83654

Закон Ома для участка цепи с источником ЭДС

Лекция

Физика

Положительных направлений напряжений и токов. Однако число уравнений подлежащих решению может быть сокращено если воспользоваться специальными методами расчета к которым относятся методы контурных токов и узловых потенциалов. Метод контурных токов Идея метода контурных токов: уравнения составляются только по второму закону Кирхгофа но не для действительных а для воображаемых токов циркулирующих по замкнутым контурам т. Направления истинных и контурных токов выбираются произвольно.

Русский

2015-03-15

189.5 KB

1 чел.

Лекция N 9

Закон Ома для участка цепи с источником ЭДС


Возьмем два участка цепи
a-b  и c-d (см. рис.  1) и составим для них уравнения в комплексной форме с учетом указанных на рис. 1 положительных направлений напряжений и токов.

                

Объединяя оба случая, получим

  

(1)

или для постоянного тока

.   

(2)

 

Формулы (1) и (2) являются аналитическим выражением закона Ома для участка цепи с источником ЭДС, согласно которому ток на участке цепи с источником ЭДС равен алгебраической сумме напряжения на зажимах участка цепи и ЭДС, деленной на сопротивление участка. В случае переменного тока все указанные величины суть комплексы. При этом ЭДС и напряжение берут со знаком “+”, если их направление совпадает с выбранным направлением тока, и со знаком “-”, если их направление противоположно направлению тока.

 

Основы символического метода расчета цепей
синусоидального тока
 

 

Расчет цепей переменного синусоидального тока может производиться не только путем построения векторных диаграмм, но и аналитически – путем операций с комплексами, символически изображающими синусоидальные ЭДС, напряжения и токи. Достоинством векторных диаграмм является их наглядность, недостатком – малая точность графических построений. Применение символического метода позволяет производить расчеты цепей с большой степенью точности.

Символический метод расчета цепей синусоидального тока основан на законах Кирхгофа и законе Ома в комплексной форме.

Уравнения, выражающие законы Кирхгофа в комплексной форме, имеют совершенно такой же вид, как и соответствующие уравнения для цепей постоянного тока. Только токи, ЭДС, напряжения и сопротивления входят в уравнение в виде комплексных величин.

1.     Первый закон Кирхгофа в комплексной форме:

(3)

 

2.     Второй закон Кирхгофа в комплексной форме:

(4)

 

или применительно к схемам замещения с источниками ЭДС

(5)

 

3.     Соответственно матричная запись законов Кирхгофа в комплексной форме имеет вид:

§         первый закон Кирхгофа:

. ;   

(6)

 

§         второй закон Кирхгофа

.

(7)

 

Пример.

Дано:

Определить:  

1) полное комплексное сопротивление цепи ;

 

2) токи

 

Рис. 2

 

Решение:

 

1.     .

2.     .

3.    

                                             .

4.     Принимая начальную фазу напряжения за нуль, запишем:

.

Тогда

.

5.     Поскольку ток распределяется обратно пропорционально сопротивлению ветвей (это вытекает из закона Ома), то

6.     .

7.     Аналогичный результат можно получить, составив для данной схемы уравнения по законам Кирхгофа в комплексной форме

или после подстановки численных значений параметров схемы

 

Специальные методы расчета

 

Режим работы любой цепи полностью характеризуется уравнениями, составленными на основании законов Кирхгофа. При этом необходимо составить и решить систему с n неизвестными, что может оказаться весьма трудоемкой задачей при большом числе n ветвей схемы. Однако, число уравнений, подлежащих решению, может быть сокращено, если воспользоваться специальными методами расчета, к которым относятся методы контурных токов и узловых потенциалов.

 

Метод контурных токов

Идея метода контурных токов: уравнения составляются только по второму закону Кирхгофа, но не для действительных, а для воображаемых токов, циркулирующих по замкнутым контурам, т.е. в случае выбора главных контуров равных токам ветвей связи. Число уравнений равно числу независимых контуров, т.е. числу ветвей связи графа . Первый закон Кирхгофа выполняется автоматически. Контуры можно выбирать произвольно, лишь бы их число было равно  и чтобы каждый новый контур содержал хотя бы одну ветвь, не входящую в предыдущие. Такие контуры называются независимыми. Их выбор облегчает использование топологических понятий дерева и ветвей связи.

Направления истинных и контурных токов выбираются произвольно. Выбор положительных направлений перед началом расчета может не определять действительные направления токов в цепи. Если в результате расчета какой-либо из токов, как и при использовании уравнений по законам Кирхгофа, получится со знаком “-”, это означает, что его истинное направление противоположно.

Пусть имеем схему по рис. 3.

Выразим  токи ветвей через контурные токи:

           ;

           ; ;

           ; .

Обойдя контур aeda, по второму закону Кирхгофа имеем

.

Поскольку ,

то

.

Таким образом, получили уравнение для первого контура относительно контурных токов. Аналогично можно составить уравнения для второго, третьего и четвертого контуров:

совместно с первым решить их относительно контурных токов и затем по уравнениям, связывающим контурные токи и токи ветвей, найти последние.

Однако данная система уравнений может быть составлена формальным путем:

При составлении уравнений необходимо помнить следующее:

 - сумма сопротивлений, входящих в i-й контур;

 - сумма сопротивлений, общих для i-го и k-го контуров, причем    ;

члены на главной диагонали всегда пишутся со знаком “+”;

знак “+” перед остальными членами ставится в случае, если через общее сопротивление  i-й и k- й контурные токи проходят в одном направлении, в противном случае ставится знак “-”;

если i-й и k- й контуры не имеют общих сопротивлений, то ;

в правой части уравнений записывается алгебраическая сумма ЭДС, входящих в контур: со знаком “+”, если направление ЭДС совпадает с выбранным направлением контурного тока, и “-”, если не совпадает. 

В нашем случае, для первого уравнения системы, имеем:

Следует обратить внимание на то, что, поскольку , коэффициенты контурных уравнений всегда симметричны относительно главной диагонали.

Если в цепи содержатся помимо источников ЭДС источники тока, то они учитываются в левых частях уравнений как известные контурные токи: k- й контурный ток, проходящий через ветвь с k- м источником тока равен этому току .

 

Метод узловых потенциалов

Данный метод вытекает из первого закона Кирхгофа. В качестве неизвестных принимаются потенциалы узлов, по найденным значениям которых с помощью закона Ома для участка цепи с источником ЭДС затем находят токи в ветвях. Поскольку потенциал – величина относительная, потенциал одного из узлов (любого) принимается равным нулю. Таким образом, число неизвестных потенциалов, а следовательно, и число уравнений равно , т.е. числу ветвей дерева .

Пусть имеем схему по рис. 4, в которой примем .

Допустим, что  и  известны. Тогда значения токов на основании закона Ома для участка цепи с источником ЭДС

Запишем уравнение по первому закону Кирхгофа для узла а:

и подставим значения входящих в него токов, определенных выше:

.

Сгруппировав соответствующие члены, получим:

.

Аналогично можно записать для узла b:

.

Как и по методу контурных токов, система уравнений по методу узловых потенциалов может быть составлена формальным путем. При этом необходимо руководствоваться следующими правилами:

1.      В левой части i-го уравнения записывается со знаком “+”потенциал  i-го узла, для которого составляется данное i-е уравнение, умноженный на сумму проводимостей  ветвей, присоединенных к данному i-му узлу, и со знаком “-”потенциал  соседних узлов, каждый из которых умножен на сумму проводимостей  ветвей, присоединенных к i-му и k-му узлам.

Из сказанного следует, что все члены , стоящие на главной диагонали в левой части системы уравнений, записываются со знаком “+”, а все остальные – со знаком “-”, причем . Последнее равенство по аналогии с методом контурных токов обеспечивает симметрию коэффициентов уравнений относительно главной диагонали.

2.      В правой части i-го уравнения записывается так называемый узловой ток , равный сумме произведений ЭДС ветвей, подходящих к  i-му узлу, и проводимостей этих ветвей. При этом член суммы записывается со знаком “+”, если соответствующая ЭДС направлена к i-му узлу, в противном случае ставится знак “-”. Если в подходящих к i-му узлу ветвях содержатся источники тока, то знаки токов источников токов, входящих в узловой ток простыми слагаемыми, определяются аналогично.

В заключение отметим, что выбор того или иного из рассмотренных методов определяется тем, что следует найти, а также тем, какой из них обеспечивает меньший порядок системы уравнений. При расчете токов при одинаковом числе уравнений предпочтительнее использовать метод контурных токов, так как он не требует дополнительных вычислений с использованием закона Ома. Метод узловых потенциалов очень удобен при расчетах многофазных цепей, но не удобен при расчете цепей со взаимной индуктивностью.

 

Литература

 

1.     Основы теории цепей: Учеб.для вузов /Г.В.Зевеке, П.А.Ионкин, А.В.Нетушил, С.В.Страхов. –5-е изд., перераб. –М.: Энергоатомиздат, 1989. -528с.

2.     Бессонов Л.А. Теоретические основы электротехники: Электрические цепи. Учеб. для студентов электротехнических, энергетических и приборостроительных специальностей вузов. –7-е изд., перераб. и доп. –М.: Высш. шк., 1978. –528с

.

Контрольные вопросы и задачи

 

1.      В ветви на рис. 1     . Определить ток .

Ответ: .

2.      В чем заключается сущность символического метода расчета цепей синусоидального тока?

3.      В чем состоит сущность метода контурных токов?

4.      В чем состоит сущность метода узловых потенциалов?

5.      В цепи на рис. 5 ; ; ;       . Методом контурных токов определить комплексы действующих значений токов ветвей.

Ответ: ; ; .

6.      В цепи на рис. 6                 . Рассчитать токи в ветвях, используя метод узловых потенциалов.

Ответ: ; ; ; ; ; ; .

64


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

82124. Земля – наш космічний дім 63.5 KB
  Закріпити і перевірити знання учнів по темі; підвести підсумок пошуковій роботі; висвітлити значення океанів та використання їх багатств людиною; сприяти розвитку пам’яті, спостережливості; виховувати бережливе ставлення до природних багатств.
82125. Презентація проекту «Земля – наш дім» 41 KB
  Усі ми живі творіння природи на планеті Земля її біологічні мешканці і нам необхідно берегти свою Землю бо у космосі така одна. Світ-загадка лежить під ногами у нас: Форму кулі Земля наша має. Ось вирішили зробити колективну роботу Земля наш спільний дім а також композицію Рідна Земля намалювавши улюблені...
82126. Живе слово поета 72.5 KB
  Звучить музика Ведучий 1 Добрий день шановні друзі гості вчителі Ведучий 2 Ми вітаємо вас на нашому шкільному святі Живе слово поета О слово рідне Шум дерев Музика зір блакитнооких Шовковий спів снопів широких Дніпра між ними левій рев. 1 Художнє слово мов ота живинка Без нього ніби ти і не живеш...
82127. О.Буцень «Чи є зима?» 54.5 KB
  Мета: вчити дітей правильного і виразного читання; розширювати кругозір учнів; розвивати пізнавальні інтереси, усне мовлення, уяву, спостережливість; вдосконалювати техніку читання; виховувати любов до зимової пори, відчуття краси і неповторної зимової природи.
82128. Как зимуют птицы и звери. Забота людей о птицах и зверях зимой 429 KB
  Цель: учить устанавливать взаимосвязь между изменениями в неживой природе жизнью растений и жизнью животных; продолжить формировать умения сравнивать животных по их существенным признакам классифицировать их; обобщать полученную информацию; закреплять навыки работы в в группах...
82129. Конкурсно-розважальна програма для перших класів 45.5 KB
  Їжте діти апельсин Будете здорові як мій син Думаю що вам теж не завадять вітаміни які є у апельсині. То ж пограємо у гру Передай апельсин Апельсин тримаємо підборіддям передаємо наступним гравцям команди руками не допомагаємо. У кого падає апельсин той покидає гру.
82130. КАК ЗИМУЮТ ЗВЕРИ И ПТИЦЫ 56 KB
  Оборудование: видеофильм Как зимуют звери и птицы картина Зимний пейзаж музыка Сказочная волшебная зимняярисунки птиц фотоальбом Животные Украины опорные схемы проектор компьютер маски животных карточки для самостоятельной работы учащихся карта Двуречанского района выставка книг.
82131. Літературна вітальня, присвячена творчості Максима Рильського для учнів 7–8-х класів 74.5 KB
  У глибині сцени вміщено портрет М.Т.Рильського на панно із зображенням грон винограду та троянд, під ним цифри 1895 –1965. По центру сцени підставка, на якій лежить рушник, відкрита книга М.Рильського, підсвічник із запаленими свічками.
82132. Це мова моя, це мова моєї країни! 53.5 KB
  Щоб почистити нашу першу криницю потрібно дібрати якнайбільше 1 спільнокореневих слів з коренем добр доброта доброчинність доброякісний 2 синонімів до слова доброта людяність. Бліцо-питування на швидкість кожній команді Сукупність слів її словниковий склад називається Слова близькі за лексичним значенням...