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9.3电路的等效变换

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9.3.1 无源电阻网络

这里主要讨论二端无源电阻网络求等效电阻问题。这里重点是通过各类题目,介绍对称性、叠加原量在求解等效电阻中的作用,以及通过求解电流分布来确定等效电阻。当然可以利用串并联公式及后面Y-Δ电路的等效变换来求解等效电阻,事实上,在求解具体问题时,往往多种手段集于一题,问题才能得以解决。 9.3.1.1对称性

一个无源电阻网络,经某一种“操作”(如镜像反射、旋转等),所得新网络与原网络相同,则称原网络在此操作下具有对称性。具有电阻分布对称性的电阻网络,一旦接入电源,往往可以在网络中找到由于对称性所提供的等势点。从而使问题得到简化。 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。

例1 设在桌面上固定孤立接线柱数为:(1) 4个;(2) 5个;(3) n个。任意两个接线柱间均接入

A 电阻值同为r的电阻,求接线柱1和2间的等效电阻为多大?

C

B D

例2三只相同的金属圆圈,两两正交地连成图所示的形状。若每一只金属圈原长为R,试求图中A,B两点间的等效电阻RAB。

例3将电阻r1,r2,r3,r4各三个共12个连成立方形系统,如图所示,求等效电阻RAB?

例4如图所示,电路中每段电阻均为r,求等效电阻RAB?

深圳外国语2009级物理竞赛班

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②电流分布法

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 UAB,再由RAB?UAB即可求出等I效电阻。

例5一条电阻率为常数,粗细均匀的无限长金属导线,导线上有A,B两点间一段金属导线的电阻为r,求当AB作为端点时,此无限长的金属导线的等效电阻是多少?

例6、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?

B

A

对于平面上的二维无限网络,可以用下图表示,

三维无限网络

9.3.1.2无穷网络等效变换法

若x?a?a?a?a??,(a>0)

在求x值时,x注意到是由无限多个a组成,所以去掉左边第一个a?对x值毫无影响,即剩余部分仍为x,这样,就可以将原式等效变换为x?a?x,即x2?x?a?0。所以

x?1?1?4a这就是物理学中解决无限网络问题的基本思路。 2例7、如图2-4-15所示,框架是用同种金属丝制成的,单位长度的电阻为接等边三角形的数目可认为趋向无穷,取AB边长为a,以下每个三角形的边长依次减小一半,则框架上A、B两点间的电阻为多大?

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?,一连串内

AB图2-4-15

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9.3.1.3在某些复杂的电路中往往会遇到电阻的Y型或△,如图2-4-8所示,有时把Y型联接代换成等效的△型联接,或把△型联接代换成等效的Y型联接,可使电路变为串、并联,从而简化计算,等效代换要求Y型联接三个端纽的电压U12、U23、U31及流过的电流I1、I2、I3与△型联接的三个端纽相同。

I1R1?I2R2?U12I3R3?I1R1?U31在Y型电路中有I1?I2?I3?0 可解得

I11R1R2OR32I21I1R122I2R31I33R23I33I1?R3R2U12?U31R1R2?R2R3?R3R1R1R2?R2R3?R3R1

在△型电路中

I12?UUU12UI31?31I1?I12?I31I1?12?31 R12R31R12R31图2-4-8

等效即满足:

R3U12U31R2??U12?U31R12R31R1R2?R2R3?R3R1R1R2?R2R3?R3R1

R12?R1R2?R2R3?R3R1RR?R2R3?R3R1R31?12R3R2① ②类似方法可得

R23?R1R2?R2R3?R3R1R1 ③

①、②、③式是将Y型网络变换到△型电路中的一组变换。

同样将△型电路变换到Y型电路,变换式可由①、②、③式求得:④、⑤、⑥

R1?R31R23R12R23R12R31R3?R2?R12?R23?R31⑥ R12?R23?R31⑤R12?R23?R31 ④

例5如图所示,电路中每段电阻均为r,求等效电阻RAN?RAM?

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