Kirchhoff törvények

Csomóponti Törvény

Egy csomópontba befolyó és onnan elfolyó áramok előjeles összege nulla. Töltések nem halmozódhatnak fel és nem is jöhetnek létre egy csomópontban, vagyis egyszerűen amennyi áram érkezik, annyi fog távozni.

A fenti ábrára felírva a törvényt:

$ I_1 - I_2 + I_3 = 0 $

Huroktörvény

Egy zárt hurokban a feszültségek előjeles összege nulla. Ehhez egy tetszőleges körüljárási irányt kell felvenni, majd ennek megfelelően felírni minden elem feszültségét. Ellenállások feszültsége az Ohm-törvény szerint az ellenállás értéke és áramerősség szorzata. Az előjelet a feltételezett áramirány és a körüljárás viszonya dönti el, ehhez hasonlóan a feszültségforrás előjele is a körüljárási iránytól függ, az ellentét negatív előjelet jelent.

A fenti ábrára felírva a törvényt:

$ - U_1 + I_1 ⋅ (R_1 + R_2) - I_2 ⋅ (R_3 + R_4) + I_3 ⋅ R_5 = 0 $

Példa feladat

Kirchhoff mindkét törvényét felírva az alábbi kéthurkú áramkörre ki lehet számolni annak áramerősségeit, hiszen a három ág három áramerőssége három egyenletben könnyen megoldható egyenletrendszert alkot.

$ U_1 = 7 \, [V] $

$ R_3 = 10 \, [Ω] $

$ U_2 = 9 \, [V] $

$ R_4 = 12 \, [Ω] $

$ R_1 = 6 \, [Ω] $

$ R_5 = 14 \, [Ω] $

$ R_2 = 8 \, [Ω] $

$ R_6 = 16 \, [Ω] $

Huroktörvények:

$ -U_1 + I_1 ⋅ (R_1 + R_2) + I_2 ⋅ (R_3 + R_4)= 0 $

$ U_2 - I_2 ⋅ (R_3 + R_4) - I_3 ⋅ (R_5 + R_6) = 0 $

Átrendezve, behelyettesítve:

$ 14 ⋅ I_1 + 22 ⋅ I_2 = 7 $

$ - 22 ⋅ I_2 - 30 ⋅ I_3 = -9 $

Csompóponti törvény:

$ I_1 - I_2 + I_3 = 0 $

Mátrixba rendezve:

$ \begin{bmatrix} 14 & \hfill 22 & \hfill 0\\ \hfill 0 & -22 & -30 \\ \hfill 1 & \hfill -1 & \hfill 1 \end{bmatrix} ⋅ \begin{bmatrix} I_1 \\ I_2 \\ I_3 \end{bmatrix} = \begin{bmatrix} \hfill 7 \\ -9 \\ \hfill 0 \end{bmatrix} $

Megoldás (pl. Cramer szabály):

$ I_1 = 0.1196 \, [A] = 119.6 \, [mA] $

$ I_2 = 0.2421 \, [A] = 242.1 \, [mA] $

$ I_3 = 0.1225 \, [A] = 122.5 \, [mA] $