Правила Кирхгофа для разветвленных цепей

Практическая самостоятельная работа

Рисунок 1. Узел электрической цепи. I₁, I₂ > 0; I₃, I₄ < 0

Для упрощения расчетов сложных электрических цепей, содержащих неоднородные участки, используются правила Кирхгофа, которые являются обобщением закона Ома на случай разветвленных цепей.

В разветвленных цепях можно выделить узловые точки (узлы), в которых сходятся не менее трех проводников (рис.1). Токи, втекающие в узел, принято считать положительными; вытекающие из узла – отрицательными.

В узлах цепи постоянного тока не может происходить накопление зарядов. Отсюда следует первое правило Кирхгофа:

Алгебраическая сумма сил токов для каждого узла в разветвленной цепи равна нулю:

I ₁ + I ₂ + I ₃ +... + In = 0.

Первое правило Кирхгофа является следствием закона сохранения электрического заряда.

В разветвленной цепи всегда можно выделить некоторое количество замкнутых путей, состоящих из однородных и неоднородных участков. Такие замкнутые пути называются контурами. На разных участках выделенного контура могут протекать различные токи. На рис.2 представлен простой пример разветвленной цепи. Цепь содержит два узла a и d, в которых сходятся одинаковые токи; поэтому только один из узлов является независимым (a или d).

Рисунок 2. Пример разветвленной электрической цепи. Цепь содержит один независимый узел (a или d) и два независимых контура (например, abcd и adef)

В цепи можно выделить три контура abcd, adef и abcdef. Из них только два являются независимыми (например, abcd и adef), так как третий не содержит никаких новых участков.

Второе правило Кирхгофа является следствием обобщенного закона Ома. Запишем обобщенный закон Ома для участков, составляющих один из контуров цепи, изображенной на рис.2, например, abcd. Для этого на каждом участке нужно задать положительное направление тока и положительное направление обхода контура. При записи обобщенного закона Ома для каждого из участков необходимо соблюдать определенные «правила знаков», которые поясняются на рис.3

Для участков контура abcd обобщенный закон Ома записывается в виде:

Для участка bc: I₁R₁ = Δφbc – 1.

Для участка da: I₂R₂ = Δφda – 2.

Складывая левые и правые части этих равенств и принимая во внимание, что Δφbc = – Δφda, получим:

I 1 R 1 + I 2 R 2 = Δφ bc + Δφ da – 1 + 2 = – 1 – 2.

Аналогично, для контура adef можно записать: – I ₂ R ₂ + I ₃ R ₃ = ₂ + ₃.

Рисунок 3. «Правила знаков»

Второе правило Кирхгофа можно сформулировать так: алгебраическая сумма произведений сопротивления каждого из участков любого замкнутого контура разветвленной цепи постоянного тока на силу тока на этом участке равна алгебраической сумме ЭДС вдоль этого контура.

Первое и второе правила Кирхгофа, записанные для всех независимых узлов и контуров разветвленной цепи, дают в совокупности необходимое и достаточное число алгебраических уравнений для расчета значений напряжений и сил токов в электрической цепи. Для цепи, изображенной на рис. 2, система уравнений для определения трех неизвестных токов I₁, I₂ и I₃ имеет вид:

I 1 R 1 + I 2 R 2 = – 1 – 2,

– I 2 R 2 + I 3 R 3 = 2 + 3,

– I 1 + I 2 + I 3 = 0.

Таким образом, правила Кирхгофа сводят расчет разветвленной электрической цепи к решению системы линейных алгебраических уравнений. Это решение не вызывает принципиальных затруднений, однако, бывает весьма громоздким даже в случае достаточно простых цепей. Если в результате решения сила тока на каком-то участке оказывается отрицательной, то это означает, что ток на этом участке идет в направлении, противоположном выбранному положительному направлению.

Задачи

Пример №1. Определить силу токов, текущих в ветвях, если e₁ = 1 В, e₂ = 2 В, e₃ = 3 В, r₁ = 1 Ом, r₂ = 0,5 Ом, r₃ = Ом, R₄ = 1 Ом, R₅ = Ом.

Дано:	Решение:
e1 = 1 В e2 = 2 В e3 = 3 В r1 = 1 Ом r2 = 0,5 Ом r3 = Ом R4 = 1 Ом R5 = Ом
I1 -?; I2 -?; I3 -?

Пример №2. В схеме представленной на рисунке e₁ = 2,1 В, e₂ = 1,9 В, R₁ = 45 Ом, R₂ = 10 Ом, R₃ = 10 Ом. Найти силу тока во всех участках цепи. Внутренним сопротивлением элементов пренебречь.

Дано:	Решение:
e1 = 2,1 В e2 = 1,9 В R1 = 45 Ом R2 = 10 Ом R3 = 10 Ом
I1 -?; I2 -?; I3 -?

Задача 3

Дана схема, и известны сопротивления резисторов и ЭДС источников. Требуется найти токи в ветвях, используя законы Кирхгофа.

Задача 4

Зная сопротивления резисторов и ЭДС трех источников найти ЭДС четвертого и токи в ветвях.