Kirchhoffs lover for strøm og spenning

Disse matematiske reglene forklarer hvordan elektrisk strøm og spenning flyter

Summen av alle spenningene rundt en sløyfe er lik null. v1 + v2 + v3 - v4 = 0. Kwinkunks/Wikimedia Commons/CC BY 3.0

I 1845, tysk fysiker Gustav Kirchhoff først beskrev to lover som ble sentrale i elektroteknikk. Kirchhoffs gjeldende lov, også kjent som Kirchhoffs koblingslov, og Kirchhoffs første lov, definerer måten som elektrisk strøm er fordelt når den krysser gjennom et veikryss - et punkt der tre eller flere ledere møtes. Sagt på en annen måte, sier Kirchhoffs lover at summen av alle strømmer som forlater en node i et elektrisk nettverk alltid er lik null.

Disse lovene er ekstremt nyttige i det virkelige liv fordi de beskriver forholdet mellom verdier av strømmer som strømmer gjennom et koblingspunkt og spenninger i en elektrisk kretssløyfe. De beskriver hvordan elektrisk strøm flyter i alle de milliarder av elektriske apparater og enheter, så vel som gjennom hjem og bedrifter, som er i kontinuerlig bruk på jorden.

Kirchhoffs lover: Det grunnleggende

Spesifikt sier lovene:

Den algebraiske summen av strømmen i et hvilket som helst kryss er null.

Siden strøm er strømmen av elektroner gjennom en leder, kan den ikke bygge seg opp i et kryss, noe som betyr at strømmen er bevart: Det som går inn må komme ut. Se for deg et velkjent eksempel på et koblingspunkt: en koblingsboks. Disse boksene er installert på de fleste hus. De er boksene som inneholder ledningene som all elektrisitet i hjemmet må flyte gjennom.

Når du utfører beregninger, har strømmen som strømmer inn og ut av krysset vanligvis motsatte fortegn. Du kan også oppgi Kirchhoffs gjeldende lov som følger:

Summen av strømmen inn i et kryss er lik summen av strømmen ut av krysset.

Du kan videre bryte ned de to lovene mer spesifikt.

Kirchhoffs gjeldende lov

På bildet vises et knutepunkt med fire ledere (ledninger). Strømmene i _toog i ₃renner inn i krysset, mens i ₁og i ₄strømme ut av det. I dette eksemplet gir Kirchhoffs Junction Rule følgende ligning:

i _to+ i ₃= i ₁+ i ₄

Kirchhoffs spenningslov

Kirchhoffs spenningslov beskriver fordelingen av elektrisk spenning innenfor en sløyfe, eller lukket ledende bane, til en elektrisk krets. Kirchhoffs spenningslov sier at:

Den algebraiske summen av spennings (potensial) forskjellene i enhver sløyfe må være lik null.

Spenningsforskjellene inkluderer de som er forbundet med elektromagnetiske felt (EMF) og resistive elementer, som motstander, strømkilder (for eksempel batterier) eller enheter – lamper, TV-er og blendere – koblet til kretsen. Se for deg dette som at spenningen stiger og faller når du fortsetter rundt noen av de individuelle sløyfene i kretsen.

Kirchhoffs spenningslov kommer fordi det elektrostatiske feltet i en elektrisk krets er et konservativt kraftfelt. Spenningen representerer den elektriske energien i systemet, så tenk på det som et spesifikt tilfelle av bevaring av energi. Når du går rundt en løkke, når du ankommer startpunktet har det samme potensialet som det gjorde da du begynte, så eventuelle økninger og reduksjoner langs løkken må oppheve for en total endring på null. Hvis de ikke gjorde det, ville potensialet ved start-/sluttpunktet ha to forskjellige verdier.

Positive og negative tegn i Kirchhoffs spenningslov

Bruk av spenningsregelen krever noen tegnkonvensjoner, som ikke nødvendigvis er like klare som de i gjeldende regel. Velg en retning (med eller mot klokken) for å gå langs sløyfen. Når du reiser fra positiv til negativ (+ til -) i en EMF (strømkilde), synker spenningen, så verdien er negativ. Når man går fra negativ til positiv (- til +), går spenningen opp, så verdien er positiv.

Husk at når du reiser rundt i kretsen for å anvende Kirchhoffs spenningslov, sørg for at du alltid går i samme retning (med eller mot klokken) for å finne ut om et gitt element representerer en økning eller reduksjon i spenningen. Hvis du begynner å hoppe rundt og bevege deg i forskjellige retninger, vil ligningen din være feil.

Når du krysser en motstand, bestemmes spenningsendringen av formelen:

I*R

hvor Jeg er verdien av gjeldende og R er motstanden til motstanden. Kryss i samme retning som strømmen betyr at spenningen går ned, så verdien er negativ. Når du krysser en motstand i retning motsatt strømmen, er spenningsverdien positiv, så den øker.

Anvendelse av Kirchhoffs spenningslov

De mest grunnleggende bruksområdene for Kirchhoffs lover gjelder elektriske kretser. Du husker kanskje fra ungdomsskolens fysikk at elektrisitet i en krets må flyte i én kontinuerlig retning. Hvis du for eksempel slår av en lysbryter, bryter du kretsen og slår derfor av lyset. Når du snur bryteren igjen, kobler du inn kretsen igjen, og lysene tennes igjen.

Eller tenk på å feste lys på huset eller juletreet. Hvis bare én lyspære går ut, slukker hele lysstrengen. Dette er fordi elektrisiteten, stoppet av det ødelagte lyset, ikke har noe sted å gå. Det er det samme som å slå av lysbryteren og bryte kretsen. Det andre aspektet ved dette med hensyn til Kirchhoffs lover er at summen av all elektrisitet som går inn og strømmer ut av et veikryss må være null. Elektrisiteten som går inn i krysset (og flyter rundt i kretsen) må være lik null fordi elektrisiteten som går inn også må ut.

Så neste gang du jobber med koblingsboksen eller ser en elektriker som gjør det, setter elektriske ferielys, eller slår av eller på TV-en eller datamaskinen, husk at Kirchhoff først beskrev hvordan det hele fungerer, og dermed innledet en tidsalder av elektrisitet.