Между узлом A и землёй включены три ветви, как показано на схеме. Методом узловых потенциалов найдите ток I1 в ветви 1, текущий вверх в узел A по направлению стрелки.
До замыкания ключа в момент t = 0 тока через катушку нет. Найдите энергию W, запасённую в катушке при t = 10 ms, в mJ.
Vs = 24 VR = 10 ΩL = 68 mHt = 10 ms
W = mJ
14.Переходные процессы RC и RLСложная
Ключ, шунтирующий R2, был разомкнут долгое время, поэтому ток катушки установившийся. При t = 0 ключ замыкается и закорачивает R2. Найдите ток катушки i при t = 5 ms.
Vs = 6 VR1 = 47 ΩR2 = 47 ΩL = 100 mHt = 5 ms
i = A
3Растворы
1.Последовательные и параллельные резисторы
Ответ: IR1 = 1,835 A
Последовательное и параллельное соединение: последовательно через каждый резистор течёт один и тот же ток и R = R₁ + R₂ + …. Параллельно на каждом резисторе одно и то же напряжение и 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …. Лестничную цепь упрощают по одной паре, пока не останется одно эквивалентное сопротивление.
Объединяйте резисторы с дальнего конца
Начните с конца, самого дальнего от источника, и двигайтесь к нему. Резисторы с одинаковым током соединены последовательно; резисторы между одними и теми же двумя узлами — параллельно.
R3 + R4 = 6 + 2 = 8 Ω
R2 ∥ 8 = 5·8/(5+8) = 3,077 Ω
Req = R1 + 3,077 = 10 + 3,077 = 13,08 Ω
Ток источника
Источник видит только Req, поэтому закон Ома даёт ток, который он отдаёт. Этот ток течёт через R₁.
IR1 = V1/Req = 24/13,08 = 1,835 A
Ответ
IR1 = 1,835 A
2.Последовательные и параллельные резисторы
Ответ: Req = 6,157 Ω
Последовательное и параллельное соединение: последовательно через каждый резистор течёт один и тот же ток и R = R₁ + R₂ + …. Параллельно на каждом резисторе одно и то же напряжение и 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …. Лестничную цепь упрощают по одной паре, пока не останется одно эквивалентное сопротивление.
Объединяйте резисторы с дальнего конца
Начните с конца, самого дальнего от источника, и двигайтесь к нему. Резисторы с одинаковым током соединены последовательно; резисторы между одними и теми же двумя узлами — параллельно.
R5 + R6 = 25 + 2 = 27 Ω
R4 ∥ 27 = 12,98 Ω
R3 + 12,98 = 14,98 Ω
R2 ∥ 14,98 = 3,157 Ω
Req = R1 + 3,157 = 3 + 3,157 = 6,157 Ω
Ответ
Req = 6,157 Ω
3.Метод узловых потенциалов
Ответ: I1 = −0,545 A
Метод узловых потенциалов: выберите опорный узел, обозначьте неизвестные узловые напряжения, запишите закон токов Кирхгофа для каждого неизвестного узла с помощью закона Ома (I = ΔV/R) и решите полученные уравнения.
ЗТК в узле A
Примите нижний провод за землю. Каждая ветвь проводит ток (VA − Vk)/Rk, вытекающий из A, где Vk — напряжение её источника (ноль для простого резистора). Сумма токов, вытекающих из A, равна нулю.
(VA − (−6))/20 + (VA − 9)/20 + (VA − 10)/15 = 0
Находим VA
VA = ((−6)/20 + 9/20 + 10/15) / (1/20 + 1/20 + 1/15) = 0,8167/0,1667 = 4,9 V
Ток ветви
Стрелка направлена вверх по ветви, в узел A.
I1 = ((−6) − VA)/R1 = ((−6) − 4,9)/20 = −0,545 A
Ответ
I1 = −0,545 A
Отрицательный результат означает, что в действительности ток течёт против стрелки.
4.Метод узловых потенциалов
Ответ: IR4 = 0,3805 A
Метод узловых потенциалов: выберите опорный узел, обозначьте неизвестные узловые напряжения, запишите закон токов Кирхгофа для каждого неизвестного узла с помощью закона Ома (I = ΔV/R) и решите полученные уравнения.
Определите узлы
Земля — нижний провод. Известные узловые напряжения берутся прямо из источников (V1 = 9 V, V2 = 6 V). Неизвестные: VA, VB.
ЗТК в узле A
Токи, вытекающие из A через резисторы, равны току, который источники подают в A.
VA/R3 + (VA − V1)/R1 + (VA − VB)/R2 = 0
VA/10 + (VA − 9)/3 + (VA − VB)/20 = 0
0,4833·VA − 0,05·VB = 3
ЗТК в узле B
Токи, вытекающие из B через резисторы, равны току, который источники подают в B.
VB/R5 + (VB − VA)/R2 + (VB − V2)/R4 = Is
VB/20 + (VB − VA)/20 + (VB − 6)/10 = 1
−0,05·VA + 0,2·VB = 1,6
Решите
Δ = (0,4833)(0,2) − (−0,05)(−0,05) = 0,09417
VA = Δ1/Δ = 0,68/0,09417 = 7,221 V
VB = Δ2/Δ = 0,9233/0,09417 = 9,805 V
Ответ
IR4 = (VB − V2)/R4 = (9,805 − 6)/10 = 0,3805 A
5.Метод контурных токов
Ответ: IR3 = 1,167 A
Метод контурных токов: дайте каждому окну плоской цепи свой контурный ток, запишите закон напряжений Кирхгофа для каждого контура (сумма падений = сумма подъёмов) и решите. Токи ветвей — это контурный ток или разность двух контурных токов в общей ветви.
Задайте контурные токи
В каждом окне нарисуйте ток по часовой стрелке: I1, I2. Резистор, общий для двух контуров, проводит разность их токов.
ЗНК для контура 1
При обходе по часовой стрелке падения напряжения на резисторах равны подъёмам напряжения источников (от − к + в направлении обхода).
R1·I1 + R3(I1 − I2) = V1
3·I1 + 10(I1 − I2) = 9
13·I1 − 10·I2 = 9
ЗНК для контура 2
При обходе по часовой стрелке падения напряжения на резисторах равны подъёмам напряжения источников (от − к + в направлении обхода).
R2·I2 + R3(I2 − I1) = −V2
6·I2 + 10(I2 − I1) = (−24)
−10·I1 + 16·I2 = −24
Решите
Δ = (13)(16) − (−10)(−10) = 108
I1 = Δ1/Δ = −96/108 = −0,8889 A
I2 = Δ2/Δ = −222/108 = −2,056 A
Ответ
IR3 = I1 − I2 = 1,167 A
Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.
6.Метод контурных токов
Ответ: I2 = 0,6665 A
Метод контурных токов: дайте каждому окну плоской цепи свой контурный ток, запишите закон напряжений Кирхгофа для каждого контура (сумма падений = сумма подъёмов) и решите. Токи ветвей — это контурный ток или разность двух контурных токов в общей ветви.
Задайте контурные токи
В каждом окне нарисуйте ток по часовой стрелке: I1, I2, I3. Резистор, общий для двух контуров, проводит разность их токов.
ЗНК для контура 1
При обходе по часовой стрелке падения напряжения на резисторах равны подъёмам напряжения источников (от − к + в направлении обхода).
R1·I1 + R4(I1 − I2) = V1
2·I1 + 30(I1 − I2) = 15
32·I1 − 30·I2 = 15
ЗНК для контура 2
При обходе по часовой стрелке падения напряжения на резисторах равны подъёмам напряжения источников (от − к + в направлении обхода).
R2·I2 + R4(I2 − I1) + R5(I2 − I3) = 0
12·I2 + 30(I2 − I1) + 5(I2 − I3) = 0
−30·I1 + 47·I2 − 5·I3 = 0
ЗНК для контура 3
При обходе по часовой стрелке падения напряжения на резисторах равны подъёмам напряжения источников (от − к + в направлении обхода).
R3·I3 + R5(I3 − I2) = −V2
4·I3 + 5(I3 − I2) = (−6)
−5·I2 + 9·I3 = −6
Решите
Δ = определитель матрицы коэффициентов = 4636
I1 = Δ1/Δ = 5070/4636 = 1,094 A
I2 = Δ2/Δ = 3090/4636 = 0,6665 A
I3 = Δ3/Δ = −1374/4636 = −0,2964 A
Ответ
I2 = 0,6665 A
Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.
7.Метод наложения
Ответ: IR2 = 1,21 A
Метод наложения: в линейной цепи любое напряжение или ток равно сумме откликов на каждый независимый источник, действующий отдельно. Чтобы отключить источник, замените идеальный источник напряжения коротким замыканием, а идеальный источник тока — разрывом. Резисторы остаются на месте.
Случай 1 · действует только V1
Iₛ становится разрывом, поэтому R₃ и R₄ образуют одну последовательную ветвь от A к земле, параллельную R₂.
R3+R4 = 12+20 = 32 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 6·32/(6+32) = 5,053 Ω
VA = 6·5,053/(10+5,053) = 2,014 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 2,014·20/32 = 1,259 V
IR2′ = (VA − 0)/R2 = (2,014 − 0)/6 = 0,3357 A
Случай 2 · действует только Is
V₁ становится коротким замыканием, поэтому R₁ параллелен R₂. Iₛ в точке B делится между R₄ и путём через R₃.
R1 ∥ R2 = 10·6/(10+6) = 3,75 Ω
Req = R4 ∥ (R3+R1∥R2) = 20 ∥ 15,75 = 8,811 Ω
VB = Is·Req = 2,5·8,811 = 22,03 V
VA = VB·(R1∥R2)/(R3+R1∥R2) = 22,03·3,75/15,75 = 5,245 V
IR2″ = (VA − 0)/R2 = (5,245 − 0)/6 = 0,8741 A
Сложите составляющие
IR2 = IR2′ + IR2″
IR2 = 0,3357 + 0,8741 = 1,21 A
Отрицательный результат означает, что на самом деле ток течёт против стрелки.
8.Метод наложения
Ответ: V2 = 3 V
Метод наложения: в линейной цепи любое напряжение или ток равно сумме откликов на каждый независимый источник, действующий отдельно. Чтобы отключить источник, замените идеальный источник напряжения коротким замыканием, а идеальный источник тока — разрывом. Резисторы остаются на месте.
Случай 1 · действует только V1
V₂ становится коротким замыканием, а Iₛ — разрывом. Со стороны A резистор R₃ параллелен последовательной паре R₂+R₄.
R3 ∥ (R2+R4) = 20 ∥ 35 = 12,73 Ω
VA = 18·12,73/(15+12,73) = 8,262 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 8,262·15/35 = 3,541 V
Случай 2 · действует только Is
Оба источника напряжения становятся короткими замыканиями. Iₛ в точке B делится между R₄ (теперь к земле) и R₂, последовательным с R₁ ∥ R₃. Стрелка Iₛ направлена вниз, от своего узла, поэтому Iₛ отводит ток из этого узла: его член входит со знаком минус.
R1 ∥ R3 = 8,571 Ω, поэтому левый путь — R2+8,571 = 28,57 Ω
Req = R4 ∥ 28,57 = 9,836 Ω
VB = −Is·Req = −3·9,836 = −29,51 V
VA = VB·8,571/28,57 = −8,852 V
Случай 3 · действует только V2, на один вольт
V₁ становится коротким замыканием, а Iₛ — разрывом. R₁ ∥ R₃ отходит от A, последовательно с R₂ обратно к B.
R1 ∥ R3 = 8,571 Ω
VA‴ = V2·8,571/(15 + 20 + 8,571) = 0,1967·V2
Приравниваем VA к нулю
При VA = 0 напряжение на R₃ отсутствует, поэтому ток через него равен нулю.
Теорема Тевенина: любая линейная двухполюсная цепь ведёт себя как один источник напряжения Vth, последовательный с сопротивлением Rth. Теорема Нортона представляет ту же цепь как источник тока IN = Vth/Rth, параллельный Rth.
Найдите Rth со всеми отключёнными источниками
Замените источники напряжения короткими замыканиями, а источники тока — разрывами, затем посмотрите на цепь со стороны a–b.
R1 ∥ R2 = 2·10/(2+10) = 1,667 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1,667 + 15 = 16,67 Ω
Найдите Vth — напряжение холостого хода
Когда a–b разомкнуты, через R₃ ток не течёт, поэтому падения на нём нет и V_b = V_A. R₁ и R₂ образуют делитель напряжения.
Vth = V1·R2/(R1+R2) = 12·10/(2+10) = 10 V
10.Тевенин и Нортон
Ответ: Vth = 131,7 V
Теорема Тевенина: любая линейная двухполюсная цепь ведёт себя как один источник напряжения Vth, последовательный с сопротивлением Rth. Теорема Нортона представляет ту же цепь как источник тока IN = Vth/Rth, параллельный Rth.
Найдите Rth со всеми отключёнными источниками
Замените источники напряжения короткими замыканиями, а источники тока — разрывами, затем посмотрите на цепь со стороны a–b.
R1 ∥ R2 = 12·15/(12+15) = 6,667 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 6,667 + 25 = 31,67 Ω
Найдите Vth — напряжение холостого хода
Когда a–b разомкнуты, Iₛ может течь только через R₃ в узел A. Найдите V_A наложением V₁ и Iₛ, затем прибавьте падение на R₃.
VA = V1·R2/(R1+R2) + Is·(R1∥R2) = 5 + 4·6,667 = 31,67 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 31,67 + 4·25 = 131,7 V
11.Схемы на операционных усилителях
Ответ: Vout = 5,7 V
Правила идеального ОУ: при отрицательной обратной связи усилитель устанавливает выход так, чтобы оба входа имели одинаковое напряжение (V₋ = V₊), и ни в один вход ток не течёт. ЗТК на инвертирующем входе с этими двумя фактами даёт выход.
Инвертирующий вход повторяет вход
V₋ = V₊ = 1,9 V
I = V₋/R1 = 1,9/1 = 1,9 mA
Выходное напряжение
Ток через R₁ течёт и через Rf.
Vout = V₋ + I·Rf = 1,9 + 1,9·2 = 5,7 V
Ответ
Vout = 5,7 V
12.Схемы на операционных усилителях
Ответ: Vout = 5,355 V
Правила идеального ОУ: при отрицательной обратной связи усилитель устанавливает выход так, чтобы оба входа имели одинаковое напряжение (V₋ = V₊), и ни в один вход ток не течёт. ЗТК на инвертирующем входе с этими двумя фактами даёт выход.
Переходные процессы первого порядка: в цепи с одним конденсатором или одной катушкой каждое напряжение и каждый ток экспоненциально меняются от начального к конечному значению: x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ, где τ = RC или τ = L/R. Примерно через 5τ цепь выходит на установившийся режим.
Постоянная времени и конечный ток
Спустя долгое время после замыкания катушка ведёт себя как короткое замыкание, поэтому конечный ток определяется только R.
τ = L/R = 68 mH / 10 Ω = 6,8 ms
i(∞) = Vs/R = 24/10 = 2,4 A
Ток в заданный момент
i(t) = 2,4·(1 − e−10/6,8) = 1,849 A
Запасённая энергия
W = ½·L·i² = ½·68·1,849² = 116,2 mJ
Ответ
W = 116,2 mJ
14.Переходные процессы RC и RL
Ответ: i = 0,1216 A
Переходные процессы первого порядка: в цепи с одним конденсатором или одной катушкой каждое напряжение и каждый ток экспоненциально меняются от начального к конечному значению: x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ, где τ = RC или τ = L/R. Примерно через 5τ цепь выходит на установившийся режим.
Начальное значение, конечное значение, постоянная времени
До t = 0 в контур входят оба резистора; после этого замкнутый ключ шунтирует R₂.