Zrozumienie prawa napięcia Kirchhoffa i zachowania energii: kompleksowy przewodnik

Zrozumienie Prawa Napiecia Kirchhoffa I Zachowania Energii Kompleksowy Przewodnik



W analizie obwodów kluczową rolę odgrywają dwie podstawowe zasady: prawo napięciowe Kirchhoffa (KVL) i zasada zachowania energii. Zasady te pozwalają nam zrozumieć i przeanalizować zachowanie obwodów elektrycznych oraz zapewnić wydajne wykorzystanie energii. W tym artykule zagłębimy się w koncepcje prawa napięcia Kirchhoffa i zasady zachowania energii, zapewniając jasne zrozumienie ich znaczenia i związanych z nimi równań.

Co to jest prawo napięcia Kirchhoffa (KVL)

Prawo to twierdzi, że każda zamknięta pętla w obwodzie elektrycznym ma zerowe napięcie jako sumę wszystkich otaczających napięć. Innymi słowy, w obwodzie z zamkniętą pętlą suma algebraiczna wzrostu i spadku napięcia jest zawsze równa zeru.







Wyjaśnienie prawa napięciowego Kirchhoffa (KVL)

Prawo napięciowe Kirchhoffa można zrozumieć, rozważając obwód elektryczny z różnymi elementami, takimi jak rezystory, kondensatory i cewki indukcyjne. Dla wyjaśnienia, pomyślałem o prostym obwodzie składającym się z połączenia szeregowego między źródłem napięcia (V), rezystorem (R) i kondensatorem (C).



Według KVL, suma spadków napięcia na każdym elemencie w zamkniętej pętli powinna być równa przyłożonemu napięciu . Matematycznie można to przedstawić jako:







Gdzie:

W reprezentuje przyłożone napięcie ze źródła.



W R reprezentuje spadek napięcia na rezystorze.

W C reprezentuje spadek napięcia na kondensatorze.

Prawo Ohma, które mówi, że spadek napięcia na rezystorze jest równy iloczynowi jego rezystancji (R) i przepływającego przez niego prądu (I), można wykorzystać do obliczenia spadku napięcia na rezystorze. Matematycznie można to przedstawić jako:

Podobnie spadek napięcia na kondensatorze można określić za pomocą równania:

Gdzie:

Q reprezentuje ładunek zgromadzony w kondensatorze.

C oznacza pojemność kondensatora.

Przykład prawa napięciowego Kirchhoffa

Oto prosty obwód z trzema rezystorami (R 1 , R 2 , R 3 ) połączone szeregowo. Ten przykład zademonstruje, jak prawdziwe jest prawo napięcia Kirchhoffa (KVL), pokazując, że suma wszystkich napięć w pętli jest równa zeru.

W obwodzie szeregowym całkowity opór jest sumą poszczególnych oporów:

Załóżmy, że dla każdego rezystora przypisano dowolne wartości rezystancji:

Rezystor 1 (R 1 ) = 2 omy

Rezystor 2 (R 2 ) = 4 omy

Rezystor 3 (R 3 ) = 6 omów

Teraz rezystancja równoważna wyniesie 12, obok sprawdzenia KVL, musimy obliczyć spadki napięcia na każdym rezystorze, a wcześniej musimy obliczyć prąd w obwodzie i do tego celu można zastosować następujące równanie:

Teraz, jeśli umieścimy wartość napięcia źródła, która wynosi 12 woltów, i równoważną rezystancję, która wynosi 12 omów, to powyższe równanie będzie wyglądać następująco:

Więc teraz wartość prądu wynosi 1 A, a ponieważ jest to obwód szeregowy, prąd będzie taki sam na każdym rezystorze. Jednak napięcie na rezystorze będzie inne, więc teraz obliczymy je na każdym rezystorze, korzystając z następującego równania:

Teraz spadek napięcia na rezystorze R 1 będzie:

Spadek napięcia na rezystorze R 2 będzie:

Spadek napięcia na rezystorze R 3 będzie:

Teraz, aby zweryfikować prawo napięcia Kirchhoffa, użyj następującego równania:

Teraz umieść wartości prądu i napięcia w powyższym równaniu:

Według KVL suma spadków napięcia wokół zamkniętej pętli jest równa zeru, a powyższy wynik dowodzi prawa Kirchhoffa.

Co to jest zasada zachowania energii

Podstawowym prawem fizyki jest to, że energii nie można wytworzyć ani zniszczyć; raczej można go zmienić tylko z jednej formy na drugą, a to prawo nazywa się zachowaniem energii. To prawo ma również zastosowanie do obwodów elektrycznych, w których energia dostarczana do obwodu jest albo zużywana przez komponenty, albo przekształcana w inną formę.

Wyjaśnienie zasady zachowania energii

Zasada zachowania energii jest stosowana w obwodach elektrycznych, aby zapewnić, że energia dostarczana do obwodu jest zachowana i odpowiednio wykorzystana. W każdym obwodzie elektrycznym całkowita dostarczana moc musi być równa sumie mocy pobieranej i rozpraszanej.

Moc dostarczaną przez źródło napięcia można obliczyć za pomocą równania:

Gdzie:

P reprezentuje dostarczoną moc.

W jest napięciem dostarczanym przez podłączone źródła.

I am prąd płynący w obwodzie.

Moc pobieraną przez rezystor można obliczyć za pomocą równania:

Moc rozpraszaną przez kondensator można obliczyć za pomocą równania:

Przykład zachowania energii

Załóżmy, że obwód składający się z baterii (V) jest podłączony do rezystora (R), a bateria zapewnia stałe napięcie, a rezystor przekształca energię elektryczną w energię cieplną.

Tutaj dla celów demonstracyjnych przyjąłem napięcie równe 12, a wartość rezystancji jest równa 6 omów. Całkowita moc dostarczana przez akumulator musi odpowiadać całkowitej mocy zużywanej przez rezystor zgodnie z zasadą zachowania energii.

Aby obliczyć moc dostarczaną przez akumulator, możemy skorzystać ze wzoru:

Gdzie P oznacza moc, a I oznacza prąd płynący przez obwód.

Aby obliczyć moc dostarczaną przez źródło prądu w obwodzie, należy znać prawo Ohma:

Teraz obliczmy moc dostarczaną przez baterię:

Moc pobierana przez rezystor powinna być równa mocy dostarczanej przez akumulator, zgodnie z zasadą zachowania energii. Do określenia mocy zużywanej przez rezystor w tej sytuacji można użyć następującego wzoru:

gdzie p R reprezentuje moc pobieraną przez rezystor.

Jak widać, moc dostarczana przez baterię (24 waty) jest równa mocy pobieranej przez rezystor (24 waty). Ten przykład demonstruje zasadę zachowania energii, zgodnie z którą energia dostarczana do obwodu jest przekształcana w inną formę (w tym przypadku ciepło) bez utraty lub zysku całkowitej energii.

Wniosek

Prawo napięciowe Kirchhoffa i zasada zachowania energii to kluczowe pojęcia w analizie obwodów, pomagające inżynierom i naukowcom zrozumieć i przeanalizować obwody elektryczne. Prawo napięciowe Kirchhoffa stwierdza, że ​​w obwodzie zamkniętym suma napięć wynosi zero, zapewniając skuteczny sposób analizy obwodu. Z drugiej strony zasada zachowania energii zapewnia zachowanie i efektywne wykorzystanie energii w obwodzie elektrycznym poprzez zastosowanie tych zasad i powiązanych równań.