 4.0, Wikimedia Commons.
El padre de Ohm, Johann Wolfgang, quien era cerrajero y autodidacta, fue el primer maestro del joven Ohm. Ohm estudió más tarde en la Universidad de Erlangen (Baviera) y después viajó a Suiza, donde obtuvo una plaza de profesor en 1806. Tras avanzar en sus estudios de matemáticas, regresa a Erlangen en 1811.
Los años siguientes fueron frustrantes para Ohm, quien se veía a sí mismo como más que un profesor. Todo cambiará en 1817, pues le ofrecen una plaza de maestro de física y matemáticas en el Liceo Jesuita de Colonia, en una escuela que contaba con su propio laboratorio de física. En esas instalaciones bien equipadas Ohm avanzará en sus investigaciones.
En 1825 Ohm comienza a publicar observaciones de sus experimentos sobre corriente y tensión eléctricas. Cinco años antes Oersted había descubierto el electromagnetismo. Pues bien, solo dos años después, Ohm publica su teoría sobre la electricidad.
A lo largo de su vida Ohm estudio acústica, la polaridad de las pilas y las interferencias de la luz. A los 63 años, alcanzó el sueño de su vida cuando la Universidad de Múnich lo designa titular de la Cátedra de Física. Precisamente en Múnich, Baviera, fallece el 6 de julio de 1854.
¿Qué es un ohmio?
Al lector no se habrá escapado que la placa conmemorativa de Ohm exhibe bajo las fechas una herradura invertida. En efecto, el símbolo Ω representa la letra griega omega mayúscula (el símbolo para la omega minúscula es ω). Pues bien, ese símbolo también es el escogido para representar el ohmio, la unidad de resistencia eléctrica.
Venimos de hablar del voltio y el amperio. Cuantos más voltios, más amperios; cuantos más amperios, más voltios. Sí: pero una tercera variable se empeña en llevar la contraria a esas dos. No doy premio por adivinar de quién se trata...
El ohmio se opone al paso de la corriente eléctrica (amperios). Así, se puede decir lo siguiente:
- Cuantos más ohmios, menos amperios.
- Cuantos más amperios, menos ohmios.
Y mirado el asunto desde el punto de vista del voltio:
- Cuantos más voltios, menos ohmios.
- Cuantos más ohmios, menos voltios.
Todo eso funciona sobre el papel si el asunto se simplifica. Y nos ayuda a solucionar problemas de electricidad matemáticamente. Pero nos interesa saber cómo llegó Ohm a semejante conclusión.
A saber, Ohm observó que la fuerza electromagnética que circula por un cable (voltios) disminuye con la longitud de este (ohmios). En efecto, cuanto más largo es un cable, mayor es su resistencia eléctrica.
En resumidas cuentas, el ohmio trata de impedir que el amperio circule. El voltio, por su parte, trata de impedir que el ohmio se salga con la suya. Tras esta breve introducción del concepto de resistencia eléctrica, ¡estudiemos el asunto a fondo!
¿Qué es la resistencia eléctrica?
Como hemos visto a lo largo del curso, corriente eléctrica es el movimiento de electrones libres en un material conductor. Sabemos, asimismo, que este flujo de electrones no surge por arte de magia...
Precisamos que una fuerza eléctrica, en efecto, empuje a los electrones por el cable. Y en el momento en que esa fuerza (fuente de energía) se agote, también cesará la corriente eléctrica. Llegamos, pues, a la conclusión de que hay algo que se opone al flujo de electrones libres.
Ese algo que se opone a la circulación de electrones es la resistencia eléctrica.
Resistencia eléctrica de los materiales conductores y de los materiales aislantes
Lejos queda ya EF II, donde se habló de los materiales conductores y aislantes de la electricidad. Por ello, conviene hacer un breve repaso.
Se dijo en aquella unidad que los electrones no circulan con la misma fluidez por todos los materiales. En efecto:
- Los materiales conductores apenas se oponen al paso de los electrones: su resistencia eléctrica es muy pequeña.
- Los materiales aislantes apenas permiten el paso de los electrones: su resistencia eléctrica es muy alta.
Todos los materiales presentan resistencia eléctrica. Pero ¿de qué depende que la resistencia sea grande o pequeña? ¡Premio para quien recuerde que los conductores son esos materiales de cuyos átomos pueden liberarse los electrones de la última capa!
De modo similar la resistencia eléctrica de los materiales aislantes es alta porque retienen los electrones de su última capa.
¿De qué depende la resistencia eléctrica?
Como fenómeno impepinable que es, la resistencia eléctrica a veces resulta útil. El buscapolos tradicional, por ejemplo, te dejaría frito de no ser por el componente electrónico (llamado con poca originalidad resistencia) que frena la corriente eléctrica hasta el punto de que circule por tu cuerpo sin electrocutarte.
Otras veces, en cambio, la resistencia es un inconveniente. Por ejemplo, al alimentar una herramienta eléctrica muy alejada del enchufe, el cable de un alargador eléctrico deberá ser más grueso cuanto más largo sea para preservar la fuerza eléctrica (voltaje).
Pero vamos al caso. La resistencia de un hilo eléctrico depende de varios factores, a saber: largo, grosor, tipo de material y temperatura.
Longitud
De entrada, la resistencia eléctrica de un cable es directamente proporcional a su longitud siempre que la sección (grosor) del cable sea constante en todo su largo.
La recurrente analogía del agua nos será útil una vez más. Comparemos una manguera de jardín de 5 m frente otra de 100 m. Si se conectan al mismo grifo, las paredes de la manguera larga se opondrán por fricción más eficazmente al paso del agua.
Ocurre lo mismo con la electricidad: siempre se produce una caída del voltaje, que es mayor cuanto más largo sea el cable. Por así decirlo, después de recorrer tantos metros, la electricidad llega con menos fuerza, se agota.
Sección
En segundo lugar, la resistencia eléctrica de un cable disminuye conforme aumenta su sección. En otras palabras, la corriente electrica circula mejor por un cable grueso que por un cable fino.
[Modo agua ON]
Como la sección de la tubería de agua, que permite un mayor caudal del líquido cuanto mayor es el conducto, lo mismo ocurre con todo hilo eléctrico. Cuanto mayor es la sección trasversal de un cable, más caminos, más carriles de la autopista, más vías encuentran los electrones para proseguir su ruta.
[Modo agua OFF]
Material
No todos los materiales conductores presentan la misma resistencia. El cobre, el aluminio, la plata y el oro, por ejemplo, tienen baja resistencia; por el contrario, el hierro y el acero presentan mayor resistencia.
Además, existen aleaciones como el nicromo (mezcla de níquel y cromo) muy útiles por su gran resistividad. También llamado nicrom, esta aleación se utiliza, por ejemplo, para fabricar el cable térmico de las sierras de cortar poliestireno (se calienta enormemente sin oxidarse).
Temperatura
El último de los factores que influyen en la resistencia eléctrica de un material es la temperatura. Si bien la temperatura tiene menos peso que las variables anteriores, no se debe dejar de lado. Por ejemplo, si un circuito eléctrico requiere mantener fijo el valor de la resistencia, el efecto de la temperatura del material se ha de tener en cuenta en el diseño del circuito.
La norma general dice que la resistencia de los metales aumenta con la temperatura. Al contrario, el aumento de temperatura reduce la resistencia eléctrica de otros materiales. Esto ocurre, por ejemplo, con el carbono (C) y también con materiales semiconductores como el silicio (Si) y el germanio (Ge).
En suma, el calor dificulta el flujo de los electrones libres porque hace que los electrones libres de los átomos reboten más entre sí. Por cierto, la temperatura también influye sobre las baterías eléctricas, pero esos son otros lópez...
Apuntes adicionales
¿Y si no hubiese existido Ohm? ¿Habría descubierto otro científico la relación entre voltios, ohmios y amperios? Pues, de hecho...
Os presento a Henry Cavendish, quien descubrió la ecuación que relaciona ohmios con amperios y voltios en 1781. ¡8 años antes de que el señor del apellido con hache intercalada llegase al mundo!
Pero hay más.jSegún la edición de 1911 de la Enciclopedia Británica, otros descubrimientos de Cavendish fueron:
- El potencial eléctrico (que él llamaba grado de electrificación).
- La capacitancia (de la cual se hablará).
- La constante dieléctrica de un material.
- Las leyes que determinan cómo se divide la corriente eléctrica por las ramas de los circuitos conectados en paralelo (hoy atribuidas a Sir Charles Wheatstone).
- Y la actual ley de Coulomb: la ley inversa del cuadrado de la variación de la fuerza eléctrica con respecto a la distancia .
A todo esto, Cavendish nació en 1731 en la actual Niza (entonces Cerdeña). Destacó por ser un alumno aplicado, tímido y reservado. Sus profesores decían que siempre estaba en la luna. Nunca se casó ni tuvo hijos. ¡Ah! Y el psiquiatra y divulgador científico Oliver Sacks sugería en 2001 que Cavendish podría haber tenido síndrome de Asperger.
Este historial y el caracter ermitaño del físico y químico británico-francés parecen ser las causas de que no se difundieran los hallazgos de Cavendish. Murió en su casa de Londrés en 1810, a los 78 años, edad avanzada para el promedio de la época.
En la siguiente unidad veremos la ley de Ohm. Una ley que, en rigor, debería llamarse ley de Cavendish-Ohm.
