ESTUDIO DEL COMPORTAMIENTO DE CORRIENTE Y VOLTAJE EN CIRCUITOS MIXTOS, APLICACIONES DE LA LEY DE KIRCHHOFF

L8. ESTUDIO DEL COMPORTAMIENTO DE CORRIENTE Y VOLTAJE EN CIRCUITOS MIXTOS, APLICACIONES DE LA LEY DE KIRCHHOFF^[1]

Brajhan Javier Rivera González – Ingeniería de Sistemas

“Nadie que es curioso es tonto. Las personas que no hacen preguntas permanecen ignorantes el resto de sus vidas. “

 Neil DeGrasse Tyson

RESUMEN

Las leyes y enunciados de Kirchoff se explican según el teorema de conservación de energía. Son las dos leyes más utilizadas en electrónica y la base del análisis de circuitos y la ingeniería eléctrica, permiten conocer el valor de corrientes y tensiones de una red de mallas y nodos de manera conceptualmente muy simple. Básicamente permiten resolver circuitos utilizando las ecuaciones a la que estos están ligados. Se realizó una práctica en el laboratorio realizando el montaje de un circuito en serie y otro en paralelo por el cual circula una corriente. En uno de los montajes se aplicaron dos voltajes diferentes que fueron medidos con un voltímetro; los procesos fueron repetidos varias veces para distintos valores y los datos fueron registrados y tabulados con el fin de realizarles un análisis que permita obtener resultados que comprueben los planteamientos propuestos por Kirchhoff.

INTRODUCCIÓN

Las leyes de Kirchhoff se deben a Gustav Kirchhoff, quien fue un reconocido físico nacido el 12 de marzo de 1824 en la ciudad de Königsberg (Prusia). Sus aportes se explican de forma clara bajo el teorema de la conservación de la energía y sus planteamientos son los más utilizados hasta el día de hoy en la electrónica, pues son la base del análisis de circuitos y de la energía eléctrica; ya que permite conocer el valor de la corriente y el voltaje en una red de mallas y nodos de manera sencilla.

La primera ley se conoce como la Ley de Corrientes de Kirchhoff indicada por las siglas populares LCK. Gracias a esta ley se entiende cual es el comportamiento de la corriente en un nodo de cualquier circuito eléctrico, indica que un nodo es donde dos o más componentes tengan una conexión en común y que la corriente entrante a un nodo será igual a la suma de las corrientes salientes, pues debido a que la energía se conserva toda lo corriente que es inyectada en un punto, debe salir por las ramas que lo conectan. De este modo si a un nodo se le aplica una corriente total IT y allí concurren dos caminos, la corriente se dividirá en I1 e I2, siendo su sumatoria igual al valor de IT.

La segunda ley es conocida como la Ley de voltaje de Kirchhoff, Ley de Tensiones de Kirchhoff o Ley de Mallas de Kirchhoff. Sus siglas son LVK, y describe el comportamiento exacto del voltaje en una malla de un circuito eléctrico. Dice que la suma de los voltajes alrededor de una trayectoria o circuito cerrado debe ser igual a cero, lo cual también es explicado a partir de la conservación de la energía. Para entender mejor esto es necesario saber que la corriente siempre circula de terminales positivos o de mayor voltaje a terminales negativos o de menor voltaje y así establecer un sistema de referencia de que permita plantear un sistema de ecuaciones que cumplan con el planteamiento.

La tercera ley es una combinación de las dos Leyes de Kirchhoff anteriores con la Ley de Ohm. Gracias a esta ley se puede entender todos los parámetros y comportamientos del voltaje junto con la corriente que fluye libremente por un circuito. Esta ley explica que la suma algebraica total de corrientes que atraviesan un nodo de una malla, es igual a la corriente que entrega la fuente de alimentación de esa malla.

A continuación, se muestran los procesos realizados y los resultados obtenidos en una práctica de laboratorio con el fin de analizar los planteamientos de Kirchhoff y como lo teórico se puede ver reflejado en lo físico.

OBJETIVO GENERAL

• Comprobar las leyes propuestas por Kirchoff para los circuitos eléctricos.
• Verificar el comportamiento de la corriente en los nodos de un circuito.
• Entender cómo funcionan los diferentes tipos de circuitos existentes.
• Comparar los planteamientos teóricos con lo que sucede experimentalmente.
• Encontrar las posibles fuentes de error.

MARCO TEORICO

• LEYES DE KIRCHOOF

Las leyes de Kirchhoff junto con la ley de ohm son las tres leyes básicas para el análisis de circuitos en electricidad y electrónica, con ellas se puede entender el comportamiento de los tres parámetros más utilizados en estas áreas que son la resistencia, el voltaje y la corriente.

Para el caso de las leyes de Kirchhoff estas fueron dos leyes planteadas por el físico Gustav Kirchhoff en las cuales describe el comportamiento del voltaje y la corriente en los circuitos eléctricos.

La ley de corrientes de Kirchhoff o también llamada primera ley de Kirchhoff y denotada por la sigla “LCK” describe cómo se comportan las corrientes presentes en un nodo de un circuito eléctrico, esta ley plantea que: “En cualquier nodo, la suma de las corrientes que entran en ese nodo es igual a la suma de las corrientes que salen. De forma equivalente, la suma algebraica de todas las corrientes que pasan por el nodo es igual a cero.”

[pic 2]

Ilustración 1 primera ley de Kirchhoff

En el nodo anterior están presentes cuatro corrientes, de las cuales solamente una de ellas ingresa al nodo (I1), las otras tres (I2, I3, I4) salen del nodo, por lo tanto, siguiendo el planteamiento de la ley de corrientes de Kirchhoff que dice que la suma de las corrientes que salen debe ser igual a la suma de las corrientes que entran al nodo, se tendría lo siguiente:

[pic 3]

La ley de voltajes de Kirchhoff o también llamada segunda ley de Kirchhoff y denotada por su sigla “LVK” describe cómo se comporta el voltaje en un lazo cerrado o malla, por lo tanto, con esta ley es posible determinar las caídas de voltaje de cada elemento que compone a la malla que se esté analizando. Esta ley plantea que: “En un lazo cerrado, la suma de todas las caídas de tensión es igual a la tensión total administrada. De forma equivalente, la suma algebraica de las diferencias de potencial eléctrico en un lazo es igual a cero.”

[pic 4]

Ilustración 2 Segunda ley de Kirchhoff

La fuente de voltaje (Vf) va a estar suministrando una tensión de 12V y en cada una de las resistencias (R1, R2, R3 y R4) se va a presentar una caída de tensión que va a ser el valor de voltaje de esas resistencias y la suma de dichas caídas de tensión debe ser igual al valor entregado por la fuente:

[pic 5]

• CIRCUITO EN SERIE

Circuito donde solo existe un camino para la corriente, desde la fuente suministradora de energía a través de todos los elementos del circuito, hasta regresar nuevamente a la fuente. Esto indica que la misma corriente fluye a través de todos los elementos del circuito, o que en cualquier punto del circuito la corriente es igual.

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