Prawo Kirchhoffa do poprawki!
Nieczęsto zdarza się konieczność weryfikacji podstawowych praw fizyki. Większość podstawowych zasad działania układów elektrycznych ma już około dwustu lat i wydają się niewzruszone. A jednak: naukowcy z Uniwersytetu w Illinois wprawdzie nie obalili żadnego z nich, ale jedno musieli napisać na nowo: prawo Kirchhoffa.
Prawo Kirchhoffa, sformułowane w 1845 roku, opisuje przepływ prądu w rozgałęzieniach obwodu elektrycznego. Mówi ono, że ładunek na wejściach (suma natężeń prądów) musi być równy ładunkowi na wyjściach układu. Inaczej mówiąc, cała energia dostarczona przez prąd elektryczny musi opuścić układ. Prawo to stosowało się na przykład do tranzystorów, czy układów scalonych. Aż do tej pory zawsze wszystko się zgadzało.
Do czasu, kiedy inżynierowie Uniwersytetu w Illinois rozpoczęli badania z wykorzystaniem lasera tranzystorowego, stanowiący główny jego element tranzystor trójportowy oprócz wyjścia elektrycznego posiada jeszcze jedno: emitujące fotony. Dzięki temu urządzeniu możliwe jest dokładne badanie zachowania fotonów, elektronów, półprzewodników. Zdobyta wiedza pozwoli na projektowanie lepszych, szybszych układów elektronicznych, szybszego przetwarzania sygnałów cyfrowych, komunikacji optycznej, komputerów i innych. Wyniki eksperymentów z trójportowym tranzystorem nie zgadzały się z teoretycznymi wyliczeniami wynikającym z prawa Kirchhoffa.
Wywołało to zrozumiale zmieszanie naukowców. Czy opracowany układ łamie uznane prawo fizyki? W jaki sposób prawo decyduje o parametrach wyjściowego sygnału? Dla dotychczasowych tranzystorów wszystko grało, dlaczego prawo zachowania ładunku i zachowania energii nie chce się stosować, kiedy wyjściowa energia jest emitowana w dwóch różnych postaciach?
Sygnał optyczny jest ściśle związany z sygnałem elektrycznym, ale nie stosowano dotychczas niczego takiego w tranzystorze - mówią autorzy odkrycia. - Prawo Kirchhoffa obejmuje zachowanie ładunku elektrycznego, ale nie obejmuje równowagi między różnymi postaciami energii. Pytanie: jak to połączyć w całość i jak przełożyć na język układów optyczno-elektrycznych?
Dotychczasowe prawo tyczyło się cząstek: elektronów, które wchodzą i wychodzą z układu - kontynuują. - Ale nie dotyczy zachowania energii tak, jak do tej pory to rozumieliśmy i jak to stosowaliśmy. Po raz pierwszy możemy obserwować, jak energia zachowuje się w procesie jej zachowania.
Unikatowe właściwości lasera tranzystorowego pozwoliły - i zmusiły naukowców do przeformułowania dotychczasowego prawa w taki sposób, aby brało pod uwagę zarówno zachowanie elektronów, jak i fotonów. Dotychczasowe prawo napięcia zostało zastąpione prawem napięcia i energii.
Na podstawie przeformułowanego prawa stworzono matematyczny model działania mikrofalowego lasera tranzystorowego, który w dotychczasowych symulacjach wykazał swoją poprawność. Pozwoli to na bardzo dokładne przewidywanie właściwości elektrycznych i optycznych układów, zależnych od częstotliwości.
Odkrycia dokonali Milton Feng i Nick Holonyak Jr., pracownicy Wydziału Inżynierii i Fizyki Elektrycznej i Komputerowej (Electrical and Computer Engineering and Physics) na Uniwersytecie Illinois.
Komentarze (29)
Radison, 15 maja 2010, 10:07
Jakie są teraz wzory na prawo Kirchoffa?
waldi888231200, 15 maja 2010, 10:47
thikim, 15 maja 2010, 12:54
Wielka sensacja...
To teraz niech ktoś udowodni że w zwyczajnej żarówce energia nie ucieka innym wyjściem w postaci fotonów :D
A na poważnie, to jaka w takim razie jest ta różnica między żarówką a tym tranzystorem trójportowym?
Hmm, jakby cała energia dostarczona nie uciekała to temperatura układu by rosła w nieskończoność. W żarówce nadmiar energii zaczyna w pewnym momencie uciekać w postaci fotonów i drgań cieplnych.
Przecież praktycznie każdy układ emituje energię w wielu postaciach i wszystko się zgadza jak dotąd. A tu się nie zgadza?
Pomieszanie z poplątaniem...
JakinBooz, 15 maja 2010, 15:18
Fajny artykuł, szkoda tylko, że ani razu nie przytoczono prawa Kirchhoffa a podstawowe jednostki elektryczne są ze sobą mylone.
waldi888231200, 15 maja 2010, 16:03
żarówka ucieka mniej niż 4%, świetlówka mniej niż 20% (w widmie widzialnym).
KONTO USUNIĘTE, 16 maja 2010, 07:24
Dotąd wydzielone w obwodzie ciepło i światło wrzucano do koszyka strat i to się zgadzało.
W tranzystorze trójportowym oczekiwana emisja fotonów różniła się od wyemitowanej i stąd poprawka Kirchhoffa.
JakinBooz, 16 maja 2010, 12:23
Prawa Kirchhoffa odnoszą się do prądów i napięć. Czy może ktoś objaśni skąd dyskusja nt prawa zachowania energii?
krzysiek, 16 maja 2010, 13:34
Kirchhoff sformułował nie jedno (swoje) prawo
thikim, 16 maja 2010, 15:22
Dyskusja o energii? Skąd?
Ano może z tego fragmentu artykułu:
JakinBooz, 16 maja 2010, 17:12
pierwsze prawo dotyczy prądu: suma prądów wpływających do węzła równa się sumie prądów z niego wypływających
drugie: suma napięć w oczku równa się zero ( w skrócie)
JakinBooz, 16 maja 2010, 17:16
Znaczy autor pomylił prawo zachowania energii z prawem Kirchhoffa.
Ps. Prąd wpływa do odbiornika, w nim wykonuje pracę, i wypływa w tej samej ilości co wrócił. To tak na marginesie dyskusji dlaczego żarówka świeci, emituje energię a prądu do niej wpłynęło tyle samo co wypłynęło.
waldi888231200, 16 maja 2010, 19:44
Przy żarówce to już prawda nie jest, ale dopiero wychodzi to przy wyżej sprawnych emiterach światła (część elektronów znika z układu)
Kirchhoff jak tworzył swoje prawa to jeszcze nie wiedział o korpuskularno-falowej naturze światła (a ta falowa część mieściła się w granicy błędu miernika).
krzysiek, 16 maja 2010, 20:03
Znalazły by się jeszcze inne polecam zajrzeć do książki albo do wikipedii
JakinBooz, 16 maja 2010, 20:06
Czy mógłbyś pokrótce wyjaśnić jak znikające elektrony i na czym polega część korpuskularna natury światła?
Wprowadziłeś pojęcie emitera światła. Mógłbyś wyjaśnić jego istotę i czym różni się od dotąd stosowanych pojęć?
JakinBooz, 16 maja 2010, 20:10
czyżby trzecie prawo? czy mógłbyś zacytować? gdzie o nim uczą?
chyba muszę iść na studia uzupełniające
krzysiek, 16 maja 2010, 20:44
http://pl.wikipedia.org/wiki/Gustav_Kirchhoff
waldi888231200, 16 maja 2010, 21:55
Kiedy wyprowadzał swoje Zasady (nazwane prawami) posługiwał się (dysponował ) stosunkowo niskimi napięciami (stosy Volty ) co pozwalało mu określić prądy i spadki napięć w obwodach ( zresztą stosuje się to dzisiaj powszechnie w przemyśle ).
Wykonując dużo eksperymentów (i dysponując coraz lepszym sprzętem pomiarowym) musiał się nieubłaganie "nadziać" na to że jego zasady zaczynają być nieprawdziwe kiedy temperatura oporów w obwodzie gwałtownie rośnie (zwarcia ) ponieważ traktowane wszystko było jako cząstki należało znaleźć tę brakujące elementy .Jasnym było że część to fotony (co określił prawem emisji i pochłaniania - nawet odkrył ciemne linie pochłaniania tego co leci ze słońca (z Bunsenem) i nawet dwa brakujące w tablicy Mendelejewa pierwiastki , inni idąc jego śladem i dysponując lepszym sprzętem odkryli Hel ) tyle że to była zbyt mała masa by wyjaśnić brakujące elektrony.Poszukując dalej odkrył termoemisję elektronów (stosowaną powszechnie do dziś w lampach np:kineskopowych) .
Ale to nie wszystko, (obserwując efekt jednoczesnego wpychania i wypadania elektronów (Maxwell się temu potem przyglądał)) prawie wpadł na to że wewnątrz przewodnika panuje tak wysokie pole elektryczne iż może dochodzić do efektów pochłaniania elektronów przez jądro (co Marie Curie w swojej pracy " Promieniotwórczość" napomykała, a ostatnio doświadczenia z pękającymi kryształami po uderzeniu termicznym (światłem lasera) dowodzą).
Emiter światła - źródło światła z reflektorem np: dioda LED.
Co do tzw. trzeciego P.K. to w szkołach średnich nazywają metodę dotyczącą rozwiązywania układów z wieloma "oczkami" ( 2PK dotyczy pojedynczego "oczka" ).
Kirchhoff z Królewca był też całkiem niezłym matematykiem.
Ps. Wtedy to jeszcze była elektryczność dodatnia (normalnie nie występuje - Crookesa rura ) co do dzisiaj skutkuje tym że wszystkie szkoły kłamią o kierunku przepływu prądu .
JakinBooz, 17 maja 2010, 07:30
Waldi, taki układ: 100szt diod świecących, wpływa do nich prąd 15 mA x 100 = 1,5 A. Jaki prąd wypływa?
JakinBooz, 17 maja 2010, 07:33
Sprawdziłem linka, nie widzę trzeciego PK. Nie widzę też innych praw dotyczących elektryczności. Powiedz wprost jak brzmi trzecie prawo Kirchhoffa.
w46, 17 maja 2010, 12:16
Sensacja
Stworzenie nowego elementu nie zmienia prawa Kirchhoffa tylko powoduje konieczność bardziej precyzyjnego jego zapisu.
waldi888231200, 17 maja 2010, 14:44
Są połączone równolegle (wg. twojego zapisu) a więc zasilane ok 3V niczym od Kirchhoffa ten eksperyment się nie różni ( niskie napięcie) a ilość wysyłanego (na wagę ) światła poza zakresem laboratoryjnych pomiarów. Do tego plastikowa obudowa przy tym napięciu skutecznie załatwia resztę możliwych sposobów emisji , doprowadzenia zasilania odprowadzają składową podczerwoną promieniowania (świecą nią).
Jaki wpłynął taki wypłynął ( miernikiem mierząc) inna sprawa będzie jeśli druciany opornik zasilisz 230VDC , rozgrzejesz przynajmniej do 800st i dasz dwa amperomierze przed i za wtedy zrozumiesz Kirchhoffa dlaczego zajął się poszukiwaniem brakującego ładunku.
krzysiek, 17 maja 2010, 16:22
Ehh, nigdzie nie napisałem o Trzecim Prawie Kirchhoffa a chyba o to chcesz się czepić ,-)
JakinBooz, 17 maja 2010, 18:15
Widzę to tak: napisałeś, że są też inne prawa i podałeś linka. Z twórczości Kirchhoffa zostały dwa prawa (wg. mojej wiedzy) nt elektryczności. Artykuł jest o elektryczności a nie o np o fizyce ciała stałego. Dlatego wydaje mi się logiczne, że Twoja sugestia dotyczyła jakiegoś prawa o elektryczności, którego nie znam. Ponieważ elektryczne prawa Kirchhoffa mają kolejne numery stąd domniemane następne prawo miałoby nazywać się trzecim prawem.
waldi888231200, 17 maja 2010, 18:49
Mnie też uczono że to jest trzecie PK.