La electricidad es el movimiento de cargas eléctricas que circulan por un conductor. Este movimiento se realiza de acuerdo con unas determinadas propiedades físicas. Estas propiedades están recogidas en una série de leyes eléctricas que se han ido desarrollando a lo largo de la historia.
Las leyes fundamentales de la electricidad son las siguientes:
Ley de Coulomb
La ley de Coulomb establece que la fuerza eléctrica entre dos objetos cargados es inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que los separa y directamente proporcional al producto de sus cargas. Esta fuerza actúa a lo largo de la línea que une las dos cargas y puede ser atractiva o repulsiva según la naturaleza de las cargas.
La ley, introducida en 1785 por el físico Charles-Augustin de Coulomb, es esencial para comprender las interacciones electrostáticas en física e ingeniería, desempeñando un papel crucial en campos como la electrónica y la electroquímica.
Fórmula
dónde:
- F es la fuerza electrostática,
- q₁ y q₂ son las magnitudes de las cargas,
- r es la distancia entre las cargas,
- k es la constante de Coulomb.
Ley de Ampere
La ley de Ampère fue desarrollada por el francés André-Marie Ampère en 1831. La ley de Ampère relaciona un campo magnético estático con su causa. Posteriormente fue corregida por James Clerk Maxwell y pasó a formar parte de las ecuaciones de Maxwell.
La ley de Ampere indica que la circulación de la intensidad del campo magnético en un contorno cerrado es proporcional a la corriente eléctrica que fluye en ese contorno.
Fórmula
dónde:
- B es el campo magnético,
- dl es el elemento de longitud diferencial,
- μ₀ es la permeabilidad del espacio libre,
- I_enc es la corriente encerrada.
Ley de Ohm
La ley de Ohm establece que la intensidad de la corriente eléctrica que fluye a través de un conductor que conecta dos puntos es directamente proporcional al voltaje entre los dos puntos e inversamente proporcional a la resistencia eléctrica del conductor.
Esta ley fundamental de la electricidad describe con gran precisión el comportamiento de casi todos los materiales conductores de electricidad. Sin embargo, existen algunos materiales conductores que no siguen esta ley. Éstos se denominan materiales conductores no óhmicos.
La ley recibe su nombre del físico alemán George Ohm, quien en 1827 describió las corrientes y voltajes que se generan en circuitos eléctricos simples. En su honor, la resistencia se expresa en ohmios (Ω).
Fórmula
dónde:
- V es el voltaje,
- Yo soy la corriente,
- R es la resistencia.
Ley de Faraday
La ley de inducción electromagnética de Faraday es un principio fundamental del electromagnetismo que explica cómo un campo magnético cambiante induce una corriente eléctrica en un conductor. Esta ley es la base de muchos dispositivos eléctricos, entre ellos:
- Transformadores , que transfieren energía eléctrica entre circuitos a través de inducción electromagnética.
- Inductores , que almacenan energía en un campo magnético cuando la corriente fluye a través de ellos.
- Generadores , que convierten la energía mecánica en energía eléctrica moviendo conductores a través de un campo magnético.
Esta ley fue descubierta por Michael Faraday en 1831. Joseph Henry descubrió esta ley antes que Faraday en un estudio independiente en 1830, pero no publicó este descubrimiento. Por lo tanto, esta ley se llama ley de Faraday.
Fórmula
dónde:
- ? es la fuerza electromotriz inducida (fem),
- Φ_B es el flujo magnético,
- Es el momento.
Leyes eléctricas de Kirchhoff
Estas leyes se componen de dos principios fundamentales que explicamos a continuación:
Ley de corriente de Kirchhoff (ley del nodo)
La ley de corriente de Kirchhoff, también conocida como ley de nodos , se basa en la conservación de la carga eléctrica. Cuando consideramos un nodo en un circuito eléctrico, este es un punto en el que se encuentran conectados varios conductores.
Según esta ley, la suma de las corrientes que entran en un nodo debe ser igual a la suma de las corrientes que salen de ese nodo. En otras palabras, no puede haber acumulación de carga en el nodo; la carga que entra debe salir.
Esta regla eléctrica se expresa matemáticamente de la siguiente manera:
dónde:
-
La suma de las corrientes que entran en un nodo es igual a la suma de las corrientes que salen de él.
Esto significa que si hay varias corrientes fluyendo hacia un nodo y varias corrientes fluyendo hacia afuera de él, la suma total de las corrientes que entran menos la suma total de las corrientes que salen es igual a cero.
Si sumamos todas las corrientes que entran y salen, el total debe ser cero.
Ley de tensión de Kirchhoff (ley de malla)
La ley de voltaje de Kirchhoff, o ley de malla , se basa en la conservación de la energía en un circuito.
Esta ley eléctrica establece que si se dibuja un camino cerrado (o malla) en un circuito, la suma de todas las caídas de voltaje a lo largo de ese camino debe ser igual a la suma de los voltajes (fuentes de energía) en el mismo camino.
En concreto, la ley dice que:
- Cuando pasa a través de un componente que consume energía (como una resistencia), la caída de voltaje se cuenta como negativa.
- Cuando pasa a través de una fuente de voltaje (como una batería), el voltaje se cuenta como positivo.
Entonces, si sumamos todas las tensiones en un camino cerrado, obtenemos cero:
dónde:
-
El voltaje total suministrado es igual a las caídas de voltaje totales en un bucle cerrado.
Este principio implica que la energía total suministrada en el circuito es igual a la energía consumida.
Es como si estuvieras viajando a lo largo de una ruta: si comienzas y terminas en el mismo lugar (como en una malla), las altitudes totales (tensiones) que subes deben ser iguales a las alturas totales que bajas.
Ley de Gauss
La Ley de Gauss es un principio del electromagnetismo que describe cómo el flujo eléctrico a través de una superficie cerrada se relaciona con la cantidad de carga eléctrica dentro de esa superficie.
En términos simples, esta ley establece que si imaginas una esfera o cualquier forma cerrada alrededor de una carga eléctrica, el flujo eléctrico total que sale de esa superficie es directamente proporcional a la carga que está encerrada en ella.
La idea detrás de esta ley eléctrica es que el flujo eléctrico representa cuántas líneas de campo eléctrico pasan a través de la superficie. Si hay más carga dentro de la superficie, habrá más líneas de campo saliendo de ella. Este principio se aplica independientemente de la forma de la superficie, siempre que permanezca cerrada.
Fórmula
dónde:
- E es el campo eléctrico,
- dA es el elemento de superficie diferencial,
- Q_enc es la carga encerrada,
- ε₀ es la permitividad del espacio libre.