Kirchhoff áram- és feszültség törvényei

1845-ben német fizikus Gustav Kirchhoff először két olyan törvényt írt le, amelyek központi szerepet játszottak az elektrotechnikában. Kirchhoff jelenlegi törvénye, más néven Kirchhoff csatlakozási törvény és Kirchhoff első törvény, meghatározza azt a módot, amellyel elektromos áram akkor oszlik meg, amikor egy kereszteződésen keresztezi - egy olyan pontot, ahol három vagy több vezető találkozik. Más szóval, Kirchhoff törvényei kimondják, hogy az elektromos hálózatban egy csomópontot elhagyó összes áram összege mindig nulla.

Ezek a törvények rendkívül hasznosak a valós életben, mivel leírják a csatlakozási ponton átáramló áramok és az elektromos áramkör hurok feszültségeinek kapcsolatát. Leírják, hogyan áramlik az elektromos áram az egész milliárd elektromos készülékben és berendezésben, valamint az otthonokban és vállalkozásokban, amelyeket folyamatosan használnak a Földön.

Pontosabban, a törvények kimondják:

Bármelyik kereszteződéshez tartozó áram algebrai összege nulla.

Mivel az áramerősség az elektronok áramlása a vezetőn keresztül, nem tud felhalmozódni egy kereszteződésnél, azaz az áram megmarad: az, ami bemegy, ki kell lépnie. Kép egy keresztmetszet ismert példája: a csatlakozó doboz. Ezek a dobozok a legtöbb házban vannak felszerelve. Ezek azok a dobozok, amelyek tartalmazzák a vezetékeket, amelyeken keresztül az otthoni minden áramnak áramolni kell.

A számítások elvégzésekor a kereszteződésbe és onnan kifolyó áram általában ellentétes jelekkel rendelkezik. A következőképpen mondhatja ki Kirchhoff jelenlegi törvényét:

A csomópontra eső áram összege megegyezik a csomópontból kiáramló áram összegével.

A két törvényt tovább pontosíthatja.

A képen négy vezeték (vezeték) csomópontja látható. Az áramok v₂ és v₃ miközben v₁ és v₄ kiáramlik belőle. Ebben a példában Kirchhoff Junction Rule a következő egyenletet adja:

v₂ + v₃ = v₁ + v₄

Kirchhoff feszültség törvénye leírja a elektromos feszültség egy elektromos áramkör hurokán vagy zárt vezető útján belül. Kirchhoff feszültségtörvénye szerint:

Bármely hurokban a feszültség (potenciál) különbségek algebrai összegének nullának kell lennie.

A feszültségkülönbségek magukban foglalják az elektromágneses mezőkkel (EML) és az ellenálló elemekkel, például a ellenállások, áramforrások (például elemek) vagy eszközök - lámpák, televíziók és keverők - csatlakoztatva a áramkör. Képzelje el, hogyan növekszik és csökken a feszültség, amikor az áramkör bármelyik hurkán körbejár.

Kirchhoff feszültségtörvénye azért jön létre, mert az elektromos áramkör elektrosztatikus mezője konzervatív erőtér. A feszültség a rendszer elektromos energiáját képviseli, ezért gondoljon rá az energiamegtakarítás különleges esetére. A hurok körüli járáskor a kiindulási pontra érkezéskor ugyanaz a potenciál rejlik, mint amikor elkezdted, tehát a hurok mentén bekövetkező bármilyen növekedést és csökkenést vissza kell vonni a teljes változásért nulla. Ha nem, akkor a kezdő / végpont potenciáljának két különböző értéke lenne.

A feszültségszabály használatához szükség van néhány aláírási konvencióra, amelyek nem feltétlenül olyan világosak, mint a jelenlegi szabályban szereplők. Válasszon egy irányt (óramutató járásával ellentétesen vagy az óramutató járásával ellentétesen) a hurok mentén. Ha pozitívról negatívra (+ és -) halad egy EMF-ben (áramforrás), a feszültség csökken, tehát az érték negatív. Ha negatívról pozitívra (- to +) lép, a feszültség növekszik, tehát az érték pozitív.

Ne felejtse el, hogy amikor Kirchhoff feszültségi törvényét alkalmazza az áramkör körül, mindig győződjön meg arról, hogy mindig ugyanazon megy irányba (óramutató járásával ellentétesen vagy az óramutató járásával ellentétesen) annak meghatározására, hogy egy adott elem növekedést vagy csökkenést jelent-e a feszültség. Ha elkezdesz ugrálni és különböző irányba mozogni, akkor az egyenlet nem megfelelő.

Az ellenállás átlépésekor a feszültségváltozást a következő képlet határozza meg:

I * R

hol én a jelenlegi és a R az ellenállás ellenállása. Ha az árammal megegyező irányba keresztezi, akkor a feszültség csökken, tehát értéke negatív. Ha egy ellenállást az árammal ellentétes irányba kereszteznek, a feszültség értéke pozitív, tehát növekszik.

A Kirchhoff-törvények legalapvetőbb alkalmazása az elektromos áramkörökre vonatkozik. Emlékeztethet a középiskolai fizikára, hogy az áramkörben az elektromosságnak folyamatos irányban kell áramolnia. Ha például lekapcsol egy fényszórót, akkor megszakad az áramkör, és ezzel kikapcsolja a fényt. Ha újra megfordítja a kapcsolót, újra csatlakoztassa az áramkört, és a lámpák újra kigyulladjanak.

Vagy gondoljon a ház vagy karácsonyfa fényszóróinak meghúzására. Ha csak egy villanykörte kialszik, az egész lámpa kialszik. Ennek oka az, hogy a megszakadt fény által leállított elektromos áramnak nincs helye. Ugyanaz, mint a fénykapcsoló kikapcsolása és az áramkör megszakítása. Ennek a Kirchhoff-törvények vonatkozásában a másik aspektusa az, hogy a kereszteződésbe belépő és onnan kifolyó összes áramnak nullának kell lennie. A csomópontba beáramló (és az áramkör körül áramló) villamos energiának nullának kell lennie, mivel a beáramló villamos energiának is ki kell jönnie.

Tehát, amikor legközelebb a csatlakozódobozon dolgozik, vagy megfigyel egy villanyszerelőt, aki ezt csinálja, húzza be az elektromos ünnepi lámpákat, vagy a tévékészülék vagy a számítógép be- vagy kikapcsolása, ne feledje, hogy Kirchhoff először ismertette, hogyan működik ez, így a elektromosság.