Законите на Кирхоф за ток и напрежение

През 1845 г. немски физик Густав Кирхоф първо описа два закона, които станаха централни за електротехниката. Сегашният закон на Кирхоф, известен още като Законът за присъединяване на Кирххоф и Първият закон на Кирхоф, определя начина, по който електрически ток се разпределя, когато преминава през кръстовище - точка, където се срещат три или повече проводници. Казано по друг начин, Законите на Кирхоф заявяват, че сборът от всички токове, оставящи възел в електрическа мрежа, винаги е равен на нула.

Тези закони са изключително полезни в реалния живот, защото описват отношението на стойностите на токове, които протичат през точка на съединение и напрежения в електрическа верига. Те описват как протича електрическият ток във всички милиарди електрически уреди и устройства, както и в домовете и предприятията, които се използват непрекъснато на Земята.

По-конкретно, законите гласи:

Алгебраичната сума на тока във всяко съединение е нула.

Тъй като токът е потокът на електрони през проводник, той не може да се изгради на кръстовище, което означава, че токът се запазва: Това, което влиза, трябва да излезе. Представете добре известен пример за кръстовище: a

При извършване на изчисления, токът, преминаващ във и извън кръстовището, обикновено има противоположни знаци. Можете също така да посочите действащия закон на Кирхоф, както следва:

Сумата на тока в съединение е равна на сумата на тока извън кръстовището.

Можете да разградите по-конкретно двата закона.

На снимката е показано съединение от четири проводника (проводници). Теченията V₂ и V₃ се вливат в кръстовището, докато V₁ и V₄ изтича от него. В този пример правилото за свързване на Кирхоф дава следното уравнение:

V₂ + V₃ = V₁ + V₄

Законът за напрежението на Кирхоф описва разпределението на електрическо напрежение вътре в контур или затворен проводник на електрическа верига. Законът за напрежението на Kirchhoff гласи, че:

Алгебричната сума на разликите в напрежението (потенциала) във всеки цикъл трябва да е равна на нула.

Разликите в напрежението включват тези, свързани с електромагнитни полета (EMFs) и резистивни елементи, като например резистори, източници на енергия (например батерии) или устройства - лампи, телевизори и смесители - включени в верига. Представете това като напрежението нараства и спада, докато продължите около всеки от отделните контури във веригата.

Законът за напрежението на Кирхоф възниква, защото електростатичното поле в електрическата верига е консервативно силово поле. Напрежението представлява електрическата енергия в системата, така че помислете за това като за конкретен случай на запазване на енергията. Когато обикаляте цикъл, когато стигнете до началната точка, има същия потенциал, както и когато Вие започнахте, така че всякакви увеличения и намаления по цикъла трябва да се откажат за пълна промяна на нула. Ако не са, потенциалът в началната / крайната точка би имал две различни стойности.

Използването на правилото за напрежение изисква някои конвенции за знаци, които не са непременно толкова ясни, колкото тези в текущото правило. Изберете посока (или обратно на часовниковата стрелка), за да продължите по контура. Когато пътувате от положително към отрицателно (+ до -) в ЕМП (източник на захранване), напрежението спада, така че стойността е отрицателна. При преминаване от отрицателно към положително (- към +), напрежението се увеличава, така че стойността е положителна.

Не забравяйте, че когато обикаляте веригата, за да приложите закона за напрежението на Кирхоф, бъдете сигурни, че винаги вървите в същото посока (по посока на часовниковата стрелка или обратно на часовниковата стрелка), за да се определи дали даден елемент представлява увеличение или намаление на волтаж. Ако започнете да скачате наоколо, да се движите в различни посоки, вашето уравнение ще бъде неправилно.

При пресичане на резистор промяната на напрежението се определя по формулата:

I * R

където аз е стойността на тока и R е съпротивлението на резистора. Пресичането в същата посока като тока означава, че напрежението намалява, така че неговата стойност е отрицателна. При пресичане на резистор в посока, обратна на тока, стойността на напрежението е положителна, така че се увеличава.

Най-основните приложения за законите на Кирхоф са свързани с електрически вериги. Може би си спомняте от физиката на средното училище, че електричеството в дадена верига трябва да тече в една непрекъсната посока. Ако изключите светлинен превключвател, например, прекъсвате веригата и следователно изключвате светлината. След като включите отново превключвателя, отново задействате веригата и светлините се включват отново.

Или помислете за нанизващи светлини на вашата къща или коледно дърво. Ако изгасне само една крушка, целият низ от светлини угасва. Това е така, защото електричеството, спряно от разбитата светлина, няма къде да отиде. Това е същото като изключване на превключвателя на светлината и прекъсване на веригата. Другият аспект на това по отношение на законите на Кирхоф е, че сборът на цялото електричество, влизащо и изтичащо от кръстовище, трябва да е равен на нула. Електричеството, влизащо в кръстовището (и преминаващо около веригата), трябва да е равно на нула, тъй като електричеството, което влиза, също трябва да излезе.

И така, следващия път, когато работите върху вашата разклонителна кутия или наблюдавате електротехник, който прави това, нанизвате електрически празнични светлини или включване или изключване на телевизора или компютъра ви, не забравяйте, че Кирхоф първо описа как работи всичко, като по този начин въведе в ерата на електричество.