Drugie prawo Kirchhoffa

Przykładowe oczko obwodu zamkniętego spełniające drugie prawo Kirchhoffa

Drugie prawo Kirchhoffa – zwane również prawem napięciowym, dotyczy bilansu napięć w zamkniętym obwodzie elektrycznym prądu stałego. Zostało ono sformułowane przez niemieckiego fizyka Gustava Kirchhoffa. Prawo to jest oparte na założeniu, że opisywany nim obwód nie znajduje się w zmiennym polu magnetycznym (w przypadku obwodów znajdujących się w zmiennym polu magnetycznym zastosowanie ma prawo Faradaya).

Treść

Najczęściej prawo to jest formułowane w postaci:

W zamkniętym obwodzie suma spadków napięć na oporach równa jest sumie sił elektromotorycznych występujących w tym obwodzie

Przy czym obwód ten może być elementem większej sieci. Wówczas nosi on nazwę oczka sieci. Prawo to zapisane równaniem ma postać

$\sum _{i}U_{i}=\sum _{k}{\mathcal {E}}_{k},$

gdzie:

${\mathcal {E}}_{k}$ – SEM $k$-tego źródła napięcia,

$U_{i}$ – spadek napięcia na $i$-tym elemencie oczka.

Dla oporów omowych

$U_{i}=I_{i}R_{i},$

gdzie $I_{i}$ jest natężeniem prądu płynącego przez opornik o oporze $R_{i}.$

Zarówno spadki napięcia, jak i siły elektromotoryczne mogą przybierać wartości ujemne i dodatnie. Ich znak ustala się według następujących reguł:

• ustala się kierunek obiegu obwodu (np. zgodnie z ruchem wskazówek zegara),
• gdy kierunek prądu płynącego przez element obwodu jest zgodny z wyznaczonym kierunkiem obiegu, to spadek napięcia jest dodatni (w przypadku niezgodności – ujemny),
• gdy SEM jest spolaryzowana zgodnie z kierunkiem obiegu, jej wartość jest dodatnia, w przeciwnym przypadku – ujemna.

Prawo to można wywieść z faktu, że krążenie wektora pola elektrycznego po zamkniętym konturze ma wartość 0, jeżeli kontur ten zawarty jest w obwodzie prądu stałego przy braku zmian pola magnetycznego przepływającego przez ten obwód, czyli

$\oint \limits _{\vec {l}}{\vec {E}}d{\vec {l}}=0.$

Traktując spadek napięcia jako jego ujemny przyrost, można II prawo Kirchhoffa sformułować następująco

Suma spadków napięcia w obwodzie zamkniętym jest równa zeru

Przykład

Inny przykład obwodu zamkniętego

Dla przykładowego obwodu zamkniętego (pokazanego na rysunku obok) z prawa napięciowego wynikają następujące własności:

$U_{1}=IR_{1},$

$U_{2}=IR_{2},$

$E=U_{1}+U_{2},$

$E=I(R_{1}+R_{2}),$

$E=IR_{z},$

gdzie rezystancja zastępcza $R_{z}=R_{1}+R_{2}.$

Widać stąd, że w przypadku nierozgałęzionego obwodu II prawo Kirchhoffa redukuje się do prawa Ohma.

Zobacz też

• pierwsze prawo Kirchhoffa
• prawo Gaussa
• prawo indukcji elektromagnetycznej Faradaya
• równania Maxwella
• zasada zachowania energii

Bibliografia

• B. Jaworski, A. Dietłaf, L. Miłkowska: Kurs fizyki. Elektryczność i magnetyzm. Warszawa: PWN, 1984.
• Jay Orear: Fizyka. T. 1. Warszawa: Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, 1998. ISBN 83-204-2451-8.