Kirchoff's Laws - Comprehensive Notes

Kirchoff's Laws

  • Junction (Node):
    • Refers to the intersection of three or more conductors.
  • Loop:
    • Any closed conducting path.

Kirchoff's Voltage Law (KVL)

  • Also known as Kirchoff's Loop Rule.
  • States that the algebraic sum of voltages in each loop is zero.
  • V=0\sum V = 0
  • V<em>1+V</em>2+V<em>3++V</em>n=0V<em>1 + V</em>2 + V<em>3 + \dots + V</em>n = 0
  • I<em>1R</em>1+I<em>2R</em>2+I<em>3R</em>3++I<em>nR</em>n=0I<em>1R</em>1 + I<em>2R</em>2 + I<em>3R</em>3 + \dots + I<em>nR</em>n = 0
  • Example:
    • Around the first loop: +I<em>1R</em>1+I<em>2R</em>2Vs=0+ I<em>1R</em>1 + I<em>2R</em>2 - Vs = 0
    • The sign of each term matches the polarity encountered first.
    • Around the second loop: I<em>2R</em>2+I<em>3R</em>3=0-I<em>2R</em>2 + I<em>3R</em>3 = 0

Kirchhoff’s Current Law (KCL)

  • Also known as Kirchoff’s Junction (Circuit) Rule.
  • States that the algebraic sum of currents entering a node is zero.
  • I=0\sum I = 0
  • For a battery with currents I<em>1I<em>1, I</em>2I</em>2, and I<em>3I<em>3: I</em>1(I<em>2+I</em>3)=0    I<em>1I</em>2I3=0I</em>1 - (I<em>2 + I</em>3) = 0 \implies I<em>1 - I</em>2 - I_3 = 0
  • Example:
    • At node B: I<em>1I</em>2I3=0I<em>1 - I</em>2 - I_3 = 0
    • Add currents in, subtract currents out.

Example Problem

  • Given:
    • R1=7ΩR_1 = 7 \Omega
    • R2=10ΩR_2 = 10 \Omega
    • R3=6ΩR_3 = 6 \Omega
    • R4=4ΩR_4 = 4 \Omega
    • V=24VV = 24V
  • KVL Equations (2 loops):
    • Loop 1: I<em>1R</em>1+I<em>2R</em>2V=0    7I<em>1+10I</em>224=0I<em>1R</em>1 + I<em>2R</em>2 - V = 0 \implies 7I<em>1 + 10I</em>2 - 24 = 0
    • Loop 2: I<em>3R</em>3+I<em>4R</em>4I<em>2R</em>2=0    6I<em>3+4I</em>410I2=0I<em>3R</em>3 + I<em>4R</em>4 - I<em>2R</em>2 = 0 \implies 6I<em>3 + 4I</em>4 - 10I_2 = 0
  • KCL Equation:
    • I<em>1I</em>2I3=0I<em>1 - I</em>2 - I_3 = 0
  • Solving the system:
    • Using I<em>3=I</em>4I<em>3 = I</em>4 in loop 2 equation: 6I<em>3+4I</em>310I<em>2=0    10I</em>3=10I<em>2    I</em>3=I26I<em>3 + 4I</em>3 - 10I<em>2 = 0 \implies 10I</em>3 = 10I<em>2 \implies I</em>3 = I_2
    • Using I<em>1=2I</em>2I<em>1 = 2I</em>2
    • Substituting into loop 1 equation: 7(2I<em>2)+10I</em>224=0    14I<em>2+10I</em>224=0    24I<em>2=24    I</em>2=1A7(2I<em>2) + 10I</em>2 - 24 = 0 \implies 14I<em>2 + 10I</em>2 - 24 = 0 \implies 24I<em>2 = 24 \implies I</em>2 = 1A
    • Therefore:
      • I1=2(1)=2AI_1 = 2(1) = 2A
      • I3=1AI_3 = 1A
      • I4=1AI_4 = 1A
  • Calculating Voltages (using V=IRV = IR):
    • V<em>1=I</em>1R1=2A7Ω=14VV<em>1 = I</em>1R_1 = 2A * 7\Omega = 14V
    • V<em>2=I</em>2R2=1A10Ω=10VV<em>2 = I</em>2R_2 = 1A * 10\Omega = 10V
    • V<em>3=I</em>3R3=1A6Ω=6VV<em>3 = I</em>3R_3 = 1A * 6\Omega = 6V
    • V<em>4=I</em>4R4=1A4Ω=4VV<em>4 = I</em>4R_4 = 1A * 4\Omega = 4V

Example 2

  • Given:

    • Resistors: 2, 6, 7, 1, 10, 8
    • Voltage Source: 20V
  • KVL Equations:

    • Loop 1: I<em>1R</em>1+I<em>2R</em>220=0I<em>1R</em>1 + I<em>2R</em>2 - 20 = 0
    • Loop 2: I<em>3R</em>3+I<em>4R</em>4+I<em>5R</em>5I<em>2R</em>2=0I<em>3R</em>3 + I<em>4R</em>4 + I<em>5R</em>5 - I<em>2R</em>2 = 0
  • KCL Equation:

    • I<em>1I</em>2I3=0I<em>1 - I</em>2 - I_3 = 0
  • Simplifications:

    • I<em>3=I</em>4=I5I<em>3 = I</em>4 = I_5
    • I<em>1=I</em>6I<em>1 = I</em>6
  • Solving:

    • Using I<em>3=I</em>4=I<em>5I<em>3 = I</em>4 = I<em>5: 7I</em>3+1I<em>3+10I</em>36I<em>2=0    18I</em>36I<em>2=0    6I</em>2=18I<em>3    I</em>2=3I37I</em>3 + 1I<em>3 + 10I</em>3 - 6I<em>2 = 0 \implies 18I</em>3 -6I<em>2=0\implies -6I</em>2 = -18I<em>3\implies I</em>2 = 3I_3

    • Substituting into KCL: I<em>1=4I</em>3I<em>1 = 4I</em>3

    • Substituting into Loop 1:V<em>1+V</em>2+V<em>620=0    2I</em>1+6I<em>2+8I</em>620=0    2(4I<em>3)+6(3I</em>3)+8(4I<em>3)20    8I</em>3+18I<em>3+32I</em>320=0    58I<em>3=20    I</em>3=0.34AV<em>1 + V</em>2 + V<em>6 - 20 = 0 \implies 2I</em>1 + 6I<em>2 + 8I</em>6 - 20 = 0 \implies 2(4I<em>3) + 6(3I</em>3) + 8(4I<em>3) - 20 \implies 8I</em>3 + 18I<em>3 + 32I</em>3 - 20 = 0 \implies 58I<em>3 = 20 \implies I</em>3 = 0.34 A

  • Therefore:

    • I1=40.34=1.36AI_1 = 4 * 0.34 = 1.36A

    • I2=30.34=1.02AI_2 = 3 * 0.34 = 1.02A

    • I4=0.34AI_4 = 0.34A

    • I5=0.34AI_5 = 0.34A

    • I6=1.36AI_6 = 1.36A

  • Calculating Voltages (using V = IR):

    • V1=2.72VV_1 = 2.72 V

    • V2=6.12VV_2 = 6.12 V

    • V3=2.38VV_3 = 2.38 V

    • V4=0.34VV_4 = 0.34 V

    • V5=3.4VV_5 = 3.4 V

    • V6=10.88VV_6 = 10.88 V