Gustav Kirchhoff

Gustav Robert Kirchhoff.

Gustav Robert Kirchhoff(12. maaliskuuta1824Königsberg–17. lokakuuta1887Berliini)olipreussilainenfyysikko,joka tunnetaan erityisesti sähköpiirienvirranjakautumista japotentiaaliakoskevista laeistaan. YhdessäRobert Bunseninkanssa hän loi teoreettisen pohjan kemialliselle analyysillespektrianalyysinkeinoin.

Elämä

Kirchhoff syntyiPreussinKönigsbergissä12. maaliskuuta 1824. Hänen isänsä oli königsbergiläinen lakineuvoja Friedrich Kirchhoff ja hänen äitinsä Johanna Henriette Wittke. Perhe oli osa Königsbergin kukoistavaa älymystöä. Jo nuorena Gustavin annettiin ymmärtää, että hänen tehtävänsä olisi palvella Preussin kuningaskuntaa.Yliopistoprofessoritolivat tuolloin Preussissa virkamiehiä ja hänen vanhempansa kokivat, että oikea paikka Gustaville olisi akateeminen maailma. Ottaen huomioon hänen akateemisuutta ilmentävä kykynsä koulussa, Gustavin ura olikin luontevaa jatkumoa tämän opiskeluille. Nuori Kirchhoff opiskeli Königsbergissä Kneiphof Gymnasiumissa ja jatkoi opintojaanKönigsbergin Albertus-yliopistossa,jossa Kirchhoff tuli 18-vuotiaana siihen tulokseen, että fysiikka olisi hänen alansa; tiede kehittyi tuohon aikaan vauhdilla ja Kirchhoffilla oli vahvoja taipumuksia matemaattiseen ajatteluun.Matematiikkaahänelle opetti Friedrich Julius Richelot ja fysiikkaaFranz Neumann,jonka opetuksen myötä matemaattisesti lahjakas Kirchhoff kiinnostui matematiikasta entisestään.

Vuonna 1845 vielä opiskellessaan Königsbergissä Kirchhoff julkaisi ohuiden, erityisesti pyöreiden, levyjen sähkönjohtamiskyvystä artikkelin. Siinä hän esitteli kaksi tärkeää teoreemaansa, jotka nykyään tunnetaanKirchhoffin lakeina.Nämä lait mahdollistivat monimutkaisempien sähköpiirien sähkövirtojen, jännitteiden ja resistanssien laskemisen. Lait seurasivatOhmin laeista,mutta Kirchhoff osoitti ilmiömäistä matemaattista taitoa tavalla, jolla hän yleisti asian. Tässä vaiheessa hän ei ollut tietoinen Ohmin lämmön virtauksen ja sähkön virtauksen välisestä analogiasta, mikä johti väärään käsitykseen sähkövirroista. Koska lämpöä ei siirtynyt aineeseen tasaisessa lämmössä, uskottiin, ettätasavirtaaei voi olla johtimessa. Kirchhoff ymmärsi lopulta tämän virheen ja esitti, kuinka sähkövirtojen ja elektrostatiikan teoriat tulisi yhdistää.

4. syyskuuta Kirchhoff valmistui Königsbergin yliopistosta ja muuttiBerliiniinmyöhemmin samana vuonna. Hän ajoitti muuttamisensa huonosti, sillä työttömyys ja katovuodet olivat aiheuttaneet tyytymättömyyteen ja levottomuuksiin. Saksan liiton valtioissa oli lukuisia vallankumouksia, ja Ranskan viimeisen kuninkaanLudvig Filip I:nsyökseminen vallastaEuroopan hulluna vuonna1848 lisäsi levottomuuksien määrää Saksan liitossa.Keväällä 1848 Kirchhoffin kuitenkin onnistui aloittaa ammattilaisuransaPrivat-Docentina,sillä ympäröivän maailman tapahtumilla ei juurikaan ollut vaikutusta häneen. Berliinissä Kirchhoff opetti palkattomasti 1848–1850 samalla korjaten yleistetyn käsityksen sähkövirroista ja elektrostatiikasta. Berliinistä hän lähti Breslaun kaupunkiin (nykyinenWrocław) vuonna 1850, jolloin hän ratkaisi elastisten levyjen muodonmuutoksen ongelman. Teorian alkuperäisen muodon olivat kehittäneet ranskalaisetSophie GermainjaSiméon Denis Poisson,mutta yhtä lailla ranskalainenClaude-Louis Navieroli keksinyt oikeatdifferentiaaliyhtälötpari vuotta myöhemmin. Ongelmat säilyivät, mutta Kirchhoff onnistui ratkaisemaan ne käyttämällävariaatiolaskentaa.Breslaussa Kirchhoff tapasiRobert Bunsenin1851 ja ystävystyi hänen kanssaan. Vuonna 1854Heidelbergissätyöskentelevä Bunsen rohkaisi Kirchhoffia muuttamaan sinne, ja Kirchhoff hyväksyikin fysiikan professuurin sieltä. Kaksikko aloitti hedelmällisen yhteistyön. Vuonna 1861 he tarkkailivat Auringonspektriäja pystyivät tunnistamaan Auringon ilmakehän alkuaineet. He löysivät myös kaksi uutta alkuainetta,cesiuminjarubidiumin.Kirchhoffin selitys siitä, että Auringon emissiospektrin mustat viivat johtuvat absorptiosta tietyillä aallonpituuksilla valon kulkiessa Auringon atmosfäärin kaasujen läpi, on kenties tunnetuin. Tämä havainto aloittitähtitieteessäuuden aikakauden. Vuonna 1857 Kirchhoff meni naimisiin entisen matematiikan professorinsaFriedrich RichelotintyttärenClara Richelotinkanssa. Merkittävistä saavutuksistaan huolimatta Kirchhoff ei ollut ainoa sähkövirtojen parissa työskentelevä tutkija.Wilhelm WeberjaRudolf Kohlrauchtyöskentelivät myös samanlaisten sähkövirtojen luonteen parissa ja julkaisivat samantyylisiä tuloksia kuin Kirchhoff 1857 liittyen sähkökentän etenemisnopeuteen erittäin hyvin johtavassa johtimessa. Sekä Kirchhoff että Weber havaitsivat, että nopeus oli riippuvainen johtimen luonteesta ja oli miltei yhtä suuri kuinvalonnopeus.Molemmat kuitenkin olettivat tämän olevan vain sattumaa eivätkä ottaneet sitä askelta, minkäMaxwellotti viisi vuotta myöhemmin esittäessään, että valo on sähkömagneettinen ilmiö. Kirchhoffin merkitys on olennaista myöskvanttifysiikannäkökulmasta: hän julkaisi vuonna 1862 perusteetmustan kappaleen säteilylle.Fraunhoferoli tarkkaillut liekkien spektrien kirkkaita viivoja ja havainnut, että ne ilmenevät samankailtaisella taajuudella kuin tietyt mustat viivat Auringon spektrissä. Hän kuitenkin olisi tarvinnut aineiden puhtaita muotoja, sillä epäpuhtaudet aiheuttivat ylimääräisiä viivoja spektriin. Kirchhoff teki asiassa läpimurron onnistuessaan tuottaa puhtaampia aineita. Vuonna 1859 hänen onnistui havaita, että kullakin alkuaineella oli yksilöllinen spektri. Hän esitteli säteilylakinsa, jonka mukaan kullakinatomillataimolekyylilläemissio- jaabsorptiospektrion sama.

Kirchhoffin ensimmäinenspektroskooppi.

Tieteelliset saavutukset

Kirchhoffin lait sähkövirtapiireille

Pääartikkeli:Kirchhoffin piirilait

Kirchhoffin I laki

Kirchhoffin ensimmäisen lain mukaan virtapiirissä haarautumispisteeseen tulevien sähkövirtojen summa on yhtä suuri kuin haarautumispisteestä lähtevien sähkövirtojen summa.

Kirchhoffin II laki

Kirchhoffin toisen lain mukaan suljetussa virtapiirissä potentiaalimuutosten summa on nolla eli ∑∆V= 0.

Mustan kappaleen säteily

Yhtenä suurimmista fysikaalisista saavutuksistaan Kirchhoff todisti vuonna 1859 epäsuorasti väitteen, että mustan kappaleen emittoiman säteilyn energiatiheys eliintensiteettidifferentiaalista aallonpituusväliä

• (λ, λ+dλ)

kohti on vainaallonpituudenλ ja absoluuttisen lämpötilan T funktio

• Rλ=dRdλ=fλ, T()Rλ[ ]=Wm3 (61–1).

Funktionmuotoa hän ei kuitenkaan selvittänyt. Myöhemmin sen selvittämiseen ottivat menestyksekkäästi osaa muun muassaJožef StefanjaLudwig Boltzmann.Kirchhoff ja Robert Bunsen työskentelivät yhdessä Heidelbergin yliopistossa ja kehittivätspektroskopiaa,jossa kappaleen lähettämä säteily hajotetaan eri aallonpituus- tai taajuuskomponentteihinsa prismalla, ja säteilyn voimakkuudesta eri aallonpituusalueilla päätellään sen kemiallista koostumusta.

Katso myös

• Stefanin–Boltzmannin laki
• Kirchhoffin piirilait

Kirjallisuutta

• Lindell, Ismo:Sähkön pitkä historia,s. 154–155.” Piiritekniikan kehitystä”. Helsinki: Otatieto, 2009.ISBN 978-951-672-358-0.

Aiheesta muualla

• Kuvia tai muita tiedostoja aiheestaGustav KirchhoffWikimedia Commonsissa