Gustav Kirchhoff och Kirchhoffs lagar för elektriska kretsar

Gustav Robert Kirchhoff (12 mars 1824 – 17 oktober 1887) var en tysk fysiker. Han är mest känd för att utvecklas Kirchhoffs lagar, som kvantifierar nuvarande och Spänning i elektriska kretsar. Förutom Kirchhoffs lagar gjorde Kirchhoff ett antal andra grundläggande bidrag till fysik, inklusive arbete med spektroskopi och svartkroppsstrålning.

Snabbfakta: Gustav Kirchhoff

Född i Königsberg, preussen (nu Kaliningrad, Ryssland), Gustav Kirchhoff var den yngsta av tre söner. Hans föräldrar var Carl Friedrich Kirchhoff, en advokat som är hängiven till den preussiska staten, och Juliane Johanna Henriette von Wittke. Kirchhoffs föräldrar uppmuntrade sina barn att tjäna den preussiska staten så bra de kunde. Kirchoff var en akademiskt stark student, så han planerade att bli universitetsprofessor, som vid den tiden ansågs vara en tjänstemansroll i Preussen. Kirchhoff deltog i Kneiphofische High School med sina bröder och fick sitt diplom 1842.

Efter avslutad gymnasium började Kirchhoff studera vid avdelningen matematik-fysik vid Albertus universitet i Königsberg. Där deltog Kirchhoff i ett matematik-fysik seminarium 1843-1846 utvecklat av matematikerna Franz Neumann och Carl Jacobi.

Neumann hade särskilt stor inverkan på Kirchhoff och uppmuntrade honom att bedriva matematisk fysik - ett fält som fokuserar på att utveckla matematiska metoder för fysikproblem. När han studerade med Neumann publicerade Kirchhoff sitt första uppsats 1845 vid 21 års ålder. Detta papper innehöll de två Kirchhoffs lagar som möjliggör beräkning av ström och spänning i elektriska kretsar.

Kirchhoffs lagar för ström och spänning är grunden för att analysera elektriska kretsar, vilket möjliggör kvantifiering av ström och spänning i kretsen. Kirchhoff härledde dessa lagar genom att generalisera resultaten av Ohms lag, som säger att strömmen mellan två punkter är direkt proportionell mot spänningen mellan dessa punkter och omvänt proportionell mot motståndet.

Kirchhoffs första lag säger att vid en given korsning i en krets måste strömmen som går in i korsningen vara lika med summan av strömmarna som lämnar korsningen. Kirchhoffs andra lag säger att om det finns en sluten slinga i en krets är summan av spänningsskillnaderna inom slingan lika med noll.

Genom sitt samarbete med Bunsen utvecklade Kirchhoff tre Kirchhoffs lagar för spektroskopi:

1. Glödande glödmedel, vätskor eller täta gaser - som tänds efter uppvärmningen - avger a kontinuerlig ljusspektrum: de avger ljus vid alla våglängder.
2. En varm gas med låg densitet producerar en emissions-line spektrum: gasen avger ljus vid specifika, diskreta våglängder, som kan ses som ljusa linjer i ett annars mörkt spektrum.
3. Ett kontinuerligt spektrum som går igenom en svalare lågdensitetsgas ger en absorption-line spektrum: gasen absorberar ljus vid specifika, diskreta våglängder, som kan ses som mörka linjer i ett annars kontinuerligt spektrum.

Eftersom atomer och molekyler producerar sina egna unika spektra tillåter dessa lagar identifiering av atomer och molekyler som finns i objektet som studeras.

Kirchhoff utförde också viktigt arbete inom termisk strålning och föreslog Kirchhoffs lag om termisk strålning 1859. Denna lag säger att emissiviteten (förmågan att släppa ut energi som strålning) och absorbansen (förmågan att absorbera strålning) från ett objekt eller en yta är lika vid vilken våglängd och temperatur som helst, om objektet eller ytan är på statisk termisk jämvikt.

När Kirchhoff studerade termisk strålning myntade han också termen "svart kropp" för att beskriva ett hypotetiskt föremål som absorberade allt inkommande ljus och emitterade således allt detta ljus när det hölls vid en konstant temperatur för att upprätta termisk jämvikt. 1900, fysikern Max Planck skulle anta att dessa svarta kroppar absorberade och emitterade energi i vissa värden som kallas "kvanta”. Denna upptäckt skulle fungera som en av de viktigaste insikterna för kvantmekanik.

1847 tog Kirchhoff examen från Königsberg universitet och blev oavlönad föreläsare vid Berlin University i Tyskland 1848. 1850 blev han docent vid Breslau universitet och 1854 professor i fysik vid Heidelbergs universitet. På Breslau träffade Kirchhoff den tyska kemisten Robert Bunsen, efter vilken bunsenbrännare namngavs, och det var Bunsen som ordnade för att Kirchhoff skulle komma till Heidelbergs universitet.

På 1860-talet visade Kirchhoff och Bunsen att varje element kunde identifieras med ett unikt spektralt mönster, fastställande av att spektroskopi skulle kunna användas för att analysera elementen experimentellt. Paret skulle upptäcka elementen cesium och rubidium medan man undersöker elementen i solen med hjälp av spektroskopi.

Förutom sitt arbete inom spektroskopi skulle Kirchhoff också studera strålning av svartkroppar, som betecknade termen 1862. Hans arbete anses vara grundläggande för utvecklingen av kvantmekanik. 1875 blev Kirchhoff ordförande för matematisk fysik i Berlin. Han gick senare i pension 1886.

Kirchhoff dog den 17 oktober 1887 i Berlin, Tyskland vid 63 års ålder. Han kommer ihåg för sina bidrag till fysikområdet och sin inflytelserika undervisningskarriär. Hans Kirchhoffs lagar för elektriska kretsar lärs nu ut som en del av introduktionsfysikkurser om elektromagnetism.

• Hockey, Thomas A., redaktör. The Biografical Encyclopedia of Astronomers. Springer, 2014.
• Inan, Aziz S. "Vad snubbade Gustav Robert Kirchhoff efter 150 år sedan?" Proceedings of IEEE International Symposium 2010 om kretsar och system, pp. 73–76.
• "Kirchhoffs lagar." Cornell University, http://astrosun2.astro.cornell.edu/academics/courses/astro201/kirchhoff.htm.
• Kurrer, Karl-Eugen. Strukturernas teori: från båganalys till beräkningsmekanik. Ernst & Sohn, 2008.
• “Gustav Robert Kirchhoff.” Molekylära uttryck: Vetenskap, optik och dig, 2015, https://micro.magnet.fsu.edu/optics/timeline/people/kirchhoff.html.
• O’Connor, J. J. och Robertson, E. F. “Gustav Robert Kirchhoff.” University of St. Andrews, Skottland, 2002.
• Palma, Christopher. "Kirchoffs lagar och spektroskopi." Pennsylvania State University, https://www.e-education.psu.edu/astro801/content/l3_p6.html.