Kiršhofa likumi par strāvu un spriegumu

1845. gadā vācu fiziķis Gustavs Kiršhofs vispirms aprakstīja divus likumus, kas kļuva par elektrotehnikas centrālo elementu. Kiršhofa pašreizējais likums, kas pazīstams arī kā Kiršhofa savienojuma likums, un Kiršhofa pirmais likums nosaka veidu, kā elektriskā strāva tiek sadalīts, kad tas šķērso krustojumu - punktu, kur satiekas trīs vai vairāk vadītāju. Citiem vārdiem sakot, Kiršhofa likumi nosaka, ka visu to strāvu summa, kas atstāj mezglu elektriskajā tīklā, vienmēr ir vienāda ar nulli.

Šie likumi ir ārkārtīgi noderīgi reālajā dzīvē, jo tie apraksta strāvu vērtību plūsmu, kas plūst caur savienojuma punktu, un spriegumiem elektriskās ķēdes cilpā. Tie apraksta, kā elektriskā strāva plūst visos miljardos elektrisko ierīču un ierīču, kā arī mājās un uzņēmumos, kas pastāvīgi tiek izmantoti uz Zemes.

Konkrēti, likumi nosaka:

Jebkurā krustojumā esošās strāvas algebriskā summa ir nulle.

Tā kā strāva ir elektronu plūsma caur vadītāju, tā nevar uzkrāties krustojumā, tas nozīmē, ka strāva tiek saglabāta: Tam, kas ieiet, ir jāiznāk. Attēlu labi zināmu krustojuma piemēru: a

Veicot aprēķinus, strāvai, kas plūst krustojumā un no tā, parasti ir pretējas zīmes. Jūs varat arī izteikt Kiršhofa pašreizējos likumus šādi:

Krustojuma strāvas summa ir vienāda ar strāvas daudzumu no krustojuma.

Jūs varat sīkāk sadalīt abus likumus.

Attēlā parādīts četru vadītāju (vadu) krustojums. Straumēm v₂ un v₃ ieplūst krustojumā, kamēr v₁ un v₄ izplūst no tā. Šajā piemērā Kiršhofa krustojuma noteikums iegūst šādu vienādojumu:

v₂ + v₃ = v₁ + v₄

Kiršhofa sprieguma likumā ir aprakstīts elektriskais spriegums elektriskās ķēdes cilpā vai slēgtā vadošā ceļā. Kiršhofa sprieguma likums nosaka, ka:

Jebkuras cilpas sprieguma (potenciālo) atšķirību algebriskajai summai jābūt vienādai ar nulli.

Sprieguma atšķirībās ietilpst tās, kas saistītas ar elektromagnētiskajiem laukiem (EML) un pretestības elementiem, piemēram, rezistori, strāvas avoti (piemēram, akumulatori) vai ierīces - lampas, televizori un blenderi -, kas pievienoti ķēde. Attēlu par to, kā spriegums palielinās un krītas, ejot ap jebkuru no ķēdes atsevišķajām cilpām.

Kiršofa sprieguma likums rodas tāpēc, ka elektrostatiskais lauks elektriskajā ķēdē ir konservatīvs spēka lauks. Spriegums attēlo sistēmas elektrisko enerģiju, tāpēc domājiet par to kā īpašu enerģijas saglabāšanas gadījumu. Dodoties ap cilpu, nonākot sākuma punktā, ir tāds pats potenciāls kā toreiz jūs sākāt, tāpēc visi palielinājumi un samazinājumi visā cilpā ir jāatsakās no kopējām izmaiņām nulle. Ja viņi to nedarītu, potenciālam sākuma / beigu punktā būtu divas atšķirīgas vērtības.

Lai izmantotu sprieguma likumu, ir vajadzīgas dažas parakstu zīmes, kas nebūt nav tik skaidras kā pašreizējā kārtulā. Izvēlieties virzienu (pulksteņa rādītāja virzienā vai pretēji pulksteņrādītāja virzienam), lai dotos gar cilpu. Braucot no pozitīva uz negatīvu (no + līdz -) EML (enerģijas avots), spriegums pazeminās, tāpēc vērtība ir negatīva. Pārejot no negatīva uz pozitīvu (- līdz +), spriegums palielinās, tāpēc vērtība ir pozitīva.

Atcerieties, ka, ceļojot pa apli, lai piemērotu Kiršhofa sprieguma likumu, pārliecinieties, ka jūs vienmēr dodaties vienā un tajā pašā virziens (pulksteņa rādītāja virzienā vai pretēji pulksteņa rādītāja virzienam), lai noteiktu, vai dotais elements apzīmē spriegums. Ja jūs sākat lēkt apkārt, pārvietojoties dažādos virzienos, jūsu vienādojums būs nepareizs.

Šķērsojot rezistoru, sprieguma izmaiņas nosaka pēc formulas:

Es * R

kur Es ir strāvas un R ir rezistora pretestība. Šķērsošana tajā pašā virzienā, kurā strāva, nozīmē, ka spriegums samazinās, tāpēc tā vērtība ir negatīva. Šķērsojot rezistoru virzienā, kas ir pretējs strāvai, sprieguma vērtība ir pozitīva, tāpēc tā palielinās.

Visvienkāršākie Kiršhofa likumu pielietojumi attiecas uz elektriskajām ķēdēm. No vidusskolas fizikas jūs varat atcerēties, ka elektrībai ķēdē jāplūst vienā nepārtrauktā virzienā. Piemēram, ja jūs izslēdzat gaismas slēdzi, jūs pārtraucat ķēdi un tādējādi izslēdzat gaismu. Tiklīdz jūs atkal pagriežat slēdzi, jūs atkal pievienojat ķēdi, un gaismas atkal iedegas.

Vai arī padomājiet par jūsu mājas vai Ziemassvētku eglītes apgaismojumu. Ja izdeg tikai viena spuldze, izdziest visa gaismas spuldze. Tas notiek tāpēc, ka elektrībai, kuru aptur pārtraukta gaisma, nav kur iet. Tas ir tas pats, kas izslēgt gaismas slēdzi un pārtraukt ķēdi. Otrs aspekts šajā sakarā attiecībā uz Kiršhofa likumiem ir tāds, ka visai elektrībai, kas nonāk krustojumā un izplūst no tā, jābūt nullei. Elektrībai, kas nonāk krustojumā (un plūst ap ķēdi), jābūt vienādai ar nulli, jo arī elektrībai, kas ieiet, ir jāiznāk.

Tātad, nākamreiz strādājot pie savienojuma kārbas vai novērojot, kā elektriķis to dara, iespraužot elektriskās svētku gaismas vai ieslēdzot vai izslēdzot televizoru vai datoru, atcerieties, ka Kiršofs vispirms aprakstīja, kā tas viss darbojas, tādējādi ieviešot vecumu elektrība.