Dalam analisis litar, dua prinsip asas memainkan peranan penting: Undang-undang Voltan Kirchhoff (KVL) dan Pemuliharaan Tenaga. Prinsip ini membolehkan kami memahami dan menganalisis kelakuan litar elektrik dan memastikan penggunaan tenaga yang cekap. Dalam artikel ini, kita akan menyelidiki konsep Undang-undang Voltan Kirchhoff dan Pemuliharaan Tenaga, memberikan pemahaman yang jelas tentang kepentingannya dan persamaan yang berkaitan dengannya.
Apakah Hukum Voltan Kirchhoff (KVL)
Undang-undang ini mendakwa bahawa setiap gelung tertutup dalam litar elektrik mempunyai voltan sifar sebagai jumlah semua voltan sekeliling. Dengan kata lain, dalam litar gelung tertutup, jumlah algebra voltan naik dan turun sentiasa sama dengan sifar.
Penjelasan Undang-undang Voltan Kirchhoff (KVL)
Hukum Voltan Kirchhoff boleh difahami dengan mempertimbangkan litar elektrik dengan pelbagai komponen seperti perintang, kapasitor, dan induktor. Demi penjelasan, saya telah memikirkan tentang litar mudah yang terdiri daripada sambungan siri antara sumber voltan (V), perintang (R), dan kapasitor (C).
Menurut KVL, the jumlah penurunan voltan merentasi setiap komponen dalam gelung tertutup hendaklah sama dengan voltan yang digunakan . Secara matematik, ia boleh diwakili sebagai:
di mana:
DALAM mewakili voltan yang digunakan daripada sumber.
DALAM R mewakili penurunan voltan merentasi perintang.
DALAM C mewakili penurunan voltan merentasi kapasitor.
Hukum Ohm, yang menyatakan bahawa kejatuhan voltan merentasi perintang adalah sama dengan produk rintangannya (R) dan arus (I) yang mengalir melaluinya, boleh digunakan untuk mengira kejatuhan voltan merentasi perintang. Secara matematik, ia boleh diwakili sebagai:
Begitu juga, penurunan voltan merentasi kapasitor boleh ditentukan oleh persamaan:
di mana:
Q mewakili cas yang disimpan dalam kapasitor.
C menandakan kemuatan kapasitor.
Contoh untuk Hukum voltan Kirchhoff
Berikut ialah litar ringkas dengan tiga perintang (R 1 , R 2 , R 3 ) disambung secara bersiri. Contoh ini akan menunjukkan bagaimana Hukum Voltan Kirchhoff (KVL) berlaku dengan menunjukkan bahawa jumlah semua voltan dalam gelung adalah sama dengan sifar.
Dalam litar bersiri, jumlah rintangan ialah jumlah rintangan individu:
Katakan beberapa nilai rintangan sewenang-wenang untuk setiap perintang:
Perintang 1 (R 1 ) = 2 ohm
Perintang 2 (R 2 ) = 4 ohm
Perintang 3 (R 3 ) = 6 ohm
Sekarang rintangan setara akan menjadi 12, di sebelah mengesahkan KVL, kita perlu mengira penurunan voltan pada setiap perintang, dan sebelum itu, kita perlu mengira arus dalam litar dan untuk itu, persamaan berikut boleh digunakan:
Sekarang jika kita meletakkan nilai voltan sumber iaitu 12 volt dan rintangan setara iaitu 12 ohm maka persamaan yang diberikan di atas ialah:
Jadi sekarang nilai semasa ialah 1 A, dan kerana ia adalah litar bersiri, arus akan sama pada setiap perintang. Walau bagaimanapun, voltan merentasi perintang akan berbeza, jadi sekarang kita akan mengiranya merentasi setiap perintang dengan menggunakan persamaan berikut:
Sekarang penurunan voltan merentasi perintang R 1 akan jadi:
Kejatuhan voltan merentasi perintang R 2 akan jadi:
Kejatuhan voltan merentasi perintang R 3 akan jadi:
Sekarang untuk mengesahkan undang-undang voltan Kirchhoff, gunakan persamaan berikut:
Sekarang letakkan nilai arus dan voltan dalam persamaan yang diberikan di atas:
Menurut KVL, jumlah penurunan voltan di sekeliling gelung tertutup adalah sama dengan sifar, dan keputusan di atas membuktikan Hukum Kirchhoff.
Apakah Pemuliharaan Tenaga
Ia adalah undang-undang asas fizik bahawa tenaga tidak boleh dijana atau dimusnahkan; sebaliknya, ia hanya boleh diubah daripada satu bentuk kepada bentuk yang lain, dan undang-undang ini dipanggil pemuliharaan tenaga. Undang-undang ini sama terpakai untuk litar elektrik, di mana tenaga yang diberikan kepada litar sama ada digunakan oleh komponen atau ditukar kepada bentuk lain.
Menjelaskan Pemuliharaan Tenaga
Prinsip Pemuliharaan Tenaga digunakan dalam litar elektrik untuk memastikan tenaga yang dibekalkan kepada litar dipelihara dan digunakan dengan sewajarnya. Dalam mana-mana litar elektrik, jumlah kuasa yang dibekalkan mestilah sama dengan jumlah kuasa yang digunakan dan hilang.
Kuasa yang dibekalkan oleh sumber voltan boleh dikira menggunakan persamaan:
di mana:
P mewakili kuasa yang dibekalkan.
DALAM ialah voltan yang dibekalkan oleh punca yang disambungkan.
saya adalah arus yang mengalir dalam litar.
Kuasa yang digunakan oleh perintang boleh dikira menggunakan persamaan:
Kuasa yang hilang oleh kapasitor boleh dikira menggunakan persamaan:
Contoh untuk penjimatan tenaga
Katakan litar yang terdiri daripada bateri (V) disambungkan kepada perintang (R) dan bateri memberikan voltan malar, dan perintang menukar tenaga elektrik kepada tenaga haba.
Di sini, demi demonstrasi, saya telah mengambil voltan bersamaan dengan 12 dan nilai rintangan adalah sama dengan 6 ohm. Jumlah kuasa yang dibekalkan oleh bateri mesti sepadan dengan jumlah kuasa yang digunakan oleh perintang oleh konsep pemuliharaan tenaga.
Untuk mengira kuasa yang dibekalkan oleh bateri, kita boleh menggunakan formula:
Di mana P mewakili kuasa dan saya menandakan arus yang mengalir melalui litar.
Untuk mengira kuasa yang dibekalkan oleh arus sumber dalam litar harus diketahui dan untuk itu gunakan Hukum Ohm:
Sekarang, mari kita hitung kuasa yang dibekalkan oleh bateri:
Kuasa yang digunakan oleh perintang hendaklah sama dengan kuasa yang dibekalkan oleh bateri, berdasarkan prinsip penjimatan tenaga. Formula berikut boleh digunakan untuk menentukan kuasa yang digunakan oleh perintang dalam keadaan ini:
Di mana P R mewakili kuasa yang digunakan oleh perintang.
Seperti yang kita lihat, kuasa yang dibekalkan oleh bateri (24 watt) adalah sama dengan kuasa yang digunakan oleh perintang (24 watt). Contoh ini menunjukkan prinsip Pemuliharaan Tenaga, di mana tenaga yang dibekalkan kepada litar ditukar kepada bentuk lain (haba dalam kes ini) tanpa sebarang kehilangan atau keuntungan dalam tenaga keseluruhan.
Kesimpulan
Undang-undang Voltan Kirchhoff dan Pemuliharaan Tenaga ialah konsep penting dalam analisis litar, membantu jurutera dan saintis memahami dan menganalisis litar elektrik. Undang-undang Voltan Kirchhoff menyatakan bahawa jumlah voltan dalam litar tertutup adalah sifar, menyediakan cara yang berkesan untuk analisis litar. Sebaliknya, prinsip Pemuliharaan Tenaga memastikan tenaga dipelihara dan digunakan secara berkesan dalam litar elektrik dengan menggunakan prinsip ini dan persamaan yang berkaitan.