قوانين كيرشوف للتيار والجهد

في عام 1845 ، عالم الفيزياء الألماني غوستاف كيرشوف وصف لأول مرة قانونين أصبحا أساسيين في الهندسة الكهربائية. قانون كيرشوف الحالي ، والمعروف أيضًا باسم قانون مفصل كيرشوف ، وقانون كيرشوف الأول ، يحددان الطريقة التي التيار الكهربائي يتم توزيعه عندما يعبر عبر مفترق طرق - نقطة التقاء ثلاثة أو أكثر من الموصلات. بعبارة أخرى ، تنص قوانين كيرشوف على أن مجموع جميع التيارات التي تترك عقدة في شبكة كهربائية يساوي دائمًا الصفر.

هذه القوانين مفيدة للغاية في الحياة الحقيقية لأنها تصف العلاقة بين قيم التيارات التي تتدفق عبر نقطة الوصلات والفولتية في حلقة الدائرة الكهربائية. يصفون كيفية تدفق التيار الكهربائي في جميع المليارات من الأجهزة الكهربائية والأجهزة ، وكذلك في جميع أنحاء المنازل والشركات ، التي يتم استخدامها بشكل مستمر على الأرض.

على وجه التحديد ، تنص القوانين على:

مجموع جبري للتيار في أي تقاطع هو صفر.

بما أن التيار هو تدفق الإلكترونات عبر موصل ، فإنه لا يمكن أن يتراكم عند مفترق طرق ، مما يعني أن التيار محفوظ: ما يحدث يجب أن يخرج. تصور مثالًا معروفًا للتقاطع: مربع تقاطع. يتم تثبيت هذه الصناديق في معظم المنازل. إنها الصناديق التي تحتوي على الأسلاك التي يجب من خلالها تدفق جميع الكهرباء في المنزل.

عند إجراء العمليات الحسابية ، يكون للتيار الجاري داخل وخارج الوصلة علامات عكسية. يمكنك أيضًا تحديد قانون Kirchhoff الحالي كما يلي:

مجموع التيار في تقاطع يساوي مجموع التيار خارج التقاطع.

يمكنك زيادة تفصيل القانونين بشكل أكثر تحديدًا

في الصورة ، يتم عرض تقاطع أربعة الموصلات (الأسلاك). التيارات الخامس₂ و الخامس₃ تتدفق في تقاطع ، في حين الخامس₁ و الخامس₄ تتدفق منه. في هذا المثال ، تعطي قاعدة تقاطع Kirchhoff المعادلة التالية:

الخامس₂ + الخامس₃ = الخامس₁ + الخامس₄

ويصف قانون الجهد كيرشوف توزيع الجهد الكهربائي داخل حلقة ، أو مسار إجراء مغلق ، من دائرة كهربائية. ينص قانون الجهد Kirchhoff على ما يلي:

يجب أن يساوي مجموع جبري للاختلافات الجهد (المحتملة) في أي حلقة صفر.

تتضمن اختلافات الجهد تلك المرتبطة بالحقول الكهرومغناطيسية (EMFs) والعناصر المقاومة ، مثل المقاومات ، ومصادر الطاقة (البطاريات ، على سبيل المثال) أو الأجهزة - المصابيح وأجهزة التلفزيون والخلاطات - موصولة دائرة كهربائية. صور هذا الجهد الكهربي يرتفع وينخفض ​​أثناء المتابعة حول أي من الحلقات الفردية في الدائرة.

قانون كيرتشوف للجهد يأتي لأن المجال الكهروستاتيكي داخل الدائرة الكهربائية هو حقل قوة متحفظ. يمثل الجهد الطاقة الكهربائية في النظام ، لذلك فكر في الأمر كحالة محددة لحفظ الطاقة. عندما تتجول في حلقة ، عند وصولك إلى نقطة البداية يكون له نفس الإمكانات التي كانت عليه عند حدوثها لقد بدأت ، لذلك أي الزيادات والنقصان على طول الحلقة يجب أن تلغي لتغيير كلي لـ صفر. إذا لم يفعلوا ، فإن الإمكانات في نقطة البداية / النهاية لها قيمتان مختلفتان.

يتطلب استخدام قاعدة الجهد بعض اصطلاحات اللافتات ، والتي ليست بالضرورة واضحة مثل تلك الموجودة في القاعدة الحالية. اختر اتجاهًا (في اتجاه عقارب الساعة أو عكس اتجاه عقارب الساعة) للذهاب على طول الحلقة. عند السفر من الموجب إلى السالب (+ إلى -) في EMF (مصدر الطاقة) ، ينخفض ​​الجهد الكهربائي ، وبالتالي تكون القيمة سالبة. عند الانتقال من السالب إلى الموجب (- إلى +) ، يرتفع الجهد الكهربائي ، وبالتالي تكون القيمة موجبة.

تذكر أنه عند السفر حول الدائرة لتطبيق قانون الجهد Kirchhoff ، تأكد من أنك تسير على الدوام اتجاه (في اتجاه عقارب الساعة أو عكس اتجاه عقارب الساعة) لتحديد ما إذا كان عنصر معين يمثل زيادة أو نقصان في الجهد االكهربى. إذا بدأت القفز ، تتحرك في اتجاهات مختلفة ، فلن تكون المعادلة صحيحة.

عند عبور المقاوم ، يتم تحديد التغير في الجهد بواسطة الصيغة:

أنا * ص

أين أنا هي قيمة الحالية و ر هي مقاومة المقاوم. يعني التقاطع في نفس اتجاه التيار أن الجهد الكهربي ينخفض ​​، لذلك تكون قيمته سالبة. عند عبور المقاوم في الاتجاه المعاكس للتيار ، تكون قيمة الجهد موجبة ، وبالتالي فهي تتزايد.

تتعلق التطبيقات الأساسية لقوانين Kirchhoff بالدوائر الكهربائية. قد تتذكر من فيزياء المدرسة المتوسطة أن الكهرباء في الدائرة يجب أن تتدفق في اتجاه واحد مستمر. إذا قمت بقلب مفتاح الضوء ، على سبيل المثال ، فأنت تكسر الدائرة ، وبالتالي توقف الضوء. بمجرد قلب المفتاح مرة أخرى ، تعيد ربط الدائرة ، وتعود الأضواء.

أو فكر في الأوتار على منزلك أو شجرة عيد الميلاد. إذا انفجر مصباح واحد فقط ، تنطفئ سلسلة الأضواء بالكامل. وذلك لأن الكهرباء ، التي توقفها الضوء المكسور ، ليس لديها مكان تذهب إليه. إنه مثل إيقاف تشغيل مفتاح الضوء وكسر الدائرة. الجانب الآخر من هذا فيما يتعلق بقوانين Kirchhoff هو أن مجموع كل الكهرباء التي تدخل وتتدفق من تقاطع يجب أن يكون صفرًا. يجب أن تساوي الكهرباء التي تدخل إلى التقاطع (وتتدفق حول الدائرة) صفرًا لأن الكهرباء التي تدخل يجب أن تخرج أيضًا.

لذا ، في المرة القادمة التي تعمل فيها على صندوق التوصيل أو تراقب كهربائيًا يفعل ذلك ، أو يضيء أضواء العطلة الكهربائية ، أو عند تشغيل التلفزيون أو الكمبيوتر أو إيقاف تشغيله ، تذكر أن Kirchhoff وصف أولاً كيف يعمل كل شيء ، وبالتالي الدخول في عصر كهرباء.