UNIDAD 1.-NATURALEZA DE LA ELECTRICIDAD
COMPETENCIA: Determina el comportamiento de los parámetros en los circuitos eléctricos de corriente continua a partir de los conceptos y componentes básicos de los sistemas eléctricos.
RAP 1: Explica la generación de la energía eléctrica en función de las diferentes teorías de la materia y su aplicación en circuitos eléctricos.
RAP 2: Compara los parámetros de comportamiento en los circuitos eléctricos a partir de sus componentes básicos para verificar su funcionamiento.
CONCEPTOS.
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ENERGÍA: Es la capacidad que tienen los cuerpos o sistemas de cuerpos para producir un trabajo.
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ENERGÍA CINÉTICA: Es la energía que posee un cuerpo en virtud de su movimiento.
Ejemplos:
A) Un automóvil en movimiento.
C) Una caída de agua.
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ENERGÍA POTENCIAL: Es la energía almacenada en un cuerpo en reposo, debido a su posición.
Ejemplos:
A)Pila
B)Acumulador
C)Resorte Comprimido
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CAMPO GRAVITACIONAL: Fuerza en virtud de la cual todos los cuerpos se atraen recíprocamente en razón directa de su masa y en razón inversa al cuadrado de la distancia entre ellos.
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UNIDADES A UTILIZAR: Kilográmetro, Caballo-Hora, Caballo De Vapor-Hora, Kilovatio-Hora, Joule, Kilocaloría.
ESTRUCTURA DE LA MATERIA.
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MÓLECULA: Es la parte más pequeña de un compuesto o material en que puede dividirse sin que pierda las propiedades físicas y químicas de este compuesto.
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ÁTOMO: La partícula más pequeña en que se puede subdividir un elemento manteniendo las propiedades originales.
PARTES SUB-ATÓMICAS |
CARACTERISTICAS |
1.- Electrón(e--) |
A) Es la partícula de la que se obtiene la electricidad. |
2.- Protón (e+) |
A) Es de 1840 a 2000 veces más pesado que el electrón. |
3.- Neutrón |
A) No tienen carga eléctrica. |
NOTA: Ionización es el fenómeno que sufren los átomos al alterarse sus electrones ya sea perdiendo o ganando electrones.
*Se los llama IONES POSITIVOS cuando PIERDEN electrones y también son conocidos como “ANIONES”.
*Se les llama IONES NEGATIVOS cuando GANAN electrones, y también se les conoce como “CATIONES”.
NIVELES DE ENERGÍA PARA LA CONDUCCIÓN.
Los electrones no pueden girar en torno al núcleo a cualquier distancia a éste, sino a ciertas distancias perfectamente determinadas llamadas “Niveles de Energía” o “Capas” que a partir de la más próxima al núcleo se designan como: K, L, M, N, O, P, Q. Por otra parte cada uno de estos niveles cuenta con un número determinado de electrones los cuales son: K=2; L=8; M=18; N=32; O=50; P=72; Q=98.
La capa electrónica exterior de un átomo recibe el nombre de “CAPA DE VALENCIA”, y los electrones que giran en esta se conocen como “ELECTRONES DE VALENCIA”. Aunque todos los electrones tienen la misma carga eléctrica (negativa), no todos poseen el mismo nivel de energía; los electrones que giran alrededor del núcleo tienen menos energía que los de las órbitas más alejadas.
Mientras más alejadas estén del núcleo las órbitas, mayor será la energía que contienen. Ahora bien, si se agrega suficiente energía a un electrón de valencia, por medio de calor, luz, voltaje, etc.; se puede sacar de su órbita y por consiguiente el electrón se libera de su átomo.
Si la capa de valencia de un átomo está llena a más de la mitad el átomo tiende a completarla; entonces puesto que ocho es el número máximo de electrones que pueden existir en la última capa (Capa De Valencia).
Los elementos con cinco o más electrones de valencia son buenos aislantes, ya que tienden a aceptar electrones y no cederlos.
Por otra parte los elementos con menos de cuatro electrones de valencia, dejan que estos se liberen, constituyendo sus átomos los mejores conductores. Los semi-conductores son aquellos átomos que tienen cuatro electrones de valencia y no son ni buenos conductores ni buenos aislantes.
CONCEPTOS
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AISLANTES: Átomos o elementos con más de cuatro y hasta siete electrones de valencia.
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CONDUCTOR: Átomos o elementos con menos de cuatro y hasta un electrón de valencia.
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SEMI-CONDUCTOR: Átomos o elementos con cuatro electrones de valencia. (Silicio, Germanio y Selenio).
En realidad la energía requerida para liberar los electrones en estas tres clases de materiales es lo que determina su respectiva banda de conducción y puede representarse por medio de diagramas de bandas de energía.
CARGA ELÉCTRICA.- DÉFICIT O EXCESO DE ELECTRONES EN EL ÁTOMO O EN LA MÓLECULA.
Como ya se mencionó anteriormente, un átomo neutro el número de electrones planetarios de carga negativa, es el equivalente al de los protones cargados positivamente en el núcleo. Ahora bien, por efecto del calor con el choque con otras partículas, el átomo puede perder uno o varios electrones o por el contrario ganar momentáneamente extraños, con lo que en el primer caso la carga resulta es positiva CATION; y en el segundo la carga es negativa ANION
Cuando lo anterior sucede a una molécula se dice que ha sido ionizada, es decir, la transformación de iones de átomos que al ganar o perder electrones adquiere una carga eléctrica y por lo tanto tendremos moléculas ionizadas negativas y positivas.
CARGAS EN LA MATERIA.- LEY DE CARGAS.
Cuando la materia eléctricamente neutra pierde o gana electrones, queda cargada negativamente o positivamente. Existen varios métodos para producir estos cambios en los átomos.
Las cargas de un e- y una e+ se llaman “CARGAS ELECTROSTÁTICAS”. Las líneas de fuerza asociadas con cada partícula producen campos electrostáticos de acuerdo en la forma en que interactúan estos campos, las partículas cargadas pueden atraerse o repelerse entre si.
La LEY DE LAS CARGAS DICE: “Las partículas que tengan cargas o signos del mismo tipo se repelen; y las que tienen cargas diferentes se atraen”.
MÉTODOS PARA CARGAR CUERPOS CON ELECTRICIDAD.
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FRICCIÓN: Este método fue descubierto por los antiguos griegos y consiste en frotar dos materiales distintos tales como: vidrio y seda, caucho y piel.
Al ser frotados se pondrán separar las cargas eléctricas, debido a la energía proporcionada por la fricción. En el caso del vidrio y la seda, el vidrio donará algunos electrones a la seda quedando entonces el vidrio positivo y la seda negativa.
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CONTACTO: Este método consiste en cargar previamente a un material y después cargar otros cuerpos, cobre por ejemplo, con solo tocarlos.
EJEMPLO: Una varilla de vidrio (+), y se carga una varilla de cobre positivamente, debido que al hacer contacto con las varillas la carga positiva del vidrio atraerá electrones de cobre pasando por estos al vidrio y dejando el cobre positivo. Si queremos cargar negativamente al cobre, tomamos una varilla de caucho (-), y hacemos contacto para que los electrones excedentes del caucho pasen al cobre dejándolo negativamente.
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INDUCCIÓN: Debido a que los electrones y los protones tienen fuerzas de atracción y repulsión, un objeto se puede cargar sin que lo toque el cuerpo cargado.
EJEMPLO: Si la varilla de caucho negativo se acerca a una pieza de aluminio, la fuerza negativa de la varilla de caucho repelerá a los electrones de la varilla de aluminio hacia el otro extremo.
Un extremo de la varilla será negativo y el otro será positivo. Tocando el extremo negativo con un conductor a tierra o con un dedo los electrones saldrán de la varilla a través del conductor o del cuerpo quedando la varilla de aluminio positiva (+), al ser retirados tanto la varilla como el conductor o el dedo.
UNIDAD
Una unidad de carga muy usada es la unidad electrostática o “statcoulomb” (ues), la cual se define en el sistema CGS como: “Una ues de carga es aquella que repele a otra carga con una fuerza de una DINA cuando se encuentran a un centímetro una de otra”.
La ues es muy pequeña para ser usada en problemas prácticos donde las fuerzas son el orden del newton y las distancias del metro. Entonces que conviene usar una unidad mayor llamada “COULOMB” (Coul), la cual tiene por valor:
Coul= 2.996 x 109 ues = 3 x 109 ues.
La unidad natural de carga eléctrica es la carga transportada por un electrón o un protón. Las medidas más precisas que se han realizado dan para esta carga el valor de:
e- = 1.601864 x 10-19 coul
NOTA:
Para e- o e+
e- = 4.80223 x 10-10 ues
Un coulomb presenta la carga de unos 6 x 10-19 electrones:
1 coul = 6.28 x 10-27 e-
6, 000, 000, 000, 000, 000,000 / sg = 1 Ampere
ENERGÍA POTENCIAL EN EL CAMPO ELÉCTRICO
Carga puntual y su campo Eléctrico.
Se entiende por carga puntual a cargas o cuerpos cargados cuyas dimensiones son pequeñas comparadas con la distancia que los separa. Lo más parecido a una carga puntual que se presenta en la naturaleza, es el núcleo cargado positivamente de un átomo.
Mediante líneas de fuerza imaginarias es posible representar la causa de la atracción o la repulsión de los cuerpos eléctricamente cargados. El espacio en el que actúan las fuerzas eléctricas de una carga se denomina “CAMPO ELECTRICO”. Este campo se llena con líneas de fuerza eléctrica y en el se manifiestan fuerzas sobre cargas eléctricas. Se determinó que de una carga eléctrica positiva salen radialmente y en todas direcciones las líneas de fuerza que terminan en una carga eléctrica negativa situada a una distancia arbitraria (Fig. 1). Las líneas de fuerza de un campo eléctrico nunca terminan en el espacio libre.
Los campos eléctricos producidos por dos cargas del mismo signo (acción de repulsión) y por dos cargas de signo contrario (acción de atracción) se presentan en la siguiente figura para el mejor entendimiento del tema.
ENERGÍA POTENCIAL.
Como ya se ha visto un cuerpo cargado eléctricamente ejerce una fuerza física sobre los cuerpos que lo rodean y puede hacer que ellos efectúen algún trabajo al moverlos. El área de influencia alrededor simplemente del “CAMPO ELECTRICO”. Como ese campo es capaz de realizar trabajo, esta dotado de energía.
Si un cuerpo de prueba eléctricamente cargado es introducido en este campo será atraído o repelido dependiendo del signo de su carga.
LEY DE COULOMB
De lo visto anteriormente se sabe que las cargas eléctricas ejercen fuerzas entre sí. La primera investigación cuantitativa de la ley que rige las fuerzas que se ejercen entre cuerpos cargados, fue realizada por Charles Agustín Coulomb entre 1784-1785. Ley de Coulomb se puede enunciar como sigue: “La fuerza de atracción o repulsión ejercida sobre un cuerpo cargado por otro, es directamente proporcional al producto de sus respectivas cantidades de electricidad (cargas) e inversamente proporcional al cuadrado de sus distancia”.
F= k q1 q2
r2
Esta ley se cumple cualquiera que sea el signo de las cargas q1 y q2. Si son del mismo signo la fuerza ejercida es de repulsión, si son de signos opuestos la fuerza es de atracción; sobre cada una de las cargas se ejerce el mismo valor y en sentido opuesto.
UNIDADES:
Cargas = ues o uce
Distancia = cm mt
Fuerza = dinas Nw
K = constante sin unidades
POTENCIAL ELECTROSTÁTICO
El principio de conversación de la energía es, naturalmente, aplicable también al movimiento en un campo eléctrico de un electrón de un anión o de cualquier cuerpo cargado. En todos los casos de interés práctico, la fuerza gravitacional ejercida sobre una carga es tan pequeña comparada con la fuerza eléctrica, que la energía potencial gravitacional es despreciable.
Definición
“El trabajo realizado contra la fuerza ejercida sobre ella por el campo, cuando se trae la carga desde el infinito al punto”
Superficies Equipotenciales.
La distribución del potencial es un campo eléctrico puede ser representado gráficamente por superficies equipotenciales. Una superficie equipotencial es aquella en la cual todos los puntos tienen el mismo potencial. Aunque puede tratarse una superficie equipotencial por cada punto, es costumbre trazarse en los esquemas sólo algunas de estas superficies.
Puesto que la energía potencial de un cuerpo cargado es la misma en todos los puntos, se deduce que no es necesario “trabajo” (eléctrico) para mover un cuerpo cargado sobre una de estas superficies. Por tanto, la superficie equipotencial que pasa por cualquier punto es perpendicular a la dirección del campo es dicho punto.
En general las líneas de fuerza de un campo son curvas y las superficies equipotenciales son superficies curvas, ver las siguientes figuras en donde se presentan las superficies equipotenciales para una carga positiva, cargas de signo diferente y para cargas del mismo signo.
De las figuras anteriores las líneas de fuerza se han dibujado en trazos y las intersecciones de las superficies equipotenciales con el plano del dibujo están representadas con líneas llenas, el campo real es, naturalmente tridimensional.
UNIDADES
En virtud de su definición energía potencial por unidad de carga, el volt queda definido como sigue: julio / coulomb = volt.
Otra definición de volt puede ser: “El potencial es un punto de un campo electrostático será un volt, si para atraer una carga de un coulomb desde el infinito al punto venciendo las fuerzas del campo, es necesario realizar un trabajo de un julio.”
Mega-volt: Mv = 106 V
MULTIPLOS Kilo-volt: Kv = 103 V
VOLT; V
Mili-volt; mV = 10-3 V
SUB-MULTIPLOS
Micro-volt; ųV= 10-6 V
POTENCIAL ELECTRODINÁMICO Y SU FUNCIÓN
DEFINICIÓN: El movimiento de los electrones constituye la corriente eléctrica por este motivo la corriente eléctrica puede considerarse como: “Electricidad en movimiento” y se le llama “Electricidad dinámica”. A la fuerza que mueve a los electrones se le llama fuerza electromotriz, potencial eléctrico, diferencia de potencial, presión eléctrica, tensión o voltaje. Si un objeto tiene excesos de electrones libres y otro tiene deficiencia de ellos, existe entre ambos una fuerza electromotriz. Si los 2 objetos se conectan por medio de un conductor, circulará corriente del negativo al positivo.
También existe una fuerza electromotriz entre dos objetos siempre que estos tengan diferente número de electrones libres por unidad de volumen.
Si los 2 objetos son negativos al conectarse entre sí, la corriente circula desde el que tiene mayor carga negativa hasta el que tiene menor, como podemos observar en la siguiente figura.
DIFERENCIA DE POTENCIAL
También existe una fuerza electromotriz entre 2 objetos con carga positiva, el flujo de electrones era desde el objeto con carga positiva hasta el otro y tenga una carga positiva mayor.
Tipos de fuente de energía eléctrica y su conversión en diversas formas de energía.
Existen varios modos de producir una fuerza electromotriz (electricidad) estos son algunos de ellos: químicos, piezo eléctricos (obtención de electricidad por presión), térmicos, electromagnéticos, luminosos, estáticos (fricción o frotamiento), fotoeléctricos.
NOTA: En industrias y casas habitación se utiliza C.A. Que divide en electromagnéticos 90%, químicos 10%.
QUÍMICOS.- PILA
PIEZO ELÉCTRICOS.- Cristal (XL), Cuarzo, Sales de Rochelle, Titanato de Bario.
Se utiliza en micrófonos, relojes, agujas para tocadiscos.
TÉRMICOS.- Se emplean en algunos instrumentos de medición como el “termocar” y a nivel industrial se utiliza el “termostato”.
ELECTROMAGNÉTICOS.
Se utilizan en foto celdas hechas de semiconductores como
Germanio y Silicio
CAÍDA Y SUBIDA DE TENSIÓN: La suma de las caídas de tensión o voltaje en un circuito cerrado, equivalente a la tensión o voltaje total aplicado. La suma de las corrientes que entran a un nodo o empalme de un circuito, es igual a las corrientes que salen.
CAPACITANCIA
En términos eléctricos la capacitancia es la capacidad de almacenar una carga eléctrica. La capacitancia es igual a la cantidad de carga que pueden almacenar un capacitor dividida por el voltaje aplicado sobre las placas.
C = Q / V Donde: C = Capacitancia (faradios)
Q = C x V Q = Carga (coulombs)
V = Q / C V = Voltaje (volts)
Un dieléctrico es un material que se introduce entre las placas de los capacitares o condensadores, entre los más utilizados están: el papel parafinado, papel impregnado de aceite, aceite solo, aislamiento de cerámica, mica, etc. Y este dieléctrico sirve de aislante.
Faraday observó que al fabricar capacitares con dieléctrico esta tenia una carga mayor que otro capacitor sin dieléctrico aplicándoles el mismo voltaje.
Cuando un dieléctrico se encuentra bajo la influencia de un campo eléctrico las moléculas del dieléctrico tendrán a alinearse con respecto al campo eléctrico, esto es que el campo eléctrico separa la carga negativa de la positiva en un átomo o molécula.
La permeabilidad eléctrica es también llamada “Constante Dieléctrica” y generalmente se designa con la letra “K” y dicha constante nos indica que tan efectivo es un dieléctrico, se toma como referencia al aire y se le da un valor de 1, a los otros materiales que tienen valores distintos al aire dicho valor nos indica el grado en que serán mas efectivos como dieléctricos y su unidad es el Farad x metro.
Tipos de Capacitores.
Los capacitores comerciales se designan según su dieléctrico. La mayoría son capacitores de aire, mica, papel, papel con aceite, papel parafinado, aceite solo, cerámica, o bien del tipo “electrolítico”.
La mayoría de los capacitores pueden ser conectados en un circuito sin importar la polaridad sin embargo, los capacitores electrolíticos y algunos capacitores de cerámica, tienen marcas para indicar el lado o terminal que debe conectarse al lado positivo del circuito. Los capacitores se pueden conectar en serie o en paralelo.
CIRCUITO SERIE.
Un circuito serie en el cual la corriente encuentra un solo camino para pasar, esto se debe a que los capacitores se hallan conectados uno después de otro.
Formulas
Para calcular un circuito en serie en donde solo estén conectados do capacitores, se utiliza la siguiente fórmula:
CIRCUITO PARALELO.
En este circuito la corriente encuentra varios caminos para pasar.
Y para calcular la capacitancia total solo basta con sumar la capacitancia total, solo basta con sumar la capacitancia de los capacitores.
Formula
Ct = C1 + C2 + C3 +…. Cn
CAPACITOR PLANO.
La capacitancia de un capacitor plano, depende del área de las placas conductoras, la separación entre ellas y la constante dialéctica del material aislante, la formula para obtener su capacitancia es:
Donde: C= Capacitancia (faradios)
K= Constante dieléctrica (faradios/metro)
A= Área de las placas (mts)
d= Distancia de separación entre las placas
Otra formula que relaciona a la carga, la capacitancia y el voltaje es:
Donde: C= Capacitancia- Farad
Q= Carga- Coulomb
V= Voltaje- Volt
CIRCUITO ELÉCTRICO ELEMENTAL.
Se denomina circuito eléctrico a una serie de elementos o componentes eléctricos, tales como resistencias, inductancias, condensadores y fuentes, o electrónicos, conectados eléctricamente entre sí con el propósito de generar, transportar o modificar señales eléctricas.
TIPOS DE RESISTORES.
Los resistores se clasifican en: Fijos, Variables y Espaciales.
RESISTORES FIJOS.
Un resistor fijo, es aquel que solo tiene un valor, los hay de composición, devanado y de película.
Resistor de Composición.- Este resistor contiene carbón pulverizado y que se coloca en una pequeña caja plástica la cual tiene como función sellar y proteger al elemento resistivo y a las terminales.
Resistor Devanado.- Consta de un devanado de alambre sobre un núcleo aislante con recubrimiento de cerámica plástica.
Se le emplea para altas corrientes.
Resistor de película.- Consiste en una película delgada de carbón, sobre un núcleo de cerámica o tubo de vidrio y terminales de alambre devanado en los extremos de un recubrimiento aislante-
RESISTORES VARIABLES
Resistor variable, es aquel que permite ajustar el valor de sus resistencia continuamente dentro de un cierto rango. Se les emplea en bajas corrientes, también se le fabrica en composición, de devanado y de película. Los más conocidos son: el reóstato y el potenciómetro.
El Reóstato.- Es una resistencia variable, cuando se usa en el circuito la terminal central y cualquier otra terminal de sus extremos; se fabrican de alambre y carbón, su mayor explicación es la de divisor de voltaje.
Potenciómetro.- Es una resistencia variable que permite ajustar el valor de su resistencia continuamente, se les fabrica de alambre o de carbón.
RESISTORES ESPECIALES.
Son resistores fijos de pre edición empleados en computadoras y en instrumentos de medición en laboratorios (resistencia patrón), inclusive están hechas de oro; su única desventaja es su elevado costo.
VALORES NOMINALES
Son aquellos valores comerciales y algunos de ellos son los siguientes:
1 ohm |
4.7 ohm |
2.2 ohm |
5.6 ohm |
3.3 ohm |
6.8 ohm |
3.9 ohm |
9.1 ohm |
NOTA: Los demás resistores se encuentran multiplicando estos valores por 10, 100, 1000, etc.
Conductancia.- La facilidad que tienen los conductores para permitir el paso de electrones.
La resistencia de un conductor es directamente proporcional a la distancia (longitud) del conductor e inversamente proporcional a su área (sección transversal)
R = Resistencia (ohms)
ρ = Resistividad (ohms/mts)
A= Área (mm/cm)
L= Longitud del conductor (mt)
Nota: El valor de resistividad de un conductor varia según del material del cual esta hecho. Como dato también tenemos que la resistencia es el inverso de la resistividad (R= 1/C)
VARIACION DE LA RESISTENCIA CON LA TEMPERATURA
En todos los conductores metálicos, y los no metálicos, como el carbón y los electrolíticos la temperatura varía directamente con la resistencia eléctrica
La resistencia aumenta cuando la temperatura se incremente, en la siguiente grafica se aprecia la proporcionalita entre la resistencia de un conductor y los incrementos de la temperatura, esta temperatura es mas o menos lineal, aproximadamente entre los 0° C y los -236° C se aprecia la temperatura negativa de cero donde, teóricamente se supone que el metal conductor ofrece resistencia nula. En el caso del cobre “To” es aproximadamente de -236° C; en los demás metales el valor de “To” varia un poco pero siempre es muy próximo al cero absoluto (-273° C).
Formulas:
R2 = R1= α R1 (T2 – T1)
R2 = R1 (1 + α (T2 – T1)
A cero grados: R2 = Ro (1 + α (T2 – T1)
R2 = Ro (1 + α Δ T2)
Donde: R1= Resistencia inicial
R2 = Resistencia final
T1 = Temperatura inicial
T2 = Temperatura final
α = Coeficiente de temperatura
Material |
Resistividad(20° C) |
Coeficiente de Temp. |
Cobre |
0.0175 |
0.0040 |
Aluminio |
0.029 |
0.0040 |
Hierro dulce |
0.13 |
0.0050 |
Plata |
0.00165 |
0.0036 |
Zinc |
0.063 |
0.0040 |
Estaño |
0.12 |
0.0045 |
Latón |
0.075 |
0.0035 |
Niquelita |
0.42 |
0.0023 |
Constanton |
0.5 |
0.0002 |
LEY DE OHM: “La intensidad de corriente eléctrica en un circuito eléctrico es directamente proporcional al voltaje aplicado e inversamente proporcional a su resistencia”
POTENCIA: Es la rapidez con que una carga eléctrica puede hacer su trabajo. Su unidad es el Watt.
Watt: Es cuando fluye una corriente de un ampere a través de una diferencia de potencial de un volt.
P = I x E