Gustav Kirchhoff a Kirchhoffovy zákony pro elektrické obvody

Gustav Robert Kirchhoff (12. března 1824 - 17. října 1887) byl německý fyzik. On je nejlépe známý pro vývoj Kirchhoffovy zákony, které kvantifikují proud a Napětí v elektrických obvodech. Kromě Kirchhoffových zákonů, Kirchhoff dělal řadu dalších základních příspěvků k fyzice, včetně práce na spektroskopie a vyzařování černých těles.

Rychlá fakta: Gustav Kirchhoff

Narodil se v Königsbergu, Prusko (nyní Kaliningrad, Rusko) byl Gustav Kirchhoff nejmladší ze tří synů. Jeho rodiči byli Carl Friedrich Kirchhoff, právní poradce věnovaný pruskému státu, a Juliane Johanna Henriette von Wittke. Kirchhoffovi rodiče povzbuzovali své děti, aby sloužily pruskému státu tak dobře, jak dokázaly. Kirchoff byl akademicky silný student, a tak se chtěl stát univerzitním profesorem, který byl v té době v Prusku považován za státní úředníka. Kirchhoff navštěvoval Kneiphofische High School se svými bratry a diplom získal v roce 1842.

Po ukončení střední školy začal Kirchhoff studovat na katedře matematicko-fyzikální na Albertusově univerzitě v Königsbergu. Tam se Kirchhoff v letech 1843 až 1846 zúčastnil semináře matematiky a fyziky, který vypracovali matematici Franz Neumann a Carl Jacobi.

Zejména Neumann měl na Kirchhoffa hluboký dopad a povzbudil ho, aby sledoval matematickou fyziku - pole, které se zaměřuje na vývoj matematických metod pro problémy ve fyzice. Během studia s Neumannem publikoval Kirchhoff svůj první dokument v roce 1845 ve věku 21 let. Tento dokument obsahoval dva Kirchhoffovy zákony, které umožňují výpočet proudu a napětí v elektrických obvodech.

Kirchhoffovy zákony týkající se proudu a napětí jsou základem analýzy elektrických obvodů, což umožňuje kvantifikaci proudu a napětí v obvodu. Kirchhoff odvodil tyto zákony zobecněním výsledků Ohmův zákon, který uvádí, že proud mezi dvěma body je přímo úměrný napětí mezi těmito body a nepřímo úměrný odporu.

Kirchhoffův první zákon říká, že v daném spoji v obvodu se proud, který vstupuje do spoje, musí rovnat součtu proudů opouštějících spoj. Kirchhoffův druhý zákon říká, že pokud je v obvodu uzavřená smyčka, součet rozdílů napětí uvnitř smyčky se rovná nule.

Díky jeho spolupráci s Bunsenem vyvinul Kirchhoff tři Kirchhoffovy zákony pro spektroskopii:

1. Žhavé tuky, kapaliny nebo husté plyny - které se po zahřátí rozsvítí - emitují a nepřetržitý spektrum světla: vyzařují světlo na všech vlnových délkách.
2. Horký plyn s nízkou hustotou vytváří emisní linka spektrum: plyn emituje světlo při specifických diskrétních vlnových délkách, které lze v jinak temném spektru vidět jako světlé čáry.
3. Kontinuální spektrum procházející chladnějším plynem o nízké hustotě vytváří absorpční linie spektrum: plyn absorbuje světlo při specifických diskrétních vlnových délkách, které lze v jinak souvislém spektru vidět jako tmavé čáry.

Protože atomy a molekuly vytvářejí svá vlastní jedinečná spektra, tyto zákony umožňují identifikaci atomů a molekul nalezených ve studovaném objektu.

Kirchhoff také vykonával důležitou práci v tepelném záření, a navrhl Kirchhoffův zákon tepelného záření v 1859. Tento zákon uvádí, že emisivita (schopnost emitovat energii jako záření) a absorbance (schopnost absorbovat záření) předmět nebo povrch jsou stejné při jakékoli vlnové délce a teplotě, pokud je předmět nebo povrch staticky tepelný rovnováha.

Při studiu tepelného záření Kirchhoff také vytvořil termín „černé tělo“, aby popsal hypotetický objekt, který absorboval všechny přicházející světlo, a tak vyzařovalo veškeré toto světlo, když bylo udržováno při konstantní teplotě, aby se vytvořilo teplo rovnováha. V roce 1900 fyzik Max Planck by předpokládal, že tato černá těla absorbují a emitují energii v určitých hodnotách zvaných „quanta. “ Tento objev by sloužil jako jeden z klíčových poznatků pro kvantovou mechaniku.

V roce 1847 Kirchhoff promoval na univerzitě Königsberg a v roce 1848 se stal neplaceným lektorem na berlínské univerzitě v Německu. V roce 1850 se stal docentem na univerzitě v Breslau av roce 1854 profesorem fyziky na univerzitě v Heidelbergu. V Breslau se Kirchhoff setkal s německým chemikem Robertem Bunsenem, po kterém se Bunsenův hořák byl jmenován a byl to Bunsen, kdo zařídil, aby Kirchhoff přišel na Heidelbergovu univerzitu.

V 60. letech 20. století Kirchhoff a Bunsen ukázali, že každý prvek lze identifikovat jedinečným spektrální vzorec, kterým se stanoví, že k experimentální analýze prvků lze použít spektroskopii. Pár objevil prvky cesium a rubidium při zkoumání prvků na slunci pomocí spektroskopie.

Kromě jeho práce v spektroskopii, Kirchhoff také studoval blackbody radiaci, razit termín v 1862. Jeho práce je považována za zásadní pro rozvoj kvantová mechanika. V 1875, Kirchhoff se stal předsedou matematické fyziky v Berlíně. On později odešel v 1886.

Kirchhoff zemřel 17. října 1887 v Berlíně v Německu ve věku 63 let. On je si pamatoval pro jeho příspěvky k poli fyziky stejně jako jeho vlivná učitelská kariéra. Jeho Kirchhoffovy zákony týkající se elektrických obvodů jsou nyní vyučovány jako součást úvodních kurzů fyziky o elektromagnetismu.

• Hokej, Thomas A., redaktor. Biografická encyklopedie astronomů. Springer, 2014.
• Inan, Aziz S. "Co Gustav Robert Kirchhoff narazil na 150 let věku?" Sborník z mezinárodního sympozia IEEE 2010 o obvodech a systémech, str. 73–76.
• "Kirchhoffovy zákony." Cornell University, http://astrosun2.astro.cornell.edu/academics/courses/astro201/kirchhoff.htm.
• Kurrer, Karl-Eugen. Dějiny teorie struktur: od archové analýzy k výpočetní mechanice. Ernst & Sohn, 2008.
• "Gustav Robert Kirchhoff." Molekulární výrazy: věda, optika a vy, 2015, https://micro.magnet.fsu.edu/optics/timeline/people/kirchhoff.html.
• O'Connor, J. J. a Robertson, E. F. "Gustav Robert Kirchhoff." University of St. Andrews, Skotsko, 2002.
• Palma, Christopher. "Kirchoffovy zákony a spektroskopie." Pennsylvánská státní univerzita, https://www.e-education.psu.edu/astro801/content/l3_p6.html.