Las 2 leyes de Kirchhoff y los circuitos serie. En 1845, con tan sólo 21 años, y mientras aún era estudiante, Gustav Kirchhoff formuló las leyes que llevan su nombre. Actualmente se utilizan mucho en el análisis de las instalaciones eléctricas, para obtener los valores de la corriente y el voltaje en cualquier punto de un circuito eléctrico. ¿Qué es lo que nos dicen estas leyes?
Las 2 leyes de Kirchhoff y el circuito eléctrico
Un circuito eléctrico es la trayectoria cerrada que recorre una corriente eléctrica. Este recorrido se inicia en una de las terminales de la fuente de energía. Por ejemplo, una pila. Pasa a través de un conducto eléctrico, que por lo general es un cable de cobre. Llega a una resistencia (que podría ser un foco), que consume parte de la energía eléctrica. Continúa después por el conducto, y regresa a la otra terminal de la fuente.
Cuando un circuito está formado tal como lo vemos en la imagen, es decir, con una sola fuente, un solo conductor, y sobre todo una sola resistencia, recibe el nombre de “circuito básico”.
Pero la mayoría de los circuitos eléctricos que utilizamos en la vida diaria suelen tener más de una resistencia. Dependiendo de la forma en que estas resistencias estén interconectadas, el circuito tendrá un comportamiento particular. Sin embargo, cualquiera que sea su configuración, todos los circuitos respetan las leyes de Kirchhoff. Veamos qué es lo que dicen estas leyes.
Primera Ley de Kirchhoff
La primera ley de Kirchhoff, también es conocida como “ley de la conservación de la corriente” o “ley de los nodos”, establece que en cualquier circuito eléctrico la suma de las corrientes que llegan a un nodo es igual a la suma de las corrientes que salen de él.
Dicho de otra manera, la cantidad de electrones libres que llegan a un punto de un circuito, es igual a la cantidad de electrones libres que salen de él.
Por ejemplo, en una clavija, la corriente entra a la carga por un conductor llamado “cable de fase”. La corriente hace funcionar la carga o el equipo, y sale por el conductor que se llama “neutro”. Es decir, la corriente que entra a un punto, es la misma que sale de él.
Esta analogía te puede ayudar a entender: En un molino, la corriente de agua lo hace funcionar, y el agua sigue su camino. La corriente se conserva.
En un contacto con dos equipos conectados, la corriente que viene por el cable de fase, llega al nodo y se divide en dos caminos. La corriente eléctrica entra por los cables de fase de los equipos, y luego regresa por los cables neutros de cada uno de ellos, hasta llegar al neutro del nodo. Entonces se dice que “la corriente que sale de un punto es la suma de las corrientes que regresan al él”. Ya sea en un contacto o en una carga.
Segunda Ley de Kirchhoff
La segunda ley de Kirchhoff es la “ley de la conservación de las tensiones”, conocida también como “ley de los lazos” o “ley de las mallas”. En un circuito cerrado, la suma de las tensiones de las cargas es igual a la tensión de la fuente.
Esto significa que el valor total del voltaje de la fuente se reparte entre todas las resistencias conectadas. Como los valores del voltaje en cada resistencia siempre serán menores al voltaje total, se les conoce como “caídas de voltaje”. Y la suma de todas las caídas de voltaje siempre será igual al voltaje total de la fuente.
Ver también: 2 tipos de circuitos eléctricos
Por ejemplo, en un circuito como el de la imagen, la tensión de la fuente se reparte entre la plancha y el foco, de manera que suman el voltaje de la fuente. Entonces, si la tensión se reparte en los equipos, estos ya no funcionarán adecuadamente, de acuerdo a la segunda ley de Kirchhoff.
Las 2 leyes de Kirchhoff y los circuitos serie
Este ejemplo da pie a lo que es un circuito en serie. Se llama circuito en serie a aquel en dónde la corriente que circula y pasa por todas las cargas es la misma. En este tipo de circuito los elementos están unidos uno tras otro por un sólo conductor. Esa es la característica principal de un circuito en serie. La corriente sólo tiene un camino por el cual circular, cumpliendo así la primera ley. Así mismo, la suma de las tensiones en cada resistencia es igual a la tensión de la fuente, dando cumplimiento a la segunda ley.
Los circuitos en serie se caracterizan porque:
- Los componentes están conectados de modo que las cargas eléctricas circulan por un solo trayecto.
- La corriente eléctrica es la misma en cada componente.
- Si conectamos varios focos en serie, estamos aumentando la resistencia, por lo que, como resultado, disminuye la corriente eléctrica y la intensidad de luz en cada foco baja notoriamente.
- La suma de cada una de las tensiones presentes en las resistencias del circuito es igual al valor de tensión de la fuente de energía.
- Una desventaja es que, si se corta el paso de corriente en cualquier punto del circuito, cesa la conducción, lo que provocaría que todos los focos se apaguen.
Ejemplo de análisis de un circuito en serie
Supongamos que tenemos un circuito en serie con una fuente de 120 V y 3 resistencias: una de 10 Ω y 2 de 5 Ω. Hay que establecer la corriente y la tensión en cada resistencia. Para ello, debemos convertir este circuito en uno equivalente que represente el comportamiento de todo el circuito. Es decir, se determina la resistencia equivalente a la sumatoria de las resistencias. En este caso son: 10 Ω + 5 Ω + 5 Ω = 20 Ω. Lo que represente a la resistencia del circuito equivalente. Con esto podemos determinar la corriente que circula por el circuito, utilizando la Ley de Ohm, que nos dice que la corriente es igual al valor de la tensión dividido entre la resistencia: 120 V / 20 Ω = 6 A. Quiere decir que por cada una de las resistencias circula 6 A.
Ahora la tensión ¿Cómo se comporta? Se reparten esos 120 V. Partiendo de la Ley de Ohm, el valor de la tensión se obtiene al multiplicar el valor de la resistencia por el valor de la corriente. La tensión en la resistencia 1 es 10 Ω. Multiplicada por la corriente de 6 A da como resultado 60 V. Tensión en la resistencia 2: 5 V x 6 A = 30 V. En la resistencia 3, 5 V x 6 A = 30 V.
Según la segunda ley de Kirchhoff, la suma de las tensiones en las cargas es la tensión de la fuente. Es decir, si sumamos estos valores debe dar el valor de la fuente. Así comprobamos que nuestro cálculo es correcto.
Conclusiones
Así como la ley de Ohm nos sirve para analizar el comportamiento de los circuitos básicos, las leyes de Kirchhoff constituyen la base para el análisis de los circuitos eléctricos más complejos. Sus conceptos básicos tienen un alcance tan amplio, que pueden aplicarse a cualquier circuito, desde el circuito más sencillo, hasta la red más compleja.
Uno de los usos más comunes de los circuitos en serie es en las luces navideñas. De hecho, si se quema o saca un bombillo de la línea, no habrá corriente eléctrica a través del circuito. Se apagará esa línea ya que la serie se ha interrumpido y el camino se ha roto.
¿Qué te ha parecido la relación entre las 2 leyes de Kirchhoff y los circuitos serie?
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