Kirchhoffo srovės ir įtampos dėsniai

Šios matematinės taisyklės paaiškina, kaip teka elektros srovė ir įtampa

Visų įtampų aplink kilpą suma lygi nuliui. v1 + v2 + v3 - v4 = 0. Kwinkunks / Wikimedia Commons / CC BY 3.0

1845 m. vokiečių fizikas Gustavas Kirchhofas pirmą kartą aprašė du dėsnius, kurie tapo pagrindiniais elektros inžinerijoje. Dabartinis Kirchhoffo dėsnis, taip pat žinomas kaip Kirchhoffo sandūros įstatymas, ir pirmasis Kirchhoffo dėsnis apibrėžia, kaip elektros srovė pasiskirsto, kai kerta per sandūrą – tašką, kuriame susitinka trys ar daugiau laidininkų. Kitaip tariant, Kirchhoffo dėsniai teigia, kad visų srovių, išeinančių iš elektros tinklo mazgo, suma visada lygi nuliui.

Šie dėsniai yra labai naudingi realiame gyvenime, nes jie apibūdina srovių, tekančių per sandūros tašką, ir įtampų santykį elektros grandinės kilpoje. Jie aprašo, kaip elektros srovė teka visuose milijarduose elektros prietaisų ir prietaisų, taip pat namuose ir įmonėse, kurie nuolat naudojami Žemėje.

Kirchhoffo dėsniai: pagrindai

Konkrečiai, įstatymai nurodo:

Srovės algebrinė suma į bet kurią sankryžą yra lygi nuliui.

Kadangi srovė yra elektronų srautas per laidininką, ji negali susidaryti sandūroje, o tai reiškia, kad srovė išsaugoma: kas įeina, turi išeiti. Pavaizduokite gerai žinomą jungties pavyzdį: jungiamąją dėžę. Šios dėžės sumontuotos daugumoje namų. Tai yra dėžutės, kuriose yra laidai, kuriais turi tekėti visa namuose esanti elektra.

Atliekant skaičiavimus, srovė, patenkanti į sankryžą ir iš jos, paprastai turi priešingus ženklus. Taip pat galite nurodyti dabartinį Kirchhoff įstatymą taip:

Srovės suma į sandūrą yra lygi srovės iš sankryžos sumai.

Galite dar konkrečiau sugriauti du įstatymus.

Dabartinis Kirchhoffo įstatymas

Paveikslėlyje parodyta keturių laidų (laidų) sandūra. Sroves in _duir in ₃teka į sankryžą, o in ₁ir in ₄ištekėti iš jo. Šiame pavyzdyje Kirchhoffo sankryžos taisyklė pateikia tokią lygtį:

in _du+ in ₃= in ₁+ in ₄

Kirchhoffo įtampos dėsnis

Kirchhoffo įtampos dėsnis aprašo pasiskirstymą elektros įtampa elektros grandinės kilpoje arba uždarame laidžiajame kelyje. Kirchhoffo įtampos įstatymas teigia, kad:

Įtampos (potencialų) skirtumų algebrinė suma bet kurioje kilpoje turi būti lygi nuliui.

Įtampos skirtumai apima tuos, kurie yra susiję su elektromagnetiniais laukais (EMF) ir varžiniais elementais, tokiais kaip rezistoriai, maitinimo šaltiniai (pavyzdžiui, baterijos) arba įrenginiai - lempos, televizoriai ir maišytuvai, prijungti prie grandinės. Įsivaizduokite, kad įtampa kyla ir krinta, kai einate aplink bet kurią atskirą grandinės kilpą.

Kirchhoffo įtampos dėsnis atsiranda todėl, kad elektrostatinis laukas elektros grandinėje yra konservatyvus jėgos laukas. Įtampa reiškia elektros energiją sistemoje, todėl galvokite apie tai kaip konkretų energijos taupymo atvejį. Kai apeinate kilpą, kai atvykstate į pradinį tašką, potencialas yra toks pat, kaip ir tada, kai pradėjote, todėl bet koks padidėjimas ir sumažėjimas kilpoje turi būti panaikintas, kad bendras pokytis būtų lygus nuliui. Jei to nepadarytų, potencialas pradžios / pabaigos taške turėtų dvi skirtingas vertes.

Teigiami ir neigiami ženklai Kirchhoffo įtampos įstatyme

Norint naudoti įtampos taisyklę, reikia tam tikrų ženklų, kurie nebūtinai yra tokie aiškūs kaip dabartinės taisyklės. Pasirinkite kryptį (pagal laikrodžio rodyklę arba prieš laikrodžio rodyklę), kad eitumėte palei kilpą. Keliaujant iš teigiamo į neigiamą (+ į -) EMF (maitinimo šaltinyje), įtampa krenta, todėl vertė yra neigiama. Pereinant nuo neigiamo prie teigiamo (- iki +), įtampa pakyla, todėl vertė yra teigiama.

Atminkite, kad keliaujant aplink grandinę, kad pritaikytumėte Kirchhoff įtampos dėsnį, įsitikinkite, kad visada einate ta pačia kryptimi (pagal laikrodžio rodyklę arba prieš laikrodžio rodyklę), kad nustatytumėte, ar tam tikras elementas reiškia įtampos padidėjimą ar sumažėjimą. Jei pradėsite šokinėti, judėti skirtingomis kryptimis, jūsų lygtis bus neteisinga.

Kertant rezistorių, įtampos pokytis nustatomas pagal formulę:

I*R

kur aš yra srovės vertė ir R yra rezistoriaus varža. Kirtimas ta pačia kryptimi kaip ir srovė reiškia, kad įtampa mažėja, todėl jos reikšmė yra neigiama. Kertant rezistorių priešinga srovei, įtampos reikšmė yra teigiama, todėl didėja.

Taikant Kirchhoffo įtampos dėsnį

Pagrindinės Kirchhoffo dėsnių programos yra susijusios su elektros grandinėmis. Iš vidurinės mokyklos fizikos galite prisiminti, kad elektra grandinėje turi tekėti viena nepertraukiama kryptimi. Pavyzdžiui, jei išjungiate šviesos jungiklį, nutraukiate grandinę ir išjungiate šviesą. Kai dar kartą apverčiate jungiklį, vėl įjungiate grandinę ir vėl užsidega lemputės.

Arba pagalvokite apie savo namų ar Kalėdų eglutės lemputes. Jei perdega tik viena lemputė, užgęsta visa lempų virtinė. Taip yra todėl, kad elektra, sustojusi sugedusios šviesos, neturi kur dingti. Tai tas pats, kas išjungti šviesos jungiklį ir nutraukti grandinę. Kitas aspektas, susijęs su Kirchhoffo dėsniais, yra tas, kad visos elektros, patenkančios į sankryžą ir ištekančios iš jos, suma turi būti lygi nuliui. Elektra, patenkanti į sankryžą (ir tekanti aplink grandinę), turi būti lygi nuliui, nes įeinanti elektra taip pat turi išeiti.

Taigi, kai kitą kartą dirbsite su jungiamuoju dėžute arba stebėsite elektriką tai darantį elektriką, įjungdami elektros švenčių lemputes arba įjungdami arba išjungdami televizorių ar kompiuterį, prisiminkite, kad Kirchhoffas pirmiausia aprašė, kaip visa tai veikia, taip pradėdamas amžių. elektros.