¿Cumplen todos los componentes la Ley de la corriente de Kirchhoff?

Question

La Ley de la corriente de Kirchhoff establece que la corriente neta que atraviesa un nodo es siempre 0. Según tengo entendido, se deriva del principio de conservación de la carga. Mi pregunta es si la ley de Kirchhoff es aplicable a cualquier ¿componente eléctrico? Por ejemplo, ¿es aplicable a transistores, circuitos integrados, etc.?

Mi pensamiento es que debería ser aplicable, porque de lo contrario, el componente estaría acumulando carga con el tiempo, lo que supongo que no es una condición estable o deseable (en general). Otra posibilidad sería que el componente "perdiera carga". Por ejemplo, el componente estaría "lanzando carga al aire", etc. En este caso, el componente no está acumulando carga, sino que la carga se está desplazando fuera del circuito. Supongo que esto no ocurre también en general.

Así que mi pregunta es, ¿la Ley de la Corriente de Kirchhoff es aplicable a cualquier ¿elemento del circuito? Por ejemplo, si sumo las corrientes que pasan por los pines de un circuito integrado en un momento dado teniendo en cuenta las direcciones de la corriente, ¿obtendré 0 amperios? Lo mismo para cualquier otro elemento del circuito. ¿Existe algún caso en el que la corriente neta no sea 0 amperios?

Answer 1

Tiene usted toda la razón: debido a la conservación de la carga, que es una consecuencia directa de la simetría gauge de la electrodinámica y, por tanto, una ley inquebrantable (según todos los conocimientos actuales) de la naturaleza, la suma de corriente sobre todos caminos posibles sumados sobre todo el tiempo es siempre exactamente cero. En el caso de que la corriente no atraviese conductores discretos, se conoce como Ley de Gauss .

Para los componentes electrónicos de la vida real, la ley de corriente de Kirchoff es exacta hasta el punto de que toda la corriente fluye por las patillas del dispositivo. Suele ser una buena aproximación, ya que cualquier desequilibrio en la carga tiende a equilibrarse debido a la atracción eléctrica. Sin embargo, algunos componentes, como un cañón de electrones rompen esto a propósito, y por lo tanto desde una perspectiva de circuito rompen explícitamente la ley de Kirchoff. Por supuesto, si se tiene en cuenta la corriente de electrones que salen, la ley actual se mantiene de nuevo.

Ahora bien, aquí hay una pequeña pero importante salvedad: la carga sólo tiene que conservarse al final, no en cada momento del tiempo por separado. Eso significa que si hay un componente que almacena red carga, la corriente puede entrar allí, esperar un cierto tiempo como carga, y la salida sólo después. Sin embargo, ningún componente práctico almacena red durante un periodo de tiempo apreciable. Lo mismo ocurre con los condensadores y las pilas: un condensador almacena la misma cantidad de carga positiva y negativa en sus placas, mientras que una pila tiene iones cargados positiva y negativamente que fluyen (en forma de corriente eléctrica) para encontrarse cuando el circuito está en funcionamiento. En ambos casos, la red es cero en todo momento, por lo que la carga total es constante y la ley de Kirchoff sigue siendo válida. La misma también es válido para las memorias Flash es decir, la carga almacenada se equilibra con un agujero en el semiconductor.

Sin embargo, como señala El Fotón en su respuesta, en el caso de componentes como las antenas, puede haber un retardo de tiempo pequeño pero finito entre la corriente que entra en un componente y la que sale de él.

No obstante, para todos los propósitos prácticos de la electrónica, por ejemplo un CI complicado como el mencionado específicamente por el OP, la ley actual de Kirchoff se mantiene exactamente.

Answer 2

Las leyes de Kirchoff se aplican a circuitos de agrupados elementos.

Si su circuito contiene elementos distribuidos, como líneas de transmisión y antenas, no puede contar con que KCL se aplique de forma absoluta.

Por ejemplo, en un análisis transitorio la corriente puede fluir hacia una antena momentáneamente, sin fluir hacia ningún otro nodo del circuito, al menos hasta 1/2 ciclo después. Si realizáramos un análisis electromagnético completo de la situación, probablemente podríamos identificar una corriente de desplazamiento desde la antena hasta la tierra circundante y otros elementos del circuito, pero normalmente un análisis de este tipo es demasiado complicado para ser manejable.

Answer 3

Las leyes de Kirchoffs asumen que podemos dividir nuestro circuito en "componentes" donde toda la carga entra y sale de los componentes a través de un pin y que los componentes no tienen carga neta.

Esto es sólo una aproximación a la realidad. Todos los componentes del mundo real tienen capacitancia entre sí y con el universo en general. Cuando los voltajes cambian, esta capacitancia debe cargarse o descargarse, lo que significa una transferencia neta de carga entre los componentes. Cuando los componentes se mueven físicamente, la capacitancia entre ellos cambia y se necesita un movimiento neto de carga para mantener los voltajes iguales.

¿Será medible ese efecto? Eso depende mucho de las velocidades a las que funcione tu circuito y del tamaño de tus componentes.