Gustav Kirchhoff és Kirchhoff elektromos áramkörökre vonatkozó törvényei

Gustav Robert Kirchhoff (1824. március 12. – 1887. Október 17.) német fizikus volt. Leginkább a fejlődéséről ismert Kirchhoff törvényei, amely számszerűsíti a jelenlegi és feszültség az elektromos áramkörökben. Kirchhoff törvényei mellett Kirchhoff számos más alapvető hozzájárulást nyújtott a fizikához, ideértve a spektroszkópia és fekete test sugárzása.

Gyors tények: Gustav Kirchhoff

Königsbergben született, Poroszország (jelenleg Kalinyingrád, Oroszország), Gustav Kirchhoff volt a három fia közül a legfiatalabb. Szülei Carl Friedrich Kirchhoff, a porosz államnak szentelt jogtanácsos, és Juliane Johanna Henriette von Wittke. Kirchhoff szülei arra ösztönözték gyermekeiket, hogy minél jobban szolgálják a porosz államot. Kirchoff egyetemilag erős hallgató volt, így egyetemi tanárrá vált, akit akkoriban Poroszországban köztisztviselői szerepnek tartottak. Kirchhoff testvéreivel részt vett a Kneiphofische Középiskolában, és 1842-ben megkapta a diplomaét.

A középiskolát követően Kirchhoff a Königsbergi Albertus Egyetem matematikai-fizikai tanszékén folytatta tanulmányait. Kirchhoff ott részt vett egy matematikai-fizikai szemináriumon 1843-1846 között, amelyet Franz Neumann és Carl Jacobi matematikusok fejlesztettek ki.

Különösen Neumann mély hatással volt Kirchhoffra, és ösztönözte őt a matematikai fizika folytatására - egy olyan területre, amely a fizikai problémák matematikai módszereinek fejlesztésére összpontosít. Míg a Neumann-nal tanulmányozta, Kirchhoff 2145 évesen 1845-ben publikálta első cikkét. Ez a cikk tartalmazza a két Kirchhoff-törvényt, amelyek lehetővé teszik az áram és a feszültség kiszámítását az elektromos áramkörökben.

Kirchhoff áram- és feszültség törvényei képezik az elektromos áramkörök elemzésének alapját, lehetővé téve az áram és a feszültség számszerűsítését az áramkörön belül. Kirchhoff ezeket a törvényeket a Ohm törvénye, amely szerint a két pont közötti áram egyenesen arányos az e pontok közötti feszültséggel és fordítottan arányos az ellenállással.

Kirchhoff első törvénye azt mondja, hogy egy adott áramkör adott kereszteződésénél a kereszteződésbe beáramló áramnak meg kell egyeznie a kereszteződést elhagyó áramok összegével. Kirchhoff második törvénye azt mondja, hogy ha egy áramkörben zárt hurok van, akkor a hurkon belüli feszültségkülönbségek összege nulla.

A Bunsen-szel való együttműködésével Kirchhoff három Kirchhoff-törvényt dolgozott ki a spektroszkópiához:

1. Az izzószilárd anyagok, folyadékok vagy sűrű gázok - amelyek melegítés után felgyulladnak - bocsátanak ki a folyamatos fény spektruma: fényt bocsátanak ki minden hullámhosszon.
2. Forró, alacsony sűrűségű gáz keletkezik emisszió-line spektrum: a gáz fényt bocsát ki meghatározott, diszkrét hullámhosszon, amely fényes vonalaknak tekinthető egy egyébként sötét spektrumban.
3. A hűvösebb, alacsony sűrűségű gázon áthaladó folyamatos spektrum egy abszorpciós-line spektrum: a gáz elnyeli fény meghatározott, diszkrét hullámhosszon, amely sötét vonalaknak tekinthető egy egyébként folyamatos spektrumban.

Mivel az atomok és molekulák saját egyedi spektrumot hoznak létre, ezek a törvények lehetővé teszik a vizsgált tárgyban található atomok és molekulák azonosítását.

Kirchhoff fontos munkát végzett a hő sugárzás terén is, és 1859-ben javasolta Kirchhoff hő-sugárzási törvényét. Ez a törvény kimondja, hogy a sugárzás sugárzása (képesség sugárzásként energiát kibocsátani) és abszorbanciája (sugárzás abszorpciós képessége) egy tárgy vagy a felület bármilyen hullámhosszon és hőmérsékleten egyenlő, ha az objektum vagy a felület statikus termikus hőmérsékleten van egyensúlyi.

A hő sugárzás tanulmányozása során Kirchhoff a „fekete test” kifejezést is létrehozta egy hipotetikus tárgy leírására, amely minden a bejövő fényt, és így az egész fényt bocsátotta ki, amikor állandó hőmérsékleten tartottuk, hogy létrejöjjön a hő egyensúlyi. 1900-ban a fizikus Max Planck feltételezi, hogy ezek a fekete testek bizonyos értékekben abszorbeáltak és bocsátottak ki energiát, az úgynevezett „kvantumokat.” Ez a felfedezés a kvantummechanika egyik kulcsfontosságú betekintéseként szolgálna.

1847-ben Kirchhoff végzett a Königsbergi Egyetemen, és 1848-ban a németországi Berlini Egyetemen fizetés nélküli előadó lett. 1850-ben docense lett a Breslau Egyetemen, 1854-ben pedig a Heidelbergi Egyetem fizika professzora. Breslauban Kirchhoff találkozott a német kémikus Robert Bunsennel, aki után a Bunsen-égő nevét, és Bunsen volt az, aki Kirchhoffot eljuttatta Heidelberg Egyetemre.

Az 1860-as években Kirchhoff és Bunsen megmutatta, hogy az egyes elemeket egyedi azonosíthatók spektrális mintázat, megállapítva, hogy a spektroszkópia felhasználható az elemek kísérleti elemzésére. A pár felfedezné az elemeket cézium és rubídium miközben spektroszkópiával vizsgálta a nap elemeit.

A spektroszkópiában végzett munkája mellett Kirchhoff a feketesttestek sugárzását is tanulmányozta, és 1862-ben megfogalmazta a kifejezést. Munkáját alapvető fontosságúnak tartja a kvantummechanika. 1875-ben Kirchhoff lett a matematikai fizika elnöke Berlinben. Később 1886-ban vonult vissza.

Kirchhoff 1887. október 17-én halt meg, Németországban, Berlinben, 63 éves korában. Emlékezik rá a fizika területéhez való hozzájárulása, valamint befolyásos tanári karrierje miatt. Kirchhoff elektromos áramkörökre vonatkozó törvényeit az elektromágnesességről szóló fizika bevezető tanfolyamok részeként tanítják.

• Hockey, Thomas A., szerkesztő. A csillagászok életrajzi enciklopédia. Springer, 2014.
• Inan, Aziz S. - Mit botlasztott el Gustav Robert Kirchhoff 150 évvel ezelőtt? Az IEEE áramkörökről és rendszerekről szóló nemzetközi szimpóziumának 2010. folyamai, pp. 73–76.
• - Kirchhoff törvényei. Cornell University, http://astrosun2.astro.cornell.edu/academics/courses/astro201/kirchhoff.htm.
• Kurrer, Karl-Eugen. A struktúrák elméletének története: az arch elemzéstől a számítási mechanikáig. Ernst & Sohn, 2008.
• - Gustav Robert Kirchhoff. Molekuláris kifejezések: Tudomány, optika és te, 2015, https://micro.magnet.fsu.edu/optics/timeline/people/kirchhoff.html.
• O’Connor, J. J. és Robertson, E. F. - Gustav Robert Kirchhoff. St. Andrews Egyetem, Skócia, 2002.
• Palma, Christopher. "Kirchoff törvényei és spektroszkópiája." A Pennsylvaniai Állami Egyetem, https://www.e-education.psu.edu/astro801/content/l3_p6.html.