5.1 Kirchhoffin I laki ja vastuskytkennät

Vastusten kytkentä sarjaan

Kun kytketään vastuksia sarjaan, muodostuu virtapiiri, joka ei haaraudu. Johtimissa siirtyy sama määrä varausta riippumatta virtapiirin kohdasta, ja virtapiirissä kulkee samansuuruinen sähkövirta jokaisen vastuksen läpi.

Sarjaankytkettyjen vastusten ja jännitelähteen muodostama piiri noudattaa Kirchhoffin II lakia. Piirin potentiaalimuutosten summa on nolla eli [[$\sum \Delta V=0$]]. Vastusten potentiaalihäviöt ovat Ohmin lain mukaisia, joten yhtälö voidaan esittää seuraavasti.

[[$\quad U-IR_1-IR_2-\ldots IR_n=0$]]

[[$\quad U=I(R_1+R_2+\ldots R_n)$]]

[[$\quad \dfrac{U}{I}=R_1+R_2+\ldots R_n$]]

Muodostettu suure [[$\frac{U}{I}$]] on jännitelähteen napajännitteen ja siitä lähtevän sähkövirran suhde. Napajännite [[$U$]] on samalla vastusten yhteenlaskettu jännite. Suure [[$\frac{U}{I}$]] ilmaisee siis sarjaankytkettyjen vastusten yhteisen kyvyn rajoittaa sähkövirtaa virtapiirissä. Se on vastusten kokonaisresistanssi, jota merkitään [[$R_{\text{kok}}$]]. 

[[$\quad R_{\text{kok}}=R_1+R_2+\ldots R_n$]]

Sarjaankytkettyjen vastusten kokonaisresistanssi on yksittäisten vastusten resistanssien summa. Vastuskytkentä voidaan tällöin korvata yhdellä vastuksella, jonka resistanssi on kokonaisresistanssin suuruinen.

Kokonaisresistanssi sarjaankytkennässä

[[$$ \begin {align*} R_{\text{kok}}&=R_1+R_2+R_3+\dots \\R_{\text{kok}}&=\sum R_i, \end{align*}$$]]

jossa [[$R_i$]] on yksittäisen vastuksen resistanssi.

Kirchhoffin I laki

Kun virtapiiri koostuu sarjaankytketyistä komponenteista, sähkövirta kulkee vain yhtä mahdollista reittiä komponenttien läpi. Jos virtapiiri haarautuu, myös sähkövirta jakautuu. Sähkövaraus ei kuitenkaan karkaa johtimesta. Virtapiirin mihin tahansa kohtaan A tulee yhteensä saman verran sähkövirtaa kuin siitä eri reittejä pitkin lähtee. Oheisessa kuvassa tätä kuvaa yhtälö

[[$\quad I_1+I_2=I_3+I_4+I_5$]].

Sähkövirtojen summaa kuvaava laki tunnetaan Kirchhoffin ensimmäisenä lakina. Se kertoo, että sähkövirta ei karkaa virtapiiristä. Kuvan sähkövirtojen yhtälö voidaan kirjoittaa muotoon

[[$\quad I_1+I_2-I_3-I_4-I_5=0$]],

[[$\quad \sum I=0$]]

tai

[[$\quad I_1+I_2=I_3+I_4+I_5$]].

Sähkövirran etumerkki ilmaisee, saapuuko virta pisteeseen vai lähteekö sähkövirta pisteestä pois. Yhtälön voi muodostaa joko kirjoittamalla saapuvien sähkövirtojen summaksi yhtä suuri summa kuin lähtevien sähkövirtojen summa tai summaamalla saapuvat ja lähtevät virrat keskenään, jolloin tulos on nolla.

Kirchhoffin I laki

Jokaiseen pisteeseen saapuvien sähkövirtojen summa on yhtä suuri kuin pisteestä lähtevien sähkövirtojen summa.

[[$$ \sum I=0$$]]

Kirchhoffin ensimmäinen ja toinen laki ovat virtapiirejä kuvaavat peruslait. Niiden avulla voidaan muodostaa minkä tahansa vastusten ja jännitelähteiden kytkentää kuvaavat yhtälöt. Tässä ja seuraavassa aliluvussa esitellään useita esimerkkejä niiden soveltamisesta.

Vastusten rinnankytkentä

Kun virtapiiri haarautuu, muodostuu rinnankytkentä. Haaran alku- ja loppupiste ovat samat, joten pisteiden välillä on yhtä suuri jännite riippumatta siitä, mitä haaraa pitkin jännite mitataan. Rinnankytkettyjen komponenttien jännite on sama, mutta sähkövirta jakautuu haaroihin sen mukaan, miten hyvin se haarassa pääsee etenemään. Mitä pienempi on haaran komponenttien yhteinen resistanssi, sitä suurempi sähkövirta haarassa kulkee.

Tarkastellaan tilannetta, jossa vastuksia kytketään rinnan samaan jännitelähteeseen. Kirchhoffin 1. lain mukaan haarautuman alku- ja loppupisteeseen tuleva sähkövirta on yhtä suuri kuin pisteestä lähtevät sähkövirrat yhteensä.

[[$\quad I=I_1+I_2+\ldots I_n$]]

Jokaisen vastuksen napajännite on yhtä suuri kuin haarojen alku- ja loppupisteiden välinen jännite, joka tässä tilanteessa on sama kuin jännitelähteen napajännite. Sähkövirrat voidaan esittää Ohmin lain mukaan napajännitteen ja haaran resistanssin osamääränä.

[[$\quad \dfrac{U}{R_{\text{kok}}}=\dfrac{U}{R_1}+\dfrac{U}{R_2}+\ldots \dfrac{U}{R_n}$]]

[[$\quad \dfrac{1}{R_{\text{kok}}}=\dfrac{1}{R_1}+\dfrac{1}{R_2}+\ldots \dfrac{1}{R_n}$]]

Rinnankytkettyjen vastusten vastusten kokonaisresistanssin käänteisluku on yhtä suuri kuin yksittäisten vastusten käänteislukujen summa. Kaavan muoto tarkoittaa, että rinnankytkennän johdosta kokonaisresistanssi on aina pienempi kuin pienin yksittäisen vastuksen resistanssi. Tämän voi päätellä myös paristosta lähtevästä sähkövirrasta, joka jakautuu haaraumakohdissa ja tällöin pienenee siirryttäessä virtapiirin haaroihin.

Lukemattomat erilaiset elektroniikkalaitteet tarvitsevat sisälleen resistansseiltaan mitä erilaisempia vastuksia sähkövirtoja rajoittamaan. On mahdotonta valmistaa, saati pitää kauppojen varastoissa, resistanssiltaan kaikkia mahdollisia vastuksia. Usein on järkevintä kytkeä helposti saatavia vastuksia sopivasti yhteen niin, että yhdistelmän resistanssi on sopiva.



Kokonaisresistanssi rinnankytkennässä

[[$$ \begin {align*}\dfrac{1}{R_{\text{kok}}}&=\dfrac{1}{R_1}+\dfrac{1}{R_2}+\dfrac{1}{R_3}+\dots \\ \dfrac{1}{R_{\text{kok}}}&=\sum \dfrac{1}{R_i}, \end {align*}$$]]

jossa [[$R_i$]] [[$(i=1, 2,\dots)$]] ovat yksittäisten vastusten resistanssit.

Esimerkkitilanne: Sähkövirtojen ratkaisu haarautuvassa virtapiirissä

Määritetään sähkövirrat virtapiirin haaroissa. Merkitään resistansseja seuraavasti: [[$R_1=35 \ \Omega$]], [[$R_2=25 \ \Omega$]] ja [[$R_3=15 \ \Omega $]]. Jännitelähteen jännitettä merkitään [[$U=12 \text{ V}$]] ja sisäinen resistanssi oletetaan merkityksettömäksi.

Sähkövirta kulkee piirissä vastapäivään haarautuen rinnankytkennän kohdalla. Jännitelähteen ja vastuksen 1 läpi kulkee sähkövirta [[$I$]], vastuksen [[$R_2$]] läpi sähkövirta [[$I_1$]] ja vastuksen 3 läpi sähkövirta [[$I_2$]]. Sähkövirrat voi ratkaista joko Kirchhoffin lakien avulla tai laskemalla kokonaisresistanssi.

Ratkaisutapa 1: Kirchhoffin lait

Kirchhoffin II lain mukaan suljetussa virtapiirin lenkissä potentiaalimuutosten summa on nolla. Aloitetaan yhtälön muodostaminen jännitelähteen negatiiviselta navalta, ja kierretään virtapiiri vastapäivään sähkövirran kulkusuunnan mukaisesti. Eri haarojen kautta kuljettaessa saadaan seuraavat yhtälöt.

[[$\quad U-IR_1-I_1R_2=0$]]

[[$\quad U-IR_1-I_2R_3=0$]]

Kirchhoffin I lain mukaan virtapiirin haaraan tuleva sähkövirta on yhtä suuri kuin siitä lähtevien virtojen summa.

[[$\quad I=I_1+I_2$]]

Yhtälöt muodostavat kolmen yhtälön ryhmän, josta voidaan ratkaista sähkövirrat. Ratkaisut ovat seuraavat.

[[$\quad I=\dfrac{U(R_2+R_3)}{R_1R_2+R_1R_3+R_2R_3}$]]

[[$\quad I_1=\dfrac{UR_3}{R_1R_2+R_1R_3+R_2R_3}$]]

[[$\quad I_2=\dfrac{UR_2}{R_1R_2+R_1R_3+R_2R_3}$]]

Lausekkeet ovat varsin monimutkaiset, joten pelkkä numeerinen ratkaisu on tässä tilanteessa mielekäs. On hyväksyttävää merkitä yhtälöt seuraavasti ja luetella lähtöarvot yksiköineen erikseen.

[[$\quad 12-35 I-25 I_1=0$]]

[[$\quad 12-35I-15I_2=0$]]

[[$\quad I=I_1+I_2$]]

Kun nämä yhtälöt ratkaistaan numeerisesti ja huomioidaan yksiköt, saadaan seuraavat sähkövirrat.

[[$\quad I=0{,}27042 \dots \mathrm{A}\approx 0{,}27 \ \mathrm{A}$]]

[[$\quad I_1=0{,}10141\dots \mathrm{A}\approx 0{,}10 \ \mathrm{A}$]]

[[$\quad I_2=0{,}16901\dots \mathrm{A}\approx 0{,}17 \ \mathrm{A}$]]

Ratkaisutapa 2: Kokonaisresistanssin hyödyntäminen

Määritetään kokonaisresistanssi ja sen avulla piirin kokonaissähkövirta.

[[$ R_2 $]] ja [[$ R_3 $]] ovat kytketty rinnan. Niiden yhteisresistanssi lasketaan seuraavasti.

[[$\quad \dfrac{1}{R_{\text{23}}}=\dfrac{1}{R_2}+\dfrac{1}{R_3}$]]

[[$ \quad R_{23}=\left(\dfrac{1}{R_2}+\dfrac{1}{R_3}\right)^{-1} $]]​

Lisätään tähän sarjaankytketyn vastuksen resistanssi [[$ R_1 $]]​, niin saadaan piirin kokonaisresistanssi.

[[$ \quad R_{\text{kok}}=\left(\dfrac{1}{R_2}+\dfrac{1}{R_3}\right)^{-1}+R_1 $]]​

[[$\quad R_{\text{kok}}=\left(\dfrac{1}{25\,\Omega}+\dfrac{1}{15\,\Omega}\right)^{-1}+35 \,\Omega=44{,}375 \dots\Omega$]]​

Paristosta otettava kokonaissähkövirta lasketaan Ohmin lain perusteella.

​[[$ \quad I=\dfrac{U}{R_{\text{kok}}} $]]​

[[$\quad I=\dfrac{12 \text{ V}}{\text{44,375}\,\Omega}=0{,}27042 \dots \text{ A}$]]​

Koko virta kulkee vastuksen [[$ R_1 $]] kautta. Haarautuvien sähkövirtojen määrittämiseksi lasketaan jännite rinnankytketyissä vastuksissa [[$ R_2 $]] ja [[$ R_3 $]]​. Jännite saadaan vähentämällä pariston jännitteestä vastuksen [[$ R_1 $]]​ napajännite.

[[$ \quad U_2=U_3=U-R_1I $]]

[[$\quad U_2=U_3=12 \text{ V}-35 \, \Omega \cdot 0,27042\dots\text{ A}=2{,}536 \dots\text{V}$]]​

Sähkövirrat rinnankytkennän haaroissa saadaan Ohmin lain nojalla.

[[$ \quad I_1=\dfrac{U_2}{R_2} $]]​

[[$\quad I_1=\dfrac{\text{2,54 V}}{25\,\Omega}=\text{0,10141}\dots\text{ A}\approx \text{0,10 A}$]]​​

[[$ \quad I_2=\dfrac{U_3}{R_3} $]]​

[[$\quad I_2=\dfrac{\text{2,54 V}}{15\,\Omega}=\text{0,16901}\dots\text{ A}\approx \text{0,17 A}$]]​

Tuloksen tarkistuksena voidaan todeta, että sähkövirrat noudattavat Kirchhoffin I lakia: [[$ I_1=I_2+I_3 $]]​.

Pysähdy pohtimaan

Kirjaudu sisään lähettääksesi tämän lomakkeen

1. Kytkin suljetaan. Mitä tapahtuu lamppujen kirkkauksille?






2. Pariston sisäinen resistanssi on nolla. Kytkin suljetaan. Mitä tapahtuu lampulle 1?





3. Minkä kytkennän kokonaisresistanssi on suurin? Kaikki vastukset ovat identtisiä.



Kirjaudu sisään lähettääksesi tämän lomakkeen

Esimerkkejä

Esimerkki 1

Laske vastuskytkennän kokonaisresistanssi ja paristosta otettava kokonaissähkövirta. Pariston napajännite on 4,5 V.

Näytä ratkaisu

Esimerkki 2

Virtamittarin lukema on 42 mA. Määritä pariston napajännite. Virtapiirin kytkentäkaavio on alla.



Näytä ratkaisu

Esimerkki 3 

Määritä vastusten tehot oheisessa kytkennässä. Pariston napajännite on 6,0 V ja sisäinen resistanssi hyvin pieni.

Näytä ratkaisu

Peda.net käyttää vain välttämättömiä evästeitä istunnon ylläpitämiseen ja anonyymiin tekniseen tilastointiin. Peda.net ei koskaan käytä evästeitä markkinointiin tai kerää yksilöityjä tilastoja. Lisää tietoa evästeistä