يتعلق كل من التيار والجهد الكهربائي بالدائرة الكهربائية، وسنقوم بشرحهما بمزيد من التفصيل، بالإضافة إلى استعراض قانون كيرشوف الخاص بالتيار والجهد.
العالم الفيزيائي كيرشوف
- ولد جوستاف روبرت كيرشوف، عالم الفيزياء الألماني، في روسيا في 12 مارس 1824م، وتوفي في 17 أكتوبر 1887 في ألمانيا.
- ساهم كيرشوف بالتعاون مع الكيميائي روبرت بونسون في تأسيس نظرية تحليل الطيف، التي تتعلق بتحليل الضوء المنبعث من المواد الساخنة، مما يعزز معرفتنا بالتحليل الكيميائي للأضواء.
- استطاع كيرشوف تطبيق نظرية تحليل الطيف بشكل واضح من خلال دراسة الأشعة المنبعثة من الشمس، مشيراً إلى أن مرور الضوء عبر الغاز يؤدي إلى امتصاص هذه الأشعة، مما ساهم في تطور علم الفلك.
- عمل كيرشوف محاضراً في جامعة برلين، ثم انتقل إلى جامعة هايدلبرغ كأستاذ في الفيزياء، حيث اكتشف قانون التيار والجهد، مما أسهم في زيادة شهرته.
تعريف التيار الكهربائي
- التيار الكهربائي هو تدفق الإلكترونات في الدائرة الكهربائية، ويتطلب أن تكون الدائرة مغلقة بحيث يؤدي انقطاعها إلى توقف التيار.
- يتوجب أن يكون المفتاح المتصل بالدائرة الكهربائية مغلقاً للسماح باستمرار تدفق التيار.
تعريف الجهد الكهربائي
- تُعتبر البطاريات مصدراً للجهد، حيث يتمثل الجهد في الفرق بين نقطتين داخل الدائرة الكهربائية.
- يساهم وجود الجهد في البطارية بتوفير الطاقة اللازمة لحركة الإلكترونات داخل الدائرة الكهربائية.
- من الجدير بالذكر أن المصباح الكهربائي يعتمد على الطاقة المتاحة من البطارية لتحويلها إلى طاقة ضوئية، والتي تُعتبر شكلاً آخر من الطاقة.
- يساعد ذلك في تحقيق الجهد الكهربائي داخل المقاوم، مما يؤدي إلى تحويله إلى قيمة سالبة.
معلومات حول قانون كيرشوف
- تم تحديد قانون كيرشوف الخاص بالتيار والجهد في عام 1845م، حيث أعلن عن هذين القانونين اللذين يُستخدمان في حساب الجهد والتيار الكهربائي، وكلاهما يمتد من نظرية الفيزيائي الألماني جورج سيمون أوم.
- كان الهدف من قانون كيرشوف هو تعميم المعادلات التي تصف تدفق التيار الكهربائي باستخدام الموصلات الكهربائية ثلاثية الأبعاد، مما جعل هذه القوانين جزءًا لا يتجزأ من تحليل الدوائر الكهربائية وتطبيقاتها العملية.
قانون كيرشوف للتيار والجهد
قانون التيار الكهربائي عند كيرشوف
- ينص هذا القانون على أن مجموع التيارات الداخلة إلى نقطة معينة من الدائرة الكهربائية يعادل مجموع التيارات الخارجة منها، مما يعني أن التيار لا يُستهلك داخل الدائرة.
- يمكن التعبير عن ذلك من خلال المعادلة التالية: مجموع التيارات الداخلة في نقطة تفرع = مجموع التيارات الخارجة منها.
- يجب فرض اتجاه التيار الكهربائي في التطبيقات العملية، سواء مع عقارب الساعة أو عكسها، وعندما يكون الاتجاه مفترضاً على نحو عكسي، فإن ذلك ينتج إشارة سالبة التي تُستخدم في المعادلات.
- يجب أن يكون مجموع الجهود في دائرة مغلقة صفراً، حيث أن الفولتية الصاعدة تساوي الفولتية الهابطة.
الشكل المناسب لتلك المعادلة هو: –
- V3 + V1 – V2 – V4 = 0
- V2 + V4 – V3 – V1 = 0
- V1 + V3 = V2 + V4
قانون الجهد الكهربائي عند كيرشوف
- يتعلق الجهد وفقًا لكيرشوف بمجموع التغيرات في الجهد في دائرة كهربائية مغلقة، ويفترض دائماً أن هذا المجموع صفر.
- عند حساب الجهد المضاف من كل مكون في الحلقة المغلقة، سيكون مجموع الجهود صفراً.
- يمكن التعبير عن قانون الجهد عند كيرشوف من خلال المعادلة: الجهد 1 + الجهد 2 + الجهد 3 = صفر.
معلومات عن قنطرة ويتستون
- يُعتبر شارل ويتستون عالماً إنجليزياً تخصص في الفيزياء، حيث قام بتطوير طريقة لتحديد مقاومة مجهولة باستخدام جهاز يُعرف بجسر ويتستون.
- تعمل هذه القنطرة على تصنيع خلايا الوزن وقياس المقاومات التي تتراوح بين أوم واحد وميغا أوم، وتحتوي على أربعة أذرع مقاومة.
تطبيق قوانين كيرشوف
قانون كيرشوف الأول
- يمكن استخدام قانون كيرشوف الأول على النقاط A، B، C، وD كما يلي:
- I – I1 – I3 = 0
- I2 + I4 – I = 0
- I1 – I2 – I5 = 0
- I3 – I4 – I6 = 0
قانون كيرشوف الثاني
- يطبق القانون الثاني لكيرشوف لحساب المجموع الجبري للجهد كما يلي:
- في الدائرة المغلقة ABDA: I1R1 – I5RG + I6RG + I3R3 = 0
- في الدائرة المغلقة BCDB: I2R2 + I4R4 – I6R6 + I5R5 = 0
- في الدائرة المغلقة ADCEFA: I3R3 – I4R4 – IR = 0
الاتزان في القنطرة
- عند تطبيق شرط الاتزان في القنطرة دون مرور تيار في الكلفانوميتر IG، يجب أن تكون: I1 = I2, I3 = I4, I5 = I6.
- حين تطبيق هذا القانون على معادلات مجموع فروق الجهد، نجد أن: I1 R1 = I3 R3 و I2 R2 = I4 R4.
- بعد تقسيم المعادلتين السابقتين، يمكن استخدام المعادلة: R1/R2 = R3/R4.
خاتمة عن بحث عن قانون كيرشوف في الفيزياء
يمكن استنتاج من هذين القانونين أن الخطوات الأساسية لإيجاد النتائج هي كما يلي:
- تحديد اتجاه التيار الكهربائي المرغوب وتطبيق قانون كيرشوف الأول من خلال وضع المعادلة المناسبة.
- الحصول على مسار مغلق من النقطة المحددة واستخدام قانون كيرشوف الثاني لكتابة معادلة فرق الجهد.
- حل المعادلات الناتجة عن الحذف والتعويض للحصول على قيم التيارات.
- وأخيراً، حساب الجهد الذي يقع على المقاومة باستخدام قانون أوم.
