Legile lui Kirchhoff: Regulile de Trafic ale Electronilor în Orice Circuit – Materie BAC

Bun, hai să vorbim despre ce se întâmplă când electronii ajung la o intersecție sau fac o plimbare într-un parc complex. Legile lui Kirchhoff. Acestea nu sunt legi despre componente simple, ci legile supreme care guvernează fluxul de curent și distribuția tensiunii în orice circuit electric, oricât de complicat ar fi. Dacă Legea lui Ohm este regulă pentru o stradă dreaptă, Kirchhoff este polițistul la sensul giratoriu și contabilul care verifică că nu se pierde niciun electron pe drum.

---

1. Legea I a lui Kirchhoff – Legea Nodurilor (Legea Conservării Sarcinii)

Enunț: Suma algebrică a intensităților curenților care concură într-un nod al unui circuit este egală cu zero.

Formula: Σ I = 0 (în nod)

Ce este un NOD? Este un punct dintr-un circuit unde se întâlnesc trei sau mai multe conductoare. E o intersecție de drumuri pentru electroni.

Cum aplici semnele (regula algebrică)?

Curenții care INTRĂ în nod se iau cu semnul +. Curenții care IES din nod se iau cu semnul –. (Sau invers, dar trebuie să fii consecvent în tot circuitul!)

Regula practică pe care o folosesc toți:

Suma curenților care INTRĂ într-un nod este egală cu suma curenților care IES din acel nod.

I_intrare = I_iese

Dacă ai mai multe țevi care se întâlnesc într-un rezervor, debitul de apă care intră în rezervor trebuie să fie egal cu debitul care iese. Altfel, rezervorul s-ar umple sau s-ar goli la infinit.

EXEMPLU VIZUAL:

     I1 -->---.
               \
                >---- NOD A ----< I3
               /
     I2 -->---'

Presupunem că I1 și I2 intră, iar I3 iese.

• Conform formulei algebrice: I1 + I2 - I3 = 0 → I1 + I2 = I3.
• Conform regulii practice: Curenții care intră (I1+I2) = Curentul care iese (I3). Acelasi lucru!

Ce ne spune fizic? Sarcina electrică nu poate să se acumuleze într-un nod. Electronii care ajung la intersecție trebuie să o părăsească pe cealaltă parte. Este o lege de conservare a sarcinii într-un punct.

2. Legea a II-a a lui Kirchhoff – Legea Ochiturilor (Legea Conservării Energiei)

Enunț: În orice ochi de rețea (buclă închisă), suma algebrică a tensiunilor electromotoare (t.e.m.) ale surselor este egală cu suma algebrică a căderilor de tensiune pe consumatori.

Formula: Σ E = Σ (I * R) (în ochi)

Ce este un OCHI? Este orice buclă închisă parcursă în sens arbitrar ales. E un traseu circular pe care îl pot parcurge electronii și să revină la punctul de start.

Cum aplici semnele (PAȘII CRUCIALI):

1. Alege un sens de parcurgere pentru ochi (orar sau antiorar). O să folosești acest sens pentru toate semnele din acea buclă.
2. Pentru SURSĂ (E):
   • Dacă la parcurgerea ochiului, intri pe borna negativă (-) și ieși pe cea pozitivă (+) a sursei (adică o parcurgi de la – la +), tensiunea ei electromotoare se ia cu semnul +.
   • Dacă o parcurgi de la + la –, se ia cu semnul –. (Gândește-te: dacă mergi împotriva forței ei, e negativă).
3. Pentru CĂDERILE DE TENSIUNE pe rezistoare (I*R):
   • Dacă sensul curentului I prin rezistor (pe care îl stabilim sau-l calculăm) este același cu sensul de parcurgere al ochiului, căderea de tensiune I*R se ia cu semnul +.
   • Dacă sensul curentului este opus sensului de parcurgere, se ia cu semnul –.

Ce ne spune fizic? Dacă pleci dintr-un punct al unui circuit și faci o plimbare în cerc, revenind în același punct, suma totală a potențialelor întâlnite este zero. Ai câștigat potențial trecând prin surse („urcând dealuri”) și ai pierdut potențial trecând prin rezistoare („coborând dealuri”). La final, ești la același nivel. Este o lege de conservare a energiei pe o buclă.

EXEMPLU SIMPLU: O buclă cu o sursă și un rezistor.

     +---/\/\/---+
     |     R     |
    (E)         (I)
     |           |
     +-----------+

• Alegem sens de parcurgere orar.
• Sursa E: Parcurgem de la – la +? DA (curentul iese din + în sensul real, dar parcurgem ochiul de la – la +). Deci E este +E.
• Rezistorul R: Sensul curentului I (stabilit de sursă) este același cu sensul de parcurgere? DA. Deci căderea de tensiune este +I*R.
• Legea a II-a: +E = +I*R → I = E/R. Tocmai am redemonstrat Legea lui Ohm pentru un circuit simplu!

3. Cum Rezolvi un Circuit Complex? – Strategia Pas cu Pas

Să luăm un circuit cu două surse și trei rezistoare (un circuit tipic de bacalaureat).

1. Desenează clar circuitul și notează toate valorile cunoscute (E1, E2, R1, R2, R3).
2. Stabilește și notează pe desen sensurile necunoscute ale curenților (I1, I2, I3). Le alegi arbitrar! Dacă la final iese valoare negativă, înseamnă că sensul real este opus.
3. Identifică NODURILE și OCHIURILE independente.
   • Pentru n noduri, scrii n-1 ecuații cu Legea I (ultimul nod nu dă informație nouă).
   • Alege ochiuri independente (care conțin cel puțin o ramură nouă).
4. Scrie ecuațiile:
   • Legea I pentru fiecare nod necesar.
   • Legea a II-a pentru fiecare ochi independent.
5. Rezolvă sistemul de ecuații (de obicei 2 sau 3 ecuații) și află curenții.
6. Verifică rezultatele intrând cu valorile găsite într-o ecuație nefolosită (ex: al treilea ochi).

EXEMPLU RAPID: Două surse în serie opuse, cu un rezistor.

     +--/\/\/--+
     |    R    |
    (E1)     (E2)
     |         |
     +---------+

Alegem sens curent I orar. Parcurgem ochiul orar.

• E1: Parcurg de la – la + → +E1
• R: Curentul I în sens orar → +I*R
• E2: Parcurg de la + la – (căci intri pe + și ieși pe -) → -E2
• Ecuația: E1 - E2 = I*R → I = (E1 - E2) / R. Dacă E1 > E2, I pozitiv (sensul ales corect). Dacă E1 < E2, I negativ (sensul real e invers). Perfect logic!

---

În concluzie:

Legile lui Kirchhoff sunt cele două principii universale care permit dezmembrarea și înțelegerea oricărui circuit electric, de la cel mai simplu la cel mai complex.

• Legea I (Nodurilor) este legea continuității. Electronii nu se pierd și nu se creează la intersecții.
• Legea a II-a (Ochiturilor) este legea conservării energiei pe o cale închisă. Suma „urcușurilor” (tensiuni surse) este egală cu suma „coborâșurilor” (căderi de tensiune).

Data viitoare când vei privi placa de bază a unui computer sau o schemă electronică complexă, să știi că, în ciuda haosului aparent, fiecare electron respectă cu strictețe regulile de trafic și contabilitate stabilite de Kirchhoff acum peste 150 de ani.