Kirchhoffs lagar för ström och spänning

1845, tysk fysiker Gustav Kirchhoff beskrev först två lagar som blev centrala för elektroteknik. Kirchhoffs nuvarande lag, även känd som Kirchhoff's Junction Law, och Kirchhoffs First Law, definierar hur elektrisk ström distribueras när den passerar genom en korsning - en punkt där tre eller flera ledare möts. Sagt på ett annat sätt säger Kirchhoffs lagar att summan av alla strömmar som lämnar en nod i ett elektriskt nät alltid är lika med noll.

Dessa lagar är oerhört användbara i verkligheten eftersom de beskriver värdet på strömmar som strömmar genom en korsningspunkt och spänningar i en elektrisk kretsslinga. De beskriver hur elektrisk ström flyter i alla miljarder elektriska apparater och enheter såväl som i hem och företag som används kontinuerligt på jorden.

Specifikt säger lagarna:

Den algebraiska summan av strömmen i valfri övergång är noll

Eftersom strömmen är elektronflödet genom en ledare, kan den inte byggas upp i en korsning, vilket innebär att strömmen bevaras: Det som går in måste komma ut. Tänk dig ett välkänt exempel på en korsning: a

Vid beräkningar har strömmen som strömmar in och ut ur korsningen vanligtvis motsatta tecken. Du kan också ange Kirchhoffs nuvarande lag enligt följande:

Summan av strömmen i ett korsning är lika med summan av strömmen ur korsningen.

Du kan ytterligare dela upp de två lagarna mer specifikt.

På bilden visas en korsning av fyra ledare (ledningar). Strömmarna v₂ och v₃ flyter in i korsningen medan v₁ och v₄ flyter ut ur det. I det här exemplet ger Kirchhoffs Junction Rule följande ekvation:

v₂ + v₃ = v₁ + v₄

Kirchhoff's Voltage Law beskriver distributionen av elektrisk spänning inom en slinga, eller stängd ledningsväg, hos en elektrisk krets. Kirchhoffs spänningslag säger att:

Den algebraiska summan av spännings- (potential) skillnaderna i valfri slinga måste vara lika med noll.

Spänningsskillnaderna inkluderar de som är förknippade med elektromagnetiska fält (EMF) och resistiva element, t.ex. motstånd, kraftkällor (till exempel batterier) eller enheter - lampor, TV-apparater och mixer - anslutna till krets. Föreställ dig detta som spänningen stiger och faller när du fortsätter runt någon av de enskilda slingorna i kretsen.

Kirchhoffs spänningslag kommer eftersom det elektrostatiska fältet i en elektrisk krets är ett konservativt kraftfält. Spänningen representerar den elektriska energin i systemet, så tänk på den som ett specifikt fall för att bevara energi. När du går runt en slinga har du samma potential som när du anländer till startpunkten som när du började, så alla ökningar och minskningar längs slingan måste avbrytas för en total förändring av noll. Om de inte gjorde det, skulle potentialen vid start / slutpunkten ha två olika värden.

Att använda spänningsregeln kräver vissa teckenkonventioner, som inte nödvändigtvis är lika tydliga som i den aktuella regeln. Välj en riktning (medurs eller moturs) för att gå längs öglan. När du reser från positivt till negativt (+ till -) i en EMF (strömkälla) sjunker spänningen, så värdet är negativt. När man går från negativ till positiv (- till +) går spänningen upp, så värdet är positivt.

Kom ihåg att när du reser runt kretsen för att tillämpa Kirchhoffs spänningslag måste du vara säker på att du alltid går i samma sak riktning (medurs eller moturs) för att bestämma om ett givet element representerar en ökning eller minskning av Spänning. Om du börjar hoppa runt och röra dig i olika riktningar kommer din ekvation att vara felaktig.

När du passerar ett motstånd bestäms spänningsförändringen av formeln:

I * R

var jag är värdet på strömmen och R är motståndets motstånd. Att korsa i samma riktning som strömmen betyder att spänningen går ner, så dess värde är negativt. När du korsar ett motstånd i motsatt riktning mot strömmen är spänningsvärdet positivt, så det ökar.

De mest grundläggande tillämpningarna för Kirchhoffs lagar avser elektriska kretsar. Du kommer ihåg från gymnasiets fysik att el i en krets måste strömma i en kontinuerlig riktning. Om du till exempel slår av en ljusströmbrytare bryter du kretsen och stänger av ljuset. När du väljer omkopplaren igen kopplar du tillbaka kretsen och lamporna tänds igen.

Eller tänk på stränglampor på ditt hus eller julgran. Om bara en glödlampa blåser ut slocknar hela ljussträngen. Detta beror på att el, stoppad av det trasiga ljuset, inte har någon plats att gå. Det är samma sak som att stänga av ljusströmbrytaren och bryta kretsen. Den andra aspekten av detta med avseende på Kirchhoffs lagar är att summan av all el som går in i och flyter ut ur ett korsning måste vara noll. Elektriciteten som går in i korsningen (och flyter runt kretsen) måste vara lika med noll eftersom elen som går in måste också komma ut.

Så nästa gång du arbetar på din kopplingsbox eller observerar en elektriker som gör det, stränger elektriska semesterljus eller när du slår på eller stänger av din TV eller dator, kom ihåg att Kirchhoff först beskrev hur allt fungerar och därmed inleddes i en ålder av elektricitet.