Kirchhoffovi zakoni za struju i napon

1845. njemački fizičar Gustav Kirchhoff prvo opisao dva zakona koja su postala središnja u elektrotehnici. Kirchhoffov trenutni zakon, poznat i kao Kirchhoffov zakon o spajanju, i Kirchhoffov prvi zakon, definiraju način na koji električna struja raspodijeli se kada prođe kroz spoj - točku na kojoj se susreću tri ili više vodiča. Drugim riječima, Kirchhoffovi zakoni navode da je zbroj svih struja koje napuštaju čvor u električnoj mreži uvijek jednak nuli.

Ti su zakoni izuzetno korisni u stvarnom životu jer opisuju odnos vrijednosti struja koje teku kroz spojnu točku i napona u petlji električnog kruga. Oni opisuju kako struja struje u svim milijardama električnih uređaja i uređaja, kao i u kućama i poslovnim subjektima, koji se neprekidno koriste na Zemlji.

Zakoni konkretno navode:

Algebarska suma struje u bilo kojem spoju je nula.

Budući da je struja protok elektrona kroz vodič, ona se ne može izgraditi na spojnom mjestu, što znači da se struja čuva: Ono što ulazi mora izaći. Zamislite dobro poznati primjer spajanja: a

Prilikom izračunavanja, struja koja teče u spojnicu i izvan nje obično ima suprotne znakove. Također možete navesti trenutni zakon Kirchhoffa na sljedeći način:

Zbroj struje u spoju jednak je zbroju struje izvan spoja.

Nadalje možete preciznije rastaviti dva zakona.

Na slici je prikazan spoj četiriju vodiča (žica). Struje v₂ i v₃ ulijevaju se u spoj, dok v₁ i v₄ teče iz nje. U ovom primjeru, Kirchhoffovo pravilo spajanja donosi sljedeću jednadžbu:

v₂ + v₃ = v₁ + v₄

Kirchhoffov zakon o naponu opisuje raspodjelu električni napon unutar petlje ili zatvorenog vodičkog kruga električnog kruga. Zakon o naponu Kirchhoffa kaže da:

Algebarska suma razlika napona (potencijala) u bilo kojoj petlji mora biti jednaka nuli.

Razlike napona uključuju one povezane s elektromagnetskim poljem (EMFs) i otporničkim elementima, kao što su otpornici, izvori napajanja (na primjer, baterije) ili uređaji - svjetiljke, televizori i miješalice - uključeni u uređaj sklop. Zamislite ovo kako napon raste i opada kako koračate oko bilo koje pojedinačne petlje u krugu.

Do Kirchhoffovog zakona o naponu dolazi jer je elektrostatičko polje unutar električnog kruga konzervativno polje sile. Napon predstavlja električnu energiju u sustavu, pa mislite na to kao na poseban slučaj očuvanja energije. Dok idete oko petlje, kad dođete na početnu točku ima isti potencijal kao i kada započeli ste, pa svako povećanje i smanjenje duž petlje moraju otkazati zbog potpune promjene nula. Da nisu, tada bi potencijal u početnoj / krajnjoj točki imao dvije različite vrijednosti.

Upotreba pravila napona zahtijeva neke ugovore o znaku, koji nisu nužno tako jasni kao oni u trenutnom pravilu. Odaberite smjer (u smjeru kazaljke na satu ili u smjeru suprotnom od kazaljke na satu) za kretanje kroz petlju. Kada putujete od pozitivnog do negativnog (+ do -) u EMF (izvor napajanja), napon opada, pa je vrijednost negativna. Pri prelasku s negativnog na pozitivan (- do +) napon raste, tako da je vrijednost pozitivna.

Imajte na umu da kada putujete oko kruga da biste primijenili Kirchhoffov zakon o naponu, budite sigurni da uvijek idete isto smjeru (u smjeru kazaljke na satu ili u smjeru suprotnom od kazaljke na satu) kako biste odredili da li neki element predstavlja povećanje ili smanjenje vrijednosti napon. Ako počnete skakati, kretati se u različitim smjerovima, vaša će jednadžba biti netočna.

Pri prelasku otpornika, promjena napona određuje se formulom:

I * R

gdje ja je vrijednost struje i R je otpor otpornika. Prelazeći u istom smjeru kao i struja znači da napon opada, pa je njegova vrijednost negativna. Pri prelasku otpornika u smjeru suprotnom od struje vrijednost napona je pozitivna, pa se povećava.

Najosnovnije primjene za Kirchhoffove zakone odnose se na električne krugove. Možda se sjećate iz fizike srednje škole da struja u krugu mora teći u jednom neprekidnom smjeru. Na primjer, ako isključite prekidač za svjetlo, tada prekidate krug, pa isključujete svjetlo. Jednom kada ponovo uključite prekidač, ponovno aktivirate krug i svjetla se ponovo uključuju.

Ili razmislite o žicama za žice na svojoj kući ili božićnom drvcu. Ako se ugasi samo jedna žarulja, ugasit će se cijeli niz lampica. To je zbog toga što struja, zaustavljena razbijenim svjetlom, nema kamo otići. To je isto kao i isključiti prekidač svjetla i prekinuti krug. Drugi aspekt ovoga u vezi s Kirchhoffovim zakonima je da zbroj sve električne energije koja ulazi i ulazi iz nekog čvora mora biti jednak nuli. Električna energija koja ulazi u spoj (i teče oko kruga) mora biti jednaka nuli, jer električna energija koja ulazi također mora izaći.

Dakle, sljedeći put kada radite na razvodnoj kutiji ili promatrate električara kako to radi, navlačite električna praznička svjetla ili uključivanje ili isključivanje televizora ili računala, sjetite se da je Kirchhoff prvi opisao kako to sve radi, čime je započeo u doba struja.