En 1845, el físico alemán Gustav Kirchhoff describió por primera vez dos leyes que se convirtieron en fundamentales para la ingeniería eléctrica. La ley de la corriente de Kirchhoff, también conocida como la ley de la unión de Kirchhoff y la primera ley de Kirchhoff, definen la forma en que se distribuye la corriente eléctrica cuando atraviesa 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 los valores de las corrientes que fluyen a través de un punto de unión y los 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 hogares y negocios, que se utilizan continuamente en la Tierra.
Leyes de Kirchhoff: lo básico
Específicamente, las leyes establecen: La suma algebraica de la corriente en cualquier unión es cero.
Dado que 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 un empalme: una caja de empalmes. Estas cajas se instalan en la mayoría de las casas. Son las cajas que contienen el cableado por el que debe circular toda la electricidad del hogar.
Al realizar cálculos, la corriente que entra y sale de la unión suele tener 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 aún más las dos leyes de manera más específica.
Ley actual de Kirchhoff
En la imagen, se muestra una unión de cuatro conductores (cables). Las corrientes v 2 y v 3 fluyen hacia la unión, mientras que v 1 y v 4 fluyen fuera de ella. En este ejemplo, la regla de unión de Kirchhoff produce la siguiente ecuación:
v 2 + v 3 = v 1 + v 4
Ley de voltaje de Kirchhoff
La ley de voltaje de Kirchhoff describe la distribución de voltaje eléctrico dentro de un bucle, o camino conductor cerrado, 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 (EMF) y elementos resistivos, como resistencias, fuentes de energía (baterías, por ejemplo) o dispositivos (lámparas, televisores y licuadoras) conectados al circuito. Imagínese esto como el voltaje que sube y baja a medida que avanza alrededor de cualquiera de los bucles individuales del circuito.
La ley del voltaje de Kirchhoff surge 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 recorre un bucle, cuando llega al punto de partida tiene el mismo potencial que tenía 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 de inicio / finalización 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 de corriente. Elija una dirección (en el sentido de las agujas del reloj o en el sentido contrario a las agujas del reloj) para seguir el 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 comienza a saltar, moviéndose en diferentes direcciones, su ecuación será incorrecta.
Al cruzar una resistencia, el cambio de voltaje está determinado por la fórmula:I * R
donde I 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 aumenta.
Aplicación de la ley de voltaje de Kirchhoff
Las aplicaciones más básicas de las leyes de Kirchhoff se relacionan con los circuitos eléctricos. Tal vez recuerde de la física de la escuela secundaria que la electricidad en un circuito debe fluir en una dirección continua. Si apaga un interruptor de luz, por ejemplo, está interrumpiendo el circuito y, por lo tanto, apagando la luz. Una vez que acciona el interruptor de nuevo, vuelve a activar el circuito y las luces se vuelven a encender.
O piense en colocar luces en su casa o árbol de Navidad. Si solo una bombilla se apaga, toda la cadena de luces se apaga. Esto se debe a que la electricidad, detenida por la luz rota, no tiene adónde 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.
Por lo tanto, la próxima vez que esté trabajando en su caja de conexiones u observando a un electricista que lo hace, encendiendo luces navideñas eléctricas o encendiendo o apagando su televisor o computadora, recuerde que Kirchhoff describió por primera vez cómo funciona todo, marcando así el comienzo de la era de electricidad.
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