Глава 3 Законы Кирхгофа

Законы Кирхгофа являются фундаментальными в электротехнике и позволяют применять их в любой схеме – для постоянного или переменного тока. Законы эти непосредственно следуют из закона сохранения энергии.

Первый закон Кирхгофа (закон для узлов)

В узле электрической цепи арифметическая сумма токов равна нулю.

При этом втекающие токи считаются с одним знаком, а вытекающие – с другим.

Часто закон формулируется так: в узле сумма втекающих токов равна сумме вытекающих.

Например, - на рисунке 1.19:

I₁+ I₂+ I₃+ I₄= 0

(cчитаем положительным направление от узла)

Или:

I₁+ I₃+ I₄= I₂

Напоминание – каждый ток может быть положи-тельным или отрицательным. Если все токи втекают, значит, какие-то из них отрицательны.

Интересно, что этот закон может быть применён не только для узла, как обычно принято, но и для плоскости и даже в пространстве.

Например, если схему пересечь линией, то сумма токов с одной стороны равна сумме токов с другой стороны. Таким же образом можно пересечь плоскостью 3-мерную схему – закон действует и тут.

Второй закон Кирхгофа (закон для контуров)

В контуре электрической цепи алгебраическая сумма ЭДС равна алгебраической сумме падений напряжений.

∑Е = ∑IR

Рассмотрим пример, поясняющий этот закон, для контура на рисунке 1.20.

Выберем произвольно направления токов.

Выбираем направление обхода контура, например, - по часовой стрелке.

Если направление ЭДС совпадает с направлением обхода контура, - то ЭДС записывается со знаком «+», если же противоположно – со знаком «-».

Аналогично: если направление тока совпадает с направлением обхода контура, то падение напряжения IR берётся со знаком «плюс», если противоположно – со знаком «минус».

Таким образом, для данного примера:

Е₁ - Е₂ = I₁R₁ + I₃R₃ - I₄R₄ - I₂R₂

Расчёт электрических цепей с помощью

законов Кирхгофа

Как было сказано, при помощи законов Кирхгофа можно рассчитать любую цепь, никаких ограничений на законы Кирхгофа нет, они действуют во всех случаях без исключения.

Рассмотрим пример (рисунок 1.21) – определить все токи в схеме при известных сопротивлениях и параметрах источников энергии. Схема достаточно сложна, чтобы рассчитывать её, к примеру, методом наложения.

З адача решается путём составления системы линей-ных уравнений по законам Кирхгофа и её решения.

Так как в схеме неизвестных семь токов, т. е. семь неизвестных (ток источника J задан), то необходимо составить семь уравнений. Причём, уравнения должны быть независимы, что известно из курса математики.

Составляем уравнения по первому закону Кирхгофа. В схеме пять узлов, следовательно, можно составить пять уравнений.

I₁ - I₂ - I₆ = 0

-I₁ + I₃ + I₄ = 0

I₂ - I₃ + I₅ = 0

-I₄ + I₇ + J = 0

I₅ - I₆ + I₇ + J = 0

Однако, одно из уравнений не является независи-мым и может быть получено линейной комбинацией других. Таким образом, по первому закону Кирхгофа можно составить четыре уравнения.

В общем случае: если число узлов равно q, то по первому закону Кирхгофа можно составить (q-1) уравнения.

В данном случае можно исключить любое уравне-ние по своему усмотрению. Например, последнее уравне-ние содержит 4 переменные и является более сложным.

Остальные три уравнения нужно составить по второму закону Кирхгофа.

Данная схема имеет 12 контуров (убедитесь в этом). Из составленных 12 уравнений только три будут незави-симыми. Какие уравнения выбрать? Следует использо-вать такие правила:

- Для ветвей, содержащих источники тока, уравнения не составляются (таким образом, для составления уравнений осталось 7 контуров);

- В независимые контура должны войти все ветви схемы;

- В каждый новый контур (в каждое новое уравнение) должна войти хотя бы одна новая ветвь;

Первое время это кажется не совсем понятным, но на практике контура обычно выбираются в виде «ячеек», т. е. контуров, не содержащих внутри себя ветвей. На рисунке 21 они показаны числами 1, 2, 3.

Выбираем произвольно направления обхода каждого контура (в данном примере – все против часовой стрелки) и записываем уравнения.

Е₁ + Е₃ = I₁R₁ + I₂R₂ + I₃R₃

Е₄ = -I₃R₃ + I₄R₄ - I₅R₅+ I₇R₇

Е₂ - Е₃ = - I₂R₂ + I₅R₅ + I₆R₆

Таким образом, получаем систему из 7 уравнений:

При правильном составлении уравнений, в любом случае число независимых уравнений будет равно числу неизвестных токов, точнее: числу неизвестных величин, т. к., в принципе, в задании могут быть неизвестными другие величины – сопротивления или напряжения.