Οι νόμοι του Gustav Kirchhoff και του Kirchhoff για τα ηλεκτρικά κυκλώματα

Ο Gustav Robert Kirchhoff (12 Μαρτίου 1824 - 17 Οκτωβρίου 1887) ήταν Γερμανός φυσικός. Είναι γνωστό για την ανάπτυξη Οι νόμοι του Kirchhoff, τα οποία ποσοτικοποιούν το ρεύμα και Τάση σε ηλεκτρικά κυκλώματα. Εκτός από τους νόμους του Kirchhoff, ο Kirchhoff έκανε διάφορες άλλες θεμελιώδεις συνεισφορές στη φυσική, συμπεριλαμβανομένων των εργασιών φασματοσκοπία και ακτινοβολία μαύρου σώματος.

Γρήγορα γεγονότα: Γκασάτ Κίρχοφ

Γεννημένος στο Königsberg, Πρωσία (τώρα Καλίνινγκραντ, Ρωσία), ο Gustav Kirchhoff ήταν ο νεότερος από τους τρεις γιους. Οι γονείς του ήταν ο Carl Friedrich Kirchhoff, ένας νομικός σύμβουλος αφιερωμένος στο πρωσικό κράτος και η Juliane Johanna Henriette von Wittke. Οι γονείς του Kirchhoff ενθάρρυναν τα παιδιά τους να υπηρετούν το Πρωσικό κράτος όσο καλύτερα μπορούσαν. Ο Kirchoff ήταν ακαδημαϊκά ισχυρός φοιτητής, οπότε σχεδίαζε να γίνει καθηγητής πανεπιστημίου, ο οποίος θεωρήθηκε τότε δημόσιος υπάλληλος στη Πρωσία. Ο Kirchhoff παρακολούθησε με τα αδέλφια του το Kneiphofische High School και έλαβε το δίπλωμά του το 1842.

Μετά την αποφοίτησή του στο γυμνάσιο, ο Kirchhoff άρχισε να σπουδάζει στο τμήμα Μαθηματικών-Φυσικών στο Πανεπιστήμιο Albertus του Königsberg. Εκεί, ο Kirchhoff παρακολούθησε σεμινάριο μαθηματικών-φυσικών από το 1843 έως το 1846 που αναπτύχθηκε από τους μαθηματικούς Franz Neumann και Carl Jacobi.

Ειδικότερα, ο Neumann είχε βαθύ αντίκτυπο στον Kirchhoff και τον ενθάρρυνε να ακολουθήσει τη μαθηματική φυσική - ένα πεδίο που επικεντρώνεται στην ανάπτυξη μαθηματικών μεθόδων για προβλήματα στη φυσική. Κατά τη διάρκεια της μελέτης με τον Neumann, ο Kirchhoff δημοσίευσε το πρώτο του έγγραφο το 1845 στην ηλικία των 21 ετών. Αυτό το έγγραφο περιείχε τους δύο νόμους του Kirchhoff, οι οποίοι επιτρέπουν τον υπολογισμό του ρεύματος και της τάσης στα ηλεκτρικά κυκλώματα.

Οι νόμοι του Kirchhoff για το ρεύμα και την τάση βρίσκονται στο επίκεντρο της ανάλυσης των ηλεκτρικών κυκλωμάτων, επιτρέποντας την ποσοτικοποίηση του ρεύματος και της τάσης στο κύκλωμα. Ο Kirchhoff προέβλεψε αυτούς τους νόμους με τη γενίκευση των αποτελεσμάτων του Ο νόμος του Ομμ, το οποίο δηλώνει ότι το ρεύμα μεταξύ δύο σημείων είναι άμεσα ανάλογο προς την τάση μεταξύ αυτών των σημείων και αντιστρόφως ανάλογο προς την αντίσταση.

Ο πρώτος νόμος του Kirchhoff λέει ότι σε μια δεδομένη διασταύρωση σε ένα κύκλωμα, το ρεύμα που πηγαίνει στη διασταύρωση πρέπει να ισούται με το άθροισμα των ρευμάτων που εξέρχονται από τη διασταύρωση. Ο δεύτερος νόμος του Kirchhoff λέει ότι εάν υπάρχει κλειστός βρόχος σε ένα κύκλωμα, το άθροισμα των διαφορών τάσης εντός του βρόχου ισούται με το μηδέν.

Μέσω της συνεργασίας του με το Bunsen, ο Kirchhoff ανέπτυξε τρεις νόμους του Kirchhoff για φασματοσκοπία:

1. Τα πυρακτώματα, τα υγρά ή τα πυκνά αέρια - τα οποία ανάβουν μετά τη θέρμανση τους - εκπέμπουν α συνεχής φάσμα φωτός: εκπέμπουν φως σε όλα τα μήκη κύματος.
2. Ένα καυτό αέριο χαμηλής πυκνότητας παράγει ένα γραμμής εκπομπών φάσμα: το αέριο εκπέμπει φως σε συγκεκριμένα, διακριτά μήκη κύματος, τα οποία μπορούν να θεωρηθούν ως φωτεινές γραμμές σε ένα άλλο σκοτεινό φάσμα.
3. Ένα συνεχές φάσμα που διασχίζει ένα ψυκτικό αέριο χαμηλής πυκνότητας παράγει ένα γραμμή απορρόφησης φάσμα: το αέριο απορροφά φως σε συγκεκριμένα, διακριτά μήκη κύματος, τα οποία μπορούν να θεωρηθούν ως σκοτεινές γραμμές σε ένα κατά τα άλλα συνεχές φάσμα.

Επειδή τα άτομα και τα μόρια παράγουν τα δικά τους μοναδικά φάσματα, αυτοί οι νόμοι επιτρέπουν την ταυτοποίηση ατόμων και μορίων που βρίσκονται στο αντικείμενο που μελετάται.

Ο Kirchhoff πραγματοποίησε επίσης σημαντική εργασία στην θερμική ακτινοβολία και πρότεινε το νόμο περί θερμικής ακτινοβολίας του Kirchhoff το 1859. Αυτός ο νόμος δηλώνει ότι η ικανότητα εκπομπής (ικανότητα εκπομπής ενέργειας ως ακτινοβολία) και η απορρόφηση (ικανότητα απορρόφησης της ακτινοβολίας) ένα αντικείμενο ή μια επιφάνεια είναι ίσα σε οποιοδήποτε μήκος κύματος και θερμοκρασία, εάν το αντικείμενο ή η επιφάνεια είναι στατική ισορροπία.

Κατά τη μελέτη της θερμικής ακτινοβολίας, ο Kirchhoff εφάρμοσε επίσης τον όρο "μαύρο σώμα" για να περιγράψει ένα υποθετικό αντικείμενο που απορροφά όλα εισερχόμενο φως και έτσι εκπέμπει όλο αυτό το φως όταν διατηρήθηκε σε σταθερή θερμοκρασία για να καθιερωθεί θερμική ισορροπία. Το 1900, ο φυσικός Max Planck θα υποθέσει ότι αυτά τα μαύρα σώματα απορροφούν και εκπέμπουν ενέργεια σε ορισμένες αξίες που ονομάζονται "quanta. " Αυτή η ανακάλυψη θα χρησίμευε ως μία από τις βασικές ιδέες για την κβαντική μηχανική.

Το 1847, ο Kirchhoff αποφοίτησε από το Πανεπιστήμιο Königsberg και έγινε μη αμειβόμενος λέκτορας στο Πανεπιστήμιο του Βερολίνου στη Γερμανία το 1848. Το 1850 έγινε αναπληρωτής καθηγητής στο Πανεπιστήμιο του Breslau και το 1854 καθηγητής φυσικής στο πανεπιστήμιο της Χαϊδελβέργης. Στο Breslau, ο Kirchhoff συναντήθηκε με τον Γερμανό χημικό Robert Bunsen, μετά τον οποίο Bunsen καυστήρα ονομάστηκε και ήταν ο Bunsen που κανόνισε τον Kirchhoff να έρθει στο πανεπιστήμιο της Χαϊδελβέργης.

Στη δεκαετία του 1860, οι Kirchhoff και Bunsen έδειξαν ότι κάθε στοιχείο θα μπορούσε να ταυτιστεί με ένα μοναδικό φασματικό πρότυπο, διαπιστώνοντας ότι η φασματοσκοπία θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για την πειραματική ανάλυση των στοιχείων. Το ζευγάρι θα ανακαλύψει τα στοιχεία το καίσιο και ρουβίνιο ενώ διερευνούν τα στοιχεία στον ήλιο χρησιμοποιώντας φασματοσκοπία.

Εκτός από τη δουλειά του στη φασματοσκοπία, ο Kirchhoff θα μελετούσε επίσης την ακτινοβολία του μαύρου σώματος, ο οποίος έφερε τον όρο το 1862. Το έργο του θεωρείται θεμελιώδες για την ανάπτυξη του κβαντική μηχανική. Το 1875, ο Kirchhoff έγινε πρόεδρος της μαθηματικής φυσικής στο Βερολίνο. Αργότερα αποχώρησε το 1886.

Ο Kirchhoff πέθανε στις 17 Οκτωβρίου 1887 στο Βερολίνο, στην ηλικία των 63 ετών. Μνημονεύεται για τις συνεισφορές του στο πεδίο της φυσικής καθώς και για την επιρροή του σταδιοδρομία διδασκαλίας. Οι νόμοι του Kirchhoff για τα ηλεκτρικά κυκλώματα διδάσκονται τώρα ως μέρος των εισαγωγικών μαθημάτων φυσικής στον ηλεκτρομαγνητισμό.

• Χόκεϊ, Thomas A., συντάκτης. Η βιογραφική εγκυκλοπαίδεια των αστρονόμων. Springer, 2014.
• Inan, Aziz S. "Τι έκανε ο Γκούσταβ Ρόμπερτ Κίρχοφ να σκοντάψει πριν από 150 χρόνια;" Πρακτικά του 2010 IEEE Διεθνές Συμπόσιο για τα Κυκλώματα και τα Συστήματα, σελ. 73–76.
• "Οι νόμοι του Kirchhoff." Cornell University, http://astrosun2.astro.cornell.edu/academics/courses/astro201/kirchhoff.htm.
• Kurrer, Karl-Eugen. Η Ιστορία της Θεωρίας των Δομών: από την Ανάλυση Αρχών μέχρι την Υπολογιστική Μηχανική. Ernst & Sohn, 2008.
• "Γκούσταβ Ρόμπερτ Κίρχοφ." Μοριακές εκφράσεις: Επιστήμη, οπτική, και εσείς, 2015, https://micro.magnet.fsu.edu/optics/timeline/people/kirchhoff.html.
• O'Connor, J. J., and Robertson, Ε. ΦΑ. "Γκούσταβ Ρόμπερτ Κίρχοφ." Πανεπιστήμιο του St. Andrews, Σκωτία, 2002.
• Πάλμα, Κρίστοφερ. "Οι νόμοι και η φασματοσκοπία του Kirchoff." Το Πανεπιστήμιο της Πενσυλβανίας, https://www.e-education.psu.edu/astro801/content/l3_p6.html.