Site Loader

Содержание

РАЗНИЦА МЕЖДУ ЗАКОНОМ ОМА И ЗАКОНОМ КИРХГОФА | СРАВНИТЕ РАЗНИЦУ МЕЖДУ ПОХОЖИМИ ТЕРМИНАМИ — ТЕХНОЛОГИЯ

Когда дело доходит до понимания электричества, очень важно понимать взаимосвязь между примитивными параметрами, напряжением и током. Основным принципом, описывающим эти отношения, является закон Ома.

Ключевое различие — закон Ома против закона Кирхгофа
 

Когда дело доходит до понимания электричества, очень важно понимать взаимосвязь между примитивными параметрами, напряжением и током. Основным принципом, описывающим эти отношения, является закон Ома. С другой стороны, закон Кирхгофа — это теория, которая описывает свойства этих параметров по отдельности. Таким образом, ключевое различие между законом Ома и законом Кирхгофа состоит в том, что Закон Ома описывает взаимосвязь между напряжением и током на резистивном элементе, в то время как Кирхгофs-закон описывает поведение тока и напряжения в ветви цепи.

1. Обзор и основные отличия
2. Что такое закон Ома
3. Что такое закон Кирхгофа
4. Сравнение бок о бок — закон Ома против закона Кирхгофа в табличной форме.
5. Резюме

Что такое закон Ома?

Закон Ома гласит, что ток, протекающий по проводнику, пропорционален напряжению на нем, и наоборот. Этот принцип был основан немецким физиком Георгом Омом и сформулирован следующим образом:

V = ИК

Закон Ома можно сравнить с течением воды в трубе. Разность потенциалов между двумя концами приводит в движение воду по трубе, как ток, который создается разностью напряжений на резистивном элементе. Более того, уменьшенное сопротивление, которое увеличивает ток, эквивалентно уменьшению площади поперечного сечения трубы, что уменьшает поток воды.

Что касается отдельного оборудования или цепи элементов в целом, закон Ома используется для расчета полного сопротивления элемента или цепи с измеренными током и напряжением. С помощью рассчитанного сопротивления можно определить или спрогнозировать энергопотребление цепи, если значение сопротивления изменится любым средним значением, например температурой.

Сложная форма закона Ома применима к цепям переменного тока, где V и I — комплексные переменные. В этом случае R относится к сопротивлению цепи (Z). Импеданс также является комплексным числом, в котором только действительная часть способствует рассеиванию активной мощности.

Что такое закон Кирхгофа?

Закон Кирхгофа был предложен немецким физиком Густавом Кирхгофом. Закон Кирхгофа имеет две формы: закон Кирхгофа по току (KCL) и закон Кирхгофа по напряжению (KVL). KCL и KVL описывают сохранение тока и напряжения соответственно.

Действующий закон Кирхгофа (KCL)

KCL утверждает, что общий ток, который входит в узел (точка соединения нескольких ответвленных цепей), и общий ток, вытекающий из узла, равны.

Закон напряжения Кирхгофа (KVL)

KLV, с другой стороны, утверждает, что сумма напряжений в замкнутом контуре равна нулю.

Это выражается в другой форме, поскольку сумма напряжений между двумя узлами цепи равна каждой ответвленной цепи между этими двумя узлами. Это можно изобразить, как на следующем рисунке.

Вот,

v

1 + v2 + v3 — v4 = 0

KVL и KVC чрезвычайно полезны при анализе схем. Однако закон Ома необходимо использовать вместе с ними при решении параметров схемы. Для примера такого анализа схемы дана плавная фигура.

Рассматривая узлы A и B, KCL можно применить следующим образом.

Для узла A; я1 + Я2 = Я3

Для узла B; я1 + Я2 = Я3

Затем КВЛ применяется к замкнутому контуру (1)

V1 + Я1 р1 + Я3 р3 = 0

Затем КВЛ применяется к замкнутому контуру (2)

V+ Я2 р2+ Я3 р3 = 0

Затем КВЛ применяется к замкнутому контуру (3)

V1 + Я1 р1 — я2 р2 — V2 = 0

Решая вышеуказанные уравнения, можно найти любой неизвестный параметр схемы. Обратите внимание, что закон Ома используется при определении напряжений на резисторах.

В чем разница между законом Ома и законом Кирхгофа?

Закон Ома против закона Кирхгофа

Закон Ома описывает соотношение между напряжением и током на резистивном элементе.Закон Кирхгофа описывает поведение тока и напряжения соответственно в ветви цепи.
Закон
Закон Ома гласит, что напряжение на проводнике пропорционально току, протекающему по нему.KCL заявляет, что сумма текущих потоков к узлу равна нулю, в то время как KVL утверждает, что сумма напряжений в замкнутом контуре равна нулю.
Приложения
Закон Ома применим к отдельному резистивному элементу или набору резистивных цепей в целом.KCL и KVL применимы к серии резистивных элементов в цепи.

Резюме — закон Ома против закона Кирхгофа

Законы Ома и Кирхгофа — это две фундаментальные теории в анализе электрических цепей. Они описывают свойства и соотношение напряжения и тока в отдельном проводящем элементе и ветви электрической цепи соответственно. В то время как закон Ома применим к резистивному элементу, законы Кирхгофа применяются к ряду элементов. Это наиболее важное различие между законом Ома и законом Кирхгофа. KCL и KVL обычно используются в схемном анализе вместе с законом Ома.

Скачать PDF-версию закона Ома и закона Кирхгофа

Вы можете скачать PDF-версию этой статьи и использовать ее в автономных целях в соответствии с примечаниями к цитированию. Пожалуйста, скачайте PDF-версию здесь. Разница между законом Ома и законом Кирхгофа.

Ссылки:

1. «Окружной закон Кирхгофа». Окружной закон Кирхгофа, доступен здесь. Проверено 4 сентября 2017 г.
2. «Окружные законы Кирхгофа». Википедия, Фонд Викимедиа, 1 сентября 2017 г., доступно здесь. Проверено 4 сентября 2017 г.

Изображение предоставлено:

1. «OhmsLaw» от Waveguide2 (выступление) (передано Nk / изначально загружено Waveguide2) (изначально загружено на en.wikipedia) (общественное достояние) через Commons Wikimedia
2. «Текущий закон Кирхгофа» путем индуктивной нагрузки — собственный рисунок (общественное достояние) через Commons Wikimedia
3. «Закон напряжения Кирхгофа» Квинканкс — собственная работа (CC BY-SA 3.0) через Commons Wikimedia

ЗАКОНЫ ОМА И КИРХГОФА

Всякая электрическая цепь состоит из источника электрической энергии (генератора), замкнутого проводящего контура (соединительных проводов) и потребителя (нагрузки).

Источники электрической энергии делятся на источники заданной ЭДС (напряжения) и источники заданного тока [1]. У идеального источника заданной ЭДС (рис.1.1,а) полагаем, что напряжение на его клеммах не зависит от нагрузки (внутреннее сопротивление равно нулю), а у идеального источника заданного тока (рис.1.1,б) полагаем, что его ток не зависит от нагрузки (внутреннее сопротивление стремится к ∞).

 
 

 

Омическое сопротивление R участка цепи (нагрузка) (рис.1.1,в) может быть определено по формуле

,

где ρ – удельное сопротивление проводника; l – длина проводника; S – площадь поперечного сечения проводника.

Для расчета процессов в электрической цепи ее изображают в виде схемы.

Схемой электрической цепи называется её графическое изображение, показывающее последовательность соединения участков и отображающее свойства рассматриваемой цепи.

В электрической цепи (схеме) различают узлы, ветви и контуры.

Узел – точка цепи (схемы), где сходятся не менее 3 ветвей. Ветвь – участок цепи (схемы), соединяющий два узла. Контур – замкнутый путь, проходящий по нескольким ветвям цепи (схемы).

Любая часть электрической цепи, имеющая два зажима (полюса), называется двухполюсником.

Расчёт электрических цепей базируется на законе Ома и двух законах (правилах) Кирхгофа.

Закон Ома для участка цепи – ток Ik k-того участка прямо пропорционален напряжению Uk на этом участке и обратно пропорционален сопротивлению Rk этого участка:

Типичная ошибка при применении закона Ома заключается в том, что при определении тока берется напряжение на одном участке и делится на сопротивление другого участка, что не соответствует этому закону.

Первый закон Кирхгофа применяется к узлам электрической цепи и вытекает из принципа непрерывности электрического тока: алгебраическая сумма токов в узле равна нулю или сумма токов, подтекающих к узлу, равна сумме токов, вытекающих из узла.

«Алгебраическая сумма» означает, что втекающие в узел и вытекающие из него токи берутся с противоположными знаками.

Перед составлением уравнений по первому закону Кирхгофа необходимо произвольно задаться условными положительными направлениями токов в ветвях. Пример приведён на рис.1.2.

 
 

 

или

 

Если в результате расчета для какого-либо тока будет получено отрицательное значение, то это означает, что действительное направление данного тока противоположно выбранному.

Второй закон Кирхгофа применяется к контурам электрической цепи:

алгебраическая сумма падений напряжения в замкнутом контуре равна алгебраической сумме ЭДС, действующих в этом контуре.

Электрический ток, протекая по сопротивлению, создаёт на нём падение напряжения, совпадающее по направлению с током, поэтому, выбрав направление тока в ветви, мы задаём и направление падения напряжения.

Перед составлением уравнений по второму закону Кирхгофа необходимо произвольно задаться направлениями обхода контуров. Соответственно, те падения напряжения и ЭДС, которые совпадают по направлению с направлением обхода контура, берутся со знаком «+», в противном случае – со знаком «–».

Рассмотрим пример (рис.1.3).

 

 

Для трёх указанных контуров схемы уравнения по второму закону Кирхгофа будут следующие:

 

Необходимо отметить, что ток в ветви можно определить двумя путями:

— по закону Ома для участка цепи – когда известны напряжение и сопротивление данного участка;

— по первому закону Кирхгофа – когда в узле известны все токи, кроме искомого.

— В свою очередь напряжение между двумя точками цепи можно определить следующим образом:

— по закону Ома для участка цепи ;

— по второму закону Кирхгофа, причём контур может быть замкнут искомым напряжением;

— как разность потенциалов на концах рассматриваемого участка цепи.

1.2. Последовательное соединение сопротивлений

Пусть даны два сопротивления R1 и R2, которые необходимо подключить к зажимам источника.

Один зажим сопротивления R1 подключаем к клемме (+) источника, а другой – к клемме сопротивления R2; свободную клемму R2 подключаем к клемме (–) источника. Получим замкнутый проводящий контур, состоящий из одной ветви, включающей в себя источник с напряжением U и два сопротивления R1 и R2 (рис.1.4).

 
 

 

Аналогично можно включить и большее число сопротивлений. Через любое сечение проводника проходит одинаковое число электрических зарядов. Это следует из закона сохранения заряда. Следовательно, по всем сопротивлениям протекает один и тот же ток. Такое соединение называется последовательным.

Итак, признаком последовательного соединения является то, что по элементам протекает один и тот же ток, т.е. элементы включены в одну общую ветвь.

Для цепи (рис.1.4) запишем уравнение по второму закону Кирхгофа

(1.1)

 

Таким образом, напряжение на входе цепи U

можно выразить через ток I в цепи и эквивалентное сопротивление цепи RЭ.

Эквивалентным (входным) сопротивлением цепи называется такое одно сопротивление, при подключении которого (вместо всех сопротивлений цепи) к зажимам источника режим его работы не изменится, т.е. не изменятся ток I и напряжение U источника.

Эквивалентное сопротивление находится путём последовательного преобразования цепи от конца, противоположного источнику, к зажимам источника.

Конечная схема этих преобразований всегда одна (рис.1.5).

 
 

 

 

Итак, для цепи (см. рис.1.4) получаем

(1.2)

 

Из (1.2) следует:

— при последовательном соединении сопротивления складываются;*

— последовательные соединения удобнее рассчитывать через сопротивления.

Обратите внимание, что последовательное подключение сопротивления увеличивает эквивалентное сопротивление цепи, т.е. уменьшает потребляемый ток и мощность, отдаваемую источником.

1.3. Параллельное соединение сопротивлений

Те же два сопротивления R1 и R2 можно подключить к источнику и по-другому: R1 подключим к зажимам «+» и «–» и аналогично подключим R2. Получим схему, содержащую три ветви и два узла (рис.1.6).

 
 

 

 

Такое соединение называется параллельным. Из полученной схемы соединений видно, что признаком параллельного соединения является то, что сопротивления находятся под одним и тем же напряжением, т.е. подключены к двум общих узлам (а и b).

Для цепи (см. рис.1.6) по первому закону Кирхгофа имеем

 

(1.3)

По закону Ома токи в ветвях схемы

Подставляя в (1.3), получаем

. (1.4)

Поделив левую и правую части уравнения (1.4) на общую величину U, получим

.

Обозначим . Величина G, обратная сопротивлению, называется проводимостью. Размерность [G] = Ом-1 = См.

Получаем выражение для эквивалентной проводимости

. (1.5)

Из (1.5) следует:

— при параллельном соединении элементов проводимости складываются;*

— параллельные соединения удобнее рассчитывать через проводимости.

Для частного случая, когда параллельно соединены два сопротивления R1 и R2, эквивалентное сопротивление будет

Обратите внимание, что параллельное подключение сопротивления уменьшает эквивалентное сопротивление цепи, т.е. увеличивает потребляемый ток и мощность, отдаваемую источником.

1.4. Смешанное соединение сопротивлений

Если электрическая цепь содержит три и более сопротивлений, то наряду с последовательным и параллельным соединениями возможно смешанное соединение.

Смешанным соединением называют сочетание последовательного и параллельного соединений (рис.1.7).

 
 

 

Схему смешанного соединения можно «свернуть», т.е. найти эквивалентное сопротивление RЭ.

На схеме (см. рис.1.7) сопротивления R2 и R3 включены параллельно. Заменим их одним сопротивлением R4 :

Получим новую схему (рис.1.8), эквивалентную заданной:

 
 

 

 

В полученной схеме сопротивления R1 и R4 включены последовательно, так как по ним протекает один ток I1.

Следовательно, эквивалентное сопротивление цепи (рис. 1.9)

 

Более сложные электрические цепи могут не сводиться к последовательному и параллельному соединению элементов. Если при нахождении RЭ вы убедились, что в схеме нет последовательно или параллельно соединённых сопротивлений, необходимо воспользоваться преобразованием «звезды» в «треугольник» или наоборот [1,2,3].

1.5. Расчет простых электрических цепей

Электрические цепи можно условно разделить на простые и сложные.

Простой электрической цепью будем считать цепь, содержащую один источник электрической энергии. Если в одной ветви имеется несколько источников, то их всегда можно привести к одному эквивалентному.

Сложной электрической цепью будем называть цепь, содержащую два и более источников в различных ветвях. Расчёт сложных электрических цепей будет рассмотрен позже.

Различают прямую и обратную задачи расчёта простых цепей.

Прямой задачей называется расчет такой цепи, когда в схеме заданы ЭДС (напряжение) источника и сопротивления всех нагрузок. Требуется определить токи (напряжения, мощности) во всех ветвях.

Пример.Дана электрическая цепь, схема которой приведена на рис.1.10.

 

 

Известны параметры цепи и источника:

U = 20 В; R1 = 3 Ом; R2 = 4 Ом; R3 = 1.6 Ом; R4 = 6 Ом; R5 = 4 Ом.

Требуется определить токи во всех ветвях I1, I2, I3, I4, I5.

Расчёт прямой задачи ведётся в два этапа.

Первый этап. Цепь надо «свернуть», т.е. найти ее эквивалентное (входное) сопротивление RЭ.

Выберем положительные направления токов в ветвях и укажем их стрелками.

Поэтапно преобразуем цепь. Сопротивления R4 и R5 включены параллельно, следовательно,

Ом.

Получаем схему, эквивалентную заданной (рис.1.11).

 

 

В полученной схеме сопротивления R6 и R3 соединены последовательно, следовательно,

Ом.

Получим схему, эквивалентную предыдущей (рис.1.12).

 

 

Здесь R2 и R7 включены параллельно. Заменим их сопротивлением R8 :

Ом.

Новая эквивалентная схема показана на рис.1.13.

Сопротивления R1 и R8 включены последовательно, т.е. эквивалентное сопротивление цепи (рис.1.14)

Ом.

 

 

Второй этап. Теперь «развернём» схему, т.е. идем по эквивалентным схемам в обратном порядке и находим токи в ветвях.

В схеме (см. рис.1.14) известны U = 20 В, RЭ = 5 Ом.

Следовательно, ток

А.

Переходим к схеме (см. рис.1.13). Здесь найдены все величины.

Переходим к схеме на рис.1.12. В схеме неизвестны токи I2 и I3. Их можно найти по закону Ома:

Найдём напряжение Uaс. Здесь возможны два пути.

1. Запишем уравнение по второму закону Кирхгофа для контура, куда входит напряжение Uaс:

.

Отсюда получаем искомое напряжение на участке ac:

В.

2. Напряжение Uaс можно определить по закону Ома для участка ac схемы (см. рис.1.13)

В.

Зная напряжение Uaс, находим токи I2 и I3 по закону Ома:

A; A.

Аналогично найдём напряжение Uab:

В.

Тогда токи A; A.

Таким образом, прямая задача решена.

Проверить расчёт можно по законам Кирхгофа.

1. По первому закону Кирхгофа:

для узла «а» A;

для узла «b» A;

для узла «c» A.

2. По второму закону Кирхгофа

В.

Одним из точных способов проверки правильности расчёта токов является проверка по балансу мощностей. В основе баланса мощностей лежит закон сохранения энергии, в соответствии с которым суммарная мощность, отдаваемая источниками в цепь (Рист), должна равняться суммарной мощности всех потребителей (Рпотр).

В рассматриваемом примере мощность источника

Вт.

Суммарная мощность потребителей

Вт.

Таким образом,

.

Баланс мощностей соблюдается, следовательно, токи в ветвях схемы найдены правильно.

Для рассматриваемого примера построим потенциальную диаграмму для внешнего контура.

Потенциальная диаграмма показывает, как изменяется потенциал j при движении вдоль замкнутого контура цепи. По оси абсцисс откладываются сопротивления R участков цепи вдоль контура, по оси ординат – потенциалы точек рассматриваемого контура.

Электрический потенциал j – величина относительная, и его значение зависит от того, какая из точек цепи принимается за базисную и мысленно заземляется, т.е. её потенциал условно считается равным нулю.

Необходимо помнить, что во внешней цепи ток протекает от точки с бóльшим потенциалом к точке с меньшим потенциалом (катится с горки), поэтому при определении потенциала надо учитывать, что если направление тока совпадает с направлением перехода от одной точки к другой, то потенциал понижается на величину падения напряжения IR на этом участке. В противном случае потенциал повышается.

Возьмем замкнутый контур abcma. Пусть потенциал точки а цепи (см. рис.1.10) равен нулю: ja = 0. Так как ток протекает из точки с бóльшим потенциалом в точку с меньшим потенциалом, то потенциал точки b будет меньше потенциала точки а на величину падения напряжения на сопротивлении R4 или на сопротивлении R5:

В.

Потенциал точки с ниже потенциала точки b по той же причине, т.е.

В.

Потенциал точки m выше потенциала точки с из-за наличия на участке cm источника с напряжением U, в котором за счёт работы сторонних сил происходит повышение потенциала, т.е.

В.

Потенциал точки а

В.

Контур abcma замкнулся.

Потенциальная диаграмма приведена на рис.1.15.

 

Тангенс угла наклона α любого участка потенциальной диаграммы пропорционален току цепи на этом участке.

Например, для участка ab

.

По заданной потенциальной диаграмме контура можно определить потенциалы точек, сопротивления участков, напряжения на участках, токи на участках этого контура.

Рассмотрим обратную задачу.

Обратная задача: по известным току (напряжению или мощности) на одном из участков и сопротивлениям цепи определить остальные токи и напряжение (мощность) источника.

Рассмотрим эту задачу на том же примере (см. рис.1.10), считая, что заданы ток в пятой ветви (I5 = 1,2 A) и те же сопротивления нагрузок.

Решение. Определим напряжение Uab по закону Ома:

В.

Так как R4 и R5 соединены параллельно, ток в четвертой ветви

А.

Теперь по первому закону Кирхгофа найдем ток в третьей ветви:

A.

Напряжение Uac определим по второму закону Кирхгофа. Для этого возьмем контур с сопротивлениями R5, R3, R2:

.

Отсюда находим

В.

Ток в ветви сопротивлением R2

A.

Ток в ветви с источником находим по первому закону Кирхгофа:

A.

Напряжение на зажимах источника

В.

Этот приём можно использовать и для расчёта прямой задачи.

Для этого в наиболее удаленной от источника ветви произвольно задаемся некоторым значением тока (например, 1 А). Далее, продвигаясь к входным зажимам, рассчитываем токи в ветвях и напряжения на участках схемы. В результате расчета получим значение напряжения источника U’, если бы в исходной ветви протекал ток в 1 А.

Так как полученное значение напряжения U’ в общем случае будет отличаться от действительного значения напряжения U источника, то находим коэффициент K, равный отношению

на который следует умножить все найденные токи и напряжения, чтобы получить их действительные значения. Этот метод расчёта линейных электрических цепей называют методом пропорциональных величин.

1.6. Расчет сложных электрических цепей

Сложной электрической цепью называется цепь, содержащая два и более источников электрической энергии, находящихся в различных ветвях.

Для анализа сложной электрической цепи её необходимо описать системой независимых уравнений, решив которые можно определить токи во всех ветвях, а следовательно, найти напряжения и мощности на всех участках.

В зависимости от поставленной задачи расчёта цепи можно применять любой из пяти ниже рассмотренных методов.


Узнать еще:

Военно-техническая подготовка

1.2. Постоянный ток


1.2.1. Законы Ома.

Закон Ома — эмпирический физический закон, определяющий связь электродвижущей силы источника или электрического напряжения с силой тока и сопротивлением проводника.

В своей оригинальной форме он был записан его автором в виде :

,

где X — показания гальванометра, т.е в современных обозначениях сила тока I ;

a — величина, характеризующая свойства источника напряжения, постоянная в широких пределах и не зависящая от величины тока, то есть в современной терминологии электродвижущая сила (ЭДС) ;

l — величина, определяемая длиной соединяющих проводов, чему в современных представлениях соответствует сопротивление внешней цепи R ;

b — параметр, характеризующий свойства всей установки, в котором сейчас можно усмотреть учёт внутреннего сопротивления источника тока r .

В таком случае в современных терминах и в соответствии с предложенной автором записи формулировка Ома (1) выражает

Закон Ома для полной цепи :

,

где ε — ЭДС источника напряжения;

I — сила тока в цепи;

R — сопротивление всех внешних элементов цепи;

r — внутреннее сопротивление источника напряжения.

Из закона Ома для полной цепи вытекают следствия:

  • При r<<R сила тока в цепи обратно пропорциональна её сопротивлению. А сам источник в ряде случаев может быть назван источником напряжения
  • При r>>R сила тока от свойств внешней цепи (от величины нагрузки) не зависит. И источник может быть назван источником тока.

Часто выражение

,

где есть напряжение, или падение напряжения (или, что то же, разность потенциалов между началом и концом участка проводника), тоже называют «Законом Ома».

Таким образом, электродвижущая сила в замкнутой цепи, по которой течёт ток в соответствии с (2) и (3) равняется:

,

То есть сумма падений напряжения на внутреннем сопротивлении источника тока и на внешней цепи равна ЭДС источника. Последний член в этом равенстве специалисты называют «напряжением на зажимах», поскольку именно его показывает вольтметр, измеряющий напряжение источника между началом и концом присоединённой к нему замкнутой цепи. В таком случае оно всегда меньше ЭДС.

К другой записи формулы (3), а именно:

,

применима другая формулировка:

<<

Сила тока в участке цепи прямо пропорциональна напряжению и обратно пропорциональна
электрическому сопротивлению данного участка цепи.

>>

Выражение (5) можно переписать в виде:

,

где коэффициент пропорциональности G назван проводимость или электропроводность. Изначально единицей измерения проводимости был «обратный Ом» — Mо, в Международной системе единиц (СИ) единицей измерения проводимости является сименс (русское обозначение: См; международное: S ), величина которого равна обратному Ому.

Рис 1. Схема, иллюстрирующая три составляющие закона Ома.

Рис 2. Диаграмма, помогающая запомнить закон Ома. Нужно закрыть искомую величину, и два других символа дадут формулу для её вычисления


1.2.2. Правила Кирхгофа.

Правила Кирхгофа (часто, в литературе, называются не совсем корректно Законы Кирхгофа, название «Правила» корректнее потому, что эти правила не являются фундаментальными законами природы, а вытекают из фундаментальных законов сохранения заряда и безвихревости электростатического поля) — соотношения, которые выполняются между токами и напряжениями на участках любой электрической цепи. Правила Кирхгофа позволяют рассчитывать любые электрические цепи постоянного, переменного и квазистационарного(«почти стационарного») тока.

Для формулировки правил Кирхгофа вводятся понятия узел , ветвь и контур электрической цепи.

Ветвью называют любой двухполюсник, входящий в цепь.

Узлом называют точку соединения трех и более ветвей.

Контур — замкнутый цикл из ветвей. Термин замкнутый цикл означает, что, начав с некоторого узла цепи и однократно пройдя по нескольким ветвям и узлам, можно вернуться в исходный узел. Ветви и узлы, проходимые при таком обходе, принято называть принадлежащими данному контуру. При этом нужно иметь в виду, что ветвь и узел могут принадлежать одновременно нескольким контурам.

В терминах данных определений правила Кирхгофа формулируются следующим образом.

Первое правило .

Первое правило Кирхгофа гласит, что алгебраическая сумма токов в каждом узле любой цепи равна нулю. При этом направленный к узлу ток принято считать положительным, а направленный от узла — отрицательным: Алгебраическая сумма токов, направленных к узлу равна сумме направленных от узла.

.

Иными словами, сколько тока втекает в узел, столько из него и вытекает. Это правило следует из фундаментального закона сохранения заряда.

Второе правило .

Второе правило Кирхгофа (правило напряжений Кирхгофа) гласит, что алгебраическая сумма падений напряжений на всех ветвях, принадлежащих любому замкнутому контуру цепи, равна алгебраической сумме ЭДС ветвей этого контура. Если в контуре нет источников ЭДС (идеализированных генераторов напряжения), то суммарное падение напряжений равно нулю:

для постоянных напряжений:

для переменных напряжений:

Это правило вытекает из 3-го уравнения Максвелла, в частном случае стационарного магнитного поля.

Иными словами, при полном обходе контура потенциал, изменяясь, возвращается к исходному значению. Частным случаем второго правила для цепи, состоящей из одного контура, является закон Ома для этой цепи. При составлении уравнения напряжений для контура нужно выбрать положительное направление обхода контура. При этом падение напряжения на ветви считают положительным, если направление обхода данной ветви совпадает с ранее выбранным направлением тока ветви, и отрицательным — в противном случае.

Правила Кирхгофа справедливы для линейных и нелинейных линеаризованных цепей при любом характере изменения во времени токов и напряжений.

Особенности составления уравнений для расчёта токов и напряжений .

Если цепь содержит p узлов, то она описывается p — 1 уравнениями токов. Это правило может применяться и для других физических явлений (к примеру, система трубопроводов жидкости или газа с насосами), где выполняется закон сохранения частиц среды и потока этих частиц.

Если цепь содержит m ветвей, из которых содержат источники тока ветви в количестве m i , то она описывается m m i – ( p — 1) уравнениями напряжений.

  • Правила Кирхгофа, записанные для p — 1 узлов или m – ( p — 1) контуров цепи, дают полную систему линейных уравнений, которая позволяет найти все токи и все напряжения.
  • Перед тем, как составить уравнения, нужно произвольно выбрать:
    • положительные направления токов в ветвях и обозначить их на схеме, при этом не обязательно следить, чтобы в узле направления токов были и втекающими, и вытекающими, окончательное решение системы уравнений всё равно даст правильные знаки токов узла;
    • положительные направления обхода контуров для составления уравнений по второму закону, с целью единообразия рекомендуется для всех контуров положительные направления обхода выбирать одинаковыми (напр.: по часовой стрелке).
  • Если направление тока совпадает с направлением обхода контура (которое выбирается произвольно), падение напряжения считается положительным, в противном случае — отрицательным.
  • При записи линейно независимых уравнений по второму правилу Кирхгофа стремятся, чтобы в каждый новый контур, для которого составляют уравнение, входила хотя бы одна новая ветвь, не вошедшая в предыдущие контуры, для которых уже записаны уравнения по второму закону ( достаточное, но не необходимое условие ).

Рис 3. Сколько тока втекает в узел, столько из него и вытекает.

i2 + i3 = i1 + i4

Рис 4. На этом рисунке для каждой ветви обозначен протекающий по ней ток (буквой «I») и напряжение между соединяемыми ею узлами (буквой «U»).

Проверка закона Ома для участка цепи и всей цепи. Проверка закона Кирхгофа

Проверка закона Ома для участка цепи и всей цепи. Проверка закона Кирхгофа

Лабораторная работа

Цель работы

Практически убедится в физических сущности закона Ома для участка цепи. Проверить опытным путем законы Кирхгофа.

Оборудование

Приборный щит № 1. Стенд.

Теоретическое обоснование

Расчет и анализ эл.цепей может быть произведен с помощью основных законов эл.цепей закон Ома , первого и второго законов Кирхгофа.

Как показывают опыты, ток на участке цепи прямо пропорционально напряжении на этом участке цепи и обратно пропорционально сопротивлении того же участка -это закон Ома

Рассмотрим полную цепь: ток в этой цепи определяется по формуле (закон Ома для полной цепи). Сила тока в эл.цепи с одной ЭДС прямо пропорционален этой ЭДС и обратно пропорционален сумме сопротивлении внешней и внутренней участков цепи.

Согласно первому закону Кирхгофа, алгебраическая сумма токов ветвей соединений в любой узловой точке эл.цепи равна нулю.

Согласно второго закона Кирхгофа в любой замкнутом контуре эл.цепи, алгебраическая сумма ЭДС равна алгебраической сумме напряжении на всех резисторных элементов контура.

Порядок выполнения работы:

Ознакомится с приборами и стендом, для выполнение работы. Подключим шнур питания к источнику питания.

Источник подключить к стенду, меняя переменным резистором сопротивление цепи измеряем ток,  напряжение. Результаты заносим в таблицу. Произвести необходимые расчеты

На стенде «закон Кирхгофа». Меняем сопротивление цепи. Результаты опытов заносим в таблицу. Произвести необходимый расчет

Рис. 1. Закон Ома для участка цепи

Рис.2. Первый закон Кирхгофа     

Табл.1

Данные наблюдений

Результаты вычислений

R

U

I

Uобщ

E

1

3

3

3

3,3

1,5

3

2

3

3,2

3

3

1

3

3,1

Табл.2

Данные наблюдений

Результаты вычислений

R1

R2

I1

I2

I3

I4

I2+I3

U1

U2

2

0,7

4

1

3

4

4

2

2,1

1

1

4

2

2

4

4

2

2

0,7

2

4

3

1

4

4

2,1

2

 

Е1=3(1+0,1)=3,3;              Е2=2(1,5+0,1)=3,2;             Е3=1(3+0,1)=3,1

 

U1=2*1=2;                U2=2*1=2;                  U1=3*0,7=2,1;                        U2=1*2=2    

Вывод

Опытным и расчетным путями доказали, что сила тока в эл.цепи с одной ЭДС прямо пропорционален этой ЭДС и обратно пропорционален сумме сопротивлений внешних и внутреннего участка цепи. Согласно первому закону Кирхгофа сила тока на входе цепи равна силе тока на входе цепи. Сумма токов на ветвях цепи равна току на выходе цепи.

Ответы на контрольные вопросы

Закон Ома для полной цепи рассматривает полное сопротивление всей цепи, а закон Ома для участка цепи рассматривает только данный участок цепи. Оба закона Ома показывают зависимость силы тока от сопротивления – чем больше сопротивление, тем меньше сила тока и ЭДС или наоборот.

Для создания напряжения в цепи необходимо движение зарядов внутри источника тока, а это происходит только под действием сил, приложенных извне. При отсутствии тока в цепи ЭДС равна разности потенциалов  источника энергии, поэтому подключенный в эту цепь вольтметр показывает ЭДС , а не напряжение .

I — закон Кирхгофа (применяется для расчётов сложных электрических цепей): сумма токов приходящих к узловой точке, равна сумме токов, уходящих от неё, причём направление токов к точке считают  положительным, а от неё – отрицательным. Или алгебраическая сумма токов в узловой точке электрической цепи равна нулю.

II – закон Кирхгофа (для любой электрической цепи): алгебраическая сумма всех ЭДС равна алгебраической сумме падений напряжения сопротивления, включенных последовательно.

Е12+…+Еn=I1R1+I2R2+…+InRn

Дата добавления: 31.10.2004

Закон Ома для полной цепи. Законы Кирхгофа

Закон Ома для полной цепи.
Законы Кирхгофа.
Какая лампа горит ярче?
Что вы знаете о преобразовании энергии?

3. Цели урока

Студенты:
• Все студенты будут:
• — объяснить понятие электродвижущей силы;
• — знать и применять формулы законов Ома;
• — разъяснят физический смысл закона Ома для полной цепи
постоянного тока на основе закона сохранения энергии;
• — объяснить разницу между ЭДС и напряжением внешней
цепи;
• — формировать навыки анализа и синтеза через решение
задач (качественных, графических и расчетных)
• — способствовать развитию таких аналитических
способностей как умение анализировать, выявлять главную
информацию, делать выводы.
Единица силы тока
движущиеся заряженные
частицы
Ампер
Единица напряжения
Вольт
Единица сопротивления
Ом
Формула Закона Ома для участка цепи
I=U/R
Сила тока измеряется по формуле
I = q/ t
Прибор для измерения силы тока
Амперметр
Прибор для измерения напряжения
Вольтметр
Прибор, сопротивление которого можно
регулировать
Реостат
Электрический ток создают
Амперметр включается в цепь
последовательно
Формула нахождения сопротивления
R=ρl/S
За направление тока
направление движения
положительно
заряженных частиц
принято
При последовательном соединении
проводников общее сопротивление цепи
равно
Сумме всех
сопротивлений
При параллельном соединении
проводников сила тока в цепи…
Равна
сумме токов
При параллельном соединении
проводников напряжение в цепи…
Одинаково на
каждом
проводнике
С изменением напряжения или силы
тока в цепи сопротивление…
Не меняется
1. Вычислите силу тока в спирали электрической плитки,
включенной в сеть с напряжением 220В, если
сопротивление спирали равно 100 Ом.
2.
Сила тока, проходящая через нить лампы 0,3 А,
напряжение лампы 6 В. Какое электрическое
сопротивление нити лампы?
3. Сила тока в цепи 2 А, сопротивление резистора 110 Ом.
Чему равно напряжение в цепи?
Исследование закона Ома для полной цепи
Оборудование: источник питания, реостат, амперметр, вольтметр,
ключ, соединительные провода.
Ход работы:
1. Соберите электрическую цепь.
2. Проверьте надежность электрических
контактов, правильность подключения
амперметра и вольтметра.
3. Проделайте работу при разомкнутом и
замкнутом ключе. Внимательно
посмотрите показания вольтметра.
4. Снимите показания вольтметра и
амперметра при замкнутом ключе.
5. Запишите результаты измерений
6. Сделайте вывод.
Вывод: Закон Ома для полной цепи:
• Закон Ома для участка цепи рассматривает
только данный участок цепи, а закон Ома для
полной цепи рассматривает полное
сопротивление всей цепи.
• Оба закона Ома показывают зависимость силы
тока от сопротивления – чем больше
сопротивление, тем меньше сила тока и
наоборот.

10. Закон Ома для полной цепи

Я брал куски цилиндрической
проволоки произвольной длины
из различных материалов и
помещал их поочередно в цепь…
Георг Ом
…открытие Ома было скептически воспринято в научных кругах. Это отразилось
и на развитии науки – скажем, законы распределения токов в разветвленных
цепях были выведены
Г. Кирхгофом лишь двадцать лет спустя…

11. Закон Ома для полной цепи

Сила тока (А)
I
Сопротивление
нагрузки (Ом)
R r
Сила тока в цепи прямо
пропорциональна электродвижущей силе
источника тока и обратно
пропорциональна сумме электрических
сопротивлений внешнего и внутреннего
участков цепи.
ЭДСэлектродвижущая
сила источника тока
(В)
Внутреннее
сопротивление
источника тока
(Ом)

12. Если на участке цепи не действует ЭДС (нет источника тока)

U=φ1-φ2
Если концы участка, содержащего источник тока,
соединить, то их потенциал станет одинаков
U=ε
В замкнутой цепи напряжение на внешнем и внутреннем
участках равно ЭДС источника тока
ε=Uвнеш+Uвнутр

13. Короткое замыкание

При коротком замыкании R → 0,
сила тока
I
R r
I кз
r

14. Вычислите токи короткого замыкания

Источник тока
E,В
r, Ом
Гальванический
элемент
1,5
1
1,5
6
0,01
600
100
0,001
Аккумулятор
Осветительные
сети
Iк.з., А
100 000

15. I закон Кирхгофа

• Алгебраическая сумма токов в каждом узле
любой цепи равна нулю. При этом направленный
к узлу ток принято считать положительным, а
направленный от узла — отрицательным.
n
I
i 1
i
0

16. II закон Кирхгофа

• Алгебраическая сумма падений напряжений на
всех ветвях, принадлежащих любому замкнутому
контуру цепи, равна алгебраической сумме ЭДС
ветвей этого контура.
n
n
U E
i 1
i
i 1
i
Используемые ресурсы:
https://nsportal.ru/shkola/fizika/library/2015/05/17/
zakon-oma-dlya-polnoy-tsepi
http://www.schoolphysics.co.uk/age1416/Electricity%20and%20magnetism/Current%20elec
tricity/text/Volts_amps_and_joules/index.html

Законы Ома и Кирхгофа

Закон Ома

Определение 1

Закон Ома – это эмпирический физический закон, который определяет взаимосвязь между силой электрического тока, протекающего в проводнике, электродвижущей силой источника, а также сопротивлением проводника.

В своей работе Георг Ом в 1827 году вывел формулу:

$X = a / (b + l)$

где, Х — показания гальванометра; а — величина, которая характеризует свойства источника напряжения, являющаяся постоянной в широком диапазоне, а также никак не зависящая от величины тока; l — величина, которая определяется длиной соединяющих проводов; b — параметр, который характеризует свойства электрической установки.

В современной интерпретации данная формула выглядит следующим образом:

$I = E / (R + r)$

где, Е — электродвижущая сила, измеряется в вольтах; I — сила тока в цепи, измеряется в амперах; R — сопротивление всех внешних элементов электрической цепи, измеряется в омах; r — внутреннее сопротивление источника напряжения, измеряется в омах.

Из закона Ома вытекают следующие следствия:

  1. Если внутреннее сопротивление источника напряжения намного меньше, чем сопротивление всех внешних элементов электрической сети, то сила тока обратно пропорциональна ее сопротивлению.
  2. Если внутреннее сопротивление источника во много раз больше, чем сопротивление всех внешних элементов электрической сети, то сила тока никак не зависит от величины нагрузки (свойства внешней сети).

Еще одно выражение, которое относят к закону Ома:

$U = I • R$

где, U — напряжение (или падения напряжений или разность потенциалов между началом и концом участка проводника).

Следовательно, электродвижущая сила электрической цепи, в которой протекает ток, можно выразить следующей формулой:

$E = Ir + IR = U(r) + U(R)$

Таким образом, сумма падений напряжений на внешней цепи и внутреннем сопротивлении источника электрического тока равна электродвижущей силе источника. Формулу для расчета напряжения можно записать следующим образом:

Готовые работы на аналогичную тему

$I = U / R$

То есть сила тока в электрической цепи прямо пропорциональна напряжению и обратно пропорциональна электрическому сопротивлению участка электрической цепи. Это же выражение можно записать:

$I = U • G$

где G — электропроводность (проводимость).

Закон Ома не фундаментальный, поэтому он может не соблюдаться в следующих случаях:

  1. В контактах металл-диэлектрик.
  2. При высокой скорости изменения электрического поля, когда пренебречь инерциональностю носителя заряда нельзя.
  3. В гетерогенных полупроводниках.
  4. В полупроводниковых приборах, у которых имеет p-n переход (транзисторы, диоды).
  5. При условии низкой температуры веществ, которые обладают сверхпроводимостью.
  6. При приложении к проводнику высокого напряжения, которое может стать причиной электрического пробоя.
  7. В электронных лампах, в том числе люминесцентных.
  8. При сильном нагреве проводника электрическим током.

Первый закон Кирхгофа

Первый закон Кирхгофа гласит, что сумма токов в любом узле любой электрической цепи равна нулю.

Определение 2

Узел электрической цепи — участок электрической цепи, где соединяются три и более проводника.

Ток, который входит в узел электрической цепи обозначается стрелкой, направленной к узлу, а вытекающий, имеет напряжение от узла. Пример изображения узла цепи и токов входящих и выходящих из него изображен на рисунке ниже.

Рисунок 1. Узел цепи. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Согласно закону Кирхгофа верно следующее выражение:

$I_1 + I_2 – I_3 – I_4 – I_5 = 0$

Откуда

$I_1 + I_2 = I_3 + I_4+ I_5$

Второй закон Кирхгофа

Согласно второму закону Кирхгофа, алгебраическая сумма электродвижущих сил равняется сумме напряжений на всех пассивных составляющих, в любом замкнутом контуре. Сумма электродвижущих сил, согласно второму закону Кирхгофа, можно записать следующим образом:

Рисунок 2. Формула. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Или

Рисунок 3. Формула. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Рассмотрим простую электрическую цепь, которая изображена на рисунке ниже.

Рисунок 4. Электрическаяь цепь. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Так как в данной цепи всего один резистор, то падение напряжений на его выводах будет равняться электродвижущей силе источника питания, то есть 1,5 вольта. Если мы рассмотрим более сложную цепь, добавив к резистору еще один, у которого такое же сопротивление, то напряжение на резисторах будет 0,75 вольта. Тоже самое произойдет, если в электрическую цепь включить третий резистор с таким же сопротивлением, как на схеме представленной ниже.

Рисунок 5. Электрическая цепь. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

И формула обретает следующий вид:

$Е = I • R_1 + I • R_2 + I • R_3$

В электрической цепи может быть несколько источников питания, как показано на рисунке ниже.

Рисунок 6. Электрическая цепь. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

В данной схеме электрической цепи оба источника питания подключены последовательно встречно, в таком случае к резисторам будет прилагаться разность электродвижущих сил и формула обрете следующий вид:

$E_2 – E_1 = I • R_1 + I • R_2 + I • R_3$

Подставляем численные значения и получаем:

4,5 — 1,5 = 1 + 1 + 1;

3 = 3

Второй закон Кирхгофа работает в электрических цепях, вне зависимости от количества источников электродвижущей силы и нагрузок и принципиальной разницы, где они будут находиться.

Закон Кирхгофа

Немецкий ученый Густав Кирхгоф наряду с другими исследованиями сформулировал основной закон, помогающий рассчитывать токи и напряжения в различных видах электрических цепей, который известен, как закон Кирхгофа.

История создания закона Кирхгофа

В середине 19-го века свойства различных электрических цепей активно исследовались с целью их дальнейшего применения на практике. К тому времени уже был совершен переход от простых цепей к более сложным и одним законом Ома было уже не обойтись. Возникла необходимость в расчетах очень сложных и разветвленных цепей.

Именно Кирхгоф сформулировал основные правила, с помощью которых стало возможным рассчитывать цепи практически любой сложности.

Первый закон Кирхгофа

В первом законе рассматривается узел цепи, представляющий собой точку схождения или разветвления трех проводов и более. В этом случае количество поступающего и исходящего электрического тока в общей сумме каждого вида будет одинаково. Таким образом, соблюдается закон сохранения электрического заряда.

Например, при Т-образном узле сумма токов, поступающих по двум проводам, равна току, выходящему по третьему проводу. В противном случае, в узле постоянно происходило бы накопление электрических зарядов, чего, практически, никогда не случается.

Второй закон Кирхгофа

При сложной и разветвленной цепи, она мысленно разбивается на несколько обыкновенных замкнутых контуров. Распределение тока по этим контурам происходит различными путями. В этом случае, достаточно сложно определить маршрут протекания того или иного тока. В каждом контуре у электронов происходит либо приобретение дополнительной энергии, либо ее потеря из-за возникшего сопротивления. Таким образом, общая энергия электронов в каждом замкнутом контуре имеет нулевое значение. В противном случае, с физической точки зрения, происходило бы постоянное возрастание или убывание электрического тока.

Применение законов Кирхгофа

Законы Кирхгофа широко применяются в различных видах цепей, которые могут быть последовательными либо параллельными. Наиболее типичным примером последовательной цепи служит елочная гирлянда, где все лампочки соединяются в последовательную цепь. В такой цепи в соответствии с законом Ома напряжение постепенно падает. В параллельных цепях напряжение остается одинаковым, а сила тока каждого элемента напрямую зависит от его сопротивления. Определение токов, проходящих по каждому узлу таких цепей, производится в соответствии с первым законом Кирхгофа.

Расчет цепи по законам Кирхгофа

Разница между законом Ома и законом Кирхгофа

Автор: Касун

Ключевое различие — закон Ома и закон Кирхгофа

Когда дело доходит до понимания электричества, очень важно понимать взаимосвязь между примитивными параметрами, напряжением и током. Основным принципом, описывающим эти отношения, является закон Ома. С другой стороны, закон Кирхгофа — это теория, которая описывает свойства этих параметров по отдельности.Таким образом, ключевое различие между законом Ома и законом Кирхгофа состоит в том, что закон Ома описывает соотношение между напряжением и током на резистивном элементе, в то время как закон Кирхгофа s описывает поведение тока и напряжения в ветви цепи.

СОДЕРЖАНИЕ

1. Обзор и основные отличия
2. Что такое закон Ома
3. Что такое закон Кирхгофа
4. Сравнение бок о бок — закон Ома и закон Кирхгофа в табличной форме
5.Резюме

Что такое закон Ома?

Закон

Ома гласит, что ток, протекающий по проводнику, пропорционален напряжению на нем, и наоборот. Этот принцип был основан немецким физиком Георгом Омом и изложен в статье

.

В = ИК

Рисунок 01: Закон Ома

Закон Ома можно сравнить с потоком воды в трубе. Разность потенциалов между двумя концами приводит в движение воду по трубе, как ток, который создается разностью напряжений на резистивном элементе.Более того, уменьшенное сопротивление, которое увеличивает ток, эквивалентно уменьшению площади поперечного сечения трубы, что уменьшает поток воды.

Что касается отдельного оборудования или цепи элементов в целом, закон Ома используется для расчета полного сопротивления элемента или цепи с измеренными током и напряжением. С помощью рассчитанного сопротивления можно определить или спрогнозировать потребляемую мощность схемы, если значение сопротивления изменяется любым средним, например температурой.

Сложная форма закона Ома применима к цепям переменного тока, где V и I — комплексные переменные. В этом случае R относится к сопротивлению цепи (Z). Импеданс — это также комплексное число, в котором только действительная часть способствует рассеиванию активной мощности.

Что такое закон Кирхгофа?

Закон Кирхгофа был предложен немецким физиком Густавом Кирхгофом. Закон Кирхгофа имеет две формы: закон Кирхгофа по току (KCL) и закон Кирхгофа по напряжению (KVL). KCL и KVL описывают сохранение тока и напряжения соответственно.

Действующий закон Кирхгофа (KCL)

KCL утверждает, что общий ток, который входит в узел (точка соединения нескольких ответвленных цепей), и общий ток, вытекающий из узла, равны.

Рисунок 02: Действующий закон Кирхгофа

Закон Кирхгофа о напряжении (KVL)

KLV, с другой стороны, утверждает, что сумма напряжений в замкнутом контуре равна нулю.

Это выражается в другой форме, поскольку сумма напряжений между двумя узлами цепи равна каждой ответвленной цепи между этими двумя узлами.Это можно изобразить, как на следующем рисунке.

Рисунок 03: Закон Кирхгофа о напряжении

Здесь,

v

1 + v 2 + v 3 — v 4 = 0

KVL и KVC чрезвычайно полезны при анализе схем. Однако закон Ома необходимо использовать вместе с ними при решении параметров схемы. Для примера такого анализа схемы дана плавная фигура.

Рассматривая узлы A и B, KCL можно применять следующим образом.

Для узла A; Я 1 + Я 2 = Я 3

Для узла B; Я 1 + Я 2 = Я 3

Затем КВЛ применяется к замкнутому контуру (1)

В 1 + I 1 R 1 + I 3 R 3 = 0

Затем КВЛ применяется к замкнутому контуру (2)

В 2 + I 2 R 2 + I 3 R 3 = 0

Затем КВЛ применяется к замкнутому контуру (3)

В 1 + I 1 R 1 — I 2 R 2 — V 2 = 0

Решая вышеуказанные уравнения, можно найти любой неизвестный параметр схемы.Обратите внимание, что закон Ома используется при определении напряжений на резисторах.

В чем разница между законом Ома и законом Кирхгофа?

Закон Ома против закона Кирхгофа

Закон Ома описывает соотношение между напряжением и током на резистивном элементе. Закон Кирхгофа описывает поведение тока и напряжения соответственно в ветви цепи.
Закон
Закон Ома гласит, что напряжение на проводнике пропорционально току, протекающему по нему. KCL заявляет, что сумма протекания тока к узлу равна нулю, в то время как KVL заявляет, что сумма напряжений в замкнутом контуре равна нулю.
Приложения
Закон Ома применим к отдельному резистивному элементу или набору резистивных цепей в целом. KCL и KVL применимы к серии резистивных элементов в цепи.

Резюме — закон Ома против закона Кирхгофа

Законы

Ома и Кирхгофа — это две фундаментальные теории в анализе электрических цепей.Они описывают свойства и соотношение напряжения и тока в отдельном проводящем элементе и ветви электрической цепи соответственно. В то время как закон Ома применим к резистивному элементу, законы Кирхгофа применяются к ряду элементов. Это наиболее важное различие между законом Ома и законом Кирхгофа. KCL и KVL обычно используются в анализе цепей вместе с законом Ома.

Скачать PDF-версию закона Ома и закона Кирхгофа

Вы можете загрузить PDF-версию этой статьи и использовать ее в автономных целях в соответствии с примечаниями к цитированию.Пожалуйста, скачайте PDF-версию здесь. Разница между законом Ома и законом Кирхгофа.

Ссылки:

1. «Окружной закон Кирхгофа». Окружной закон Кирхгофа, доступен здесь. По состоянию на 4 сентября 2017 г.
2. «Окружные законы Кирхгофа». Википедия, Фонд Викимедиа, 1 сентября 2017 г., доступно здесь. По состоянию на 4 сентября 2017 г.

Изображение предоставлено:

1. «OhmsLaw» Автор Waveguide2 (обсуждение) (Передано Nk / Первоначально загружено Waveguide2) (Первоначально загружено на en.wikipedia) (Общественное достояние) через Commons Wikimedia
2.«Текущий закон Кирхгофа» По индуктивной нагрузке — Собственный рисунок (общественное достояние) через Commons Wikimedia
3. «Закон Кирхгофа о напряжении» Автор Квинканкс — Собственная работа (CC BY-SA 3.0) через Commons Wikimedia

Радио Эда — Закон Кирхгофа

Закон Кирхгофа

Закона Ома достаточно для решения последовательных и параллельных цепей, но более сложные схемы, такие как мосты и T & Dash; сети, не могут быть решены одним только законом Ома. В 1845 году физик Густав Кирхгоф сформулировал пару законов, касающихся сохранения тока и энергии в электрической цепи.Эти два закона вместе называются законом Кирхгофа или законом цепи Кирхгофа. Закон Кирхгофа применяется к цепям постоянного тока и, в некоторых ограниченных обстоятельствах, к цепям переменного тока .

Прежде чем углубляться в закон Кирхгофа, нам нужно определить несколько вещей:

Узел
Соединение, в котором встречаются два или более компонентов.
Главный узел
Большой хонкинский узел, где встречаются три или более компонентов.
Ветвь
Любой путь в цепи, имеющий узел на каждом конце и содержащий по крайней мере один компонент (например, резистор или батарею), но не содержащий других узлов.
Цикл
Замкнутый путь в цепи, где ни один компонент не встречается более одного раза.
Сетка
Простой путь в цепи без ответвлений.

1. Действующий закон Кирхгофа

Текущий закон Кирхгофа — это утверждение принципа сохранения электрического заряда. Алгебраическая сумма токов, входящих и выходящих из любой точки цепи, должна равняться нулю. Это означает, что если вы сложите все токи, текущие в точку, и сравните это значение с суммой всех токов, исходящих из этой точки, эти два значения должны быть равны.

На рисунке 6 ниже значения I 1 и I 2 , входящие в точку N , должны равняться значению I 3 , выходящему из N . Если I 1 равно 5 амперам, а I 2 равно 3 амперам, то значение I 3 должно равняться 8 амперам. Я 1 + Я 2 — Я 3 = 0.

2. Закон Кирхгофа о напряжении

Закон Кирхгофа о напряжении также называется законом сохранения энергии.В замкнутом контуре внутри контура алгебраическая сумма всех напряжений внутри контура должна равняться нулю.

На рисунке 7 ниже все напряжения должны быть равны нулю. Чтобы проверить это, выберите произвольную точку на цепи (например, точку A) и произвольное направление (против часовой стрелки). Из точки А двигайтесь по петле против часовой стрелки. Мы впервые встречаем V 1 . Поскольку мы встретили положительный вывод V 1 перед отрицательным выводом, мы записываем напряжение как положительное число.Продолжая движение против часовой стрелки, мы встречаем резистор R 2 . Сначала мы достигли отрицательной клеммы R 2 , поэтому мы записываем падение напряжения на R 2 как отрицательное число. Далее идет резистор R 1 (еще одно отрицательное падение напряжения). Наконец, мы возвращаемся в точку А, с которой начали. Уравнение закона Кирхгофа по напряжению будет следующим: В 1 — В R2 — В R1 = 0.

Если бы мы двигались от точки A по часовой стрелке, а не против часовой стрелки, окончательное уравнение было бы следующим: V R1 + V R2 — V 1 = 0.Как видите, абсолютная величина каждого напряжения одинакова независимо от направления вокруг контура. Только полярность (положительная или отрицательная) отличается в зависимости от выбранного вами направления.

Методы анализа цепей с использованием закона Кирхгофа

Существует три основных метода решения схем с использованием закона Кирхгофа:

Пример: Решить цепь методом токов ответвления

Метод ветвящихся токов может быть немного длинным и утомительным, но он служит для достаточно хорошей иллюстрации закона Кирхгофа.Как только вы поймете метод ветвления тока, два других метода станут простыми.

Для схемы на рисунке 8 ниже мы хотим определить ток и напряжение на каждом резисторе. Поскольку есть источники напряжения в двух разных ветвях, одного закона Ома недостаточно для решения этой проблемы. Мы должны использовать закон Кирхгофа.

Поскольку мы не знаем кумулятивного эффекта двух источников напряжения, мы не можем быть уверены в направлении тока в каждой ветви.Нам нужно будет сделать обоснованное предположение. Если это окажется неверным, ничего страшного & dash; результаты уравнения укажут на нашу ошибку.

Предположим, что ток I 1 течет от отрицательной клеммы источника напряжения V 1 к резистору R 1 , затем к узлу A . Точно так же ток I 2 течет от отрицательного вывода источника напряжения V 2 к резистору R 2 , затем к узлу A .От узла A ток I 3 протекает через резистор R 3 , пока не достигнет узла B . Здесь ток делится и возвращается к двум источникам напряжения.

Использование действующего закона Кирхгофа

В схеме на фигуре 8 есть два основных узла, обозначенных A и B . В узле A два тока, I 1 и I 2 , входят, в то время как один ток, I 3 , выходит из узла.Из текущего закона Кирхгофа мы выводим уравнение I 1 + I 2 - I 3 = 0 .

Точно так же в узле B один ток, I 3 , входит в узел, а два тока, I 1 и I 2 , уходят. Это дает нам: I 3 - I 1 - I 2 = 0 . Мы можем использовать любое уравнение, чтобы выразить связь между I 1 , I 2 и I 3 как I 3 = I 1 + I 2 .Мы будем называть это уравнение текущим уравнением для целей обсуждения.

Использование закона Кирхгофа о напряжении

Чтобы вывести уравнения для падения напряжения на каждом резисторе, нам нужно сначала определить несколько контуров. На рисунке 8 есть две внутренние петли плюс внешняя петля, которая повторяет окружность схемы. Оказывается, нам нужны только два уравнения цикла, поэтому мы проигнорируем этот внешний цикл.

Первый внутренний цикл выходит из V 1 , перемещается через R 1 к узлу A , затем через R 3 к узлу B перед возвращением к V 1 .Мы назовем этот цикл 1. Второй внутренний цикл покидает V 2 , перемещаясь через R 2 к узлу A . Отсюда он движется через R 3 к узлу B , а затем возвращается к V 2 . Это будет контур 2. С этими контурами мы теперь можем использовать закон напряжения Кирхгофа, чтобы сформулировать уравнения для напряжений.

Чтобы сформулировать уравнение контура для контура 1, мы начинаем с узла B и перемещаемся по контуру в предполагаемом направлении потока тока I 1 (по часовой стрелке).Наше уравнение принимает следующий вид:
V 1 - V R1 - V R3 = 0 .

Чтобы сформулировать уравнение контура 2, мы начинаем с узла B и перемещаемся против часовой стрелки (предполагаемое направление тока), что дает нам:
В 2 - В R2 - В R3 = 0 .

Следующий шаг — сформулировать уравнения падения напряжения:

V R1 = I 1 R 1
V R2 = I 2 R 2

08

= I 3 R 3

Теперь мы можем переписать уравнения контура, используя уравнения падения напряжения, известные значения компонентов и упрощение.Примечание: мы также можем использовать текущее уравнение ( I 3 = I 1 + I 2 ), сформулированное выше, чтобы заменить I 1 + I 2 на I 3 , исключив переменную. Мы также исключим символы вольт и ом для ясности.

Петля 1:

V 1 - V R1 - V R3 = 0
V 1 - I 1 R 1 90 I363 - 90 3 R 3 = 0
130-20 I 1 -10 I 3 = 0
13-2 I 1 - I 3 = 0
13-2 I 1 - ( I 1 + I 2 ) = 0
3 I 1 + I 2 = 13

Цикл 2:

В 2 - В R2 - В R3 = 0
В 2 - I 2 R 2 903 900 - 903 3 R 3 = 0
20-5 I 2 -10 I 3 = 0
4- I 2 -2 I 3 = 0
4- I 2 - 2 ( I 1 + I 2 ) = 0
2 I 1 + 3 I 2 = 4

Теперь у нас есть решаемая задача, состоящая из двух упрощенных петлевых уравнений с двумя переменными.Вот почему нам не понадобилось упомянутое ранее уравнение внешнего цикла. Если вы помните свою алгебру, вы можете манипулировать одним или обоими уравнениями цикла, чтобы при их сложении одна переменная была исключена. Мы сделаем это более длинным путем, переписав уравнение цикла 1 для решения для I 2 следующим образом:
I 2 = 13 - 3 I 1 .

Теперь замените это значение на I 2 в уравнении цикла 2, чтобы получить:
2 I 1 + 3 (13-3 I 1 ) = 4
2 I 1 + 39 - 9 I 1 = 4
7 I 1 = 35
I 1 = 5 ампер

Зная I 1 , теперь мы можем решить уравнение цикла 1 для I 2 .
I 2 = 13 - 3 I 1 = 13 - 3 (5) = -2 А

Теперь, со значениями для I 1 и I 2 , мы можем использовать текущее уравнение, полученное выше, чтобы решить для I 3 .
I 3 = I 1 + I 2 = 5 ампер + (-2) ампер = 3 ампер

Теперь мы знаем все токи ответвления, а как насчет этих падений напряжения?
В R1 = I 1 R 1 = 5 × 20 = 100 В
В R2 = I 2 R

8 2 9036 R

8 2
= -2 × 5 = -10 В

В R3 = I 3 R 3 = 3 × 10 = 30 В

Наконец, что насчет отрицательного тока для I 2 и отрицательного напряжения для В R2 ? Что ж, отрицательные знаки означают, что наше первоначальное предположение о направлении I 2 было неверным.На самом деле ток идет в обратном направлении. Наше неверное предположение также привело к обратной полярности падения напряжения В R2 . Величины правильные, просто измените направление I 2 , и вы получите окончательное решение!

KVL / KCL

Чтобы понять KCL, нам нужно поговорить о схемном узле. Это просто точка, в которой два или более компонентов электрически соединены.Любой из компонентов может протолкнуть ток в узел или извлечь его из узел. Обычно я думаю об этом токе как об электронах, хотя это может быть любая заряженная частица.

Закон KCL основан на идее, что электроны могут проходить через узел, но им не разрешается оставаться там в течение длительного периода времени.KCL — это электрический эквивалент закона отсутствия бездельничанья для электронов.

Ток указывает количество электронов, движущихся по проволоке. каждую секунду (умноженное на постоянную масштабирования). Чтобы электроны не собирались в узле природа гарантирует, что сумма всех токов, входящих в узел всегда равняется сумме токов, выходящих из узла.

Существует два разных соглашения о записи токов. Один — всегда используйте положительные числа для описания силы тока, а затем используйте направление стрелки на схеме, чтобы указать, в каком направлении течет ток. Другое соглашение — разрешить токам иметь как положительные, так и отрицательные ценности.Положительное значение означает, что ток течет в направлении, указанном значком. стрелка на схеме, а отрицательный ток указывает, что ток течет в противоположном направлении. направление.

Если вы используете соглашение, согласно которому токи могут быть положительными или отрицательными числами, тогда KCL можно сформулировать так: сумма всех токов, входящих в узел, равна нулю. Если к узлу подключено четыре устройства, то схема, показывающая токи, будет выгляди так

тогда KCL говорит \ [{I_1} + {I_2} + {I_3} + {I_4} = 0 \]

Нет ничего особенного в четырех подключениях к узлу.N {{I_k}} \]

Если вам удобнее, вы можете записать KCL как сумму всех выходящих токов. узел должно быть равно нулю. Но если вы допускаете в своих расчетах как положительные, так и отрицательные токи, это Важно, чтобы у вас либо все токи входили, либо все токи выходили из узла.Не смешивайте два.

Закон KCL — это приближение, которое не всегда справедливо. KCL может быть недействителен в течение коротких периодов времени.Можно поставить отрицательный электрический заряд на металлическом шаре, толкая на него электроны. Вопреки предположению В случае KCL эти электроны остаются на шаре.

Причина, по которой мы все еще используем KCL, заключается в том, что количество электронов, участвующих в статическом зарядов обычно тривиально мало — по сравнению с количеством электронов, которые текут в секунду при типичных электрических токах.

Другая проблема с KCL возникает, когда узел физически большой. Сборы не может мгновенно перемещаться из одного места в другое, проблема, которую мы увидим во многих Более подробно мы рассмотрим линии передачи и антенны.

Задача сложной цепи — закон Ома и закон Кирхгофа в смешанных схемах

Проверьте понимание учащимися смешанных схем с помощью этого сложного упражнения, в котором используются закон Ома и законы Кирхгофа для последовательных и параллельных схем.

Это часть моего удивительного экономичного набора Physics Bundle!

Это рабочий лист с одним вопросом, в котором учащиеся анализируют сложную схему, чтобы определить недостающие значения для напряжения, тока и сопротивления. Им нужно будет использовать законы Кирхгофа, а также закон Ома, чтобы решить проблему должным образом. Учащиеся помещают свои ответы в раздаточный материал (что позволяет легко отметить за вас), записывая свои шаги на отдельном листе бумаги или в своих блокнотах.

Это отлично подходит для быстрой оценки способности студентов упрощать сложные схемы и правильно использовать уравнения в курсе физики.Это также прекрасная задача для студентов, изучающих Электричество в общем курсе естествознания (бонусные баллы, подталкивая студентов, которые опережают содержание).

Что находится в заархивированной папке?
Этот ресурс состоит из 2 файлов: редактируемого файла PowerPoint .pptx и файла .pdf. Каждый из них содержит:
• Одностраничный раздаточный материал для учащихся
• Одностраничный раздаточный материал для учителя с ответами в таблице
• Одностраничные письменные решения проблемы
Ознакомьтесь с Preview выше для более детального изучения!

Распечатать как есть из.pdf или внесите какие-либо изменения в свой класс с помощью редактируемого файла .pptx.

Удачи!
Мишель,
Папка миссис Бросо


Дополнительные ресурсы по химии
Дополнительные ресурсы по физике
Дополнительные ресурсы по биологии
Дополнительные ресурсы по науке

Советы клиентам: Как получить кредит TPT для использования при будущих покупках
:
Перейдите на страницу Мои покупки (возможно, вам потребуется войти в систему). Рядом с каждой покупкой вы увидите кнопку «Оставить отзыв» .Просто щелкните по нему, и вы попадете на страницу, где сможете быстро оценить и оставить короткий комментарий к продукту. Я очень ценю ваши отзывы, поскольку они помогают мне определить, какие продукты наиболее ценны для вашего класса, чтобы я мог создавать для вас больше. ☺

Узнавайте первыми о моих новых скидках, бесплатных предложениях и запуске продуктов: Найдите красную звезду в верхней части любой страницы в моем магазине и щелкните ее, чтобы стать подписчиком . Вуаля! Теперь вы будете получать индивидуальные обновления об этом магазине по электронной почте.☺

2. Используйте закон Ома и законы Кирхгофа, чтобы а) найти значение R в …

  • Задача 2. Используйте законы Кирхгофа и Ома, чтобы найти напряжение vo, как показано в …

    Проблема 2. Используйте законы Кирхгофа и Ома, чтобы найти напряжение vo, как показано на следующем рисунке. 5 Ом при 500 В 5i

  • . Используйте закон Ома и деление напряжения, чтобы найти мощность, подаваемую источником и …

    . Используйте закон Ома и деление напряжения, чтобы найти мощность, подаваемую источником, и мощность, рассеиваемую на резисторах 60 и 8 Ом.1,2 Ом 4 Ом 20 А 2 Ом 8 Ом 12 Ом

  • Задача A1 (zs баллов) (a) Используйте закон Ома и законы Кирхгофа, чтобы вычислить общее …

    Задача A1 (zs баллов) (a) Используйте закон Ома и законы Кирхгофа, чтобы вычислить полную мощность, развиваемую zu e значением R в показанной цепи. (c) Используя значение, полученное в части (a), определите, что результаты не изменяются — источником напряжения 200 В от клеммы источника напряжения 200 В. 2, так как вы можете установить решение в терминах, так что результатов не было получено, f R Vä термина e…

  • Закон Ома и законы Кирхгофа

    вот проблема. Используйте закон Ома и законы Кирхгофа, чтобы найти значение R в показанной цепи. Используйте закон Ома и законы Кирхгофа, чтобы найти значение R в показанной цепи.

  • Проблема 4. Используйте законы Кирхгофа и закон Ома для вычисления тока i2, протекающего через …

    Проблема 4. Используйте законы Кирхгофа и закон Ома для вычисления тока i2, протекающего через резистор 6k2 и V2 на рисунке 3.Покажи все работы. 54k1V 2 kC2 30i 8V Рисунок 3

  • Предварительные лабораторные испытания Закон Ома EM-5 и правила Кирхгофа Закон Ома Сопротивление R устройства может …

    Закон Ома перед лабораторией EM-5 и правила Кирхгофа Закон Ома Сопротивление R устройства может быть определено либо путем прямого измерения сопротивления с помощью омметра, либо путем измерения тока I через него и напряжения Vac через него, а затем вычисления R с использованием закона Ома VR = (1) Если напряжение на резисторе равно 10 В, а ток, проходящий через него, равен 2.5 мА. резистора? Какое сопротивление R = Ом. Правило петли Кирхгофа вокруг …

  • Для показанной схемы, используя комбинации резисторов и закон Ома, рассчитайте (a) Vo и b, (b) …

    Для показанной схемы, используя комбинации резисторов и закон Ома, рассчитайте (a) Vo и b, (b) мощность, рассеиваемую в 15? резистор, и (c) мощность, развиваемая источником напряжения. 2? 15? 120 В

  • 3-3: Используйте KVL / KCL и закон Ома, чтобы найти значения v1 и v2….

    3-3: Используйте KVL / KCL и закон Ома, чтобы найти значения v1 и v2. Вы должны показать отдельные уравнения KCL и KVL, если используются другие методы, такие как узловой анализ, кредит не будет. 80 80 Ом υ, Σ 120 Ом V140 6 А

  • I1 = 1,3a По законам J, развиваемая мощность равна общей рассеиваемой мощности, и …

    I1 = 1,3a J Законы, что развиваемая мощность равна общей рассеиваемой мощности, и Закон Ома, чтобы найти ток через каждую ветвь.Покажите, что сумма 70 70 60 181V 10 составляет 50 20

  • Is1 15 мА R. 1 Ом В показанной цепи используйте KCL, KVL и закон Ома, чтобы …

    Is1 15 мА R. 1ΚΩ В показанной схеме используйте KCL, KVL и закон Ома, чтобы найти два тока резистора R1 R2 K. S2 25 В 0,5 кОм 5 мА iR2 1R2 =

  • Как соотносятся закон Ома и законы Кирхгофа

    Результаты листинга Как соотносятся закон Ома и законы Кирхгофа

    Разница между законом Ома и законом Кирхгофа…

    4 часа назад Разница между.com Получить все