Kirchoffin 2. laki – jännitelaki

Sähköteoriassa mielestäni yhtä olennainen peruslaki ohmin lain rinnalla on Gustav Kirchoffin esittelemä jännitelaki. Sen mukaan suljetussa virtapiirissä "Suunnatusti yhteenlaskettujen potentiaalierojen summa on nolla" Vapaasti lainattu Wikipediasta. Aluksi kuulostaa hieman hämärältä selostukselta, mutta tässä kappaleessa yritän tutustuttaa lukijaa tarkemmin siihen, mitä tämä oikeastaaan tarkoittaa. Joten aloitetaanpa.

Edellä mainittu fraasi tarkoittaa käytännössä sitä, että kytkennässä täytyy olla yhtä paljon jännitehäviötä kuin siinä on jännitettäkin. Fysiikassa analoginen ilmaisu lienee voiman ja vastavoiman laki. Siinä jokaista voimaa seuraa vastakkaiseen suuntaan oleva yhtä suuri voima, mutta takaisin elektroniikkaan.

Ajatellaanpa asiaa käytännössä ja kytketään 1,5 voltin pariston rinnalle 1 kilo-ohmin vastus. Tällöin piirissä kulkee (1,5V/1000Ω) 1,5 mA:n virta. Vastukseen jää tasan sama jännitehäviö, kuin mitä paristo antaa "ulos". Alla oleva kuva selventää asiaa. (Tässä ajatellaan johtimien olevan täysin johtavia ilman induktanssia ja ilman resistanssia).

Kuten huomataan, paristo antaa piiriin jännitteen 1,5 V (VCC) ja vastukseen puolestaan jää häviö -UR1. Kun nämä kaksi jännitettä lasketaan yhteen, saadaan:

U = UVCC + (-UR1)
U = 1,5 V + (-1,5 V)
U = 1,5 V - 1,5 V
U = 0

Kirchoffin jännitelain mukaisesti saatiin piirin osajännitteiden summaksi 0. Tästä herää varmaan kysymys, miksi jännite vastuksen R1 yli merkittiin negatiiviseksi? Vastaus on tämä:

Piirissä Kirchoffin jännitelain mukaisesti osajännitteen etumerkki määräytyy kiertosuunnan mukaisesti. Alla oleva kuva selventää kiertosuuntaa.

Eli kun piiriä on luettu myötäpäivään, niin etumerkki tulee negatiiviseksi niille, joiden jännite vaikuttaa piirissä kuten esitetty, eli vastapäivään. Jos tätä taas luettaisiin vastapäivään, niin etumerkit olisivat luonnollisesti päinvastoin. Tämä on helppo ymmärtää, jos ajattelet asiaa käytännön tasolla. Kuvittele, että mittaat yleismittarilla piirin jännitteitä. Aluksi laitat mittarin pariston navoille, ja saat lukeman 1,5 V kuten kuvassa alla.

Tämän jälkeen siirrät mittarin myötäpäivään vastuksen navoille, jolloin saat negatiivisen lukeman -1,5 V kuten alla. Mikäli piirissä olisi useampi komponentti, niin jatkaisit niin kauan kunnes pääsisit loppuun asti, eli mitään mitattavaa ei enää olisi (paristoa ei mitata enää uudestaan).

Kun nyt lasket saadut jännitearvot yhteen, saat: 1,5 V + (-1,5 V) = 0 V ja Kirchoffin jännitelaki on täyttynyt.