Las resistencias eléctricas: de la física al sector industrial

Con el término resistencia nos referimos, en general, a un fenómeno o suceso de reacción dirigido a contrarrestar la acción de una fuerza o flujo. En efecto cuando hablamos de resistencias eléctricas (llamadas también resistores) nos referimos precisamente a los instrumentos que realizan esta forma particular de acción y están construidos, generalmente, por un filamento metálico revestido de una cápsula hecha en material cerámico con la función de aislar la misma.

Los materiales que permiten el paso de corriente en su interior se denominan conductores y entre los ejemplos más comunes encontramos el metal. Cuando en el interior de un material conductor, además, hay un desplazamiento o un movimiento de cargas eléctricas (por la precisión de los electrones) se dice que en el conductor hay una "corriente eléctrica".  La intensidad de esta corriente eléctrica se define como Intensidad de corriente (indicada por el símbolo "i") y es definida como la cantidad cargada que atraviesa la sección del conductor en cuestión en una unidad de tiempo.

En consecuencia para obtener un valor x será necesario determinar la relación entre la cantidad de carga Q que se ha movido y el tiempo t necesario para el desplazamiento:

En el Sistema Internacional, la intensidad de corriente se mide en "Amperios", en honor del físico francés Andrè Marie Ampere.
De esta manera, cuando vayamos a considerar cualquier circuito eléctrico, esta fórmula será muy importante. Cuando hablamos de un circuito eléctrico, debemos tener en cuenta tres elementos fundamentales:

Nos centramos ahora en el detalle de las resistencias eléctricas o resistores. Estos elementos, de hecho, si se insertan en un circuito eléctrico, se oponen al movimiento de la carga del circuito y se frenan para crear calor o energía. Un ejemplo claro de este fenómeno es la lámpara incandescente, compuesta por un filamento que se calienta convirtiéndose en incandescente.
En todo este proceso está presenta una ley física llamada "Primera ley de Ohm", observada por primera vez por el físico alemán Georg Simon Ohm, el cuál afirma que la diferencia de potencial de una resistencia R es igual al producto de la intensidad de corriente con la misma resistencia:

El mismo científico, además, verificó experimentalmente que para los conductores metálicos, la resistencia eléctrica es directamente proporcional a la longitud del cable conductor e inversamente proporcional a su sección. Ésta depende, también, del material con el que se fabrica el cable conductor (por lo tanto, la resistividad específica del material será decisiva).
Dicho en otras palabras, se puede afirmar que con la misma longitud, un hilo conductor aumenta su resistencia al disminuir la sección; con la misma sección, el hilo conductor también aumenta su resistencia para aumentar la longitud. Esta afirmación se conoce como "Segunda ley de Ohm".

Significado siglas:
*  R = resistencia eléctrica del conductor;
*  ρ  = resistencia específica o resistividad del material (típica y tabulada para cada material);
*  L  = longitud del conductor;
*  A  = sección transversal del conductor;

La resistividad de un conductor de metal es generalmente muy pequeña y aumenta linealmente con la temperatura. La resistividad, que a menudo se informa en las tablas a 20 ° C, puede obtenerse con una sencilla operación representada de esta manera:

Significado siglas:

Se observa claramente cómo la resistividad y por lo tanto la resistencia de un conductor aumenta con la temperatura.

James Prescott Joule, en 1848, estudió la naturaleza del calor y logró demostrar la relación entre la intensidad de la corriente en una resistencia y el calor disipado por ésta. El resultado fue sorprendente al encontrarse una relación lineal (es decir, de proporcionalidad directa) entre la corriente "i" que fluía en el circuito y el calor producido por la resistencia atravesada por el flujo electrónico.

Significado siglas:
*   P = potencia disipada (en forma de calor) debido al efecto Joule;
*  V = tensión en los extremos de la resistencia;
*  R = valor de resistencia;
*  i = intensidad de corriente que corre a través de la resistencia.

Resistencias en serie y cálculo de resistencia equivalente
En los circuitos eléctricos, hablamos de conexión en serie cuando las resistencias que la componen son atravesadas por la misma intensidad de corriente, como se muestra en la figura.

Por lo tanto, conociendo la diferencia de potencial en los extremos de las resistencias y conociendo los valores de las resistencias R1, R2, …., Rn es posible encontrar un valor de resistencia (llamado resistencia equivalente o Req) capaz de reemplazar todo el sistema de resistencias.
En efecto, dado que todas las resistencias están atravesadas por la misma corriente, de la primera ley de Ohm podemos derivar el i = V / R y consecuentemente determinar la diferencia de potencial en los extremos de la serie como

A partir de aquí podemos deducir que:  

Resistencias paralelas y cálculo de resistencia equivalente
Estamos en presencia de un paralelo de resistencias en el que todos los elementos del paralelo poseen la misma diferencia de potencial en los extremos.

También en este caso, como en la serie, es posible determinar una resistencia equivalente Req siempre explotando la primera ley de Ohm y la característica del circuito.
En este caso, para derivar la Req será necesario afirmar que las corrientes que se ramifican van a contribuir la corriente primaria del circuito según esta la relación:

Des de aquí es fácil derivar que:

Tolerancia de una resistencia
Otra propiedad física de las resistencias es la llamada "tolerancia", que se define como la discrepancia máxima del valor real (es decir, del valor medido) respecto al valor nominal.
La tolerancia generalmente se expresa en forma porcentual.
   Los valores de tolerancia más comunes son:
• Entre 0.25% y el 0.1% que corresponde a una precisión muy elevada;
• Entre 0.5% y el 2% que corresponde a una precisión elevada;
• Entre 5% y el 10% que corresponde a una precisión media;
• Más del 20%, tenemos por el contrario una baja precisión.
Por lo tanto, al elegir la resistencia correcta para el propio circuito, será necesario tener en cuenta este parámetro para no dañar los sistemas.

En el mundo operativo, las resistencias eléctricas se pueden encontrar bajo una multitud de tipologías, formas y dimensiones. Partimos primeramente de las resistencias más sencillas, es decir, aquellas que se introducen en los circuitos para regular la tensión del propio circuito. Estas pequeñas resistencias tienen una cápsula de cerámica cilíndrica desde la cual sobresalen los cables de entrada y de salida de la corriente.
Cada resistencia de este tipo, en la cápsula de cerámica, tiene unas hendeduras coloreadas dispuestas ordenadamente que permiten distinguirlas según su valor resistivo (dado en OHM "Ω"). Para su identificación, las resistencias de media y baja precisión tienen sólo cuatro cortes, mientras que las de alta precisión presentan cinco.

El valor nominal de la potencia de las resistencias representa la potencia máxima en vatios que ésta es capaz de disipar en un ambiente con una temperatura inferior o igual a 70 ° C.
Este parámetro viene  suministrado normalmente por el fabricante que produce dichas resistencias. Dentro del sector ingeniero, la potencia máxima que la resistencia puede disipar depende estrictamente del material de construcción del dispositivo y de sus dimensiones físicas.
A continuación presentamos una tabla de valores a partir de la cual es posible extrapolar la potencia que puede ser disipada por una resistencia de acuerdo con sus características morfológicas, incluyendo el diámetro y la longitud.

Técnicas constructivas de los elementos resistivos
Como mencionamos anteriormente, una resistencia tradicional consta de tres partes principales:

El verdadero corazón de la resistencia, no obstante, es el elemento resistivo, el cuál puede realizarse en tres modalidades: por capa, por amasado o por alambre
La técnica por amasado permite crear resistencias más fuertes, más robustas, menos inductivas y menos voluminosas con la misma potencia. Están constituidos por un cilindro de carbón mezclado con resina fenólica e impreso posteriormente. El conjunto está cubierto por la tapa de cerámica de protección.
La técnica por capa, también llamada película delgada, permite obtener instrumentos más estables, menos ruidosos y más precisos que los anteriores. Su realización se hace superponiendo varias microcapas de material resistivo enrolladas en espiral sobre un cilindro cerámico. Para la película se usa material carbonoso, como grafito o carbono, pero también pueden estar presentes óxidos metálicos. El conjunto se cubre con material inerte.
La última técnica de fabricación, en cambio, es la técnica con alambre, permite realizar resistencias que generalmente se usan para disipar cantidades de elevada potencia o bien para obtener valores de precisión muy alta. Para hacerlos, se enrolla un alambre de Níquel-Cromo (Costantana) en una matriz cerámica. El conjunto se barniza y se laquea para una mayor protección y finalmente se introduce en un soporte definitivo.

Otra categoría de resistencias son los termistores, es decir, resistencias especiales que cambian su valor en función de la temperatura.
En particular, hay dos tipos principales de termistores:
* El tipo "NTC" también se definen como "coeficiente térmico negativo"
* El tipo "PTC" también llamados "coeficiente térmico positivo"
Los termistores del tipo NTC tienen la característica de proporcionar una disminución en un valor muy alto a medida que aumenta la temperatura. Debido a esta propiedad, son utilizados en la protección de los circuitos conectados en serie con el fin de limitar la intensidad de picos de corriente o bien en las fases finales de transistores bipolares para evitar desafortunados choques térmicos.
Los termistores de tipo PTC, en cambio, se usan como protección termostática y generalmente se colocan en serie al circuito que requiere protección. En este punto es posible limitar la corriente dentro de un nivel de seguridad a partir del momento en que la tensión (y en paralelo la temperatura) excede un valor umbral.

En el mundo industrial, las resistencias son los instrumentos indispensables en varios sectores, forman la columna vertebral de las realidades productivas en diversas áreas como son:
• Sector termoplástico;
• Sector de empaque;
• Sector agroalimentario;
• Sector farmacéutico;
• Sector de investigación universitaria.

La importancia de estos dispositivos radica en el hecho que sin ellos no sería posible darse los pasos fundamentales de la actividad industrial y el desarrollo de estos sectores. Por lo tanto, dado que este es un ámbito muy amplio y con muchas especializaciones, el mercado ha permitido la presencia de una multitud de resistencias adaptadas a cada necesidad. Por ello, a día de hoy, en el mercado podemos encontrar los siguientes modelos de resistencias:

Resistencias helicoidales o microtubulares
Las resistencias helicoidales son resistencias microtubulares especiales dotadas de una tecnología avanzada que permite obtener altas cargas teniendo un tamaño reducido del elemento operativo. De hecho, la verdadera ventaja de estos dispositivos radica precisamente en la excelente relación tamaño / potencia.
Los materiales de realización son principalmente aleaciones de acero inoxidable y níquel.
Existen cientos de variaciones en el mercado para estos elementos de calentamiento, lo que los hace extremadamente flexibles y adaptables para cada sector de producción.
En particular, estos instrumentos pueden variar en tamaño (es decir, longitud y diámetro) pero sobre todo en términos de potencia por centímetro cuadrado, el verdadero equilibrio en cuanto al rendimiento.

La estructura de las resistencias helicoidales es sencilla,  se constituye por el elemento calentador de forma helicoidal que irá asentado en una ubicación específica, el conjunto sostenido por el cable de alimentación de la resistencia.
El principal campo de aplicación es el de envase y la confección, aunque tampoco es extraño encontrar estas resistencias en el uso de la investigación en un laboratorio.

Resistencias de cartucho
Las resistencias de cartucho son elementos de calentamiento especiales que se distinguen por el hecho de tener la salida de los cables de alimentación en el mismo lado del instrumento. Tales dispositivos son los que han experimentado el mayor progreso y desarrollo en el tiempo, tanto en términos de morfología y densidad de potencia como en términos de durabilidad y rendimiento.
Los primeros calentadores de cartucho son aquellos definidos a baja potencia o BP, que tienen la característica típica de no exceder las densidades de potencia de aproximadamente 6 vatios por centímetro cuadrado.
A partir de aquí se desarrollaron los llamados calentadores de media potencia o MP, que también se influyeron de nuevas tecnologías de fabricación y materiales de vanguardia, como la introducción del óxido de magnesio compactado. Su característica de rendimiento nunca supera los 10 vatios por centímetro cuadrado.
Finalmente tenemos resistencias de cartucho de alta intensidad o alta potencia (AP), que exceden el umbral de 10 W / cmq hasta un valor promedio de 50 W / cmq y temperaturas de 700 ° C.
Estos últimos elementos calentadores (AP) son los más fiables en términos de durabilidad y rendimiento, y siguen siendo los más seguros incluso en condiciones críticas de funcionamiento, es por eso que son los calentadores más extendidos, de hecho las resistencias de cartucho son las más habituales en los siguientes sectores profesionales:

• Industria del embalaje;
• Industria de la madera;
• Industria textil;
• Industria del caucho;
• Sector del papel;
• Sector de plástico y moldeado;
• Ámbito de moldeo 3D;
• Sector farmacéutico.

Una última categoría de resistencias de cartucho es aquella llamada resistencia microtubular, que contiene todas las características de los modelos anteriores pero que pueden condensar una gran cantidad de energía en un volumen muy pequeño.

Características técnicas y constructivas de los calentadores de cartucho
Las tecnologías constructivas de los calentadores de cartucho, principalmente en lo que respecta a los AP, permiten tener una alta densidad de energía y rendimientos altos y duraderos.
El corazón del calentador es un filamento de níquel - cromo 80/20, elección debida al hecho de que este material permite soportar altas temperaturas de trabajo, no se oxida, es química y físicamente estable, es inerte y no magnético y, sobre todo, no altera la sus características químicas mientras opera a altas temperaturas. Este filamento está enrollado sobre un soporte cilíndrico hecho de óxido de magnesio. Este material, a su vez, cubre la bobina de níquel cromo externamente y es un material considerado óptimo para este uso ya que posee características fundamentales tales como:

Todas estas características de la estructura de Óxido de Magnesio hacen que el calor generado por la bobina se transmita a la armadura más externa del elemento calefactor, constituido por una vaina metálica muy gruesa, que será la superficie primaria de transmisión del calor una vez llegado al lugar operativo. La protección de acero inoxidable permite transmitir el calor de manera uniforme, no permite la oxidación, protege la estructura interna del calentador de cartucho, no se corroe y tiene una alta resistencia mecánica. La gran ventaja de esta tecnología constructiva es que permite que el gradiente térmico entre el filamento y la cubierta más externa sea muy bajo en comparación con otros tipos de calentadores, lo que permite que el instrumento soporte cargas muy elevadas.

Resistencias de banda
Las resistencias de banda son modelos particulares de elementos calentadores, llamados así por tener una forma cilíndrica. Gracias a su morfología particular, las resistencias de banda representan la solución más ergonómica y ventajosa para el calentamiento de superficies cilíndricas y se utilizan en el calentamiento de cilindros plastificantes de prensas de moldeo por inyección o en el tratamiento térmico de extrusoras.
Sin embargo, su ventaja no sólo está vinculada a la forma, sino también a las diversas características adicionales que dicho dispositivo puede garantizar. De hecho, las resistencias de banda son apreciadas también en el mercado por las siguientes razones:

Otro factor fundamental en estas resistencias es la vía de propagación del calor, en efecto la transmisión de energía aparece de dos formas: por conducción y por irradiación. La conducción es el vector de transmisión de calor simple involucrado en el momento del contacto entre una superficie caliente y otra fría, mientras que la irradiación (o radiación) se refiere a la transmisión de calor independientemente del vector considerado.

Termopares
Los termopares son transductores de temperatura que aprovechan un principio físico particular (llamado efecto Seebeck) para proporcionar retroalimentación al observador.
Un termopar generalmente está formado por dos conductores (de los cuales se conocen las propiedades físicas) soldados en una unión (llamada junta térmica de termopar), en cuya proximidad se realizará el muestreo de temperatura. Los dos extremos opuestos de los conductores, por otro lado, están conectados a un bloque de terminales de porcelana para cerrar un circuito que proporciona en su terminación un instrumento a medida. Las abrazaderas constituyen lo que se llama "unión fría".
De esta unión fría es fundamental conocer la temperatura, o mejor dicho, es esencial conocer el gradiente térmico entre la unión caliente y la unión fría.

La ley que describe el funcionamiento de los termopares fue identificada en el siglo XIX por un físico estonio, Thomas Johann Seebeck, quien observó que, al contactar dos conductores de diferente naturaleza a diferentes temperaturas, entre ellos hay un movimiento de electrones y luego fluye corriente gracias a una diferencia de potencial que se instaura entre ellos.
Por lo tanto, midiendo la diferencia de potencial entre las dos juntas, será posible (a través de una ley no lineal) determinar la temperatura real del sitio medido. Todo esto sucede también gracias a las resistencias térmicas aplicadas al circuito interno del termopar mismo.

Tipos de termopares
En el mercado, hoy en día, existen numerosas variaciones de termopares,  pueden distinguirse entre sí esencialmente por los tipos de materiales que componen las juntas. En efecto, encontramos 8 modelos diferentes que se utilizan en muchos sectores, desde el industrial hasta el biomédico pasando por el agroalimentario.

1.    Termopares tipo B
Consisten en una junta de platino y rodio y son generalmente utilizadas para altas temperaturas hasta 1800 ° C. Por debajo de 42 ° C son casi inútiles porque la ley que regula el voltaje y la temperatura tiene el suelo fijo por debajo de la temperatura umbral (42 ° C).

2.    Termopares tipo E (amagnéticos)
Consisten en una unión Cromo - Costantana y tienen una salida de 64 μV / ° C bajo tensión. Esta propiedad hace que estos dispositivos sean óptimos para medir bajas temperaturas.

3.    Termopares tipo J
Realizados por una junta de hierro - Costantana. Su rango de muestreo está entre -40 ° C y 750 ° C. Una de sus ventajas es sin duda el bajo costo de producción junto con la gran sensibilidad del instrumento 51,7 μV / ° C. Sin embargo, fuera de ese rango de calor (a temperaturas muy altas) ya no se pueden usar porque entran en juego fenómenos cuánticos que alteran las propiedades magnéticas de los materiales de construcción y pueden alterar la calibración del dispositivo.

4.    Termopares tipo K
La junta es muy típica y está hecha de cromo - aluminio. Son termopares muy extendidos incluso a nivel educativo, de bajo costo y presentes en incontables variantes técnicas y geométricas. El rango de muestreo es de -200 ° C a 1250 ° C con una sensibilidad de aproximadamente 41 μV / ° C.

5.    Termopares tipo N
Realizados en níquel - cromo - silicio o níquel - silicio, su rango de muestreo va de 600 a 1200 grados centígrados. Su gran difusión está vinculada a la fuerte resistencia a la oxidación en comparación con otros tipos de termopares (B, R, S de baja sensibilidad).

6.    Termopares tipo R
La junta caliente está hecha de la unión de Platino-Rodio y puede usarse a nivel industrial hasta temperaturas que superan los 1500 ° C; también tienen una señal de output nítida y poco estable en comparación con otras sondas que funcionan a altas temperaturas.

7.    Termopares tipo S
Son termopares muy estables, hechos de una unión Platino - Rodio y se aplican principalmente en el sector de la joyería y principalmente para medir temperaturas cercanas a las temperaturas de fusión del oro (1064 ° C).

8.    Termopares tipo T
Se presentan en juntas de cobre - Costantana, pueden muestrearse desde temperaturas muy bajas (-200 ° C) hasta temperaturas de alrededor de 390 ° C. Son herramientas ampliamente utilizadas en el campo de la investigación y un problema con la oxidación podría comprometer el funcionamiento óptimo del instrumento si no se utiliza correctamente y en el rango térmico indicado. Su sensibilidad es de aproximadamente 48 μV / ° C.
 

En el mundo de los termopares, existen normas y regulaciones de CEI que regulan la implementación de estos instrumentos. En particular, tenemos:
• CEI EN 60584-2 en termopares y valores de tolerancia.
Prescribe los valores de las tolerancias de fabricación con respecto a los termopares de metal. Sin embargo, estas tolerancias se refieren a un estándar de producción en instrumentos con filamentos entre 0.25 mm y 3 mm de diámetro;
• CEI EN 60584-1
Se refiere específicamente a la determinación de valores de tolerancia para termopares de categoría R, S, B, J, T, E, K, N, C y A.
• CEI EN 60584-3
Se refiere a las especificaciones de producción (incluidas las tolerancias) para los cables de compensación y extensión que se determinan con respecto al campo electromagnético y la temperatura.