Las resistencias.

Concepto basico

Una resistencia eléctrica es un dispositivo analógico que produce una limitación de la corriente en un circuito en forma de calor dentro de la resistencia. Idealmente una resistencia producirá una limitación de corriente sin generar calor extra.

reistencia ideal

Pero eso es un concepto que se escapa del espacio tridimensional actual, ya que en este universo la energía se transforma en otro forma de energía dejando un producto reducido por la perdida de energía.

Incluso en el anterior esquema, una pila que se conecta solo a un cableado eléctrico, generará un calor residual que limitará la corriente por el propio circuito debido a que el cable tiene una resistencia aparente por el material de construcción.

Así que imagina un conductor teniendo en cuenta que dicho material esta formado por una serie de barreras que frenarán a los electrones por el circuito.

resistencia física

Ahora cuando se pulsa el interruptor, los electrónes van a ir chocando con las paredes de la resistencia, limitando su corriente por el interior. Y esa limitación de corriente produce energía calorífica debido a la energía cinética que llevaban los electrónes antes del choque.

La energía cedida por en forma de calor depende de la cantidad de carga eléctrica que circule por el conductor, el número de impurezas de que esté compuesto, la longitud del mismo, la superficie, la tensión, la velocidad, etc., etc. Pero en electrónica no solemos pararnos en el desarrollo del calor producido, sino en el valor de la resistencia que produce al paso de la corriente. Por eso mismo tenemos en cuenta la resistividad del material.

Resistividad del material.

Todo conductor está formado por una resistencia aparente que está formada por la propia constitución de los materiales que lo forman. Dicha resistividad se basa en las propiedades físicas de la materia de la que está compuesta a nivel atómico, ya que sus electrones de valencia reaccionarán de una manera u otra al paso de la corriente eléctrica por el interior del material. Así podemos establecer la siguiente fórmula:

resistividad del conductor

Siendo:

ρ la resistividad del material.
R la resistencia del conductor.
l la longitud en metros.
s la seccion en mm2.

El concepto de resistividad se debe principalmente al efecto que tiene la corriente sobre el material y esta calculado según la siguiente tabla para cada elemento conductor eléctrico:

MaterialResistividad (en 20 °C-25 °C) (Ω·m).
Grafeno1,00 x 10-8
Plata1,59 x 10-8
Cobre1,71 x 10-8
Oro2,35 x 10-8
Aluminio2,82 x 10-8
Wolframio5,65 x 10-8
Níquel6,40 x 10-8
Hierro8,90 x 10-8
Platino10,60 x 10-8
Estaño11,50 x 10-8
Acero inoxidable72,00 x 10-8
Grafito60,00 x 10-8

Así, aplicando la fórmula anterior, podemos resolver el siguiente ejercicio:

Calcula la resistencia eléctrica que producirá un conductor eléctrico de cobre de 2 metros de longitud y 3cm2 de sección.

Fijate que la longitud está en metros, pero la sección está en cm2, lo que habra que transformar cm2 a mm2. Para ello tienes que multiplicar por 100 para obtener la medida en mm2. Y como el coeficiente de resistividad del cobre es de 1,71 x 10 -8 Ωm, el resultado es el siguiente:

calculo de la resistividad de un material de x proporciones

Te puedes dar cuenta que la resistividad del material no agrega mucha resistencia eléctrica, pero es importante cuando se ha de transportar la corriente eléctrica grandes distancias, ya que toma un valor significativo.

Vaariacion de la resistencia con la temperatura.

La resistividad también se puede dar en las resistencias como componente, aunque se suele obviar por su bajo valor en proporción a su tamaño. Las resistencias físicas son dispositivos que se han diseñado exclusivamente para reducir la corriente eléctrica por su interior en forma de calor, ya que las resistencias están compuestas de materiales de diferente tipo que producen oposiciones diferentes.

El calor generado en el interior de la resistencia es capaz de modificar la propia resistencia, ya que la energía interna modifica las propiedades eléctricas momentáneas de la resistencia especifica de la sustancia.

Existen excepciones como son el carbón y algunos líquidos en los que disminuye la resistencia al aumentar la temperatura.

Por tanto se establece el coeficiente de temperatura de una sustancia como la variación de resistividad de dicha sustancia por grado centígrado que aumenta su temperatura.

ρt' = ρt[1 + α(t' -t)]

Siendo:

α coeficiente de temperatura.
ρt' resistividad del material final.
ρt resistividad inicial.
(t'-t) diferencia de temperaturas (final - inicial).

Aunque también podemos establecer la resistencia del material de la forma siguiente:

Rt' = Rt[1 + α(t' -t)]

Y si conocemos la resistividad o la resistencia de un material a cero grados, las fórmulas anteriores se quedan de la forma siguiente:

ρt = ρo(1 + αt)
Rt = Ro(1 + αt)

Por ejemplo la resistencia de una conductor de cobre es de 100Ω a cero grados centígrados. ¿Cuál será su resistencia a 50ºC?

Como conocemos la resistencia a cero grados, aplicamos la fórmula anterior:

Rt = 100Ω(1 + 0,00427 x50) = 121,35Ω

A continuación te muestro una tabla con los valores de α para ciertos valores de temperatura:

Materialρ en Ω÷mm/m2a 20ºCα en ω÷mm/m2a 0ºC
Plata0,01630,00400
Cobre0,01750,00427
Aluminio0,02830,00423
Hierro0,1000,00625
Niquel0,340,00618

Constitución de las resistencias.

La plata suele ser el mejor material por su alta conductividad, pero es cara y solo se emplea en casos de precisión que requieran bajas pérdidas, como en el caso de los aparatos de medida. El cobre es el más usado, no solo por su elevada conductividad, sino porque su precio es relativamente bajo respecto a otros materiales como puede ser la plata o el oro.

Para la creación de resistencias se suele usar aleaciones metálicas como la niquelina, el mangarín, el constantán, etc., que son mezcladas con otros elementos como el carbón, el cobalto o mica para producir las oposiciones según el grado resistivo que se quiera utilizar.

constitución de una resistencia

Clasificación de las resistencias.

Las resistencias pueden clasificarse en dos grupos: Bobinadas y variables.

Bobinadas.
Estan fabricadas con hilo y con composición (mezcla de materiales). Suelen estar fabricadas con polvo de carbón mezclado con un aglomerante que genera la resistencia física.

Pueden ser fijas, que siempre tienen el mismo valor y suelen tener dos terminales, uno a cada lado de las resistencias. También suelen ser variables las cuales pueden adquirir valores diferentes de resistencias de acuerdo a las condiciones a las que esté sometida la resistencia (fotoresistencia, piezoresistencia, etc.).

Variables.
Pueden ser reostatos, que tienen solo dos conexiones, una fija y otra móvil; y potenciómetros, los cuales tienen 3 terminales: dos fijas que marcan el valor total de la resistencia, y otra movil que indica por contacto el valor actual de acuerdo a su posición.

diferente tipos de resistencias

Disipación de las resistencias.

Se ha demostrado ya que una corriente de I amperios durante s segundos desarrolla un trabajo que viene expresado por la expresión siguiente:

W = I2Rt = Julios

Con una cantidad de calor de:

Q = 0,24 I2Rt calorías

NOTA: Julio = 0,24 cal

La energía convertida en calor en un segundo viene dada por la expresión I2Rt julios. Ahora bien, un julio por segundo es igual a un vatio (W), unidad de potencia que expresa la rapidez con que se produce calor.

Esta energía se pierde por efecto de calentamiento o efecto Joule. En la mayoría de los aparatos conviene que sea mínima (salvo los calentadores).

Clasificación de la resistencia por consumo.
Los fabricantes, además de dar el valor de la resistencia en ohmiso, indican también el vataje de la misma. La potencia indicada requiere de unas condiciones de instalación que permita la ventilación del calor desarrollado fácilmente. Así por ejemplo en circuitos y placas en donde las resistencias se agrupan unas junto a otras, el sistema deberá de facilitar un ventilador que libere el calor producido por el conjunto de resistencias para evitar su destrucción. Sin buena ventilación, en dicho circuito deberá de usarse resistencias de potencias superiores a las indicadas para evitar ese efecto.

Por ejemplo, en un circuito con una resistencia de 100Ω circula una intensida de 621mA. ¿Qué cantidad de calor se desarrollará en una hora?

circuito para medir cantidad de calor

Potencia desarrollada: P = 100Ωx0,6212A = 38,56W

En una hora desarrollará: Q = 0,24x38,5Wx3600s = 33,2Kcal

Por lo tanto hay que tener especial cuidado en usar cierta resistencia y la disipación a la que está sometida, no sea que se rompa y queme el circuito.

Simbolos eléctricos.

Para terminar éste tutorial, aprende sobre los simbolos eléctricos de las resistencias que puedes ver en la siguiente imagen.

simbolos eléctricos resistencias

Para saber más sobre las resistencias y en especial sobre el código de colores y su normalización, visita mi blog en la siguiente entrada:

Código de colores y normalización.

También puedes visitar la clase de circuito eléctrico del curso de electrónica para newbies:

Circuito eléctrico.