全国中学生物理竞赛――纯电阻电路的简化和等效变换

1、例析物理竞赛中纯电阻电路的简化和等效变换李进山东省邹平县第一中学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

2、的电路。【例题1】在图8-4甲所示的电路中,R 1 = R 2 = R 3 = R 4 = R 5 = 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 =83R 。【例题2】在图8-5甲所示的电路中,R 1 = 1 ,R 2 = 4 ,R 3 = 3 ,R 4 = 12 ,R 5 = 10 ,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

3、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21R R =43R R 的关系,该桥式电路平衡。 答案:R AB =415 。【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1。求AB 间的总电阻。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

4、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ABU,再由I U R ABAB = 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,试求出A 、B 两点之间的等效电阻AB R 。【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AB R 。【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AB R 。 ABDC电流叠加原理:直流电路中,任何一条支路的电流都可以看成是由电路中各个电源分别作用时,在此支路中产生的电流的

5、代数和。所谓电路中只有一个电源单独作用,就是假设将其余电源均除去,但是它们的内阻仍应计及。【例题4】“田”字形电阻网络如图,每小段电阻为R ,求A 、B 间等效电阻。 3、Y 变换法 在某些复杂的电路中往往会遇到电阻的Y 型或,如图所示,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312312U U U 、及流过的电流321I I I 、与型联接的三个端纽相同。将Y 型网络变换到型电路中的变换式:313322112R R R R R R R R +=213322131R R R R R R R R

6、 += 113322123R R R R R R R R +=将型电路变换到Y 型电路的变换式:31231231121RR R RR R +=31231223122R R R R R R +=31231223313R R R R R R +=以上两套公式的记忆方法:Y :分母为三个电阻的和,分子为三个待求电阻相邻两电阻之积。 Y :分子为电阻两两相乘再相加,分母为待求电阻对面的电阻。当Y 形联接的三个电阻相等时,与之等效的形联接的三个电阻相等,且等于原来的三倍;同样,当联接的三个电阻相等时,与之等效的Y 形联接的三个电阻相等,且等于原来的1/3。【例题1】对不平衡的桥式电路,求等效电阻R AB

7、 。 提示:法一:“Y ”变换; 法二:基尔霍夫定律【例题2】试求如图所示电路中的电流I 。(分别应用两种变换方式计算 【课堂练习】分别求下图中AB 、CD 间等效电阻。( 答案:0.5R; R PQ =44、无限网络 若,+=a a a a x (a >0在求x 值时,注意到x 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02=-a x x 。所以2411a x +=这就是物理学中解决无限网络问题的基本思路,那就是:无穷大和有限数的和仍为无穷大。一维无限网络 【例题1】在图示无限网络中,每个电阻的阻

8、值均为R ,试求A 、B 两点间的电阻R AB 。 解法一:在此模型中,我们可以将“并联一个R 再串联一个R ”作为电路的一级,总电路是这样无穷级的叠加。在图8-11乙图中,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 ABR + R = R AB解这个方程就得出了R AB的值。答案:R AB =251+R 。 解法二:可以,在A端注入电流I后,设第一级的并联电阻分流为I1,则结合基尔霍夫第一定律和应有的比例关系,可以得出相应的电流值如图8-12所示对图中的中间回路,应用基尔霍夫第二定律,有(I I1R + (I I1II1R I1R = 0解得 I1 =21

9、5-I很显然 UA IR I1R = UB即 UAB = IR +215-IR =251+IR最后,RAB =IUAB =251+R 。【例题2】如图所示,由已知电阻r1、r2和r3组成的无穷长梯形网络,求a、b间的等效电阻R ab.(开端形 【例题3】如图所示,由已知电阻r1、r2和r3组成的无穷长梯形网络,求a、b间的等效电阻R ab.(闭端形 双边一维无限网络【例题4】如图所示,两头都是无穷长,唯独中间网孔上缺掉一个电阻r2,求e、f之间的等效电阻。(中间缺口形 【例题5】如图所示,两头都是无穷长,唯独旁边缺一个电阻r2,求f、g之间的等效电 阻.（旁边缺口形） （旁边缺口形） 【例题

10、6】如图所示，求 g、f 间的等效电阻。 完整形） （完整形） 小结：一维无限网络利用网络的重复性。 小结 二维无限网络 【例题 7】图为一个网格为正方形的平面无穷网络，网络的每一个节点都有四个电阻与 上下左右四个节点分别相联，每个电阻大小均为 R，由此，按左右、上下一直延伸到无穷远 处A 和 B 为网络中任意两个相邻节点，试求 A、B 间的等效电阻 RAB 模型分析：如图，设有一电流 I 从 A 点流入，从无穷远处流出由于网络无穷大，故网 模型分析 络对于 A 点是对称的，电流 I 将在联接 A 点的四个电阻上平均分配这时，电阻 R（指 A、 B 两节点间的电阻）上的电流为 I/4，方向由

11、A 指向 B 同理，再设一电流 I 从无穷远处流处，从节点 B 流出由于网络无穷大，B 也是网络 的对称点，因此在电阻 R 上分得的电流也为 I/4， 方向也是由 A 指向 B 将上述两种情况叠加， 其结果将等效为一个从节 点 A 流入网络， 又从节点 B 流出网络的稳恒电流 I， 在无穷远处既不流入也不流出每个支路上的电流 也是上述两种情况下各支路电流的叠加因此，R 电阻上的电流为 I/2所以 A、B 两节点间的电势差 为： 【例题 8】对图示无限网络，求 A、B 两点间的电阻 RAB 。 【例题 9】有一个无限平面导体网络，它由大小相同的正六边形 网眼组成，如图所示。所有六边形每边的电阻为

12、 R0 ，求： （1）结点 a、b 间的电阻。 （2）如果有电流 I 由 a 点流入网络，由 g 点流出网络，那么流过 de 段电阻的电流 Ide 为多大。 1 c 4 b9 a g 5 d e 8 6 7 3 2 解： （1）设有电流 I 自 a 点流入，流到四面八方无穷远处，那么必有 I / 3 电流由 a 流向 c， I 有 / 6 电流由 c 流向 b。 再假设有电流 I 电流由 a 流向 c，有 I / 3 电流由 c 流向 b。 I I I + = 3 6 2 （由 a 流向 c） I I I I cb = + = 3 6 2 （由 c 流向 b） I ac = 因此，a、b 两点

13、间等效电阻 由四面八方汇集 b 点流出， 那么必有 I /6 将以上两种情况综合，即有电流 I 由 a 点流入，自 b 点流出，由电流叠加原理可知 RAB = U AB I ac R0 + I cb R0 = = R0 I I （2）假如有电流 I 从 a 点流进网络，流向四面八方，根据对称性，可以设 应该有 因为 b、d 两点关于 a 点对称，所以 I1 = I 4 = I 7 = I A I2 = I3 = I5 = I6 = I8 = I9 = I B 3I A + 6 I B = I I de = I be = 1 IA 2 B 同理，假如有电流 I 从四面八方汇集到 g 点流出，应该有 I = I de 最后，根据电流的叠加原理可知 I de = I de + I de = 1 1 1 I A + I B = (3I A + 6 I B = I 2 6 6 三维无限网络 【例题 10】假设如图有一个无限大 NaCl 晶格，每一个键电阻为 r，求相邻两个 Na 和 Cl 原子间的