Kirchhoffs love for strøm og spænding

I 1845, tysk fysiker Gustav Kirchhoff beskrev først to love, der blev centrale for elektroteknik. Kirchhoffs nuværende lov, også kendt som Kirchhoffs forbindelseslov, og Kirchhoffs første lov, definerer den måde, hvorpå elektrisk strøm distribueres, når det krydser gennem et kryds - et punkt, hvor tre eller flere konduktører mødes. Sagt på en anden måde siger Kirchhoffs love, at summen af ​​alle strømme, der efterlader en knude i et elektrisk netværk, altid er lig med nul.

Disse love er ekstremt nyttige i det virkelige liv, fordi de beskriver forholdet mellem værdier for strømme, der strømmer gennem et forbindelsespunkt og spændinger i en elektrisk kredsløb. De beskriver, hvordan elektrisk strøm flyder i alle de milliarder af elektriske apparater og enheder såvel som gennem hele hjem og virksomheder, der kontinuerligt er i brug på Jorden.

Specifikt angiver lovene:

Den algebraiske sum af strømmen i ethvert kryds er nul.

Da strømmen er strømmen af ​​elektroner gennem en leder, kan den ikke opbygges i et kryds, hvilket betyder, at strømmen er bevaret: Det, der går ind, skal komme ud. Forestil dig et velkendt eksempel på et kryds: a

Når der udføres beregninger, har strømmen, der flyder ind og ud af krydset, typisk modsatte tegn. Du kan også oplyse Kirchhoffs nuværende lov som følger:

Summen af ​​strømmen i et kryds er lig med summen af ​​strømmen ud af krydset.

Du kan yderligere nedbryde de to love mere specifikt.

På billedet vises et kryds mellem fire ledere (ledninger). Strømmene v₂ og v₃ flyder ind i krydset, mens v₁ og v₄ strømme ud af det. I dette eksempel giver Kirchhoffs Junction Rule følgende ligning:

v₂ + v₃ = v₁ + v₄

Kirchhoffs spændingslov beskriver distributionen af elektrisk spænding inden for en sløjfe eller lukket lederbane for et elektrisk kredsløb. Kirchhoffs spændingslov siger, at:

Den algebraiske sum af spændings- (potential-) forskellene i en hvilken som helst sløjfe skal være lig med nul.

Spændingsforskellene inkluderer dem, der er forbundet med elektromagnetiske felter (EMF'er) og resistive elementer, såsom modstande, strømkilder (f.eks. batterier) eller enheder - lamper, fjernsyn og blendere - tilsluttet til kredsløb. Forestil dig dette som spændingen stiger og falder, når du fortsætter rundt om de enkelte løkker i kredsløbet.

Kirchhoffs spændingslov kommer, fordi det elektrostatiske felt i et elektrisk kredsløb er et konservativt kraftfelt. Spændingen repræsenterer den elektriske energi i systemet, så tænk på det som et specifikt tilfælde af energibesparelse. Når du går rundt om en løkke, har du det samme potentiale, når du ankommer til startpunktet, som når du begyndte, så enhver stigning og formindskelse langs løkken skal annulleres for en total ændring af nul. Hvis de ikke gjorde det, ville potentialet ved start / slutpunkt have to forskellige værdier.

Brug af spændingsreglen kræver nogle tegnkonventioner, som ikke nødvendigvis er så klare som dem i den aktuelle regel. Vælg en retning (med uret eller mod uret) for at gå langs løkken. Når man rejser fra positiv til negativ (+ til -) i en EMF (strømkilde), falder spændingen, så værdien er negativ. Når man går fra negativ til positiv (- til +), går spændingen op, så værdien er positiv.

Husk, at når du rejser rundt i kredsløbet for at anvende Kirchhoffs spændingslov, skal du være sikker på, at du altid går i det samme retning (med uret eller mod uret) for at bestemme, om et givet element repræsenterer en stigning eller fald i spænding. Hvis du begynder at springe rundt og bevæge dig i forskellige retninger, vil din ligning være forkert.

Når du krydser en modstand, bestemmes spændingsændringen af ​​formlen:

Jeg * R

hvor jeg er værdien af ​​den aktuelle og R er modstandens modstand. At krydse i samme retning som strømmen betyder, at spændingen går ned, så dens værdi er negativ. Når du krydser en modstand i den modsatte retning, er spændingsværdien positiv, så den øges.

De mest basale anvendelser til Kirchhoffs love vedrører elektriske kredsløb. Du kan huske fra fysik i gymnasiet, at elektricitet i et kredsløb skal strømme i en kontinuerlig retning. Hvis du fx slukker en lysafbryder, bryder du kredsløbet og slukker derfor lyset. Når du vender omskifteren igen, genindkobles kredsløbet, og lysene tændes.

Eller tænk på at slå lys på dit hus eller juletræ. Hvis kun en pære blæser ud, slukkes hele lysstrengen. Dette skyldes, at elektricitet, stoppet af det ødelagte lys, ikke har noget sted at gå. Det er det samme som at slukke for lysafbryderen og bryde kredsløbet. Det andet aspekt af dette med hensyn til Kirchhoffs love er, at summen af ​​al elektricitet, der går ind og strømmer ud af et kryds, skal være nul. Elektriciteten, der går ind i krydset (og flyder rundt i kredsløbet) skal være lig nul, fordi den elektricitet, der går ind, også skal ud.

Så næste gang du arbejder på din koblingsboks eller observerer en elektriker der gør det, snorer elektriske ferielys, eller når du tænder eller slukker for dit tv eller computer, skal du huske, at Kirchhoff først beskrev, hvordan det hele fungerer, og indledte en alder af elektricitet.