La Ley de Ohm

 

¡Si señores! Mi amigo que yo se también aportó a la Benemérita fundación sin fines de lucro,  con el comentario "Disfruto leyéndote !!! Un abrazo !!!". Chas gracias amigo, yo también disfruto escribiendo y mucho más cuando veo como se engrosan mis antes escuálidas arcas. Bueno, ya se acerca la odiosa Jo-jo-jo navidad, así es que, como todos los años, aquí les va mi saludo en este primer día del verano:

Desde su creación este blog ha tenido 5.234.364 visitas ¡más de cinco millones! Claro que si contamos solo las "reales" (no robots) debe ser como la mitad. He publicado 5.432 entradas y he recibido hasta el momento 71.136 comentarios ¿Qué sería de este blog sin los comentarios? Un lugar muy aburrido, sin duda. Por todo eso, envío a los regulares y eventuales visitantes de este Templo del Ocio un cariñoso y agradecido saluti y una feliz jo-jo-jo navidad 

Ahora a lo nuestro: la Ley de Ohm

Cuando a algún ingeniero eléctrico o electrónico se lo quiere insultar, diciendo que es un burro ignorante o un completo idiota, se dice "ese chanta ni siquiera se sabe la Ley de Ohm", se supone que es lo más sencillo y lo primero que se aprende, pero el diablo está en los detalles y hay incluso cosas muy básicas que amigos titulados y con años trabajando como ingenieros no entendían y se las he tenido que explicar, hay cosas que yo mismo no sabía y las vine a entender años después.

Cómo es la Ley

Partamos por lo sencillo, el alemán Georg Ohm fue el que observó esta relación que existe entre voltaje (también se llama tensión o diferencia de potencial, ya veremos por qué), corriente eléctrica y resistencia en corriente continua, son tres fórmulas relacionadas, de cualquiera se pueden obtener fácilmente las otras dos. Si al voltaje le ponemos V, a la Resistencia R y a la corriente I (por intensidad de corriente) tenemos las tres ecuaciones que las relacionan:

V=IxR
R=V/I
I=V/R

La famosa analogía hidráulica
Esto se entiende fácilmente si pensamos que la electricidad es un flujo de diminutas esas bolitas llamadas electrones -es una grosera simplificación, ya sé, pero de esas simplificaciones que ayudan mucho- por otra parte los electrones no fluyen por cualquier parte, solo por los materiales conductores. Ahora veamos la maravillosa analogía hidráulica: podemos pensar que los electrones fluyen por un conductor como el agua que fluye por una manguera, mientras más ancha la manguera, más agua fluirá al mismo tiempo y habrá mayor intensidad de flujo,  siempre y cuando nuestra fuente (i) tenga agua suficiente y (ii) tenga la presión necesaria para hacer que el agua circule. 

 

En este esquema con dos tanques conectados con diferentes niveles de agua, si abrimos la llave que los une (equivalente a un interruptor eléctrico), el agua pasará del tanque A al tanque B hasta que los niveles se igualen. El tanque A equivaldría a una "fuente" que entrega flujo eléctrico, el tanque B sería una carga que consume ese flujo. Por ejemplo, nuestro teléfono celular tiene una batería (fuente) que alimenta al equipo (carga), llegado un momento la batería se descarga completamente, que equivale a que los dos tanques alcanzan el mismo nivel y ya no hay flujo de agua.

Si la cañería se estrecha en algún lugar y más adelante vuelve a su tamaño original, eso disminuirá el flujo de agua, la parte que se estrecha equivale a la resistencia eléctrica (R) y entre sus extremos se produce una diferencia de presión equivalente al voltaje (R), el flujo del agua equivale a la intensidad de la corriente eléctrica (I). Allí tenemos como funciona el voltaje la corriente y la resistencia y su equivalente hidráulico.

Resistencia y superconductores
Bueno, esto lo he publicado varias veces antes ¿Cual es la novedad? El diablo está en los detalles. Ya dije que el conductor es como la cañería del agua, bueno, el primer detalle es que todo conductor es también una resistencia, así como no puede existir una cañería de diámetro infinito, tampoco puede existir un conductor sin resistencia, cuando dicen que un material es "superconductor", lo que significa es que tiene una resistencia muy baja, pero jamás es cero.

Entonces tenemos una fuente que produce el flujo y una carga que lo consume, ambos están hechos y unidos por conductores que también consumen el flujo. Para que estas cosas funcionen necesitamos energía. Pensemos por ejemplo en el caso sencillo de una fuente de corriente continua, por ejemplo una batería 

¿Qué es una batería? 

Esencialmente toda batería es un separador de cargas con dos superficies separadas por un electrolito que las separa, en una se acumula un exceso de electrones y en la otra un déficit, eso se logra con reacciones electroquímicas reversibles (redox), lo que permite cargarlas nuevamente después que se han descargado. Así es como entre los dos extremos de la batería a los que están conectadas las placas, se produce una diferencia de potencial, equivalente al desnivel entre los dos tanques de agua. En el agua esta diferencia de niveles produce presión, en un circuito produce "tensión" o sea impulsa a los electrones para que circulen.   

Capacidad de carga

Todo esto no es muy novedoso, cualquier eléctrico o electrónico lo  entiende más o menos bien, pero la cosa se complica  un poco cuando hablamos de la capacidad de carga de las baterías que se expresa en Amperes/hora, por ejemplo una batería de auto tiene una capacidad típica entre 40 y 100 A/h, esto quiere decir que una batería de 100 A/h "teóricamente" podría suministrar una corriente de 40 Amperes durante una hora. una batería de celular por ejemplo tiene capacidad típica de unos 1.2 A/h (1200 mA/h) que le permite funcionar durante un día completo, más o menos.

La capacidad de carga equivale al tamaño del estanque de agua, mientras más grande sea podrá mantener circulando el agua durante más tiempo (el celular le durará más la carga o el vehículo eléctrico tendrá más autonomía, etc.). Esta capacidad depende de la tecnología usada, el tamaño y el peso de las superficies donde se almacena la carga y la resistencia interna de la batería, entre otras cosas. Las tecnologías modernas (gel de ión-litio como electrolito por ejemplo) tienen mayor "densidad de energía", es decir pueden almacenar más carga en un menor tamaño y peso que otras tecnologías más antiguas.

La monstruosa batería de un Tesla

Por ejemplo "La batería más popular suministrada por Tesla contiene 7.104 celdas en 16 módulos de 444 celdas cada uno, capaces de almacenar hasta 85 kWh de energía. En 2015, Panasonic modificó el diseño del ánodo, aumentando la capacidad de la celda 18650 en aproximadamente un 6%, permitiendo que los paquetes de batería almacenaran hasta 90 kWh de energía.

Después, los ingenieros de Tesla reconfiguraron las partes internas del paquete de baterías para albergar 516 celdas en cada módulo para un total de 8.256 celdas capaces de almacenar un poco más de 100 kWh de energía, lo que permite a los coches disfrutar de un alcance superior a los 480 kilómetros".

Las limitaciones de las baterías
Claro que todas estas mejoras no son milagros y se hacen a expensas de alguna otra cosa. De partida todas las baterías se desgastan y se terminan agotando. Y si agregamos más celdas, estaremos aumentando el peso del auto, por lo que será menos eficiente. En general hay tres problemas fundamentales con las baterías que están muy lejos de ser solucionados.

1. La densidad de carga, es decir almacenar más carga ocupando menos espacio y menos peso. Con el conocimiento actual, es muy difícil que se avance mucho en esto, porque no han aparecido avances importantes en la química y la ciencia de materiales durante muchos años.

2. La resistencia interna de las baterías, que las hacen perder eficiencia. A medida que se van conectando más celdas, cada una agrega más resistencia y parte del voltaje lo consume la propia batería, esto se suma al problema de densidad limitada de carga 

3. El tiempo que demoran en cargarse las baterías, es algo donde tampoco existe una tecnología mágica para solucionarlo, porque al cargarse con un conector que entregue mucho amperaje, las baterías comienzan a recalentarse por su resistencia interna. Esto puede ser peligrosísimo porque el ión litio es muy explosivo y sensible al calor.

El sueño de los superconductores
Una posible solución para los problemas 2 y 3, sería que encontraran un material superconductor -o sea de muy baja resistencia- que funcione a temperatura ambiente, porque los superconductores conocidos funcionan cerca del cero absoluto (-273ºC). Muchos piensan que el Santo Grial podría ser el grafeno, pero hasta el momento, y después de décadas de intentos, no ha resultado viable producir grafeno a nivel comercial, es todavía una curiosidad de laboratorio.

Los cargadores de batería

Ah, si sigo con esto no terminaré nunca, solo quiero darles un dato práctico como regalo adelantado de pascua. A muchos les cuesta entender la "capacidad" de los cargadores de batería, incluso hay electrónicos que no entienden de qué se trata.

Por ejemplo los cargadores de celulares y otros aparatos que usan micro USB tienen capacidades típicas entre 0.5 y 2 Amperes. Eso significa que si yo hago un cortocircuito entre sus puntas "en teoría" la corriente que debería circular debería ser esa. Aquí entra otro concepto que es la potencia, es decir la capacidad  de realizar un trabajo. En nuestro ejemplo hidráulico, supongamos que ponemos un molinillo dentro de la cañería, la potencia sería -dicho desprolijamente- como "la fuerza" con que el molinillo se mueve al pasar el agua por sus aspas. La potencia se calcula como P=VxI

La potencia
En un equipo transmisor por ejemplo, la potencia determina cuan lejos puede llegar la señal, en un auto eléctrico, cuan rápido y con cuanta fuerza subirá una colina, etc. Todos los adaptadores y equipos eléctricos llevan esos tres datos: voltaje con que funcionan, su corriente máxima que entregan (si es una fuente) o que consumen (si es una carga que consume, como un celular o un auto). 

Por ejemplo yo tengo dos fuentes variables hechas con cargadores de laptop, como esta, que tiene 

Entrada cargador 100V-240V, 1.5 A (es decir la toma del enchufe de la casa)

Salida 19.5v , 4.62 A (es decir P= 19.5x4.62, aproxiadamente 90 Watts)

A esa salida yo le conecté un convertidor DC-DC que me permite regular el voltaje de salida entre 2 y 19 volts, este circuito tiene un límite máximo de corriente de 3A.

Así, si uso mi fuente para alimentar el Raspberry con 5V, a la corriente máxima de 3A tendré 15 Watts de potencia. Si la uso para alimentar mi mini amplificador de 12V, tendré una potencia de alimentación de P=12x3=36 Watts

Todo está relacionado
Como ven, la Ley de Ohm que parece tan simple, tiene muchos recovecos porque no solo están el voltaje, corriente y resistencia, también está metida la capacidad de carga, el consumo de carga a un determinado voltaje, además estos son limitados en el tiempo, por eso la capacidad de una batería se mide en Amperes por hora A/h. Una batería de auto, 12 V y 100 A/h, entregará 100 Amperes durante una hora, 200 A por media hora, 50A en dos horas, etc. 

 Toda esta entrada empezó con una idea simple, quería hacer una recomendación práctica sobre los cargadores, pero pensé que antes tenía que explicar la Ley de Ohm y los conceptos de corriente, voltaje, resistencia, capacidad de carga, consumo, potencia, resistencia interna, carga, fuentes de poder y una que otra cosa que se me escapa. 

¿Y cual es el maldito consejo?
Antes que se me olvide se los digo enseguida: cuando compren un cargador de baterías, adaptador, fuente de poder o como la llamen, fíjense siempre en la cantidad de Amperes que especifica, el consejo es mientras más amperes, mejor. Siempre prefieran un cargador de 2 o 3 Amperes si pueden conseguir, (los de mayor amperaje son raros porque necesitan cables mucho más gruesos) esto le dará una carga más rápida a las baterías.  ¿Y si el equipo marca un consumo de entrada de 0.5A solamente? No importa, si el voltaje está dentro de lo especificado, el equipo o la batería que estás cargando solo tomará lo que necesita, su resistencia interna se encargará que no entre más corriente que la necesaria. 

El único problema de una fuente con muchos amperes es que si se hace un cortocircuito en su salida, y la fuente no tiene protección, verán un chispazo que ni les cuento.