Le leggi di Kirchhoff per corrente e tensione

Nel 1845, fisico tedesco Gustav Kirchhoff descrisse inizialmente due leggi che divennero fondamentali per l'ingegneria elettrica. La Legge attuale di Kirchhoff, nota anche come Legge di giunzione di Kirchhoff e Prima legge di Kirchhoff, definisce il modo in cui corrente elettrica viene distribuito quando attraversa una giunzione, un punto in cui tre o più conduttori si incontrano. In altre parole, le leggi di Kirchhoff affermano che la somma di tutte le correnti che escono da un nodo in una rete elettrica è sempre uguale a zero.

Queste leggi sono estremamente utili nella vita reale perché descrivono la relazione dei valori delle correnti che scorrono attraverso un punto di giunzione e delle tensioni in un circuito elettrico. Descrivono come la corrente elettrica fluisce in tutti i miliardi di apparecchi e dispositivi elettrici, nonché in tutte le case e le imprese, che sono costantemente utilizzate sulla Terra.

In particolare, le leggi stabiliscono:

La somma algebrica della corrente in qualsiasi giunzione è zero.

Poiché la corrente è il flusso di elettroni attraverso un conduttore, non può accumularsi in corrispondenza di una giunzione, il che significa che la corrente viene preservata: ciò che entra deve venire fuori. Immagina un noto esempio di incrocio: a scatola di giunzione. Queste scatole sono installate sulla maggior parte delle case. Sono le scatole che contengono il cablaggio attraverso il quale tutta l'elettricità in casa deve fluire.

Quando si eseguono calcoli, la corrente che fluisce dentro e fuori dalla giunzione generalmente presenta segni opposti. Puoi anche dichiarare la Legge attuale di Kirchhoff come segue:

La somma della corrente in una giunzione è uguale alla somma della corrente fuori dalla giunzione.

È possibile suddividere ulteriormente le due leggi in modo più specifico.

Nella foto, viene mostrata una giunzione di quattro conduttori (fili). Le correnti v₂ e v₃ stanno fluendo nel bivio, mentre v₁ e v₄ fuoriuscire da esso. In questo esempio, la Regola di giunzione di Kirchhoff produce la seguente equazione:

v₂ + v₃ = v₁ + v₄

La legge sulla tensione di Kirchhoff descrive la distribuzione di tensione elettrica all'interno di un circuito, o percorso di conduzione chiuso, di un circuito elettrico. La legge sulla tensione di Kirchhoff afferma che:

La somma algebrica delle differenze di tensione (potenziale) in qualsiasi circuito deve essere uguale a zero.

Le differenze di tensione includono quelle associate ai campi elettromagnetici (EMF) e agli elementi resistivi, come ad esempio resistori, fonti di alimentazione (batterie, ad esempio) o dispositivi — lampade, televisori e frullatori — collegati alla presa circuito. Immagina questo mentre la tensione sale e scende mentre procedi attorno a uno qualsiasi dei singoli circuiti del circuito.

La legge sulla tensione di Kirchhoff nasce perché il campo elettrostatico all'interno di un circuito elettrico è un campo di forza conservatore. La tensione rappresenta l'energia elettrica nel sistema, quindi pensala come un caso specifico di conservazione dell'energia. Mentre fai il giro, quando arrivi al punto di partenza ha lo stesso potenziale di quando hai iniziato, quindi eventuali aumenti e diminuzioni lungo il ciclo devono essere annullati per un cambio totale di zero. In caso contrario, il potenziale nel punto iniziale / finale avrebbe due valori diversi.

L'uso della Regola di tensione richiede alcune convenzioni dei segni, che non sono necessariamente chiare come quelle della Regola corrente. Scegli una direzione (in senso orario o antiorario) per andare lungo il ciclo. Quando si viaggia da positivo a negativo (da + a -) in un EMF (fonte di alimentazione), la tensione scende, quindi il valore è negativo. Quando si passa da negativo a positivo (- a +), la tensione aumenta, quindi il valore è positivo.

Ricorda che quando viaggi intorno al circuito per applicare la Legge sulla tensione di Kirchhoff, assicurati di andare sempre nello stesso direzione (in senso orario o antiorario) per determinare se un dato elemento rappresenta un aumento o una diminuzione del valore voltaggio. Se inizi a saltare, muovendoti in direzioni diverse, la tua equazione sarà errata.

Quando si attraversa una resistenza, la variazione di tensione è determinata dalla formula:

I * R

dove io è il valore della corrente e R è la resistenza del resistore. Attraversare nella stessa direzione della corrente significa che la tensione scende, quindi il suo valore è negativo. Quando si attraversa una resistenza nella direzione opposta alla corrente, il valore della tensione è positivo, quindi aumenta.

Le applicazioni più elementari per le leggi di Kirchhoff riguardano i circuiti elettrici. Potresti ricordare dalla fisica della scuola media che l'elettricità in un circuito deve fluire in una direzione continua. Se si spegne un interruttore della luce, ad esempio, si interrompe il circuito e quindi si spegne la luce. Una volta ruotato di nuovo l'interruttore, reinserisci il circuito e le luci si riaccendono.

Oppure, pensa a mettere insieme le luci sulla tua casa o sull'albero di Natale. Se una sola lampadina si spegne, l'intera serie di luci si spegne. Questo perché l'elettricità, fermata dalla luce rotta, non ha posto dove andare. È come spegnere l'interruttore della luce e interrompere il circuito. L'altro aspetto di questo riguardo alle leggi di Kirchhoff è che la somma di tutta l'elettricità che entra e esce da una giunzione deve essere zero. L'elettricità che entra nella giunzione (e che scorre attorno al circuito) deve essere uguale a zero perché anche l'elettricità che entra deve uscire.

Quindi, la prossima volta che lavori sulla tua scatola di giunzione o osservi un elettricista che lo fa, stringendo le luci delle vacanze elettriche, o accendendo o spegnendo la TV o il computer, ricorda che Kirchhoff ha prima descritto come funziona, inaugurando così l'età di di energia elettrica.