LEYES DE LA ELECTRICIDAD

Aquí tienes un resumen sencillo de las principales leyes de la electricidad:

1. Ley de Ohm
2. Ley de la Potencia Eléctrica o de Watt
3. Ley de Joule
4. Ley de Kirchhoff de las Corrientes
5. Ley de Kirchhoff de las Tensiones
6. Ley de Faraday de la Inducción Electromagnética
7. Ley de Lenz
8. Otras Leyes de la Electricidad



Antes de seguir te recomendamos el siguiente libro para aprender los principios básico de la electricidad y el cálculo de circuitos eléctricos, tanto de corriente contínua como de alterna: Libro Circuitos Eléctricos

1. Ley de Ohm (Georg Simon Ohm)

Esta ley establece la relación entre la tensión (V), la corriente (I) y la resistencia (R) en un circuito eléctrico.

Se expresa como:

V=I×R

V es la tensión (en voltios).

I es la corriente (en amperios).

R es la resistencia (en ohmios).

Las fórmulas despejando serían:

Intensidad: I = V / R
Resistencia: R = V / I

En todos los problemas las unidades de la tensión se ponen en voltios (V), la de la intensidad en Amperios (A) y la de la resistencia en Ohmios (Ω).

¿Qué dice la Ley?:

- Si tenemos un circuito eléctrico con un receptor fijo (resistencia fija), al aumentar la tensión del receptor aumentará la intensidad que le atraviesa.

- Si aumentamos la resistencia con una tensión fija en el circuito, entonces la intensidad que circulará por el circuito será más pequeña, si disminuimos la resistencia la intensidad aumentará.



Ejemplos:

Imaginemos un circuito con una lámpara y una pila.



Primer caso: Nos dan la Resistencia de la lámpara y la Intensidad total del circuito. R1 = 10Ω It = 2 A;

Para calcular la tensión será V = I x R = 2 x 10 = 20 V (20 voltios). Lo demás ya lo tenemos todo calculado.

Rl=Rt= 10 Ω It=il=2A

Segundo caso: Nos dan la resistencia de la lámpara y la tensión de la pila: Rl= 10 Ω Vt= 20V

Como ya sabemos Rl=Rt= 10 Ω y Vt=Vl= 20V

Aplicaremos la ley de ohm para calcular It=il

It= Vt/Rt

It= 20V/10 Ω= 2A

Ya tenemos todo calculado porque:

It=il= 2A Vt=Vl= 20V Rt=Rl=10 Ω

Tercer caso: Nos dan la tensión de la pila y la Intensidad total del circuito: Vt= 20V It= 2A sabiendo que:

Vt=Vl= 20V y que it=il=2A aplicamos la ley de ohm:

Rl=Rt= Vt/it = 20v/2A = 10 Ω

Ya tenemos todo calculado porque:

It=il= 2A Vt=Vl= 20V Rt=Rl=10 Ω

2. Ley de Potencia Eléctrica o de Watt

Relaciona potencia eléctrica con tensión y corriente.

La fórmula es:

P=V×I

Donde:

P: Potencia eléctrica en vatios (W).

V: Voltaje o diferencia de potencial en el circuito, medido en voltios (V).

I: Corriente eléctrica que circula por el circuito, medida en amperios (A).

Esta fórmula corresponde a la Ley de la Potencia Eléctrica, y es una de las ecuaciones fundamentales en el estudio de la electricidad.

Esta ley no lleva un nombre específico como otras leyes (por ejemplo, la ley de Ohm), pero se utiliza ampliamente para calcular la potencia eléctrica en un circuito.

¿De dónde proviene esta fórmula?

Esta fórmula se deriva de la Ley de Ohm V=I×R, y es una manera de expresar la potencia cuando conoces el voltaje y la corriente en un circuito.

La Ley de Ohm V=I×R establece que el voltaje es igual a la corriente multiplicada por la resistencia.

La potencia en un circuito eléctrico es el trabajo realizado por segundo, es decir, la cantidad de energía que se convierte en otra forma (como calor, luz, etc.) por unidad de tiempo.

Sabemos que la potencia se puede expresar como la energía por unidad de tiempo:

P = E / t
​
La energía E se puede relacionar con el voltaje y la corriente como:

E= V × I × t

Al dividir entre t, obtenemos la fórmula de potencia:

P = V × I

Ejemplo:

Si tienes un dispositivo con un voltaje de 12 V y una corriente de 2 A, la potencia será:

P=12 V×2 A=24 W

Esto significa que el dispositivo está consumiendo o tiene 24 vatios de potencia.

Pero la mejor forma de entender el significado eléctrico de la potencia es entenderla como la "Cantidad de....." dependiendo del receptor.

Una lámpara de 30 w otra de 40w nos dicen la cantidad de luz que emiten,la de 40w tendrá el doble de luz que la de 20w

Pero si hablamos de un radiador eléctrico, uno de 500w comparado con otro de 1.000w quiere decir que el de 1.000w emitirá el doble de calor que el de 500w, es decir nos dice la Cantidad de Calor.

3. Ley de Joule (James Prescott Joule)

La Ley de Joule describe cómo la energía se convierte en calor cuando la corriente eléctrica pasa a través de un conductor.

Q=I² x R x t

Donde:

Q = calor generado (en julios, J)

I = corriente eléctrica (en amperios, A)

R = resistencia del conductor (en ohmios, Ω)

t = tiempo durante el cual circula la corriente (en segundos, s)

¿Qué dice la Ley?

Cuanto mayor sea la corriente que pasa por una resistencia, más calor se produce. Esto explica, por ejemplo:

El funcionamiento de estufas eléctricas, tostadoras, secadores de pelo

Por qué los cables se calientan si pasa demasiada corriente

Si por una resistencia de 4 Ω circula una corriente de 2 A durante 10 segundos:
𝑄=(2)²x4x10=4 x 4 x 10 = 160 Julios
Se generan 160 julios de calor.

¿Qué relación tiene con la potencia eléctrica?

La Potencia Eléctrica en un circuito o de un receptor es:

P = V x I; Donde:

P es la potencia en vatios(w)
V es la tensión en voltios (V)
I es la intensidad en amperios (A)

Si ponemos en V o en I el valor de esa magnitud según la ley de ohm tenemos

P = (I x R) x I = I² x R

P= I² × R

P es la potencia en vatios (W).

I es la corriente en amperios (A) al cuadrado.

R es la resistencia en ohmios (Ω).

¿Y por qué esto es importante y está relacionado con la Ley de Joule?

Porque cuando un dispositivo eléctrico funciona (como un radiador, una estufa o incluso un cable), parte de la energía se transforma en calor, y esta fórmula nos dice cuánta potencia del dispositivo se está perdiendo o aprovechando como calor.

La Energía (en julios) = Potencia (en vatios) x Tiempo (en segundos)

Es decir la potencia es la energía (calor) por cada segundo.

Un ejemplo: Un cable tiene una resistencia de 5 ohmios y por él circula una corriente de 3 amperios.

¿Cuánta potencia eléctrica se disipa en forma de calor en el cable?

P = = I² x R = (3 x 3) x 5 = 9 x 5 = 45 w

Si ese cable fuera de mayor resistencia, el cable se calentaría más y se perdería más energía por calor al circular por el cable la corriente eléctrica.

En resumen, cuanto mayor sea la corriente o la resistencia en un conductor, mayor será el calor generado.

4. Ley de Kirchhoff de las Corrientes (Gustav Kirchhoff)

Esta ley establece que la suma de las corrientes que entran a un nodo (un punto de conexión en un circuito) es igual a la suma de las corrientes que salen de él. Matemáticamente:


∑I entrantes=∑I salientes
​
En resumen: La corriente que llega a un punto de un circuito es igual a la corriente que sale de ese punto.

Realmente las leyes de Kirchhoff son dos, pero para la resolución de circuitos debemos utilizar las dos, por eso veremos un ejemplo después de ver la segunda ley, la de las tensiones.

5. Ley de Kirchhoff de las Tensiones (Gustav Kirchhoff)

Esta ley dice que la suma de las tensiones (o voltajes) alrededor de cualquier lazo cerrado en un circuito debe ser igual a cero:

∑V=0

En resumen: La cantidad total de energía (voltaje) ganada y perdida en un circuito cerrado es cero.

También podemos decir la ley de esta otra forma: "La suma de las tensiones en una malla o circuito, siguiendo el sentido horario, es igual a la suma de las caídas de tensión en las resistencias del circuito"

Supongamos un circuito cerrado muy simple, Una pila de 9 V y Dos resistencias en serie: R1 = 4 Ω y R2 = 5 Ω

Aplicando la Ley de Kirchhoff de las Tensiones Recorremos la malla en sentido horario y sumamos las tensiones:

La pila entrega +9 V (subida de potencial) y cada resistencia produce una caída de tensión VR1 y VR2, entonces:

+ ---[R1]---[R2]--- -

+--------(9V)------- -


9V = VR1 + VR2

Si la corriente es de 1A, entonces:

VR1 = 4 x 1 = 4V y VR2 = 4 x 1 = 5V, entonces

9V = 4V + 5 V

Ahora sí, veamos un ejemplo donde se aplican las dos leyes de Kirchhoff para resolver un circuito:



Esto es un resúmen, para saber más visita: Leyes de Kirchhoff

6. Ley de Faraday de la Inducción Electromagnética

Michael Faraday descubrió que un cambio en el campo magnético puede generar una corriente eléctrica en un conductor.

Lo que descubrió Faraday fué que si un campo magnético se movía alrededor de un conductor, por ejemplo un cable de cobre, se generaba una tensión en sus extremos, que si lo conectamos a un receptor para crear un circuito, entonces se generaba una corriente eléctrica gracias a mover el campo magnético cerca del conductor.

También era válido si en lugar de mover el campo magnético movíamos el conductor dentro del campo magnético.



El campo magnético puede ser el de un imán u otro campo, por ejemplo el generado por una corriente alterna por un conductor, como el dela imagen siguiente:



Esto se conoce como inducción electromagnética, porque la corriente generada es inducida por el movimiento del campo magnético.

En otras palabras, si un imán cambia su posición cerca de un alambre o conductor en espiral, se crea electricidad.

Cuanto más rápido se mueva o más fuerte sea el imán, más electricidad se genera.

En el ejemplo siguiente el campo variable es creado por un conductor atravesado por una corriente alterna, que al moverse por el otro conductor genera en él una tensión que al conectar la lámpara B y cerrar el circuito se convierte en una corriente eléctrica por el circuito



¿Cuál es la fórmula para calcular la tensión o fuerza electromotriz (E) generada?

E = - ΔΦ / Δt

Donde:

E = Es la fuerza electromotriz inducida o tensión que luego creará corriente al cerrar el circuito.

ΔΦ significa cambio del flujo magnético (es decir, cuánto cambió el campo magnético que pasa por el cable).

Δt es el tiempo que tarda en cambiar ese campo.

El signo menos (-) dice que la corriente que se genera se opone al cambio, esto lo explicó otro científico llamado Lenz y que ahora veremos.

Aquí tienes más fórmulas relacionadas con el electromagnetismo.

7. Ley de Lenz

Descubierta por Heinrich Lenz, esta ley complementa la ley de Faraday y dice que la dirección de la corriente inducida será tal que se opondrá al cambio en el campo magnético que la causó.

En otras palabras, la corriente inducida siempre se opone al cambio que la produce.

Cuando un campo magnético en movimiento, por ejemplo el de un imán, crea electricidad en un conductor, esa electricidad intenta oponerse al movimiento del imán, es decir la electricidad que se crea electricidad siempre quiere detener el movimiento del imán.

En resumen: La corriente generada siempre intentará contrarrestar el cambio que la causó.

¿Por qué es importante?

Porque conserva la energía. Si la corriente ayudara al cambio, tendríamos energía “gratis”, y eso no es posible según las leyes de la física.

¿Te acuerdas de esta fórmula que vimos en la ley de inducción electromagnética?

E = - ΔΦ / Δt

Pues el signo negativo es la Ley de Lenz e indica que la corriente inducida se opone al cambio del flujo magnético.

Ejemplo numérico de la Ley de Lenz:

Imagina que tenemos una espira de alambre circular con un área de:

A=0.02 m2

Y un campo magnético que aumenta de:

B1=0 T a B2=0.5 TB 2 =0.5 T

en un tiempo de:

Δt=2 s

Y el ángulo entre el campo y la superficie es θ=0 grados, así que el cos (0)=1

Paso 1: Calcular el cambio de flujo magnético.

Recuerda que el Φ = B x A x cose θ; como el coseno es 1, entonces el cambio de flujo será:

Φ con B2 menos Φ con B1:
ΔΦ𝐵= (B2 x A) − (B1 x A) =(0.5)x(0.02)−(0)x(0.02)= 0.01Wb
Ahora aplicamos la fórmula de Faraday-Lenz
E=−ΔΦ𝐵 / Δ𝑡 = - 0,01/2 = −0.005 V
Resultado:

Se induce una fuerza electromotriz (fem) o tensión de 0.005 voltios

El signo negativo nos dice que la corriente se opone al aumento del campo magnético.

Estas son algunas de las leyes más importantes en electricidad y cada una describe cómo se comportan las corrientes, tensiones y resistencias en los circuitos eléctricos.

8. Otras Leyes de la Electricidad

Algunas más útiles para resolver circuitos son:

- Calcular la Resistencia Eléctrica: para calcular la resistencia de un conductor o de un circuito.

- Resistencia Equivalente.

- Divisor de Tensión.

- Teorema de Thevenin y de Norton: para simplificar circuitos eléctricos.

- Ecuaciones de Mallas o de Maxwell

- Ley de Coulomb: Par calcular La atracción entre 2 Cargas Eléctricas

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