Ley de Kirchhoff: Definición y aplicación

Corriente y voltaje

Cuando enciendes el interruptor de la luz, la luz se enciende inmediatamente, ¿verdad? ¿Por qué pasó esto? ¿Qué está pasando dentro de los cables en sus paredes y en la bombilla para hacer que la bombilla se encienda?

Si pudiera hacerse realmente pequeño y mirar dentro de los cables que conectan el interruptor de la luz y la bombilla, vería que cuando acciona el interruptor, miles de millones de pequeños electrones comienzan a moverse a través de los cables de este circuito eléctrico y su energía es lo que hace que el la bombilla se enciende.

Hay dos conceptos importantes que debes entender para saber cómo funciona un circuito eléctrico:

1. La corriente es el flujo de electrones alrededor del circuito. Para que la corriente fluya, los cables del circuito deben hacer un círculo completo. Si hay una ruptura en algún lugar, los electrones no tendrán forma de cruzar la brecha y la corriente se detendrá. Es por eso que la luz no se enciende hasta que enciende el interruptor. El interruptor cierra un espacio en el circuito y permite que fluya la corriente.
2. El voltaje es la diferencia de potencial eléctrico entre dos puntos del circuito. Ciertos elementos del circuito, como las baterías, son fuentes de voltaje y proporcionan energía a los electrones para que se muevan por el circuito. Otros elementos, como la bombilla, son resistencias que toman la energía que proporciona la batería y la transforman en otras formas de energía, como la luz. Debido a esto, el voltaje a través de una resistencia será negativo.

Leyes de Kirchoff

Llamadas así por su creador, Gustav Kirchhoff, las leyes de Kirchhoff pueden ayudarlo a comprender la corriente y el voltaje en un circuito y también pueden usarse para analizar circuitos complejos que no se pueden reducir a una resistencia equivalente usando lo que ya sabe sobre resistencias en serie y en paralelo. .

La ley de la unión de Kirchhoff dice que la suma de las corrientes que entran en una unión debe ser igual a la suma de las corrientes que salen de la unión. La corriente nunca se agota en un circuito, por lo que tiene sentido que toda la corriente que entra en la unión también deba salir.

La ley de bucle de Kirchhoff dice que la suma de los cambios de voltaje alrededor y en bucle cerrado en un circuito siempre debe ser cero. Esto significa que si suma el voltaje en cada elemento del circuito en todo el circuito, obtendrá cero.

Un problema de ejemplo

Veamos cómo usar las dos leyes de Kirchhoff para analizar un circuito complejo como el que está en su pantalla en este momento:

El primer paso es determinar cuántas ramas hay en el circuito y definir una variable de corriente para cada rama. Necesita encontrar solo una corriente en cada rama, porque cada punto en una rama tendrá exactamente la misma cantidad de corriente; pero diferentes ramas pueden tener diferentes corrientes.

En este circuito, puede ver que tenemos tres ramas, y hemos etiquetado las tres corrientes y definido su dirección. Ahora bien, ¿cómo supimos la dirección de la corriente en cada rama? ¡Nosotros no lo hicimos! La mayoría de las veces en un circuito complejo como este, no podrá saber en qué dirección fluirá la corriente en una rama del circuito con solo mirarla.

¡Esta bien! Solo necesita elegir una dirección y asegurarse de que todos sus cálculos sean consistentes con ella. Si eligió la dirección incorrecta, cuando calcule la corriente, será negativa. Esto le permitirá saber que la corriente va en la dirección opuesta a la que predijo.

Ahora puede usar la ley de la unión para escribir la primera ecuación que usaremos para analizar este circuito.

El siguiente paso es etiquetar todas las baterías y resistencias para que sepa la dirección del voltaje en cada una. Etiquete las baterías mirando qué lado es más largo en el diagrama del circuito. Por convención, el lado largo de una batería en un diagrama de circuito es el lado positivo y el lado corto es el lado negativo.

Etiquetamos las resistencias en función de la dirección en que la corriente las atraviesa. La corriente debe pasar a través de cada resistor de POSITIVO a NEGATIVO. El lado de la resistencia por el que pasa la corriente primero debe etiquetarse como positivo y el lado por el que sale debe etiquetarse como negativo.

Ahora, estamos listos para aplicar la ley del bucle. Antes de poder escribir ecuaciones, primero debe identificar los bucles. Una vez más, no importa en qué dirección dibuje los bucles, porque la ley de bucles de Kirchhoff nos dice que la suma de voltajes alrededor de cualquier bucle cerrado es cero.

En este problema, elijamos estos dos bucles y etiquetemos S1 y S2:

Empiece al principio de cada ciclo y sume todos los voltajes hasta que vuelva al punto de partida. Recuerde que el voltaje a través de una resistencia se puede encontrar usando la Ley de Ohm , que es V = IR.

Utilice los signos positivos y negativos con los que etiquetó las baterías y resistencias para determinar si necesita sumar o restar el voltaje en cada elemento del circuito.

Si su bucle va de negativo a positivo a medida que se mueve por el elemento del circuito, sumará el voltaje al total. Si va de positivo a negativo a medida que se mueve a través del elemento del circuito, RESTA el voltaje del total.

Para los dos bucles que se muestran arriba, debería obtener las siguientes dos ecuaciones de ley de bucle que está viendo en su pantalla ahora:

Ahora hemos usado las leyes de Kirchhoff para obtener tres ecuaciones, una de la ley de la unión y dos de la ley del bucle. Podemos resolverlos como un sistema simultáneo de ecuaciones para encontrar la corriente en cada rama. Deberías conseguir que las tres corrientes sean:

Resumen de la lección

Repasemos lo que hemos aprendido. Recuerde que la corriente es el flujo de electrones alrededor del circuito, mientras que el voltaje es la diferencia de potencial eléctrico entre dos puntos del circuito. Las leyes de Kirchhoff se utilizan para ayudarnos a comprender cómo funcionan la corriente y el voltaje dentro de un circuito. También se pueden usar para analizar circuitos complejos que no se pueden reducir a una resistencia equivalente usando lo que ya sabe sobre resistencias en serie y en paralelo.

Hay dos leyes principales que inventó Kirchhoff.

1. La ley de la unión de Kirchhoff dice que la suma de las corrientes que entran en una unión debe ser igual a la suma de las corrientes que salen de la unión.
2. La ley de bucle de Kirchhoff dice que la suma de los cambios de voltaje alrededor y en bucle cerrado en un circuito siempre debe ser cero.

Ahora debería poder comprender mejor los circuitos complejos de manera efectiva.

Rodrigo Ricardo Editor y fundador