Οι νόμοι του Kirchhoff και οι εφαρμογές τους.

Εισαγωγή

Για να κατανοήσετε σωστά ένα ηλεκτρικό κύκλωμα, είναι απαραίτητο να μάθετε για τους νόμους του ηλεκτρισμού. Ένας από τους πιο σημαντικούς νόμους για την επίλυση ηλεκτρικών κυκλωμάτων είναι ο νόμος του Kirchhoff. Με τη βοήθεια του νόμου του Kirchhoff, γίνεται πολύ εύκολο να λυθούν τα κυκλώματα γρήγορα και εύκολα. Κατά συνέπεια, ο Kirchhoff έχει δώσει δύο νόμους, τον τρέχοντα νόμο του Kirchhoff και τον νόμο περί τάσης του Kirchhoff. Οι νόμοι του Kirchhoff βοηθούν στην ανάλυση του κυκλώματος.

Τώρα, τίθεται το ερώτημα ποιος ήταν ο Kirchhoff; Ο Gustav Robert Kirchhoff ήταν Γερμανός φυσικός που γεννήθηκε στις 12 Μαρτίου 1824 στο Konigsberg της Πρωσίας. Αρχικά ξεκίνησε την έρευνά του για την αγωγή του ηλεκτρισμού. Αυτή η έρευνα τον οδήγησε να διατυπώσει τους δύο νόμους των κλειστών ηλεκτρικών κυκλωμάτων το 1845, δηλαδή τον τρέχοντα νόμο του Kirchhoff και τον νόμο περί τάσης του Kirchhoff.

Τι είναι ο νόμος του Kirchhoff;

Το 1845, ο Gustav Robert Kirchhoff, ένας Γερμανός φυσικός, έδωσε νόμους που εξηγούσαν τη διατήρηση της ενέργειας και του ρεύματος σε ένα ηλεκτρικό κύκλωμα. Αυτοί οι νόμοι βοηθούν στην ανάλυση και τον υπολογισμό της ηλεκτρικής αντίστασης και της αντίστασης ενός πολύπλοκου κυκλώματος AC. Ας κατανοήσουμε τώρα αυτή την έννοια λεπτομερώς. Υπάρχουν δύο νόμοι του Kirchhoff:

Ο τρέχων νόμος του Kirchhoff είναι ο πρώτος νόμος του Kirchhoff ή ο κανόνας του Kirchhoff's Junction. Σύμφωνα με τον Κανόνα Διασταύρωσης, σε ένα ηλεκτρικό κύκλωμα, το συνολικό ρεύμα σε μια διασταύρωση είναι ίσο με το άθροισμα των ρευμάτων εκτός της διασταύρωσης.

Ο νόμος της τάσης του Kirchhoff είναι επίσης γνωστός ως ο δεύτερος νόμος του Kirchhoff ή κανόνας βρόχου του Kirchhoff. Σύμφωνα με τον κανόνα του βρόχου, το άθροισμα των τάσεων γύρω από ένα κλειστό ηλεκτρικό κύκλωμα είναι μηδέν.

Ο τρέχων νόμος του Kirchhoff  

Ο τρέχων νόμος του Kirchhoff αναφέρει, «Το ρεύμα που ρέει σε έναν κόμβο ή μια διασταύρωση πρέπει να είναι ίσο με το ρεύμα που ρέει έξω από αυτόν». 

Με άλλα λόγια, δηλώνει ότι το αλγεβρικό άθροισμα όλων των ρευμάτων στο δεδομένο ηλεκτρικό κύκλωμα είναι ίσο με μηδέν.

Έτσι, αυτός ο νόμος υποδεικνύει τη διατήρηση του φορτίου. Στη φυσική, το φορτίο είναι μια διατηρημένη ποσότητα, δηλαδή το ποσό του φορτίου που εισάγεται είναι ίσο με το ποσό του φορτίου που προέρχεται από αυτό.

Τώρα, κατανοώντας αυτήν την έννοια με μερικά παραδείγματα:

Θεωρήστε ένα κύκλωμα στο οποίο στον κόμβο Ο, τα ρεύματα I1, I2, I3 είναι εισερχόμενα ρεύματα και τα ρεύματα I4, I5 είναι εξερχόμενα ρεύματα. Τώρα, σύμφωνα με τον κανόνα Junction, το άθροισμα των εισερχόμενων ρευμάτων είναι ίσο με τα εξερχόμενα ρεύματα. επομένως, 

I1+I2+I3 =I4+I5

I1+I2+I3+(-I4) +(-I5) =0

Ας υποθέσουμε ότι στον κόμβο Α, υπάρχουν τέσσερα εισερχόμενα ρεύματα I1, I2 , I3, I4 και τρία εξερχόμενα ρεύματα I5, I6, I7.

I1=5, I2=10, I3=4, I4=7, I5=6, I6 =12, I7 =? Υπολογίστε το I7.

Σύμφωνα με τον ισχύοντα νόμο του Kirchhoff,

Ι1 + Ι2 + Ι3 + Ι4 =Ι5 + Ι6 + Ι7

I1 + I2 + I3 + I4 – I5 – I6 – I7 =0

5 + 10 + 4 + 7 – 6 – 12 =I7

I7 =8

Από τα παραπάνω παραδείγματα, είναι πολύ σαφές ότι η σύμβαση προσήμου είναι ένα ουσιαστικό μέρος της επίλυσης του ηλεκτρικού κυκλώματος. Εδώ, θεωρούμε το εισερχόμενο ρεύμα θετικό και το εξερχόμενο ως αρνητικό.

Παράδειγμα 1: Προσδιορίστε το ηλεκτρικό ρεύμα που ρέει σε ένα κύκλωμα στο οποίο υπάρχουν 2 μπαταρίες των 12 βολτ  και 3 αντιστάσεις 1,2 και 6 ωμέγα

Λύση :  

Σε αυτό, η κατεύθυνση του ρεύματος θα είναι ίδια με την κατεύθυνση της περιστροφής δεξιόστροφα.

– I – 6I + 12 – 2I + 12 =0

-9I + 24 =0

-9I =-24

I =24 / 9

I =8 / 3 A

Νόμος της τάσης του Kirchhoff

Ο νόμος τάσης του Kirchhoff δηλώνει ότι σε κάθε πλήρη βρόχο μέσα σε ένα ηλεκτρικό κύκλωμα, το άθροισμα όλων των τάσεων στα εξαρτήματα που παρέχουν ηλεκτρική ενέργεια πρέπει να είναι ίσο με το άθροισμα όλων των τάσεων στα άλλα στοιχεία στον ίδιο βρόχο.

Με άλλα λόγια, το αλγεβρικό άθροισμα όλων των τάσεων σε έναν βρόχο είναι ίσο με 0.

Για να έχετε το σωστό αποτέλεσμα, είναι απαραίτητο να διατηρήσετε την κατεύθυνση, είτε δεξιόστροφα είτε αριστερόστροφα.

Αυτός ο νόμος υποδεικνύει το νόμο της διατήρησης της ενέργειας.

Η εργασία γίνεται από τα ηλεκτρικά φορτία ή τα ηλεκτρικά φορτία λόγω των ηλεκτρικών δυνάμεων μέσα στο ηλεκτρικό εξάρτημα.

Η συνολική εργασία που γίνεται από τους φορείς φορτίου στο υπόλοιπο εξάρτημα είναι ίση με τη συνολική εργασία που γίνεται στους φορείς φορτίου λόγω ηλεκτρικών δυνάμεων. Έτσι, σημαίνει ότι οι διαφορές δυναμικού μεταξύ του στοιχείου πρέπει να είναι 0.

Διαδικασία επίλυσης του προβλήματος:

Το αλγεβρικό άθροισμα των τάσεων κοντά σε έναν κλειστό βρόχο πρέπει να είναι μηδέν.

Σχεδιάστε την κατεύθυνση του ρεύματος και σημειώστε την κατεύθυνση της τάσης. Να θυμάστε ότι η τάση σε μια πηγή τάσης είναι πάντα θετική προς το αρνητικό άκρο.

Καθορίστε είτε δεξιόστροφα είτε αριστερόστροφη κατεύθυνση ως κατεύθυνση πτώσης τάσης. Μόλις καθοριστεί η κατεύθυνση, χρησιμοποιείται η ίδια σύμβαση σε κάθε βρόχο—το σύμβολο + για την τάση στην κατεύθυνση του ρεύματος και – διαφορετικά.

Εφαρμόστε το KVL.

Εφαρμογές των νόμων του KIRCHHOFF

Αυτός ο νόμος αναλύει πώς λειτουργούν οι πηγές ρεύματος και τάσης στο ηλεκτρικό κύκλωμα.

Εφαρμογές στην καθημερινή ζωή:

• Στις ερήμους, οι μέρες είναι πολύ ζεστές καθώς η άμμος είναι τραχιά. Ως εκ τούτου, είναι ένας καλός απορροφητής θερμότητας. Τώρα σύμφωνα με τους νόμους του Kirchhoff, ένας καλός απορροφητής είναι ένας καλός εκπομπός. Ανάλογα λοιπόν οι νύχτες θα είναι δροσερές. Γι' αυτό στις ερήμους, οι μέρες είναι ζεστές και οι νύχτες είναι κρύες.
• Αυτός ο νόμος χρησιμοποιείται για τον υπολογισμό των άγνωστων τιμών του ρεύματος και των τάσεων στο κύκλωμα.
• Ο νόμος του Kirchhoff ήταν ο πρώτος νόμος που βοήθησε την ανάλυση και τον υπολογισμό πολύπλοκων κυκλωμάτων να γίνει διαχειρίσιμος και εύκολος.
• Η γέφυρα Wheatstone είναι μια ουσιαστική εφαρμογή των νόμων του Kirchhoff. Χρησιμοποιείται επίσης στην ανάλυση πλέγματος και κόμβων.

Συμπέρασμα

Έτσι, ο νόμος του Kirchhoff είναι ένας θεμελιώδης ηλεκτρικός νόμος που βοηθά στην γρήγορη επίλυση και ανάλυση του ηλεκτρικού κυκλώματος. Ο υπολογισμός του άγνωστου ρεύματος και τάσης σε ένα ηλεκτρικό κύκλωμα γίνεται ευκολότερος. Ο πρώτος νόμος του Kirchhoff βασίζεται στη διατήρηση των φορτίων και ο δεύτερος νόμος του Kirchhoff βασίζεται στη διατήρηση της ενέργειας. Ο Gustav Robert Kirchhoff το περιέγραψε το 1845.

Ο πρώτος νόμος του Kirchhoff είναι ο κανόνας διασταύρωσης ή ο τρέχων νόμος και ο δεύτερος νόμος του Kirchhoff είναι ο κανόνας βρόχου ή ο νόμος της τάσης. Είναι ο σημαντικός και θεμελιώδης νόμος του ηλεκτρισμού.