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ACTIVIDAD 3.2 LEYES DE KIRCHOFF OBJETIVOS 1. medir en un applet de simulación el voltaje, la corriente y la potencia en los elementos de un circuito. 2. Verificar las dos leyes de Kirchhoff: la ley de corrientes y la ley de tensiones. MARCO TEÓRICO PROCEDIMIENTO 1. Realizamos una investigación documental de los siguientes temas: corriente eléctrica, densidad de la corriente eléctrica, resistencias, resistividad, conductividad, ley de ohm, resistencias en serie y paralelo, potencia eléctrica, ley de tensiones de kirchhoff, ley de corrientes de kirchhoff. Con tal información realizamos la introducción del reporte. INTRODUCCIÓN: Corriente eléctrica: De forma general, la corriente eléctrica es el flujo neto de carga eléctrica que circula de forma ordenada por un medio material conductor. Dicho medio material puede ser sólido, líquido o gaseoso y las cargas son transportadas por el movimiento de electrones o iones. Más concretamente: ● En los sólidos se mueven los electrones. ● En los líquidos los iones. ● Y en los gases, los iones o electrones. Aunque esto es así, el caso más general de corriente eléctrica es el que se produce por el movimiento de los electrones dentro de un conductor, así que suele reservarse este término para este caso en concreto. La corriente eléctrica es el flujo de electrones entre dos puntos de un conductor que se encuentran a distinto potencial eléctrico. Dependiendo de la temporalidad del sentido de la corriente eléctrica podemos distinguir dos tipos: ● Corriente contínua (C.C.). El flujo de electrones se produce siempre en el mismo sentido. ● Corriente alterna (C.A.). El sentido de circulación de los electrones cambia de forma periódica. A lo largo de este tema nos centraremos únicamente en la corriente continua. Generador de corriente: Densidad de la corriente eléctrica: https://www.fisicalab.com/apartado/intro-potencial-electrico-punto#diferencia-potencial La densidad de corriente eléctrica se define como una magnitud vectorial que tiene unidades de corriente eléctrica por unidad de superficie, es decir, intensidad por unidad de área. Matemáticamente, la corriente y la densidad de corriente se relacionan como: donde: j SI = ∫ s * d I es la corriente eléctrica en amperios A J es la densidad de corriente en A/m2 S es la superficie de estudio en m2 elación entre la corriente y la densidad de corriente. R Resistencia: La resistencia eléctrica es una de las magnitudes fundamentales que se utiliza para medir la electricidad y se define como: la oposición que se presenta al paso de la corriente. La unidad que se utiliza para medir la resistencia es el ohmio (Ω) y se se representa con la letra R. Existen diversos métodos para saber el valor de una resistencia. El primer método y el más fácil de utilizar es con un aparato de medición (óhmetro o multímetro). Para medir con estos instrumentos solo es cuestión de poner las puntas https://es.wikipedia.org/wiki/Corriente_el%C3%A9ctrica en cada una de las terminales y automáticamente te dará su valor. Todas las resistencias tienen impresas de 4 a 5 bandas de colores. Estas bandas son vitales, debido a que podemos utilizar un código de color y compáralas y saber su valor óhmico. Con el tercer método es más elaborado ya que tenemos que involucrar la ley de ohm. y utilizar las fórmulas correspondientes para saber el valor de la resistencia eléctrica. Ley de ohm: el voltaje aplicado en un circuito es proporcional a la intensidad de corriente e inversamente proporcional a la resistencia del conductor. Las resistencias se pueden clasificar en tres grupos: ● Lineales fijas: su valor no cambia y está predeterminado por el fabricante. ● Variables: su valor puede variar dentro de un rango predefinido. ● No lineales: su valor varía de forma no lineal dependiendo de distintas magnitudes físicas (temperatura, luminosidad, etc.). Resistividad: La resistividad, también conocida como resistencia específica de un material se mide en ohmios por metro (Ω•m). La resistividad describe el comportamiento de un material frente al paso de corriente eléctrica, por lo que da una idea de lo buen o mal conductor que es. Determinar el valor de resistividad de un material es algo común en investigación y manufactura. Existen varios métodos, pero la técnica dependerá del tipo de material, magnitud de la resistencia, forma, grosor, etcétera. Las dos técnicas más comunes son: https://www.ingmecafenix.com/electronica/ley-de-ohm/ ● Método colineal de cuatro puntos ● Método Van Der Paw Conductividad: La conductividad eléctrica (símbolo σ) es la medida de la capacidad de un material o sustancia para dejar pasar la corriente eléctrica a través de él. La conductividad depende de la estructura atómica y molecular del material. Los metales son buenos conductores porque tienen una estructura con muchos electrones con vínculos débiles, y esto permite su movimiento. La conductividad también depende de otros factores físicos del propio material, y de la temperatura. La conductividad es la inversa de la resistividad (símbolo ρ); por tanto, , y su unidad es el S/m (siemens por metro) o Ω−1·m−1. Usualmente, la/p σ = 1 magnitud de la conductividad es la proporcionalidad entre el campo eléctrico E y la densidad de corriente de conducción J: E J = σ Ley de Ohm: La ley de Ohm, postulada por el físico y matemático alemán Georg Simon Ohm, es una ley básica de los circuitos eléctricos. Establece que la diferencia de potencial V que aplicamos entre los extremos de un conductor determinado es directamente proporcional a la intensidad de la corriente I que circula por el citado conductor. Ohm completó la ley introduciendo la noción de resistencia eléctrica R; que es el factor de proporcionalidad que aparece en la relación entre V e I. La fórmula anterior se conoce como fórmula general de la ley V = R × I de Ohm, y en la misma, V corresponde a la diferencia de potencial, R a la https://es.wikipedia.org/wiki/Material https://es.wikipedia.org/wiki/Sustancia https://es.wikipedia.org/wiki/Corriente_el%C3%A9ctrica https://es.wikipedia.org/wiki/Metal https://es.wikipedia.org/wiki/Electr%C3%B3n https://es.wikipedia.org/wiki/Temperatura https://es.wikipedia.org/wiki/Resistividad https://es.wikipedia.org/wiki/Siemens_(unidad) https://es.wikipedia.org/wiki/Metro https://es.wikipedia.org/wiki/Magnitud_f%C3%ADsica https://es.wikipedia.org/wiki/Campo_el%C3%A9ctrico https://es.wikipedia.org/wiki/Georg_Simon_Ohm https://es.wikipedia.org/wiki/Georg_Simon_Ohm https://es.wikipedia.org/wiki/Circuito_el%C3%A9ctrico https://es.wikipedia.org/wiki/Diferencia_de_potencial https://es.wikipedia.org/wiki/Diferencia_de_potencial https://es.wikipedia.org/wiki/Corriente_el%C3%A9ctrica https://es.wikipedia.org/wiki/Resistencia_el%C3%A9ctrica resistencia e I a la intensidad de la corriente. Las unidades de esas tres magnitudes en el sistema internacional de unidades son, respectivamente, voltios (V), ohmios (Ω) y amperios (A). En física, el término ley de Ohm se usa para referirse a varias generalizaciones de la ley originalmente formulada por Ohm. En un diagrama se muestran las tres formas de relacionar las magnitudes físicas que intervienen en la ley de Ohm, V, R e I. ; ; V = R * I R = I V I = R V La elección de la fórmula a utilizar dependerá del contexto en el que se aplique. Por ejemplo, si se trata de la curva característica I-V de un dispositivo eléctrico como un calefactor, se escribiría como: I = V/R. Si se trata de calcular la tensión V en bornes de una resistencia R por la que circula una corriente I, la aplicación de la ley sería: V=R I. También es posible calcular la resistencia R que ofrece un conductor que tiene una tensión V entre sus bornes y por el que circula una corriente I, aplicando la fórmula R = V/ I. Una forma mnemotécnica más sencilla de recordar las relaciones entre las magnitudes que intervienen en la ley de Ohm es el llamado "triángulo de la ley de Ohm": para conocer el valor de una de estas magnitudes, se tapa la letra correspondiente en el triángulo y las dos letras que quedan indican su relación. https://es.wikipedia.org/wiki/Voltio https://es.wikipedia.org/wiki/Ohmio https://es.wikipedia.org/wiki/Amperio https://es.wikipedia.org/wiki/Diagrama Resistencias en serie o paralelo: En serie: Dos o más resistencias se dice que están en serie, cuando cada una de ellas se sitúa a continuación de la anterior a lo largo del hilo conductor. Cuando dos o más resistencias se encuentran en serie la intensidad de corriente que atraviesa a cada una de ellas es la misma. https://www.fisicalab.com/apartado/intensidad-de-corriente-electrica https://www.fisicalab.com/apartado/intensidad-de-corriente-electrica En paralelo: Cuando dos o más resistencias se encuentran en paralelo, comparten sus extremos tal y como se muestra en la siguiente figura: Mixta: Generalmente, en los circuitos eléctricos no sólo parecen resistencias en serie o paralelo, si no una combinación de ambas. Para analizarlas, es común calcular la resistencia equivalente y calcular la resistencia equivalente de cada asociación en serie y/o paralelo sucesivamente hasta que quede una única resistencia. Potencia eléctrica Es la proporción por unidad de tiempo, o ritmo, con la cual la energía eléctrica es transferida por un circuito eléctrico, es decir, la cantidad de energía eléctrica entregada o absorbida por un elemento en un momento determinado. La potencia se mide en joule por segundo (J/seg) y se representa con la letra “P”. Un J/seg equivale a 1 watt (W), por tanto, cuando se consume 1 joule de potencia en un segundo, estamos gastando o consumiendo 1 watt de energía eléctrica. La unidad de medida de la potencia eléctrica “P” es el “watt”, y se representa con la letra “W”. Cuando una corriente eléctrica fluye en cualquier circuito, puede transferir energía al hacer un trabajo mecánico o termodinámico. Los dispositivos convierten la energía eléctrica de muchas maneras útiles, como calor, luz (lámpara incandescente), movimiento (motor eléctrico), sonido (altavoz) o procesos químicos. La electricidad se puede producir mecánica o químicamente por la generación de energía eléctrica, o también por la transformación de la luz en las células fotoeléctricas. Por último, se puede almacenar químicamente en baterías. Ley de tensión de Kirchhoff Esta ley es llamada también segunda ley de Kirchhoff, se la conoce como la ley de las tensiones. De igual manera que con la corriente, las tensiones también pueden ser complejos, así: ∑ n K=1 V K = 0 Esta ley se basa en la conservación de un campo potencial de energía. Dado una diferencia de potencial, una carga que ha completado un lazo cerrado no gana o pierde energía al regresar al potencial inicial. Esta ley es cierta incluso cuando hay resistencia en el circuito. La validez de esta ley puede explicarse al considerar que una carga no regresa a su punto de partida, debido a la disipación de energía. Una carga simplemente terminará en el terminal negativo, en vez del positivo. Esto significa que toda la energía dada por la diferencia de potencial ha sido completamente consumida por la resistencia, la cual la transformará en calor. Teóricamente, y, dado que las tensiones tienen un signo, esto se traduce con un signo positivo al recorrer un circuito desde un mayor potencial a otro menor, y al revés: con un signo negativo al recorrer un circuito desde un menor potencial a otro mayor. En resumen, la ley de tensión de Kirchhoff no tiene nada que ver con la ganancia o pérdida de energía de los componentes electrónicos (Resistores, capacitores, etc.). Es una ley que está relacionada con el campo potencial generado por fuentes de tensión. En este campo potencial, sin importar qué componentes electrónicos estén presentes, la ganancia o pérdida de la energía dada por el campo potencial debe ser cero cuando una carga completa un lazo. Ley de corrientes de Kirchhoff Esta ley también es llamada ley de nodos o primera ley de Kirchhoff y es común que se use la sigla LCK para referirse a esta ley. La ley de corrientes de Kirchhoff nos dice 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 de todas las corrientes que pasan por el nodo es igual a cero. Esta fórmula es válida también para circuitos complejos: ∑ n K=1 Ĩ K = 0 La ley se basa en el principio de la conservación de la carga donde la carga en culombios es el producto de la corriente en amperios y el tiempo en segundos. Por definición, un nodo es un punto de una red eléctrica en el cual convergen tres o más conductores. Esta primera ley confirma el principio de la conservación de las cargas eléctricas. 2. Ingresamos a un explorador de internet a la direccion https://phet.colorado.edu/sims/html/circuit-construction-kit-dc/latest/circuit-con struction-kit-dc_es_MX.html 3. Simulamos el circuito que se representa en la figura 1 en el applet 4. Medimos el voltaje en las terminales de cada resistencia, la corriente eléctrica que influye y la potencia disipada por cada uno de los elementos del circuito. 5. Con los datos obtenidos en la simulación, llenamos la tabla 1 6. Investigamos el concepto de lazo, malla y nodo e incluirlo en el reporte de la actividad. Lazo: En los circuitos eléctricos, se conoce como lazo al camino cerrado que forman dos o más ramas. Tabla 1: Mediciones de elementales en DC Elemento del circuito Voltaje [V] Corriente [A] Potencia [W] R1 5.00 V 5.00 A 25 W R2 2.50 V 2.50 A 6.25 W R3 2.50 V 2.50 A 6.25 W R4 0.00 V 0.00 A 0 W R5 2.50 V 2.50 A 6.25 W R6 2.50 V 2.50 A 6.25 W https://phet.colorado.edu/sims/html/circuit-construction-kit-dc/latest/circuit-construction-kit-dc_es_MX.html https://phet.colorado.edu/sims/html/circuit-construction-kit-dc/latest/circuit-construction-kit-dc_es_MX.html Malla: El análisis de mallas (algunas veces llamado como método de corrientes de malla), es una técnica usada para determinar la tensión o la corriente de cualquier elemento de un circuito plano. Un circuito plano es aquel que se puede dibujar en un plano de forma que ninguna rama quede por debajo o por arriba de ninguna otra. Esta técnica está basada en la ley de tensiones de Kirchhoff. La ventaja de usar esta técnica es que crea un sistema de ecuaciones para resolver el circuito, minimizando en algunos casos el proceso para hallar una tensión o una corriente de un circuito. Nodo: Un nodo es todo punto dentro del circuito en el cual se divide (o se une) el camino de la corriente debido a la colocación de más de una conexión o conductor en dicho punto de modo que la corriente eléctrica dispone de más de un camino disponible. En ingeniería eléctrica y electrónica, un nodo es un punto donde dos o más componentes tienen una conexión común. Corresponde a una unión de alambres hechos de material conductor que poseen una resistencia eléctrica cercana a 0. 7. Contabilizamos el número de lazos, mallas y nodos que tiene el circuito de la figura número 1. https://es.wikipedia.org/wiki/Circuito https://es.wikipedia.org/wiki/Tensi%C3%B3n_(electricidad) https://es.wikipedia.org/wiki/Corriente_el%C3%A9ctrica https://es.wikipedia.org/wiki/Circuito https://es.wikipedia.org/wiki/Leyes_de_Kirchhoff_de_circuitos_el%C3%A9ctricos#Ley_de_mallas_o_ley_de_tensiones_de_Kirchhoffhttps://es.wikipedia.org/wiki/Resistencia_el%C3%A9ctrica Hay 3 mallas Hay 4 nodos Hay 7 ramas 8. . Verificamos que se cumple la ley de tensiones de kirchhoff en cada una de las tres mallas y llenamos la tabla número 2 En la siguiente figura podemos observar en dónde están ubicadas las mallas. Tabla 2: Ley de tensión de Kirchhoff Malla 1 -10+1i+1iշ+1i5=0 Malla 2 Elemento del circuito Malla 1 Malla 2 Malla 3 Resistencia 1 5.00 V --------------------- ------------------------- Resistencia 2 ------------------------ 2.5 V ----------------------- Resistencia 3 --------------------- ------------------------- 2.5 V Resistencia 4 --------------------- 0 V 0 V Resistencia 5 2.5 V -2.5 V ----------------------- Resistencia 6 2.5 V -------------------------- -2.5 V Batería -10 V ------------------------- -------------------------- Suma de los voltajes en cada malla 0 0 0 1i2+2i4-1i3=0 Malla 3 1i2-1i5-2i4=0 Para la malla 1 tenemos: -10+i1+(i1-i2)+i2=0 Para la malla 2 tenemos: i2+2(2i2-i1)-(i1-i2)=0 Para la malla 3 tenemos: i1-i2-i2-2(2i2-i1)=0 Por lo tanto: 2i1=10 i=10/2 i=5 A -3i1+6i2=0 i2=3i1/6 i2=2.5 3i2-6i2=0 Haciendo la sustitución: i3= i1-i2 = 5-2.5= 2.5 A i4= 2i2-i1 = 5-5= 0 i5=i2= 2.5 A Por lo tanto verificamos que nuestros valores coinciden. 9. Verificamos que se cumple la ley de corrientes de kirchhoff en cada uno de los nodos. Llenamos la tabla 3. La ley de corriente de Kirchhof nos dice que: En cualquier nodo, la suma de las corrientes que entran en ese nodo es igual a la suma de las corrientes que salen. Esto lo podemos verificar de la siguiente manera: ● Enumeramos a los nodos que hay en nuestro circuito, que en total son 4. ● Analizamos el flujo de corriente que se da en cada nodo. La corriente i1 entra en el nodo 1 Las corrientes i2 e i3 salen del nodo 1 La corriente i2 entra en el nodo 2 Las corrientes i4 e i5 salen del nodo 2 La corriente i3 e i5 entra en el nodo 3 Las corrientes i4 e i6 entran en el nodo 4 ● Realizamos una suma de las corrientes para cada nodo Nodo 1 Nodo 2 Nodo 3 ● Como pudimos notar, si se cumple la ley de Kirchhoff, ya que la suma que nos dio en cada corriente, fue de 0. Tabla 3: Ley de corrientes de Kirchhoff 10. Determinamos la potencia que provee la fuente de DC V1. Elemento del circuito Nodo 1 Nodo 2 Nodo 3 Nodo 4 Suma de las corrientes que entran 5.00 A 2.50 A 2.50 A 5.00 A Suma de las corrientes que salen -5.00 A -2.50 A -2.50 -5.00 A Suma total de las corrientes 0 0 0 0 ● La fórmula que se ocupara para calcular la potencia será P = V · I ● Donde * P= Potencia * V= Voltaje * I= Corriente ● Sustituimos los valores en la fórmula para poder sacar la potencia *Datos: - P=¿? - V= 10.00 V - I= 5.00A ● Fórmula: - P= V • I ● Sustitución - P = 10.00V • 5.00A - P = 50W RESULTADO 11. Llenamos la tabla 4 con los datos obtenidos en la simulación Tabla 4: Potencia 12. Contestamos el cuestionario y elaboramos el reporte de la actividad Cuestionario ❖ ¿Cuál es el tipo de conexión entre las resistencias R1 y R2? ¿Serie o paralelo? Serie ❖ ¿Cuál es el tipo de conexión entre las resistencias R3 y R4? ¿Serie o paralelo? Paralelo Elemento del circuito Potencia [w] R1 25 W R2 6.25 W R3 6.25 W R4 0 W R5 6.25 W R6 6.25 W Total, de la potencia disipada 50 W ❖ ¿Cuál es el tipo de conexión entre las resistencias R5 y R6? ¿Serie o paralelo? Serie ❖ ¿Cuál es el tipo de conexión entre las resistencias R2, R3 y R4? Mixta ❖ ¿Qué sucede con la lectura del voltaje si se intercambian los conectores del voltímetro que mide voltaje en las terminales de R1? El valor sigue siendo el mismo pero su signo cambia ❖ ¿Qué sucede con la lectura de la corriente que se intercambian los conectores del amperímetro que mide corriente en las terminales de R1? El valor sigue siendo el mismo y también su signo ❖ ¿La resistencia de la Fuente de corriente directa es igual a la suma total de la potencia disipada? Si ya que nos da un total de 50W en ambos casos (Tabla 1 y tabla 4) 13. Si usamos un software debemos subir los archivos de la simulación. Si usamos un simulador en línea debemos compartir el acceso al circuito y enviaremos el enlace para visualizar. EVIDENCIA DEL SIMULADOR Análisis Como notamos en las mediciones elementales en DC (tabla 1) los elementos del circuito nos ayudaron a determinar el Voltaje (V), la corriente eléctrica (A) y potencia (W) de las terminales de cada resistencia (esto lo resolvimos con la fórmula P= V • I, en donde sustituimos cada valor) estos resultados fueron obtenidos por medio de la simulación en la applet. Para continuar con el trabajo, tuvimos que investigar que es la lazos, malla y nodo, lo cual fue un apoyo para poder comprender los siguientes pasos que nos pedían. Pudimos también verificar cómo se cumple la ley de tensiones de Kirchhoff y también la ley de corriente de Kirchhoff. Cuando determinamos la potencia que provee la fuente de DC V1, donde se usó la Apple para sacar los valores de voltaje e intensidad, teniendo estos datos se calculó la Potencia de DC V1 (P= V • I). Para finalizar volvimos a utilizar el applet para sacar cada una de las potencias de los elementos del circuito y así finalizamos con la suma total de la Potencia disipada. Conclusión: En este trabajo usamos los conocimientos adquiridos previamente; en la realización de cada uno de los problemas a seguir. Utilizamos los conceptos (Integrales, Física, Mecánica, etc) para llegar a los resultados correctos. Hubo varias complicaciones durante la realización del reporte y se superaron con la ayuda visual de problemas similares al requerido. Este trabajo nos ayudará en un futuro profesional, cuando nos pongan a realizar un reporte en alguna empresa, también los conocimientos adquiridos nos ayudarán durante nuestra carrera, así como en el impacto en la sociedad tomando en cuenta cada una de las necesidades de las personas, por ejemplo para poder conectarse a una línea telefónica o comprobación de circuitos de electrónica del automóviles; se utiliza para detectar el daño a los aparatos que estén conectados a la electricidad y no creen consecuencias para el ambiente y hacia uno mismo. FUENTES12345678 1 "Corriente Eléctrica - Fisicalab." https://www.fisicalab.com/apartado/movimiento-de-cargas. Fecha de acceso 25 nov.. 2020. 2 "Densidad de corriente - Wikipedia, la enciclopedia libre." https://es.wikipedia.org/wiki/Densidad_de_corriente. Fecha de acceso 25 nov.. 2020. 3 "La resistencia eléctrica ¿que es y para que sirve? - Ingeniería ...." 7 jun.. 2020, https://www.ingmecafenix.com/electronica/resistencia-electrica/. Fecha de acceso 25 nov.. 2020. 4 "Resistividad - AcMax de Mexico." 9 ago.. 2020, https://acmax.mx/resistividad. Fecha de acceso 25 nov.. 2020. 5 "Conductividad eléctrica - Wikipedia, la enciclopedia libre." https://es.wikipedia.org/wiki/Conductividad_el%C3%A9ctrica. Fecha de acceso 25 nov.. 2020. 6 "Ley de Ohm - Wikipedia, la enciclopedia libre." https://es.wikipedia.org/wiki/Ley_de_Ohm. Fecha de acceso 25 nov.. 2020. 7 "Resistencias en serie, paralelo y mixtas - Fisicalab." https://www.fisicalab.com/apartado/asociacion-de-resistencias. Fecha de acceso 25 nov.. 2020. 8 "Nodos, lazos, ramas y corto ... - Análisis de circuitos eléctricos." 26 mar.. 2016, https://aliencircuits.blogspot.com/2016/03/nodos-lazos-ramas-y-corto-circuitos.html. Fecha de acceso 25 nov.. 2020. https://www.fisicalab.com/apartado/movimiento-de-cargas https://es.wikipedia.org/wiki/Densidad_de_corrientehttps://www.ingmecafenix.com/electronica/resistencia-electrica/ https://acmax.mx/resistividad https://es.wikipedia.org/wiki/Conductividad_el%C3%A9ctrica https://es.wikipedia.org/wiki/Ley_de_Ohm https://www.fisicalab.com/apartado/asociacion-de-resistencias https://aliencircuits.blogspot.com/2016/03/nodos-lazos-ramas-y-corto-circuitos.html
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