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La corriente fluye por un circuito eléctrico siguiendo varias leyes definidas, en el caso de los circuitos sencillos (de una sola fuente de voltaje y que se pueden reducir a una sola resistencia) se usa la ley de Ohm, pero cuando se tiene un circuito más complicado se aplican las leyes de Kirchhoff, las cuales comprenden la conservación de la carga y la de energía.
Según la ley de conservación de la energía, en un sistema cerrado (como lo es un circuito) la suma de las energías cinética, potencial y térmica es constante y la ley de la conservación de la carga establece que la carga neta de un sistema aislado permanece constante.
Para la primera ley de Kirchhoff se hizo una consideración de estos principios de la conservación y para la segunda se hace una ampliación de la ley de Ohm. Para que estas leyes sean aplicables es necesario tener en cuenta el sentido que se tomara como referencia (ie. la convención de signos).
Leyes de Kirchhoff
Muchas redes de resistores prácticos no se pueden reducir a combinaciones sencillas de serie y paralelo.
No necesitamos ningún principio nuevo para calcular las corrientes en esas redes, pero hay algunas técnicas que ayudan a tratar estos problemas de manera sistemática como las desarrolladas por el físico alemán Gustav Kirchhoff.
Un nodo en un circuito es un punto en el que se encuentran tres o más conductores a los nodos también se les conoce como uniones o puntos de rama. Una malla es cualquier trayectoria cerrada.
Las leyes de Kirchhoff son:
Regla de los nodos: La suma algebraica de las corrientes que entran en un nodo debe ser igual a la suma de las corrientes que salen de esta. (conservación de la carga) Como no se puede acumular carga en un nodo la suma algebraica de las corrientes que entran en un nodo debe ser cero (tomando positivas las que entran y negativas a las que salen)
Regla de las mallas: La suma algebraica de las diferencias de potencial en cualquier trayectoria cerrada, incluyendo las asociadas con fuentes de fem. y elementos de resistencia, debe ser cero. (conservación de la energía). Esta regla afirma que la fuerza electrostática es conservativa.
Combinación de resistencias en serie y en paralelo.
Podemos deducir ecuaciones generales para la resistencia equivalente de una combinación de resistores en serie y en paralelo. Si los resistores están en serie, la corriente debe ser igual en todos ellos, por lo tanto; Req = R1 + R2 +R3...
La resistencia equivalente de cualquier número de resistores en serie es igual a la suma de cada una de sus resistencias individuales, la resistencia equivalente debe ser mayor que cualquiera de las resistencias individuales.
Si los resistores se encuentran en paralelo, la corriente en cada resistor no necesariamente es igual, pero la diferencia de potencial entre los terminales de cada resistor debe ser la misma, por lo tanto; 1 = 1 + 1 + 1...
Para cualquier número de resistores en paralelo, el recíproco de la resistencia equivalente es igual a la suma de los recíprocos de las resistencias individuales. La resistencia equivalente es siempre menor que las resistencias individuales.
Potencia eléctrica
La razón temporal de transferencia de energía se conoce como potencia.
Al dividir dw = VabIdt entre dt
Obtenemos la razón a la cual el resto del circuito entrega energía eléctrica a este elemento.
dw = P = VabI
dt
Puede ser que el potencial en b sea mayor que en el punto a, entonces Vab es negativo y existe una transferencia neta de energía hacia fuera del elemento del circuito. El elemento actúa entonces como fuente y entrega energía eléctrica al circuito al cual esta conectado.
La ecuación anterior puede representar ya sea la razón con la cual la energía se incorpora a un elemento del circuito o bien la razón con la cual la energía es extraída de ese elemento.
La unidad de Vab es voltio o Joule por coulomb y la unidad de I es ampere o coulomb por segundo; entonces la unidad de potencia es Joule por segundo o tambien se le llama Watt.
Diferencia entre voltio y watio
Voltio [V]: El voltio es la diferencia de potencial eléctrico entre 2 puntos de un alambre conductor por el que circula una corriente constante de 1 ampere, cuando la potencia disipada en esos puntos es de un watt.
Watio [w]: Se define como el trabajo realizado cuando una cantidad de electricidad de 1 coulomb se mueve a lo largo de una diferencia de potencial de 1 coulomb en 1 segundo.
Cómo debe ser la resistencia interna de un amperimetro y de un voltímetro y porqué?
Amperímetro: Un amperímetro ideal tendría resistencia cero, ya que es un instrumento para medir la corriente de un circuito y es necesario que sea conectado en serie, idealmente para el trabajo se requiere que la resistencia con que trabaje el amperímetro sea pequeña en comparación con el resto de resistencias en el circuito.
Voltímetro: Un voltímetro ideal debería tener una resistencia infinita, de esta forma al ser conectado en paralelo ninguna corriente circularía a través de este, por esta razón en la práctica se debe usar un voltímetro cuya resistencia interna comparada con las resistencias del circuito es mucho mayor, si esto no es cierto se debe hacer una corrección respecto a la resistencia conocida del voltímetro.
Al resolver el numeral anterior fue necesario asignar sentidos a las corrientes, como puede en la practica, verificar si dicho sentido es correcto.
Es necesario verificar el sentido usando el amperímetro (para cada par de puntos), si la corriente nos da negativa quiere decir que la dirección y por ende los signos que tomamos eran en el otro sentido, y el caso positivo confirma la configuración usada.
Hipótesis:
Si en la medición de la resistencia de un material aplicamos en vez de corriente continua corriente alterna, la relación entre el voltaje, la corriente y la resistencia ya no seria la dada por las leyes de Kirchhoff.
Si usáramos distintos tipos de materiales encontraríamos que las leyes de Kirchhoff al igual que la ley de Ohm no se aplican para todo tipo de material.
Si la medición de las leyes de Kirchhoff se hiciera en las inmediaciones de un fuerte campo magnético se afectaría la medición y no cumpliría con dichas leyes.
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