Fundamentos de la Ley de Ohm y Efecto Joule en Circuitos Eléctricos

Ley de Ohm: Cuando se establece un campo eléctrico en un conductor, los portadores de carga se aceleran. Sin embargo, los iones o electrones alcanzan rápidamente una velocidad de transporte constante. Cuando un cuerpo cae en el seno de un fluido viscoso, su velocidad alcanza un valor límite constante. Esta fuerza viscosa se debe a las imperfecciones de la red cristalina y al movimiento térmico de los iones, que obstaculizan el movimiento de los portadores. La **resistividad** y **conductividad** dependen del material y sus condiciones, sobre todo de la temperatura. Existen muchos metales y aleaciones que, cuando son enfriados por debajo de una temperatura crítica, su resistividad eléctrica se anula. Este fenómeno se conoce como **superconductividad** y a los materiales, **superconductores**. La ley de Ohm permite conocer la relación entre la intensidad de corriente y la diferencia de potencial a la que está sometido un conductor.
ΔV = R I ; donde la constante R se denomina **resistencia eléctrica**. La resistencia de un conductor dependerá de su geometría y del material del que esté fabricado. En los circuitos eléctricos, es sencillo calcular la resistencia en serie:

En cambio, para las resistencias en paralelo:

Ley de Joule: Debido a la interacción entre portadores de carga y el medio, la energía de los mismos es transferida al medio, aumentando la energía de vibración. Esto conduce a un aumento de la energía interna del material, lo que constituye el efecto de calentamiento por una corriente llamado **Efecto Joule**. La energía disipada es:
J E = n q v E ; siendo “n” el número de portadores. La potencia total disipada es:
. Es fácil ver que la potencia disipada por las fuerzas de fricción se corresponde con la pérdida por unidad de tiempo de energía potencial.

Fuerza Electromotriz: Para mantener una corriente en un conductor, es necesaria la presencia de un dispositivo que suministre energía al circuito, que se conoce como **fuentes de alimentación**. Sin la presencia de un generador, el conductor alcanzará el equilibrio, el campo eléctrico en el conductor se hará cero y dejará de existir corriente eléctrica. El generador sostiene el campo eléctrico dentro del conductor, manteniendo una diferencia de potencial entre sus dos terminales. Para ello, se tiene que realizar una fuerza sobre los portadores no conservativos. Dentro del conductor, la diferencia de potencial establecida por el generador asegura la presencia de un campo eléctrico y aparecerá una corriente. Para cerrar el circuito, dentro del generador, la corriente tendrá que circular en el sentido contrario al campo. Por tanto, en el generador tiene que existir un campo É. É no es conservativo y es generado por generadores eléctricos, y su integral recibe el nombre de **fuerza electromotriz**. La f.e.m es el trabajo por unidad de carga que el generador hace sobre los portadores de carga. En un generador ideal, no hay efectos disipativos y É es igual al campo electrostático pero de sentido contrario. En este caso, la diferencia de potencial es igual a la f.e.m y es independiente de la intensidad. En los generadores reales, la diferencia de potencial es diferente de la fuerza electromotriz y depende de la intensidad. Esto se debe a que toda batería tiene una resistencia interna distinta de cero. Cuando por un generador circula una intensidad, el generador realiza trabajo positivo sobre los portadores y la energía potencial aumenta. La potencia entregada por el generador será igual al aumento por unidad de tiempo de la energía potencial:
. En el caso de un generador ideal: