Kirchhoffův první zákon, známý také jako princip zachování náboje, je jedním ze základních principů elektrického obvodu. Stanoví, že v každém uzlu elektrického obvodu musí být součet příchozích a odchozích nábojů nulový.
Tento zákon formuloval Gustav Kirchhoff v roce 1845 a je základem mnoha fyzikálních a inženýrských výpočtů souvisejících s elektrickými obvody. Princip zachování náboje je založen na zákonu zachování hmoty, který tvrdí, že hmotnost nemůže být vytvořena ani zničena, ale pouze přeměněna z jedné formy na druhou.
Princip zachování náboje lze vysvětlit následovně: za jakýmkoli nábojem se nese elektrické pole, které je vytvořeno tímto nábojem. Když se náboj pohybuje, pohybuje se s ním i pole. Pokud náboj opustí jeden uzel a vstoupí do druhého, elektrické pole se s ním pohybuje a zachovává si svou intenzitu. Jinými slovy, pole, které opouští jeden uzel, by se mělo rovnat poli, které vstupuje do druhého uzlu. Součet nábojů v elektrickém obvodu tak zůstává nezměněn.
Kirchhoffův první zákon je základním principem, který umožňuje zohlednit tok nábojů v elektrickém obvodu a provádět různé matematické výpočty související s elektrickými obvody. Pochopení a aplikace tohoto zákona je důležitým krokem ve studiu elektrotechniky a fyziky elektrických obvodů.
Původní znění
Kirchhoffův první zákon, také známý jako princip zachování náboje, stanoví, že algebraický součet proudů vstupujících a vycházejících z uzlu v elektrickém obvodu je nulový.
To znamená, že náboj, podobně jako energie, nemůže být vytvořen nebo zničen uvnitř uzavřeného systému. Místo toho se náboj může pohybovat pouze po obvodu. Přepnutí proudu, jeho přidání nebo odčítání na jednom místě, způsobí odpovídající změnu proudu jinde, aby se udržela rovnováha.
Tento princip je jedním ze základních zákonů elektrických obvodů a je široce používán v elektrotechnice a elektronice. Umožňuje analyzovat a řešit složité elektrické obvody, identifikovat proudy a napětí v různých uzlech a prvcích obvodu.
Pro formální zápis prvního kirchhoffova zákona je obvyklé použít tabulku, kde každý řádek představuje uzel nebo skupinu uzlů a každý sloupec je proud nebo proudová proměnná. Součet všech proudů vstupujících do uzlu by se pak měl rovnat součtu všech proudů vycházejících z uzlu.
Princip zachování náboje vyjádřený Kirchhoffovým prvním zákonem je zásadní pro pochopení a analýzu elektrických obvodů a je nedílnou součástí kurzů elektřiny a elektroniky.
Princip zachování náboje
Jinými slovy, množství elektrického náboje v izolovaném systému se v průběhu času nemůže měnit. Je to proto, že náboj je přetrvávající veličina, což znamená, že jej nelze vytvořit ani zničit. Náboj se může pohybovat pouze z jednoho objektu do druhého.
Princip zachování náboje je důležitý pro pochopení chování nábojů v elektrických obvodech. Umožňuje určit distribuci nábojů na vodičích a prvcích obvodu a také předpovídat tok elektrického proudu.
Tento princip je základem pro formulaci Kirchhoffových zákonů a mnoha dalších zákonů a teorií v elektrodynamice. Nachází také uplatnění v mnoha praktických oblastech, včetně elektrotechniky, elektroniky a fyziky.
Jak funguje První Kirchhoffův zákon
Uzel je bod v obvodu, ve kterém se setkávají dva nebo více vodičů. V uzlu dochází k rovnoměrnému rozložení nábojů mezi vodiči, což umožňuje udržovat rovnováhu v obvodu.
V prvním Kirchhoffově zákoně je kladen důraz na zachování poplatku. Když jsou elektrické spotřebiče připojeny k obvodu, náboje těchto spotřebičů se pohybují podél vodičů a vytvářejí proud. Podle Kirchhoffova prvního zákona musí být součet všech těchto proudů v uzlu nulový.
Aplikace Kirchhoffova prvního zákona často vyžaduje řešení rovnicových systémů, aby se v obvodu našly hodnoty neznámých proudů. Tento zákon je jedním z hlavních nástrojů pro vývoj a analýzu elektrických obvodů.
Kirchhoffův první zákon je základním principem, na kterém se staví další zákony a předpisy v oblasti elektrické teorie. Pomáhá pochopit, jak fungují elektrické obvody a jak dochází k přenosu náboje v elektrických obvodech.
Elektrický proud
Proud v běžné situaci proudí z kladně nabitého objektu do záporně nabitého objektu. Je to proto, že náboje jednoho znamení jsou odpuzovány a náboje různých znamének jsou přitahovány. Elektrony, které jsou negativně nabité, se tedy pohybují z oblasti s větší koncentrací elektronů (záporným nábojem) do oblasti s nižší koncentrací (kladným nábojem).
Měrná jednotka proudu je ampér (a). Jeden ampér se rovná pohybu jednoho přívěsku náboje během jedné sekundy. Proud může být konstantní nebo proměnný v závislosti na povaze pohybu nabitých částic. Stejnosměrný proud zůstává v průběhu času konstantní, zatímco střídavý proud se mění velikostí a směrem.
Odpor
Odpor materiálu závisí na jeho vlastnostech a chemickém složení. Nejjednodušší příklad odporu může být vodič vyrobený z kovu. Kovy mají obvykle nízký odpor, což umožňuje, aby elektrický proud snadno protékal. Některé materiály, jako jsou polovodiče nebo izolátory, však mají mnohem vyšší odpor, což značně ztěžuje průchod proudu.
Hodnota odporu závisí na délce a ploše průřezu materiálu. Čím delší je materiál, tím větší je odpor a naopak, čím větší je plocha průřezu, tím menší je odpor. To vysvětluje, proč tenké dráty mají ve srovnání se silnými větší odpor.
Odpor také závisí na teplotě. U většiny materiálů se odpor zvyšuje s rostoucí teplotou, i když existují výjimky, jako jsou některé polovodiče, u kterých se odpor snižuje, když teplota stoupá.
Je důležité si uvědomit, že odpor je důležitým faktorem při výpočtu elektrických obvodů a dílů, jako jsou odpory. Znalost hodnot odporu pomáhá inženýrům optimalizovat a řídit tok elektřiny v systému.
Pravidlo uzlové rovnosti
Pravidlo uzlové rovnosti říká, že v každém uzlu elektrického obvodu musí být součet příchozích a odchozích proudů nulový. Uzel je spojovací bod více vodičů nebo jiných prvků obvodu.
Pravidlo uzlové rovnosti je založeno na principu zachování náboje. Pokud uzel obsahuje určité množství náboje (proudu), musí být rovnoměrně rozložen mezi odchozí cesty.
Toto pravidlo se často používá při řešení složitých elektrických obvodů, kdy je nutné určit neznámé hodnoty proudů nebo napětí v různých uzlech obvodu. Pomocí něj lze vytvořit rovnice, které odrážejí rovnost součtu příchozích a odchozích proudů v každém uzlu řetězce.