Kirchhoffo srovės ir įtampos įstatymai

1845 m., Vokiečių fizikas Gustavas Kirchhoffas pirmiausia aprašė du įstatymus, kurie tapo pagrindine elektrotechnikos dalimi. Dabartinis Kirchhoffo įstatymas, dar žinomas kaip Kirchhofo sankryžų įstatymas, ir Pirmasis Kirchhoffo įstatymas nusako, kaip elektros srovė yra paskirstomas, kai kerta sankryžą - tašką, kuriame susitinka trys ar daugiau laidininkų. Kitaip tariant, Kirchhoffo įstatymai teigia, kad visų srovių, paliekančių mazgą elektros tinkle, suma visada lygi nuliui.

Šie dėsniai yra ypač naudingi realiame gyvenime, nes jie apibūdina srovių, tekančių per sankryžos tašką, ir įtampų elektros grandinės kilpoje santykį. Jie apibūdina, kaip elektros srovė teka visuose milijarduose elektrinių prietaisų ir prietaisų, taip pat namuose ir įmonėse, kurie nuolat naudojami žemėje.

Tiksliau sakant, įstatymai nustato:

Algebrinė bet kurios sankryžos srovės suma yra lygi nuliui.

Kadangi srovė yra elektronų srautas per laidininką, ji negali kauptis sankryžoje, tai reiškia, kad srovė yra išsaugota: kas išeina, turi išeiti. Pavaizduokite gerai žinomą sankryžos pavyzdį: a

Atliekant skaičiavimus, srovė, tekanti į sankryžą ir iš jos, paprastai turi priešingų ženklų. Taip pat galite išdėstyti dabartinį Kirchhoffo įstatymą:

Srovės į sankryžą suma lygi srovės iš sankryžos sumai.

Galite dar labiau suskirstyti du įstatymus.

Nuotraukoje parodyta keturių laidininkų (laidų) sankryža. Srovės v₂ ir v₃ teka į sankryžą, o v₁ ir v₄ ištekėti iš jo. Šiame pavyzdyje Kirchhoffo sankryžos taisyklė pateikia šią lygtį:

v₂ + v₃ = v₁ + v₄

Kirchhoffo įtampos įstatymas apibūdina elektros įtampa per elektros grandinės kilpą arba uždarą laidų kelią. Kirchhoffo įtampos įstatymas teigia, kad:

Bet kurios kilpos algebrinė įtampos (potencialo) skirtumų suma turi būti lygi nuliui.

Įtampos skirtumai apima tuos, kurie yra susiję su elektromagnetiniais laukais (EML) ir varžiniais elementais, tokiais kaip rezistoriai, maitinimo šaltiniai (pavyzdžiui, akumuliatoriai) arba įtaisai - lempos, televizoriai ir maišytuvai - prijungti prie grandinė. Pavaizduokite tai kaip įtampa, kylanti ir krintanti, einant aplink bet kurią grandinės atskirą kilpą.

Kirchhoffo įtampos dėsnis atsiranda todėl, kad elektrostatinis laukas elektros grandinėje yra konservatyvus jėgos laukas. Įtampa parodo sistemos energiją, todėl pagalvokite apie tai kaip apie ypatingą energijos taupymo atvejį. Važiuodami kilpa, atvykę į pradinį tašką turite tą patį potencialą, kaip ir tada jūs pradėjote, todėl bet kokį padidėjimą ir sumažėjimą iš eilės turite atšaukti, kad visiškai pakeistumėte nulis. Jei jie to nepadarė, tada potencialas pradžios / pabaigos taške turės dvi skirtingas vertes.

Norint naudoti įtampos taisyklę, reikia tam tikrų ženklų, kurie nebūtinai yra tokie aiškūs kaip dabartinės taisyklės. Pasirinkite kryptį (pagal laikrodžio rodyklę arba prieš laikrodžio rodyklę), kad eitumėte išilgai kilpos. Važiuojant iš teigiamo į neigiamą (nuo + iki -) į EML (energijos šaltinį), įtampa krenta, todėl vertė yra neigiama. Pereinant nuo neigiamos prie teigiamos (- iki +), įtampa didėja, taigi vertė yra teigiama.

Atminkite, kad keliaudami aplink trasą, kad galėtumėte pritaikyti Kirchhoffo įtampos įstatymą, įsitikinkite, kad visada einate tuo pačiu kryptimi (pagal laikrodžio rodyklę arba prieš laikrodžio rodyklę), kad būtų galima nustatyti, ar nurodytas elementas reiškia Įtampa. Jei pradėsite šokinėti, judėsite skirtingomis kryptimis, jūsų lygtis bus neteisinga.

Kertant rezistorių, įtampos pokytis nustatomas pagal formulę:

I * R

kur Aš yra srovės ir R yra rezistoriaus varža. Kryžminimas ta pačia kryptimi kaip ir srovė reiškia, kad įtampa krinta, todėl jos vertė yra neigiama. Kertant rezistorių priešinga srovei kryptimi, įtampos vertė yra teigiama, todėl ji didėja.

Pagrindinės Kirchhoffo įstatymų taikymo sritys yra susijusios su elektros grandinėmis. Iš vidurinės mokyklos fizikos galite prisiminti, kad elektra grandinėje turi tekėti viena nepertraukiama kryptimi. Pvz., Jei išjungiate šviesos jungiklį, nutraukiate grandinę ir išjungiate šviesą. Kai dar kartą apversite jungiklį, vėl įjungsite grandinę, o lemputės vėl įsijungs.

Arba pagalvokite apie savo namo ar kalėdinės eglutės pritvirtinimą. Jei užsidega tik viena lemputė, užsidega visa lemputė. Taip yra todėl, kad elektra, kurią sustabdo sugedusi šviesa, neturi kur eiti. Tai tas pats, kaip išjungti šviesos jungiklį ir nutraukti grandinę. Kitas aspektas, susijęs su Kirchhoffo įstatymais, yra tas, kad visos į sankryžą įeinančios ir iš jos išeinančios elektros energijos suma turi būti lygi nuliui. Elektra, einanti į sankryžą (ir tekanti aplink grandinę), turi būti lygi nuliui, nes įeinanti elektra taip pat turi išeiti.

Taigi, kitą kartą dirbdami prie jungiamosios dėžutės ar stebėdami, kaip elektrikas tai daro, pritvirtinkite elektrines atostogų lemputes arba įjungdami arba išjungdami televizorių ar kompiuterį, atsiminkite, kad Kirchhoffas pirmiausia aprašė, kaip viskas veikia, tokiu būdu įvesdami amžių elektra.