Всем токам, направленным от узла , в уравнении (2.1) приписывается одинаковый знак, например, положительный , тогда все токи, направленные к узлу , войдут в уравнение с отрицательным знаком.
Рисунок 2.1 – Иллюстрация к первому закону Кирхгофа На рисунке 2.1 показан узел, в котором сходятся четыре ветви. Уравнение (2.1) в этом случае принимает вид: − I 1 − I 2 + I 3 + I 4 = 0 , Первый закон Кирхгофа отражает тот факт, что в узле электрический заряд не накапливается и не расходуется. Сумма электрических зарядов, приходящих к узлу, равна сумме зарядов, уходящих от узла за один и тот же промежуток времени.
2.2 Второй закон Кирхгофа.
Алгебраическая сумма ЭДС в любом контуре цепи равна алгебраи-
| ческой сумме напряжений на элементах этого контура: | |
| ∑ E = ∑ U . | (2.2) |
| Если в рассматриваемом контуре отсутствуют ЭДС, то уравнение | |
| (2.2) принимает вид: | |
| ∑ U = 0 . | (2.3) |
Обход контура совершается в произвольно выбранном направлении. При этом ЭДС и напряжения, совпадающие с направлением обхода, берутся с одинаковыми знаками, например, со знаками «+». Например, для схемы (рисунок 2.2) имеем: E 1 − E 2 = U 1 + U 2 + U 3 − U 4 Второй закон Кирхгофа можно применять и для контуров, которые состоят не только из участков схемы, но и из напряжений между какимилибо точками схемы. Так для контура 4-5-3-6-4, состоящего из участка цепи 4-5-3 и напряжения 4-6-3, можно составить уравнение: E 2 = − I 3 R 3 − U 43 где U 43 – напряжение между точками 4 и 3 схемы, В. U 1
| Е 1 | I 1 | R 1 2 |
| 1 | I 2 | |
| R 4 | ||
| направление | U 2 | |
| U 4 | ||
| обхода | R 2 | |
| I 4 | 5 | |
| 3 | ||
| 4 I 3 | Е 2 | R 3 |
| 6 | U 3 | |
| U 43 | ||
Рисунок 2.2 – Иллюстрация ко второму закону Кирхгофа 2.3 Распределение потенциала вдоль электрической цепи Рассмотрим неразветвленную электрическую цепь постоянного тока (ЭЦПТ), содержащую резисторы с сопротивлениями R и источниками ЭДС E (рисунок 2.3). Примем потенциал одной из точек ЭЦПТ равным нулю ϕ 0 = 0. Тогда можем найти потенциалы остальных точек схемы при известных значениях силы тока I , ЭДС E 1 , E 2 , E 3 и сопротивлений R 1 , R 2 , R 3 :
| ϕ 1 = ϕ 0 + E 1 | |||||
| ϕ | 2 | = ϕ | 1 | − IR | |
| 1 | |||||
| ϕ 3 | = ϕ 2 | − E 2 | (2.4) | ||
| ϕ 4 | = ϕ 3 | ||||
| − IR 2 | |||||
| ϕ 5 | = ϕ 4 + E 3 | ||||
| ϕ 0 = ϕ 5 | |||||
| − IR 3 | |||||
График изменения потенциала в соответствии с формулами (2.4) представлен на рисунке 2.3, б. Этот график служит графической иллюстрацией второго закона Кирхгофа.
Второй закон Кирхгофа
| Е 1 | 1 R 1 | 2 Е 2 | 3 R 2 | 4 Е 3 | 5 | R 3 |
| ϕ 1 U R 1 | ϕ 2 | ϕ 3 U R 2 | ϕ 4 | ϕ 5 U R 3 | ||
| 0 | I | |||||
| ϕ | а) | |||||
| ϕ 5 | ||||||
| ϕ 1 | ϕ 2 | |||||
| Е 1 | Е | Е | ||||
| 2 | 3 | |||||
| 0 | 0 | |||||
| ϕ 3 | R | |||||
| ϕ | R 3 | |||||
| R 1 | R 2 | |||||
| 4 | ||||||
б) Рисунок 2.3 – Схема ЭЦПТ (а) и график изменения потенциала (б) вдоль этой цепи 2.4 Последовательное и параллельное соединения резистивных элементов
Первый закон Кирхгофа
Формулировка №1: Сумма всех токов, втекающих в узел, равна сумме всех токов, вытекающих из узла.
Формулировка №2: Алгебраическая сумма всех токов в узле равна нулю.
Поясню первый закон Кирхгофа на примере рисунка 2.
Рисунок 2. Узел электрической цепи.
Здесь ток I1 — ток, втекающий в узел , а токи I2 и I3 — токи, вытекающие из узла. Тогда применяя формулировку №1, можно записать:
Что бы подтвердить справедливость формулировки №2, перенесем токи I2 и I 3 в левую часть выражения (1), тем самым получим:
Знаки «минус» в выражении (2) и означают, что токи вытекают из узла.
Знаки для втекающих и вытекающих токов можно брать произвольно, однако в основном всегда втекающие токи берут со знаком «+», а вытекающие со знаком «-» (например как получилось в выражении (2)).
Можно посмотреть отдельный видеоурок по первому закону Кирхофа в разделе ВИДЕОУРОКИ.
Второй закон Кирхгофа.
Формулировка: Алгебраическая сумма ЭДС, действующих в замкнутом контуре, равна алгебраической сумме падений напряжения на всех резистивных элементах в этом контуре.
Здесь термин «алгебраическая сумма» означает, что как величина ЭДС так и величина падения напряжения на элементах может быть как со знаком «+» так и со знаком «-». При этом определить знак можно по следующему алгоритму:
1. Выбираем направление обхода контура (два варианта либо по часовой, либо против).
2. Произвольно выбираем направление токов через элементы цепи.
3. Расставляем знаки для ЭДС и напряжений, падающих на элементах по правилам:
— ЭДС, создающие ток в контуре, направление которого совпадает с направление обхода контура записываются со знаком «+», в противном случае ЭДС записываются со знаком «-».
— напряжения, падающие на элементах цепи записываются со знаком «+», если ток, протекающий через эти элементы совпадает по направлению с обходом контура, в противном случае напряжения записываются со знаком «-».
Например, рассмотрим цепь, представленную на рисунке 3, и запишем выражение согласно второму закону Кирхгофа, обходя контур по часовой стрелке, и выбрав направление токов через резисторы, как показано на рисунке.
Рисунок 3. Электрическая цепь, для пояснения второго закона Кирхгофа.
Предлагаю посмотреть отдельный видеоурок по второму закону Кирхогфа (теория).
Определение второго закона Кирхгофа
Второй закон Кирхгофа, также известный как закон о законах узлов или закон о законах токов, является одним из основных законов электрических цепей. Он устанавливает, что сумма токов, втекающих в узел, равна сумме токов, вытекающих из узла.
Формально, второй закон Кирхгофа можно записать следующим образом:
Сумма всех токов, втекающих в узел, равна сумме всех токов, вытекающих из узла:
где ∑ обозначает сумму, Iвтек – ток, втекающий в узел, и Iвытек – ток, вытекающий из узла.
Второй закон Кирхгофа основан на законе сохранения заряда, который утверждает, что заряд не может создаваться или исчезать внутри электрической цепи. Таким образом, сумма токов, втекающих в узел, должна быть равна сумме токов, вытекающих из узла, чтобы сохранить баланс заряда.
Формулировка второго закона Кирхгофа
Второй закон Кирхгофа, также известный как закон о балансе токов в узле, утверждает, что сумма токов, втекающих в узел, должна быть равна сумме токов, вытекающих из узла.
Формально, второй закон Кирхгофа может быть сформулирован следующим образом:
где ∑ обозначает сумму, Iвтек – ток, втекающий в узел, и Iвытек – ток, вытекающий из узла.
Этот закон основан на законе сохранения заряда, который утверждает, что заряд не может создаваться или исчезать внутри электрической цепи. Таким образом, сумма токов, втекающих в узел, должна быть равна сумме токов, вытекающих из узла, чтобы сохранить баланс заряда.
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 – сумма токов сходящихся в узле равна нулю.
Давайте разбираться. Узел это точка, соединяющая ветви. Ветвью называется участок цепи между узлами. На рисунке видно, что ток i входит в узел, а из узла выходят токи i 1 и i 2 . Составляем выражение по первому закона Кирхгофа, учитывая, что токи, входящие в узел имеют знак плюс, а токи, исходящие из узла имеют знак минус i-i 1 -i 2 =0. Ток i как бы растекается на два тока поменьше и равен сумме токов i 1 и i 2 i=i 1 +i 2 . Но если бы, например, ток i 2 входил в узел, тогда бы ток I определялся как i=i 1 -i 2 . Важно учитывать знаки при составлении уравнения.
Первый закон Кирхгофа это следствие закона сохранения электричества: заряд, приходящий к узлу за некоторый промежуток времени, равен заряду, уходящему за этот же интервал времени от узла, т.е. электрический заряд в узле не накапливается и не исчезает.
Второй закон Кирхгофа – алгебраическая сумма ЭДС, действующая в замкнутом контуре, равна алгебраической сумме падений напряжения в этом контуре.
Напряжение выражено как произведение тока на сопротивление (по закону Ома).
В этом законе тоже существуют свои правила по применению. Для начала нужно задать стрелкой направление обхода контура. Затем просуммировать ЭДС и напряжения соответственно, беря со знаком плюс, если величина совпадает с направлением обхода и минус, если не совпадает. Составим уравнение по второму закону Кирхгофа, для нашей схемы. Смотрим на нашу стрелку, E2 и Е3 совпадают с ней по направлению, значит знак плюс, а Е1 направлено в противоположную сторону, значит знак минус. Теперь смотрим на напряжения, ток I1 совпадает по направлению со стрелкой, а токи I2 и I3 направлены противоположно. Следовательно:
На основании законов Кирхгофа составлены методы анализа цепей переменного синусоидального тока. Метод контурных токов – метод основанный на применении второго закона Кирхгофа и метод узловых потенциалов основанный на применении первого закона Кирхгофа.
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.
Второй закон Кирхгофа — практическое применение
На практике второй закон Кирхгофа применяется успешно для расчета электрических цепей. Благодаря его разъяснению можно рассчитать необходимые параметры в сложных электрических цепях. Когда присутствует необходимость рассчитать значение тока и/или направление всегда выручит второй закон Кирхгофа. Невзирая на то, что правила Кирхгофа были сформулированы в далеком 1845 году, они показали себя как рабочие и не вызывают вопросы ни у кого. Теория электрических цепей была бы неполной без наличия этих законов, которые так хорошо подходят для решения различных уравнений в этой области.
Если материал был полезен, вы можете отправить донат или поделиться данным материалом в социальных сетях:
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:
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
#2. Найдите ток i
i = I1 + I2 — I3 − I4 + I5
i = I1 + I2 + I3 − I4 + I5
i = I1 — I2 — I3 + I4 + I5
Результат
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.
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).
- I1 − I2 + I3 = 0;
- -5 − (-2) +3 = 0;
- -I1 + I2 + I3 = 0;
- -5 + 2 +3 = 0.
Закон Кирхгофа для магнитной цепи
Применение независимых уравнений возможно и при расчётах магнитных цепей. Сформулированные выше правила Кирхгофа справедливы и для вычисления параметров магнитных потоков и намагничивающих сил.
То есть, для магнитных потоков первое правило Кирхгофа можно выразить словами: «Алгебраическая сумма всевозможных магнитных потоков относительно узла магнитной цепи равняется нулю.
Сформулируем второе правило для намагничивающих сил F: «В замкнутом магнитном контуре алгебраическая сумма намагничивающих сил приравнивается к сумме магнитных напряжений». Данное утверждение выражается формулой: ∑F=∑U или ∑Iω = ∑НL, где ω – количество витков, H – напряжённость магнитного поля, символ L обозначает длину средней линии магнитопровода. ( Условно принимается, что каждая точка этой линии совпадает с линиями магнитной индукции).
Второе правило, применяемое для вычисления магнитных цепей, есть не что иное, как альтернативная форма представления закона полного тока.
Примечание: Составляя уравнения с использованием формул, вытекающих из правил Кирхгофа, надо прежде определиться с положительным направлением потоков, функционирующих в ветвях, сопоставив их с направлением обходов существующих контуров.
При совпадении векторов магнитного потока с направлениями обхода (на некоторых участках), падение напряжения на этих ветвях берём со знаком « + », а встречные ему – со знаком « – ».
Примеры расчета цепей
Рассмотрим ещё раз рисунок 3. На нём изображено 4 разнонаправленных вектора: i1, i2, i3, i4. Из них – два входящие ( i2, i3) и два исходящие из узла (i1, i4). Положительными будем считать те векторы, которые направлены в точку соединения ветвей, а остальные – отрицательными.
Тогда, по формуле Кирхгофа, составим уравнение и запишем его в следующем виде: – i1 + i2 + i3 – i4 = 0.
На практике такие узлы являются частью контуров, обходя которые можно составить ещё несколько линейных уравнений с этими же неизвестными. Количество уравнений всегда достаточно для решения задачи.
Рассмотрим алгоритм решения на примере рис. 5.
Схема содержит 3 ветви и два узла, которые образуют три пары по два независимых контура:
Запишем независимое уравнение, выполняющееся, например, в точке а. Из первого правила Кирхгофа вытекает: I1 + I2 – I3 = 0.
Воспользуемся вторым правилом Кирхгофа. Для составления уравнений можно выбрать любой из контуров, но нам необходимы контуры с узлом а, так как для него мы уже составили уравнение. Это будут контуры 1 и 2.
Пишем уравнения:
Решаем систему уравнений:
Так как значения R и E известны (см. рисунок 5), мы придём к системе уравнений:
Решая эту систему, получим:
- I1 = 1,36 (значения в миллиамперах).
- I2 = 2,19 мА.;
- I3 = 3,55 мА.
Потенциал узла а равен: Ua = I3*R3 = 3,55 × 3 = 10,65 В. Чтобы убедиться в верности наших расчётов, проверим выполнение второго правила по отношению к контуру 3:
E1 – E2 + I1R1+ I2R2 = 12 – 15 + 1,36 – 4,38 = – 0,02 ≈ 0 (с учётом погрешностей, связанных с округлениями чисел при вычислениях).
Если проверка выполнения второго правила успешно завершена, то расчёты сделаны правильно, а полученные данные являются достоверными.
Применяя правила (законы) Кирхгофа можно вычислять параметры электрической энергии для магнитных цепей.
