ТЕМА: Электрические цепи постоянного тока
1. Расчёт смешанного соединения сопротивлений. Определение эквивалентного сопротивления, тока цепи и напряжений на участках цепи
Пример расчета цепи смешанного соединения сопротивлений.
В электрической цепи: R1 = 60 Ом, R2 = 30 Ом ,
R3= 20 Ом , R4 = 8 Ом, U = 120 В. Определить
эквивалентное сопротивление цепи, токи в
неразветвленных участках и в ветвях цепи
напряжения на резисторах цепи. Составить
баланс мощностей.
Решение
Рассчитать токи во всех участках цепи легче всего методом постепенного свертывания цепи, т.е. упрощения электрической цепи.
- Резисторы R2 и R3 соединены параллельно: R23 =
- Резисторы R1, R23, R4 cоединены последовательно. Эквивалентное сопротивление всей
цепи равно сумме этих сопротивлений:
RЭ = R1 + R23 + R4 = 60 + 12 + 8 = 80 Ом
- Ток в неразветвленных участках цепи :
I = I1 = U / RЭ = 120 / 80 =1,5 A
4. Напряжение между узлами сопротивлений R2 и R3 :
U23 = I × R23 = 1,5 × 12 = 18 B
5. Ток в цепи с резистором R2 :
I2 = U23 / R2 = 18 / 30 = 0,6 A
6. Ток в цепи с резистором R3 :
I3 = U23 / R3 = 18 / 20 = 0,9 A
7. Ток в цепи с резистором R4 равен току в неразветвленной части цепи, т.к. R1 , R23 и R4
соединены последовательно: I4 = I1 = 1,5 A.
8. Напряжение на резисторе сопротивлением R1:
U1 = I × R1 =1,5 × 60 = 90 B
- Напряжение на резисторе цепи сопротивлением R4 :
U4 = I × R4 = 1,5 × 8 = 12 B
- По закону сохранению энергии мощность, отдаваемая источниками, должна равняться мощности, рассеиваемой на всех сопротивлениях цепи.
Выражение баланса мощностей имеет вид : Σ РИ = Σ РН, где Σ РИ – алгебраическая сумма мощностей, отдаваемых источниками; Σ РН – арифметическая сумма мощностей, потребляемых в сопротивлениях цепи.
РИ = Р1 + Р23 + Р4 ;
РИ = U×I = 120 × 1,5 = 180 Вт ; Р1 = U1× I = 90 × 1,5 = 135 Вт ;
Р23 = U23 × I = 18 × 1,5 = 27 Вт ; Р4 = U4 × I = 12 × 1,5 = 18 Вт
180 Вт = 135 + 27 + 18 = 180 Вт
Задание для Задачи 1.
определить эквивалентное сопротивление цепи, токи в неразветвлённых участках и в ветвях цепи, напряжения на резисторах цепи. Составить баланс мощностей
Вариант 1
Дано: R1=7 Ом; R2=10 Ом; R3=2 Ом; R4=3 Ом, U = 120 В.
Вариант 2
Дано: R1=1 Ом; R2=2 Ом; R3=3 Ом; R4=3 Ом; R5=4 Ом, U = 120 В
Вариант 3
Дано: R1=10 Ом; R2=5 Ом; R3=2 Ом; R4=3 Ом, U = 120 В
Вариант 4
Дано: R1=2 Ом; R2=10 Ом; R3=4 Ом; R4=6 Ом; R5=1 Ом, U = 120 В
Вариант 5
Дано: R1=5 Ом; R2=7 Ом; R3=3 Ом; R4=10 Ом, U = 120 В
Вариант 6
Дано: R1=4 Ом; R2=2 Ом; R3=1 Ом; R4=6 Ом; R5=10 Ом; R6=1 Ом; R7=2 Ом, U = 120 В
Вариант 7
Дано: R1=1 Ом; R2=2 Ом; R3=4 Ом; R4=6 Ом; R5=R6=1 Ом; R7=10 Ом, U = 120 В
Вариант 8
Дано: R1=10 Ом; R2=5 Ом; R3=1 Ом; R4=2 Ом; R5=6 Ом, U = 120 В
Вариант 9
Дано: R1=8 Ом; R2=15 Ом; R3=20 Ом; R4=6 Ом, U = 120 В
Вариант 10
Дано: R1=10 Ом; R2=20 Ом; R3=15 Ом; R4=5 Ом; R5=4 Ом, U = 120 В
2. Расчёт сложных цепей методом узловых и контурных уравнений
Пример расчёта методом узловых и контурных уравнений (по правилам Кирхгофа).
Задача. Рассчитать токи в цепи, представленной на рисунке, если Е1 = 48 В, Е2 = 36 В,
R1 = 35 Ом, R2 = 36 Ом, R3 = 50 Ом. R01 = 5 Ом, R02 = 4 Ом,
Электрическая схема
Решение
1. Определяем количество ветвей цепи : три ветви.
2. Произвольно задаемся положительными направлениями токов в ветвях (указываем на схеме стрелками) и направлениями обходов в контурах ( по часовой стрелке).
3. Определяем количество уравнений, составленных по 1 и 2 правилам Кирхгофа (число уравнений равно числу неизвестных токов в цепи): m = 3 (три уравнения )
4. Определяем число независимых уравнений, составляемых по первому правилу Кирхгофа: (n −1) уравнений, где n − количество узлов в цепи (два); n −1 = 2 − 1 = 1.
5. Определяем число уравнений, составленных по второму правилу Кирхгофа : m − (n − 1) = 3 − (2 − 1) = 3 − 2 + 1 = 2 .
6. Составляем систему уравнений : 7. Подставляем числовые значения:
I1 + I2 = I3 I1 + I2 = I3
E1 = I1 (R1 + R01) + I3 R3 48 = I1 (35 + 5) + I3∙ 50
E1 − E2 = I1 (R1 + R01) − I2 (R2 + R02) 48 − 36 = I1 (35 + 5) − I2 (36 + 4)
8. Приведем уравнения к нормальному виду : 9. Вторую и третью строку сократим :
I1 + I2 − I3 = 0 I1 + I2 − I3 = 0
40 I1 + 50 I3 = 48 20 I1 + 25 I3 = 24
40 I1 − 40 I2 = 12 10 I1 − 10 I2 = 3
10. Решаем данную систему способом подстановки ( можно решать различными способами) :
I3 = I1 + I2 20 I1 + 25 I1 + 25 I2 = 24 45 I1 + 25 I2 = 24 │ 45 I1 + 25 I2 = 24
20 I1 + 25 (I1 + I2) = 24 10 I1 − 10 I2 = 3 10 I1 − 10 I2 = 3 │2,5 + 25I1 −25I2 = 7,5
10 I1 − 10 I2 = 3
откуда 70 I1 = 31,5 I1 = 31,5 / 70 = 0,45 A; I1 = 0,45 A
11. Подставим значение тока I1 в уравнение 10 I1 − 10 I2 = 3 и определим ток второй ветви :
I2 = (10 ∙ 0,45 −3) / 10 = 0,15 A ; I2 = 0,15 A
12. Подставим значения токов I1 и I2 в уравнение I1 + I2 = I3 , определим ток третьей ветви :
0,45 + 0,15 = I3 ; I3 = 0,6 А.
13. Поскольку все токи получились положительными, направления всех действительных токов совпадают с
направлениями токов предполагаемых.
Задание для Задачи 2.