Οι νόμοι του Kirchhoff για το ρεύμα και την τάση

Το 1845, Γερμανός φυσικός Γκούσταβ Κίρχοφ περιγράφει για πρώτη φορά δύο νόμους που έγιναν κεντρικοί στην ηλεκτροτεχνία. Ο ισχύων νόμος του Kirchhoff, γνωστός επίσης ως νόμος συνδέσεων του Kirchhoff, και ο πρώτος νόμος του Kirchhoff, καθορίζουν τον τρόπο με τον οποίο ηλεκτρικό ρεύμα διανέμεται όταν διασχίζει μια διασταύρωση-ένα σημείο όπου συναντώνται τρεις ή περισσότεροι αγωγοί. Με άλλα λόγια, οι νόμοι του Kirchhoff δηλώνουν ότι το άθροισμα όλων των ρευμάτων που εξέρχονται από έναν κόμβο σε ένα ηλεκτρικό δίκτυο είναι πάντα ίσο με το μηδέν.

Αυτοί οι νόμοι είναι εξαιρετικά χρήσιμοι στην πραγματική ζωή επειδή περιγράφουν τη σχέση των τιμών των ρευμάτων που ρέουν μέσω ενός σημείου σύνδεσης και των τάσεων σε ένα βρόχο ηλεκτρικού κυκλώματος. Περιγράφουν πώς ρέει το ηλεκτρικό ρεύμα σε όλα τα δισεκατομμύρια ηλεκτρικών συσκευών και συσκευών, καθώς και σε σπίτια και επιχειρήσεις που χρησιμοποιούνται συνεχώς στη Γη.

Συγκεκριμένα, οι νόμοι αναφέρουν:

Το αλγεβρικό άθροισμα του ρεύματος σε οποιαδήποτε διασταύρωση είναι μηδέν.

Δεδομένου ότι το ρεύμα είναι η ροή των ηλεκτρονίων μέσω ενός αγωγού, δεν μπορεί να συσσωρευτεί σε μια διασταύρωση, πράγμα που σημαίνει ότι το ρεύμα διατηρείται: Αυτό που πηγαίνει πρέπει να βγει. Εικόνα ένα πολύ γνωστό παράδειγμα μιας διασταύρωσης: α κουτί σύνδεσης. Αυτά τα κουτιά τοποθετούνται στα περισσότερα σπίτια. Αυτά είναι τα κουτιά που περιέχουν την καλωδίωση μέσω της οποίας πρέπει να ρέει όλη η ηλεκτρική ενέργεια στο σπίτι.

Κατά τον υπολογισμό, το ρεύμα που ρέει προς και από τη διακλάδωση έχει τυπικά αντίθετα σήματα. Μπορείτε επίσης να δηλώσετε τον ισχύοντα Νόμο του Kirchhoff ως εξής:

Το άθροισμα του ρεύματος σε μια διασταύρωση ισούται με το άθροισμα του ρεύματος από τη διασταύρωση.

Μπορείτε να αναλύσετε περαιτέρω τους δύο νόμους πιο συγκεκριμένα.

Στην εικόνα εμφανίζεται ένας κόμβος τεσσάρων αγωγών (καλωδίων). Τα ρεύματα v₂ και v₃ ρέουν στη διασταύρωση, ενώ v₁ και v₄ ρέουν από αυτό. Σε αυτό το παράδειγμα, ο κανόνας του Junction του Kirchhoff αποδίδει την ακόλουθη εξίσωση:

v₂ + v₃ = v₁ + v₄

Ο νόμος τάσης του Kirchhoff περιγράφει τη διανομή του ηλεκτρική τάση μέσα σε βρόχο ή σε κλειστό αγωγό, ενός ηλεκτρικού κυκλώματος. Ο νόμος περί τάσης του Kirchhoff αναφέρει ότι:

Το αλγεβρικό άθροισμα των διαφορών τάσης (δυναμικού) σε κάθε βρόχο πρέπει να είναι μηδενικό.

Οι διαφορές τάσης περιλαμβάνουν εκείνες που σχετίζονται με ηλεκτρομαγνητικά πεδία (EMF) και αντιστατικά στοιχεία, όπως π.χ. αντιστάσεις, πηγές ενέργειας (μπαταρίες, για παράδειγμα) ή συσκευές-λάμπες, τηλεοράσεις και μπλέντερ-συνδεδεμένες στο κύκλωμα. Φανταστείτε αυτό καθώς η τάση ανεβαίνει και πέφτει καθώς προχωράτε γύρω από οποιονδήποτε από τους μεμονωμένους βρόχους στο κύκλωμα.

Ο νόμος περί τάσης του Kirchhoff συμβαίνει επειδή το ηλεκτροστατικό πεδίο εντός ενός ηλεκτρικού κυκλώματος είναι ένα συντηρητικό πεδίο ισχύος. Η τάση αντιπροσωπεύει την ηλεκτρική ενέργεια στο σύστημα, οπότε σκεφτείτε το ως μια συγκεκριμένη περίπτωση συντήρησης της ενέργειας. Καθώς περνάτε γύρω από έναν βρόχο, όταν φτάσετε στο σημείο εκκίνησης έχει τις ίδιες δυνατότητες όπως και όταν ξεκινήσατε, οπότε κάθε αύξηση και μείωση κατά μήκος του βρόχου πρέπει να ακυρωθεί για μια συνολική αλλαγή μηδέν. Εάν δεν το έκαναν, τότε το δυναμικό στο σημείο έναρξης / τέλους θα είχε δύο διαφορετικές τιμές.

Η χρήση του κανόνα τάσης απαιτεί ορισμένες συμβάσεις σημάτων, οι οποίες δεν είναι απαραιτήτως τόσο ξεκάθαρες όσο αυτές του ισχύοντος κανόνα. Επιλέξτε μια κατεύθυνση (δεξιόστροφα ή αριστερόστροφα) για να πάτε κατά μήκος του βρόχου. Όταν ταξιδεύετε από θετικό σε αρνητικό (+ προς -) σε EMF (πηγή ενέργειας), η τάση μειώνεται, οπότε η τιμή είναι αρνητική. Όταν πηγαίνουμε από αρνητικό σε θετικό (- +), η τάση ανεβαίνει, οπότε η τιμή είναι θετική.

Θυμηθείτε ότι όταν ταξιδεύετε γύρω από το κύκλωμα για να εφαρμόσετε τον νόμο περί τάσης του Kirchhoff, βεβαιωθείτε ότι συνεχίζετε πάντα με τον ίδιο τρόπο (δεξιόστροφα ή αριστερόστροφα) για να προσδιορίσετε εάν ένα δεδομένο στοιχείο αντιπροσωπεύει μια αύξηση ή μείωση του Τάση. Εάν αρχίσετε να πηδάτε, κινώντας σε διαφορετικές κατευθύνσεις, η εξίσωση σας θα είναι λανθασμένη.

Κατά τη διέλευση ενός αντιστάτη, η μεταβολή της τάσης καθορίζεται από τον τύπο:

I * R

που Εγώ είναι η τιμή του ρεύματος και του R είναι η αντίσταση της αντίστασης. Η διέλευση στην ίδια κατεύθυνση με το ρεύμα σημαίνει ότι η τάση μειώνεται, οπότε η τιμή του είναι αρνητική. Κατά τη διέλευση ενός αντιστάτη στην αντίθετη κατεύθυνση του ρεύματος, η τιμή τάσης είναι θετική, επομένως αυξάνεται.

Οι πιο βασικές εφαρμογές για τους νόμους του Kirchhoff αφορούν τα ηλεκτρικά κυκλώματα. Μπορεί να θυμάστε από τη φυσική του γυμνασίου ότι η ηλεκτρική ενέργεια σε ένα κύκλωμα πρέπει να ρέει σε μια συνεχή κατεύθυνση. Εάν αναστρέψετε έναν διακόπτη φωτισμού, για παράδειγμα, σπάτε το κύκλωμα και, κατά συνέπεια, σβήνετε το φως. Αφού γυρίσετε ξανά τον διακόπτη, επαναφέρετε το κύκλωμα και τα φώτα επανέρχονται.

Ή, σκεφτείτε τα χτυπήματα φώτα στο σπίτι σας ή χριστουγεννιάτικο δέντρο. Εάν φυσάει ένας μόνο λαμπτήρας, το σύνολο των λυχνιών σβήνει. Αυτό συμβαίνει επειδή ο ηλεκτρισμός, που σταμάτησε από το σπασμένο φως, δεν έχει τόπο να πάει. Είναι το ίδιο με την απενεργοποίηση του διακόπτη φωτισμού και τη διακοπή του κυκλώματος. Η άλλη πτυχή αυτού σε σχέση με τους νόμους του Kirchhoff είναι ότι το άθροισμα όλων των ηλεκτρικών ρευμάτων που εισέρχονται και εξέρχονται από μια διασταύρωση πρέπει να είναι μηδενικά. Το ηλεκτρικό ρεύμα που εισέρχεται στη διασταύρωση (και ρέει γύρω από το κύκλωμα) πρέπει να ισούται με το μηδέν επειδή η ηλεκτρική ενέργεια που εισέρχεται πρέπει επίσης να βγει.

Έτσι, την επόμενη φορά που εργάζεστε στο κιβώτιο διασταύρωσης ή παρατηρώντας έναν ηλεκτρολόγο που το κάνει, χτυπά ηλεκτρικά φώτα διακοπών, ή ενεργοποιώντας ή απενεργοποιώντας την τηλεόραση ή τον υπολογιστή σας, θυμηθείτε ότι ο Kirchhoff περιγράφει για πρώτη φορά πώς λειτουργεί όλα, οδηγώντας έτσι στην ηλικία των ηλεκτρική ενέργεια.