Закон Киргофа – неизменные правила

После открытия электричества его стали достаточно широко использовать в промышленности, хотя исследования его природы при этом продолжались. Были установлены основные закономерности, позволяющие рассчитать простейшие элементы цепи, используя закон Ома. Но уже начали появляться сложные электрические цепи, и зачастую с их расчетами возникали трудности. В это время благодаря трудам немецкого физика Киргофа и появился закон Киргофа, который позволял описать любую электрическую цепь.

Здесь необходимо сделать предварительные пояснения по некоторым элементам цепи. В электрической цепи узлом называется соединение вместе нескольких (как правило, трех и более) проводников, подходящих из разных мест и после соединения расходящихся в другие точки. Для электрической цепи контуром называется замкнутый путь, через который проходит электрический ток. Контур состоит из нескольких самостоятельных узлов, причем каждый узел встречается не более одного раза.

Эти законы стали рабочим инструментом для многих поколений инженеров, позволяя решать самые сложные задачи. Касаются они в первую очередь разветвленных цепей. Первый закон Киргофа гласит, что общий ток, втекающий в узел, равняется сумме вытекающих из него токов. Здесь можно провести аналогию с водой. Если вместе соединяются две реки, то количество воды, поступающее по обеим рекам, равно количеству воды, текущей дальше после слияния рек.

В принципе, здесь все ясно и понятно. Вот только нужно вспомнить о законе сохранения энергии. Сформулированный выше закон Киргофа можно считать его следствием. Сколько электронов пришло к узлу цепи, такое же количество электронов должно уйти. Если весь ток, втекающий в узел электрической цепи, не будет уходить полностью из узла, то в узле начнет происходить накопление заряда, а этого на самом деле не происходит. Все полностью соответствует действующему закону сохранения энергии – ничего ниоткуда не возникает и не исчезает в никуда.

Не менее прост для понимания и второй закон Киргофа. Касается он сложных, разветвленных цепей, состоящих из нескольких элементов. Такую цепь можно разбить на ряд отдельных простых контуров. Если в контуре есть дополнительные источники, например, батарейка, то протекающие в цепи электроны могут получать дополнительную энергию или терять ее на сопротивлениях и иных элементах.

Описывая поведение электрического тока в подобных цепях, второй закон Киргофа гласит, что в электрической цепи в замкнутом контуре сумма ЭДС равна общему падению напряжения в контуре, т.е. сумма напряжений в замкнутом контуре равна нулю. С учетом закона сохранения энергии здесь тоже все понятно. В замкнутом контуре энергия взяться ниоткуда не может, кроме как из существующего источника. Если энергия берется из ниоткуда, тогда можно говорить о создании вечного двигателя. В таком случае ток, пройдя через замкнутый контур, должен будет увеличиваться. В действительности ничего подобного не происходит, как не существует и вечного двигателя.

Применяют законы Киргофа, как первый, так и второй, для расчетов элементов цепей. В первую очередь – для расчета режимов работы и определения необходимых номиналов элементов цепи. Эти элементы могут соединяться разными способами, образуя узлы и контуры. Соединения могут быть как последовательными, так и параллельными.

Благодаря описанным законам всегда можно определить режимы работы различных элементов, воздействующие на них напряжения, протекающие токи, подобрать электрорадиоизделия, подходящие по параметрам к условиям работы. Этими законами часто пользуются инженеры при расчетах самых разнообразных электронных и электротехнических схем. Такой расчет позволяет обеспечить правильную и долговечную работу изделий.

Вот что собой представляют законы Киргофа, первый и второй. Это упрощенное изложение, здесь не приводятся формулы и возможные примеры расчетов, а дано описание сути самих законов, показана их связь с законом сохранения энергии и приведены примеры возможного использования.