החוקים של קירכהוף לזרם ומתח

בשנת 1845, פיזיקאי גרמני גוסטב קירכהוף תחילה תיארו שני חוקים שהפכו למרכזיים בהנדסת חשמל. החוק הנוכחי של קירקהוף, המכונה גם חוק צומת קירךוף, והחוק הראשון של קירקהוף, מגדירים את הדרך בה זרם חשמלי מופץ כשהוא חוצה דרך צומת - נקודה בה נפגשים שלושה מוליכים או יותר. במילים אחרות, החוקים של קירכהוף קובעים כי סכום כל הזרמים שמשאירים צומת ברשת חשמל תמיד שווה לאפס.

חוקים אלו מועילים ביותר בחיים האמיתיים מכיוון שהם מתארים את היחס בין ערכי הזרמים הזורמים דרך נקודת צומת ומתחים בלולאת מעגלים חשמליים. הם מתארים כיצד זרם חשמלי זורם בכל מיליארדי מכשירי החשמל והמכשירים, כמו גם ברחבי בתים ועסקים, הנמצאים בשימוש מתמיד על פני כדור הארץ.

באופן ספציפי, החוקים קובעים:

הסכום האלגברי של הזרם לצומת כלשהו הוא אפס.

מכיוון שזרם הוא זרימת אלקטרונים דרך מוליך, הוא אינו יכול להצטבר בצומת, כלומר הזרם נשמר: מה שנכנס חייב לצאת. דמיינו דוגמה ידועה לצומת: א תיבת צומת. תיבות אלה מותקנות על רוב הבתים. אלה הקופסאות שמכילות את החיווט דרכם צריך לזרום כל החשמל בבית.

בעת ביצוע חישובים, לזרם הזורם לצומת ומחוצה לו בדרך כלל יש סימנים הפוכים. תוכל גם לציין את החוק הנוכחי של קירכהוף באופן הבא:

סכום הזרם לצומת שווה לסכום הזרם מחוץ לצומת.

אתה יכול עוד יותר לפרק את שני החוקים באופן ספציפי יותר.

בתמונה מוצג צומת של ארבעה מוליכים (חוטים). הזרמים v₂ ו v₃ זורמים לצומת, בעוד v₁ ו v₄ לזרום ממנו. בדוגמה זו, כלל צומת קירבהוף מניב את המשוואה הבאה:

v₂ + v₃ = v₁ + v₄

חוק המתח של קירכהוף מתאר את חלוקת מתח חשמלי בתוך לולאה, או מסלול מוליך סגור, של מעגל חשמלי. חוק המתח של קירכהוף קובע כי:

הסכום האלגברי של הפרשי המתח (הפוטנציאל) בכל לולאה חייב להיות שווה לאפס.

הפרשי המתח כוללים את אלה הקשורים לשדות אלקטרומגנטיים (EMF) ואלמנטים התנגדים, כגון נגדים, מקורות חשמל (סוללות, למשל) או מכשירים - מנורות, טלוויזיות ובלנדרים - המחוברים לחשמל מעגל חשמלי. דמיין זאת כמתח העולה ויורד כשאתה מתקדם סביב כל הלולאות הבודדות במעגל.

חוק המתח של קירכהוף נובע מכיוון שהשדה האלקטרוסטטי בתוך מעגל חשמלי הוא שדה כוח שמרני. המתח מייצג את האנרגיה החשמלית במערכת, לכן חשבו עליה כמקרה ספציפי של שימור אנרגיה. כשאתה מסתובב לולאה, כשמגיעים לנקודת ההתחלה יש פוטנציאל זהה לזה שהיה בזמן התחלת, כך שכל עליות וירידות לאורך הלולאה צריכות לבטל את החילוף לשם שינוי מוחלט של אפס. אם הם לא עשו זאת, לפוטנציאל בנקודת ההתחלה / הסיום היו שני ערכים שונים.

השימוש בכללי המתח דורש כמה מוסכמות סימנים, אשר אינן בהכרח ברורות כמו אלה שבכלל הנוכחי. בחר כיוון (עם כיוון השעון או נגד כיוון השעון) ללכת לאורך הלולאה. כשנוסעים מחיובי לשלילי (+ ל- -) ב- EMF (מקור כוח) המתח יורד, כך שהערך שלילי. כאשר עוברים מנגטיב לחיובי (- ל +) המתח עולה, כך שהערך הוא חיובי.

זכור כי כשאתה מסתובב במעגל כדי להחיל את חוק המתח של קירכהוף, וודא שאתה תמיד הולך באותה פעולה כיוון (עם כיוון השעון או נגד כיוון השעון) כדי לקבוע אם אלמנט נתון מייצג עלייה או ירידה ב מתח. אם תתחיל לקפוץ סביב, לנוע בכיוונים שונים, המשוואה שלך תהיה שגויה.

כאשר חוצים נגדי, שינוי המתח נקבע על ידי הנוסחה:

I * R

איפה אני הוא ערך הזרם ו- ר היא ההתנגדות של הנגד. חצייה באותו כיוון כמו הזרם פירושה שהמתח יורד, כך שערכו שלילי. כאשר חוצים נגדי בכיוון שמול הזרם, ערך המתח חיובי, ולכן הוא עולה.

היישומים הבסיסיים ביותר לחוקי קירשוף מתייחסים למעגלים חשמליים. אתה זוכר מפיזיקה של חטיבת הביניים שחשמל במעגל חייב לזרום בכיוון אחד רציף. אם אתה מכבה מתג תאורה, למשל, אתה מפר את המעגל ומכבה את האור. ברגע שמעבירים שוב את המתג, מחברים מחדש את המעגל והאורות נדלקים.

או, חשוב על מחרוזת אורות בבית או בעץ חג המולד. אם רק נורה אחת נושבת, כל מחרוזת האורות נכבה. הסיבה לכך היא שלחשמל, המופסק על ידי האור השבור, אין מקום ללכת אליו. זה אותו דבר כמו כיבוי מתג האור ושבירת המעגל. ההיבט הנוסף של זה ביחס לחוקי קירצ'וף הוא שסכום כל החשמל שנכנס ויוצא מצומת חייב להיות אפס. החשמל שנכנס לצומת (וזורם במעגל) חייב להיות שווה לאפס מכיוון שהחשמל שנכנס חייב גם הוא לצאת.

אז בפעם הבאה שאתה עובד על תיבת הצומת שלך או מתבונן בחשמלאי שעושה זאת, מחרטט אורות חג חשמליים, או כיבוי או כיבוי הטלוויזיה או המחשב שלך, זכור שקירשהוף תיאר לראשונה איך הכל עובד, ובכך התחיל בעידן של חשמל.