Leyes de Kirchhoff – Electrónica básica

Las leyes de Kirchhoff se deben a Gustav Kirchhoff, quien fue un reconocido físico nacido el 12 de marzo de 1824 en la ciudad de Königsberg (Prusia). Sus aportes son más que útiles y necesarios en el campo de la ingeniería eléctrica y la ingeniería electrónica, específicamente sobre circuitos eléctricos. Actualmente hay tres leyes que fueron formuladas por este ilustre maestro y siguen vigente a pesar del tiempo.

Leyes de Kirchhoff

A pesar de que los aportes de Gustav son muy numerosos es vital destacar que hay 3 leyes consideradas como básicas en el análisis de los distintos circuitos electrónicos. Gracias a estas se puede entender cómo se comportan los distintos parámetros de corriente eléctrica, voltaje eléctrico y por consiguiente, la resistencia eléctrica de un circuito.

Es muy importante conocer estas leyes físicas. Por medio de estas se puede aprender a distinguir con exactitud la manera en la que fluye el voltaje y la corriente a través de cualquier circuito eléctrico.

Primera Ley de Kirchhoff – Ley de Corrientes de Kirchhoff.

La primera ley se conoce como la Ley de Corrientes de Kirchhoff indicada por las siglas populares LCK. Gracias a esta ley se entiende cual es el comportamiento de la corriente en un nodo de cualquier circuito eléctrico.

Definición de nodo: Un nodo es el punto en el que se unen dos o más elementos de un circuito electrónico.

¿Qué explica la Ley de Corrientes de Kirchhoff?

La primera ley se puede entender de la siguiente manera:

Cualquier nodo de un circuito eléctrico posee una afluencia de corriente de entrada y salida. Dichas corrientes debe sumarse en la cantidad igual de entrada y salida. Es equivalente decir que la suma algebraica total que pasa por este nodo es igual a cero.

Dicho de forma menos técnica:

La sumas de las corrientes que entran en un nodo es igual a la sumas de las corrientes que salen del mismo nodo.

Para entenderlo mejor, podemos ilustrar un nodo por el que pasan 4 corrientes (I1, I2, I3 e I4). Según la Ley de Corrientes de Kirchhoff, la suma de I2 e I3 debe ser igual a la suma de I1, I4:

Ley de Corrientes de Kirchhoff

Segunda Ley de Kirchhoff – Ley de Tensiones de Kirchhoff.

La segunda ley es conocida como la Ley de voltaje de Kirchhoff, Ley de Tensiones de Kirchhoff o Ley de Mallas de Kirchhoff. Sus siglas son LVK, y describe el comportamiento exacto del voltaje en una malla de un circuito eléctrico.

Definición de malla: una malla es un camino cerrado formado por elementos de un circuito eléctrico.

Gracias a esta ley es posible determinar la caída de un voltaje en todos y cada uno de los elementos que están establecidos en la malla que se desea analizar.

¿Qué explica la Ley de Tensiones de Kirchhoff?

En detalle, la Ley de Tensiones de Kirchhoff explica que:

Dentro de una malla, cuando se suman todas y cada una de  las caídas de tensión, el resultado es igual a la tensión que se está administrando a esa malla. Es equivalente decir, que si se suman de manera algebraica utilizando las caídas de tensión de la malla, el resultado siempre será cero.

Dicho de una manera menos técnica:

La suma de todas las caídas de tensión de una malla, es igual a la tensión que se administra a esa malla (fuente de alimentación).

A pesar de que esta ley suele ser un poco más complicada de entender, si se ilustra una malla con tres resistencias R1, R2 y R3 y una fuente de alimentación V4, la Ley de Tensiones de Kirchhoff afirma que la suma de caída de tensión en las resistencias es igual al voltaje de la fuente de alimentación V4:

Ley de Tensiones de Kirchhoff

Tercera Ley de Kirchnoff

La tercera ley es una combinación de las dos Leyes de Kirchhoff anteriores con la Ley de Ohm. Gracias a esta ley se puede entender todos los parámetros y comportamientos del voltaje junto con la corriente que fluye libremente por un circuito.

Esta ley explica que la suma algebraica total de corrientes que atraviesan un nodo de una malla, es igual a la corriente que entrega la fuente de alimentación de esa malla.

Ejemplo práctico

Para afianzar los conceptos vistos en los apartados anteriores, se dispone de un circuito eléctrico como ejemplo. Se aplicarán las Leyes de Kirchhoff para calcular las caídas de tensión y las corrientes que hay en el circuito.

Como convenio con los signos:

  • Si la malla se recorre a favor de la corriente que establecemos, la caída de tensión en las resistencias serán negativas; en el caso contrario serán positivo.
  • Si recorremos las fuentes de alimentación desde la parte más negativa a las más positiva, el voltaje de la fuente de alimentación será considerado positivo; en el caso contrario serán considerado negativo.

Leyes de Kirchhoff ejemplo

Para analizar el circuito, primero debemos localizar las mallas y el sentido en el que vamos a analizarlas. En este ejemplo, tenemos la malla S1 y S2.

En el circuito hay dos nodos, pero que serán atravesados por la misma corriente, por esto, solo se analiza uno. Se marcan las corrientes que hay en el nodo con una dirección que a priori creemos (el sentido no afecta al resultado), I1, I2 e I3.

Utilizando la primera ley de Kirchhoff, obtenemos la primera ecuación:

Ecuación 1 ejemplo

Utilizando la segunda ley de Kirchhoff en las mallas, la Ley de Ohm  y teniendo cuidado con el convenio de los signos, obtenemos dos ecuaciones más:

Ecuación 2 ejemplo

El resultado de aplicar las leyes de Kirchhoff da un sistemas de 3 ecuaciones, que si lo resolvemos obtenemos los valores:

Ecuación 3 ejemplo

Se aprecia que I3 tiene signo negativo. Esto indica que el sentido real de la corriente es el inverso al que se utilizó para el análisis.

¿Qué otros aportes hizo Kirchhoff en el área de la física?

Los descubrimientos de este maestro de la física no se quedan cortos. A pesar de que vivió en una época limitada en cuanto a la ciencia, fue capaz de describir otras  leyes consideradas empíricas logrando explicar cómo atraviesa la luz por algún objeto incandescente.

Para entender más detalles sobre este majestuoso descubrimiento es necesario detallar 3 factores:

  1. Cuando un objeto solido es calentado lo suficiente es capaz de producir una cantidad de luz determinada por un espectro de manera continua
  2. Cuando un gas es ligero puede ser capaz de reproducir luz en forma delineas espectrales con longitudes de ondas diferentes, siendo llamadas discretas. Estas dependen mucho de la composición que lleva el químico de dicho gas.
  3. Cuando un objeto solido es llevado a altas temperaturas y se rodea por un gas ligero que posea temperaturas bajas, se puede producir una luz brillante continua situando huecos en su longitud de onda.

Estas otras Leyes de Kirchhoff fueron escritas en 1846 y fueron aprobadas por otro físico llamado Niels Bohr. Gracias a esta certificación se pudo contribuir de manera decisiva al nacimiento de lo que en la actualidad se conoce como la mecánica cuántica.

Maestro destacado de la física

Muchas publicaciones son conocidas en la actualidad por Kirchhoff. Todas ellas relatan parámetros exactos que han contribuido enormemente en el avance del conocimiento de la física en el mundo. A pesar de que la época en la que vivió no era tan avanzada esto no impidió que lograra realizar sorprendentes descubrimientos.

Gracias a sus aportes recibió al menos 5 premios de los que aún  hay registros, y por si fuera poco un cráter  lunar y un asteroide llevan el nombre Kirchhoff en memoria del valiosísimo Gustav. No cabe duda de que el conocimiento impartido por este maestro rompió con los parámetros conocidos e impulso enormemente las leyes físicas conocidas.

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