Законы Кирхгофа для тока и напряжения

В 1845 году немецкий физик Густав Кирхгоф Сначала были описаны два закона, которые стали центральными в электротехнике. Действующий Закон Кирхгофа, также известный как Закон Соединения Кирхгофа, и Первый Закон Кирхгофа определяют способ, которым электрический ток распределяется, когда он пересекает соединение - точку, где встречаются три или более проводников. Иными словами, законы Кирхгофа гласят, что сумма всех токов, выходящих из узла в электрической сети, всегда равна нулю.

Эти законы чрезвычайно полезны в реальной жизни, потому что они описывают отношение значений токов, которые протекают через точку соединения, и напряжений в контуре электрической цепи. Они описывают, как электрический ток течет во всех миллиардах электрических приборов и устройств, а также в домах и на предприятиях, которые постоянно используются на Земле.

В частности, законы гласят:

Алгебраическая сумма тока в любом соединении равна нулю.

Поскольку ток - это поток электронов через проводник, он не может накапливаться на стыке, а это означает, что ток сохраняется: то, что входит, должно выходить. Представьте себе известный пример соединения:

При выполнении расчетов ток, протекающий в и из соединения, обычно имеет противоположные знаки. Вы также можете указать действующий закон Кирхгофа следующим образом:

Сумма тока в соединении равна сумме тока вне соединения.

Вы можете более подробно разбить два закона.

На рисунке показано соединение четырех проводников (проводов). Токи v₂ и v₃ текут в соединении, в то время как v₁ и v₄ вытекать из него. В этом примере правило соединения Кирхгофа дает следующее уравнение:

v₂ + v₃ = v₁ + v₄

Закон напряжения Кирхгофа описывает распределение электрическое напряжение в контуре или замкнутом проводящем пути электрической цепи. Закон о напряжении Кирхгофа гласит:

Алгебраическая сумма разностей напряжений (потенциалов) в любой петле должна равняться нулю.

Разности напряжений включают в себя различия, связанные с электромагнитными полями (ЭМП) и резистивными элементами, такими как резисторы, источники питания (например, батареи) или устройства - лампы, телевизоры и блендеры - подключенные к цепи. Представьте себе, что напряжение растет и падает, когда вы проходите вокруг любого из отдельных контуров в цепи.

Закон напряжения Кирхгофа возникает потому, что электростатическое поле в электрической цепи является консервативным силовым полем. Напряжение представляет собой электрическую энергию в системе, поэтому рассматривайте ее как особый случай сохранения энергии. Когда вы идете по кругу, когда вы достигнете начальной точки, у вас будет тот же потенциал, что и при Вы начали, поэтому любые увеличения и уменьшения по всему циклу должны отменить для полного изменения нуль. Если бы они этого не сделали, то потенциал в начальной / конечной точке имел бы два разных значения.

Использование правила напряжения требует некоторых условных обозначений, которые не обязательно так же ясны, как в текущем правиле. Выберите направление (по часовой стрелке или против часовой стрелки), чтобы пройти по петле. При переходе от положительного к отрицательному (+ к -) в ЭДС (источнике питания) напряжение падает, поэтому значение является отрицательным. При переходе от отрицательного к положительному (- к +) напряжение повышается, поэтому значение является положительным.

Помните, что когда вы путешествуете по кругу, чтобы применить Закон напряжения Кирхгофа, будьте уверены, что вы всегда будете в том же духе. направление (по часовой стрелке или против часовой стрелки), чтобы определить, представляет ли данный элемент увеличение или уменьшение вольтаж. Если вы начнете прыгать, двигаться в разных направлениях, ваше уравнение будет неверным.

При пересечении резистора изменение напряжения определяется по формуле:

I * R

где я это значение тока и р это сопротивление резистора. Пересечение в том же направлении, что и ток, означает, что напряжение падает, поэтому его значение является отрицательным. При пересечении резистора в направлении, противоположном току, значение напряжения является положительным, поэтому оно увеличивается.

Самые основные приложения для законов Кирхгофа связаны с электрическими цепями. Из физики средней школы вы можете помнить, что электричество в цепи должно течь в одном непрерывном направлении. Например, если вы выключите выключатель света, вы нарушите цепь и, следовательно, выключите свет. После того, как вы снова включите переключатель, вы снова включите цепь, и снова включится свет.

Или подумайте о гирляндах на вашем доме или елке. Если горит только одна лампочка, гаснет вся цепочка огней. Это потому, что электричеству, остановленному разбитым светом, некуда деваться. Это то же самое, что выключить выключатель света и разорвать цепь. Другой аспект этого в отношении законов Кирхгофа состоит в том, что сумма всего электричества, входящего и выходящего из соединения, должна быть равна нулю. Электричество, входящее в соединение (и обтекающее цепь), должно равняться нулю, потому что электричество, которое входит, также должно выходить.

Итак, в следующий раз, когда вы работаете над своей распределительной коробкой или наблюдаете за тем, как делает это электрик, зажигают электрические праздничные огни или включив или выключив телевизор или компьютер, помните, что Кирхгоф впервые описал, как все это работает, и, таким образом, вступил в эпоху электричество.