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Ley de Ohm
La ley de Ohm, postulada por el físico y matemático alemán Georg Simon Ohm, es una ley básica de los circuitos eléctricos. Establece que la diferencia de potencial V que aplicamos entre los extremos de un conductor determinado es proporcional a la intensidad de la corriente I que circula por el citado conductor. Ohm completó la ley introduciendo la noción de resistencia eléctrica R; que es el factor de proporcionalidad que aparece en la relación entre V I:
V = R ⋅ I
La fórmula anterior se conoce como fórmula general de la ley de Ohm,12 y en la misma, V corresponde a la diferencia de potencial, R a la resistencia e II a la intensidad de la corriente. Las unidades de esas tres magnitudes en el sistema internacional de unidades son, respectivamente, voltios (V), ohmios (Ω) y amperios (A).
En física, el término ley de Ohm se usa para referirse a varias generalizaciones de la ley originalmente formulada por Ohm. El ejemplo más simple es:
J = σ
donde J es la densidad de corriente en una localización dada en el material resistivo, E es el campo eléctrico en esa localización, y σ (sigma) es un parámetro dependiente del material llamado conductividad. Esta reformulación de la ley de Ohm se debe a Gustav Kirchhoff.
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Material |
Resistividad ρ a 20 °C, Ω x m |
Coeficiente de temperatura α a 20 °C, K-1 |
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Plata |
1,6 x 10-8 |
3,8 x 10-3 |
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Cobre |
1,7 x 10-8 |
3,9 x 10-3 |
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Aluminio |
2,8 x 10-8 |
3,9 x 10-3 |
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Wolframio |
5,5 x 10-8 |
4,5 x 10-3 |
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Hierro |
10 x 10-8 |
5,0 x 10-3 |
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Plomo |
22 x 10-8 |
4,3 x 10-8 |
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Mercurio |
96 x 10-8 |
0,9 x 10-3 |
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Nicron |
100 x 10-8 |
0,4 10-3 |
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Carbono |
3500 x 10-8 |
-0,5 x 10-3 |
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Germanio |
0,45 |
-4,8 x 10-2 |
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Silicio |
640 |
-7,5 x 10-2 |
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Madera |
108 -1014 |
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Vidrio |
1010 -1014 |
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Goma dura |
1013 -1016 |
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Ámbar |
5 x 1014 |
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Azufre |
1 x 1015 |
Materiales de comportamiento lineal u óhmico
Para los metales la resistividad es casi proporcional a la temperatura, aunque siempre hay una zona no lineal a muy bajas temperaturas donde resistividad suele acercarse a un determinado valor finito según la temperatura se acerca al cero absoluto. Esta resistividad cerca del cero absoluto se debe, sobre todo, a choques de electrones con impurezas e imperfecciones en el metal. En contraposición, la resistividad de alta temperatura (la zona lineal) se caracteriza, principalmente, por choques entre electrones y átomos metálicos.11
Materiales no lineales, como los semiconductores o los superconductores
La disminución de la resistividad a causa a la temperatura, con valores de α negativos, es debida al incremento en la densidad de portadores de carga a muy altas temperaturas. En vista de que los portadores de carga en un semiconductor a menudo se asocian con átomos de impurezas, la resistividad de estos materiales es muy sensible al tipo y concentración de dichas impurezas.18
Superconductores
Los metales son materiales que conducen bien el calor y la electricidad. Cuando una corriente eléctrica circula por un hilo conductor, este se calienta. Dicho fenómeno se conoce como efecto Joule, se debe a que los metales presentan cierta resistencia al paso de la corriente eléctrica por su interior, ya que cuando se mueven sufren colisiones con los átomos del material. Sin embargo, en un material superconductor esto no ocurre; estos materiales no ofrecen ninguna resistencia al paso de la corriente eléctrica por debajo de una cierta temperatura T_c, llamada temperatura crítica. Los electrones se agrupan en parejas interaccionando con los átomos del material de manera que logran sintonizar su movimiento con el de los átomos, desplazándose sin sufrir colisiones con ellos. Esto significa que no se calientan, por lo que no hay pérdida de energía al transportar la corriente eléctrica debido al efecto Joule. La teoría básica que explica su comportamiento microscópico se llama 'teoría BCS' porque fue publicada por Bardeen, Cooper y Schrieffer en 1957.19 Sin embargo, en sentido estricto, no hay una única teoría CBS sino que agrupa a un cierto número de ellas, que son en parte fenomenológicas.20
El valor de T c depende de la composición química, la presión y la estructura molecular. Algunos elementos como el cobre, la plata o el oro, excelentes conductores, no presentan superconductividad.21
La gráfica resistencia-temperatura para un superconductor sigue la de un metal normal a temperaturas por encima de T_c.
Cuando la temperatura alcanza el valor de T_c, la resistividad cae repentinamente hasta cero. Este fenómeno fue descubierto en 1911 por el físico neerlandés Heike Kamerlingh Onnes, de la Universidad de Leiden. Onnes estudió a principios del siglo XX las propiedades de la materia a bajas temperaturas. Su trabajo le llevó al descubrimiento de la superconductividad en el mercurio al ser enfriado a –269 °C.21 Sus esfuerzos se vieron recompensados en 1913 cuando se le concedió el Premio Nobel de Física.