復雜電阻網(wǎng)絡的處理方法

1、復雜電阻網(wǎng)絡的處理方法一：有限電阻網(wǎng)絡原則上講解決復雜電路的一般方法，使用基爾霍夫方程組即可。它包含的兩類方程出自于兩個自然的結論：（1）對電路中任何一個節(jié)點，流出的電流之和等于流入的電流之和。電路中任何一個閉合回路，都符合閉合電歐姆定律。下面我介紹幾種常用的其它的方法。1：對稱性簡化所謂的對稱性簡化，就是利用網(wǎng)絡結構中可能存在的對稱性簡化等效電阻的計算。它的效果是使計算得以簡化，計算最后結果必須根據(jù)電阻的串、并聯(lián)公式；電流分布法；極限法等來完成。在一個復雜的電路中，如果能找到一些完全對稱的點，那么當在這個電路兩端加上電壓時，這些點的電勢一定是相等的，即使用導線把這些點連接起來也不會有電流（或

2、把連接這些點的導線去掉也不會對電路構成影響），充分的利用這一點我們就可以使電路大為簡化。例（1）如圖1所示的四面體框架由電阻都為R的6根電阻絲連接而成，求兩頂點A、B間的等效電阻。圖1 圖2分析:假設在A、B兩點之間加上電壓，并且電流從A電流入、B點流處。因為對稱性，圖中CD兩點等電勢，或者說C、D 間的電壓為零。因此，CD間的電阻實際上不起作用，可以拆去。原網(wǎng)絡簡化成簡單的串、并聯(lián)網(wǎng)絡，使問題迎刃而解。解：根據(jù)以上分析原網(wǎng)絡簡化成如圖2所示的簡單的串、并聯(lián)網(wǎng)絡，由串、并聯(lián)規(guī)律得RAB=R/2例（2）三個相同的金屬圈兩兩正交地連成如圖所示的形狀，若每一個金屬圈的原長電阻為R，試求圖中A、B兩點

3、之間的等效電阻。圖3 圖4 圖5 分析：從圖3中可以看出，整個電阻網(wǎng)絡相對于AB的電流流入、流出方式上具有上下對稱性，因此可上下壓縮成如圖所時的等效減化網(wǎng)絡。從如圖4所示的網(wǎng)絡中可以看出，從A點流到O電流與從O點到B電流必相同；從A1點流到O電流與從O點到B1電流必相同。據(jù)此可以將O點斷開，等效成如圖5所示的簡單網(wǎng)絡，使問題得以求解。解：根據(jù)以上分析求得RAB=5R/48例（3）如圖6所示的立方體型電路，每條邊的電阻都是R。求A、G之間的電阻是多少？分析: 假設在A 、G兩點之間加上電壓時，顯然由于對稱性D、B、E 的電勢是相等的，C、F、H的電勢也是相等的，把這些點各自連起來，原電路就變成了

4、如圖7所示的簡單電路。解:由簡化電路，根據(jù)串、并聯(lián)規(guī)律解得RAG=5R/6（同學們想一想，若求A、F或A、E之間的電阻又應當如何簡化？）例（4）在如圖8所示的網(wǎng)格形網(wǎng)絡中，每一小段電阻均為R，試求A、B之間的等效電阻RAB。圖8 圖9圖10 圖11分析:由于網(wǎng)絡具有相對于過A、B對角線的對稱性，可以折疊成如圖9所示的等效網(wǎng)絡。而后根據(jù)等電勢點之間可以拆開也可以合并的思想簡化電路即可。解法(a)：簡化為如圖9所示的網(wǎng)絡以后，將3、O兩個等勢點短接，在去掉斜角部位不起作用的兩段電阻，使之等效變換為如圖10所示的簡單網(wǎng)絡。最后不難算得RAO=ROB=5R/14RAB= RAO+ROB=5R/7解法(

5、b)：簡化為如圖所示的網(wǎng)絡以后，將圖中的O點上下斷開，如圖11所示，最后不難算得RAB=5R/72：電流分布法設定電流I從網(wǎng)絡A電流入，B 電流出。應用電流分流思想和網(wǎng)絡中任意兩點之間不同路徑等電壓的思想，建立以網(wǎng)絡中的各電阻的電流為未知量的方程組，解出各電流I的比例關系，然后選取A到B的某一路經(jīng)計算A、B 間的電壓，再由RAB=UAB/IAB即可算出RAB例：有如圖12所示的電阻網(wǎng)絡，求A、B之間的電阻RAB分析：要求A、B之間的電阻RAB按照電流分布法的思想，只要設上電流以后，求得A、B 間的電壓即可。圖12解：設電流由A流入，B流出，各支路上的電流如圖所示。根據(jù)分流思想可得I2=I-I1

6、I3=I2-I1=I-2I1A、O間的電壓，不論是從AO看，還是從ACO看，都應該是一樣的，因此I1(2R)=(I-I1)R+(I-2I1)R解得I1=2I/5取AOB路徑，可得AB間的電壓UAB=I1*2R+I4*R根據(jù)對稱性I4=I2=I-I1=3I/5所以UAB=2I/5*2R+3I/5*R=7IR/5RAB=UAB/I=7R/5這種電流分布法事實上已經(jīng)引進了基爾霍夫定律的思想，所以有一定的一般性。3：Y 變換復雜電路經(jīng)過Y 變換，可以變成簡單電路。如圖13和14所示分別為網(wǎng)絡和Y網(wǎng)絡，兩個網(wǎng)絡中得6個電阻滿足怎樣的關系才能使這兩個網(wǎng)絡完全等效呢 ?所謂完全等效，就是要求Uab=Uab,

7、Ubc=Ubc,Uca=UcaIa=IA,Ib=IB,Ic=IC在Y網(wǎng)絡中有IaRa-IbRb=UabIcRc-IaRa=UcaIa+Ib+Ic=0圖13 圖14解得Ia=RcUab/(RaRb+RbRc+RcRa)+ RbUca/(RaRb+RbRc+RcRa)在網(wǎng)絡中有IAB=UAB/RABICA=UCA/RCAIA=IAB-ICA解得IA= （UAB/RAB）-（ UCA/RCA）因為要求Ia=IA ，所以RcUab/(RaRb+RbRc+RcRa)+ RbUca/(RaRb+RbRc+RcRa)= （UAB/RAB）-（ UCA/RCA）又因為要求Uab= UAB ，Uca= UCA

8、所以要求上示中對應項系數(shù)相等，即RAB=(RaRb+RbRc+RcRa)/ Rc -（1）RCA=(RaRb+RbRc+RcRa)/ Rb-（2）用類似的方法可以解得RBC=(RaRb+RbRc+RcRa)/ Ra-(3)(1)、（2）、（3）三式是將Y網(wǎng)絡變換到網(wǎng)絡的一組變換式。在(1)、（2）、（3）三式中將RAB 、RBC、RCA作為已知量解出Ra、Rb、Rc即可得到Ra=RAB*RCA/(RAB+RBC+RCA)-（4）Rb=RAB*RBC/(RAB+RBC+RCA) -（5）Rc=RBC*RCA/(RAB+RBC+RCA) -（6）(4)、（5）、（6）三式是將網(wǎng)絡變換到Y網(wǎng)絡的一組

9、變換式。例（1）求如圖15所示雙T橋網(wǎng)絡的等效電阻RAB。圖15 圖16分析：此題無法直接用串、并聯(lián)規(guī)律求解，需要將雙T橋網(wǎng)絡中兩個小的Y網(wǎng)絡元變換成兩個小的網(wǎng)絡元，再直接用串、并聯(lián)規(guī)律求解即可。解:原網(wǎng)絡等效為如圖16所示的網(wǎng)絡，由此可以算得RAB=118/93例（2）有7個電阻同為R的網(wǎng)絡如圖17所示，試求A、B間的等效電阻RAB。圖17 圖18解：將Y網(wǎng)絡O-ABC變換成網(wǎng)絡如圖18所示其中 RAB=(RaRb+RbRc+RcRa)/ Rc=5RRBC=(RaRb+RbRc+RcRa)/ Ra=5R/2RCA=(RaRb+RbRc+RcRa)/ Rb=5R這樣就是一個簡單電路了，很容易算

10、得RAB=7R/54：電橋平衡法圖19如圖19所示的電路稱為惠斯通電橋，圖中R1、R2、R3、R4分別叫電橋的臂，G是靈敏電流計。當電橋平衡（即靈敏電流計的示數(shù)為零）的時候，我們稱之為電橋平衡。這時有I1=I2, I3=I4, I1RI=I3R3, I2R2=I4R4有這些關系可以得到R1/R2=R3/R4上式稱之為電橋平衡條件，利用此式簡化對稱性不明顯的電路，十分方便。例:有n 個接線柱，任意兩個接線柱之間都接有一個電阻R求任意兩個接線柱之間的電阻。圖20分析：粗看本題根本無法求解，但是能充分利用電橋平衡的知識，則能十分方便得求解。解：如圖20所示，設想本題求兩接線柱A、B之間的等效電阻，根

11、據(jù)對稱性易知，其余的接線柱CDE- 中，任意兩個接線柱之間的電阻無電流通過，故這些電阻都可以刪除，這樣電路簡化為:A、B之間連有電阻R，其余（n-2）個接線柱之間僅有電阻分別與A、B兩點相連，它們之間沒有電阻相連。即1/RAB=1/R+1/2R/(n-2)所以 RAB=2R/n二：無限電阻網(wǎng)絡無限電阻網(wǎng)絡分為線型無限網(wǎng)絡和面型無限網(wǎng)絡，下面我們就這兩個方面展開討論1：線型無限網(wǎng)絡所謂“線型”就是一字排開的無限網(wǎng)絡，既然研究對象是無限的，就可以利用“無限”這個條件，再結合我們以上講的求電阻的方法就可以解決這類問題。例（1）如圖所示的電路是一個單邊的線型無限網(wǎng)絡，每個電阻的阻值都是R，求A、B之間

12、的等效電阻RAB .圖21解：因為是“無限”的，所以去掉一個單元或增加一個單元不影響等效電阻即RAB應該等于從CD往右看的電阻RCDRAB=2R+R*RCD/(R+RCD)=RCD整理得 RCD2-2RRCD-2R2=0解得：RCD=（1+31/2）R= RAB例（2）一兩端無窮的電路如圖22所示，其中每個電阻均為r求a、b兩點之間的電阻。圖22 圖23解：此電路屬于兩端無窮網(wǎng)絡，整個電路可以看作是由三個部分組成的，如圖所示，則Rab=(2Rx+r)r/(2Rx+2r)即是無窮網(wǎng)絡，bb1之間的電阻仍為Rx則 Rx=（31/2-1）r代入上式中解得Rab=（6-31/2）*r/6例（3）電阻絲

13、無限網(wǎng)絡如圖24所示，每一段金屬絲的電阻均為r，求A、B之間的等效電阻RAB .圖24圖25 圖26解:根據(jù)對稱性可知，網(wǎng)絡中背面那根無限長的電阻絲中 各點等勢，故可以刪去這根電阻絲，這樣原網(wǎng)絡等效為如圖25所示的網(wǎng)絡。又因為網(wǎng)絡相對AB連線具有左右對稱性，故可以折疊成如圖26所示的網(wǎng)絡，再利用例（1）的方法可得 RCD=REF=Rx 即Rx=r/2+r/2+(Rx*r/3)/(Rx+r/3)解得：Rx=(3+211/2)r/6RAB=(2r*Rx/3)/(2r/3+Rx)=2(21)1/2r/212：面型無限網(wǎng)絡解線性無限網(wǎng)絡的指導思想是利用網(wǎng)絡的重復性，而解面型無限網(wǎng)絡的指導思想是利用四個方向的對稱性。例（1）如圖27所示是一個無窮方格電阻絲網(wǎng)絡的一部分，其中每一小段電阻絲的阻值都是R求相鄰的兩個結點A、B之間的等效電阻。分析：假設電流I從A點流入，向四面八方流到無窮遠處，根據(jù)對稱性，有I/4電流由A點流到B點。假設電流I經(jīng)過無限長時間穩(wěn)定后再由四面八方匯集到 B點后流出，根據(jù)對稱性，同樣有I/4電流經(jīng)A點流到B點。圖27解:從以上分析看出，AB段的電流便由兩個I/4疊加而成，為I/2因此 UAB=(I/2)*rA、B之間的等效電阻RAB=UAB/I=r/2例（2）有一無限平面導體網(wǎng)絡，它有大小相同的正六邊型網(wǎng)眼組成，如圖28所示。所有正六邊型每邊的電阻均為R0，求間位結點a