Kirchhoffove zákony týkajúce sa prúdu a napätia

V roku 1845 nemecký fyzik Gustav Kirchhoff najprv popísal dva zákony, ktoré sa stali ústredným bodom elektrotechniky. Kirchhoffov zákon, známy tiež ako Kirchhoffov zákon o spoji a Kirchhoffov zákon, definujú spôsob, akým elektrický prúd sa distribuuje, keď prechádza križovatkou - bodom, kde sa stretávajú traja alebo viacerí vodiči. Inými slovami, Kirchhoffove zákony hovoria, že súčet všetkých prúdov opúšťajúcich uzol v elektrickej sieti sa vždy rovná nule.

Tieto zákony sú veľmi užitočné v reálnom živote, pretože popisujú vzťah hodnôt prúdov, ktoré tečú cez spojovací bod a napätia v slučke elektrického obvodu. Opisujú, ako elektrický prúd tečie vo všetkých miliardách elektrických spotrebičov a zariadení, ako aj v domácnostiach a podnikoch, ktoré sa na Zemi neustále používajú.

Zákony konkrétne stanovujú:

Algebraický súčet prúdu do akejkoľvek križovatky je nula.

Pretože prúd je tok elektrónov dirigentom, nemôže sa hromadiť na križovatke, čo znamená, že prúd je zachovaný: Čo sa deje, musí vyjsť. Predstavte si dobre známy príklad križovatky: a

Pri výpočtoch má prúd tečúci do a von z križovatky obvykle opačné znaky. Kirchhoffov súčasný zákon môžete tiež uviesť takto:

Súčet prúdu do križovatky sa rovná súčtu prúdu z križovatky.

Tieto dva zákony môžete ďalej podrobnejšie rozobrať.

Na obrázku je znázornené spojenie štyroch vodičov (drôtov). Prúdy proti₂ a proti₃ prúdia do križovatky, zatiaľ čo proti₁ a proti₄ vytekať z toho. V tomto príklade Kirchhoffove križovatkové pravidlo dáva nasledujúcu rovnicu:

proti₂ + proti₃ = proti₁ + proti₄

Kirchhoffov zákon o napätí popisuje distribúciu elektrické napätie vo vnútri slučky alebo uzavretej vodivej dráhy elektrického obvodu. Kirchhoffov zákon o napätí uvádza, že:

Algebraický súčet rozdielov napätia (potenciálu) v ktorejkoľvek slučke sa musí rovnať nule.

Rozdiely napätia zahŕňajú rozdiely spojené s elektromagnetickými poľami (EMF) a odporovými prvkami, ako sú napr odpory, zdroje energie (napríklad batérie) alebo zariadenia - lampy, televízory a mixéry - zapojené do siete obvod. Predstavte si to, ako napätie stúpa a klesá, keď postupujete okolo ktorejkoľvek jednotlivej slučky v obvode.

Kirchhoffov zákon o napätí vzniká, pretože elektrostatické pole v elektrickom obvode je konzervatívnym silovým poľom. Napätie predstavuje elektrickú energiu v systéme, preto ju považujte za špecifický prípad úspory energie. Keď idete okolo slučky, keď prídete na začiatočný bod, má rovnaký potenciál ako keď ste začali, takže akékoľvek zvýšenie a zníženie pozdĺž cyklu sa musí zrušiť, aby sa celková zmena zvýšila nula. Ak by to tak nebolo, potom by potenciál na začiatku / na konci mal dve rôzne hodnoty.

Použitie pravidla napätia vyžaduje určité konvencie podpisovania, ktoré nemusia byť tak zreteľné ako pravidlá platné v tomto pravidle. Vyberte smer (v smere alebo proti smeru hodinových ručičiek), aby ste prešli po slučke. Pri prechode z kladného na záporný (+ na -) v EMF (zdroj energie) napätie klesá, takže hodnota je záporná. Pri prechode zo záporného na kladné (- na +) napätie stúpa, takže je kladná.

Nezabudnite, že keď cestujete po obvode, aby ste uplatňovali Kirchhoffov zákon o napätí, nezabudnite vždy postupovať rovnako smer (v smere alebo proti smeru hodinových ručičiek), aby sa určilo, či daný prvok predstavuje zvýšenie alebo zníženie Napätie. Ak začnete skákať okolo a pohybujete sa rôznymi smermi, vaša rovnica bude nesprávna.

Pri prechode odporom je zmena napätia určená vzorcom:

Aj * R

kde ja je hodnota prúdu a R je odpor odporu. Prechod v rovnakom smere ako prúd znamená, že napätie klesá, takže jeho hodnota je záporná. Pri prechode odporu v smere proti prúdu je hodnota napätia kladná, takže stúpa.

Najzákladnejšie aplikácie Kirchhoffových zákonov sa týkajú elektrických obvodov. Z fyziky stredných škôl si možno pamätáte, že elektrina v okruhu musí prúdiť jedným súvislým smerom. Ak napríklad vypnete vypínač svetla, prerušujete obvod a tým vypínate svetlo. Po opätovnom otočení prepínača znovu zapnete obvod a svetlá sa znova rozsvietia.

Alebo si povedzte, že na vašom dome alebo na vianočnom strome sú šnúry. Ak fúka iba jedna žiarovka, zhasne celý rad svetiel. Je to tak preto, že elektrina zastavená prerušeným svetlom nemá kam ísť. Je to rovnaké ako vypnutie vypínača svetla a prerušenie obvodu. Ďalším aspektom tohto v súvislosti s Kirchhoffovými zákonmi je, že súčet všetkej elektriny smerujúcej do križovatky a vytekajúcej z križovatky musí byť nula. Elektrina smerujúca do križovatky (a tečúca okolo obvodu) sa musí rovnať nule, pretože elektrina, ktorá vchádza, musí tiež vyjsť.

Takže nabudúce budete pracovať na svojej rozvodnej skrinke alebo pozorujete elektrikára, ktorý to robí, navliekanie elektrických sviatočných svetiel alebo zapnutie alebo vypnutie televízora alebo počítača, nezabudnite, že Kirchhoff najskôr opísal, ako to všetko funguje, a tak uvádzal vek elektrina.