Kirchhoffovy zákony pro proud a napětí

V roce 1845 německý fyzik Gustav Kirchhoff nejprve popsal dva zákony, které se staly ústředním bodem elektrotechniky. Kirchhoffův aktuální zákon, známý také jako Kirchhoffův zákon o křižovatce a Kirchhoffův první zákon, definují způsob, jakým elektrický proud je distribuován, když prochází křižovatkou - bodem, kde se setkávají tři nebo více vodičů. Jinými slovy, Kirchhoffovy zákony uvádějí, že součet všech proudů opouštějících uzel v elektrické síti se vždy rovná nule.

Tyto zákony jsou velmi užitečné v reálném životě, protože popisují vztah hodnot proudů, které protékají spojovacím bodem, a napětí ve smyčce elektrického obvodu. Popisují, jak elektrický proud proudí ve všech miliardách elektrických spotřebičů a zařízení, jakož i v domácnostech a podnicích, které se na Zemi používají nepřetržitě.

Zákony konkrétně stanoví:

Algebraický součet proudu do kterékoli křižovatky je nula.

Protože proud je proud elektronů dirigentem, nemůže se hromadit na křižovatce, což znamená, že proud je zachován: To, co jde dovnitř, musí vyjít. Představte si známý příklad křižovatky:

Při provádění výpočtů má proud tekoucí do a ze spojení obvykle opačné znaky. Kirchhoffův současný zákon můžete také uvést takto:

Součet proudu do křižovatky se rovná součtu proudu z křižovatky.

Tyto dva zákony můžete dále podrobněji rozebrat.

Na obrázku je znázorněno spojení čtyř vodičů (vodičů). Proudy proti₂ a proti₃ proudí do křižovatky, zatímco proti₁ a proti₄ vytéct z toho. V tomto příkladu dává Kirchhoffovo Junction Rule následující rovnici:

proti₂ + proti₃ = proti₁ + proti₄

Kirchhoffův zákon o napětí popisuje distribuci elektrické napětí uvnitř smyčky nebo uzavřené vodivé dráhy elektrického obvodu. Kirchhoffův zákon o napětí uvádí, že:

Algebraický součet rozdílů napětí (potenciálu) v libovolné smyčce se musí rovnat nule.

Rozdíly napětí zahrnují rozdíly spojené s elektromagnetickými poli (EMF) a odporovými prvky, jako jsou rezistory, zdroje energie (například baterie) nebo zařízení - lampy, televize a mixéry - zapojené do obvod. Představte si to, jak napětí stoupá a klesá, jak postupujete kolem kterékoli jednotlivé smyčky v obvodu.

Kirchhoffův zákon o napětí vychází z toho, že elektrostatické pole v elektrickém obvodu je konzervativní silové pole. Napětí představuje elektrickou energii v systému, proto ji považujte za specifický případ zachování energie. Jak jdete kolem smyčky, když dorazíte do výchozího bodu, má stejný potenciál jako kdy jste začali, takže jakékoli zvýšení a snížení podél smyčky se musí zrušit, aby se celková změna změnila nula. Pokud by tomu tak nebylo, měl by potenciál v počátečním / konečném bodě dvě odlišné hodnoty.

Použití pravidla napětí vyžaduje některé konvence podpisů, které nemusí být nutně tak jasné jako u aktuálního pravidla. Vyberte směr (ve směru nebo proti směru hodinových ručiček) a pokračujte po smyčce. Při přechodu z kladného na záporný (+ na -) v EMF (zdroj energie) klesá napětí, takže hodnota je záporná. Při přechodu ze záporného na kladné (- na +) napětí stoupá, takže je kladná.

Nezapomeňte, že když cestujete po obvodu, abyste použili Kirchhoffův zákon o napětí, ujistěte se, že jdete vždy stejně směr (ve směru nebo proti směru hodinových ručiček) k určení, zda daný prvek představuje zvýšení nebo snížení v Napětí. Pokud začnete skákat kolem a pohybovat se různými směry, bude vaše rovnice nesprávná.

Při křížení odporu je změna napětí určena vzorcem:

IR

kde Já je hodnota proudu a R je odpor rezistoru. Přechod ve stejném směru jako proud znamená, že napětí klesá, takže jeho hodnota je záporná. Při křížení odporu ve směru opačném k proudu je hodnota napětí kladná, takže se zvyšuje.

Nejzákladnější aplikace Kirchhoffových zákonů se týkají elektrických obvodů. Z fyziky středních škol si možná pamatujete, že elektřina v obvodu musí proudit jedním kontinuálním směrem. Pokud například vypnete vypínač světla, přerušujete obvod a tím vypínáte světlo. Jakmile přepnete spínač znovu, znovu zapnete obvod a světla se znovu rozsvítí.

Nebo si vzpomeňte na navlékání světla na vašem domě nebo na vánoční stromeček. Pokud fouká pouze jedna žárovka, zhasne celá řada světel. Je to proto, že elektřina zastavená přerušeným světlem nemá kam jít. Je to stejné jako vypnutí spínače světla a přerušení obvodu. Druhým aspektem tohoto, pokud jde o Kirchhoffovy zákony, je, že součet veškeré elektřiny směřující do a vycházející z křižovatky musí být nulový. Elektrická energie přicházející do křižovatky (a protékající obvodem) se musí rovnat nule, protože elektřina, která vchází, musí také vyjít.

Takže příště pracujete na propojovací skříňce nebo pozorujete elektrikáře, jak to děláte, navléknete elektrické sváteční světla nebo zapnutím nebo vypnutím televizoru nebo počítače, nezapomeňte, že Kirchhoff nejprve popsal, jak to všechno funguje, a uvedl tak věk elektřina.