1 закон кирхгофа для электрической цепи: Закон Киргофа. 1 и 2 закон Кирхгофа. Определение, формула

Закон кирхгофа 1 и 2. Законы Кирхгофа простыми словами: определение для электрической цепи

История

Пополнил ряды немецких ученых Кирхгоф в девятнадцатом столетии, когда в стране, находившаяся на пороге революции индустриальной, требовались новейших технологии. Ученые занимались поиском решений, которые могли бы ускорить развитие промышленности.

Активно занимались исследованиями в области электричества, поскольку понимали, что в будущем оно будет широко использоваться. Проблема состояла на тот момент не в том, как составлять электрические цепи из возможных элементов, а в проведении математических вычислений. Тут и появились законы, сформулированные физиком. Они очень помогли.

Алгебраическая сумма приходящих к узлам токов и исходящих из него равна нулю. Эта одновременно вытекает из другого закона — постоянства энергии.

К узлу подходят 2 провода, а отходит один. Значение тока, текущего от узла, такое же, как сумма его, протекающего по двум остальным проводникам, т. е. идущим к нему. Правило Кирхгофа объясняет, что, при ином раскладе, накапливался бы заряд, но такого не бывает. Все знают, что всякую сложную цепь легко разделить на отдельные участки.

Но, при этом непросто определить путь, по которому он проходит. Тем более, что на различных участках сопротивления не одинаковы, поэтому и распределение энергии не будет равномерным.

В соответствие со Вторым правилом Кирхгофа, энергия электронов на каждом из замкнутых участков электрической цепи равняется нулю – нулю равняется всегда в таком контуре суммарное значение напряжений. Если бы нарушилось данное правило, энергия электронов при прохождении определенных участков, уменьшалась бы или увеличивалась. Но, этого не наблюдается.

Соединения проводников

Есть два основных способа соединения проводников друг с другом — это последовательное и параллельное соединения. Различные комбинации последовательного и параллельного соединений приводят к смешанному соединению проводников.

Резисторы и подводящие провода

Проводник, обладающий сопротивлением R, мы называем резистором и изображаем следующим образом (рис. 1):

Рис. 1 Резистор

Напряжение на резисторе — это разность потенциалов стационарного электрического поля между концами резистора. Между какими именно концами? В общем-то, это неважно, но обычно удобно согласовывать разность потенциалов с направлением тока.

Ток в цепи течёт от «плюса» источника к «минусу». В этом направлении потенциал стационарного поля убывает. Напомним ещё раз, почему это так.

Пусть положительный заряд q перемещается по цепи из точки a в точку b, проходя через резистор R (рис. 2):

Рис.2  U = φa – φb

Стационарное поле совершает при этом положительную работу A = q(φa − φb). Так как q > 0 и A > 0, то и φa − φb > 0, т. е. φa > φb.

Поэтому напряжение на резисторе мы вычисляем как разность потенциалов в направлении тока: U = φa − φb.

Сопротивление подводящих проводов обычно пренебрежимо мало; на электрических схемах оно считается равным нулю. Из закона Ома следует тогда, что потенциал не меняется вдоль провода: ведь если φa − φb = IR и R = 0, то φa = φb (рис. 3):

Рис.3   φa = φb

Таким образом, при рассмотрении электрических цепей мы пользуемся идеализацией, которая сильно упрощает их изучение. А именно, мы считаем, что потенциал стационарного поля изменяется лишь при переходе через отдельные элементы цепи, а вдоль каждого соединительного провода остаётся неизменным. В реальных цепях потенциал монотонно убывает при движении от положительной клеммы источника к отрицательной.

Последовательное соединение

При последовательном соединении проводников конец каждого проводника соединяется с началом следующего за ним проводника.

Рассмотрим два резистора R1 и R2, соединённых последовательно и подключённых к источнику постоянного напряжения U (рис. 4). Напомним, что положительная клемма источника обозначается более длинной чертой, так что ток в данной схеме течёт по часовой стрелке.

Сформулируем основные свойства последовательного соединения и проиллюстрируем их на этом простом примере:

• При последовательном соединении проводников сила тока в них одинакова. В самом деле, через любое поперечное сечение любого проводника за одну секунду будет проходить один и тот же заряд. Ведь заряды нигде не накапливаются, из цепи наружу не уходят и не поступают в цепь извне.
• Напряжение на участке, состоящем из последовательно соединённых проводников, равно сумме напряжений на каждом проводнике. Действительно, напряжение Uab на участке ab — это работа поля по переносу единичного заряда из точки a в точку b; напряжение Ubc на участке bc — это работа поля по переносу единичного заряда из точки b в точку c. Складываясь, эти две работы дадут работу поля по переносу единичного заряда из точки a в точку c, то есть напряжение U на всём участке: U = Uab + Ubc.

Можно и более формально, без всяких словесных объяснений: U = Uac = φa − φc = (φa − φb) + (φb − φc) = Uab + Ubc.

• Сопротивление участка, состоящего из последовательно соединённых проводников, равно сумме сопротивлений каждого проводника. Пусть R — сопротивление участка ac. По закону Ома имеем:

что и требовалось.

Можно дать интуитивно понятное объяснение правила сложения сопротивлений на одном частном примере. Пусть последовательно соединены два проводника из одинакового вещества и с одинаковой площадью поперечного сечения S, но с разными длинами l1 и l2.

Сопротивления проводников равны:

Но это, повторяем, лишь частный пример. Сопротивления будут складываться и в самом общем случае — если различны также вещества проводников и их поперечные сечения. Доказательство этого даётся с помощью закона Ома, как показано выше. Наши доказательства свойств последовательного соединения, приведённые для двух проводников, переносятся без существенных изменений на случай произвольного числа проводников.

Параллельное соединение

При параллельном соединении проводников их начала подсоединяются к одной точке цепи, а концы — к другой точке.

Снова рассматриваем два резистора, на сей раз соединённые параллельно (рис. 5).

Резисторы подсоединены к двум точкам: a и b. Эти точки называются узлами или точками разветвления цепи. Параллельные участки называются также ветвями; участок от b к a (по направлению тока) называется неразветвленной частью цепи.

Теперь сформулируем свойства параллельного соединения и докажем их для изображённого выше случая двух резисторов:

• Напряжение на каждой ветви одинаково и равно напряжению на неразветвленной части цепи. В самом деле, оба напряжения U1 и U2 на резисторах R1 и R2 равны разности потенциалов между точками подключения:

U1 = U2 = φa − φb = U.

Этот факт служит наиболее отчётливым проявлением потенциальности стационарного электрического поля движущихся зарядов.

• Сила тока в неразветвленной части цепи равна сумме сил токов в каждой ветви. Пусть, например, в точку a за время t из неразветвленного участка поступает заряд q. За это же время t из точки a к резистору R1 уходит заряд q1, а к резистору R2 — заряд q2. Ясно, что q = q1 + q2. В противном случае в точке a накапливался бы заряд, меняя потенциал данной точки, что невозможно (ведь ток постоянный, поле движущихся зарядов стационарно, и потенциал каждой точки цепи не меняется со временем). Тогда имеем:

что и требовалось.

• Величина, обратная сопротивлению участка параллельного соединения, равна сумме величин, обратных сопротивлениям ветвей. Пусть R — сопротивление разветвлённого участка ab. Напряжение на участке ab равно U; ток, текущий через этот участок, равен I. Поэтому:

Сокращая на U, получим:

1/R = 1/R1 + 1/R2 ,

что и требовалось.

Как и в случае последовательного соединения, можно дать объяснение данного правила на частном примере, не обращаясь к закону Ома.

Пусть параллельно соединены проводники из одного вещества с одинаковыми длинами l, но разными поперечными сечениями S1 и S2. Тогда это соединение можно рассматривать как проводник той же длины l, но с площадью сечения S = S1 + S2. Имеем:

Приведённые доказательства свойств параллельного соединения без существенных изменений переносятся на случай любого числа проводников.

Из соотношения (1) можно найти R:

R = R1R2/(R1 + R2) .

К сожалению, в общем случае n параллельно соединённых проводников компактного аналога формулы (2) не получается, и приходится довольствоваться соотношением

1/R = 1/R1 + 1/R2 + . . . + 1/Rn .

Тем не менее, один полезный вывод из формулы (3) сделать можно. Именно, пусть сопротивления всех n резисторов одинаковы и равны R1. Тогда:

Мы видим, что сопротивление участка из n параллельно соединённых одинаковых проводников в n раз меньше сопротивления одного проводника.

Смешанное соединение

Смешанное соединение проводников, как следует из названия, может являться совокупностью любых комбинаций последовательного и параллельного соединений, причём в состав этих соединений могут входить как отдельные резисторы, так и более сложные составные участки.

Расчёт смешанного соединения опирается на уже известные свойства последовательного и параллельного соединений. Ничего нового тут уже нет: нужно только аккуратно расчленить данную схему на более простые участки, соединённые последовательно или параллельно.

Рассмотрим пример смешанного соединения проводников (рис. 6).

Рис. 6 Смешанное соединение

Пусть U = 14 В, R1 = 2 Ом, R2 = 3 Ом, R3 = 3 Ом, R4 = 5 Ом, R5 = 2 Ом. Найдём силу тока в цепи и в каждом из резисторов.

Наша цепь состоит из двух последовательно соединённых участков ab и bc. Сопротивление участка ab:

Сопротивление цепи: R = Rab + Rbc = 1,2 + 1,6 = 2,8 Ом.

Теперь находим силу тока в цепи:

I = U/R = 14/2,8 = 5 A.

Для нахождения тока в каждом резисторе вычислим напряжения на обоих участках:

Uab = IRab = 5 · 1,2 = 6 B;

Ubc = IRbc = 5 · 1,6 = 8 B.

(Заметим попутно, что сумма этих напряжений равна 14 В, т. е. напряжению в цепи, как и должно быть при последовательном соединении.)

Оба резистора R1 и R2 находятся под напряжением Uab, поэтому:

Стало быть, через резистор R5 течёт ток I5 = I − I3 = 5 − 1 = 4 A

Законы Кирхгофа

Законы Кирхгофа – правила, которые показывают, как соотносятся токи и напряжения в электрических цепях.  Эти правила были сформулированы Густавом Кирхгофом в 1845 году. В литературе часто называют законами Кирхгофа, но это не верно, так как они не являются законами природы, а были выведены из третьего уравнения Максвелла при неизменном магнитном поле. Но все же, первое более привычное для них название, поэтому и мы будет их называть, как это принято в литературе – законы Кирхгофа.

Первый закон Кирхгофа

Первый закон Кирхгофа говорит, что сумма токов в любом узле электрической цепи равна нулю. Существует и другая, аналогичная по смыслу формулировка: сумма значений токов, входящих в узел, равна сумме значений токов, выходящих из узла.

Давайте разберем сказанное более подробно. Узлом называют место соединения трех и более проводников.

Ток, который втекает в узел, обозначается стрелкой, направленной в сторону узла, а выходящий из узла ток – стрелкой, направленной в сторону от узла.

Согласно первому закону Кирхгофа

Условно присвоили знак «+» всем входящим токам, а «-» ‑ все выходящим. Хотя это не принципиально.

1 закон Кирхгофа согласуется с законом сохранения энергии, поскольку электрические заряды не могут накапливаться в узлах, поэтому, поступающие к узлу заряды покидают его.

Убедиться в справедливости 1-го закона Кирхгофа нам поможет простая схема, состоящая из источника питания, напряжением 3 В (две последовательно соединенные батарейки по 1,5 В), три резистора разного номинала: 1 кОм, 2 кОм, 3,2 кОм (можно применять резисторы любых других номиналов). Токи будем измерять мультиметром в местах, обозначенных амперметром.

Если сложить показания трех амперметров с учетом знаков, то, согласно первому закону Кирхгофа, мы должны получить ноль:

I1 – I2 – I3 = 0.

Или показания первого амперметра А1 будет равняться сумме показаний второго А2 и третьего А3 амперметров.

Второй закон Кирхгофа и его определение

В едином замкнутом контуре алгебраическая сумма ЭДС будет равняться на значение, которое суммирует изменения напряжения на всеобщее количество резистивных элементов данного контура.

Второе правило Кирхгофа актуально в сетях с постоянным и/или переменным током. В формулировке закона используется именно понятие алгебраическая сумма, так как она может быть указана со знаком плюс или минус. Точное определение возможно в таком случае только посредством простого, но эффективного алгоритма. Для начала надо подобрать какое-то направление для обхода контура, по/против часовой стрелке, на собственное усмотрение. Само направление тока подбирается только через элементы цепи. После следует определить знаки «+» и «-» для напряжениях и ЭДС. Напряжения нужно записывать с отрицательным знаком, когда ток не соответствует обходу контура в плане направления и с плюсом в случае совпадения. То же самое правило нужно использовать и в том случае, когда необходимо отметить ЭДС.

Значение правил Кирхгофа

Законы Кирхгофа выражают фундаментальные принципы физики. Их формулировки кажутся очень простыми и очевидными. Но на самом деле они представляют собой метод, позволяющий рассчитать электрические параметры сетей очень сложной конфигурации.

С помощью законов Кирхгофа можно составить систему независимых уравнений для расчета параметров электрической цепи. Важно, чтобы их количество было не меньше, чем число параметров, которые необходимо определить.

На приведённом рисунке представлена электроцепь, для которой будет проводиться расчёт. Используя первый закон или правило Кирхгофа, для узла A можно записать:

I = I1 + I2.

В этот узел входят два тока, а выходит один. Далее необходимо применить второе правило. Для этого можно выбрать внешний контур. Видно, что здесь имеется два источника тока и два резистора. Поэтому будут получены уравнения:

Здесь приведены 2 эквивалентные формулы. В левой части равенства учтены электродвижущие силы двух источников тока, в правой — падение напряжения на обоих резисторах с учётом направления токов. Ещё одно уравнение можно получить из 2 закона при обходе по правому внутреннему контуру:

В результате получена система, включающая в себя три уравнения с тремя неизвестными:

Используя конкретные данные, можно подставить в систему уравнений численные значения и найти, чему равна сила тока для каждой ветви, относящейся к узлу A. При расчётах важно понимать, что при достаточно сложной конфигурации электроцепи иногда бывает непросто определить направление силы тока для каждой ветви.

Первый и второй законы Густава Кирхгофа позволяют точно определить не только величину тока, но и его знак. Если в приведённом примере после вычисления искомых значений с помощью представленной системы уравнений окажется, что ток с индексом 2 принимает отрицательное значение, то это означает, что на самом деле он имеет направление, противоположное указанному на рисунке.

Использование закона Кирхгофа о напряжениях в сложной цепи

Закон Кирхгофа о напряжениях можно использовать для определения неизвестного напряжения в сложной цепи, где известны все другие напряжения вдоль определенного «контура». В качестве примера возьмем следующую сложную схему (на самом деле две последовательные цепи, соединенные одним проводом внизу):

Рисунок 10 – Правило напряжений Кирхгофа в сложной цепи

Чтобы упростить задачу, я опустил значения сопротивлений и просто указал падение напряжения на каждом резисторе. Две последовательные цепи имеют между собой общий провод (провод 7-8-9-10), что делает возможными измерения напряжения между этими двумя цепями. Если бы мы хотели определить напряжение между точками 4 и 3, мы могли бы составить уравнение правила напряжений Кирхгофа с напряжением между этими точками как неизвестным:

E4-3 + E9-4 + E8-9 + E3-8 = 0

E4-3 + 12 + 0 + 20 = 0

E4-3 + 32 = 0

E4-3 = -32 В

Рисунок 11 – Правило напряжений Кирхгофа в сложной цепи. Напряжение между точками 4 и 3Рисунок 12 – Правило напряжений Кирхгофа в сложной цепи. Напряжение между точками 9 и 4Рисунок 13 – Правило напряжений Кирхгофа в сложной цепи. Напряжение между точками 8 и 9Рисунок 14 – Правило напряжений Кирхгофа в сложной цепи. Напряжение между точками 3 и 8

Обойдя контур 3-4-9-8-3, мы записываем значения падений напряжения так, как их регистрировал бы цифровой вольтметр, измеряя с красным измерительным проводом в точке впереди и черным измерительным проводом на точке позади, когда мы продвигаемся вперед по контуру. Следовательно, напряжение в точке 9 относительно точки 4 является положительным (+) 12 вольт, потому что «красный провод» находится в точке 9, а «черный провод» – в точке 4.

Напряжение в точке 3 относительно точки 8 составляет положительные (+) 20 вольт, потому что «красный провод» находится в точке 3, а «черный провод» – в точке 8. Напряжение в точке 8 относительно точки 9, конечно, равно нулю, потому что эти две точки электрически общие.

Наш окончательный ответ для напряжения в точке 4 относительно точки 3 – это отрицательные (-) 32 вольта, говорящие нам, что точка 3 на самом деле положительна относительно точки 4, именно это цифровой вольтметр показал бы при красном проводе в точке 4 и черном проводе в точке 3:

Рисунок 15 – Правило напряжений Кирхгофа в сложной цепи. Напряжение между точками 4 и 3

Другими словами, первоначальное размещение наших «измерительных щупов» в этой задаче правила напряжений Кирхгофа было «обратным». Если бы мы сформировали наше уравнение второго закона Кирхгофа, начиная с E3-4, вместо E4-3, обходя тот же контур с противоположной ориентацией измерительных проводов, окончательный ответ был бы E3-4 = +32 вольта:

Рисунок 16 – Правило напряжений Кирхгофа в сложной цепи. Напряжение между точками 3 и 4

Важно понимать, что ни один из подходов не является «неправильным». В обоих случаях мы приходим к правильной оценке напряжения между двумя точками 3 и 4: точка 3 положительна по отношению к точке 4, а напряжение между ними составляет 32 вольта.

Правило Кирхгофа применительно к синусоидальным токам

Правила для синусоидального, такие же, как для тока постоянного. Правда, учитываются величины напряжений с комплексными токами.

Первое звучит: «в электрической цепи нулю равна сумма алгебраическая комплексных токов в узле».

Второе правило выглядит так: «алгебраическая сумма ЭДС комплексных в контуре замкнутом равняется сумме алгебраической значений комплексных напряжений, имеющихся на пассивных составляющих данного контура.

Источники

• https://motocarrello. ru/jelektrotehnologii/1510-zakon-kirhgofa-dlja-jelektricheskoj-cepi.html
• http://razmishlyajem.ru/o-raznom-vsyakom/prochee/dlya-studentov/zakony-kirxgofa
• https://faultan.ru/simulation/toe/kirchhoffs_laws/
• https://Zaochnik.com/spravochnik/fizika/postojannyj-elektricheskij-tok/pravila-kirhgofa-dlja-razvetvlennyh-tsepej/
• https://diodov.net/zakony-kirhgofa-prostymi-slovami/
• https://reshit.ru/vtoroj-zakon-kirxgofa
• https://ProFazu.ru/knowledge/electrical/zakon-kirhgofa.html
• https://radioprog.ru/post/1005

 

 

Как вам статья?

Павел

Бакалавр «210400 Радиотехника» – ТУСУР. Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники

Написать

Пишите свои рекомендации и задавайте вопросы

Первый и второй закон Кирхгофа

При расчете режима работы электрической цепи очень часто необходимо определить токи, напряжения и мощности на всех ее участках при заданных ЭДС источников и сопротивлений участков цепи. Данный расчёт основан на применении законов Кирхгофа.

В этой статье предполагается, что вы знакомы с определениями узла, ветви и контура.

---

Содержание:

• • Первый закон Кирхгофа
  • Выбор направления токов
  • Второй закон Кирхгофа
  • Применение второго закона Кирхгофа

---

Первый закон Кирхгофа

Первый закон Кирхгофа гласит, что в ветвях образующих узел электрической цепи алгебраическая сумма токов равна нулю (токи входящие в узел считаются положительными, выходящие из узла отрицательными).

Пользуясь этим законом для узла A (рисунок 1) можно записать следующее выражение:

Рисунок 1 — Первый закон Кирхгофа

I1 + I2 − I3 + I4 − I5 − I6 = 0.

Попытайтесь самостоятельно применить первый закон Кирхгофа для определения тока в ветви. На приведенной выше схеме изображены шесть ветвей образующие электрический узел В, токи ветвях входят и выходят из узла. Один из токов i неизвестен. 

#1. Запишите выражение для узла В

I1 + I2 + I3 + I4 + I5 − i = 0

I1 — I2 + I3 − I4 + I5 − i = 0

I1 + I2 + I3 − I4 + I5 − i = 0

Неправильно

#2. Найдите ток i

i = I1 + I2 + I3 − I4 + I5

i = I1 + I2 — I3 − I4 + I5

i = I1 — I2 — I3 + I4 + I5

Неправильно

Завершить

Результат

Отлично!

Попытайтесь снова(

Выбор направления токов

Если при расчёте цепи направление токов неизвестны, то при составлении уравнений согласно законом Кирхгофа их необходимо предварительно выбрать произвольно и обозначить на схеме стрелками. В действительности направление токов в ветвях могут отличаться от произвольно выбранных. Поэтому выбранные направления токов называют положительными направлениями. Если в результате расчёта цепи какие-либо токи будут выражены отрицательными числами, то действительные направления этих токов обратны выбранным положительным направлениям.

Например

 

Рисунок 2

На рисунке 2,а представлен электрический узел. Произвольно, стрелками укажем направления токов (рисунок 2,б).

Важно! При выборе направления токов в ветвях, необходимо выполнения двух условий:
1. Ток должен вытекать из узла через одну или несколько других ветвей;
2. Хотя бы один ток должен входить в узел.

Предположим, что после расчёта цепи получились следующие значения токов:

I1 = -5 А;
I2 = -2 A;
I3 = 3 А.

Так как значение тока I1 и I2 получились отрицательными, следовательно, действительно направление I1 и I2 противоположно ранее выбранным (рисунок 3).

Рисунок 3 — действительное направление токов обозначено синими стрелками

• I1 − I2 + I3 = 0;
• -5  − (-2) +3 = 0;
• -I1 + I2 + I3 = 0;
• -5  + 2 +3 = 0.

Второй закон Кирхгофа.

Второй закон Кирхгофа: в контуре электрической цепи алгебраическая сумма эдс равна алгебраической сумме падений напряжения на всех сопротивлениях данного контура.

где k – число источников ЭДС; m – число ветвей в замкнутом контуре; I_i, R_i – ток и сопротивление i-й ветви.

Применение второго закона Кирхгофа

Для контура ABСDE, изображенного на рисунке 4, стрелками указаны положительные направления токов (произвольно). Составим уравнение согласно второму закону Кирхгофа. Для этого произвольно зададимся направлением обхода контура по часовой или против часовой стрелки. В данном примере направление обхода контура выберем по часовой стрелке.

Рисунок 4

При составлении уравнений по второму закону Кирхгофа, ЭДС записывается со знаком “+”, если ее направление совпадает с направлением произвольно выбранного обхода контура. В противном случае ЭДС записывается со знаком “-”.

Падения напряжения записываются со знаком “+”, если направление тока в нем совпадает с направлением обхода.

Начнём с эдс E1, так как её направление совпадает с обходом контура — записываем её со знаком “+” перед знаком равно.

Контур ABСDE E1 =

E2 направленна против обхода контура записываем со знаком “-” перед знаком равно.

Контур ABСDE E1 − E2 =

Так как больше ЭДС в контуре ABСDЕ нет — левая часть уравнения готова.

В правой части уравнения указываются падения напряжения контура, так как направления токов I1 и I2 совпадает с обходом контура – записываем падения напряжения со знаком “+”.

Контур ABСDЕE E1 − E2 = I1*R1 + I2*R2

Направление тока I3 не совпадет с обходом контура:

Контур ABСDE E1 − E2 = I1*R1 + I2*R2 − I3*R3.

Уравнение для контура готово.

Законы Кирхгофа являются основой для расчета электрической цепи, вот несколько методов применяющие данные законы.

• Расчёт электрической цепи постоянного тока методом узловых и контурных уравнений.
• Расчёт электрической цепи постоянного тока методом контурных токов
• Расчёт электрической цепи постоянного тока методом наложения (суперпозиции токов)

06. 05.2020

ТОЭ,Решение задач по ТОЭ

Расчет цепей постоянного тока

Руководство для начинающих по законам Кирхгофа

В этом уроке мы узнаем о законах Кирхгофа. Закон тока Кирхгофа или KCL и закон напряжения Кирхгофа или KVL — два очень важных математических равенства в анализе электрических цепей.

Краткое описание

Введение

Многие электрические цепи сложны по своей природе, и вычисления, необходимые для нахождения неизвестных величин в таких цепях, с использованием простого закона Ома и упрощающих методов последовательного/параллельного комбинирования невозможны. Поэтому для упрощения этих схем используются законы Кирхгофа.

Эти законы являются фундаментальными аналитическими инструментами, которые используются для нахождения решений для напряжений и токов в электрической цепи, будь то переменный или постоянный ток. Элементы в электрической цепи связаны множеством возможных способов, поэтому для определения параметров электрической цепи эти законы очень полезны.

[adsense1]

Прежде чем узнать больше о законе Кирхгофа, мы должны рассмотреть некоторые термины, относящиеся к электрическим цепям.

Узел : Узел или соединение — это точка в цепи, в которой соединены два или более электрических элемента. Это определяет уровень напряжения с эталонным узлом в цепи.

Ответвление : Непрерывный проводящий путь между двумя соединениями, который содержит электрический элемент в цепи, называется ответвлением.

Петля : В электрической цепи петля представляет собой независимый замкнутый путь в цепи, который следует последовательности ветвей таким образом, что он должен начинаться и заканчиваться одним и тем же узлом и не должен касаться какого-либо другого соединения или узла. больше чем единожды.

Сетка: В электрической цепи сетка — это петля, внутри которой нет никакой другой петли.

Вернуться к началу

Законы Кирхгофа

В 1847 году Густав Роберт Кирхгоф, немецкий физик, разработал эти законы для описания соотношения между напряжением и током в электрической цепи. Этими законами являются: закон напряжения Кирхгофа (KVL) и закон тока Кирхгофа (KCL).

Наверх

Текущий закон Кирхгофа (KCL)

Это также называется законом сохранения заряда, потому что заряд или ток не могут быть созданы или разрушены в стыке или узле. В нем говорится, что алгебраическая сумма токов в любом узле равна нулю. Таким образом, ток, входящий в узел, должен быть равен сумме токов, выходящих из узла.

На приведенном выше рисунке токи I1 и I2 входят в узел, а токи I3 и I4 выходят из узла. Применяя KCL в узле, предположим, что входящие токи положительны, а выходящие токи отрицательны, мы можем записать как

I1 + I2 + (-I3) + (-I4) = 0
I1 + I2 = I3 + I4

Вернуться к началу

Пример задачи KCL

Рассмотрим рисунок ниже, где мы должны определить токи IAB   и Ix с помощью KCL .

Применяя текущий закон Кирхгофа в точке A, мы получаем

IAB = 0,5 – 0,3

IAB = 0,2 Ампер = 0,1 + Ix

Ix = 0,2 – 0,1 = 0,1 А

Вернуться к началу

[adsense2]

Закон Кирхгофа о напряжении (KVL)

Закон Кирхгофа о напряжении гласит, что алгебраическая сумма напряжений в замкнутом контуре равна нулю, то есть сумма напряжений источника равна сумме падений напряжения в цепи. Если в элементе ток течет от более высокого потенциала к более низкому, то мы рассматриваем это как падение напряжения.

Если ток течет от более низкого потенциала к более высокому потенциалу, то мы рассматриваем это как повышение напряжения. Таким образом, энергия, рассеиваемая током, должна быть равна энергии, отдаваемой источником питания в электрической цепи.

Рассмотрим приведенную выше схему, в которой ток течет по часовой стрелке. Различные падения напряжения в приведенной выше цепи: V1 положительный, IR1 отрицательный (падение напряжения), IR2 отрицательный (падение напряжения), V2 отрицательный, IR3 отрицательный (падение напряжения), IR4 отрицательный (падение напряжения) , V3 положительный, IR5 отрицательный и V4 отрицательный. Применяя КВЛ, получаем

V1 + (-IR1) + (-IR2) + (-V2) + (-IR3) + (-IR4) + V3 + (-IR5) + (-V4) = 0

V1 – IR1 – IR2 – V2 – IR3 – IR4 + V3 – IR5 – V4 = 0

V1 – V2 + V3 – V4 = IR1+ IR2 +IR3 + IR4 + IR5

Следовательно, КВЛ также известен как закон сохранения электрической энергии, поскольку сумма падений напряжения (произведение сопротивления и тока) равна сумма источников напряжения на замкнутом пути.

Вернуться к началу

Пример закона Кирхгофа о напряжении

1. Рассмотрим схему с одним контуром, показанную ниже, и предположим, что направление тока равно замкнутому пути DEABCD. В этой схеме с помощью КВЛ надо найти напряжение V1.

Применив КВЛ к этому замкнутому контуру, мы можем записать как

ВЭД + ВАЭ + ВБА + ВКБ + ВПТ = 0

Где

Напряжение точки Е относительно точки D, ВЭД = -50 В

Напряжение точки D относительно точки C, В постоянного тока = -50 В

Напряжение точки A относительно точки E. VAE = I * R

VAE = 500 м* 200

VAE = 100 В

Аналогично Напряжение в точке C относительно точки B, VCB = 350 м*100

VCB = 35 В

Считаем напряжение в точке А по отношению к точке В, VAB = V1

VBA= -V1

Затем с помощью КВЛ

-50 + 100 – V1 + 35 – 50 = 0

V1 = 35 Вольт

3

2 2. Рассмотрим приведенную ниже типичную двухконтурную цепь, в которой мы должны найти токи I1 и I2, применяя законы Кирхгофа.

Внутри цепи есть два контура, пути контура показаны на рисунке.

 

Применяя к этим петлям КВЛ получаем

Для первого контура,

2 (I1 + I2) + 4I1 – 28 = 0 + 7 = 0
-2I1 – 3I2 = -7 ——– (2)

Решая приведенные выше уравнения 1 и 2, получаем

I1 = 5А и I2 = -1 А

Вернуться к началу

Пример Задача по законам Кирхгофа

Теперь воспользуемся законами Кирхгофа для тока и напряжения, чтобы найти падения тока и напряжения в цепи ниже. Как и в приведенной выше задаче, эта схема также содержит два контура и два соединения. Рассмотрим текущее направление, указанное на рисунке.

Применим закон тока Кирхгофа к обоим петлям, тогда получим

В стыке 1 I = I1 + I2

В стыке 2 I1 + I2 = I

Применим закон напряжения Кирхгофа к обоим контурам, тогда Получить

в первом цикле,

1,5 В- 100 I1 = 0

I1 = 1,5 / 100

= 0,015 А. — 300I2 = 9

Подставляя значение I1 в вышеприведенное уравнение, получаем

1,5 -300i2 = 9

-300i2 = 7,5

I2 = -0,025

Затем ток на соединении I = I1 + I2

I = 0,015 -0,025

I = -0,01

назад к вершине.

Применение законов Кирхгофа

• Используя эти законы, мы можем найти неизвестные сопротивления, напряжения и токи (направление и величину).
• В методе ветвей нахождение токов через каждую ветвь, проводимую путем применения KCL в каждом соединении и KVL в каждом контуре цепи.
• В методе контурных токов нахождение тока через каждый независимый контур осуществляется путем применения КВЛ для каждого контура и подсчета всех токов в любом элементе контура.
• Используется в узловом методе нахождения напряжений и токов.
• Эти законы можно применять для анализа любой цепи независимо от ее состава и структуры.

Вернуться к началу

Электрические схемы 1 — Урок второй

20.06.2015

1 Комментарий

Фундаментальные законы, которые регулируют электрические схемы:
○ Закон о Ом
○ Законы Кирчхоффа

Закон о

Законодательство о пропании. i  протекающий через резистор.

Это

, что является математической формой закона Ома. R является константой пропорциональности и обладает способностью сопротивляться протеканию электрического тока, который измеряется в единицах омов, обозначаемых Ω.

Линейный резистор — это резистор, который подчиняется закону Ома и имеет постоянное сопротивление.

Короткое замыкание (R=0)

Точно так же элемент с R равен бесконечности известен как разомкнутая цепь — это элемент цепи с сопротивлением, приближающимся к бесконечности.

Разомкнутая цепь (R= ∞)

Проводимость (G) – Сименс (S)


Проводимость – это способность элемента проводить электрический ток, которая измеряется в мОм или Сименсах. Проводимость также обратно пропорциональна сопротивлению R.

Пример:

Определите напряжение (v), проводимость (G) и мощность (p) по рисунку ниже.

I = 10k Ω

Solution:

Using the formula of Ohm’s Law, V=IR

                                                          V=IR
                                                          V = 2mA (10kΩ)

                                                          V = 20V

Node, Branches and Петли

Элементы электрической цепи могут быть связаны между собой несколькими способами, которые нам необходимы для понимания основных понятий топологии сети.

Ветвь — представляет один элемент (т. е. напряжение, резистор)

Узел — точка пересечения двух или более ветвей

Контур — любой замкнутый путь в цепи.

На картинке выше определите, сколько ветвей, узлов и режимов имеет данная картинка.

ЗАКОН КИРХГОФА

Закон тока Кирхгофа (KCL)

   Закон тока Кирхгофа, определяемый как алгебраическая сумма тока, входящего или выходящего из узла (или замкнутой границы), равна нулю.

   Текущий вход = +ve

   Текущий выход = -ve

Пример:

Закон Кирхгофа о напряжении (KVL)

Закон Кирхгофа о напряжении определяется как алгебраическая сумма напряжений (нарастания и падения в контуре равны нулю.
 

КВЛ можно применять двумя способами:

• Путем обхода петли по часовой стрелке или против часовой стрелки.

• В любом случае алгебраическая сумма напряжений вокруг контура равна нулю.