شرح درس قانون كيرشوف في الفيزياء.. التطبيقات والأمثلة المحلولة

شرح درس قانون كيرشوف

A . .A

يبحث الكثير من الطلاب عن شرح درس قانون كيرشوف في مادة الفيزياء، باعتباره من الموضوعات المهمة التي تساعد على فهم الدوائر الكهربائية وتحليل التيار والجهد داخلها، خاصة أن قوانين كيرشوف تُستخدم في حل المسائل التي تحتوي على أكثر من مقاومة ومصدر كهربائي.

ويعتمد فهم هذا الدرس على معرفة قانون كيرشوف الأول الخاص بالتيار الكهربائي، وقانون كيرشوف الثاني الخاص بفرق الجهد، بالإضافة إلى التعرف على طريقة تطبيق كل قانون في الدوائر الكهربائية وحل المسائل الحسابية.

ما هو قانون كيرشوف؟

قوانين كيرشوف هي مجموعة من القوانين الفيزيائية التي وضعها العالم الألماني جوستاف كيرشوف، وتُستخدم في تحليل الدوائر الكهربائية وحساب شدة التيار وفرق الجهد والمقاومة في مختلف أجزاء الدائرة.

وتعتمد هذه القوانين على مبدأين أساسيين في الفيزياء، هما قانون حفظ الشحنة الكهربائية وقانون حفظ الطاقة، وينقسم قانون كيرشوف إلى قانونين رئيسيين يُعرفان بقانون التيار وقانون الجهد.

شرح قانون كيرشوف الأول للتيار الكهربائي

ينص قانون كيرشوف الأول على أن مجموع شدة التيارات الكهربائية الداخلة إلى أي نقطة تفرع في الدائرة الكهربائية يساوي مجموع شدة التيارات الخارجة منها.

ويُعرف هذا القانون باسم قانون التيار أو قانون العقدة، ويعتمد على مبدأ حفظ الشحنة الكهربائية، حيث لا تتراكم الشحنات عند نقطة التفرع في الدائرة الكهربائية.

ويمكن التعبير عن القانون بالمعادلة التالية:

مجموع التيارات الداخلة = مجموع التيارات الخارجة.

فإذا دخل إلى نقطة تفرع تياران شدتهما 3 أمبير و2 أمبير، وخرج منها تيار واحد، فإن شدة التيار الخارج تساوي 5 أمبير.

أهمية قانون كيرشوف الأول

يساعد قانون كيرشوف الأول على تحديد شدة التيارات الكهربائية في الدوائر التي تحتوي على عدة فروع، كما يُستخدم في حساب التيار المجهول عند نقاط التفرع، والتأكد من توزيع الشحنة الكهربائية داخل الدائرة.

شرح قانون كيرشوف الثاني لفرق الجهد

ينص قانون كيرشوف الثاني على أن المجموع الجبري لفروق الجهد الكهربائي حول أي مسار مغلق في الدائرة الكهربائية يساوي صفرًا.

ويُعرف هذا القانون باسم قانون الجهد أو قانون الحلقة، ويعتمد على مبدأ حفظ الطاقة، حيث إن الطاقة التي يكتسبها الشحن الكهربائي من مصادر الجهد تساوي الطاقة التي يفقدها خلال مروره في عناصر الدائرة.

ويمكن التعبير عن القانون بالمعادلة التالية:

مجموع القوى الدافعة الكهربائية = مجموع فروق الجهد المستهلكة.

ويُستخدم هذا القانون لحساب شدة التيار أو فرق الجهد أو القوة الدافعة الكهربائية في الدوائر الكهربائية المغلقة.

قواعد تحديد الإشارات في قانون كيرشوف الثاني

عند تطبيق قانون كيرشوف الثاني، يجب الانتباه إلى اتجاه الحركة داخل المسار المغلق، وطريقة المرور على البطارية والمقاومات، حتى يتم تحديد الإشارات بصورة صحيحة.

عند المرور عبر البطارية من القطب السالب إلى القطب الموجب، يكون التغير في الجهد موجبًا، وعند المرور من القطب الموجب إلى القطب السالب يكون التغير في الجهد سالبًا.

أما عند المرور في المقاومة في اتجاه التيار الكهربائي، يحدث انخفاض في الجهد، وتكون الإشارة سالبة، بينما عند المرور عكس اتجاه التيار يحدث ارتفاع في الجهد، وتكون الإشارة موجبة.

أمثلة محلولة على قانون كيرشوف

المثال الأول على قانون كيرشوف الأول

إذا دخل إلى نقطة تفرع تياران كهربائيان، شدة الأول 4 أمبير والثاني 3 أمبير، وخرج منها تياران أحدهما شدته 2 أمبير والآخر مجهول، فأوجد شدة التيار المجهول.

الحل:

طبقًا لقانون كيرشوف الأول، مجموع التيارات الداخلة يساوي مجموع التيارات الخارجة.

4 + 3 = 2 + س

7 = 2 + س

س = 5 أمبير.

إذن شدة التيار المجهول تساوي 5 أمبير.

المثال الثاني على قانون كيرشوف الثاني

دائرة كهربائية تحتوي على بطارية قوتها الدافعة الكهربائية 12 فولت، ومقاومة مقدارها 4 أوم، فأوجد شدة التيار المار في الدائرة.

الحل:

طبقًا لقانون كيرشوف الثاني، فإن القوة الدافعة الكهربائية تساوي مجموع الهبوط في الجهد عبر المقاومة.

12 = 4 × شدة التيار.

شدة التيار = 12 ÷ 4.

شدة التيار = 3 أمبير.

إذن شدة التيار الكهربائي المار في الدائرة تساوي 3 أمبير.

الفرق بين قانون كيرشوف الأول والثاني

يختلف قانون كيرشوف الأول عن القانون الثاني من حيث طبيعة الاستخدام، حيث يهتم القانون الأول بشدة التيار الكهربائي عند نقاط التفرع، ويعتمد على مبدأ حفظ الشحنة الكهربائية.

أما القانون الثاني فيركز على فرق الجهد الكهربائي داخل المسارات المغلقة، ويعتمد على مبدأ حفظ الطاقة.

ويُستخدم القانونان معًا في تحليل الدوائر الكهربائية المعقدة، خاصة الدوائر التي تحتوي على أكثر من مصدر كهربائي وعدة مقاومات وفروع مختلفة.

أهمية قوانين كيرشوف في الدوائر الكهربائية

تُعد قوانين كيرشوف من الأدوات الأساسية في دراسة الكهرباء، حيث تساعد على تحليل الدوائر الكهربائية التي يصعب حلها باستخدام قانون أوم وحده.

وتُستخدم هذه القوانين في حساب شدة التيار المار في كل فرع، وتحديد فرق الجهد بين نقاط الدائرة، ومعرفة قيمة المقاومة المجهولة، بالإضافة إلى تحليل الدوائر التي تحتوي على مصادر متعددة للطاقة.

كما تدخل قوانين كيرشوف في تصميم الأجهزة والأنظمة الإلكترونية، وتُستخدم في التطبيقات الهندسية المتعلقة بالكهرباء والإلكترونيات.