Основные законы электрических цепей.
При анализе простых и сложных цепей широко используются законы Ома, Кирхгофа, Джоуля Ленца, Фарадея, Ампера.
Ток в участке цепи прямопропорционален напряжению на данном участке и обратно пропорционален сопротивлению на данном участке:
илиU=I*R
Произведение тока участка цепи на величину сопротивления называют падением на данном участке. Ток в электрической цепи прямопропорционален ЭДС источника и обратно пропорционален сумме сопротивлений, которые состоят из внутреннего сопротивления источника питания и внешнего.
Существует 2 закона Кирхгофа:
Первый закон Кирхгофаприменяется для узла электрической цепи (точки, где сходятся три и более ветви). Формулируется он следующим образом: алгебраическая сумма токов, сходящихся в узле, равна 0.
Второй закон Кирхгофасправедлив для контура электрической цепи (любого замкнутого пути, образованного одной или более ветвями) и формулируется следующим образом:в любом замкнутом контуре электрической цепи алгебраическая сумма падений напряжений на участках цепи, входящих в этот контур, равна алгебраической сумме ЭДС в нем:
Закон Джоуля-Ленцапозволяет определить количество тепловой энергии, которая выделяется на сопротивлениеrпри протекании по нему электрического токаI. Математическая запись этого закона имеет вид:
W=
Для характеристики скорости превращения электрической энергии в тепловую используют мощность, выражение для которой можно получить из закона Джоуля-Ленца:
P=W/t=
r=
/r=UI
Закон электромагнитной индукции Фарадеяустанавливает связь между индуктированием ЭДС в электрических цепях и изменением магнитного потока, пронизывающего поверхность, ограниченную контуром цепи, или индуктированием ЭДС в проводнике при пересечении им магнитного поля. В соответствии с этим законом ЭДС, индуктируемая в цепи при изменении магнитного потока Ф, проходящего через поверхность, ограниченную контуром, равна скорости изменения магнитного потока, взятой с отрицательным знаком:
Эквивалентные преобразования в электрических цепях.
Под эквивалентными преобразованиями подразумевается замену участков электрической цепи, содержащей последовательно и параллельно соединенных несколько элементов одним элементом. При чем в результате замены общий ток и общее напряжение цепи не изменяется. Главной особенностью последовательного соединения является наличие общего тока одинакового по значению для всех элементов, включая последовательные.
Одинаковое значение тока на всех элементах включенных последовательно приводит к тому, что напряжение на каждом из элементов, включенных последовательно прямопропорционально сопротивлению участка цепи.
U=
+
+
= I(
+
+
)=I
При параллельном соединении элементов условное начало объединяется в одну точку, а условные концы в другую. В результате на всех будет находиться одинаковое напряжение. 
Токи в элементах, включенные параллельно обратно пропорциональны сопротивлению ветвей, включенных параллельно.
=
=
=
Данную цепь, состоящую из трех элементов, можно заменить одним эквивалентным потребителем. При этом напряжение 
и ток I не изменяться.
Здесь: 
Для двух включенных параллельно: 
Источник
Первый и второй закон Кирхгофа
При расчете режима работы электрической цепи очень часто необходимо определить токи, напряжения и мощности на всех ее участках при заданных ЭДС источников и сопротивлений участков цепи. Данный расчёт основан на применении законов Кирхгофа.
В этой статье предполагается, что вы знакомы с определениями узла, ветви и контура.
Первый закон Кирхгофа
Первый закон Кирхгофа гласит, что в ветвях образующих узел электрической цепи алгебраическая сумма токов равна нулю (токи входящие в узел считаются положительными, выходящие из узла отрицательными).
Пользуясь этим законом для узла A (рисунок 1) можно записать следующее выражение:
Рисунок 1 — Первый закон Кирхгофа
I1 + I2 − I3 + I4 − I5 − I6 = 0.
Попытайтесь самостоятельно применить первый закон Кирхгофа для определения тока в ветви. На приведенной выше схеме изображены шесть ветвей образующие электрический узел В, токи ветвях входят и выходят из узла. Один из токов i неизвестен.
#1. Запишите выражение для узла В
#2. Найдите ток i
Результат
Выбор направления токов
Если при расчёте цепи направление токов неизвестны, то при составлении уравнений согласно законом Кирхгофа их необходимо предварительно выбрать произвольно и обозначить на схеме стрелками. В действительности направление токов в ветвях могут отличаться от произвольно выбранных. Поэтому выбранные направления токов называют положительными направлениями. Если в результате расчёта цепи какие-либо токи будут выражены отрицательными числами, то действительные направления этих токов обратны выбранным положительным направлениям.
На рисунке 2,а представлен электрический узел. Произвольно, стрелками укажем направления токов (рисунок 2,б).
Важно! При выборе направления токов в ветвях, необходимо выполнения двух условий:
1. Ток должен вытекать из узла через одну или несколько других ветвей;
2. Хотя бы один ток должен входить в узел.
Предположим, что после расчёта цепи получились следующие значения токов:
Так как значение тока I1 и I2 получились отрицательными, следовательно, действительно направление I1 и I2 противоположно ранее выбранным (рисунок 3).
Рисунок 3 — действительное направление токов обозначено синими стрелками
- I1 − I2 + I3 = 0;
- -5 − (-2) +3 = 0;
- -I1 + I2 + I3 = 0;
- -5 + 2 +3 = 0.
Второй закон Кирхгофа.
Второй закон Кирхгофа: в контуре электрической цепи алгебраическая сумма эдс равна алгебраической сумме падений напряжения на всех сопротивлениях данного контура.
где k – число источников ЭДС; m – число ветвей в замкнутом контуре; Ii, Ri – ток и сопротивление i-й ветви.
Применение второго закона Кирхгофа
Для контура ABСDE, изображенного на рисунке 4, стрелками указаны положительные направления токов (произвольно). Составим уравнение согласно второму закону Кирхгофа. Для этого произвольно зададимся направлением обхода контура по часовой или против часовой стрелки. В данном примере направление обхода контура выберем по часовой стрелке.
При составлении уравнений по второму закону Кирхгофа, ЭДС записывается со знаком “+”, если ее направление совпадает с направлением произвольно выбранного обхода контура. В противном случае ЭДС записывается со знаком “-”.
Падения напряжения записываются со знаком “+”, если направление тока в нем совпадает с направлением обхода.
Начнём с эдс E1, так как её направление совпадает с обходом контура — записываем её со знаком “+” перед знаком равно.
Контур ABСDE E1 =
E2 направленна против обхода контура записываем со знаком “-” перед знаком равно.
Контур ABСDE E1 − E2 =
Так как больше ЭДС в контуре ABСDЕ нет — левая часть уравнения готова.
В правой части уравнения указываются падения напряжения контура, так как направления токов I1 и I2 совпадает с обходом контура – записываем падения напряжения со знаком “+”.
Контур ABСDЕE E1 − E2 = I1*R1 + I2*R2
Направление тока I3 не совпадет с обходом контура:
Контур ABСDE E1 − E2 = I1*R1 + I2*R2 − I3*R3.
Уравнение для контура готово.
Законы Кирхгофа являются основой для расчета электрической цепи, вот несколько методов применяющие данные законы.
Источник