Электрические цепи постоянного тока
Задание 1
Для заданной электрической схемы по заданным сопротивлениям и ЭДС (табл. 1.1) выполнить следующее:
1) составить систему уравнений, необходимых для определения токов по первому и второму законам Кирхгофа;
2) найти токи во всех ветвях цепи, пользуясь методом контурных токов;
3) проверить правильность расчета токов в ветвях электрической цепи с помощью баланса мощностей;
Вари-ант | Рис. | Е1, В | Е2, В | Е3, В | r01, Ом | r02, Ом | r03, Ом | r1, Ом | r2, Ом | r3, Ом | r4, Ом | r5, Ом | r6, Ом |
1.53 | 0,6 | 1,2 | 0,1 | 3,4 | 3,8 | 4,3 |
Применение законов Кирхгофа для расчета электрических цепей
Для анализа и расчета электрических цепей пользуются законами Кирхгофа, которые устанавливают соотношения между токами ветвей, сходящихся в узлах, и напряжениями элементов, входящих в контуры. Для определения токов и напряжений необходимо составить уравнения цепи с помощью первого и второго законов Кирхгофа.
Первый закон Кирхгофа, вытекающий из закона сохранения заряда:
|
|
алгебраическая сумма токов ветвей, сходящихся в узле электрической цепи, равна нулю:
ΣI=0. (1.1)
Алгебраическое суммирование осуществляется с учетом направления токов: токи, входящие в узел, считаем положительными, а токи, выходящие из узла - отрицательными.
Второй закон Кирхгофа вытекает из закона сохранения энергии:
алгебраическая сумма падений напряжений в любом замкнутом контуре равна алгебраической сумме ЭДС в этом контуре:
ΣIR=ΣE. (1.2)
Суммирование падений напряжений и ЭДС производится с учетом их направлений и выбранного направления обхода контура. Если направление ЭДС и падение напряжения совпадают с направлением обхода контура, то они входят в уравнение (1.2) со знаком плюс, в противном случае – со знаком минус.
Метод анализа и расчета электрических цепей на основе первого и второго законов Кирхгофа выполняется в следующем порядке:
устанавливается число ветвей и узлов в расчетной цепи;
выбираются произвольно условно-положительные направления токов в ветвях и обозначаются на схеме;
выбираются произвольно положительные направления обхода контуров для составления уравнений по второму закону Кирхгофа (целесообразно для всех контуров направления обхода выбирать одинаковыми);
составляется система из m уравнений по первому и второму законам Кирхгофа, где m - количество неизвестных токов, равное количеству ветвей.
По первому закону Кирхгофа можно составить (n-1) независимых уравнений, где n - количество узлов цепи. Остальные [m-(n-1)] уравнения составляются по второму закону Кирхгофа для независимых контуров, т.е. контуров, отличающихся хотя бы одной новой ветвью, не вошедшей в предыдущие контуры.
|
|
Пример 1.1. В качестве примера составим систему уравнений для определения токов в электрической цепи, схема которой изображена на рисунке 1.1,а. Здесь известны сопротивления, величины и направления ЭДС.
Данная цепь имеет шесть ветвей (m=6) с неизвестными токами и четыре узла (n=4). Необходимо составить шесть уравнений. Выбираем произвольно положительные направления токов в ветвях и положительные направления обхода независимых контуров (по часовой стрелке) (рис, 1.1, б). Чтобы получить линейно независимые уравнения по первому закону Кирхгофа составим три уравнения (n-1=3), а остальные уравнения: m-(n-1)=3, по второму закону Кирхгофа.
По первому закону Кирхгофа:
- для узла 1 , (1.3)
- для узла 2 , (1.4)
- для узла 3 . (1.5)
По второму закону Кирхгофа:
- для контура I: , (1.6)
- для контура II: , (1.7)
- для контура III: . (1.8)
Полученная система уравнений (1.3 … 1.8) достаточна для определения токов в ветвях цепи, но ее порядок относительно высок. Понизить порядок системы уравнений, а, следовательно, упростить расчеты можно с помощью методов контурных токов и узловых напряжений (потенциалов).
Задание 1
1. Составить систему уравнений, необходимых для определения токов по первому и второму законам Кирхгофа (здесь и далее схема развернута);
Э то самостоятельно!