Лекция
«Законы Кирхгофа и их применение для расчета электрических цепей»
1. Первый закон Кирхгофа
2. Второй закон Кирхгофа
3. Расчет сложных цепей с помощью уравнений Кирхгофа
Первый закон Кирхгофа
Алгебраическая сумма токов в ветвях, сходящихся к любому узлу электрической цепи, тождественно равна нулю. Согласно этому закону, если к некоторому узлу цепи подсоединено n ветвей с токами i 1, i 2 ,..., i n, то в любой момент времени
,
где 
, если направление тока положительно и ориентировано от узла (ток выходит из узла), или 
, если ток входит в узел. Таким образом, любому узлу цепи соответствует уравнение, связывающее токи в ветвях цепи, соединенных с данным узлом.
В качестве примера приведем схему на рисунке 1.
Рис.1.
В соответствии с первым законом Кирхгофа:
Общее число уравнений, которое можно составить по первому закону Кирхгофа для цепи, равно числу узлов цепи 
.
Так, для четырех узлов графа (рисунок 2) можно составить следующие четыре уравнения:
Рис.2.
узел 1: 
,
узел 2: 
,
узел 3: 
,
узел 4: 
.
Первый закон Кирхгофа часто называют законом Кирхгофа для токов и сокращенно в тексте обозначают ЗКТ.
Число независимых уравнений равно трем, так как любое из этих уравнений отличается от суммы трех остальных только знаком. Итак, если цепь содержит 
узлов, то для неё можно составить по первому закону Кирхгофа 
независимых уравнений. Совокупность из N узлов цепи, уравнения для которых образуют систему линейно независимых уравнений, называют совокупностью независимых узлов цепи.
Примеры на применение первого закона Кирхгофа. Параллельное соединение элементов
В качестве примера на применение первого закона Кирхгофа рассмотрим параллельное соединение нескольких элементов активных сопротивлений, конденсаторов, катушек индуктивности.
|
|
Особенностью параллельного соединения нескольких элементов является равенство напряжений, приложенных к зажимам любого из элементов, входящих в соединение. Цепь при таком соединении характеризуется только одним независимым узлом.
Пусть параллельно соединены n элементов активного сопротивления. Если выбрать направления отчетов токов в элементах такими как это показано на рисунке 3, то согласно первому закону Кирхгоффа при параллельном соединении элементов запишем:
 |
|
;
учитывая, что 
, имеем 
,
где 
.
Зависимость 
не отличается от зависимости между напряжением на зажимах и током в элементе активного сопротивления с проводимостью G. Следовательно, цепь, составленная из нескольких сопротивлении, включенных параллельно, может быть заменена одним активным сопротивлением, при этом проводимость эквивалентного элемента равна сумме проводимостей элементов, входящих в соединение.
При параллельном соединении конденсаторов (рисунок 4) ток ветви можно определить по формуле: 
.
 |
Рис.4.
Для вычисления общего тока необходимо просуммировать токи ветвей:
,
где 
..
Таким образом, при параллельном соединении нескольких конденсаторов эквивалентная ёмкость равна сумме емкостей, входящих в соединение.
В случае параллельного соединения катушек индуктивностей (рисунок 5) ток каждой из ветвей равен: 
.
 |
Рис.5.
|
|
Уравнение для вычисления общего тока имеет вид:
.
Следовательно 
, то есть 
.
Это означает, что значение эквивалентной индуктивности будит меньше наименьшего из значений соединённых параллельно индуктивностей.
Второй закон Кирхгофа
Второй закон Кирхгофа формулируется следующим образом: алгебраическая сумма напряжений ветвей в любом контуре цепи тождественно равна нулю. Для замкнутого контура, изображённого на рисунке 6, можно записать соотношение:
.
 |
Рис.6.
В соответствии со вторым законом Кирхгофа при обходе контура по часовой стрелке справедливо соотношение:
.
Изменение направления обхода эквивалентно изменению знаков напряжений на противоположные (умножению на минус единицу).
Например, для приведённой на рисунке цепи, в соответствии с первым закон ом выполняются следующие соотношения:
Обратите внимание, что для каждого узла должно быть выбрано положительное направление, например здесь, токи, втекающие в узел, считаются положительными, а вытекающие — отрицательными.
В соответствии со вторым законом, справедливы соотношения:
