Розрахунок складних кіл постійного струму. Використання законів Кірхгофа для розрахунку складних кіл.

Універсальним методом розрахунку складних кіл є метод безпосереднього використання першого закону Кірхгофа для вузлових точок і другого закону Кірхгофа для замкнутих контурів схеми.

Всі ЕРС, струми і опори будь-якої вітки пов’язані між собою рівняннями, що визначаються законами Кірхгофа. Цей зв’язок враховує не тільки величини ЕРС і струмів, а і їх напрямки.

Якщо відомими є величини ЕРС і їх напрямки, а також опори складного кола, то застосовуючи закони Кірхгофа можна скласти стільки незалежних рівнянь, скільки невідомих струмів в цьому колі. Ці рівняння утворюють систему лінійних алгебраїчних рівнянь, розв’язавши яку можна отримати значення невідомих струмів.

Для складання рівнянь необхідно попередньо позначити на схемі довільно обрані додатні напрямки невідомих струмів. Якщо в результаті розв’язання складеної системи рівнянь знайдена величина струму має знак “+”, то це означає, що його фактичний напрямок співпадає з довільно обраним. В протилежному випадку фактичний напрямок струму протилежний обраному напрямку.

Розрахунок складного кола через рівняння Кірхгофа виконується в такій послідовності:

при можливості спрощують розрахункову схему (наприклад, можна замінити кілька паралельно з'єднаних опорів одним еквівалентним опором);
позначають на схемі відомі напрямки ЕРС;
позначаються довільно обрані напрямки струмів;
складають рівняння за першим законом Кірхгофа для всіх вузлових точок, крім однієї. Якщо схема містить n вузлів, то незалежних рівнянь можна скласти тільки для (n – 1) вузлів. Рівняння, складене для останнього n–го вузла, буде комбінацією вже складених рівнянь (тобто лінійно залежним) і не дозволить отримати рішення, так як система, що містить залежні рівняння, має нескінченну кількість рішень;
складають рівняння, яких за кількістю бракує, за другим законом Кірхгофа (відомо, що для розв’язання системи необхідно, щоб кількість незалежних рівнянь дорівнювало кількості невідомих в даному випадку струмів);
розв’язують складену систему рівнянь і визначають невідомі струми. Якщо значення деяких струмів від’ємні, то це означає, що їх фактичний напрямок протилежний умовно прийнятому для них напрямку на початку розрахунку.

Приклад. Визначити розподіл струмів в схемі:

Вихідні дані:

E₁ = 72 В; E2 = 43 В; R₁ = 3 Ом; R₂ = 4 Ом; R₃ = 6 Ом; _R₄ = 10 Ом; R₅ = 15 Ом.

Попередньо спрощуємо схему і знайдемо опір, еквівалентний опорам R₃; R₄; R₅:

Отримаємо спрощену схему, на якій довільно відмічаємо позитивні напрямки невідомих струмів І₁, І₂, І₃.

Схема має два вузли А та В і два контури. Застосовуючи до вузла А і до двох контурів закони Кірхгофа складаємо три рівняння.

Розв’язуємо систему рівнянь:

І₃ = 6 – 1,5 = 4,5 А.

Отже: І₁ = 6 А; І₂ = –1,5 А; І₃ = 4,5 А.

Отриманий від’ємний знак у величині струму І₂ = –1,5 А означає, що в дійсності цей струм направлений в бік, протилежний напрямку стрілки, що позначає на схемі струм І₂.

Струм І₃ розподіляється між паралельними вітками R₄ і R₅ зворотно пропорційно їх опорам

звідки

Метод суперпозиції.

Метод суперпозиції (накладання) оснований на принципі незалежності дії ЕРС. Відповідно з цим принципом струм в будь–якій вітці кола з постійними опорами можна уявити як суму часткових струмів, створених в цій вітці кожною з ЕРС окремо.

Розрахунок складного кола за цим методом виконується, поклавши всі ЕРС, крім однієї, рівними нулю. При цьому зберігають незмінними всі опори кола (включаючи опори джерел живлення, ЕРС яких покладені рівними нулю). Для отриманої схеми вже простого кола визначаються струми в усіх вітках.

Такий розрахунок виконується стільки разів, скільки ЕРС діє в колі, що досліджується. Реальний струм в кожній вітці визначається як алгебраїчна сума знайдених часткових струмів.

Відзначимо, що метод суперпозиції можна застосовувати тільки для електричних кіл, в яких опори не залежать від струмів, що по них протікають (такі опори називаються лінійними).

Метод контурних струмів.

При розрахунку складних кіл, що складаються з великої кількості вузлів, переважним є метод контурних струмів, який дозволяє скоротити загальну кількість рівнянь в системі.

Сутність методу розглянемо на схемі складного кола з вузламиA, B, C, D.

Ця схема включає три контури ABCA(І), ADBA(ІІ), CBDC(ІІІ). Кожному контуру умовно приписують довільно направлений контурний струм, однаковий для всіх ділянок цього контуру І_І, І_ІІ, І_ІІІ. У вітках, які є спільними для двох суміжних контурів, фактичний струм дорівнює алгебраїчній сумі двох контурних струмів. Тут:

у вітці АВ протікає струм І₂ = І_ІІ – І_І,

у вітці ВС – струм І₅ = І_І – І_ІІІ,

у вітці DB – І₄ = І_ІІ – І_ІІІ.

Застосовуючи до кожного з контурів другий закон Кірхгофа, отримаємо систему з кількістю рівнянь, рівною кількості невідомих контурних струмів:

Розв’язавши систему і визначивши контурні струми І_І, І_ІІ, І_ІІІ, неважко знайти струми у вітках схеми: І₁ = І_І, І₂ = І_ІІ – І_І, І₃ = І_ІІ, І₄ = І_ІІ – І_ІІІ, І₅ = І_І – І_ІІІ, І₆ = І_ІІІ.

Зауважимо, що при безпосередньому використанні законів Кірхгофа для розрахунку цієї схеми необхідно було б розв’язати систему з шести рівнянь.

Метод вузлових напруг.

Коли електричне коло складається з великої кількості контурів при невеликій кількості вузлів, її розрахунок і аналіз доцільно здійснювати методом вузлових напруг (або метод вузлових потенціалів).

Якщо кількість вузлів в схемі n, то кількість рівнянь, необхідних для розрахунку такого кола дорівнює (n – 1). Невідомими величинами в цих рівняннях є так звані вузлові напруги. У відповідності з цим методом потенціал в одному з вузлів схеми приймають рівним нулю. Інші вузли схеми будуть мати відносно вузла із нульовим потенціалом вузлові напруги U₁, U₂, …, U_{n – 1}.

Струм в кожній вітці схеми визначається напругами, прикладеними до вузлів вітки (вузловими напругами), ЕРС, якщо вітка їх містить і опором вітки.

Далі, використовуючи вирази для струмів, складають рівняння за першим законом Кірхгофа для кожного вузла схеми за виключенням вузла з нульовою напругою. Сукупність таких рівнянь утворює систему рівнянь відносно невідомих вузлових напруг.

При складанні рівняння для будь–якого і –го вузла можна скористатись вже готовою універсальною формулою:

за якою:

добуток вузлової напруги в і–тому вузлі на суму провідностей віток між і–тим і кожним з сусідніх з і–тим вузлами,
мінус сума добутків вузлових напруг в кожному сусідньому з і–тим вузлі на провідність вітки між цим вузлом і і–тим,
дорівнює сумі добутків ЕРС у вітці між і–тим і кожним сусіднім з і–тим вузлі (якщо вона є у цій вітці) на провідність цієї вітки.

Складові Е_ij беруться із знаком “+”, якщо ЕРС направлена до і–го вузла і із знаком “–”, якщо вона направлена від і–го вузла.

Розв’язавши систему відносно U_і, можна визначити струми у вітках.

Розглянемо розрахунок електричного кола за цим методом на прикладі такої схеми:

Довільно пронумеруємо вузли схеми, починаючи з нуля. Потенціал у вузлі № 0 приймаємо рівним нулю. Використовуючи наведену формулу, складаємо рівняння для інших вузлів:

для вузла № 1:
для вузла № 2:
для вузла № 3:

Після розв’язання системи рівнянь відносно невідомих U₁, U₂, U₃, тобто визначення їх значень, розраховуємо струми у вітках. Для цього розглянемо кожну вітку окремо.

Вітка з вузлами 0 – 1.

Дія прикладеної до вузлів напругиU₁ рівноцінна дії включеної ЕРС Е = U₁. Для такого штучно утвореного контуру складається рівняння за другим законом Кірхгофа IR₄ = U₁. З якого: I = U₁/ R₄.