Gustav Kirchhoff ja Kirchhoffin sähköpiirejä koskevat lait

Gustav Robert Kirchhoff (12. maaliskuuta 1824 - 17. lokakuuta 1887) oli saksalainen fyysikko. Hänet tunnetaan parhaiten kehittämisestä Kirchhoffin lait, joka ilmaisee nykyinen ja Jännite sähköpiireissä. Kirchhoffin lakien lisäksi Kirchhoff antoi monia muita perustavanlaatuisia panoksia fysiikkaan, mukaan lukien spektroskopia ja mustan kappaleen säteily.

Nopeita tosiasioita: Gustav Kirchhoff

Syntynyt Königsbergissä, Preussi (nykyinen Kaliningrad, Venäjä), Gustav Kirchhoff oli nuorin kolmesta pojasta. Hänen vanhempansa olivat Preussin valtiolle omistautunut lakimies Carl Friedrich Kirchhoff ja Juliane Johanna Henriette von Wittke. Kirchhoffin vanhemmat rohkaisivat lapsiaan palvelemaan Preussin valtiota niin hyvin kuin he pystyivät. Kirchoff oli akateemisesti vahva opiskelija, joten hän aikoi tulla yliopistoprofessoriksi, jota pidettiin tuolloin virkamiehen tehtävänä Preussissa. Kirchhoff osallistui Kneiphofischen lukioon veljiensä kanssa ja sai tutkintotodistuksen vuonna 1842.

Lukion valmistuttuaan Kirchhoff aloitti opiskelemisen Königsbergin Albertuksen yliopiston matematiikan ja fysiikan laitoksella. Siellä Kirchhoff osallistui matemaatikko-fysiikan seminaariin 1843-1846, jonka ovat kehittäneet matemaatikot Franz Neumann ja Carl Jacobi.

Erityisesti Neumann vaikutti voimakkaasti Kirchhoffiin ja rohkaisi häntä jatkamaan matemaattista fysiikkaa - ala, joka keskittyy matemaattisten menetelmien kehittämiseen fysiikan ongelmiin. Opiskellessaan Neumannin kanssa Kirchhoff julkaisi ensimmäisen paperinsa vuonna 1845 21-vuotiaana. Tämä artikkeli sisälsi kaksi Kirchhoffin lakia, jotka sallivat laskea virran ja jännitteen sähköisissä piireissä.

Kirchhoffin virran ja jännitteen lait ovat sähköpiirien analysoinnin perustana, mikä mahdollistaa virran ja jännitteen kvantifioinnin piirissä. Kirchhoff johdetti nämä lait yleistämällä tulokset Ohmin laki, jonka mukaan kahden pisteen välinen virta on suoraan verrannollinen näiden pisteiden väliseen jännitteeseen ja kääntäen verrannollinen resistanssiin.

Kirchhoffin ensimmäinen laki sanoo, että tietyssä piirin risteyksessä risteykseen menevän virran on oltava yhtä suuri kuin risteyksestä lähtevien virtojen summa. Kirchhoffin toinen laki sanoo, että jos piirissä on suljettu silmukka, silmukan sisäisten jänniteerojen summa on nolla.

Yhteistyössä Bunsenin kanssa Kirchhoff kehitti kolme Kirchhoffin lakia spektroskopiaa varten:

1. Hehkulamput, nesteet tai tiheät kaasut - jotka syttyvät kuumennettuaan - lähettävät jatkuva valospektri: ne lähettävät valoa kaikilla aallonpituuksilla.
2. Kuuma, pienitiheyksinen kaasu tuottaa päästöihin line spektri: kaasu emittoi valoa tietyillä, erillisillä aallonpituuksilla, jotka voidaan nähdä kirkkaina viivoina muuten tummassa spektrissä.
3. Jatkuva spektri, joka kulkee viileämmän, pienitiheyksisen kaasun läpi, tuottaa imeytymistä line spektri: kaasu absorboi valo tietyillä, erillisillä aallonpituuksilla, jotka voidaan nähdä tummina viivoina muuten jatkuvassa spektrissä.

Koska atomit ja molekyylit tuottavat omat ainutlaatuiset spektrinsä, nämä lait mahdollistavat tutkittavassa objektissa olevien atomien ja molekyylien tunnistamisen.

Kirchhoff teki myös tärkeätä työtä lämpöäteilyssä ja ehdotti Kirchhoffin lakia lämpöäteilystä vuonna 1859. Tämän lain mukaan emissiokyky (kyky emittoida energiaa säteilynä) ja absorbanssi (kyky absorboida säteilyä) ovat esine tai pinta ovat yhtä suuret millä tahansa aallonpituudella ja lämpötilassa, jos esine tai pinta on staattisessa lämpössä tasapaino.

Tutkiessaan lämpöäteilyä, Kirchhoff loi myös termin “musta ruumis” kuvaamaan hypoteettista esinettä, joka absorboi kaikki tulevan valon ja emittoi siten kaiken tämän valon, kun sitä pidettiin vakiolämpötilassa lämmön muodostamiseksi tasapaino. Vuonna 1900 fyysikko Max Planck olettaa, että nämä mustat elimet absorboivat ja emittoivat energiaa tietyissä arvoissa, nimeltään “Quanta.” Tämä löytö toimisi yhtenä kvanttimekaniikan avainkäsityksistä.

Vuonna 1847 Kirchhoff valmistui Königsbergin yliopistosta ja hänestä tuli palkaton luennoitsija Berliinin yliopistossa Saksassa vuonna 1848. Vuonna 1850 hänestä tuli apulaisprofessori Breslau-yliopistossa ja vuonna 1854 fysiikan professori Heidelbergin yliopistossa. Breslau, Kirchhoff tapasi saksalaisen kemian Robert Bunsenin, jonka jälkeen Bunsen-poltin nimettiin, ja juuri Bunsen järjesti Kirchhoffin tulevan Heidelbergin yliopistoon.

Kirchhoff ja Bunsen osoittivat 1860-luvulla, että jokainen elementti voidaan tunnistaa ainutlaatuisella spektrikuvio, osoittaen, että spektroskopiaa voidaan käyttää elementtien kokeelliseen analysointiin. Pari löytää elementit cesium ja rubidium kun tutkitaan aurinkoelementtejä spektroskopian avulla.

Spektroskopiatyönsä lisäksi Kirchhoff tutkii myös mustan kappaleen säteilyä, luomalla termiä vuonna 1862. Hänen työtään pidetään perustavanlaatuisena kvanttimekaniikka. Vuonna 1875 Kirchhoffista tuli matemaattisen fysiikan puheenjohtaja Berliinissä. Myöhemmin hän jäi eläkkeelle vuonna 1886.

Kirchhoff kuoli 17. lokakuuta 1887 Berliinissä, Saksassa 63-vuotiaana. Häntä muistetaan hänen panoksestaan ​​fysiikan alalle sekä hänen vaikutusvaltaisesta opetusurasta. Hänen Kirchhoffin lakia sähköpiireistä opetetaan nyt osana johtavia fysiikan kursseja sähkömagneettisuudesta.

• Jääkiekko, Thomas A., toimittaja. Tähtitieteilijöiden elämäkerrallinen tietosanakirja. Springer, 2014.
• Inan, Aziz S. "Mitä Gustav Robert Kirchhoff kompastui 150 vuotta sitten?" IEEE: n piirien ja järjestelmien kansainvälisen symposiumin 2010 julkaisut, s. 73–76.
• ”Kirchhoffin lait”. Cornell University, http://astrosun2.astro.cornell.edu/academics/courses/astro201/kirchhoff.htm.
• Kurrer, Karl-Eugen. Rakenneteorian historia: kaarianalyysistä laskennalliseen mekaniikkaan. Ernst & Sohn, 2008.
• ”Gustav Robert Kirchhoff.” Molekyylilausekkeet: Tiede, optiikka ja sinä, 2015, https://micro.magnet.fsu.edu/optics/timeline/people/kirchhoff.html.
• O’Connor, J. J. ja Robertson, E. F. ”Gustav Robert Kirchhoff.” St. Andrewsin yliopisto, Skotlanti, 2002.
• Palma, Christopher. "Kirchoffin lait ja spektroskopia." Pennsylvanian osavaltion yliopisto, https://www.e-education.psu.edu/astro801/content/l3_p6.html.