Kirchhoffovi zakoni za tok in napetost

1845 nemški fizik Gustav Kirchhoff najprej opisal dva zakona, ki sta postala osrednja v elektrotehniki. Kirchhoffov trenutni zakon, znan tudi kot Kirchhoffov zakon o povezavi in ​​Kirchhoffov prvi zakon, določata način, kako električni tok se porazdeli, ko prečka križišče - točko, kjer se srečajo trije ali več prevodnikov. Povedano drugače, Kirchhoffovi zakoni navajajo, da je vsota vseh tokov, ki zapustijo vozlišče v električnem omrežju, vedno enaka nič.

Ti zakoni so v resničnem življenju izredno uporabni, ker opisujejo razmerje vrednosti tokov, ki tečejo skozi stičišče in napetosti v zanki električnega tokokroga. V njih je opisano, kako električni tok teče v vseh več milijard električnih aparatov in naprav, pa tudi po domovih in podjetjih, ki neprestano uporabljajo na Zemlji.

Zakon natančneje določa:

Algebrska vsota toka v katerem koli stičišču je nič.

Ker je tok tok elektronov skozi prevodnik, se ta ne more sestaviti na stičišču, kar pomeni, da je tok ohranjen: Kar pride, mora iziti. Predstavljajte dobro znan primer križišča: a

Pri izračunih ima tok, ki teče v križišče in iz njega, navadno nasprotne znake. Prav tako lahko navedete Kirchhoffov veljavni zakon na naslednji način:

Vsota toka v stičišču je enaka vsoti toka iz stičišča.

Dva zakona lahko natančneje razdelite.

Na sliki je prikazan stičišče štirih vodnikov (žic). Tokovi v₂ in v₃ tečejo v križišče, medtem ko v₁ in v₄ teče iz nje. V tem primeru je Kirchhoffovo pravilo povezave dobilo naslednjo enačbo:

v₂ + v₃ = v₁ + v₄

Kirchhoffov zakon o napetosti opisuje porazdelitev električna napetost znotraj zanke ali zaprte prevodne poti električnega tokokroga. Kirchhoffov zakon o napetosti določa, da:

Algebrska vsota napetostnih (potencialnih) razlik v kateri koli zanki mora biti enaka nič.

Razlike v napetosti vključujejo tiste, povezane z elektromagnetnimi polji (EMF) in uporovnimi elementi, kot so upori, viri napajanja (na primer baterije) ali naprave - svetilke, televizorji in mešalniki - priključeni na vezje. Prikažite to kot napetost narašča in pada, ko nadaljujete po kateri koli posamezni zanki v vezju.

Kirchhoffov zakon o napetosti nastane, ker je elektrostatično polje znotraj električnega tokokroga konzervativno polje sil. Napetost predstavlja električno energijo v sistemu, zato si omislite to kot poseben primer ohranjanja energije. Ko greš okoli zanke, imaš ob izhodišču enak potencial kot takrat ste začeli, zato se morajo vsa povečanja in zmanjšanja vzdolž zanke preklicati za popolno spremembo nič. Če tega ne bi imeli, bi imel potencial na začetni / končni točki dve različni vrednosti.

Uporaba pravila napetosti zahteva nekaj podpisnih konvencij, ki niso nujno tako jasne kot tiste v trenutnem pravilu. Izberite smer (v smeri urinega kazalca ali v nasprotni smeri urinega kazalca), da greste po zanki. Ko v EMF (vir napajanja) potujete od pozitivnega do negativnega (+ do -), napetost pade, zato je vrednost negativna. Pri prehodu iz negativne v pozitivno (- do +) napetost narašča, torej je vrednost pozitivna.

Ne pozabite, da med vožnjo po krogu uporabljate Kirchhoffov zakon o napetosti, bodite prepričani, da gresta vedno enako smer (v smeri urinega kazalca ali v nasprotni smeri urinega kazalca), da ugotovimo, ali posamezen element predstavlja povečanje ali zmanjšanje v Napetost. Če začnete skakati naokoli, se premikati v različne smeri, bo vaša enačba napačna.

Pri križanju upora se sprememba napetosti določi s formulo:

I * R

kje jaz je vrednost toka in R je upor upora. Prečkanje v isti smeri kot tok pomeni, da napetost pada, zato je njegova vrednost negativna. Pri prečkanju upora v smeri nasproti toka je vrednost napetosti pozitivna, zato narašča.

Najosnovnejše aplikacije za Kirchhoffove zakone se nanašajo na električna vezja. Morda se spomnite iz fizike srednje šole, da mora elektrika v tokokrogu teči v eni neprekinjeni smeri. Če na primer izklopite stikalo za luč, prekinete vezje in s tem izklopite luč. Ko ponovno preklopite stikalo, ponovno povežete vezje in lučke se spet prižgejo.

Ali pa pomislite na nizanje luči na vaši hiši ali božično drevo. Če samo ena žarnica zasveti, ugasne celoten niz luči. To je zato, ker elektrika, ki jo ustavi prekinjena luč, nima kam iti. To je isto kot izklopiti stikalo za luč in prekiniti vezje. Drugi vidik tega v zvezi z Kirchhoffovimi zakoni je, da mora biti vsota vse električne energije, ki vstopa in izteka iz križišča, enaka nič. Električna energija, ki vstopa v stičišče (in teče okoli tokokroga), mora biti enaka nič, ker mora priti tudi elektrika, ki se vklopi.

Torej, ko naslednjič delate na svoji razdelilni omarici ali opazujete električarja, kako to stori, vtaknete električne praznične luči ali vklopite ali izklopite televizor ali računalnik, ne pozabite, da je Kirchhoff najprej opisal, kako vse to deluje, in tako začel v dobi elektrika.