Меню

Сопротивление сложной цепи постоянного тока



Сопротивление сложной цепи постоянного тока

Методы расчета сложных электрических цепей постоянного тока

1. Метод узловых и контурных уравнений

В основе расчета лежат первый и второй законы Кирхгофа.

  1. Произвольно выбираем направление тока в ветвях.
  2. Произвольно выбираем направление обхода контуров.
  3. Зная полярность источников, проставляем направление ЭДС.
  4. Составляем уравнения по первому закону Кирхгофа. Их должно быть но одно меньше, чем узлов.
  5. Составляем уравнения по второму закону Кирхгофа из расчета, что общее число уравнений должно быть равно числу неизвестных токов.
  6. Решаем систему уравнений и определяем неизвестные токи. Если в результате решения какой-либо ток окажется со знаком «-», то направление его противоположно выбранному.
  1. 1=r2=0;
  2. 1=0,3 Ом;
  3. 2=1 Ом;
  4. 3=24 Ом;

Итак, на схеме рисуем направления токов (1), согласно этим направлениям рисуем направления обхода контуров (2), согласно полярности источников питания ставим направления ЭДС (3).

Согласно первому закону Кирхгофа:

Теперь составляем уравнения по второму закону Кирхгофа:

Получили систему из трех уравнений. Решаем.

2. Метод контурных токов

Этот метод основан на втором законе Кирхгофа

  1. Произвольно выбираем направления контурных токов (рис.2)
  2. Составляем уравнения по второму закону Кирхгофа.

3. Определяем истинные токи.

3. Метод двух узлов

Этот метод применим для схем, имеющих два узла

  1. Выбираем произвольно направления токов в ветвях в одну и ту-же сторону (см. рис.3 – стрелки со штрихами).
  2. Определяем проводимости ветвей:
  1. Определяем напряжение между двумя узлами по формуле:
  1. Определяем токи в ветвях

Так как, значения I2 и I3 получились отрицательными, то эти токи будут противоположными по направлению (на рисунке показаны жирные сплошные стрелки).

4. Метод наложения или метод суперпозиции

Метод основан на том, что любой ток в цепи создается совместным действием всех источников питания. Поэтому можно рассчитать частичные токи от действия каждого источника питания отдельно, а затем, найти истинные токи как арифметическую составляющую частичных.

Источник

Порядок расчета сложной цепи постоянного тока

1. Произвольно выбирают направление токов во всех участках цепи.

2. Первое правило Кирхгофа записывают для (m-1) узла, где m — число узлов в цепи.

3. Выбирают произвольные замкнутые контуры, и после выбора направления обхода записывают второе правило Кирхгофа.

4. Система из составленных уравнений должна быть разрешимой: число уравнений должно соответствовать количеству неизвестных.

Шунты и добавочные сопротивления.

Шунт — сопротивление, подключаемое параллельно к амперметру (гальванометру), для расширения его шкалы при измерении силы тока.

Если амперметр рассчитан на силу тока I , а с помощью него необходимо измерить силу тока, превышающую в n раз допустимое значение, то сопротивление, подключаемого шунта должно удовлетворять следующему условию:

Добавочное сопротивление — сопротивление, подключаемое последовательно с вольтметром (гальванометром), для расширения его шкалы при измерении напряжения.

Если вольтметр рассчитан на напряжение U , а с помощью него необходимо измерить напряжение, превышающее в n раз допустимое значение, то добавочное сопротивление должно удовлетворять следующему условию:

Условия существования электрического тока

Если в разрыв электрической цепи, состоящей из источника тока и лампочки, включить металлический стержень, лампочка загорится. По цепи пойдет электрический ток.

Если в разрыв цепи включить стержень из эбонита, резины, лампочка не загорится. Тока в цепи не будет.

Если стержни двух электрометров зарядить, сообщив им одинаковые по величине и знаку потенциалы, а затем соединить их металлическим стержнем, стрелки электрометров останутся в первоначальном положении. Электрического тока в образовавшейся цепи не будет.

Если стержни электрометров зарядить, сообщив им разные потенциалы и вновь соединить их металлическим стержнем, заряды на стержнях начнут перераспределяться. Этот процесс будет идти до тех пор, пока не сравняются потенциалы стержней. Об этом можно судить по показаниям электрометров. До момента выравнивания потенциалов в цепи будет идти электрический ток.

Таким образом, для того, чтобы в цепи существовал электрический ток, в этой цепи должны бытьсвободные заряженные частицы и электрическое поле, способное их перемещать.

Заряженные частицы, согласно основам молекулярно-кинетической теории, участвуют в тепловом движении. В электрическом поле на тепловое движение частиц накладывается движение направленное. Под электрическим током понимают направленную составляющую движения заряженных частиц. За направление электрического тока принимают направление движения положительно заряженных частиц.

Условие возникновения электрического тока. Электрическое поле

Метки: словарь электромеханика, электрический ток, электрическое поле

Ток в проводнике, т. е. направленное движение зарядов, вызывается действием сил электрического поля. Электрическое поле — это особый физический процесс, происходящий в определенной области пространства и характеризующийся, в частности, возникновением механических сил, действующих на заряды, помещенные в пространстве, охватываемом полем.

Прежде чем рассматривать поле, вызывающее электрический ток, познакомимся с полем, создаваемым неподвижными зарядами.

Мы знаем, что между любыми зарядами существуют силы притяжения и силы отталкивания.
Это объясняется тем, что около любого заряда существует электрическое поле.

Представим себе, что в поле, созданное неподвижными зарядами, внесен пробный заряд q0 (рис. 1), т. е. заряд, который настолько мал, что практически не изменяет ранее существовавшее поле.

Обследуя при помощи таких зарядов поле, мы убедимся, что сила, действующая на пробный заряд в электрическом поле, пропорциональна величине пробного заряда.
Однако при одной и той же величине пробного заряда сила, действующая на него в разных точках одного и того же поля, имеет разную величину. Следовательно, сила поля зависит от интенсивности поля в той точке, где расположен пробный заряд.

Величину, характеризующую интенсивность поля, называют напряженностью поля.
Напряженность поля численно равна отношению силы, действующей на пробный положительный заряд в данной точке поля, к величине этого заряда.

Направление напряженности поля совпадает с направлением силы, действующей на положительный пробный заряд в данной точке.

Зная напряженность поля, мы можем определить величину силы, действующей на любой заряд в данной точке. Если буквой Е обозначить напряженность поля в данной точке, а буквой q—величину пробного заряда, то сила F, действующая на заряд, может быть определена по формуле F = E*q.

На рис. 1 показаны силовые линии поля около двух разноименно заряженных тел. Силовые линии начинаются у положительного заряда и кончаются у отрицательного.

Они представляют собой пути следования пробного положительного заряда (при медленном движении) в электрическом поле. Поле около неподвижных заряженных тел называетсяэлектростатическим.

Электрический ток

Электрическим током называется движение электрических зарядов (электронов в металлах, электронов и ионов в жидкостях и газах) под действием электрического поля.

Движение положительных зарядов по полю эквивалентно движению отрицательных зарядов против поля.

За направление тока принято направление положительного заряда.

Условия существования электрического тока (в дальнейшем просто тока в проводнике):

а) наличие свободных заряженных частиц;

б) наличие электрического поля (разности потенциалов на концах проводника).

Действия электрического тока:

а) ТЕПЛОВОЕ – нагревание проводника, по которому идет ток;

б) ХИМИЧЕСКОЕ – изменение химического состава проводника (электролиз и сопутствующие ему явления);

в) МАГНИТНОЕ – силовое воздействие на другие проводники с током и намагниченные тела (магнетики).

Основные характеристики электрического тока:

а) сила токаI – численно равна количеству электричества (заряду) Q, протекающего по проводнику за время t:

В зависимости от величины и направления токи бывают: постоянные, переменные, пульсирующие и другие. Будем рассматривать только постоянные токи I = const.

Ток измеряется прибором – амперметром, который включается в цепь последовательно проводнику (сопротивлению).

б) напряжениеU – равно разности потенциалов на участке цепи.

Напряжение измеряется прибором – вольтметром, который включается параллельно проводнику (сопротивлению);

в) сопротивлениеR проводника.

Читайте также:  При каком напряжение по проводнику проходит ток

1. От длины проводника ℓ, его сечения S и материала (характеризуется удельным сопротивлением проводника ρ):

2. От температуры t°С (или Т): R = R (1 + αt),

где R – сопротивление проводника при 0°С,

α – температурный коэффициент сопротивления.

3. Проводники могут соединяться последовательно и параллельно.

г) плотность токаj – физическая величина, определяемая силой тока I проходящего через единицу площади поперечного сечения S проводника:

д) электрическая сила (ЭДС) ε – физическая величина, определяемая работой сторонних (неэлектрических) сил Аст по перемещению единичного положительного заряда q:

Если в цепи на носители тока действуют силы электрического поля, то происходит перемещение носителей (они предполагаются положительными) от точек с большим потенциалом к точкам с меньшим потенциалом. Это приводит к выравниванию потенциалов во всех точках цепи и к исчезновению электрического поля. Поэтому для существования постоянного тока необходимо наличие в цепи устройства, способно создавать и поддерживать разность потенциалов за счет работы сил неэлектростатического происхождения. Такие устройства называются источниками тока. Силы неэлектростатического происхождения, действующие на заряды со стороны источников тока, называются сторонними.

Источники тока также можно соединить последовательно и параллельно:

1. При последовательном соединении источников:

где ε – ЭДС одного источника,

r – сопротивление одного источника,

n – число источников.

2. При параллельном соединении n одинаковых источников:

Элементы электрических цепей и сами электрические цепи изображают схематически следующим образом:

– внешнее сопротивление проводника (участок электрической цепи без ЭДС)
– амперметр и его включение в цепь;
– вольтметр и его включение в цепь;
– источник тока (источник ЭДС) с внутренним сопротивлением.
– последовательное соединение сопротивлений и источников тока.
– параллельное соединение сопротивлений и источников тока.
– полная электрическая цепь.

Для решения задач по расчету электрических цепей используется закон Ома:

1. Закон Ома для участка цепи (без ЭДС):

где – удельная проводимость проводника,

Е – напряженность электрического поля в проводнике.

2. Закон Ома для полной цепи:

где R – внешнее сопротивление цепи,

r – внутреннее сопротивление источника тока,

R + r – называется полным сопротивлением цепи.

а) если R → 0, источник замкнут накоротко:

где Iкз – ток короткого замыкания;

б) если R → ∞, цепь разомкнута:

т.е. ЭДС источника численно равна напряжению на его зажимах при разомкнутой внешней цепи.

Для расчетов полных электрических цепей полезно знать следующие величины:

а) полная мощность, развиваемая источником:

б) полезная мощность (выделяемая на внешнем сопротивлении):

Электрический ток I, проходя по участку цепи без ЭДС с сопротивлением R, совершает работу А по перемещению электрических зарядов, которую можно рассчитать по формуле:

где U – напряжение на участке цепи,

t – время пропускания тока.

Мощность N тока, согласно определения, равна:

При протекании тока по проводнику он нагревается и в нем выделяется количество теплоты Q, которое без учета потерь рассчитывается по закону Джоуля-Ленца:

Дата добавления: 2018-04-04 ; просмотров: 648 ; Мы поможем в написании вашей работы!

Источник

Рекомендации по решению нетрадиционных задач на расчет электрических цепей постоянного тока

Разделы: Физика

Решение задач — неотъемлемая часть обучения физике, поскольку в процессе решения задач происходит формирование и обогащение физических понятий, развивается физическое мышление учащихся и совершенствуется их навыки применения знаний на практике.

В ходе решения задач могут быть поставлены и успешно реализованы следующие дидактические цели:

  • Выдвижение проблемы и создание проблемной ситуации;
  • Обобщение новых сведений;
  • Формирование практических умений и навыков;
  • Проверка глубины и прочности знаний;
  • Закрепление, обобщение и повторение материала;
  • Реализация принципа политехнизма;
  • Развитие творческих способностей учащихся.

Наряду с этим при решении задач у школьников воспитываются трудолюбие, пытливость ума, смекалка, самостоятельность в суждениях, интерес к учению, воля и характер, упорство в достижении поставленной цели. Для реализации перечисленных целей особенно удобно использовать нетрадиционные задачи.

§1. Задачи по расчету электрических цепей постоянного тока

По школьной программе на рассмотрение данной темы очень мало отводится времени, поэтому учащиеся более или менее успешно овладевают методами решения задач данного типа. Но часто такие типы задач встречаются олимпиадных заданиях, но базируются они на школьном курсе.

К таким, нестандартным задачам по расчету электрических цепей постоянного тока можно отнести задачи, схемы которых:

1) содержат большое число элементов – резисторов или конденсаторов;

3) состоят из сложных смешанных соединений элементов.

В общем случае всякую цепь можно рассчитать, используя законы Кирхгофа. Однако эти законы не входят в школьную программу. К тому же, правильно решить систему из большого числа уравнений со многими неизвестными под силу не многим учащимся и этот путь не является лучшим способом тратить время. Поэтому нужно уметь пользоваться методами, позволяющими быстро найти сопротивления и емкости контуров.

§2. Метод эквивалентных схем

Метод эквивалентных схем заключается в том, что исходную схему надо представить в виде последовательных участков, на каждом из которых соединение элементов схемы либо последовательно, либо параллельно. Для такого представления схему необходимо упростить. Под упрощением схемы будем понимать соединение или разъединение каких-либо узлов схемы, удаление или добавление резисторов, конденсаторов, добиваясь того, чтобы новая схема из последовательно и параллельно соединенных элементов была эквивалентна исходной.

Эквивалентная схема – это такая схема, что при подаче одинаковых напряжений на исходную и преобразованную схемы, ток в обеих цепях будет одинаков на соответствующих участках. В этом случае все расчеты производятся с преобразованной схемой.

Чтобы начертить эквивалентную схему для цепи со сложным смешанным соединением резисторов можно воспользоваться несколькими приемами. Мы ограничимся рассмотрением в подробностях лишь одного из них – способа эквипотенциальных узлов.

Этот способ заключается в том, что в симметричных схемах отыскиваются точки с равными потенциалами. Эти узлы соединяются между собой, причем, если между этими точками был включен какой-то участок схемы, то его отбрасывают, так как из-за равенства потенциалов на концах ток по нему не течет и этот участок никак не влияет на общее сопротивление схемы.

Таким образом, замена нескольких узлов равных потенциалов приводит к более простой эквивалентной схеме. Но иногда бывает целесообразнее обратная замена одного узла

несколькими узлами с равными потенциалами, что не нарушает электрических условий в остальной части.

Рассмотрим примеры решения задач эти методом.

Рассчитать сопротивление между точками А и В данного участка цепи. Все резисторы одинаковы и их сопротивления равны r.

В силу симметричности ветвей цепи точки С И Д являются эквипотенциальными. Поэтому резистор между ними мы можем исключить. Эквипотенциальные точки С и Д соединяем в один узел. Получаем очень простую эквивалентную схему:

Сопротивление которой равно:

В точках F и F` потенциалы равны, значит сопротивление между ними можно отбросить. Эквивалентная схема выглядит так:

Сопротивления участков DNB;F`C`D`; D`, N`, B`; FCD равны между собой и равны R1:

С учетом этого получается новая эквивалентная схема:

Ее сопротивление и сопротивление исходной цепи RАВ равно:

Точки С и Д имеют равные потенциалы. Исключением сопротивление между ними. Получаем эквивалентную схему:

Искомое сопротивление RАВ равно:

Как видно из схемы узлы 1,2,3 имеют равные потенциалы. Соединим их в узел 1. Узлы 4,5,6 имеют тоже равные потенциалы- соединим их в узел 2. Получим такую эквивалентную схему:

Сопротивление на участке А-1, R 1-равно сопротивлению на участке 2-В,R3 и равно:

Сопротивление на участке 1-2 равно: R2=r/6.

Теперь получается эквивалентная схема:

Общее сопротивление RАВ равно:

RАВ= R1+ R2+ R3=(5/6)*r.

Точки C и F-эквивалентные. Соединим их в один узел. Тогда эквивалентная схема будет иметь следующий вид:

Читайте также:  Пробивное напряжение конденсатора для переменного тока

Сопротивление на участке АС:

Сопротивление на участке FN:

Сопротивление на участке DB:

Получается эквивалентная схема:

Искомое общее сопротивление равно:

Заменим общий узел О тремя узлами с равными потенциалами О, О1 , О2. Получим эквивалентную систему:

Сопротивление на участке ABCD:

Сопротивление на участке A`B`C`D`:

Сопротивление на участке ACВ

Получаем эквивалентную схему:

Искомое общее сопротивление цепи RAB равно:

“Разделим” узел О на два эквипотенциальных угла О1 и О2. Теперь схему можно представить, как параллельные соединение двух одинаковых цепей. Поэтому достаточно подробно рассмотреть одну из них:

Сопротивление этой схемы R1 равно:

Тогда сопротивление всей цепи будет равно:

Узлы 1 и 2 – эквипотенциальные, поэтому соединим их в один узел I. Узлы 3 и 4 также эквипотенциальные – соединимих в другой узел II. Эквивалентная схема имеет вид:

Сопротивление на участке A- I равно сопротивлению на участке B- II и равно:

Сопротивление участка I-5-6- II равно:

Cопротивление участка I- II равно:

Получаем окончательную эквивалентную схему:

Искомое общее сопротивление цепи RAB=(7/12)*r.

В ветви ОС заменим сопротивление на два параллельно соединенных сопротивления по 2r. Теперь узел С можно разделить на 2 эквипотенциальных узла С1 и С2. Эквивалентная схема в этом случае выглядит так:

Сопротивление на участках ОСIB и DCIIB одинаковы и равны, как легко подсчитать 2r. Опять чертим соответствующую эквивалентную схему:

Сопротивление на участке AOB равно сопротивлению на участке ADB и равно (7/4)*r. Таким образом получаем окончательную эквивалентную схему из трех параллельно соединенных сопротивлений:

Ее общее сопротивление равно RAB= (7/15)*r

З а д а ч а № 10

Точки СОD имеют равные потенциалы – соединим их в один узел О I .Эквивалентная схема изображена на рисунке :

Сопротивление на участке А О I равно . На участке О I В сопротивление равно .Получаем совсем простую эквивалентную схему:

ЕЕ сопротивление равно искомому общему сопротивлению

Задачи № 11 и № 12 решаются несколько иным способом, чем предыдущие. В задаче №11 для ее решения используется особое свойство бесконечных цепей, а в задаче № 12 применяется способ упрощения цепи.

Выделим в этой цепи бесконечно повторяющееся звено, оно состоит в данном случае из трех первых сопротивлений. Если мы отбросим это звено, то полное сопротивление бесконечной цепи R не измениться от этого , так как получится точно такая же бесконечная цепь. Так же ничего не измениться, если мы выделенное звено подключим обратно к бесконечному сопротивлению R, но при этом следует обратить внимание , что часть звена и бесконечная цепь сопротивлением R соединены параллельно. Таким образом получаем эквивалентную схему :

Решая систему этих уравнений, получаем:

§3. Обучение решению задач по расчету электрических цепей способом эквипотенциальных узлов

Задача – это проблема, для разрешения которой ученику потребуются логические рассуждения и выводы. Строящиеся на основе законов и методов физики. Таким образом, с помощью задач происходит активизация целенаправленного мышления учащихся.

В то же время. Теоретические знания можно считать усвоенными только тогда, когда они удачно применяются на практике. Задачи по физике описывают часто встречающиеся в жизни и на производстве проблемы, которые могут быть решены с помощью законов физики и, если ученик успешно решает задачи, то можно сказать, что он хорошо знает физику.

Для того, чтобы ученики успешно решали задачи, недостаточно иметь набор методов и способов решения задач, необходимо еще специально учить школьников применению этих способов.

Рассмотрим план решения задач по расчету электрических цепей постоянного тока методом эквипотенциальных узлов.

  1. Чтение условия.
  2. Краткая запись условия.
  3. Перевод в единицы СИ.
  4. Анализ схемы:
    1. установить, является ли схема симметричной;
    2. установить точки равного потенциала;
    3. выбрать, что целесообразнее сделать – соединить точки равных потенциалов или же, наоборот, разделить одну точку на несколько точек равных потенциалов;
    4. начертить эквивалентную схему;
    5. найти участки только с последовательным или только с параллельным соединением и рассчитать общее сопротивление на каждом участке по законам последовательного и параллельного соединения;
    6. начертить эквивалентную схему, заменяя участки соответствующими им расчетными сопротивлениями;
    7. пункты 5 и 6 повторять до тех пор, пока не останется одно сопротивление, величина которого и будет решением задачи.
  5. Анализ реальности ответа.

Подробнее об анализе схемы

а) установить, является ли схема симметричной.

Определение. Схема симметрична, если одна ее половина является зеркальным отражением другой. Причем симметрия должна быть не только геометрической, но должны быть симметричны и численные значения сопротивлений или конденсаторов.

Схема симметричная, так как ветви АСВ и АДВ симметричны геометрически и отношение сопротивления на одном участке АС:АД=1:1 такое же, как и на другом участке СД:ДВ=1:1.

Схема симметричная, так как отношение сопротивлений на участке АС:АД=1:1 такое же, как и на другом участке СВ:ДВ=3:3=1:1

Схема не симметрична, так как отношения сопротивлений численно

не симметричны -1:2 и 1:1.

б) установить точки равных потенциалов.

Из соображений симметрии делаем вывод, что в симметричных точках потенциалы равны. В данном случае симметричными точками являются точки С и Д. Таким образом, точки С и Д – эквипотенциальные точки.

в) выбрать, что целесообразно сделать – соединить точки равных потенциалов или же, наоборот, разделить одну точку на несколько точек равных потенциалов.

Мы видим в этом примере, что между точками равных потенциалов С и Д включено сопротивление, по которому ток не будет течь. Следовательно, мы можем отбросить это сопротивление, а точки С и Д соединить в один узел.

г) начертить эквивалентную схему.

Чертим эквивалентную схему. При этом получаем схему с соединенными в одну точку точками С и Д.

д) найти участки только с последовательным или только с параллельным соединением и рассчитать общее сопротивление на каждом таком участке по законам последовательного и параллельного соединения.

Из полученной эквивалентной схемы видно, что на участке АС мы имеем два параллельно соединенных резистора. Их общее сопротивление находится по закону параллельного соединения:

Таким образом 1/RAC=1/r+1/r=2/r,откуда RAC= r/2.

На участке СВ картина аналогичная:

1/RCB= 1/r+1/r =2/r, откуда RCB=r/2.

е)начертить эквивалентную схему, заменяя участки соответствующими им расчетными сопротивлениями.

Чертим эквивалентную схему подставляя в нее рассчитанные сопротивления участков RAC и RCB:

ж)пункты д) и е) повторять до тех пор, пока останется одно сопротивление, величина которого и будет решением задачи.

Повторяем пункт д): на участке АВ имеем два последовательно соединенных сопротивления. Их общее сопротивление находим по закону последовательного соединения:

Rобщ= R1+R2+R3+… то есть, RAB=RAC+RCB = r/2+r/2 =2r/2 = r.

Повторяем пункт е): чертим эквивалентную схему:

Мы получили схему с одним сопротивлением, величина которого равна сопротивлению исходной схемы. Таким образом, мы получили ответ RAB = r.

Далее, для проверки усвоения данного материала можно учащимся предложить задания для самостоятельной работы, взятые из дидактического материала. (см. приложение)

  • Балаш. В.А. задачи по физике и методы их решения. — М: Просвещение,1983.
  • Лукашик В.И. Физическая олимпиада.- М: Просвещение, 2007
  • Усова А.В., Бобров А.А. Формирование учебных умений и навыков учащихся на уроках физики.- М: Просвещение,1988
  • Хацет А. Методы расчета эквивалентных схем //Квант.
  • Чертов А. Г. Задачник по физике. – М.: Высшая школа,1983
  • Зиятдинов Ш.Г., Соловьянюк С.Г. (методические рекомендации) г. Бирск,1994г
  • Марон А.Е., Марон Е.А. Физика. Дидактические материалы. Москва, “Дрофа”, 2004г
  • Источник

    Расчет электрических цепей

    Для вычисления рабочих параметров радиотехнических устройств и отдельных схем применяют специальные методики. После изучения соответствующих технологий результат можно узнать быстро, без сложных практических экспериментов. Корректный расчет электрических цепей пригодится на стадии проектирования и для выполнения ремонтных работ.

    Читайте также:  Прибор который распределяет ток

    Задачи на расчет электрических цепей решают с применением типовых алгоритмов

    Категории элементов и устройств электрической цепи

    Для условного изображения определенной цепи применяют специальную схему. Кроме отдельных физических компонентов, она содержит сведения о направлении (силе) токов, уровнях напряжения и другую информацию. Качественная модель показывает реальные процессы с высокой точностью.

    Компоненты электрической цепи:

    • источник постоянного или переменного тока (Е) – аккумулятор или генератор, соответственно;
    • пассивные элементы (R) – резисторы;
    • компоненты с индуктивными (L) и емкостными (С) характеристиками;
    • соединительные провода.

    Типовые названия

    На рисунке обозначены:

    • ветви – участки цепи с одним током;
    • узлы – точки соединения нескольких ветвей;
    • контур – замкнутый путь прохождения тока.

    При решении практических задач выясняют, как узнать силу тока в отдельных ветвях. Полученные значения используют для анализа электрических параметров. В частности, можно определять падение напряжения на резисторе, мощность потребления подключенной нагрузки. При расчете цепей переменного тока приходится учитывать переходные энергетические процессы, влияние частоты.

    Метод расчета по законам Ома и Кирхгофа

    До изучения технологий вычислений необходимо уточнить особенности типовых элементов при подключении к разным источникам питания. При постоянном токе сопротивлением индуктивности можно пренебречь. Конденсатор эквивалентен разрыву цепи. Также следует учитывать следующие различия разных видов соединений резисторов:

    • последовательное – увеличивает общее сопротивление;
    • параллельное – распределяет токи по нескольким ветвям, что улучшает проводимость.

    Закон Ома для участка цепи

    Типовая аккумуляторная батарея легкового автомобиля вырабатывает напряжение U = 12 V. Бортовой или внешний амперметр покажет соответствующее значение при измерении. Соединение клемм проводом недопустимо, так как это провоцирует короткое замыкание. Если жила тонкая (

    К сведению. Результат показанного расчета пригодится для поиска подходящего резистора. Следует делать запас в сторону увеличения. По стандарту серийных изделий подойдет элемент с паспортной номинальной мощностью 5 Вт.

    На практике приходится решать более сложные задачи. Так, при значительной длине линии нужно учесть влияние соединительных ветвей цепи. Через стальной проводник ток будет протекать хуже, по сравнению с медным аналогом. Следовательно, надо в расчете учитывать удельное сопротивление материала. Короткий провод можно исключить из расчета. Однако в нагрузке может быть два элемента. В любом случае общий показатель эквивалентен определенному сопротивлению цепи. При последовательном соединении Rэкв = R1 + R2 +…+ Rn. Данный метод пригоден, если применяется постоянный ток.

    Закон Ома для полной цепи

    Для вычисления такой схемы следует добавить внутреннее сопротивление (Rвн) источника. Как найти ток, показывает следующая формула:

    Вместо напряжения (U) при расчетах часто используют типовое обозначение электродвижущей силы (ЭДС) – E.

    Первый закон Кирхгофа

    По классической формулировке этого постулата алгебраическая сумма токов, которые входят и выходят из одного узла, равна нулю:

    I1 + I2 + … + In = 0.

    Это правило действительно для любой точки соединения ветвей электрической схемы. Следует подчеркнуть, что в данном случае не учитывают характеристики отдельных элементов (пассивные, реактивные). Можно не обращать внимания на полярность источников питания, включенных в отдельные контуры.

    Чтобы исключить путаницу при работе с крупными схемами, предполагается следующее использование знаков отдельных токов:

    • входящие – положительные (+I);
    • выходящие – отрицательные (-I).

    Второй закон Кирхгофа

    Этим правилом установлено суммарное равенство источников тока (ЭДС), которые включены в рассматриваемый контур. Для наглядности можно посмотреть, как происходит распределение контрольных параметров при последовательном подключении двух резисторов (R1 = 50 Ом, R2 = 10 Ом) к аккумуляторной батарее (Uакб = 12 V). Для проверки измеряют разницу потенциалов на выводах пассивных элементов:

    • UR1 = 10 V;
    • UR1 = 2 V;
    • Uакб = 12 V = UR1 + UR2 = 10 + 2;
    • ток в цепи определяют по закону Ома: I = 12/(50+10) = 0,2 А;
    • при необходимости вычисляют мощность: P = I2 *R = 0,04 * (50+10) = 2,4 Вт.

    Второе правило Кирхгофа действительно для любых комбинаций пассивных компонентов в отдельных ветвях. Его часто применяют для итоговой проверки. Чтобы уточнить корректность выполненных действий, складывают падения напряжений на отдельных элементах. Следует не забывать о том, что дополнительные источники ЭДС делают результат отличным от нуля.

    Метод преобразования электрической цепи

    Как определить силу тока в отдельных контурах сложных схем? Для решения практических задач не всегда нужно уточнение электрических параметров на каждом элементе. Чтобы упростить вычисления, используют специальные методики преобразования.

    Расчет цепи с одним источником питания

    Для последовательного соединения пользуются рассмотренным в примере суммированием электрических сопротивлений:

    Rэкв = R1 + R2 + … + Rn.

    Контурный ток – одинаковый в любой точке цепи. Проверять его можно в разрыве контрольного участка мультиметром. Однако на каждом отдельном элементе (при отличающихся номиналах) прибор покажет разное напряжение. По второму закону Кирхгофа можно уточнить результат вычислений:

    E = Ur1 + Ur2 + Urn.

    Параллельное соединение резисторов, схемотехника и формулы для расчетов

    В этом варианте в полном соответствии с первым постулатом Кирхгофа токи разделяются и соединяются во входных и выходных узлах. Показанное на схеме направление выбрано с учетом полярности подключенного аккумулятора. По рассмотренным выше принципам сохраняется базовое определение равенства напряжений на отдельных компонентах схемы.

    Как найти ток в отдельных ветвях, демонстрирует следующий пример. Для расчета приняты следующие исходные значения:

    • R1 = 10 Ом;
    • R2 = 20 Ом;
    • R3= 15 Ом;
    • U = 12 V.

    По следующему алгоритму будут определяться характеристики цепи:

    • базовая формула для трех элементов:

    Rобщ = R1*R2*R3/(R1*R2 + R2*R3 + R1*R3.

    • подставив данные, вычисляют Rобщ = 10 * 20 * 15 / (10*20 + 20*15 +10*15) = 3000 /(200+300+150) = 4,615 Ом;
    • I = 12/ 4,615 ≈ 2,6 А;
    • I1 = 12/ 10 = 1,2 А;
    • I2 = 12/20 = 0,6 А;
    • I3 = 12/15 = 0,8 А.

    Как и в предыдущем примере, рекомендуется проверить результат вычислений. При параллельном соединении компонентов должно соблюдаться равенство токов на входе и суммарного значения:

    I = 1,2 + 0,6 + 0,8 = 2,6 А.

    Если применяется синусоидальный сигнал источника, вычисления усложняются. При включении в однофазную розетку 220V трансформатора придется учитывать потери (утечку) в режиме холостого хода. В этом случае существенное значение имеют индуктивные характеристики обмоток и коэффициент связи (трансформации). Электрическое сопротивление (ХL) зависит от следующих параметров:

    • частоты сигнала (f);
    • индуктивности (L).

    Вычисляют ХL по формуле:

    Чтобы находить сопротивление емкостной нагрузки, подойдет выражение:

    Следует не забывать о том, что в цепях с реактивными компонентами сдвигаются фазы тока и напряжения.

    Расчет разветвленной электрической цепи с несколькими источниками питания

    Пользуясь рассмотренными принципами, вычисляют характеристики сложных схем. Ниже показано, как найти ток в цепи при наличии двух источников:

    • обозначают компоненты и базовые параметры во всех контурах;
    • составляют уравнения для отдельных узлов: a) I1-I2-I3=0, b) I2-I4+I5=0, c) I4-I5+I6=0;
    • в соответствии со вторым постулатом Кирхгофа, можно записать следующие выражения для контуров: I) E1=R1 (R01+R1)+I3*R3, II) 0=I2*R2+I4*R4+I6*R7+I3*R3, III) -E2=-I5*(R02+R5+R6)-I4*R4;
    • проверка: d) I3+I6-I1=0, внешний контур E1-E2=I1*(r01+R1)+I2*R2-I5*(R02+R5+R6)+I6*R7.

    Пояснительная схема к расчету с двумя источниками

    Дополнительные методы расчета цепей

    В зависимости от сложности устройства (электрической схемы), выбирают оптимальную технологию вычислений.

    Метод узлового напряжения

    Основные принципы этого способа базируются на законе Ома и постулатах Кирхгофа. На первом этапе определяют потенциалы в каждом узле. Далее вычисляют токи в отдельных ветвях с учетом соответствующих электрических сопротивлений (отдельных компонентов или эквивалентных значений). Проверку делают по рассмотренным правилам.

    Метод эквивалентного генератора

    Эта технология подходит для быстрого расчета тока в одной или нескольких контрольных ветвях.

    Графическое пояснение

    В данной методике общую цепь представляют в виде источника тока с определенным напряжением и внутренним сопротивлением. Далее выполняют вычисления по контрольной ветви с применением стандартного алгоритма.

    Видео

    Источник