År 1845 beskrev den tyske fysikern Gustav Kirchhoff för första gången två lagar som blev centrala för elektroteknik. Kirchhoffs nuvarande lag, även känd som Kirchhoffs övergångslag, och Kirchhoffs första lag, definiera hur elektrisk ström fördelas när den passerar genom en korsning – en punkt där tre eller flera ledare möts. Med andra ord säger Kirchhoffs lagar att summan av alla strömmar som lämnar en nod i ett elektriskt nätverk alltid är lika med noll.
Dessa lagar är extremt användbara i verkligheten eftersom de beskriver förhållandet mellan värden på strömmar som flyter genom en kopplingspunkt och spänningar i en elektrisk kretsslinga. De beskriver hur elektrisk ström flyter i alla av de miljarder elektriska apparater och enheter, såväl som i hem och företag, som ständigt används på jorden.
Kirchhoffs lagar: grunderna
Närmare bestämt säger lagarna:
Den algebraiska summan av strömmen i en korsning är noll.
Eftersom ström är flödet av elektroner genom en ledare, kan den inte byggas upp i en korsning, vilket betyder att strömmen bevaras: Det som går in måste komma ut. Föreställ dig ett välkänt exempel på en kopplingspunkt: en kopplingsdosa. Dessa boxar är installerade på de flesta hus. De är lådorna som innehåller ledningarna genom vilka all el i hemmet måste flöda.
När man utför beräkningar har strömmen som flyter in och ut ur korsningen vanligtvis motsatta tecken. Du kan också ange Kirchhoffs strömlag enligt följande:
Summan av ström till en korsning är lika med summan av ström ut från korsningen.
Du kan ytterligare bryta ner de två lagarna mer specifikt.
Kirchhoffs nuvarande lag
På bilden visas en korsning av fyra ledare (trådar). Strömmarna v2 och v3 rinner in i korsningen, medan v
1 och v4 rinner ut ur det. I detta exempel ger Kirchhoffs Junction Rule följande ekvation:
v
2 + v3 = v1 + v4
Kirchhoffs spänningslag
Kirchhoffs spänningslag beskriver fördelningen av elektrisk spänning inom en slinga, eller sluten ledande bana, i en elektrisk krets. Kirchhoffs spänningslag säger att:
Den algebraiska summan av spänningsskillnaderna (potentiella) i valfri slinga måste vara lika med noll.
Spänningsskillnaderna inkluderar de som är associerade med elektromagnetiska fält (EMF) och resistiva element, såsom resistorer, strömkällor (till exempel batterier) eller enheter – lampor, tv-apparater och mixers – anslutna till kretsen. Föreställ dig detta som att spänningen stiger och faller när du fortsätter runt någon av de individuella slingorna i kretsen.
Kirchhoffs spänningslag kommer till eftersom det elektrostatiska fältet i en elektrisk krets är ett konservativt kraftfält. Spänningen representerar den elektriska energin i systemet, så se det som ett specifikt fall av bevarande av energi. När du går runt en slinga, när du anländer till startpunkten har samma potential som när du började, så alla ökningar och minskningar längs slingan måste ta bort för en total förändring på noll. Om de inte gjorde det, skulle potentialen vid start-/slutpunkten ha två olika värden.
Positiva och negativa tecken i Kirchhoffs spänningslag
Att använda spänningsregeln kräver vissa teckenkonventioner, som inte nödvändigtvis är lika tydliga som de i den aktuella regeln. Välj en riktning (medurs eller moturs) för att gå längs slingan. När du reser från positivt till negativt (+ till -) i en EMF (strömkälla), sjunker spänningen, så värdet är negativt. När man går från negativ till positiv (- till +) går spänningen upp, så värdet är positivt.
Kom ihåg att när du reser runt kretsen att applicera Kirchhoffs spänning Lag, se till att du alltid går i samma riktning (medurs eller moturs) för att avgöra om ett givet element representerar en ökning eller minskning av spänningen. Om du börjar hoppa runt och rör dig i olika riktningar blir din ekvation felaktig.
Vid korsning av ett motstånd bestäms spänningsändringen med formeln:
I*R
var I är värdet av den aktuella och R är motståndet för motståndet . Att korsa i samma riktning som strömmen betyder att spänningen går ner, så dess värde är negativt. När man korsar ett motstånd i riktning motsatt strömmen är spänningsvärdet positivt, så det ökar.
Tillämpa Kirchhoffs spänningslag
De mest grundläggande tillämpningarna för Kirchhoffs lagar hänför sig till elektriska kretsar. Du kanske minns från mellanstadiets fysik att elektricitet i en krets måste flyta i en kontinuerlig riktning. Om du till exempel slår av en ljusströmbrytare bryter du kretsen och stänger därför av ljuset. När du väl vrider på strömbrytaren igen kopplar du in kretsen igen och lamporna tänds igen.
Eller tänk på att stränga ljus på ditt hus eller julgran. Om bara en glödlampa slocknar slocknar hela ljusslingan. Det beror på att elektriciteten, stoppad av det trasiga ljuset, inte har någonstans att ta vägen. Det är samma sak som att stänga av ljusströmbrytaren och bryta kretsen. Den andra aspekten av detta med avseende på Kirchhoffs lagar är att summan av all elektricitet som går in i och strömmar ut ur en korsning måste vara noll. Elen som går in i korsningen (och flyter runt kretsen) måste vara lika med noll eftersom elen som går in också måste komma ut.
Så nästa gång du arbetar på din kopplingsdosa eller ser en elektriker som gör det, tänder elektriska semesterljus eller sätter på eller stänger av din TV eller dator, kom ihåg att Kirchhoff först beskrev hur det hela fungerar och därmed inledde elektricitetens tidsålder.
