Tema 2: Resistencia eléctrica
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Definición de las unidades eléctricas estándar
Las unidades eléctricas se pueden describir de manera formal, y eso es lo que hacemos aquí. Las unidades eléctricas estándar se definen en un orden específico. El ampere se define primero. Es una unidad base del SI, la única unidad eléctrica derivada del resultado de un experimento.
Después del ampere vienen el coulomb y la carga del electrón. Luego derivamos el resto de nuestros favoritos, el watt, los volts y el ohm. Estas unidades eléctricas derivadas se definen en términos del ampere y otras unidades base del SI (metro, kilogramo, segundo).
Ampere
La definición de la unidad de corriente en el SI, el ampere, proviene del estudio del magnetismo. Las corrientes eléctricas en cables dan lugar a campos magnéticos (ley de Biot-Savart, 1820). A su vez, estos campos magnéticos originan fuerzas magnéticas en los cables (ley de Ampère, 1825). Dos alambres paralelos en los que circula corriente ejercen una fuerza el uno sobre el otro. La definición oficial del ampere en el SI es:
El ampere es aquella corriente constante que, si se mantiene en dos conductores rectos de longitud infinita, de sección transversal despreciable, separados a un metro de distancia y en el vacío, produce entre dichos conductores una fuerza igual a 2, times, 10, start superscript, minus, 7, end superscript newtons por metro.
La definición del ampere proviene del resultado de un experimento. Para generar 1 ampere estándar, debes realizar alguna versión del siguiente experimento. Coloca dos cables paralelos de 1 metro de largo y encuentra la manera de medir la fuerza en los cables (con un extensómetro).
Aplica la misma corriente a ambos cables, fluyendo en la misma dirección. Ajusta las corrientes en los cables hacia arriba o hacia abajo mientras mides la fuerza en los cables. Cuando la fuerza es de 2, times, 10, start superscript, minus, 7, end superscript newtons, la corriente es de 1 ampere, por definición. (Esto es un experimento conceptual. En laboratorios de estándares modernos un ampere estándar se crea por otros medios).
Coulomb
El coulomb es la unidad de carga del SI. La magnitud de un coulomb se deriva del ampere, y se define como la cantidad de carga que fluye en un segundo cuando la corriente es de 1 ampere.
o, de manera equivalente,
La carga del electrón
En 1897, J.J. Thomson probó la existencia del electrón. Doce años más tarde, a partir de 1909, Robert Millikan realizó los experimentos con la gota de aceite para medir la carga del electrón.
La carga de un electrón puede expresarse en coulombs como
Si invertimos esta expresión, vemos que el coulomb puede expresarse en función del número de unidades de carga del electrón:
Verificación de conceptos
¿Cuántos electrones hay en 1 ampere?
¿Cuántos coulombs hay en 1 mol de electrones?
Un mol de electrones contiene 6, point, 02214, times, 10, start superscript, 23, end superscript electrones, el número de Avogadro.
Un mol de electrones contiene 6, point, 02214, times, 10, start superscript, 23, end superscript electrones, el número de Avogadro.
Watt
El watt es la unidad de potencia. La potencia es la cantidad de energía que se transfiere o consume por unidad de tiempo; de manera equivalente, la potencia es la tasa a la que se efectúa trabajo. En lenguaje común y corriente, el watt es la potencia necesaria para transferir 1 joule de energía en un segundo.
Volt
El volt es la unidad de diferencia de potencial eléctrico, también conocida como voltaje. Oficialmente, 1 volt se define como la diferencia de potencial que se establece entre dos puntos de un alambre que transporta una corriente de 1 ampere cuando la potencia que disipa es de 1 watt.
El volt también puede expresarse en términos de unidades de energía y de carga como
Puedes encontrar una descripción intuitiva del voltaje en el artículo introductorio sobre magnitudes eléctricas básicas. Además, hay una derivación formal del concepto de voltaje en la sección de electrostática.
Ohm
El ohm es la unidad de resistencia eléctrica. Un ohm se define como la resistencia entre dos puntos de un conductor cuando se aplica 1 volt entre ellos y fluye 1 ampere de corriente.
Ya hemos definido, en orden, un conjunto básico de nuestras unidades eléctricas favoritas.
Sistemas de unidades
En los últimos 200 años, han existido tres sistemas principales de unidades científicas:
- SI
- MKS
- cgs
El SI es el sistema internacional de unidades, en francés, Système International d’Unités. Es la expresión moderna del sistema métrico decimal y el más usado. El SI se publicó en 1960 como resultado de discusiones que comenzaron en 1948, y se basa en el sistema metro-kilogramo-segundo (MKS). En Estados Unidos, el SI se utiliza en ingeniería, medicina, gobierno, tecnología y ciencia.
El MKS se basa en medir la longitud en metros, la masa en kilogramos y el tiempo en segundos. Este sistema se propuso en 1901, y se utiliza generalmente en la ingeniería y la física básica. Las unidades más conocidas de la electricidad y magnetismo (ohm, farad, coulomb, etc.) son unidades MKS.
El sistema cgs se basa en medir la longitud en centímetros, la masa en gramos y el tiempo en segundos. Se introdujo en 1874, y se utiliza comúnmente en la física teórica. La diferencia entre los sistemas SI y cgs es mucho más profunda que una simple escala de las unidades de longitud y masa.
Hay siete unidades fundamentales en el SI.
Las unidades fundamentales del SI
| Nombre | Símbolo | Cantidad |
|---|---|---|
| metro | m | longitud |
| kilogramo | masa | |
| segundo | tiempo | |
| ampere | A | corriente eléctrica |
| Kelvin | K | temperatura |
| candela | intensidad luminosa | |
| mol | cantidad de sustancia |
Una de las unidades básicas del SI proviene de la electricidad: el ampere. El ampere tiene la misma categoría distinguida que el metro, el kilogramo y el segundo. Se define por sí mismo, y no en función de otras unidades.
Unidades del SI derivadas que se usan en la electricidad
Las unidades eléctricas faltantes son derivadas y se forman de combinaciones de las unidades básicas del SI. Si el ampere es la “primera” unidad eléctrica, estas unidades eléctricas derivadas le siguen muy de cerca.
McAllister, W. (S.f). Definiciones formales de las unidades eléctricas estándar: ampere, coulomb, la carga de un electrón y el volt. https://es.khanacademy.org/science/electrical-engineering/introduction-to-ee/intro-to-ee/a/ee-standard-electrical-units