Hukum Kirchhoff untuk Arus dan Tegangan

Pada 1845, fisikawan Jerman Gustav Kirchhoff pertama menggambarkan dua undang-undang yang menjadi pusat teknik listrik. Hukum terkini Kirchhoff, juga dikenal sebagai Hukum Persimpangan Kirchhoff, dan Hukum Pertama Kirchhoff, menentukan cara arus listrik didistribusikan ketika melintasi persimpangan — titik di mana tiga konduktor atau lebih bertemu. Dengan kata lain, Hukum Kirchhoff menyatakan bahwa jumlah semua arus yang meninggalkan simpul dalam jaringan listrik selalu sama dengan nol.

Undang-undang ini sangat berguna dalam kehidupan nyata karena mereka menggambarkan hubungan nilai arus yang mengalir melalui titik persimpangan dan tegangan dalam loop rangkaian listrik. Mereka menggambarkan bagaimana arus listrik mengalir di semua miliaran peralatan dan perangkat listrik, serta di seluruh rumah dan bisnis, yang terus digunakan di Bumi.

Secara khusus, undang-undang menyatakan:

Jumlah aljabar arus ke setiap persimpangan adalah nol.

Karena arus adalah aliran elektron melalui konduktor, ia tidak dapat membangun di persimpangan, artinya arus dilestarikan: Apa yang masuk harus keluar. Bayangkan contoh persimpangan yang terkenal: a

Saat melakukan perhitungan, arus yang mengalir masuk dan keluar dari persimpangan biasanya memiliki tanda yang berlawanan. Anda juga dapat menyatakan Hukum Saat Ini Kirchhoff sebagai berikut:

Jumlah arus ke persimpangan sama dengan jumlah arus keluar dari persimpangan.

Anda dapat lebih jauh memecah dua undang-undang lebih spesifik.

Dalam gambar, persimpangan empat konduktor (kabel) ditampilkan. Arus v₂ dan v₃ mengalir ke persimpangan, sementara v₁ dan v₄ keluar darinya. Dalam contoh ini, Peraturan Persimpangan Kirchhoff menghasilkan persamaan berikut:

v₂ + v₃ = v₁ + v₄

Hukum Tegangan Kirchhoff menjelaskan distribusi tegangan listrik dalam loop, atau jalur konduksi tertutup, dari sirkuit listrik. Hukum Voltase Kirchhoff menyatakan bahwa:

Jumlah aljabar dari perbedaan tegangan (potensial) pada loop apa pun harus sama dengan nol.

Perbedaan tegangan termasuk yang terkait dengan medan elektromagnetik (EMF) dan elemen resistif, seperti resistor, sumber daya (baterai, misalnya) atau perangkat — lampu, televisi, dan blender — dicolokkan ke stopkontak sirkuit. Bayangkan ini sebagai tegangan naik dan turun saat Anda melanjutkan di sekitar setiap loop individu di sirkuit.

Hukum Tegangan Kirchhoff muncul karena medan elektrostatik dalam sirkuit listrik adalah medan gaya konservatif. Tegangan mewakili energi listrik dalam sistem, jadi anggap itu sebagai kasus spesifik konservasi energi. Saat Anda berputar-putar, ketika Anda tiba di titik awal memiliki potensi yang sama seperti ketika Anda mulai, jadi setiap kenaikan dan penurunan sepanjang loop harus dibatalkan untuk perubahan total nol. Jika tidak, maka potensi pada titik awal / akhir akan memiliki dua nilai yang berbeda.

Menggunakan Aturan Voltage memerlukan beberapa konvensi tanda, yang belum tentu sejelas yang ada di Aturan Saat Ini. Pilih arah (searah jarum jam atau berlawanan arah jarum jam) untuk mengikuti loop. Ketika bepergian dari positif ke negatif (+ ke -) dalam EMF (sumber daya), tegangan turun, sehingga nilainya negatif. Ketika beralih dari negatif ke positif (- ke +), tegangan naik, sehingga nilainya positif.

Ingatlah bahwa ketika bepergian di sekitar sirkuit untuk menerapkan Hukum Tegangan Kirchhoff, pastikan Anda selalu melakukan hal yang sama arah (searah atau berlawanan arah jarum jam) untuk menentukan apakah elemen yang diberikan mewakili peningkatan atau penurunan voltase. Jika Anda mulai melompat-lompat, bergerak ke arah yang berbeda, persamaan Anda akan salah.

Saat melintasi resistor, perubahan tegangan ditentukan oleh rumus:

I * R

dimana saya adalah nilai arus dan R adalah resistansi resistor. Menyeberang ke arah yang sama dengan arus berarti tegangan turun, sehingga nilainya negatif. Ketika melintasi resistor ke arah yang berlawanan dengan arus, nilai voltase positif, sehingga meningkat.

Aplikasi paling dasar untuk Hukum Kirchhoff berhubungan dengan sirkuit listrik. Anda mungkin ingat dari fisika sekolah menengah bahwa listrik dalam suatu rangkaian harus mengalir dalam satu arah kontinu. Jika Anda mematikan sakelar lampu, misalnya, Anda memutuskan sirkuit, dan karenanya mematikan lampu. Setelah Anda membalik sakelar lagi, Anda kembali ke sirkuit, dan lampu kembali menyala.

Atau, pikirkan merangkai lampu di rumah atau pohon Natal Anda. Jika hanya satu bola lampu meledak, seluruh rangkaian lampu padam. Ini karena listrik, dihentikan oleh cahaya yang rusak, tidak memiliki tempat untuk pergi. Itu sama dengan mematikan saklar lampu dan memutus sirkuit. Aspek lain dari hal ini sehubungan dengan Hukum Kirchhoff adalah bahwa jumlah semua listrik yang masuk dan keluar dari persimpangan harus nol. Listrik yang masuk ke persimpangan (dan mengalir di sekitar rangkaian) harus sama dengan nol karena listrik yang masuk juga harus keluar.

Jadi, lain kali Anda mengerjakan kotak persimpangan atau mengamati tukang listrik melakukannya, merangkai lampu liburan listrik, atau menyalakan atau mematikan TV atau komputer Anda, ingat bahwa Kirchhoff pertama kali menggambarkan bagaimana semuanya bekerja, sehingga mengantarkan pada zaman listrik.