Kirchhoff's wetten voor stroom en spanning

In 1845 beschreef de Duitse natuurkundige Gustav Kirchhoff voor het eerst twee wetten die centraal stonden in de elektrotechniek. De huidige wet van Kirchhoff, ook bekend als de junctiewet van Kirchhoff en de eerste wet van Kirchhoff, definiëren de manier waarop elektrische stroom wordt verdeeld wanneer deze een kruising kruist - een punt waar drie of meer geleiders elkaar ontmoeten. Anders gezegd, de wetten van Kirchhoff stellen dat de som van alle stromen die een knoop in een elektrisch netwerk verlaten altijd gelijk is aan nul.

Deze wetten zijn uiterst nuttig in het echte leven omdat ze de relatie beschrijven van waarden van stromen die door een verbindingspunt stromen en spanningen in een lus van een elektrisch circuit. Ze beschrijven hoe elektrische stroom stroomt in alle miljarden elektrische apparaten en apparaten, evenals in huizen en bedrijven die continu op aarde worden gebruikt.

Kirchhoff's Laws: The Basics

Specifiek staat in de wetgeving:

De algebraïsche som van stroom in een knooppunt is nul.

Omdat stroom de stroom van elektronen door een geleider is, kan deze zich niet ophopen op een kruising, wat betekent dat de stroom behouden blijft: wat erin komt moet eruit komen. Stel je een bekend voorbeeld van een knooppunt voor: een aansluitdoos. Deze dozen worden op de meeste huizen geïnstalleerd. Het zijn de dozen die de bedrading bevatten waardoor alle elektriciteit in het huis moet stromen.

Bij het uitvoeren van berekeningen heeft de stroom die in en uit de kruising stroomt doorgaans tegengestelde tekens. U kunt de huidige wet van Kirchhoff ook als volgt vermelden:

De som van de stroom in een knooppunt is gelijk aan de som van de stroom uit het kruispunt.

U kunt de twee wetten verder specifieker afbreken.

Huidige wet van Kirchhoff

Op de afbeelding is een knooppunt van vier geleiders (draden) weergegeven. De stromingen v₂ en v₃ stromen in de kruising, terwijl v₁ en v₄ eruit vloeien. In dit voorbeeld levert de verbindingsregel van Kirchhoff de volgende vergelijking op:

v₂ + v₃ = v₁ + v₄

De spanningwet van Kirchhoff

De spanningwet van Kirchhoff beschrijft de verdeling van elektrische spanning binnen een lus of een gesloten geleidend pad van een elektrisch circuit. De spanningwet van Kirchhoff bepaalt dat:

De algebraïsche som van de spanningsverschillen (potentiaal) in elke lus moet gelijk zijn aan nul.

De spanningsverschillen omvatten die welke verband houden met elektromagnetische velden (EMV's) en weerstandselementen, zoals weerstanden, stroombronnen (bijvoorbeeld batterijen) of apparaten-lampen, televisies en blenders die op het circuit zijn aangesloten. Stel je dit voor als de spanning die stijgt en daalt terwijl je door een van de afzonderlijke lussen in het circuit gaat.

De spanningwet van Kirchhoff komt tot stand omdat het elektrostatische veld in een elektrisch circuit een conservatief krachtveld is. De spanning vertegenwoordigt de elektrische energie in het systeem, dus beschouw het als een specifiek geval van energiebesparing. Als u rond een lus gaat, heeft u bij het beginpunt hetzelfde potentieel als toen u begon, dus elke toename en afname langs de lus moet worden geannuleerd voor een totale verandering van nul. Als dit niet het geval was, zou het potentieel bij het start / eindpunt twee verschillende waarden hebben.

Positieve en negatieve signalen in de spanningwet van Kirchhoff

Het gebruik van de spanningsregel vereist een aantal tekenconventies, die niet noodzakelijk zo duidelijk zijn als die in de huidige regel. Kies een richting (met de klok mee of tegen de klok in) om langs de lus te gaan. Bij het reizen van positief naar negatief (+ naar -) in een EMF (stroombron), daalt de spanning, dus de waarde is negatief. Als u van negatief naar positief (- naar +) gaat, gaat de spanning omhoog, dus de waarde is positief.

Vergeet niet dat wanneer u rond het circuit reist om de spanningwet van Kirchhoff toe te passen, u altijd in dezelfde richting (met de klok mee of tegen de klok in) gaat om te bepalen of een bepaald element een toename of afname van de spanning vertegenwoordigt. Als je begint rond te springen, in verschillende richtingen beweegt, is je vergelijking onjuist.

Bij het oversteken van een weerstand wordt de spanningsverandering bepaald door de formule:

I * R

waar ik is de waarde van de huidige en R is de weerstand van de weerstand. Kruisen in dezelfde richting als de stroom betekent dat de spanning naar beneden gaat, dus de waarde ervan is negatief. Bij het kruisen van een weerstand in de tegenovergestelde richting van de stroom, is de spanningswaarde positief, dus neemt deze toe.

Toepassing van de spanningwet van Kirchhoff

De meest basale toepassingen voor de wetten van Kirchhoff hebben betrekking op elektrische circuits. Je herinnert je misschien nog uit de middelbare schoolfysica dat elektriciteit in een circuit in een ononderbroken richting moet stromen. Als u bijvoorbeeld een lichtschakelaar uitschakelt, verbreekt u het circuit en schakelt u dus het licht uit. Zodra je de schakelaar weer omdraait, schakel je het circuit opnieuw in en gaan de lichten weer aan.

Of denk aan het rijgen van lichten op uw huis of kerstboom. Als er maar één gloeilamp uitblaast, gaat de hele reeks lichten uit. Dit komt omdat de elektriciteit, gestopt door het gebroken licht, nergens heen kan. Het is hetzelfde als het uitschakelen van de lichtschakelaar en het onderbreken van het circuit. Het andere aspect hiervan met betrekking tot de Wetten van Kirchhoff is dat de som van alle elektriciteit die in en uit een knooppunt stroomt nul moet zijn. De elektriciteit die de kruising ingaat (en rond het circuit stroomt) moet gelijk zijn aan nul omdat de elektriciteit die naar binnen gaat ook eruit moet komen.

Dus, de volgende keer dat u aan uw aansluitdoos werkt of een elektricien observeert die dit doet, elektrische vakantielichten aanrijgt of uw tv of computer in- of uitschakelt, onthoud dan dat Kirchhoff eerst heeft beschreven hoe het allemaal werkt, dus het tijdperk van elektriciteit.