Второй закон кирхгофа формула и определение: Законы Кирхгофа, формула и определение первого и второго законов Кирхгофа

Все законы Кирхгофа — формулы и определения первого и второго закона для тока и напряжения

Содержание

• 1 Закон Кирхгофа своими словами, кратко и понятно для чайников
• 2 Первый закон Кирхгофа: определение
  • 2.1 Формула для электрической и магнитной цепи
• 3 Второй закон Кирхгофа: определение
  • 3.1 Закон напряжения и формула для магнитной цепи
• 4 Закон Кирхгофа для теплового излучения
• 5 Законы Кирхгофа в комплексной форме
• 6 Задачи и примеры на законы Кирхгофа с решением

По всем проводникам, которые являются частью электрической цепи, протекает электрический ток. При проведении расчётов не редкостью являются случаи, когда необходимо вычислить параметры тока и напряжения в цепях сложной формы, то есть в тех, где имеются разветвления. Для получения точных расчётов применяют правила Кирхгофа, которые иногда называют законами. Используя их вместе с законами Ома, можно с легкостью определять параметры независимых контуров в самых разветвленных и сложных цепях.

Важным преимуществом данных законов является то, что не нужно использовать глубокие расчёты, благодаря приведенным алгоритмам посчитать сможет даже неопытный физик, сложные и многоуровневые расчёты превращаются в простые односложные сложения.

Закон Кирхгофа своими словами, кратко и понятно для чайников

История возникновения закона начинается с первого упоминания немецкого учёного Кирхгофа в XIX веке. В этот период в стране проходили репрессии, остро ощущалась нехватка новых технологий. Учёные искали решения, способные ускорить развитие промышленности. Вышеупомянутый учёный занимался исследованиями в области электричества. Он точно осознавал, что будущее за технологиями. Однако была проблема: как провести точные математические вычисления в цепях сложной формы. Тогда и возник закон.

К узлу подходят два провода, в то время как отходит всего один. Значение тока, который протекает по направлению от узла, равняется сумме протекающего по оставшимся двум проводникам, иными словами, идущим к нему. Правило, о котором идёт речь в статье, даёт понятное объяснение тому, что в противном случае происходило бы накопление заряда, однако такого никогда не бывает. Каждый физик на практике знает, что любую сложную цепь можно разделить на небольшие участки.

Возникает другая сложность: трудно определить путь, по которому он проходит. Более того, важно понимать, что на различных участках сопротивления разные, а из этого следует, что энергия будет распределяться неравномерно.

Первый закон Кирхгофа: определение

Первый закон, или, как он известен некоторым, правило, Густава Кирхгофа был выведен на основании другого закона – сохранения заряда. Как уже было упомянуто раннее, физик осознавал, что в узле надолго заряд задержаться не сможет, так как распределится по ветвям контура, которые образуют эти соединения.

Важно! У Кирхгофа было предположение, которое он впоследствии сумел доказать, благодаря проведенным экспериментам, что количество зарядов, оказавшихся в узле, равняется количеству тока, вытекающего из него.

Схема первого закона Кирхгофа

На рисунке показана схема, состоящая из нескольких контуров. Все части рисунка подписаны. Итак, закон № 1 утверждает, что сумма токов в любом узле абсолютно любой электрической цепи равняется нулю. Согласно правилу, входящий ток равен сумме выходящих, поэтому I₁ = I₂ + I₃. Узлами сети называются такие участки, в которых соединяются несколько проводников. Ток, который оказывается в узле, обозначается стрелкой, направленной к узлу, в то время вытекающий ток – стрелкой от узла. Таким образом, обозначение воспринимается проще в любой задаче.

Наглядно это показано на картинке.

Первый закон Кирхгофа

На основании вышесказанного запишем уравнение первого закона ученого:

I₁ + I₂ − I₃ − I₄ − I₅ = 0

Эта же формула может быть записана в более сокращенном виде:

I₁ + I₂ = I₃ + I₄ + I₅

Важно! Положительные или же противоположные – отрицательные – знаки токам присвоены в условном порядке. Их можно поменять, значение не поменяется.

Для примера разберём схему, изображённую на картинке выше.

Источник питания может быть абсолютно любой природы, им могут быть пальчиковые батарейки или же полноценный блок питания с возможностью регулировки. Итак, следуя первому закону, верным будет уравнение:

I₁ − I₂ − I₃ = 0 или же I₁ = I₂ + I₃

Чтобы продолжить измерения, необходимо в место на схеме, где указан амперметр, подключить мультиметр, который покажет, что закон полностью работает.

Формула для электрической и магнитной цепи

При проведении расчётов используют вышеупомянутые законы.

Первый закон для магнитных цепей вытекает из принципа непрерывности магнитного потока, который известен ещё из курса физики.

Второй же закон, если разобрать по частям, понятно, является иной формой записи закона полного тока. Прежде чем записать уравнения, необходимо в любом порядке остановить свой выбор на положительном направлении потоков в ветвях, аналогичное действие необходимо провести с напряжением обхода контуров. Если направление магнитного потока на определённом участке совпадает с направлением обхода, то магнитное напряжение на этом участке будет положительным, если же оно определяется как противоположное, то значение будет отрицательным.

Схожий случай, если МДС совпадает с направлением обхода, тогда знак положительный, в противном случае – отрицательный.

Закон для магнитных цепей

Для примера рассмотрим схему. Левая ветвь пусть будет первой, все относящиеся к ней величины будут записаны с индексом 1. Средняя весть будет второй, и величины получат индекс 2. Соответственно, величины правой ветви – индекс 3.

В произвольном порядке выберем направление потоков в ветвях. Предположим, что направление всех потоков будет вверх. Следуя первому закону, необходимо составить для каждого узла цепи уравнение. В цепи всего два узла, соответственно, составим всего одно уравнение:

Ф₁ + Ф₂ + Ф₃ = 0

Далее используем второй закон Кирхгофа, по которому нужно составить столько уравнений, сколько ветвей, не учитывая числа уравнений, составленных по первому закону.

Итак, запишем уравнения. Первое будет предназначено для контура, образованного первой и второй ветвями, второе – для контура, который будет образован первой и третьей ветвями.

Перед тем как составлять уравнения по второму закону, нужно выбрать положительное направление обхода контуров. Контуры будем обходить по часовой стрелке.

Итак, итоговое уравнение имеет вид:

H₁l₁ + Hδ₁δ₁ − H₂l₂ − Hδ₂δ₂ = I₁w₁ − I₂w₂

В левую часть уравнения были включены слагаемые со знаком плюс, потому что на первом участке поток направлен соответственно обходам контура, а слагаемые – с отрицательным знаком, потому что поток направлен в противоположную обходу контура сторону.

Второй закон Кирхгофа: определение

Второй закон вызывает у многих вопросы, так как он несколько труднее первого, но этот миф легко можно развеять, объяснив принцип работы. Для начала необходимо разобрать определение закона, который звучит таким образом: в любом замкнутом контуре электрической цепи алгебраическая сумма ЭДС равна алгебраической сумме напряжений на всех пассивных элементах цепи.

Формулировка определения несколько затрудняет его понимание, поэтому можно упростить: сумма ЭДС в замкнутом контуре равняется сумме падений напряжений. Так намного проще и понятнее.

Закон напряжения и формула для магнитной цепи

Формула, которая выражает этот закон, примет такой вид:

Формула второго закон Кирхгофа

В качестве примера возьмём самый элементарный и понятный для всех случай. Нам понадобится взять батарейку и резистор – всё в одном экземпляре. Так как резистор в единичном количестве, так же как и батарейка, то ЭДС батарейки будет равняться 1,5 ватт, и это равно падению напряжения на резисторе.

Если для примера взять уже два резистора и подключить их к батарейке, то 1,5 ватт будут распределяться равномерно на обоих резисторах, то есть на каждом окажется по 0,75 ватт.

Если взять уже три резистора по 1 кОм, то падение напряжения будет на них уже по 0,5 ватт. Логика расчётов сохраняется в любом случае. Формула примет вид:

Формула	Е1 = IR1 + IR2 + IR3
Преобразование	1,5 Вт = 0,5 Вт + 0,5 Вт + 0,5 Вт
Итог	1,5 Вт = 1,5 Вт

Важно! Второй закон будет работать независимо от того, сколько использовано источников питания и нагрузок. Не влияет на расчёты и место их расположения в контуре схемы. Так что даже у разных схем решение может быть одинаковым, но должно быть соблюдено условие – количество элементов должно быть идентичным.

Закон Кирхгофа для теплового излучения

Данный закон имеет другое название «третий закон». Сперва для лучшего понимания введем понятие теплового излучения. Принято называть тепловым излучение электромагнитное излучение, возникающее благодаря чужеродной энергии вращательного и колебательного движения атомов, молекул. Данное явление можно обнаружить абсолютно у всех тел, имеющих температуру не равняющуюся нулю или меньше. Основной количественной характеристикой теплового излучения выступает энергетическая светимость. Она должна быть вычислена одной из первых или же указана в условиях. Рассчитать её самостоятельно весьма проблематично. Её значение не постоянное, оно может меняться в зависимости от определенных характеристик: оказывает влияние температура окружающей среды, а также уровень нагретости тела. Имеет значение и длина, чем длиннее — тем значение меньше.

Формула выглядит таким образом:

R = E/(S·t), [Дж/(м2с)] = [Вт/м2]

Ещё одной характеристикой остаётся спектральная плотность энергетической светимости.

Важно ввести ещё одно понятие: коэффициент поглощения – это отношение поглощенной телом энергии к падающей энергии. Только теперь перейдем непосредственно к выделенному закону. Первое, что нужно сказать, что тепловое излучение является равновесной величиной. Это указывает на то, что сколько энергии будет излучаться телом, столько и им же и поглотится. При расчётах данное заявление имеет существенное значение. Можно сразу приравнивать оба значение. Таким образом, для трёх тел, которые находятся в замкнутой полости, формула примет вид:

Закон для теплового излучения

Раннее указанная формула будет верной даже тогда, когда какое-либо тело из указанных будет АЧ:

Закон звучит данным образом: отношение спектральной плотности энергетической светимости тела к его монохроматическому коэффициенту поглощения (при определенной температуре и для определенной длины волны) не зависит от природы тела и равно для всех тел спектральной плотности энергетической светимости при тех же самых температуре и длине волны.

Законы Кирхгофа в комплексной форме

Итак, для того, чтобы вывести математическую формулировку первого закона в комплексной формуле, необходимо представить все синусоидальные токи в комплексных значениях. Формула примет данный вид:

Комплексная форма первого закона Кирхгофа

Расшифровывая формулу получим, что алгебраическая сумма комплексных значений токов всех ветвей, которые сходятся в узле цепи, будет равняться нулю.

Закон №2 сформулирован не менее просто. Для контура замещения, который содержит лишь неактивные элементы и источники ЭДС, в каждую секунду алгебраическая сумма напряжений на данных элементах контура равняется числовой сумме ЭДС. Некоторым может показаться данная формулировка трудной, но при реальном разборе станет ясно, что все весьма просто и элементарно:

Комплексная форма второго закона Кирхгофа

Например, рассмотрим рисунок. Для выбранного на схеме замещения контура 1

u1-u2-u3+u4=0

Для второго контура:

ur-uL=e1-e2

В комплексной записи закон выглядит таким образом:

Контур 1

Контур 2

Задачи и примеры на законы Кирхгофа с решением

На картинках ниже подробно разобраны 2 задачи с применением законов Кирхгофа. Полное решение с наглядным примером на схемах и ответ.

Пример решения задачи по законам КирхгофаЧитайте также. Похожие записи.

• Закон Ома простыми словами — формулировка для участка и полной цепи
• Закон Кулона: основной закон электростатики кратко и понятно
• Что такое сила трения в физике — определение, формула, виды
• Купить USB паяльник по низкой цене на Али
• Диодный мост — описание работы, как подключить и проверить
• Терморегулятор для теплого пола: 5 важнейших параметров выбора

Поделитесь статьей:

comments powered by HyperComments

Правила Кирхгофа для электрической цепи, понятным языком

Содержание:

Чтобы сформулировать закон Кирхгофа для электрической цепи, потребовалось ввести новые термины в теорию – узлы, ветви и контур. Ветвями называют любой тип двухполюсной цепи. Узлом называют точку, в которой соединяются несколько ветвей. Эти элементы принадлежат одному электрическому контуру. Законы представляют собой различные соотношения между величинами тока на разных участках цепи. С их помощью можно провести расчет величины постоянных или переменных токов при помощи формул, созданный этим ученым.

В данной статье будет рассказано про законы Кирхгофа, как они могут использоваться на практике и как правильно провести расчеты, связанные с ними. В качестве дополнения, статья содержит два видеоролика, одну скачиваемую статью по выбранной теме.

Законы Кирхгофа

Закон Ома устанавливает зависимость между силой тока, напряжением и сопротивлением для простейшей электрической цепи, представляющей собой один замкнутый контур. В практике встречаются более сложные (разветвленные) электрические цепи, в которых имеются несколько замкнутых контуров и несколько узлов, к которым сходятся токи, проходящие по отдельным ветвям. Значе­ния токов и напряжений для таких цепей можно находить при помощи законов Кирхгофа.

Первый закон

Первый закон Кирхгофа устанавливает зависимость между то­ками для узлов электрической цепи, к которым подходит несколько ветвей. Согласно этому закону алгебраическая сумма токов ветвей, сходящихся в узле электрической цепи, равна нулю:

?I = 0 (16)

При этом токи, направленные к узлу, берут с одним знаком (например, положительным), а токи, направленные от узла,— с противоположным знаком (отрицательным). Например, для узла А

I1 + I2 + I3 – I4 – I5 = 0 (17)

Это интересно! Все о полупроводниковых диодах.

Преобразуя это уравнение, получим, что сумма токов, направленных к узлу электрической цепи, равна сумме токов, направленных от этого узла:

I1 + I2 + I3 = I4 + I5 (17′)

В данном случае имеет место полная аналогия с распределением потоков воды в соединенных друг с другом трубопроводах.

Законы Кирхгофа устанавливают соотношения между токами и напряжениями в разветвленных электрических цепях произвольного типа. Законы Кирхгофа имеют особое значение в электротехнике из-за своей универсальности, так как пригодны для решения любых электротехнических задач.  Законы Кирхгофа справедливы для линейных и нелинейных цепей при постоянных и переменных напряжениях и токах. 

Первый закон Кирхгофа.

 

Второй закон Кирхгофа устанавливает зависимость между э. д. с. и напряжением в замкнутой электрической цепи. Согласно этому закону во всяком замкнутом контуре алгебраическая сумма э. д. с. равна алгебраической сумме падений напряжения на сопротивлениях, входящих в этот контур:

?E = ?IR (18)

При составлении формул, характеризующих второй закон Кирхгофа, значения э. д. с. E и падений напряжений IR считают положительными, если направления э. д. с. и токов на соответствующих участках контура совпадают с произвольно выбранным направлением обхода контура. Если же направления э. д. с. и токов на соответствующих участках контура противоположны выбранному направлению обхода, то такие э. д. с. и падения напряжения считают отрицательными.

Рассмотрим в качестве примера электрическую цепь, в которой имеются два источника с электродвижущими силами E1 и E2, внутренними сопротивлениями Ro1, Ro2 и два приемника с сопротивлениями R1 и R2. Применяя второй закон Кирхгофа для «этой цепи и выбирая направление ее обхода по часовой стрелке,

получим:

E₁ – E₂ = IR₀₁ + IR₀₂ + IR₁ + IR.

При этом э. д. с. E1 и ток I совпадают с выбранным направлением обхода контура и считаются положительными, а э. д. с. Е2, противоположная этому направлению, считается отрицательной. Если в электрической цепи э. д. с. источников электрической энергии при обходе соответствующего контура направлены навстречу друг другу (см. рис. 24, а), то такое включение называют встречным. В этом случае на основании второго закона Кирхгофа ток I = (E1-E2)/(R1+R2+R01+R02).

[stextbox id=’info’] Встречное направление э. д. с. имеет место, например, на э. п. с.при включении электродвигателей постоянного тока (их можно рассматривать как некоторые источники э. д. с.) в две параллельные группы, а также при параллельном включении аккумуляторов в батарее.[/stextbox]

Если же э. д. с. источников электрической энергии имеют по контуру одинаковое направление (рис. 24, б), то такое включение называют согласным и ток I = (E1-E2)/(R1+R2+R01+R02). В некоторых случаях такое включение недопустимо, так как ток в цепи резко возрастает.

Если в электрической цепи имеются ответвления (рис. 24, в), то по отдельным ее участкам проходят различные токи I1 и I2. Согласно второму закону Кирхгофа E1-E2=I1R01+I1R1-I2R2-I2R02-I2R3+I1R4.

При составлении этого уравнения э. д. с. Е1 и ток I1 считаются положительными, так как совпадают с принятым направлением обхода контура, э. д. с. Е2 и ток I2 — отрицательными.

 

Алгебраическая сумма разностей потенциалов

Закон напряжения по Густаву Кирхгофу — второй закон этого автора, используемый для анализа электрической схемы. Вторым законом Кирхгофа утверждается, что для последовательного замкнутого контура алгебраическая сумма всех напряжений по кругу любой замкнутой цепи равна нулю. Утверждение обусловлено тем, что контур цепи является замкнутым проводящим путём, где потери энергии исключаются. Другими словами, алгебраическая сумма разностей потенциалов замкнутого контура теоретически равняется нулю:

ΣV = 0

Следует обратить внимание: под термином «алгебраическая сумма» имеется в виду учёт полярностей и признаков источников ЭДС, а также падения напряжений по кругу контура. Эта концепция закона Кирхгофа, известная как «сохранение энергии», как движение по кругу замкнутого контура или схемы, утверждает логику возврата к началу цепи и к первоначальному потенциалу без потери напряжения по всему контуру.

[stextbox id=’info’]Следовательно, любое падение напряжения по кругу контура теоретически равно потенциалу любых источников напряжения, встречающихся на этом пути. [/stextbox]

Отсюда следует вывод: применяя Второй закон Кирхгофа к определенному элементу электрической схемы, важно обращать особое внимание на алгебраические знаки падений напряжения на элементах (источниках ЭДС), иначе вычисления оборачиваются ошибкой.

Одиночный контурный элемент — резистор

Простым примером с резистором предположим — ток протекает в том же направлении, что и поток положительного заряда. В этом случае поток тока через резистор протекает от точки A до точки B. Фактически — от положительной клеммы до отрицательной клеммы. Таким образом, поскольку движение положительного заряда отмечается в направлении аналогичном направлению течения тока, на резистивном элементе зафиксируется падение потенциала, которое приведет к падению минусового потенциала на резисторе (— I * R).

Если же поток тока от точки B до точки A протекает в противоположном направлении относительно потока положительного заряда, тогда через резистивный элемент отметится рост потенциала, поскольку имеет место переход от минусового потенциала к потенциалу плюсовому, что даёт падение напряжения (+ I * R). Таким образом, чтобы правильно применить закон Кирхгофа по напряжению к электрической цепи, необходимо точно определить направление полярности. Очевидно, знак падения напряжения на резисторе зависит от направления тока, протекающего через резистор.

Направление потока тока по замкнутому контуру допустимо определять либо по часовой стрелке, либо против часовой стрелки, и любой вариант допустим к выбору. Если выбранное направление отличается от фактического направления тока, соответствие закону Кирхгофа получится корректным и действительным, но приведет к результату, когда алгебраический расчёт будет иметь знак минус. Чтобы лучше понять эту концепцию, логично рассмотреть ещё один пример с одним контуром цепи на соответствие Второму Закону Кирхгофа.

Одиночный контур электрической цепи

Второй закон Кирхгофа утверждает — алгебраическая сумма разностей потенциалов любого замкнутого контура равна нулю. Демонстрационная схема действия Второго закона Кирхгофа для замкнутого контура с двумя резисторами и одним источником ЭДС. Если принять условие, что два резистора R1 и R2 соединены последовательно, оба элемента являются частью одного контура. Соответственно, одинаковый ток протекает через каждый из резисторов.

Таким образом, падение напряжения на резисторе R1 = I * R1 и падение напряжения на резисторе R2 = I * R2, дают напряжение по Второму закону Кирхгофа:

V = I * Rs

где: Rs = R1 + R2.

Очевидно: применение Второго закона Кирхгофа к одиночному замкнутому контуру даёт формулу эквивалентного или полного сопротивления для последовательной цепи. Допустимо расширить эту формулу, чтобы найти значения падений потенциалов по кругу контура:

I = V / Rs

Vr1 = V * (R1 / R1 + R2)

Vr2 = V * (R2 / R1 + R2)

Есть три резистора номинальным сопротивлением 10, 20, 30 Ом, соответственно. Все три резистивных элемента соединены последовательно к 12-вольтовому аккумулятору.

Интересно по теме: Как проверить стабилитрон.

Требуется рассчитать:

• общее сопротивление,
• ток цепи,
• ток через каждый резистор,
• падение напряжения на каждом резисторе.

Рассчитаем общее сопротивление:

Ro = R1 + R2 + R3  =  10Ω + 20Ω + 30Ω = 60Ω

Ток цепи:

I = V / Ro = 12 / 60 = 0,2A (200 мА)

Ток через каждый резистор:

I * R1 = I * R2 = I * R3 = 0,2A (200 мА)

Падение потенциала на каждом из резисторов:

VR1 = I * R1 = 0.2 * 10 = 2В

VR2 = I * R2 = 0.2 * 20 = 4В

VR3 = I * R3 = 0.2 * 30 = 6В

Таким образом, Второй закон Кирхгофа справедлив, учитывая что индивидуальные падения напряжения, отмеченные по кругу замкнутого контура, в итоге составляют сумму напряжений.

Вывод

Теория второго закона Кирхгофа, также известного как закон сохранения потенциала, особенно полезна для работы с последовательными схемами. Последовательные схемы действуют как делители потенциала, а цепь делителя потенциала — это важный узел многих электрических (электронных) схем.

Второй закон

Для расчетов сложных электрических цепей с несколькими источниками энергии используют второй закон Кирхгофа, который может быть сформулирован так: во всяком замкнутом электрическом контуре алгебраическая сумма всех э. д. с. равна алгебраической сумме падений напряжения в сопротивлениях, включенных последовательно в эту цепь, т. е.

E₁ + E₂ + E₃ + . . . = I₁r₁ + I₂r₂ + I₃r₃ + . . .

При этом положительными следует считать э. д. с. и токи, направление которых совпадает с направлением обхода контура.
Если в электрическую цепь включены два источника энергии, э. д. с. которых совпадает по направлению (рис. 20, а), то э. д. с. всей цепи равна сумме э. д. с. этих источников, т. е. E = E₁ + E₂. Если же в цепи э. д. с. источников имеют противоположные направления, то результирующая э. д. с. равна разности э. д. с. этих источников, т. е.

E = E₁ – E₂.

Второй закон Кирхгофа.

При последовательном включении в электрическую цепь нескольких источников энергии с различным направлением э. д. с. общая э. д. с. равна алгебраической сумме э. д. с. всех источников. При суммировании э. д. с. одного направления берут со знаком плюс, а э. д. с. противоположного направления — со знаком минус. При составлении уравнений выбирают направление обхода цепи и произвольно задаются направлениями токов.

Замкнутая цепь обозначена буквами а, б, в и г. Ввиду наличия ответвлений в точках а, б, в, г токи I₁, I₂, I₃ и I₄, отличаясь по силе, могут иметь различные направления.
Для такой цепи в соответствии со вторым законом Кирхгофа можно написать:

E₁ – E₂ – E₃ = I₁(r₀₁ + r₁) – I₂(r₀₂ + r₂) – I₃(r₀₃ + r₃) + I₄r₄,

где r₀₁, r₀₂, r₀₃ — внутренние сопротивления источников энергии,
r₁, r₂, r₃, r₄ — сопротивления приемников энергии.
В частном случае при отсутствии ответвлений и последовательном соединении проводников общее сопротивление равно сумме всех сопротивлений.
Если внешняя цепь источника энергии с внутренним сопротивлением r _{состоит, например, из трех последовательно соединенных проводников с сопротивлениями, соответственно равными r1, r2, r3, то на основании второго закона Кирхгофа можно написать следующее равенство:}

E = I r _{+ I r1 + I r2 + I r3.}

При нескольких источниках тока в левой части этого равенства была бы алгебраическая сумма э. д. с. этих источников.

Заключение

Рейтинг автора

Написано статей

Более подробную информацию о законах Кирхгофа для электрической цепи Занятие по законом Кирхгофа. Если у вас остались вопросы, можно задать их в комментариях на сайте.

А также в нашей группе ВК можно задавать вопросы и получать на них подробные ответы от профессионалов. Для этого приглашаем читателей подписаться и вступить в группу. В завершение статьи хочу выразить благодарность источникам, откуда мы черпали информацию во время подготовки материала:

www.electrono.ru

www.tehinfor.ru

www.zetsila.ru

www.texnic.ru

www.zamzamstore.ru

Предыдущая

ТеорияЧто такое анод и катод, в чем их практическое применение

Следующая

ТеорияЧто такое электрический ток, виды и условия его существования

Вывод второго закона Кирхгофа

Мы можем решить простые электрические цепи, применяя закон Ома, то есть

В = IR

Для не слишком сложных цепей мы разрешаем это, используя принцип сохранения энергии или определение разности потенциалов/напряжения между двумя точками в цепи.

Мы рассчитываем сопротивление и разность потенциалов по закону Ома в простых цепях. Но на практике в реальном времени мы сталкиваемся со сложными цепями, включающими множество сопротивлений и несколько источников ЭДС. В таких случаях мы не можем легко определить эффективное сопротивление и ЭДС по закону Ома.

Густав Роберт Кирхгоф дал два правила, известные в его честь как правила Кирхгофа, для лучшего понимания цепей и их эффективного разрешения. Эти правила воплощают принцип сохранения зарядов и энергии.

Законы Кирхгофа о цепях

Прежде чем мы сформулируем эти правила, мы определим следующие термины, которые являются фундаментальными для теории цепей и необходимы в этой связи для удобного понимания электрических цепей. Цепь – это точка, в которой электрически соединены три или более проводников. Соединение также называют узлом или точкой ветвления.

Петля: Петля — это замкнутый путь в электрической цепи. Его еще называют сеткой.

Узел: Узел — это точка на схеме соединения двух или более элементов схемы. (Узел может быть или не быть узлом, но узел будет узлом. )

1-й закон Кирхгофа/Правило тока/Теорема о соединении:

Алгебраическая сумма всех токов, протекающих через любое соединение, равна нулю. или ноль.

То есть

∑I = 0

Кроме того, сумма токов, входящих в любое соединение (∑I)in, должна равняться сумме электрических токов, выходящих из этого соединения (∑I)out.

Условное обозначение: 

Токи, текущие к узлу, равны +ve. Токи, оттекающие от соединения, отрицательные, -ve.

Второе правило Кирхгофа/Правило напряжения/Теорема о контуре:

Алгебраическая сумма разности потенциалов, возникающая при обходе замкнутого контура, равна нулю.

То есть ∑V = 0

Этот закон называется правилом напряжения или теоремой о петле.

• Правила знаков: 

a. Когда мы проходим через источник в направлении – к +, ЭДС считается положительной. Когда мы перемещаемся от + к -, ЭДС отрицательна.

б. Когда мы проходим через резистор в том же направлении, что и предполагаемый ток, напряжение отрицательное, и наоборот.

Второе правило Кирхгофа/Второй закон Расчет/вывод

При применении этого правила человек начинает с точки на петле и идет по ней, чтобы снова достичь начальной или начальной точки. Это движение может быть как по часовой, так и против часовой стрелки.

Здесь при движении по петле любое встречающееся падение потенциала принимается за положительное, а любое повышение потенциала за отрицательное. Чистая сумма всех этих разностей потенциалов приведет к нулю.

На рисунке показана петля цепи ABCDEFA. Поскольку мы начинаем с А и идем по петле по часовой стрелке, чтобы достичь начальной точки А, мы получаем следующие разности потенциалов:

Va – Vb = i1R1

Vb – Vc = i2R2

Vc – Vd = -E1

Vd – Ve =i3R3

Ve – Vf = – i4R4

Vb – Va0 = E2

i1R1 + i2 R2 -E1 + i3R3 – i4R4 + E2 = 0.

Закон петли следует непосредственно, потому что электростатическая сила является консервативной силой в природе и работа, которую она совершает на любом замкнутом пути, равна нулю.

Применение законов цепей

• Законы Кирхгофа лежат в основе теории цепей и используются для расчета значений тока, разности потенциалов (напряжения) и внутреннего сопротивления в цепи постоянного тока (постоянного тока).

• Мы можем найти применение закона Кирхгофа полезным для определения номинала неизвестных резисторов в цепи, используя принцип моста Уитстона и измерительного моста.

Ограничения законов Кирхгофа

• Принцип закона Кирхгофа, то есть KCL (закон тока Кирхгофа) и KVL (закон напряжения Кирхгофа), несовместим с цепями переменного тока (AC) более высоких частот.

• Закон Кирхгофа о напряжении больше не остается согласованным в переменном магнитном поле, потому что изменяющееся магнитное поле влечет за собой изменяющееся электрическое поле (из закона Фарадея), которое для замкнутого контура является неконсервативным. Следовательно, линейный интеграл электрического поля не равен нулю, а ведет себя несовместимо с KVL или законом напряжения Кирхгофа.

Заключение

Эти фундаментальные правила теории цепей позволяют нам измерять различные электрические величины с помощью моста Уитстона, измерительного моста или потенциометра.

• Правила Кирхгофа

1. ∑I = 0 (правило соединения)

Это следует принципу сохранения заряда.

2. ∑V = 0 (правило цикла)

Это следует принципу сохранения энергии.

 

21.3 Правила Кирхгофа – физика в колледже 2e

Цели обучения

К концу этого раздела вы сможете:

• Проанализируйте сложную схему, используя правила Кирхгофа, используя соглашения для определения правильных знаков различных термов.

Многие сложные цепи, такие как показанная на рис. 21.21, не могут быть проанализированы с помощью последовательно-параллельных методов, разработанных в разделе Резисторы в последовательном и параллельном соединении и Электродвижущая сила: напряжение на клеммах. Однако есть два правила анализа цепей, которые можно использовать для анализа любой схемы, простой или сложной. Эти правила являются частными случаями законов сохранения заряда и сохранения энергии. Эти правила известны как правила Кирхгофа в честь их изобретателя Густава Кирхгофа (1824–1887).

Рисунок 21.21 Эта схема не может быть сведена к комбинации последовательного и параллельного соединений. Для его анализа можно использовать правила Кирхгофа, специальные приложения законов сохранения заряда и энергии. (Примечание: буква E на рисунке обозначает электродвижущую силу, ЭДС.)

Правила Кирхгофа

• Первое правило Кирхгофа — правило соединения. Сумма всех токов, входящих в соединение, должна равняться сумме всех токов, выходящих из соединения.
• Второе правило Кирхгофа — правило петли. Алгебраическая сумма изменений потенциала вокруг любой замкнутой цепи (петли) должна быть равна нулю.

Теперь будут даны объяснения двух правил, за которыми следуют советы по решению проблем для применения правил Кирхгофа и рабочий пример, который их использует.

Первое правило Кирхгофа

Первое правило Кирхгофа (правило соединения) представляет собой применение закона сохранения заряда к соединению; это показано на рис. 21.22. Ток — это поток заряда, а заряд сохраняется; таким образом, любой заряд, втекающий в соединение, должен вытекать наружу. Первое правило Кирхгофа требует, чтобы I1=I2+I3I1=I2+I3 (см. рисунок). Подобные уравнения могут и будут использоваться для анализа схем и решения схемных задач.

Установление связей: законы сохранения

Правила Кирхгофа для анализа цепей представляют собой применение законов сохранения к цепям. Первое правило — применение закона сохранения заряда, а второе правило — применение закона сохранения энергии. Законы сохранения, даже используемые в конкретных приложениях, таких как анализ цепей, настолько просты, что составляют основу этого приложения.

Рисунок 21.22 Правило соединения. На диаграмме показан пример первого правила Кирхгофа, где сумма токов, поступающих в соединение, равна сумме токов, выходящих из соединения. В этом случае ток, входящий в переход, разделяется и выходит в виде двух токов, так что I1=I2+I3I1=I2+I3. Здесь I1I1 должен быть 11 А, так как I2I2 равен 7 А, а I3I3 равен 4 А.

Второе правило Кирхгофа

Второе правило Кирхгофа (правило петли) является применением закона сохранения энергии. Правило цикла сформулировано в терминах потенциала VV, а не потенциальной энергии, но они связаны, поскольку PEelec=qVPEelec=qV. Напомним, что ЭДС — это разность потенциалов источника при отсутствии тока. В замкнутом контуре любая энергия, поставляемая ЭДС, должна быть переведена в другие формы устройствами в контуре, поскольку нет других способов передачи энергии в контур или из него. На рис. 21.23 показаны изменения потенциала в простой последовательной цепи.

Второе правило Кирхгофа требует, чтобы ЭДС-Ir-IR1-IR2=0ЭДС-Ir-IR1-IR2=0. Если переставить, это будет ЭДС=Ir+IR1+IR2ЭДС=Ir+IR1+IR2, что означает, что ЭДС равна сумме падений IRIR (напряжения) в контуре.

Рисунок 21.23 Правило петли. Пример второго правила Кирхгофа, согласно которому сумма изменений потенциала вокруг замкнутого контура должна быть равна нулю. (a) В этой стандартной схеме простой последовательной цепи ЭДС подает 18 В, которое сводится к нулю сопротивлениями, с 1 В на внутреннем сопротивлении и 12 В и 5 В на двух сопротивлениях нагрузки, для всего 18 В. (b) Этот вид в перспективе представляет потенциал как что-то вроде американских горок, где потенциал повышается за счет ЭДС и снижается за счет сопротивления. (Обратите внимание, что буква E означает ЭДС.)

Применение правил Кирхгофа

Применяя правила Кирхгофа, мы получаем уравнения, позволяющие находить неизвестные в цепях. Неизвестными могут быть токи, ЭДС или сопротивления. Каждый раз, когда применяется правило, создается уравнение. Если независимых уравнений столько же, сколько неизвестных, то задача решаема. При применении правил Кирхгофа вы должны принять два решения. Эти решения определяют знаки различных величин в уравнениях, которые вы получаете, применяя правила.

1. Применяя первое правило Кирхгофа, правило соединения, вы должны пометить ток в каждой ветви и решить, в каком направлении он течет. Например, на рис. 21.21, рис. 21.22 и рис. 21.23 токи обозначены I1I1, I2I2, I3I3 и II, а стрелки указывают их направления. Здесь нет никакого риска, потому что, если вы выберете неправильное направление, ток будет правильной величины, но отрицательным.
2. Применяя второе правило Кирхгофа, правило петли, вы должны определить замкнутую петлю и решить, в каком направлении ее обойти, по часовой или против часовой стрелки. Например, на рис. 21.23 петля была пройдена в том же направлении, что и ток (по часовой стрелке).
   Опять же, нет никакого риска; обход цепи в противоположном направлении меняет знак каждого члена уравнения на противоположное, что похоже на умножение обеих частей уравнения на –1,–1.

Рисунок 21.24 и следующие пункты помогут вам правильно расставить знаки плюс или минус при применении правила цикла. Обратите внимание, что резисторы и ЭДС пересекаются при переходе от a к b. Во многих схемах будет необходимо построить более одного контура. При обходе каждой петли необходимо следить за знаком изменения потенциала. (См. пример 21.5.)

Рисунок 21.24 Каждый из этих резисторов и источников напряжения проходит от a до b. Возможные изменения показаны под каждым элементом и пояснены в тексте. (Обратите внимание, что буква E означает ЭДС.)

• Когда резистор перемещается в том же направлении, что и ток, изменение потенциала составляет -IR-IR. (См. рис. 21.24.)
• Когда резистор перемещается в направлении, противоположном току, изменение потенциала составляет +IR+IR. (См. рис. 21.24.)
• Когда ЭДС перемещается от –– к + (в том же направлении, в котором движется положительный заряд), изменение потенциала составляет +ЭДС. (См. рис. 21.24.)
• Когда ЭДС перемещается от + к –– (противоположно направлению движения положительного заряда), изменение потенциала составляет −−ЭДС. (См. рис. 21.24.)

Пример 21,5

Расчет тока: использование правил Кирхгофа

Найдите токи, протекающие в цепи на рис. 21.25.

Рисунок 21.25 Эта схема аналогична схеме на рис. 21.21, но указаны сопротивления и ЭДС. (Каждая ЭДС обозначена буквой E.) Токи в каждой ветви помечены и предполагается, что они движутся в показанных направлениях. В этом примере для нахождения токов используются правила Кирхгофа.

Стратегия

Эта цепь настолько сложна, что токи нельзя найти с помощью закона Ома и последовательно-параллельных методов — необходимо использовать правила Кирхгофа. На рисунке токи обозначены I1I1, I2I2 и I3I3, и были сделаны предположения об их направлениях. Места на схеме обозначены буквами от a до h. В решении мы будем применять правила соединения и петли, ища три независимых уравнения, которые позволят нам найти три неизвестных тока.

Решение

Начнем с применения первого правила Кирхгофа или правила соединения в точке а. Это дает

I1=I2+I3,I1=I2+I3,

21,54

, поскольку I1I1 впадает в соединение, а I2I2 и I3I3 вытекают. Применение правила соединения в точке e дает точно такое же уравнение, так что никакой новой информации не получается. Это одно уравнение с тремя неизвестными — нужны три независимых уравнения, поэтому необходимо применить правило цикла.

Теперь рассмотрим цикл abcdea. Переходя от a к b, мы пересекаем R2R2 в том же (предполагаемом) направлении, что и ток I2I2, поэтому изменение потенциала равно −I2R2−I2R2. Затем, переходя от b к c, мы переходим от – к +, так что изменение потенциала равно +ЭДС1+ЭДС1. Перемещение внутреннего сопротивления r1r1 от c к d дает −I2r1−I2r1. Завершение цикла путем перехода от d к a снова проходит через резистор в том же направлении, что и его ток, что дает изменение потенциала -I1R1-I1R1.

Правило цикла гласит, что сумма изменений потенциала равна нулю. Таким образом,

-I2R2+emf1-I2r1-I1R1=-I2(R2+r1)+emf1-I1R1=0.-I2R2+emf1-I2r1-I1R1=-I2(R2+r1)+emf1-I1R1=0.

21,55

Подстановка значений сопротивления и ЭДС из принципиальной схемы и отмена единиц ампер дает

−3I2+18−6I1=0,−3I2+18−6I1=0.

21,56

Теперь, применяя правило цикла к aefgha (мы могли бы выбрать и abcdefgha), аналогичным образом получаем

+I1R1+I3R3+I3r2-ЭДС2= +I1R1+I3R3+r2-ЭДС2=0.+I1R1+I3R3+I3r2-ЭДС2= +I1R1+I3R3+r2-ЭДС2=0.

21,57

Обратите внимание, что знаки меняются местами по сравнению с другим циклом, потому что элементы перемещаются в противоположном направлении. С введенными значениями это становится

+6I1+2I3-45=0.+6I1+2I3-45=0.

21,58

Этих трех уравнений достаточно для решения трех неизвестных токов. Сначала решим второе уравнение для I2I2:

I2=6−2I1.I2=6−2I1.

21,59

Теперь решите третье уравнение для I3I3:

I3=22,5−3I1.I3=22,5−3I1.

21,60

Подстановка этих двух новых уравнений в первое позволяет найти значение I1I1:

I1=I2+I3=(6−2I1)+(22,5−3I1)=28,5−5I1.I1=I2 +I3=(6−2I1)+(22,5−3I1)=28,5−5I1.

21,61

Комбинируемые термины приведены

6i1 = 28,5, и 6i1 = 28,5 и

21,62

I1 = 4,75 A.I1 = 4,75 A.

21,63

1400140.

I2=6-2I1=6-9,50I2=6-2I1=6-9,50

21,64

I2=-3,50 A. I2=-3,50 A.

21,65

направлении, противоположном предполагаемому на рис. 21.25.

Наконец, подстановка значения I1I1 в пятое уравнение дает

21.67

Обсуждение

Просто для проверки отметим, что действительно I1=I2+I3I1=I2+I3. Результаты также можно проверить, введя все значения в уравнение для цикла abcdefgha.

Стратегии решения проблем для правил Кирхгофа

1. Убедитесь, что имеется четкая принципиальная схема, на которой вы можете отметить все известные и неизвестные сопротивления, ЭДС и токи. Если ток неизвестен, вы должны присвоить ему направление. Это необходимо для определения признаков потенциальных изменений. Если вы зададите направление неправильно, то обнаружится, что ток имеет отрицательное значение — никакого вреда не будет.
2. Примените правило соединения к любому соединению в цепи. Каждый раз, когда применяется правило соединения, вы должны получать уравнение с током, которого не было в предыдущем приложении — если нет, то уравнение избыточно.
3. Примените правило цикла к такому количеству циклов, которое необходимо для поиска неизвестных в задаче. (Независимых уравнений должно быть столько же, сколько и неизвестных.) Чтобы применить правило цикла, вы должны выбрать направление обхода цикла. Затем тщательно и последовательно определите знаки потенциальных изменений для каждого элемента, используя четыре маркированных пункта, рассмотренных выше в сочетании с рис. 21.24.
4. Решите уравнения для неизвестных. Это может включать в себя множество алгебраических шагов, требующих тщательной проверки и перепроверки.
5. Проверить разумность и последовательность ответов. Числа должны быть правильного порядка, ни чрезмерно большими, ни исчезающе малыми. Признаки должны быть разумными — например, отсутствие сопротивления не должно быть отрицательным. Убедитесь, что полученные значения удовлетворяют различным уравнениям, полученным в результате применения правил. Например, токи должны удовлетворять правилу соединения.

Теоретически материал в этом разделе верен. Мы должны быть в состоянии проверить это, произведя измерения тока и напряжения. На самом деле, некоторые из устройств, используемых для таких измерений, являются прямым применением принципов, рассмотренных до сих пор, и рассматриваются в следующих модулях. Как мы увидим, отсюда вытекает очень простой, даже глубокий факт: проведение измерения изменяет измеряемую величину.

Проверьте свое понимание

Можно ли применять правила Кирхгофа к простым последовательным и параллельным цепям, или они ограничены для использования в более сложных цепях, которые не являются комбинацией последовательных и параллельных?

Решение

Правила Кирхгофа можно применить к любой схеме, поскольку они являются приложениями к схемам двух законов сохранения. Законы сохранения являются наиболее широко применимыми принципами в физике. Обычно математически проще использовать правила для последовательной и параллельной схемы в более простых схемах, поэтому мы подчеркиваем правила Кирхгофа для использования в более сложных ситуациях.