Законы Кирхгофа являются вариантом формулировки постулатов о сохранении материи и энергетического потенциала для электрических энергопреобразующих цепей. Введем определения.
Узел электрической цепи
Место соединения трёх и более ветвей. В схемах электрических принципиальных обозначается точкой.
Ветвь электрической цепи
Участок электрической цепи, содержащий только последовательно включённые элементы.
Контур электрической цепи
Замкнутый путь, проходящий через несколько узлов и ветвей электрической цепи.
I закон Кирхгофа — является следствием закона сохранения заряда, согласно которому в любом узле заряд не может ни накапливатся, ни убывать. Закон формулируется как для цепей постоянного, так и для цепей переменного тока.
Для цепей постоянного тока алгебраическая сумма токов в узлах равна нулю.
Для цепей переменного тока геометрическая сумма токов в узлах равна нулю.
II закон Кирхгофа — является следствием закона сохранения энергии, в силу которого изменение потенциала в замкнутом контуре равно нулю. Закон формулируется как для цепей постоянного, так и для цепей переменного тока.
Для цепей постоянного тока алгебраическая сумма падений напряжения в контуре равна нулю.
Для цепей переменного тока геометрическая сумма падений напряжения в контуре равна нулю.
Опираясь на законы Ома и Кирхгофа можно рассчитать абсолютно любую электрическую цепь. Другие методы расчета цепей разработаны исключительно для уменьшения объема требуемых вычислений.
Последовательность действий:
- Произвольно назначают направления токов в ветвях.
- Произвольно назначают направления обхода контуров.
- Записывают У - 1 уравнение по I закону Кирхгофа. (У — число узлов в цепи).
- Записывают В - У + 1 уравнение по II закону Кирхгофа. (В — число ветвей в цепи).
- Решают систему уравнений относительно токов и уточняют величины падений напряжения на элементах.
Примечания:
- При составлении уравнений слагаемые берут со знаком "+" в случае, если направление обхода контура совпадает с направлением падения напряжения, тока или ЭДС. В противном случае со знаком "-".
- Если при решении системы уравнений будут получены отрицательные токи, то выбранное направление не совпадает с реальным.
- Следует выбирать те контуры, в которых меньше всего элементов.
Правильность расчетов можно проверить, составив баланс мощностей. В электрической цепи сумма мощностей источников питания равна сумме мощностей потребителей:
Следует помнить, что тот или иной источник схемы может не генерировать энергию, а потреблять ее (процесс зарядки аккумуляторов). В таком случае направление тока, протекающего по участку с этим источником, встречное направлению ЭДС. Источники в таком режиме должны войти в баланс мощностей со знаком "-".
