Leven en werk van Gustav Kirchhoff, fysicus

Gustav Robert Kirchhoff (12 maart 1824 - 17 oktober 1887) was een Duitse natuurkundige. Hij is het best bekend voor het ontwikkelen van de wetten van Kirchhoff, die de stroom en spanning in elektrische circuits kwantificeren. Naast de wetten van Kirchhoff heeft Kirchhoff een aantal andere fundamentele bijdragen aan de fysica geleverd, waaronder werk aan spectroscopie en blackbody-straling.

Snelle feiten: Gustav Kirchhoff

• Voor-en achternaam: Gustav Robert Kirchhoff
• Bezetting: Natuurkundige
• Bekend om: Ontwikkeling van de wetten van Kirchhoff voor elektrische circuits
• Geboren: 12 maart 1824 in Königsberg, Pruisen
• Ging dood: 17 oktober 1887 in Berlijn, Duitsland
• Ouders namen: Carl Friedrich Kirchhoff, Juliane Johanna Henriette von Wittke
• Naam echtgenoten: Clara Richelot (m. 1834-1869), Benovefa Karolina Sopie Luise Brömmel (m. 1872)

Vroege jaren en onderwijs

Gustav Kirchhoff werd geboren in Königsberg, Pruisen (nu Kaliningrad, Rusland) en was de jongste van drie zonen. Zijn ouders waren Carl Friedrich Kirchhoff, een wetsadviseur gewijd aan de Pruisische staat, en Juliane Johanna Henriette von Wittke. De ouders van Kirchhoff moedigden hun kinderen aan om de Pruisische staat zo goed mogelijk te dienen. Kirchoff was een academisch sterke student, dus hij was van plan universiteitshoogleraar te worden, die destijds als ambtenaar in Pruisen werd beschouwd. Kirchhoff ging met zijn broers naar de Kneiphofische middelbare school en behaalde zijn diploma in 1842.

Na het afronden van de middelbare school, begon Kirchhoff te studeren aan de afdeling Wiskunde-Fysica aan de Albertus Universiteit van Königsberg. Daar woonde Kirchhoff een seminarie wiskunde-fysica bij van 1843 tot 1846, ontwikkeld door de wiskundigen Franz Neumann en Carl Jacobi.

Vooral Neumann had een diepgaande invloed op Kirchhoff en moedigde hem aan om wiskundige fysica na te streven - een gebied dat zich richt op het ontwikkelen van wiskundige methoden voor fysische problemen. Tijdens zijn studie bij Neumann publiceerde Kirchhoff zijn eerste paper in 1845 op 21-jarige leeftijd. Dit artikel bevat de twee wetten van Kirchhoff, die het mogelijk maken de stroom en spanning in elektrische circuits te berekenen.

De wetten van Kirchhoff

De wetten van Kirchhoff voor stroom en spanning liggen aan de basis van de analyse van elektrische circuits, waardoor de stroom en spanning in het circuit kunnen worden gekwantificeerd. Kirchhoff heeft deze wetten afgeleid door de resultaten van de wet van Ohm te generaliseren, die stelt dat de stroom tussen twee punten direct evenredig is met de spanning tussen die punten en omgekeerd evenredig met de weerstand.

De eerste wet van Kirchhoff zegt dat op een gegeven knooppunt in een circuit de stroom die naar het kruispunt gaat gelijk moet zijn aan de som van de stromen die het knooppunt verlaten. De tweede wet van Kirchhoff zegt dat als er een gesloten lus in een circuit is, de som van de spanningsverschillen in de lus gelijk is aan nul.

Door zijn samenwerking met Bunsen ontwikkelde Kirchhoff drie wetten van Kirchhoff voor spectroscopie:

1. gloeiendvaste stoffen, vloeistoffen of dichte gassen - die oplichten nadat ze zijn verhit - stralen een doorlopend spectrum van licht: ze stralen licht uit op alle golflengten.
2. Een heet gas met lage dichtheid produceert een emissie-lijn spectrum: het gas straalt licht uit op specifieke, discrete golflengten, die kunnen worden gezien als heldere lijnen in een overigens donker spectrum.
3. Een continu spectrum dat door een koeler gas met lage dichtheid loopt, produceert een absorptie-lijn spectrum: het gas absorbeert licht op specifieke, discrete golflengten, die kunnen worden gezien als donkere lijnen in een anders continu spectrum.

Omdat atomen en moleculen hun eigen unieke spectra produceren, laten deze wetten de identificatie toe van atomen en moleculen die in het bestudeerde object voorkomen.

Kirchhoff verrichtte ook belangrijk werk in thermische straling en stelde de wet van Kirchhoff voor thermische straling in 1859 voor. Deze wet stelt dat de emissiviteit (vermogen om energie uit te stralen als straling) en absorptie (vermogen om straling te absorberen) van een object of oppervlak gelijk zijn aan elke golflengte en temperatuur, als het object of oppervlak zich in een statisch thermisch evenwicht bevindt.

Tijdens het bestuderen van thermische straling bedacht Kirchhoff ook de term 'zwart lichaam' om een ​​hypothetisch object te beschrijven dat al het binnenkomende licht absorbeerde en dus al dat licht uitstraalde wanneer het op een constante temperatuur werd gehouden om het thermische evenwicht te vestigen. In 1900 zou de natuurkundige Max Planck veronderstellen dat deze zwarte lichamen energie absorberen en uitzenden in bepaalde waarden die 'quanta' worden genoemd. Deze ontdekking zou dienen als een van de belangrijkste inzichten voor de kwantummechanica.

Academische carriere

In 1847 studeerde Kirchhoff af aan de universiteit van Königsberg en werd in 1848 onbetaald docent aan de Universiteit van Berlijn in Duitsland. In 1850 werd hij universitair hoofddocent aan de Breslau-universiteit en in 1854 hoogleraar natuurkunde aan de universiteit van Heidelberg. In Breslau ontmoette Kirchhoff de Duitse chemicus Robert Bunsen, naar wie de bunsenbrander werd genoemd, en het was Bunsen die regelde dat Kirchhoff naar de universiteit van Heidelberg kwam.

In de jaren 1860 toonden Kirchhoff en Bunsen dat elk element kon worden geïdentificeerd met een uniek spectraal patroon, waarmee werd vastgesteld dat spectroscopie kon worden gebruikt om de elementen experimenteel te analyseren. Het paar zou de elementen cesium en rubidium ontdekken terwijl ze de elementen in de zon onderzocht met behulp van spectroscopie.

Naast zijn werk in spectroscopie, zou Kirchhoff ook blackbody-straling bestuderen, die de term in 1862 bedacht. Zijn werk wordt als fundamenteel beschouwd voor de ontwikkeling van de kwantummechanica. In 1875 werd Kirchhoff voorzitter van de wiskundige fysica in Berlijn. Hij ging later met pensioen in 1886.

Later Life and Legacy

Kirchhoff stierf op 17 oktober 1887 in Berlijn, Duitsland op 63-jarige leeftijd. Hij wordt herinnerd voor zijn bijdragen aan het vakgebied natuurkunde en zijn invloedrijke onderwijscarrière. De wetten van zijn Kirchhoff voor elektrische circuits worden nu onderwezen als onderdeel van inleidende natuurkundecursussen over elektromagnetisme.

bronnen

• Hockey, Thomas A., redacteur. De biografische encyclopedie van astronomen. Springer, 2014.
• Inan, Aziz S. "Wat vond Gustav Robert Kirchhoff 150 jaar geleden?" Proceedings van het IEEE International Symposium 2010 over circuits en systemen, pp. 73-76.
• "De wetten van Kirchhoff." Cornell University, http://astrosun2.astro.cornell.edu/academics/courses/astro201/kirchhoff.htm.
• Kurrer, Karl-Eugen. De geschiedenis van de structuurtheorie: van booganalyse tot computationele mechanica. Ernst & Sohn, 2008.
• "Gustav Robert Kirchhoff." Moleculaire uitdrukkingen: wetenschap, optica en jij, 2015, https://micro.magnet.fsu.edu/optics/timeline/people/kirchhoff.html.
• O'Connor, J. J. en Robertson, E. F. "Gustav Robert Kirchhoff." Universiteit van St. Andrews, Schotland, 2002.
• Palma, Christopher. "De wetten en spectroscopie van Kirchoff." De Pennsylvania State University, https://www.e-education.psu.edu/astro801/content/l3_p6.html.