חוק הזרמים וחוק המתחים של קירכהוף
חוק אום קושר בין המתח לזרם ברכיב אחד. אבל במעגל שיש בו כמה רכיבים וכמה מסלולים דרושים לנו שני חוקים נוספים: חוק שמראה איך הזרמים מתחלקים בנקודות ההסתעפות, וחוק שמראה איך המתחים מתחלקים לאורך מסלול סגור. אלה שני חוקי קירכהוף, ועליהם, יחד עם חוק אום, נשען הניתוח של כל המעגלים החשמליים והאלקטרוניים בפרקים הבאים.
- להגדיר צומת, ולסמן את הזרמים הנכנסים אליו ואת הזרמים היוצאים ממנו.
- לחשב זרמים לפי חוק הזרמים של קירכהוף: סכום הזרמים הנכנסים לצומת שווה לסכום הזרמים היוצאים ממנו.
- להסביר את המשמעות הפיזיקלית של שני החוקים: שימור המטען ושימור האנרגיה.
- להגדיר ענף וחוג, ולסמן את הקוטביות של מפל המתח על נגד ואת הקוטביות של מתח המקור.
- לחשב מתחים לפי חוק המתחים של קירכהוף: הסכום האלגברי של המתחים בחוג סגור שווה לאפס.
- לחשב את המתח בין שתי נקודות במעגל, ולהסביר בלי חישוב איך המתחים משתנים כשמשנים נגד.
חוק הזרמים: צומת, סימון זרמים נכנסים ויוצאים, ניסוח החוק ומשמעותו הפיזיקלית (KCL)
הזרם החשמלי הוא תנועה של מטענים. המטענים אינם מצטברים בנקודה במעגל ואינם נעלמים ממנה: כל מטען שמגיע לנקודת הסתעפות יוצא ממנה באחד המסלולים. מן העובדה הפשוטה הזאת נובע החוק הראשון.
סימון זרמים נכנסים ויוצאים:
- על כל מוליך נסרטט חץ שמראה את כיוון הזרם בו, וניתן לכל זרם שם: I1 , I2 , ...
- זרם שהחץ שלו מכוון אל הצומת הוא זרם נכנס.
- זרם שהחץ שלו מתרחק מן הצומת הוא זרם יוצא.
- אם איננו יודעים את כיוונו של זרם מסוים, נבחר לו כיוון כרצוננו. אם תוצאת החישוב יוצאת שלילית, הכיוון האמיתי הפוך לכיוון שבחרנו.
ניסוח החוק:
| סימן | משמעות | יחידת מידה |
|---|---|---|
| Σ Iin | סכום הזרמים הנכנסים לצומת | [A] |
| Σ Iout | סכום הזרמים היוצאים מן הצומת | [A] |
| Σ I | הסכום האלגברי: זרם נכנס בסימן (+) וזרם יוצא בסימן (−) | [A] |
לצומת שבאיור הקודם נכתוב את החוק באחת משתי הצורות, והן שקולות:
נכתוב את חוק הזרמים של קירכהוף לצומת A : הנכנסים באגף אחד והיוצאים באגף האחר.
נבחר כיוון לזרם I4 : נניח שהוא יוצא מן הצומת, כמו באיור. נכתוב את החוק:
התוצאה שלילית. פירוש הדבר שהכיוון האמיתי הפוך לכיוון שבחרנו: הזרם I4 נכנס אל הצומת, וגודלו 2 A.
בדיקה: הנכנסים 8 + 2 = 10 A , והיוצאים 3 + 7 = 10 A.
המשמעות הפיזיקלית של החוק:
חוק הזרמים של קירכהוף הוא ביטוי של חוק שימור המטען: מטען חשמלי אינו נוצר יש מאין ואינו נעלם. הצומת הוא רק נקודת חיבור בין מוליכים, ואין בו מקום לאגירת מטענים. לכן, בכל שנייה, כמות המטען שמגיעה אל הצומת שווה בדיוק לכמות המטען שעוזבת אותו.
הדבר דומה להסתעפות של צינורות מים: כמות המים שנכנסת לנקודת ההסתעפות בשנייה שווה לכמות המים שיוצאת ממנה בכל הצינורות יחד.
א. את המטען שנכנס אל הצומת במשך 10 s.
ב. את הזרם I3 לפי שימור המטען.
א. בפרק 3 למדנו שהמטען שזרם מעביר במשך זמן מסוים הוא Q = I·t :
ב. המטען אינו מצטבר בצומת, ולכן באותו זמן יוצא ממנו אותו מטען:
קיבלנו אותה תוצאה שנותן חוק הזרמים של קירכהוף: I3 = I1 + I2 = 5 A.
מן החוק נובעות מסקנות חשובות שמשמשות אותנו בכל מעגל:
- בנקודה שבה נפגשים רק שני מוליכים, הזרם הנכנס שווה לזרם היוצא. לכן אותו זרם עובר בכל הרכיבים המחוברים זה אחר זה, בלי הסתעפות ביניהם.
- הזרם שיוצא מן ההדק החיובי של המקור חוזר כולו אל ההדק השלילי שלו. הזרם אינו "נצרך" בנגדים.
- אם זרם מסתעף לכמה מסלולים והמסלולים מתאחדים שוב, מקבלים אחרי האיחוד אותו זרם שהיה לפני ההסתעפות.
נמיר: I2 = 100 mA = 0.1 A. המוליך העליון כולו הוא נקודה חשמלית אחת, הצומת A : נכנס אליו הזרם I ויוצאים ממנו שלושת הזרמים.
בצומת B שלושת הזרמים מתאחדים שוב, ואל המקור חוזר אותו זרם I = 0.9 A.
נכתוב את החוק לכל צומת בנפרד. אל הצומת A נכנס I ויוצאים ממנו I1 ו-I2 :
הזרם I2 שיוצא מן הצומת A הוא הזרם שנכנס אל הצומת B , וממנו יוצאים I3 ו-I4 :
בדיקה: הזרם שנכנס אל קטע המעגל כולו, 6 A , שווה לסכום הזרמים היוצאים ממנו: 2.5 + 1.5 + 2 = 6 A.
כל נגד מחובר ישירות בין הדקי המקור, ולכן המתח על כל אחד מהם הוא 12 V. נחשב את הזרם בכל נגד לפי חוק אום:
לפי חוק הזרמים של קירכהוף בצומת A :
בנגד הקטן ביותר עובר הזרם הגדול ביותר.
א. מהו הזרם בנורה השנייה?
ב. תלמיד אמר: "הזרם אחרי הנורה הראשונה קטן יותר, כי הנורה צרכה חלק ממנו". האם הוא צודק?
חוק המתחים: ענף וחוג במעגל חשמלי, מפלי מתח במעגל וסימונם, הסבר כמותי ואיכותי של החוק (KVL)
ענף וחוג במעגל חשמלי:
| המספר | הפירוט | |
|---|---|---|
| צמתים | 2 | A ו-B |
| ענפים | 3 | השמאלי (E1 ו-R1) בזרם I1 , האמצעי (R3) בזרם I3 , הימני (E2 ו-R2) בזרם I2 |
| חוגים | 3 | חוג 1 (השמאלי), חוג 2 (הימני), והחוג החיצוני שעובר בשני המקורות, ב-R1 וב-R2 |
מפלי מתח במעגל וסימונם:
כדי לכתוב את חוק המתחים עלינו לדעת, בכל רכיב, לאיזה הדק הפוטנציאל הגבוה (+) ולאיזה הדק הפוטנציאל הנמוך (−) :
- על נגד: הזרם עובר מן הפוטנציאל הגבוה אל הפוטנציאל הנמוך, ולכן ההדק שהזרם נכנס בו הוא (+) וההדק שהוא יוצא ממנו הוא (−). גודל מפל המתח לפי חוק אום: V = I·R. הקוטביות תלויה בכיוון הזרם: אם הזרם מתהפך, גם הקוטביות מתהפכת.
- על מקור: הקוטביות קבועה ואינה תלויה בכיוון הזרם. הקו הארוך שבסמל הוא ההדק החיובי.
- את המתח מסמנים גם באמצעות חץ לצד הרכיב, וראש החץ פונה אל ההדק שהפוטנציאל שלו גבוה יותר (+).
ניסוח החוק:
אם מטפסים על הר וחוזרים אל נקודת ההתחלה, סך כל העליות שווה לסך כל הירידות. כך גם המתח: אם מקיפים חוג וחוזרים אל נקודת ההתחלה, חוזרים אל אותו פוטנציאל.
| סימן | משמעות | יחידת מידה |
|---|---|---|
| Σ V | הסכום האלגברי של כל המתחים בחוג | [V] |
| Σ E | הסכום האלגברי של מתחי המקורות בחוג | [V] |
| Σ I·R | סכום מפלי המתח על נגדי החוג | [V] |
- נסמן את כיוון הזרם בכל ענף, ונסמן את הקוטביות (+) ו-(−) על כל רכיב.
- נבחר כיוון להקפת החוג. בספר הזה מקיפים תמיד עם כיוון השעון, ומתחילים מן ההדק השלילי של המקור.
- נעבור על הרכיבים זה אחר זה. אם חוצים את הרכיב מ-(−) אל (+) , זו עליית מתח ונרשום אותה בסימן (+). אם חוצים אותו מ-(+) אל (−) , זה מפל מתח ונרשום אותו בסימן (−).
- נשווה את הסכום לאפס.
מן המוסכמה הזאת נובע: נגד שחוצים עם כיוון הזרם נרשם −I·R , ונגד שחוצים בניגוד לכיוון הזרם נרשם +I·R. מקור שחוצים מן ההדק השלילי שלו אל ההדק החיובי נרשם +E , ולהפך −E.
הזרם יוצא מן ההדק החיובי של המקור וזורם עם כיוון השעון, ולפיו סומנה הקוטביות על הנגדים. נקיף עם כיוון השעון ונתחיל מן ההדק השלילי של המקור: את המקור חוצים מ-(−) אל (+) , וכל נגד חוצים מ-(+) אל (−).
סכום מפלי המתח 6 + 10 + 8 = 24 V אכן שווה למתח המקור.
א. את הזרם בחוג.
ב. את מפל המתח על כל נגד.
א. בחוג יש ענף אחד, ולכן אותו זרם I עובר בכל הרכיבים. נכתוב את חוק המתחים של קירכהוף, ונציב את מפל המתח על כל נגד לפי חוק אום:
ב. לפי חוק אום:
בדיקה: 4 + 8 = 12 V.
נניח שהזרם זורם עם כיוון השעון. נקיף באותו כיוון: את המקור E1 חוצים מ-(−) אל (+) , את שני הנגדים חוצים עם כיוון הזרם, ואת המקור E2 חוצים מ-(+) אל (−).
התוצאה חיובית, ולכן כיוון הזרם שהנחנו נכון. שני המקורות מחוברים בכיוונים מנוגדים, ולכן המתחים שלהם מתחסרים.
הסבר איכותי של החוק:
חוק המתחים של קירכהוף הוא ביטוי של חוק שימור האנרגיה. בפרק 2 למדנו שהמתח הוא האנרגיה ליחידת מטען. מטען שעושה סיבוב שלם בחוג מקבל אנרגיה כשהוא עובר במקור, ומוסר את האנרגיה הזאת לנגדים שהוא עובר בהם, ושם היא הופכת לחום. כשהמטען חוזר אל נקודת ההתחלה הוא כבר מסר את כל מה שקיבל, לא יותר ולא פחות. לכן: סכום עליות המתח בחוג שווה לסכום מפלי המתח בו.
רואים זאת בבירור אם מסרטטים את הפוטנציאל של כל נקודה לאורך החוג. הסרטוט שמתקבל נקרא דיאגרמת פוטנציאלים.
א. את הזרם ואת מפל המתח על כל נגד.
ב. את הפוטנציאל של כל אחת מן הנקודות A , B ו-C , ונסרטט את דיאגרמת הפוטנציאלים.
א. לפי חוק המתחים של קירכהוף:
ב. נתחיל מן הנקודה D ונקיף עם כיוון השעון. במקור הפוטנציאל עולה, ובכל נגד הוא יורד:
חזרנו אל הנקודה D ואל הפוטנציאל אפס. זהו חוק המתחים של קירכהוף: עלייה אחת של 24 V ושלושה מפלים שסכומם 24 V.
המתח בין שתי נקודות:
המתח בין שתי נקודות A ו-B הוא ההפרש בין הפוטנציאלים שלהן. תחילה כותבים את הנקודה שממנה מחסרים:
כדי לחשב את VAB בלי לדעת את הפוטנציאל של כל נקודה, הולכים מן הנקודה B אל הנקודה A בכל מסלול שנבחר, ומסכמים את המתחים שבדרך לפי מוסכמת הסימנים: עלייה בסימן (+) ומפל בסימן (−). התוצאה אינה תלויה במסלול שבחרנו, וגם זו משמעותו של חוק המתחים של קירכהוף.
המסלול הראשון: הולכים מ-D אל B דרך המקור והנגד R1. במקור יש עלייה, וב-R1 הולכים עם כיוון הזרם, כלומר מפל:
המסלול השני: הולכים מ-D אל B מן הצד האחר, דרך R3 ואחר כך R2. הולכים בניגוד לכיוון הזרם, ולכן מקבלים שתי עליות:
שני המסלולים נתנו אותה תוצאה, והיא שווה ל-VB − VD = 20 − 0 מדיאגרמת הפוטנציאלים.
הולכים מ-B אל A , כלומר מימין לשמאל ובניגוד לכיוון הזרם. ב-R2 יש עלייה, במקור חוצים מ-(+) אל (−) כלומר מפל, וב-R1 יש עלייה:
התוצאה חיובית, כלומר הפוטנציאל של הנקודה A גבוה מן הפוטנציאל של הנקודה B.
א. מהו המתח VAC?
ב. מהו המתח VCA?
שימוש איכותי בחוק:
חוק המתחים של קירכהוף עוזר לנו להבין מה קורה במעגל עוד לפני שמחשבים. בחוג אחד, מתח המקור מתחלק בין הנגדים, וסכום החלקים קבוע תמיד ושווה ל-E. לכן, אם חלקו של נגד אחד גדל, חלקם של הנגדים האחרים חייב לקטון.
א. נסביר בלי חישוב איך משתנים הזרם והמתחים V1 ו-V2.
ב. נבדוק בחישוב.
א. ההתנגדות בחוג גדלה, ולכן הזרם יורד. הנגד R2 לא השתנה והזרם בו ירד, ולכן יורד גם V2 = I·R2. מתח המקור קבוע, ולפי חוק המתחים של קירכהוף V1 = E − V2 , ולכן V1 עולה.
ב. לפני השינוי חישבנו: I = 2 A , V1 = 4 V , V2 = 8 V. אחרי השינוי:
כפי שציפינו: הזרם ירד, V2 ירד ו-V1 עלה, והסכום נשאר 12 V.
המסלול מנותק ולכן I = 0. בלי זרם אין מפל מתח על שני הנגדים: V1 = 0 ו-V2 = 0. אבל חוק המתחים של קירכהוף נכון בכל חוג, גם כשלא עובר בו זרם. נסמן את המתח על המפסק באות VS :
כל מתח המקור מופיע בין הדקי המפסק הפתוח. כך גם אם אחד הנגדים מתנתק: כל המתח מופיע על מקום הנתק.
א. מהו המתח על כל נורה?
ב. תיל הלהט של הנורה השנייה נשרף והתנתק. מהו עכשיו המתח על כל נורה?
שימוש בשני החוקים יחד:
במעגל שיש בו יותר מחוג אחד דרושים לנו שני החוקים יחד. דרך העבודה:
- ניתן שם לכל צומת, ונסמן בכל ענף זרם וכיוון. כיוון שאיננו יודעים נבחר כרצוננו.
- נסמן את הקוטביות על כל נגד לפי כיוון הזרם שבחרנו.
- נכתוב את חוק הזרמים של קירכהוף לצמתים ואת חוק המתחים של קירכהוף לחוגים, ונציב את מפל המתח על כל נגד לפי חוק אום.
- נפתור את המשוואות. תוצאה שלילית פירושה שהכיוון האמיתי הפוך לכיוון שבחרנו.
- נבדוק את התוצאות בחוג או בצומת שלא השתמשנו בהם.
א. את המתח על R2 ואת הזרם I2.
ב. את הזרם I3.
ג. את ערך הנגד R3.
א. חוק המתחים של קירכהוף בחוג 1, מן ההדק השלילי של המקור ועם כיוון השעון:
ב. חוק הזרמים של קירכהוף בצומת A : נכנס אליו I1 ויוצאים ממנו I2 ו-I3.
ג. חוק המתחים של קירכהוף בחוג 2. נתחיל מן הצומת B : חוצים את R2 מלמטה למעלה, כלומר בניגוד לכיוון I2 , ואחר כך חוצים את R3 עם כיוון I3 :
הנגדים R2 ו-R3 מחוברים בין אותם שני צמתים, ולכן המתח עליהם שווה. נחזור אל התוצאה הזאת בפרק 7.
א. את הזרם I3.
ב. את הזרם I2.
ג. את מתח המקור E2.
א. חוק המתחים של קירכהוף בחוג 1. נתחיל מן ההדק השלילי של המקור E1 : חוצים את המקור מ-(−) אל (+) , ואחר כך את R1 ואת R3 עם כיוון הזרם:
ב. חוק הזרמים של קירכהוף בצומת A : נכנסים אליו I1 ו-I2 ויוצא ממנו I3.
ג. חוק המתחים של קירכהוף בחוג 2. נתחיל מן הצומת B ונקיף עם כיוון השעון: חוצים את R3 מלמטה למעלה, כלומר בניגוד לכיוון I3 ; אחר כך חוצים את R2 משמאל לימין, כלומר בניגוד לכיוון I2 ; ואחר כך חוצים את המקור E2 מ-(+) אל (−) :
בדיקה בחוג החיצוני: +E1 − I1·R1 + I2·R2 − E2 = 20 − 4 + 2 − 18 = 0.
א. מהו המתח VAB בין שני הצמתים?
ב. מהו מפל המתח על R1 ועל R2?
סיכום נוסחאות הפרק:
| החוק | הנוסחה |
|---|---|
| חוק הזרמים של קירכהוף | Σ Iin = Σ Iout |
| חוק הזרמים של קירכהוף, הצורה האלגברית | Σ I = 0 |
| חוק המתחים של קירכהוף | Σ V = 0 |
| חוק המתחים של קירכהוף, צורה אחרת | Σ E = Σ I·R |
| מפל המתח על נגד | V = I·R |
| המתח בין שתי נקודות | VAB = VA − VB |
מילון מונחים:
| עברית | English | العربية |
|---|---|---|
| חוקי קירכהוף | Kirchhoff's laws | قوانين كيرخهوف |
| חוק הזרמים של קירכהוף | KCL | قانون كيرخهوف للتيار |
| חוק המתחים של קירכהוף | KVL | قانون كيرخهوف للجهد |
| צומת | Node | عُقدة – نقطة تفرّع |
| ענף | Branch | فرع |
| חוג | Loop | حلقة |
| זרם נכנס | Entering current | تيار داخل |
| זרם יוצא | Leaving current | تيار خارج |
| סכום אלגברי | Algebraic sum | المجموع الجبري |
| שימור המטען | Conservation of charge | حفظ الشحنة |
| שימור האנרגיה | Conservation of energy | حفظ الطاقة |
| מפל מתח | Voltage drop | هبوط الجهد |
| עליית מתח | Voltage rise | ارتفاع الجهد |
| קוטביות | Polarity | القطبية |
| נקודת ייחוס | Reference point | نقطة مرجعية |
| דיאגרמת פוטנציאלים | Potential diagram | مخطط الجهود |
| עם כיוון השעון | Clockwise | مع اتجاه عقارب الساعة |
| חוג סגור | Closed loop | حلقة مغلقة |
שאלות לתרגול:
א. נחשב את הזרם בחוג.
ב. נחשב את מפל המתח על כל נגד.
ג. נחשב את הפוטנציאל של כל אחת מן הנקודות A , B ו-C.
ד. נחשב את VAC.
א. נחשב את מפל המתח על R1.
ב. נחשב את מפל המתח על R2.
ג. נחשב את R2.
א. נחשב את הזרם בחוג.
ב. נחשב את מפל המתח על כל נגד.
א. את המתח על R2 ואת הזרם I2.
ב. את הזרם I3.
ג. את הנגד R3.
א. כמה צמתים, כמה ענפים וכמה חוגים יש במעגל?
ב. נכתוב את חוק הזרמים של קירכהוף לצומת A.
ג. נכתוב את חוק המתחים של קירכהוף לחוג 1 ולחוג 2.
ד. נתון: E1 = 12 V , R1 = 2 Ω , R2 = 4 Ω , R3 = 3 Ω , ונמדד I1 = 1.5 A. נחשב את I3 , את I2 ואת E2.
א. הזרם בחוג.
ב. המתח V1.
ג. המתח V2.