1.5 CONCEPTOS BASICOS DE LAS LEYES DE OHM, KIRCHHOFF, LENZ, FARADAY Y WATTS

La corriente continua es un movimiento de electrones. Cuando los electrones

circulan por un conductor, encuentran una cierta dificultad al moverse. A esta

“dificultad” la llamamos Resistencia Eléctrica.

La resistividad depende de las características del material del que está hecho el

conductor. La ley de Ohm relaciona el valor de la resistencia de un conductor con

la intensidad de corriente que lo atraviesa y con la diferencia de potencial entre

sus extremos. En el gráfico vemos un circuito con una resistencia y una pila.

Observamos un amperímetro que nos medirá la intensidad de corriente, I. El

voltaje que proporciona la pila V, expresado en voltios,  la intensidad de corriente,

medido en amperios, y el valor de la resistencia en ohmios, se relacionan por la

ley de Ohm, que aparece en el centro del circuito.

Con la Ley de Ohm, podemos apreciar las siguientes magnitudes:

"La intensidad de la corriente es directamente proporcional al voltaje e

inversamente proporcional a la resistencia en todos los circuitos o elementos

eléctricos"

“La caída de tensión o diferencia de potencial, es directamente proporcional al

producto de la corriente eléctrica a través del circuito por el valor de la resistencia

eléctrica del mismo.

“La resistencia eléctrica, es directamente proporcional a la caída de tensión en un

circuito o un elemento e inversamente proporcional a la corriente eléctrica a través

de él.

Leyes 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: La ley se basa en el principio de la conservación de la

carga donde la carga en Couloumbs es el producto de la corriente en amperios y

el tiempo en segundos

Esta ley es llamada también Segunda ley de Kirchhoff, ley de lazos de Kirchhoff o

ley de mallas de Kirchhoff y es común que se use la sigla LVK para referirse a esta

ley. En un lazo cerrado, la suma de todas las caídas de tensión es igual a la

tensión total suministrada. De forma equivalente, la suma algebraica de las

diferencias de potencial eléctrico en un lazo es igual a cero.

De igual manera que con la corriente, los voltajes también pueden ser complejos,

así:

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 de en el positiva. Esto significa que toda la energía dada por la

diferencia de potencial ha sido completamente consumida por la resistencia, la

cual la transformara en calor.

Campo eléctrico y potencial eléctrico

La ley de tensión de Kirchhoff puede verse como una consecuencia del principio

de la conservación de la energía. Considerando ese potencial eléctrico se define

como una integral de línea, sobre un campo eléctrico, la ley de tensión de

Kirchhoff puede expresarse como:

Que dice que la integral de línea del campo eléctrico alrededor de un lazo cerrado

es cero.

Para regresar a una forma más especial, esta integral puede "partirse" para

conseguir el voltaje de un componente en específico.

Ley de Lenz

Ley: "El sentido de la corriente inducida sería tal que su flujo se opone a la causa

que la produce". La Ley de Lenz plantea que las tensiones inducidas serán de un

sentido tal que se opongan a la variación del flujo magnético que las produjo; no

obstante esta ley es una consecuencia del principio de conservación de la energía.

La polaridad de una tensión inducida es tal, que tiende a producir una corriente,

cuyo campo magnético se opone siempre a las variaciones del campo existente

producido por la corriente original.

El flujo de un campo magnético uniforme a través de un circuito plano viene dado

por:

Dónde:

§   = Flujo magnético. La unidad en el SI es el weber (Wb).

§   = Inducción magnética. La unidad en el SI es el tesla (T).

§   = Superficie del conductor.

§   = Ángulo que forman el conductor y la dirección del campo.

Si el conductor está en movimiento el valor del flujo será:

n este caso la Ley de Faraday afirma que la Vε inducido en cada instante tiene por

valor: §  Vε

Donde Vε es el voltaje inducido y dΦ/dt es la tasa de variación temporal del flujo

magnético Φ. La dirección voltaje inducido (el signo negativo en la fórmula) se

debe a la ley de Lenz.

Esta ley se llama así en honor del físico germano-báltico Heinrich Lenz, quien la

formuló en el año 1834.

Ley de Faraday

La Ley de inducción electromagnética de Faraday (o simplemente Ley de Faraday)

se basa en los experimentos que Michael Faraday realizó en 1831 y establece que

el voltaje inducido en un circuito cerrado es directamente proporcional a la rapidez

con que cambia en el tiempo el flujo magnético que atraviesa

una superficie cualquiera con el circuito como borde: "La cantidad de sustancia

que se oxida o se reduce en los electrodos de una cuba electrolítica es

proporcional a la cantidad de electricidad depositada"

Donde   es el campo eléctrico,   es el elemento infinitesimal del contorno C,   es

la densidad de campo magnético y S es una superficie arbitraria, cuyo borde es C.

Las direcciones del contorno C y de   están dadas por la regla de la mano

derecha.

La permutación de la integral de superficie y la derivada temporal se puede hacer

siempre y cuando la superficie de integración no cambie con el tiempo.

Por medio del teorema de Stokes puede obtenerse una forma diferencial de esta

ley:

Ésta es una de las ecuaciones de Maxwell, las cuales conforman las ecuaciones

fundamentales del electromagnetismo. La ley de Faraday, junto con las otras leyes

del electromagnetismo, fue incorporada en las ecuaciones de Maxwell, unificando

así al electromagnetismo.

En el caso de un inductor con N vueltas de alambre, la fórmula anterior se

transforma en:

Donde Vε es el voltaje inducido y dΦ/dt es la tasa de variación temporal del flujo

magnético Φ. La dirección voltaje inducido (el signo negativo en la fórmula) se

debe a la ley de Lenz.

Ley de watts

“La potencia eléctrica suministrada por un receptor es directamente proporcional a

la tensión de la alimentación (v) del circuito y a la intensidad ( I ) que circule por él”

P = V . I

En donde:

P = potencia en Vatios

V = Tensión en voltios

I = Intensidad

Vatio: El vatio o watt es la unidad de potencia del Sistema Internacional de

Unidades. Su símbolo es W.

Es el equivalente a 1 julio por segundo (1 J/s) y es una de las unidades derivadas.

Expresado en unidades utilizadas en electricidad, el vatio es la potencia producida

por una diferencia de potencial de 1voltio y una corriente eléctrica de

1 amperio (1 VA).

La potencia eléctrica de los aparatos eléctricos se expresa en vatios, si son de

poca potencia, pero si son de mediana o gran potencia se expresa en kilovatios

(kW) que equivale a 1000 vatios. Un kW equivale a 1,35984 CV (caballos de

vapor).