Методические указания к решению задач 1 – 2 .

Решение этих задач требует знания законов Ома для всей цепи и ее участков, первого и второго правил Кирхгофа, методики определения эквивалентного сопротивления цепи при смешанном соединении резисторов.

Пример 1

В цепи (рисунок 26) Э.Д.С. первого источника Е1 = 52 В, Э.Д.С. второго источника Е2 = 26 В, внутренние сопротивления их R01 = R02 = 1 Ом.

Сопротивления потребителей R1 = 9 Ом, R2 = 4 Ом, R3 = 8 Ом,

R4 = 3 Ом.

Определить режим работы источников Э.Д.С. Вычислить ток цепи, напряжения на зажимах, а также мощность источников энергии и мощность потребителей.

Составить уравнение баланса мощностей.

Как измениться ток в цепи, если зажимы на первом источнике поменять местами?

 

 

R4 E1 R01

+ -

R3

R1

R2

E2 R02 I

+ -

Рисунок 26

Алгоритм решения

1. Направление тока, протекающего в цепи, выбираем произвольно и проставляем его на схеме.

2. Согласно второму закону Кирхгофа уравнение цепи будет иметь вид

E1 – E2 = I∙R01 + I∙R02 +I∙R1+ I∙R2 + IR3 + I∙R4

откуда

I = = = 1 A

3.Так как направление тока I совпадает с Е1 и противоположно Е2 , то источник Е1 работает в режиме генератора, а источник Е2 - в режиме потребителя электрической энергии.

 

4.Напряжение на зажимах источников

U1 = E1 - I∙R01 = 52 - 1 ∙ 1 = 51 В

U2 = E2 + I∙R01 = 26 + 1 ∙ 1 = 27 В

5. Мощности источников :

Pист 1 = E1 ∙ I = 52 ∙ 1 = 52 Вт

Pист 2 = U2 ∙ I = 27 ∙ 1 = 27 Вт

6. Мощности потребителей:

Pпотр 1 = I2 ∙ R1 = 12 ∙ 9 = 9 Вт

Pпотр 2 = I2 ∙ R2 = 12 ∙ 4 = 4 Вт

Pпотр 3 = I2 ∙ R3 = 12 ∙ 6 = 6 Вт

Pпотр 4 = I2 ∙ R4 = 12 ∙ 3 = 3 Вт

7. Потеря мощности на внутреннем сопротивлении первого источника, работающего в режиме генератора

P01 = I2 ∙ R01 = 12 ∙ 1 = 1 Вт

8. Уравнение баланса мощностей при встречном включении источников

Pист 1 = P01 + Pист 2 + Pпотр 1 + Pпотр 2 + Pпотр 3 + Pпотр 4

52 = 1 + 27 + 9 + 4 + 8 + 3

52 = 52

9. При замене местами зажимов первого источника оба источника станут работать в режиме генераторов. Тогда, согласно второму правилу Кирхгофа, уравнение цепи станет иметь вид

E1 + E2 = I’ ∙ (R01 + R02 + R1 + R2 + R3 + R4)

откуда

I’= = = 3 A

10. Уравнение баланса мощностей при согласном включении источников

E1 ∙I’ + E2 ∙I’ = (I’)2 ∙R01 + (I’)2 ∙R02 + (I’)2 ∙R1 + (I’)2 ∙R2 + (I’)2 ∙R3 + (I’)2 ∙R4

52 ∙ 3 + 26 ∙ 3 = 32 ∙ 1 + 32 ∙ 1 + 32 ∙ 9 + 33 ∙ 4 + 32 ∙8 + 32 ∙3

234 = 234

 

Пример 2

В цепь постоянного тока включили смешано шесть резисторов (рисунок 27).

 

R1 = 4 Ом R 4 = 4 Ом

R2 = 2 Ом R5 = 3 Ом

R3 = 8 Ом R6 = 15 Ом

 

 

I1 R1 I2 R2 I3 R3 I4 R4

A + С Д

R5 I5

R6 I6

B - I

Рисунок 27

Падение напряжения на резисторе R5 задано, оно равно U5 = 30 B.

Определить токи, напряжения и мощности каждого участка, а также расход электроэнергии за пять часов работы.

Как измениться ток I6, если резистор R6 замкнуть накоротко?

 

Алгоритм решения

1.Ток в цепи с одним источником электрической энергии течет от (+) к (-). Проставим направления токов на каждом участке.

Индекс тока или напряжения совпадает с индексом резистора. По которому проходит этот ток или на котором действует то напряжение.

2.Задачу решаем методом свертывания схемы.

Резисторы R1 и R2 соединены последовательно, заменяем их эквивалентным R1,2, где

 

R1,2 = R1 + R2 = 4+2 =6 Ом

Схема примет вид (рисунок 28).

I1 R1,2 I3 R3 I4 R4

A + С Д

R5 I5

R6 I6

B - I

Рисунок 28

R1,2,5 I3 R3 I4 R4

A + Д

R6 I6

B - I

Рисунок 29

I3 R1,2,3,5 I4 R4

A + Д

R6 I6

B - I

Рисунок 30

I4 R1,2,3,5,6

A + Д

R4

B - I

Рисунок 31

+ I Rобщ -

A B

Рисунок 32

3.Резисторы R1,2 и R5 соединены параллельно, заменим их эквивалентным R1,2,5 , где

R1,2,5 = 2 Ом

Схема примет вид (рисунок 29).

4.Резисторы R1,2,5 и R3 соединены последовательно, заменим их эквивалентным R1,2,3,5, где

R1,2,3,5 = R1,2,5 + R3 = 2 + 8 = 10 Ом

Схема примет вид (рисунок 30).

5.Резисторы R1,2,3,5 и R6 соединены параллельно, заменим их эквивалентным Rэ, где

Rэ = Ом

Схема примет вид (рисунок 31).

6.Резисторы Rэ и R4 соединены последовательно, заменим их эквивалентным Rобщ, где

Rобщ = Rэ + R4 = 6 + 4 = 10 Ом

7.По условию задано U5 = 30 B. Определяем ток I5, протекающий через резистор R5 (рисунок 32)

I5 = = = 10 A

8.Напряжение U5 = UAC (рисунок 28), т.к. резисторы R1,2 и R5 соединены параллельно. Токи I1 = I2, т.к. резисторы R1 = R2 соединены последовательно.

Поэтому

 

I1 = I2 = = 5 A

 

9.Согласно первому правилу Кирхгофа для узла А (рисунок 27).

I3 = I2 + I5 = 5 + 10 = 15 A

10. Падение напряжения на резисторе R3

U3 = UД = I3R3 = 15 8 = 120 B

11.Согласно второму закону Кирхгофа (рисунок 27)

UАД = U + UAC = 30 + 120 = 150 B

12.Напряжение UАД = U6, т.к. резисторы R1,2,3,5 и R6 соединены параллельно. Определяем ток I6, протекающий через резистор R6

I6 = = 10 A

13.Согласно первому закону Кирхгофа для узла Д (рисунок 27)

I4 = I3 + I6 = 15 + 10 = 25 A

14.Ток I4 резистора R4 является током I в неразветвленной части цепи, т.е.

I = I4 = 25 A

15.Падение напряжения на резисторе R4

U4 = I4 R4 = 25 4 = 100 B

16.Напряжение UAB,прикладываемое к зажимам цепи, можно определить

UAB = I Rобщ = 2510 = 250 В

UAB = UАД + U4 = 150 + 100 = 250 B

17.Мощности участков цепи

P1 = I12∙ R1 = 52 ∙ 4 = 100 Вт

P2 = I22 ∙ R2 = 52 ∙ 2 = 50 Вт

P3 = I32 ∙ R3 = 152 ∙ 8 = 1800 Вт

P4 = I42 ∙ R4 = 252 ∙ 4 = 2500 Вт

P5 = I52 ∙ R5 = 102 ∙ 3 = 300 Вт

P6 = I62 ∙ R6 = 102 ∙ 15 = 1500 Вт

18.Мощность всей цепи можно определить

P = P1 + P2 + P3 + P4 + P5 + P6

P = 100 + 50 + 1800 +2500 + 300 + 1500 = 6250 Вт = 6,25 кВт

или

P = I2 ∙ Rобщ = 252 ∙ 10 = 6250 Вт = 6,25 кВт

или

P = UAB ∙ I = 250 ∙ 15 = 6250 Вт = 6,25 кВт

19.Расход электроэнергии цепью за 5 часов работы

Wэ = P ∙ t = 6,25 ∙ 5 = 7,25 кВт. час

20.При замыкании накоротко резистора R4 схема примет вид (рисунок 33)

 

+ I1 R1 R2 I3 R3

A

I R5

R I6

B - I

Рисунок 33

21.Общее сопротивление цепи измениться и станет равным Rэ

Rобщ = RЭ = 6 Ом

22.Из полученной схемы (рисунок 33) видно, что напряжение UAB = U6`, значит ток I6`, протекающий через резистор R6 станет

I6` = = 16,6 Ом

Вывод: при замыкании накоротко резистора R4, I6 ток , протекающий через резистор R6 увеличился с 10 А до 16,6 А.

Пример 3

 

Определить токи схемы, изображенной на рисунке 34, используя преобразование треугольника сопротивлений в эквивалентную звезду.

Заданы параметры резисторов:

R1 = 40 Ом, R2 = 10 Ом, R3 = 50 Ом, R4 = 15 Ом, R5 = 10 Ом.

А также параметры источника Э.Д.С. Е = 136 В, R0 = 4 Ом.

 

В

R1 R2

R5

А

R3 R4

Д

E R0

Рисунок 34

Алгоритм решения

 

1,Проставляем произвольно направление токов в ветвях схемы. Если в процессе расчетов ток получится со знаком (-), значит произвольно выбранное его направление неправильно и нужно его направление поменять на противоположное.

2.Заменим треугольник сопротивлений АВД (рисунок ) эквивалентной звездой (рисунок ) со сторонами

RA = 20 Ом

RB = 4 Ом

RД = 5 Ом

В

I2

RB R2

RA

А С

RД

I I4 R4

Д

E R0

Рисунок 35

 

3.Сопротивление внешней цепи

Rобщ = RA + 20 30 Ом

4.Ток в неразветвленной части преобразованной схемы определяем по закону Ома для полной цепи:

I = 4 А

5.Токи в параллельных ветвях преобразованной схемы распределяются обратно пропорционально сопротивлениям ветвей:

I2 = I ∙= 4 ∙ = 2 А

I4 = I ∙= 4 ∙ = 2 А

6.Применив второе правило Кирхгофа к контуру ВСДВ исходной схемы получим

I2 ∙ R2 - I4 ∙ R4 - I5 ∙ R5 = 0,

откуда

I5 = = = 0,2 A

7.Согласно первому правилу Кирхгофа для узла В (рисунок 34)

I1 = I2 + I5 = 2 + 0,2 = 2,2 A

8.Применив первое правило к узлу А, получим

I3 = I – I1 = 4 - 2,2 = 1,8 A

Пример 4

Решить пример 3, используя преобразование звезды сопротивлений в эквивалентный треугольник сопротивлений.

Алгоритм решения

• Звезду сопротивлений с лучами, сходящимся в точке В, заменим эквивалентным треугольником сопротивлений.

Схема примет вид (рисунок 36)

 

RAC

RАД RСД

 

A I3 R3 Д I4 R4 C

I

E R0

 

Рисунок 36

RAC =R1 + R2 + 40 + 16+120 Ом

RАД = R1 + R5 + 40 + 10+ 75 Ом

RСД = R2 + R5 + 16 + 10 + 30 Ом

2. Сопротивление ветви АДС

RАДС = 40 Ом

3. Сопротивление внешней цепи

Rвн = 30 Ом

4.Ток в неразветвленной части цепи

I = 4 А

5. Падение напряжения между точками А и С

UAC = E - I∙R0 = 136 – 4 ∙ 4 = 120 В

6. Ток в ветвях AДС

IАДС = 3 А

7. Падение напряжения на участке АД (рисунок 36)

UАД = IАДС ∙ 3 ∙ = 90 B

8. Ток, протекающий через резистор R3

I3 = 1,8 А

9. Падение напряжения на участке ДС

UДС = UAC - UАД = 120 – 90 = 30 В

10. Ток, протекающий через резистор

I4 = 2 А

11. Согласно уравнения, составленного по первому правилу Кирхгофа для узла А (рисунок 34)

I1 = I – I3 = 4 – 1,8 =2,2 A

12.Согласно уравнения, составленного по первому правилу Кирхгофа для узла С (рисунок 34)

 

I2 = I – I4 = 4 – 2 = 2 A

13. Согласно уравнения, составленного по первому правилу Кирхгофа для узла Д (рисунок 34)

I5 = I4 – I3 = 2 – 1,8 = 0,2 A