Законы Кирхгофа или Правила Кирхгофа: Основы электрических цепей

---

---

---

 

 

 

Законы Кирхгофа или Правила Кирхгофа: Что важно знать об электрических цепях

 

 

Законы Кирхгофа другое значение Правила Кирхгофа: Понимание электрических цепей

 

Законы Кирхгофа, наряду с законом Ома, составляют основополагающую основу для анализа электрических цепей различной сложности.

В этой статье мы рассмотрим два основных закона Кирхгофа, используя простые электрические схемы, которые легко собрать.

Для эксперимента нам понадобятся несколько резисторов, пара источников питания (например, батарейки) и мультиметр.

 

Первый закон Кирхгофа

 

Первый закон Кирхгофа гласит, что сумма токов, входящих в узел электрической цепи, равна сумме токов, выходящих из него. Это можно также интерпретировать как то, что в любом узле электрической цепи общий ток равен нулю. 

 

Узел представляет собой точку соединения трех или более проводников. 

 

 

Токи, поступающие в узел, обозначаются стрелками, направленными к узлу, тогда как токи, покидающие узел, отмечаются стрелками, направленными от узла.

 

 

Этот закон позволяет эффективно анализировать распределение токов в сложных схемах и является ключевым инструментом для инженеров и студентов, изучающих электронику.

 

Первый закон Кирхгофа

 

 

Также известный как закон сохранения заряда, утверждает, что сумма всех токов, входящих в узел электрической цепи, равна сумме всех токов, выходящих из него.

В этом контексте принято обозначать входящие токи положительными значениями, а выходящие — отрицательными. 
Это правило помогает сохранить баланс зарядов в узле, поскольку электрические заряды не могут накапливаться.

 

Для проверки первого закона Кирхгофа можно рассмотреть простую электрическую схему с источником питания, например, двумя батарейками по 1,5 В, соединенными последовательно для получения 3 В.

В этой схеме можно использовать три резистора с разными сопротивлениями: 1 кОм, 2 кОм и 3,2 кОм.

Для измерения токов в различных участках цепи подключим амперметры.

 

Согласно первому закону Кирхгофа, если мы сложим значения токов, учитывая их направления, то получим:

 

I₁ — I₂ — I₃ = 0

 

Это указывает на то, что ток, измеренный первым амперметром (A1), должен быть равен сумме токов, измеренных вторым (A2) и третьим (A3) амперметрами.

Таким образом, закон подтверждает правильность распределения токов в электрической цепи.

Второй закон Кирхгофа-Правило Кирхгофа второе

 

Второй закон Кирхгофа, который иногда вызывает трудности у начинающих радиолюбителей, на самом деле является достаточно простым и понятным, если объяснять его без сложной терминологии.

В упрощенном виде он гласит, что в любом замкнутом электрическом контуре сумма электродвижущих сил (ЭДС) равна сумме падений напряжений на всех элементах цепи.

Это можно записать как:

 

ΣE = ΣIR

 

Чтобы лучше понять этот закон, рассмотрим простой пример с использованием батарейки на 1,5 В и одного резистора. 

 

 

Предположим, что у нас есть батарейка, которая создает напряжение в 1,5 В, и резистор с сопротивлением 100 Ом.

Когда мы замыкаем цепь, ток начинает течь через резистор.

По закону Ома (I = U/R), мы можем рассчитать ток в цепи: I = 1,5 В / 100 Ом = 0,015 А (или 15 мА).

 

Теперь, согласно второму закону Кирхгофа, если мы сложим все ЭДС в контуре (в данном случае только одна батарейка) и сравним с падением напряжения на резисторе (которое также равно 1,5 В), мы увидим, что сумма ЭДС равна сумме падений напряжения.

Это подтверждает правильность нашего понимания закона и показывает, как энергия преобразуется в электрической цепи.

Когда у нас имеется всего один резистор и одна батарейка, напряжение в 1,5 В полностью распределяется на резисторе.

Однако, если мы добавим два резистора с одинаковым сопротивлением, напряжение от батарейки будет делиться между ними поровну.

В этом случае на каждом резисторе будет падение напряжения по 0,75 В.

 

 

Если мы увеличим количество резисторов до трех, сохранив их одинаковое сопротивление в 1 кОм, то теперь каждое сопротивление будет иметь падение напряжения в 0,5 В. 

 

 

Это можно выразить формулой.

 

 

Теперь рассмотрим более сложный случай, когда в нашу схему добавляется еще один источник питания E2 с напряжением 4,5 В.

 

Обратите внимание, что оба источника соединены последовательно: положительный вывод одной батареи соединен с отрицательным выводом другой.

При таком соединении ЭДС складываются: E1 + E2 = 1,5 + 4,5 = 6 В.

В результате падение напряжения на каждом из резисторов составит по 2 В.

Это можно выразить формулой.

 

Теперь рассмотрим вариант последовательного соединения источников с противофазным подключением.

В этом случае к резисторам R1, R2 и R3 будет приложено напряжение, равное разнице ЭДС двух источников: E1 – E2.

Это означает, что при E1 = 4,5 В и E2 = 1,5 В на резисторах будет падение напряжения в 3 В, что в свою очередь дает 1 В на каждый резистор.

 

 

Важно отметить, что второй закон Кирхгофа применим независимо от количества источников питания и нагрузок в цепи, а также от их расположения.

Это знание может быть полезно при сборке реальных схем и проведении измерений с использованием мультиметра для проверки теоретических расчетов.

 

Законы Кирхгофа действуют как для постоянного тока, так и для переменного, что делает их универсальными инструментами для анализа электрических цепей. 

 

Вывод: Законы Кирхгофа являются основополагающими принципами электротехники, которые обеспечивают понимание поведения электрических цепей.

Первый закон Кирхгофа подчеркивает сохранение заряда, гарантируя, что токи в узлах цепи сбалансированы.

Второй закон Кирхгофа акцентирует внимание на сохранении энергии в замкнутых контурах, утверждая, что сумма всех ЭДС равна сумме падений напряжения.

Эти законы позволяют инженерам и исследователям анализировать и проектировать сложные электрические системы с высокой точностью.