电路的简化和等效变换

第一部分 电路的等效变化

在处理较复杂的混联电路问题时,常常因不会画等效电路图,难以求出等效电阻而直接影响解题。为此,向同学们介绍一种画等效电路图的方法《快速三步法》。

快速三步法画等效电路图的步骤为:

⑴ 标出等势点。依次找出各个等势点,并从高电势点到低电势点顺次标清各等势点字母。

⑵ 捏合等势点画草图。即把几个电势相同的等势点拉到一起,合为一点,然后假想提起该点“抖动”一下,以理顺从该点向下一个节点电流方向相同的电阻,这样逐点依次画出草图。画图时要注意标出在每个等势点处电流“兵分几路”及与下一个节点的联接关系。

⑶ 整理电路图。要注意等势点、电阻序号与原图一一对应,整理后的等效电路图力求规范,以便计算。

例1、图1所示电路中,R1=R2=R3=3Ω, R4=R5=R6=6Ω,求M 、N 两点间的电阻。

解:该题是一种典型的混联电路,虽然看上去对称、简单,但直接看是很难认识各个电阻间的联接关系的,因此必须画出等效电路图。下面用快速三步法来解。 1. 在原电路图上标了等势点a 、b 、c 。

2. 捏合等势点画草图。从高电势点M 点开始,先把两个a 点捏合到一起,理

顺电阻,标出电流在a 点“兵分三路”,分别经R1、R2、R3流向b 点;再捏合三个b 点,理顺电阻,标出电流在b 点“兵分三路”,分别经R4、R5、R6流向c 点;最后捏合c 点,电流流至N 点。(见图2)

3. 整理电路图如图3所示。 从等效电路图图3可以清楚地看出原电路各电

阻的联接方式,很容易计算出M 、N 两点间的电阻R=3Ω。

◆练习:如图4所示,R1=R3=4Ω,R2=R5=1Ω, R4=R6=R7=2Ω,求a 、d 两点间的电阻。

解:(1)在原电路图上标出等势点a 、b 、c 、d

(2)捏合等势点画草图,首先捏合等势点a ,从a 点开始,电流“兵分三路”,分别经R2流向b 点、经R3和R1流向d 点;捏合等势点b ,电流

“兵分两路”,分别经R5流向c 点,经R4流向d 点;捏合等势点c , 电流“兵分两路”,分别经R6和R7流向d 点。

(3)整理电路如图7所示

从等效电路图可清楚地看出原电路各电阻的联接关系,很容易计算出a 、d 两点间的电阻R=1Ω。

第二部分 竞赛中纯电阻电路的简化和等效变换

计算一个电路的电阻,通常从欧姆定律出发,分析电路的串并联关系。实际电路中,电阻的联接千变万化,我们需要运用各种方法,通过等效变换将复杂电路转换成简单直观的串并联电路。本节主要介绍几种常用的计算复杂电路等效电阻的方法。

1、等势节点的断接法

在一个复杂电路中,如果能找到一些完全对称的点(以两端连线为对称轴),那么可以将接在等电势节点间的导线或电阻或不含电源的支路断开(即去掉),也可以用导线或电阻或不含电源的支路将等电势节点连接起来,且不影响电路的等效性。

这种方法的关键在于找到等势点,然后分析元件间的串并联关系。常用于由等值电阻组成的结构对称的电路。

【例题1】在图8-4甲所示的电路中,R 1 = R2 = R3 = R4 = R5 = R ,试求A 、B 两端的等效电阻R AB 。

模型分析:这是一个基本的等势缩点的事例,用到的是物理常识是:导线是等势体,用导线相连的点可以缩为一点。将图8-4甲图中的A 、D 缩为一点A 后,成为图8-4乙图。

答案:R AB =

38

R 。

【例题2】在图8-5甲所示的电路中,R 1 = 1Ω ,R 2 = 4Ω ,R 3 = 3Ω ,R 4 = 12Ω ,R 5 = 10Ω ,试求A 、B 两端的等效电阻R AB 。

模型分析:这就是所谓的桥式电路,这里先介绍简单的情形:将A 、B 两端接入电源,并假设R 5不存在,C 、D 两点的电势相等。

因此,将C 、D 缩为一点C 后,电路等效为图8-5乙

对于图8-5的乙图,求R AB 是非常容易的。事实上,只要满足电路平衡。 答案:R AB =

154

R 1R 2

=

R 3R 4

的关系,该桥式

Ω 。

【例题3】在如图所示的有限网络中,每一小段导体的电阻均为R ,试求A 、B 两点之间的等效电阻R AB 。

【例题4】用导线连接成如图所示的框架,ABCD 是正四面体,每段导线的电阻都是1Ω。求AB 间的总电阻。

2、电流分布法

C

B

设有电流I 从A 点流入、B 点流出,应用电流分流的思想和网络中两点间不同路径等电压的思想,(即基耳霍夫定理),建立以网络中各支路的电流为未知量的方程组,解出各支路电流与总电流I 的关系,然后经任一路径计算A 、B 两点间的电压

U AB ,再由

即可求出等效电阻。

【例题1】7根电阻均为r 的电阻丝接成如图所示的网络,试

R AB =

U AB I

求出A 、B 两点之间的等效电阻R AB 。

【例题2】10根电阻均为r 的电阻丝接成如图所示的网络,试求出A 、B 两点之间的等效电阻R AB 。

【例题3】8根电阻均为r 的电阻丝接成如图所示的网络,C 、D 之间是两根电阻丝并联而成,试求出A 、B 两点之间的等效电阻R AB 。

3. 有限网络电阻

例1 如图所示电路中,R 1=R3=R5=间得总电阻。

……

=R99=5Ω,R 2=R4=R6=

……

=R98=10Ω, R100=5Ω, 求AB

解:电阻R 99和R 100串联的阻值为10Ω,与R 98并联后的电阻为5Ω,再与R 97串联的总电阻为10Ω,依次类推,虚线后面的电阻为10Ω,与R 2并联后再与R 1串联,得到

R AB =10Ω。

二、无限网络电阻 1、”自相似性”法

例2 在图2甲所示无限网络中,每个电阻的阻值均为R ,试求A 、B 两点间的电阻R AB

解:该类问题具有”自相似性”特点。所谓”自相似性”是指:“并联一个R 再串联一个R ”是电路每一级,总电路是这样无穷级的叠加。在图乙中,虚线部分右边可以看成原有无限网络,当它添加一级后,仍为无限网络,即R AB ∥R + R = RAB 解这个方程就得出了R AB 的值R AB =

1+25

R 。

2、电流注入法

例3 如图3所示的无限网络中每根电阻丝的电阻都为R ,求A 、B 两点间的电阻R AB 。 应用电流注入法的依据是:(1)对于任何一段导体或一个等效电阻R ,欧姆定律都适用;(2)若电路中有多个电源, 则通过电路中任一支路中的电流等于各个电动势单独存在时, 在该支路上产生的电流之和(代数和) 。

解:设A 点接电源正极,无穷远接电源负极,即从A 点注入电流I 时,根据对称性,AB 间电阻丝的电流必为I/3 ;再设B点接电源负极,无穷远接电源正极,从B 点流出电流I 时,根据对称性,AB 小段导体的电流必为I/3 ;那么,当上面“注入”和“流出”的过程同时进行时,即从A 点“注入”电流I, 从B 点“流出”电流I, 则由叠加性,AB 小段导体的电流必为2I/3 。应用欧姆定律,对AB 间的电阻丝得:U=

23

23

IR ,对整个网络得:U=I RAB ,解得 R AB =R 。

第一部分 电路的等效变化

在处理较复杂的混联电路问题时,常常因不会画等效电路图,难以求出等效电阻而直接影响解题。为此,向同学们介绍一种画等效电路图的方法《快速三步法》。

快速三步法画等效电路图的步骤为:

⑴ 标出等势点。依次找出各个等势点,并从高电势点到低电势点顺次标清各等势点字母。

⑵ 捏合等势点画草图。即把几个电势相同的等势点拉到一起,合为一点,然后假想提起该点“抖动”一下,以理顺从该点向下一个节点电流方向相同的电阻,这样逐点依次画出草图。画图时要注意标出在每个等势点处电流“兵分几路”及与下一个节点的联接关系。

⑶ 整理电路图。要注意等势点、电阻序号与原图一一对应,整理后的等效电路图力求规范,以便计算。

例1、图1所示电路中,R1=R2=R3=3Ω, R4=R5=R6=6Ω,求M 、N 两点间的电阻。

解:该题是一种典型的混联电路,虽然看上去对称、简单,但直接看是很难认识各个电阻间的联接关系的,因此必须画出等效电路图。下面用快速三步法来解。 1. 在原电路图上标了等势点a 、b 、c 。

2. 捏合等势点画草图。从高电势点M 点开始,先把两个a 点捏合到一起,理

顺电阻,标出电流在a 点“兵分三路”,分别经R1、R2、R3流向b 点;再捏合三个b 点,理顺电阻,标出电流在b 点“兵分三路”,分别经R4、R5、R6流向c 点;最后捏合c 点,电流流至N 点。(见图2)

3. 整理电路图如图3所示。 从等效电路图图3可以清楚地看出原电路各电

阻的联接方式,很容易计算出M 、N 两点间的电阻R=3Ω。

◆练习:如图4所示,R1=R3=4Ω,R2=R5=1Ω, R4=R6=R7=2Ω,求a 、d 两点间的电阻。

解:(1)在原电路图上标出等势点a 、b 、c 、d

(2)捏合等势点画草图,首先捏合等势点a ,从a 点开始,电流“兵分三路”,分别经R2流向b 点、经R3和R1流向d 点;捏合等势点b ,电流

“兵分两路”,分别经R5流向c 点,经R4流向d 点;捏合等势点c , 电流“兵分两路”,分别经R6和R7流向d 点。

(3)整理电路如图7所示

从等效电路图可清楚地看出原电路各电阻的联接关系,很容易计算出a 、d 两点间的电阻R=1Ω。

第二部分 竞赛中纯电阻电路的简化和等效变换

计算一个电路的电阻,通常从欧姆定律出发,分析电路的串并联关系。实际电路中,电阻的联接千变万化,我们需要运用各种方法,通过等效变换将复杂电路转换成简单直观的串并联电路。本节主要介绍几种常用的计算复杂电路等效电阻的方法。

1、等势节点的断接法

在一个复杂电路中,如果能找到一些完全对称的点(以两端连线为对称轴),那么可以将接在等电势节点间的导线或电阻或不含电源的支路断开(即去掉),也可以用导线或电阻或不含电源的支路将等电势节点连接起来,且不影响电路的等效性。

这种方法的关键在于找到等势点,然后分析元件间的串并联关系。常用于由等值电阻组成的结构对称的电路。

【例题1】在图8-4甲所示的电路中,R 1 = R2 = R3 = R4 = R5 = R ,试求A 、B 两端的等效电阻R AB 。

模型分析:这是一个基本的等势缩点的事例,用到的是物理常识是:导线是等势体,用导线相连的点可以缩为一点。将图8-4甲图中的A 、D 缩为一点A 后,成为图8-4乙图。

答案:R AB =

38

R 。

【例题2】在图8-5甲所示的电路中,R 1 = 1Ω ,R 2 = 4Ω ,R 3 = 3Ω ,R 4 = 12Ω ,R 5 = 10Ω ,试求A 、B 两端的等效电阻R AB 。

模型分析:这就是所谓的桥式电路,这里先介绍简单的情形:将A 、B 两端接入电源,并假设R 5不存在,C 、D 两点的电势相等。

因此,将C 、D 缩为一点C 后,电路等效为图8-5乙

对于图8-5的乙图,求R AB 是非常容易的。事实上,只要满足电路平衡。 答案:R AB =

154

R 1R 2

=

R 3R 4

的关系,该桥式

Ω 。

【例题3】在如图所示的有限网络中,每一小段导体的电阻均为R ,试求A 、B 两点之间的等效电阻R AB 。

【例题4】用导线连接成如图所示的框架,ABCD 是正四面体,每段导线的电阻都是1Ω。求AB 间的总电阻。

2、电流分布法

C

B

设有电流I 从A 点流入、B 点流出,应用电流分流的思想和网络中两点间不同路径等电压的思想,(即基耳霍夫定理),建立以网络中各支路的电流为未知量的方程组,解出各支路电流与总电流I 的关系,然后经任一路径计算A 、B 两点间的电压

U AB ,再由

即可求出等效电阻。

【例题1】7根电阻均为r 的电阻丝接成如图所示的网络,试

R AB =

U AB I

求出A 、B 两点之间的等效电阻R AB 。

【例题2】10根电阻均为r 的电阻丝接成如图所示的网络,试求出A 、B 两点之间的等效电阻R AB 。

【例题3】8根电阻均为r 的电阻丝接成如图所示的网络,C 、D 之间是两根电阻丝并联而成,试求出A 、B 两点之间的等效电阻R AB 。

3. 有限网络电阻

例1 如图所示电路中,R 1=R3=R5=间得总电阻。

……

=R99=5Ω,R 2=R4=R6=

……

=R98=10Ω, R100=5Ω, 求AB

解:电阻R 99和R 100串联的阻值为10Ω,与R 98并联后的电阻为5Ω,再与R 97串联的总电阻为10Ω,依次类推,虚线后面的电阻为10Ω,与R 2并联后再与R 1串联,得到

R AB =10Ω。

二、无限网络电阻 1、”自相似性”法

例2 在图2甲所示无限网络中,每个电阻的阻值均为R ,试求A 、B 两点间的电阻R AB

解:该类问题具有”自相似性”特点。所谓”自相似性”是指:“并联一个R 再串联一个R ”是电路每一级,总电路是这样无穷级的叠加。在图乙中,虚线部分右边可以看成原有无限网络,当它添加一级后,仍为无限网络,即R AB ∥R + R = RAB 解这个方程就得出了R AB 的值R AB =

1+25

R 。

2、电流注入法

例3 如图3所示的无限网络中每根电阻丝的电阻都为R ,求A 、B 两点间的电阻R AB 。 应用电流注入法的依据是:(1)对于任何一段导体或一个等效电阻R ,欧姆定律都适用;(2)若电路中有多个电源, 则通过电路中任一支路中的电流等于各个电动势单独存在时, 在该支路上产生的电流之和(代数和) 。

解:设A 点接电源正极,无穷远接电源负极,即从A 点注入电流I 时,根据对称性,AB 间电阻丝的电流必为I/3 ;再设B点接电源负极,无穷远接电源正极,从B 点流出电流I 时,根据对称性,AB 小段导体的电流必为I/3 ;那么,当上面“注入”和“流出”的过程同时进行时,即从A 点“注入”电流I, 从B 点“流出”电流I, 则由叠加性,AB 小段导体的电流必为2I/3 。应用欧姆定律,对AB 间的电阻丝得:U=

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IR ,对整个网络得:U=I RAB ,解得 R AB =R 。


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