شهد التاريخ العلمي مرور عدد كبير من العلماء الذين ساهموا من خلال قوانينهم ونظرياتهم وابتكاراتهم في الوصول إلى معلومات مذهلة تفوق توقعات العديد من العقول البشرية. ومن بين أشهر علماء الفيزياء يأتي العالم كيرشوف الذي وضع أهم قوانين التيارات والجهود الكهربائية .
قوانين كيرشوف
غوستاف كيرشهوف Gustav Kirchhoff هو عالم ألماني ولد عام 1824م في بروسيا بألمانيا وتوفي عام 1887م. تمكن كيرشهوف طوال حياته العلمية من تقديم عدد كبير من المساهمات العلمية الهامة في مجال الفيزياء. ساعدت هذه الاكتشافات في فهم دقيق لطبيعة الدوائر الكهربائية وقدم طريقة جديدة لحساب قيمة الجهد وشدة التيار. وضع كيرشهوف قانونين وهما: قانون كيرشهوف للجهد وقانون كيرشهوف للتيار .
قانون كيرشوف الأول
وهو القانون المعروف بقانون كيرشوف للتيار KCL ويطبق على التيار المتردد والمستمر، وينص على أن قيمة التيار الكهربائي الداخل في الدائرة الكهربائية تكون مساوية لقيمة التيار الخارج منها، ويمكن التعبير عن ذلك بشكل آخر بأن مجموع التيارات الجبرية في أي نقطة داخل الدائرة يكون مساويا للصفر؛ أي أن مجموع التيارات الجبرية الداخلة إليها تكون مساوية لمجموع التيارات الجبرية الخارجة منها .
مثال على قانون كيرشوف للتيار : إذا كانت شدة التيار المتدفق إلى عقدة تفرع كهربائية يساوي T، وكانت ثلاثة خطوط تفرعت من تلك العقدة وهي: T1 وT2 وT3، فإن مجموع التيارات الجبرية في هذه العقدة وفقًا لقانون كيرشوف الأول يمكن حسابه كالتالي:
T = T1 + T2 + T3
وبناءًا على ذلك ؛ يكون:
0 = (T – (T1 + T2 + T3
قانون كيرشوف الثاني
يعرف هذا القانون باسم قانون كيرشوف للجهد KVL، وهو مشابه للقانون الأول في الفكرة، ولكنه يتعامل مع الجهد الكهربائي. ينص القانون على أن مجموع الجهود الكلية التي تدخل الدائرة المغلقة يجب أن يكون مساويا للصفر. وبالتالي، يعتبر هذا دليلا على قانون الحفاظ على الطاقة الذي يقول إن الطاقة لا تفنى ولا تستحدث من عدمها، وهذا ينطبق أيضا على الدوائر الكهربائية. وبالتالي، قيمة الجهود التي تدخل الدائرة تساوي قيمة الجهود المفقودة .
مثال على قانون كيرشوف للجهد :وفقًا لقانون كيرشوف الثاني، إذا كانت قيمة الجهد الكهربائي المتدفق إلى الحلقة V وتم فقد جهود في المسار المفقود V1 و V2 و V3 ، يتم حساب مجموع الجهود الجبرية في الحلقة على النحو التالي:
V = V1 + V2 + V3
0 = (V(dropsـ+ (V(gains
مسائل على قانون كيرشوف
باستخدام قوانين كيرشوف، يتم حساب شدة التيار التي تسري في الدائرة الكهربائية الموضحة في الشكل التالي .
الحل : يتم تقدير اتجاهات التيارات والمسار المغلق بشكل عشوائي، وبالتالي سيظهر وجود مسار مغلق واحد فقط دون عقد، ومن خلال تطبيق قانون كيرشوف الثاني لحفظ الشحنة، يتم الحصول على النتائج التالية
(12 – 3) = (10+ 8 I )
∴ 9 = 18 I ، وبالتالي فإن قيمة شدة التيار (I) = ـ9 / 18 = 0.5 أمبير .
مزايا وعيوب قوانين كيرشوف
يمكن استخدام هذه القوانين لتحليل أي دائرة كهربائية أخرى .
تساعد في حساب التيار والجهد الذين يكونان غير معروفين في الدوائر المعقدة بسهولة .
وعلى الرغم من الثورة التي أحدثتها هذه القوانين في مجال الفيزياء الكهربائية ؛ إلا أن العلماء قد أخذوا على قوانين كيرشوف عدم تضمين وجود مجال مغناطيسي متغير داخل الحلقات المغلقة ، وبالتالي فقد تصبح كافة حسابات شدة التيار والجهد المعتمدة على قوانين كيرشوف خاطئة تمامًا في حالة وجود مجال مغناطيسي بالدائرة الكهربائية .