Kirchhoffin virran ja jännitteen lait

Vuonna 1845, saksalainen fyysikko Gustav Kirchhoff kuvasi ensin kahta lakia, joista tuli keskeinen sähkötekniikassa. Kirchhoffin nykyinen laki, joka tunnetaan myös nimellä Kirchhoffin liittymälaki, ja Kirchhoffin ensimmäinen laki määrittelevät tavan, jolla sähkövirta jakautuu, kun se ylittää risteyksen - pisteen, jossa kolme tai enemmän johtimia kohtaavat. Toisin sanoen, Kirchhoffin lakien mukaan kaikkien sähköverkossa solmusta lähtevien virtojen summa on aina nolla.

Nämä lait ovat erittäin hyödyllisiä tosielämässä, koska ne kuvaavat liitoskohdan läpi virtaavien virtojen ja jännitteiden suhdetta sähköpiirisilmukassa. Ne kuvaavat kuinka sähkövirta virtaa kaikissa miljardeissa sähkölaitteissa ja -laitteissa, samoin kuin kodeissa ja yrityksissä, jotka ovat jatkuvasti käytössä maapallolla.

Erityisesti laeissa todetaan:

Missä tahansa risteyksessä olevan virran algebrallinen summa on nolla.

Koska virta on elektronien virtausta johtimen läpi, se ei voi kerätä risteykseen, mikä tarkoittaa, että virta on säilynyt: Sen, mitä tulee sisään, on tultava ulos. Kuva tunnettu esimerkki risteyksestä: a

Laskelmia suoritettaessa risteykseen virtaavalla ja siitä ulosvirtaavalla virralla on tyypillisesti vastakkaiset merkit. Voit myös ilmoittaa Kirchhoffin voimassa olevan lain seuraavasti:

Risteykseen tulevan virran summa on yhtä suuri kuin risteyksestä lähtevän virran summa.

Voit edelleen eritellä nämä kaksi lakia.

Kuvassa on esitetty neljän johtimen (johtimen) liitos. Virtaukset v₂ ja v₃ virtaavat risteykseen, kun taas v₁ ja v₄ virtaa siitä. Tässä esimerkissä Kirchhoffin liittymäsääntö tuottaa seuraavan yhtälön:

v₂ + v₃ = v₁ + v₄

Kirchhoffin jännitelaki kuvaa jakelua sähköjännite sähköpiirin silmukan tai suljetun johtavan tien sisällä. Kirchhoffin jännitelaissa todetaan seuraavaa:

Minkä tahansa silmukan jännite (potentiaalisten) erojen algebrallisen summan on oltava nolla.

Jännite-eroihin sisältyy sähkömagneettisiin kenttiin (EMF) ja resistiivisiin elementteihin, kuten esimerkiksi vastukset, virtalähteet (esimerkiksi akut) tai laitteet - lamput, televisiot ja sekoittimet - kytketty piiri. Kuva tästä, kun jännite nousee ja laskee, kun jatkat jonkin yksittäisen piirin ympäri.

Kirchhoffin jännitelaki syntyy, koska sähköpiirin sähköstaattinen kenttä on konservatiivinen voimakenttä. Jännite edustaa järjestelmän sähköenergiaa, joten ajattele sitä erityisenä energiansäästötapauksena. Kun kierrät silmukan ympäri, lähtöpisteeseen saapuessasi on sama potentiaali kuin se tapahtui silloin aloitit, joten kaikki silmukan korotukset ja vähennykset on peruutettava kokonaisen muutoksen vuoksi nolla. Jos he eivät, niin potentiaalilla aloitus- / loppupisteessä olisi kaksi eri arvoa.

Jännitesäännön käyttäminen vaatii joitain allekirjoitussopimuksia, jotka eivät välttämättä ole yhtä selkeitä kuin nykyisen säännön mukaiset. Valitse suunta (myötäpäivään tai vastapäivään) mennäksesi silmukkaa pitkin. Kun matkustetaan positiivisesta negatiiviseen (+ - -) EMF: ssä (virtalähde), jännite laskee, joten arvo on negatiivinen. Kun siirrytään negatiivisesta positiiviseen (- - +), jännite nousee, joten arvo on positiivinen.

Muista, että kun matkustat piirin ympäri soveltamaan Kirchhoffin jännitelakia, varmista, että menet aina samalla tavalla suunta (myötäpäivään vai vastapäivään) sen määrittämiseksi, edustaako tietty elementti Jännite. Jos aloitat hyppäämisen liikkumalla eri suuntiin, yhtälösi on väärä.

Vastuksen ylittäessä jännitteen muutos määritetään kaavalla:

I * R

missä minä on virran ja R on vastuksen resistanssi. Ylittäminen samaan suuntaan kuin virta tarkoittaa, että jännite laskee, joten sen arvo on negatiivinen. Kun ylität vastuksen virtaa vastakkaiseen suuntaan, jännitearvo on positiivinen, joten se kasvaa.

Kirchhoffin lakien perusteellisimmat sovellukset liittyvät sähköpiireihin. Saatat muistaa lukion fysiikasta, että piirin sähkön on virtattava yhtäjaksoiseen suuntaan. Jos esimerkiksi käännät valokytkimen pois, katkaiset piirin ja sammutat siten valon. Kun käännät kytkintä uudelleen, kytket piirin uudelleen, ja valot palavat takaisin.

Tai harkitse talon tai joulukuusen valojen kytkemistä. Jos vain yksi hehkulamppu räjähtää, koko merkkijono sammuu. Tämä johtuu siitä, että hajonneen valon pysäyttämässä sähkössä ei ole minne mennä. Se on sama kuin sammuttaa valokatkaisin ja katkaista piiri. Tämän toinen näkökohta Kirchhoffin lakien suhteen on, että kaiken risteykseen menevän ja siitä ulosvirtaavan sähkön summan on oltava nolla. Risteykseen menevän (ja virtauksen ympäri kiertävän) sähkön on oltava nolla, koska sisään menevän sähkön on myös tultava ulos.

Joten seuraavan kerran työskentelet kytkentärasian parissa tai tarkkailla sähköasentajaa tekemässä sitä, naruttaen sähköiset lomavalot tai kytkeä televisioon tai tietokoneeseen virta tai katkaista se, muista, että Kirchhoff kuvasi ensin, kuinka se kaikki toimii, ohjaten siten ikävuosia sähköä.