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Leyes de Kirchhoff para corriente y voltaje

Leyes de Kirchhoff para corriente y voltaje

En 1845, el físico alemán Gustav Kirchhoff describió por primera vez dos leyes que se convirtieron en centrales para la ingeniería eléctrica. La Ley de Corriente de Kirchhoff, también conocida como Ley de Unión de Kirchhoff, y la Primera Ley de Kirchhoff, definen la forma en que se distribuye la corriente eléctrica cuando cruza a través de una unión, un punto donde se encuentran tres o más conductores. Dicho de otra manera, las Leyes de Kirchhoff establecen que la suma de todas las corrientes que salen de un nodo en una red eléctrica siempre es igual a cero.

Estas leyes son extremadamente útiles en la vida real porque describen la relación de valores de corrientes que fluyen a través de un punto de unión y voltajes en un circuito eléctrico. Describen cómo fluye la corriente eléctrica en todos los miles de millones de aparatos y dispositivos eléctricos, así como en todos los hogares y negocios, que se usan continuamente en la Tierra.

Leyes de Kirchhoff: los fundamentos

Específicamente, las leyes establecen:

La suma algebraica de corriente en cualquier unión es cero.

Como la corriente es el flujo de electrones a través de un conductor, no puede acumularse en una unión, lo que significa que la corriente se conserva: lo que entra debe salir. Imagine un ejemplo bien conocido de una unión: una caja de conexiones. Estas cajas se instalan en la mayoría de las casas. Son las cajas que contienen el cableado a través del cual debe fluir toda la electricidad en el hogar.

Al realizar cálculos, la corriente que fluye dentro y fuera de la unión generalmente tiene signos opuestos. También puede establecer la Ley actual de Kirchhoff de la siguiente manera:

La suma de la corriente en una unión es igual a la suma de la corriente fuera de la unión.

Puede desglosar las dos leyes más específicamente.

Ley actual de Kirchhoff

En la imagen, se muestra una unión de cuatro conductores (cables). Las corrientes v2 y v3 fluyen hacia la unión, mientras v1 y v4 fluir fuera de ella. En este ejemplo, la regla de unión de Kirchhoff produce la siguiente ecuación:

v2 + v3 = v1 + v4

Ley de voltaje de Kirchhoff

La Ley de Voltaje de Kirchhoff describe la distribución del voltaje eléctrico dentro de un circuito o ruta conductora cerrada de un circuito eléctrico. La Ley de Voltaje de Kirchhoff establece que:

La suma algebraica de las diferencias de voltaje (potencial) en cualquier bucle debe ser igual a cero.

Las diferencias de voltaje incluyen aquellas asociadas con campos electromagnéticos (CEM) y elementos resistivos, como resistencias, fuentes de energía (baterías, por ejemplo) o dispositivos (lámparas, televisores y mezcladores) conectados al circuito. Imagine esto como el voltaje subiendo y bajando a medida que avanza alrededor de cualquiera de los bucles individuales en el circuito.

La Ley de Voltaje de Kirchhoff se produce porque el campo electrostático dentro de un circuito eléctrico es un campo de fuerza conservador. El voltaje representa la energía eléctrica en el sistema, así que considérelo como un caso específico de conservación de energía. A medida que avanza por un bucle, cuando llega al punto de partida tiene el mismo potencial que cuando comenzó, por lo que cualquier aumento y disminución a lo largo del bucle debe cancelarse para un cambio total de cero. Si no lo hicieran, entonces el potencial en el punto inicial / final tendría dos valores diferentes.

Signos positivos y negativos en la ley de voltaje de Kirchhoff

El uso de la regla de voltaje requiere algunas convenciones de signos, que no son necesariamente tan claras como las de la regla actual. Elija una dirección (en sentido horario o antihorario) para ir a lo largo del bucle. Cuando se viaja de positivo a negativo (+ a -) en un EMF (fuente de alimentación), el voltaje cae, por lo que el valor es negativo. Al pasar de negativo a positivo (- a +), el voltaje sube, por lo que el valor es positivo.

Recuerde que cuando viaje alrededor del circuito para aplicar la Ley de Voltaje de Kirchhoff, asegúrese de ir siempre en la misma dirección (en sentido horario o antihorario) para determinar si un elemento dado representa un aumento o disminución en el voltaje. Si comienzas a saltar, moviéndote en diferentes direcciones, tu ecuación será incorrecta.

Al cruzar una resistencia, el cambio de voltaje está determinado por la fórmula:

I * R

dónde yo es el valor de la corriente y R es la resistencia de la resistencia. Cruzar en la misma dirección que la corriente significa que el voltaje baja, por lo que su valor es negativo. Al cruzar una resistencia en la dirección opuesta a la corriente, el valor del voltaje es positivo, por lo que está aumentando.

Aplicando la Ley de Voltaje de Kirchhoff

Las aplicaciones más básicas para las leyes de Kirchhoff se relacionan con los circuitos eléctricos. Puede recordar por la física de la escuela intermedia que la electricidad en un circuito debe fluir en una dirección continua. Si apaga un interruptor de luz, por ejemplo, está rompiendo el circuito y, por lo tanto, apaga la luz. Una vez que vuelves a encender el interruptor, vuelves a conectar el circuito y las luces vuelven a encenderse.

O piense en encender luces en su casa o árbol de Navidad. Si solo se apaga una bombilla, se apaga toda la cadena de luces. Esto se debe a que la electricidad, detenida por la luz rota, no tiene a dónde ir. Es lo mismo que apagar el interruptor de la luz y romper el circuito. El otro aspecto de esto con respecto a las Leyes de Kirchhoff es que la suma de toda la electricidad que entra y sale de una unión debe ser cero. La electricidad que entra en la unión (y fluye alrededor del circuito) debe ser igual a cero porque la electricidad que entra también debe salir.

Entonces, la próxima vez que trabaje en su caja de conexiones u observe a un electricista que lo hace, enciende luces navideñas o enciende o apaga su televisor o computadora, recuerde que Kirchhoff describió por primera vez cómo funciona todo, lo que marca el comienzo de la era de electricidad.