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Facultad de Ingeniería y Ciencias Básicas Departamento de Ciencias Básicas 01/06/2024 1 Leyes de Kirchhoff Vásquez Martínez Jhonathan David ”1”- Jdvasquezm@libertadores.edu.co Salazar Chiguasuque Mateo ”1”- msalazarc@libertadores.edu.co Gómez Cruz Ronald Sebastián ”2”- Rsgomezc01@libertadores.edu.co Luna Malaver María Paula ”3”- mplunam01@libertadores.edu.co -TECNOLOGIA MECANICA AUTOMOTRIZ”1”-INGENERIA DE SISTEMAS ”2”-INGENERIA INDUSTRIAL”3” Grupo: 106 Profesor: Jorge Andrés Beltrán Serna -RESUMEN-El laboratorio consistió en un circuito eléctrico en donde se aplicó las leyes de Kirchhoff de voltaje y corriente las cuales dicen que las corrientes que entran a un nodo que es igual a la suma de las corrientes que salen, también se usó la ley de las mallas que dice que la suma de voltajes en una malla o rama cerrada es igual a cero. Se hallaron los valores teóricos de corriente y voltaje en cada resistor, mediante un sistema de ecuaciones que se formaron al realizar la ley de las mallas. Se obtuvo los valores experimentales y los de un simulador de voltaje y corriente de los resistores al medir con multímetros cada uno de ellos. [1] [2] [3] Palabras Clave: Leyes de Kirchhoff, Circuitos, Nodo, Malla, Resistencia, Multímetro, Protoboard, Voltaje, Corriente eléctrica. 1. INTRODUCCION Las leyes de Kirchhoff son principios básicos en el análisis de circuitos eléctricos. Formuladas por Gustav Kirchhoff en 1845, las leyes se basan en la conservación de la carga y la energía y proporcionan herramientas importantes para comprender y analizar el comportamiento de la corriente y el voltaje en circuitos complejos. [1] [2] [3] 2. OBJETIVO 2.1 Objetivo General: Realizar mediciones de corriente y voltajes en un circuito con tres fuentes de poder y comparar los valores obtenidos experimentalmente, con los obtenidos del cálculo aplicando las leyes de Kirchhoff. 2.2 Objetivos específicos: • Afianzar experimentalmente las leyes de la conservación de la energía eléctrica y conservación de carga. mailto:Jdvasquezm@libertadores.edu.co mailto:Rsgomezc01@libertadores.edu.co mailto:mplunam01@libertadores.edu.co Facultad de Ingeniería y Ciencias Básicas Departamento de Ciencias Básicas 01/06/2024 2 • Verificar las leyes de Kirchhoff: Ley de mallas y ley de nodos. • Familiarizarse con el uso del multímetro en modo de voltímetro y de amperímetro. 3 MATERIALES • Fuente DC. • Multímetro. 3.1. Materiales adicionales • Conectores banana-caimán. • Protoboard. • Resistencias entre 10 KΩ y 100 KΩ. • Cables de conexión para protoboard. • Interruptor. • Bombillo. • Diodo (opcional). 4 MARCO TEORICO 4.1 Circuitos de corriente directa. Un circuito de corriente directa o continua es un circuito donde la corriente fluye en una sola dirección y una magnitud constante a lo largo del tiempo. A diferencia de os circuitos de Corriente alterna donde la dirección y magnitud de la corriente cambian periódicamente, en los circuitos de la corriente se mantiene estable. [1] [2] [3] Donde se encuentran estos circuitos: En una gama de aplicaciones, desde dispositivos electrónicos simples como: • Led • Juguetes • Sistemas complejos • Computadoras • Redes eléctricas Los componentes básicos de un circuito de CC son: • Electrónica de consumo: computadoras, teléfonos inteligentes, televisores y otros dispositivos electrónicos utilizan circuitos de CC para funcionar. • Vehículos eléctricos: los vehículos eléctricos funcionan con baterías, que son una fuente de CC. • Paneles solares: los paneles solares generan electricidad de CC, que luego se puede convertir en CA para su uso en la red eléctrica. [2] [1] • Sistemas de energía de respaldo: los sistemas de energía de respaldo, como los generadores solares y de viento, a menudo generan electricidad de CC, que luego se almacena en baterías. [1] Fig 1(corriente alterna y directa) 4.2 Ley de Ohm Facultad de Ingeniería y Ciencias Básicas Departamento de Ciencias Básicas 01/06/2024 3 La Ley de Ohm es una de las leyes fundamentales de la electricidad que describe la relación entre el voltaje, la corriente y la resistencia en un circuito eléctrico. Fue formulada por el físico alemán Georg Simón Ohm en 1827 y se expresa matemáticamente como: V = I * R Donde: • V es el voltaje en voltios (V) • I es la corriente en amperios (A) • R es la resistencia en ohmios (Ω) Con la ley se puede determinar: • Validar la ley experimentalmente: El objetivo principal de un experimento que involucra la Ley de Ohm es verificar su aplicabilidad práctica. Esto se logra midiendo el voltaje, la corriente y la resistencia en un circuito y comparando los valores experimentales con los valores teóricos obtenidos de la ecuación V = I * R. [1] • Analizar el comportamiento de los circuitos: La Ley de Ohm permite analizar el comportamiento de diferentes tipos de circuitos eléctricos. Por ejemplo, se puede usar para calcular la corriente que fluye a través de una resistencia específica en un circuito, o para determinar la caída de voltaje en diferentes partes del circuito. [1] • Determinar la resistencia de un material: La Ley de Ohm se puede utilizar para calcular la resistencia de un material conductor. Esto se logra midiendo el voltaje y la corriente en un circuito que contiene el material conductor y luego aplicando la ecuación V = I * R [1] Fig 2(despeje de ecuaciones) 4.3 Leyes de Kirchhoff (Método de mallas y de nodos) • ¿Qué es la ley de Kirchhoff? 1. Las leyes de Kirchhoff, también conocidas como leyes de los circuitos, son dos principios fundamentales que describen el comportamiento de la corriente y el voltaje en circuitos eléctricos cerrados. Estas leyes fueron formuladas por el físico alemán Gustav Kirchhoff en 1845 y son ampliamente utilizadas en el análisis y diseño de circuitos eléctricos. Facultad de Ingeniería y Ciencias Básicas Departamento de Ciencias Básicas 01/06/2024 4 2. La ley de Kirchhoff de las corrientes se puede expresar matemáticamente como: ∑I_i = 0 Aplicaciones: • Análisis de circuitos eléctricos: Permite determinar las corrientes en diferentes ramas de un circuito. • Identificación de cortocircuitos: Un cortocircuito se produce cuando la resistencia entre dos puntos del circuito es muy baja, lo que genera una corriente excesiva. La ley de Kirchhoff de las corrientes puede ayudar a identificar la ubicación de un cortocircuito en un circuito. • Diseño de circuitos eléctricos: Permite diseñar circuitos eficientes y seguros, asegurando que la corriente se distribuya correctamente entre las diferentes ramas del circuito. [1] [2] Fig 3(ley de los circuitos) Mallas • En el análisis de circuitos eléctricos, una malla se define como un bucle cerrado que no contiene ninguna rama en común con otras mallas. En otras palabras, una malla es un camino único que recorre un circuito sin repetir ningún componente o rama de este. [2] Nodos • En el análisis de circuitos eléctricos, un nodo se define como un punto de unión de dos o más conductores. En otras palabras, un nodo es un punto donde se encuentran diferentes ramas o componentes del circuito. Los nodos no tienen valor de resistencia propia, ya que se consideran conexiones ideales. De acuerdo con la ley de corriente de Kirchhoff, se pueden considerar positivas o negativas las corrientes que entran a un nodo, siempre y cuando las corrientes que salen de ese nodo se tomen con el signo opuesto a las corrientes que entran al mismo nodo. [2] 4.4 Ley de conservación de la carga y conservación de la energía.Ley de la conservación de carga • La ley de conservación de la carga establece que la carga eléctrica total en un sistema aislado permanece constante. En otras Facultad de Ingeniería y Ciencias Básicas Departamento de Ciencias Básicas 01/06/2024 5 palabras, la carga no puede crearse ni destruirse, solo puede transferirse de un objeto a otro. • Las cargas opuestas, como una carga positiva o una carga negativa, se atraen entre sí. Las cargas iguales, como dos cargas negativas o dos cargas positivas Ley de conservación de la energía • La ley de conservación de la energía establece que la energía total en un sistema aislado siempre permanece constante. Esto significa que la energía no se puede crear ni destruir, solo se puede convertir de una forma a otra. • En otras palabras, la cantidad total de energía potencial y cinética en un sistema cerrado siempre será la misma, sin importar cómo se transfiera la energía entre diferentes partes del sistema. • La ley de conservación de la energía es una de las leyes más fundamentales de la física y tiene aplicaciones en todas las áreas de la ciencia. Se basa en observaciones experimentales y se ha comprobado con gran precisión en una amplia gama de fenómenos. [1] [2] [3] Fig 4(conservación de la energía) 4.5 Resistencias en serie y en paralelo. En serie • Los resistores están en serie cuando están conectados del extremo de salida de uno al extremo de entrada del otro y no hay otros cables que se ramifiquen de los nodos entre los componentes. [3] Como se calcula • En un circuito en serie, la resistencia equivalente es la suma algebraica de las resistencias. La corriente que atraviesa el circuito se puede calcular a partir de la ley de Ohm y es igual al voltaje dividido entre la resistencia equivalente. [3] Facultad de Ingeniería y Ciencias Básicas Departamento de Ciencias Básicas 01/06/2024 6 Fig 5(base para calcular) En Paralelo • Para calcular la resistencia combinada de las resistencias en paralelo, sume el inverso de la resistencia individual de cada resistor. Para dos resistores en paralelo con valores de resistencia de 100 ohmios, 1 / 100 + 1 / 100 = 2 / 100. • La resistencia equivalente en serie es la suma de todas las resistencias individuales. es la resistencia equivalente en paralelo y ∑ i 1 R i es la suma de todas las resistencias recíprocas. El recíproco de la resistencia equivalente en paralelo es la suma de los recíprocos de todas las resistencias individuales. [3] Fig 6(circuito en paralelo) 5 MONTAJE EXPERIMENTAL • Para realizar el montaje se hizo uso del espacio de la universidad (laboratorio) y sus instrumentos como lo fueron la fuente de voltaje y el multímetro. Y por parte de nosotros la protoboard y las resistencias. 1(montaje experimental) 6 PROCEDIMIENTO Procedimiento 1 (circuito en serie) -Para llevar a cabo la configuración en serie del circuito, seleccionamos tres resistencias con valores distintos, verificando su funcionalidad y diversidad mediante el multímetro. Una vez preparadas las resistencias, las conectamos en serie en una protoboard. Luego, aplicamos un voltaje de 5 voltios proveniente de una fuente de alimentación y, mediante el multímetro, medimos tanto la corriente total del circuito como el voltaje total Facultad de Ingeniería y Ciencias Básicas Departamento de Ciencias Básicas 01/06/2024 7 experimentado. 2(toma de datos de las resistencias y voltaje) 3(circuito en serie) Procedimiento 2 (Circuito en paralelo) Para establecer el circuito en paralelo, seguimos un procedimiento similar al utilizado para el circuito en serie. Seleccionamos tres resistencias distintas y verificamos su funcionalidad y diversidad mediante el multímetro. Una vez confirmadas, las colocamos en paralelo en la protoboard. Posteriormente, aplicamos un voltaje de 5 voltios proveniente de una fuente de alimentación y, nuevamente utilizando el multímetro, medimos tanto la corriente total del circuito como el voltaje total experimentado. 4(montaje experimental circuito en paralelo) 7 DISCUSIÓN DE RESULTADOS Tablas Voltaje experimental: 50.1 v Resistencia total: 7.15 Tabla 1(datos de las resistencias) RESIST ENCIA(Ω) R1 Ω 0.23 R2 Ω 0.02 R3 Ω 06.9 Tabla en serie. Total de corriente = 5.01 v Tabla 2(datos de circuito en serie) RESIST ENCIA Corriente voltaje R1 4.99 5.0 Facultad de Ingeniería y Ciencias Básicas Departamento de Ciencias Básicas 01/06/2024 8 R2 0.02 5.0 R3 0.00 5.0 Tabla en paralela Total de corriente: 4.76 Tabla 3(datos circuito en paralelo) CORRIENTE Voltaje Amperaje -5.18 5.0 0.1 -5.18 5.0 0.1 -5.18 5.0 0.1 Procedimiento en aplicación: Fig 7(circuito analizado) • Datos correspondientes al análisis circuito fig 7 De la fig 8 (análisis del circuito) podemos evidenciar el análisis correspondiente al circuito de la fig. 7 (circuito analizado) Fig 8(análisis del circuito) Fig 9(circuito analizado) • Datos correspondientes al análisis circuito fig 9 De la fig 10 (análisis del circuito) podemos evidenciar el análisis correspondiente al circuito de la fig. 9 (circuito analizado). Facultad de Ingeniería y Ciencias Básicas Departamento de Ciencias Básicas 01/06/2024 9 Fig 10(análisis del circuito) 8 ERRORES PROVOCADOS • No considerar todas las corrientes y voltajes: Las leyes de Kirchhoff se basan en la conservación de la carga y la energía en un circuito. Es importante considerar todas las corrientes y voltajes presentes en el circuito para aplicar correctamente las leyes de Kirchhoff. • No establecer correctamente las direcciones de las corrientes: Al aplicar la ley de corrientes de Kirchhoff, es esencial establecer correctamente las direcciones de las corrientes en el circuito. Si las direcciones se establecen incorrectamente, los signos de las corrientes pueden ser incorrectos y los resultados obtenidos serán erróneos. 9 PREGUNTAS ORIENTADORAS 1. ¿Qué es una resistencia, corriente y el voltaje? RTA: • RESISTENCIA: Es una medida de la oposición al flujo de corriente en un circuito eléctrico. • La resistencia se mide en ohmios, que se simbolizan con la letra griega omega (Ω). Se denominaron ohmios en honor a Georg Simón Ohm (1784-1854), un físico alemán que estudió la relación entre voltaje, corriente y resistencia. Se le atribuye la formulación de la ley de Ohm. • CORRIENTE: La corriente es la velocidad a la que un flujo de electrones pasa por un punto de un circuito eléctrico completo. Del modo más básico, corriente = flujo. • VOLTAJE: Se define como la cantidad de energía potencial entre dos puntos de un circuito. Un punto tiene más carga que el otro. La diferencia de carga entre los dos puntos se llama voltaje. [3] 2. ¿Cómo se calcula la resistencia equivalente para resistencias que están en serie y en paralelo? RTA: Facultad de Ingeniería y Ciencias Básicas Departamento de Ciencias Básicas 01/06/2024 10 La resistencia equivalente (Req) de resistencias conectadas en serie se calcula como la suma de las resistencias individuales (Ri): Req = R1 + R2 + R3 + ... + Rn Donde R1, R2, R3, ..., Rn son las resistencias individuales. Ejemplo: Si un circuito tiene tres resistencias de 10 Ω, 20 Ω y 30 Ω conectadas en serie, la resistencia equivalente sería: [3] Req = 10 Ω + 20 Ω + 30 Ω = 60 Ω 3. ¿Cómo se deducen las leyes de Kirchhoff a partir de la ley de conservación de la carga y de la conservación de la energía? RTA: Las leyes de Kirchhoff, formuladas por Gustav Kirchhoff en 1846, sondos principios fundamentales para el análisis de circuitos eléctricos. Se basan en dos leyes físicas universales: la conservación de la carga y la conservación de la energía. A continuación, se presenta una deducción de las leyes de Kirchhoff a partir de estas leyes de conservación: Ley de Conservación de la Carga: Esta ley establece que la carga eléctrica total en un sistema cerrado se mantiene constante. En un circuito eléctrico, esto significa que la cantidad de carga que entra en un nodo (punto de unión de conductores) debe ser igual a la cantidad de carga que sale del mismo. Deducción de la Primera Ley de Kirchhoff (Ley de Nodos): Consideremos un nodo en un circuito eléctrico. La corriente que entra en el nodo (Entrante) se divide en corrientes que salen hacia diferentes ramas del circuito (I_salida1, I_salida2, ..., I_salida). Según la ley de conservación de la carga, la suma de las corrientes que entran en el nodo debe ser igual a la suma de las corrientes que salen: I_entrante = I_salida1 + I_salida2 + ... + I_salidan Esta ecuación representa la Primera Ley de Kirchhoff, también conocida como Ley de Nodos. Ley de Conservación de la Energía: Esta ley establece que la energía total en un sistema cerrado se mantiene constante. En un circuito eléctrico, esto significa que la energía potencial eléctrica total suministrada por las fuentes de voltaje debe ser igual a la energía potencial eléctrica disipada por las resistencias. Deducción de la Segunda Ley de Kirchhoff (Ley de Bucles): Consideremos un bucle cerrado en un circuito eléctrico. La fuerza electromotriz (FEM) total suministrada por las fuentes de voltaje (V_fuente1, V_fuente2, ..., Facultad de Ingeniería y Ciencias Básicas Departamento de Ciencias Básicas 01/06/2024 11 V_fuente) en el bucle debe ser igual a la suma de las caídas de voltaje (V_resistencia1, V_resistencia2, ..., V_resistencia) en las resistencias: V_fuente1 + V_fuente2 + ... + V_fuenten = V_resistencia1 + V_resistencia2 + ... + V_resistencia Esta ecuación representa la Segunda Ley de Kirchhoff, también conocida como Ley de Bucles. [2] 10 CONCLUSIONES Según las leyes de corriente de Kirchhoff, comprobamos los valores reales, los determinaron el método de redes y Cramer usando nuestra ecuación, obtuvimos los valores teóricos de la corriente y los voltajes, además y se observa que los valores son casi los mismos. Se debe tener cuidado al elegir las ecuaciones, porque si se eligen solo las ecuaciones de red y no las ecuaciones nodales, pueden ser linealmente dependientes y no suficientes para calcular los flujos mencionados. Según los datos de las tablas, la similitud es experimental, Valores teóricos y simulados de tensión y corriente. El error entre ambas cantidades varía entre 0% y 1% tanto para corriente como para tensión de resistencia. Esta coincidencia de valores medidos, teóricos y simulados sugiere que las leyes de Kirchhoff nos permiten determinar la corriente y el voltaje de elementos del circuito que son difíciles de reducir. Bibliografía [1] J. A. Fleming, “Ohm’s law”, 11-12, noviembre-diciembre de 1987. [2] J. A. Fleming, Kirchhoff’s laws for nonlinear transfinite networks, 1993 IEEE International. [3] a. W. N. y. S. A. Riedel, “Electric Circuits” (Circuitos Eléctricos), Upper Saddle River, NJ, EE. UU: Pearson, 2020.