Закон Ома

Закон Ома для участка цепи, не содержащего источника ЭДС (рис. 1.4), устанавливает связь между напряжением и током этого участка и может быть записан в виде:

или ,

гдеR- коэффициент пропорциональности между напряжением и током на участке ab.

Ток в сопротивлении направлен от точки с большим потенциалом к точке с меньшим потенциалом. Положительное направление напряжения на сопротивлении всегда совпадает по направлению с током.

Напряжение U_ab между двумя точками равно разности потенциалов этих точек: .

Тогда на основании закона Ома можно сделать следующие записи: ;;.

Определим ток на участке цепи, содержащей несколько элементов (рис. 1.5). Для этого выразим значение потенциала точки а относительно потенциала точки b. Примем потенциал точки b равным нулю и последовательно определим потенциалы всех остальных точек участка.

При переходе от точки b к точке d через сопротивление r_вн потенциал увеличивается на величину напряжения на этом участке, так как ток течет от точки с большим потенциалом к точке с меньшим потенциалом: .

Потенциал точки с меньше потенциала точки d на величину ЭДС Е, так как ЭДС всегда направлена в сторону высокого потенциала независимо от направления тока: .

При переходе от точки с к точке а через сопротивление R потенциал увеличивается на величину напряжения на этом сопротивлении, так как мы движемся против тока:

Определим значение потенциала точка а через потенциал точки b: .

Выразив из этого уравнения ток, получим выражение для закона Ома:

, или в обобщенном виде

,

где U_ab=(φ_a-φ_b) - напряжение на зажимах всего участка цепи направленное по току; ΣЕ –алгебраическая сумма ЭДС участка цепи, в которой ЭДС берется со знаком «+», если ее направление совпадает с направлением тока, или со знаком «-», если не совпадает; - сумма сопротивлений данного участка цепи.

В случае, если полученное в результате расчета значение тока отрицательно, это значит, что его действительное направление противоположно ранее принятому за положительное.

Законы Кирхгофа

Режим работы цепи любой конфигурации полностью определяется первым и вторым законами Кирхгофа.

Первый закон Кирхгофа применяется к узлам схемы и формулируется следующим образом: алгебраическая сумма токов в узле равна нулю: .

В этом уравнении токи входящие в узел записываются со знаком «плюс», а выходящие из узла – со знаком «минус».

Второй закон Кирхгофа применяется к контурам схемы электрической цепи и формулируется следующим образом: в любом замкнутом контуре алгебраическая сумма напряжений на приемниках, входящих в контур, равна алгебраической сумме ЭДС: .

В этом уравнении положительные знаки принимаются для токов и ЭДС, направления которых совпадают с произвольно выбранным направлением обхода рассматриваемого контура.

Эквивалентные преобразования в электрических цепях

С целью упрощения расчета электрической цепи часто оказывается целесообразным осуществить эквивалентное преобразование некоторой части цепи. Часть цепи до преобразования эквивалентна этой же части после преобразования при условии, что режим в остальной непреобразованной части схемы остается неизменным. То есть разность потенциалов между зажимов преобразованной части схемы остается такой же, как и напряжение на зажимах непреобразованной части схемы, а так же входной ток преобразованной части схемы остается неизменным.

Ветвь может содержать любое число последовательно соединенных элементов цепи. При этом последовательным соединением участков электрической цепи называют соединение, при котором через все участки цепи проходит один и тот же ток. При этом напряжение на зажимах этого участка цепи равно сумме напряжений на каждом из ее элементов (рис. 1.6):

Если мы хотим заменить участок цепи, состоящий из нескольких последовательно соединенных элементов, одним эквивалентным, то напряжение на нем будет равно: .

Учитывая условия эквивалентного преобразования, получаем:

.

То есть при последовательном соединении элементов сопротивление цепи равно сумме сопротивлений составляющих ее элементов.

Параллельнымсоединением участков (ветвей) электрической цепи называют соединение, при котором все участки цепи присоединены к одной паре узлов (рис. 1.7), и на всех этих участках одно и то же напряжение.

При этом ток на входе цепи равен сумме токов параллельных ветвей:

В том случае, если необходимо заменить участок электрической цепи, состоящий их нескольких параллельно соединенных элементов, одним эквивалентным, то ток такого эквивалентного элемента будет определяться:

Учитывая условия эквивалентного преобразования, можно записать: или, то есть при параллельном соединении приемников для получения эквивалентной проводимости, складывают проводимости параллельных ветвей.

Отсюда можно получит формулу для определения эквивалентного сопротивления:

.

Для случая параллельного соединения двух ветвей это выражение буде иметь вид:

При расчете электрических цепей возникает необходимость эквивалентных преобразований звезды сопротивлений (рис. 1.8, а) в треугольник сопротивлений (рис. 1.8, б). Соединения звездой и треугольником эквивалентны друг другу при условии, что при одинаковых в обоих случаях напряжениях U₁₂,U₂₃,U₃₁между точками 1, 2 и 3 и токиI₁,I₂,I₃, подходящие к этим точкам от остальной части цепи, одинаковы в обоих случаях.

Рис. 1.8

Формулы для определения сопротивлений лучей звезды через сопротивления сторон треугольника имеют вид:

Формулы для расчета сопротивлений сторон треугольника через сопротивления лучей звезды имеют вид: