§ 101. Правила Кирхгофа для разветвленных цепей

Обобщенный закон Ома (см. (100.3)) позволяет рассчитать практически любую слож­ную цепь. Однако непосредственный расчет разветвленных цепей, содержащих несколь­ко замкнутых контуров (контуры могут иметь общие участки, каждый из контуров может иметь несколько источников тока и т. д.), довольно сложен. Эта задача решает­ся более просто с помощью двухправилКирхгофа.*

*Г. Кирхгоф (1824—1887) — немецкий физик.

Любая точка разветвления цепи, в которой сходится не менее трех проводников с током, называется узлом. При этом ток, входящий в узел, считается положительным, а ток, выходящий из узла, — отрицательным.

Первое правило Кирхгофа:алгебраическая сумма токов, сходящихся в узле, равна нулю:

Например, для рис. 148 первое правило Кирхгофа запишется так:

Первое правило Кирхгофа вытекает из закона сохранения электрического заряда. Действительно, в случае установившегося постоянного тока ни в одной точке провод­ника и ни на одном его участке не должны накапливаться электрические заряды. В противном случае токи не могли бы оставаться постоянными.

Второе правило Кирхгофа получается из обобщенного закона Ома для разветвлен­ных цепей. Рассмотрим контур, состоящий из трех участков (рис. 149). Направление обхода по часовой стрелке примем за положительное, отметив, что выбор этого направления совершенно произволен. Все токи, совпадающие по направлению с напра­влением обхода контура, считаются положительными, не совпадающие с направлением обхода — отрицательными. Источники тока считаются положительными, если они создают ток, направленный в сторону обхода контура. Применяя к участкам закон Ома (100.3), можно записать:

Складывая почленно эти уравнения, получим

(101.1)

Уравнение (101.1) выражает второе правило Кирхгофа: в любом замкнутом контуре, произвольно выбранном в разветвленной электрической цепи, алгебраическая сумма произведений сил токовI_iна сопротивления R_iсоответствующих участков этого контура равна алгебраической сумме э.д.с. , встречающихся в этом контуре:

(101.2)

При расчете сложных цепей постоянного тока с применением правил Кирхгофа необходимо:

1. Выбрать произвольноенаправление токов на всех участках цепи; действительное направление токов определяется при решении задачи: если искомый ток получится положительным, то его направление было выбрано правильно, отрицательным — его истинное направление противоположно выбранному.

2. Выбрать направление обхода контура и строго его придерживаться; произведе­ние IRположительно, если ток на данном участке совпадает с направлением обхода, и, наоборот, э.д.с., действующие по выбранному направлению обхода, считаются поло­жительными, против — отрицательными.

3. Составить столько уравнений, чтобы их число было равно числу искомых величин (в систему уравнений должны входить все сопротивления и э.д.с. рассматрива­емой цепи); каждый рассматриваемый контур должен содержать хотя бы один элемент, не содержащийся в предыдущих контурах, иначе получатся уравнения, являющиеся простой комбинацией уже составленных.

В качестве примера использования правил Кирхгофа рассмотрим схему (рис. 150) измеритель­ного моста Уитстона.* Сопротивления R₁, R₂, R₃ и R₄образуют его «плечи». Между точкамиА и Вмоста включена батарея с э.д.с. и сопротивлениемr, между точкамиСи Dвключен гальванометр с сопротивлениемR_G. Для узловА, В и С,применяя первое правило Кирхгофа, получим

(101.3)

Для контуров АСВA, ACDAи CBDC,согласно второму правилу Кирхгофа, можно записать:

(101.4)

* Ч. Уитстон (1802—1875) — английский физик.

Если известны все сопротивления и э.д.с., то, решая полученные шесть уравнений, можно найти неизвестные токи. Изменяя известные сопротивления R₂, R₃и R₄,можно добиться того, чтобы ток через гальванометр был равен нулю (I_G = 0). Тогда из (101.3) найдем

(101.5)

а из (101.4) получим

(101.6)

Из (101.5) и (101.6) вытекает, что

(101.7)

Таким образом, в случае равновесного моста (I_G = 0) при определении искомого сопротивленияR₁э.д.с. батареи, сопротивления батареи и гальванометра роли не играют.

На практике обычно используется реохордный мост Уитстона(рис. 151), где сопротивле­ния R₃ и R₄представляют собой длинную однородную проволоку (реохорд) с большим удельным сопротивлением, так что отношениеR₃/R₄можно заменить отношениемl₃/l₄. Тогда, используя выражение (101.7), можно записать

(101.8)

Длины l₃иl₄легко измеряются по шкале, a R₂всегда известно. Поэтому уравнение (101.8) позволяет определить неизвестное сопротивление R₁.

Задачи

12.1.По медному проводнику сечением 1 мм²течет ток; сила тока 1 А. Определить среднюю скорость упорядоченного движения электронов вдоль проводника, предполагая, что на каждый атом меди приходится один свободный электрон. Плотность меди 8,9 г/см³. [74 мкм/с]

12.2.Определить, во сколько раз возрастет сила тока, проходящего через платиновую печь, если при постоянном напряжении на зажимах ее температура повышается отt₁=20°Cдоt₂=1200°С. Температурный коэффициент сопротивления платины принять равным 3,6510^–3К^–1. [В 5 раз]

12.3.По медному проводу сечением 0,3 мм²течет ток 0,3 А. Определить силу, действую­щую на отдельные свободные электроны со стороны электрического поля. Удельное сопротивление меди 17 нОмм. [2,7210^–21Н]

12.4.Сила тока в проводнике сопротивлением 10 Ом равномерно убывает отI₀=3 А до I=0 за 30 с. Определить выделившееся за это время в проводнике количество теплоты. [900 Дж].

12.5.Плотность электрического тока в алюминиевом проводе равна 5 А/см². Определить удель­ную тепловую мощность тока, если удельное сопротивление алюминия 26 нОмм. [66 Дж/(м³с)]

12.6.Определить внутреннее сопротивлениеrисточника тока, если во внешней цепи при силе тока I₁=5А выделяется мощность P₁=10Вт, а при силе токаI₂=8А — мощностьP₂=12 Вт. [0,17 Ом]

12.7.Три источника тока с э.д.с. E₁=1,8В,E₂=1,4 В иE₃=1,1 В соединены накоротко одно­именными полюсами. Внутреннее сопротивление первого источника r₁=0,4Ом, второ­го —r₂=0,6Ом. Определить внутреннее сопротивление третьего источника, если через первый источник идет токI₁=1,13 A.[0,2 Ом]