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Leyes de Kirchhoff Karen Noemí Gómez Cáceres, Leticia Morel Lisik, María Elena Zabala Britos, Noelia Fernanda Maldonado Britos, Sergio Alejandro Aranibar Claros Laboratorio de Física III – Universidade Federal de Integración LatinoAmericana Av. Tancredo Neves - Foz de Iguazu - PR – Brasil Este informe presenta experiencias sobre la ley de kirchhoff, es decir, nos demuestra que es una herramienta muy útil para el cálculo de circuitos muy complejos, en lo cual nos permite separarlos en mallas mucho más simples y de ese modo facilitando el análisis del circuito y consecuentemente los cálculos de tensión y corrientes. Mediante experiencias, es posible notar también que cumple con la ley de conservación de energía que hace énfasis a lo estudiado y a la realización de la práctica. Introducción Las leyes de Kirchhoff fueron formuladas por el físico prusiano Gustav Kirchhoff (1824-1887) en 1845, mientras este aún era estudiante. Estas leyes permiten resolver los circuitos electrónicos utilizando el conjunto de ecuaciones al que ellos responden. Las leyes de Kirchhoff establecen un postulado de mucha importancia para el estudio de la física eléctrica o por consiguiente para el estudio de circuitos, donde se afirma que la suma de las corrientes que entran en un nodo es igual a las que salen, a partir de la teoría de la conservación de la energía analizaran algunos aspectos como la relación de las corrientes en distintos puntos del sistema. La primera ley de Kirchhoff es un enunciado de la conservación de la carga eléctrica. Todas las cargas que entran en un punto dado en un circuito deben abandonarlo porque la carga no puede acumularse en un punto. Las corrientes dirigidas hacia el centro de la unión participan en la ley de la unión como +, mientras que las corrientes que salen de una unión están participando con –I. Ley de nodos o ley de corrientes de Kirchhoff En todo nodo, donde la densidad de la carga no varíe en el tiempo, la suma de la corriente entrante es igual a la suma de la corriente saliente. Donde Ie es la corriente entrante e Is la corriente saliente. De igual forma, La suma algebraica de todas las corrientes que pasan por el nodo (entrante y saliente) es igual a 0 (cero). Ley de mallas o ley de tensiones de Kirchhoff En toda malla la suma de todas las caídas de tensión es igual a la suma de todas las subidas de tensión. Donde, V+ son las subidas de tensión y V- son las caídas de tensión. La segunda ley de Kirchhoff es una consecuencia de la ley de la conservación de energía. Imagine que mueve una carga alrededor de una espira de circuito cerrado. Cuando la carga regresa al punto de partida, el sistema carga-circuito debe tener la misma energía total que la que tenía antes de mover la carga. La suma de los incrementos de energía conforme la carga pasa a través de los elementos de algún circuito debe ser igual a la suma de las disminuciones de la energía conforme pasa a través de otros elementos. La energía potencial se reduce cada vez que la carga se mueve durante una caída de potencial – en un resistor o cada vez que se mueve en dirección contraria a causa de una fuente negativa a la positiva en una batería. De forma equivalente, En toda malla la suma algebraica de las diferencias de potencial eléctrico debe ser 0 (cero). Puede utilizar la ley de la unión con tanta frecuencia como lo requiera, siempre y cuando escriba una ecuación incluya en ella una corriente general, el número de veces que pude utilizar la ley de la unión es una menos que el número de puntos de unión del circuito. Puede aplicar la ley de la espira las veces que lo necesite, siempre que aparezca en cada nueva ecuación un nuevo elemento del circuito (un resistor o una batería) o una nueva corriente. En general, para resolver un problema de circuito en particular, el número de ecuaciones independientes que se necesitan para obtener las dos leyes es igual al número de corrientes desconocidas. Procedimiento experimental Materiales: - Multímetro digital. - Fuente de alimentación. - Protoboard. - Cables. Para estudiar las leyes de Kirchhoff de las mallas, primeramente, fue conectado el circuito eléctrico 1 en la placa didáctica seguido a ellos fueron realizadas las mediciones para cada una de las resistencias y corrientes, este procedimiento se efectuó con la ayuda de un multímetro. Todos esos valores se encuentran en la tabla 1. Figura 1. Circuito eléctrico 1. En la segunda parte fue proporcionado el circuito representado en la figura 2. Con el auxilio de un multímetro y con un potencial entre las fuentes de 5V, fue realizada la medición de las resistencias y las corrientes en la mallas de la placa de prueba. Todos esos valores se encuentran en la tabla 2. Figura 2. Circuito eléctrico 2. Finalmente se realizó la conexión del circuito eléctrico 3 de la misma forma citadas en la primera parte. Para realizar la medición de las resistencias era necesario abrir el circuito y conectar el multímetro en serie, en este circuito se conectaron dos potenciómetros el primero (R5) y el segundo (R8), seguido a ello fue medida la tensión en cada punto. Todos esos valores se encuentran en la tabla 3. Figura 3. Circuito eléctrico 3. Figura 4. Circuito realizado para la comprobación de las leyes Kirchhoff. Fuente: Autores, 2019. Resultados y discusiones Fue montado en un protoboard el circuito de la figura abajo: Después fue analizado los valores de tensión y corriente en cada resistor y los datos fueron colocados en la Tabla 1. Utilizando la ley de las mallas, la malla 1 quedó expresa con la siguiente ecuación: -VR4 - VR6 = E Sustituyendo los valores obtuvimos: -2,89-2,088=5 Para la malla 2, la Ley de las Mallas es expresa por la ecuación de abajo: -VR6 + VR7+ VR5= 0 Así; -2,088+1,3395+0,7395=0 Aplicando la Ley de los Nodos obtenemos la ecuación: IR4 = IR6 +IR7 Así: 1,97= 1,45 + 0,57 En este primer circuito, verificamos que en la Malla 1 y en la Malla 2 la ley fue validada y, además, analizando los nodos entre los resistores R4, R6 e R7 la ley fue verificada también, el resultado tuvo un margen de error que pudo haber sido causado por alguna incerteza en la medida de Tensión y corriente pelo multímetro en un resistor en común o por falta de redondeo correcto en los valores durante la realización de los cálculos. Se realiza la electrificación del circuito 2 y se obtienen los siguientes resultados. Tabla 2. Valores obtenidos mediante electrificación del circuito 2. Resistencia Tensión (V) Corriente (mA) R4 2.9 1.97 1.47 R5 2.09 1.45 1.44 R6 0.74 1.13 0.65 R7 1.35 0.51 2.65 Malla 1: ΣV= -V4-V6-V7+E=0 ΣV= -2.9-0.74-1.34+5=0 Malla 2: ΣV=-V5+V7+V6=0 ΣV=-2.09+1.35+0.74= 0 Malla 3: ΣV= -V4-V5-+E=0 ΣV= -2.9-2.09+5=0 Queda evidenciada en cada una de las mallas la ley de Kirchhoff: la suma fasorial de las tensiones en cualquier malla de un circuito es siempre nula Aplicando la ley de Kirchhoff para el nodo tenemos la siguiente ecuación. Dónde: I1: Es la corriente que sale de R4 I2: Es la corriente que entra en R5 I3: Es la corriente que entra en R6 En la parte dos el circuito no satisface la ley Kirchhoff para los nodos ya que la suma de las dos corrientes es diferente a lainicial, para que se Resistores(kΩ) Tensión(V) Corriente(mA) R4=1,47 2,9 1,97 R5=1,45 0,74 0,51 R6=1,44 2,09 1,45 R7=2,35 1,34 0,57 cumpla es necesario colocar otra fuente o rediseñar el circuito. Ahora bien, calcularemos las potencias disipadas en cada resistor. Resistor 4: P4=V4*I1 P4=2,9*1.97 P4= 5.71 W Resistor 5: P5=V5*I5 P5=2,09*1.45 P5= 3.03 W Resistor 6: P6=V6*I6 P6=0,74*1.13 P6= 0.83 W Resistor 7: P7=V7*I7 P7=1.35*0,51 P7= 0.69 W Conclusión Mediante los resultados obtenidos en la práctica fue posible afirmar que la ley de Kichhoff son válidas, y que los valores determinados en el experimento en relación a la teoría fueron lo esperado, dándonos certeza que esa ley es una herramienta muy útil para la solución de circuitos mucho más complejos. A pesar de que muchos de los resultados fueron satisfactorios como en cualquier experimento se presenta pequeños errores afectando al resultado, probablemente causados por variaciones en las condiciones del ambiente o por mal contacto entre las ligaciones del circuito, más estos errores son muy pequeños para ser llevado en cuenta. Referencias [1] Halliday, David – Resnick, Robert, Fundamentos de Física – Eletromagnetismo, vol 3.
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