В 1845 году немецкий физик Густав Кирхгоф впервые описал два закона, которые стали центральными в электротехнике. Текущий закон Кирхгофа, также известный как закон соединения Кирхгофа и первый закон Кирхгофа, определяют способ распределения электрического тока, когда он проходит через соединение – точку, где встречаются три или более проводника. Другими словами, законы Кирхгофа гласят, что сумма всех токов, выходящих из узла в электрической сети, всегда равна нулю.
Эти законы чрезвычайно полезны в реальной жизни. потому что они описывают соотношение значений токов, протекающих через точку соединения, и напряжений в контуре электрической цепи. Они описывают, как электрический ток течет во всех миллиардах электроприборов и устройств, а также во всех домах и на предприятиях, которые постоянно используются на Земле.
Законы Кирхгофа: основы
В частности, законы гласят:
Алгебраическая сумма тока в любом соединении равна нулю.
Поскольку ток – это поток электронов через проводник, он не может накапливаться на стыке, а это означает, что ток сохраняется: то, что входит, должно выходить наружу. Представьте себе хорошо известный пример соединения: распределительную коробку. Эти ящики устанавливаются в большинстве домов. Это коробки, которые содержат проводку, по которой должно протекать все электричество в доме.
При выполнении расчетов ток, протекающий через соединение и выходящий из него, обычно имеет противоположные признаки. Вы также можете сформулировать Закон Кирхгофа следующим образом:
Сумма тока в соединении равна сумме тока вне соединения.
Вы можете далее разбить два закона более конкретно.
Текущий закон Кирхгофа
На картинке показан стык четырех проводов (проводов). Токи v 2 и v 3 текут в переход, в то время как Из него вытекают v 1 и v 4 . В этом примере правило соединения Кирхгофа дает следующее уравнение:
v 2 + v 3 = v 1 + v 4
Закон напряжения Кирхгофа
Закон напряжения Кирхгофа описывает распределение электрическое напряжение в петле или замкнутом проводящем пути электрической цепи. Закон Кирхгофа по напряжению гласит, что:
Алгебраическая сумма разностей напряжений (потенциалов) в любом контуре должна равняться нулю..
Различия в напряжении включают те, которые связаны с электромагнитными полями (ЭМП) и резистивными элементами, такими как резисторы, источники питания (например, батареи) или устройства – лампы , телевизоры и блендеры – подключены к цепи. Представьте себе, что напряжение растет и падает по мере того, как вы перемещаетесь по любой из отдельных петель в цепи.
Закон Кирхгофа о напряжении возникает потому, что электростатическое поле внутри электрическая цепь – это консервативное силовое поле. Напряжение представляет собой электрическую энергию в системе, поэтому рассматривайте его как особый случай сохранения энергии. Когда вы идете по циклу, когда вы прибываете в начальную точку, имеет тот же потенциал, что и в начале, поэтому любые увеличения и уменьшения по циклу должны отменяться, чтобы общее изменение было нулевым. В противном случае потенциал в начальной/конечной точке имел бы два разных значения.
Положительные и отрицательные признаки в законе напряжения Кирхгофа
Использование правила напряжения требует некоторых соглашений о знаках, которые не обязательно столь же ясны, как в текущем правиле. Выберите направление (по часовой стрелке или против часовой стрелки), в котором будет проходить петля. При переходе от положительного к отрицательному (+ к -) в ЭДС (источнике питания) напряжение падает, поэтому значение становится отрицательным. При переходе от отрицательного к положительному (- к +) напряжение возрастает, поэтому значение будет положительным.
Помните, что при перемещении по цепи необходимо применять Закон Кирхгофа о напряжении, убедитесь, что вы всегда движетесь в одном и том же направлении (по часовой стрелке или против часовой стрелки), чтобы определить, представляет ли данный элемент увеличение или уменьшение напряжения. Если вы начнете прыгать, двигаться в разных направлениях, ваше уравнение будет неверным.
При пересечении резистора изменение напряжения определяется по формуле:
I * R
где I – значение тока, а R – сопротивление резистора. Пересечение в том же направлении, что и ток, означает, что напряжение падает, поэтому его значение отрицательное. При пересечении резистора в направлении, противоположном току, значение напряжения положительное, поэтому оно увеличивается.
Применение закона Кирхгофа о напряжении
Самые основные приложения законов Кирхгофа относятся к электрическим цепям. Вы, возможно, помните из физики средней школы, что электричество в цепи должно течь в одном непрерывном направлении. Если, например, вы щелкнете выключателем света, вы нарушите цепь и, следовательно, выключите свет. Когда вы снова щелкаете выключателем, вы снова включаете цепь, и свет снова включается.
Или подумайте о том, чтобы повесить огни на свой дом или рождественскую елку. Если перегорает только одна лампочка, гаснет вся цепочка огней.. Это потому, что электричеству, остановленному разбитым светом, некуда деться. Это то же самое, что выключить свет и разорвать цепь. Другой аспект этого по отношению к законам Кирхгофа состоит в том, что сумма всего электричества, входящего и вытекающего из соединения, должна быть равна нулю. Электричество, входящее в соединение (и текущее по цепи), должно быть равно нулю, потому что электричество, которое входит в него, также должно выходить.
Итак, в следующий раз вы Работаете над вашей распределительной коробкой или наблюдаете за тем, как это делает электрик, натягивая электрические праздничные огни, или включаете или выключаете телевизор или компьютер, помните, что Кирхгоф первым описал, как все это работает, тем самым открыв эру электричества.