第1章 习题与解答
1.1 在图1.8.1中,四个元件代表电源或负载。电流和电压的参考方向如图1.8.1(a)所示,通过实验测量得知
I1 =—2A I2=2A I3=4A U1=10 V U2= 70 V U3=―70 V U4=―80 V (1) 试标出各电流的实际方向和各电压的实际极性(可另画一图); (2) 判断哪些元件是电源?哪些是负载?
(3) 计算各元件的功率,电源发出的功率和负载取用的功率是否平衡?
– U4 +
4 I2 I1 I3 + – +
U1 1 U2 2 U3 3
– + –
图1.8.1(a)习题1.1电路的参考方向
解:(1)根据图1.8.1(a)中各元件上的已知条件,如果已知数值为正,说明它的实际方向与参考方向一致,则图中的方向不变;否则两者方向则相反,则实际方向与原图中的参考方向应相反。故得到它们的实际方向,如图1.8.1(b)所示。
+
+ –
U4 – 4 – + I1 I3 – + I2
U1 1 U3 3 U2 2
图1.8.1(b) 习题1.1电路的实际方向
(2) 根据图1.8.1(a)各元件上电压、电流的参考方向和元件功率的正负值加以判断。 元件1:I1和U1为关联方向,则P1= U1I1= —2×10=—20W<0,故它是电源。 元件2:I2和U2为关联方向,则P2= U2I2=2×70=140W>0,故它是负载。 元件3: I3和U3为关联方向,则P3= U3I3= —70×4= —280W<0,故它是电源。 元件4:I4和U4为关联方向,则P4= U4I1=(—2)×(—80)=160W>0,故它是负载。 (3) 电源发出功率 PE=P1+P3=U1I1+U3I3= —20—280= —300W
负载取用功率 PR= P2+P4=U2I2+U4I1=70?2+(-80)?(-2)=300W,则PE=PR,所以电路中的功率平衡。
1.2 有一只36 V /1W的指示灯,需要接到127V的电源上。试求:(1)应在指示灯电路中串多大阻值的电阻;(2)该电阻应选用多大瓦数。
解:指示灯的额定电压UN=36V ,额定功率PN=1W ,则额定电流IN=
PN1==0.028A UN36接在127V的电源上,要保证指示灯工作在额定电压下,所以应串接的电阻的压降为
U=127 – 36 = 91V 而通过电阻电流I等于指示灯的额定电流IN,故该电阻值为
U91==3250Ω I0.028且电阻的额定功率P=UI= 91?0.028 ≈2.4W。
R=
因此,可选阻值为3.3KΩ,瓦数选取不小于2.5W的标称电阻。
1.3 在图1.8.2电路中,当开关S断开时电压表V的读数为10V,开关闭合时电压表的读数为9.5V,电流表A读数为0.8A。试求电源的电动势E和内阻R0(提示:可忽略电压表和电流表的内阻影响)。
R0 + E –
S V A R
图1.8.2 习题1.3的电路
解:当S断开时,电源电动势E就是电压表的读数 ,则E=10V。 当S闭合后,电流I =
E,则R上的电压等于电压表读数,故R0上的压降为
R?R0UR0?E?UR?10?0.95?0.5V
所以内阻R0为
R0?
UR0I?0.5V?0.625? 0.8A1.4 在图1.8.3电路中,试求出A点的电位。 +6V
_ 12V 5V B + _ 4kΩ A
A 1k? L 2k? +4V
B Us Is 1A 4Ω A – + 4V 8Ω 6kΩ 6Ω +9V (a) (b) (c)
图1.8.3 习题1.4的电路
解:
对于图(a),B点电位直接接到6V上,所以B点电位为6V,A点到B点没有电流,所以A对B的电压UAB为—5V。这样,A点电位为—5V+6V=1V。
对于图(b),由于电感L对直流视为短路,所以A点电位等于4V。 对于图(c),B点对地没有电流,所以B点电位为—4V;而8Ω上的电流为1A,则压降为8V,极性是右正左负,所以A点电位为8V—4V=4V。
更详细的解题方法,可以应用第2章的分析方法来求解。
1.5 在图1.8.4所示电路中,试求(1)开关闭合前后电路中的电流I1和I1 ;(2)计算 60w和100w电灯在220V电压(理想电压源)下工作时的电阻,哪个电阻大?(3)这两盏电灯一个月(按30天计算,每天用电8个小时)消耗多少度电?(4)若由于接线不慎,100W电灯被短路,后果如何? 熔断器
I2 I 100W I1
+ 60W 220V 220V_ 220V S
图1.8.4 习题1.5电路
解:(1) S闭合前,由于电源内阻R0被视为0,故电源端电压U = E = 220V,60W灯处在220V的额定电压下,此时
I1 =
60PN= = 0.273A 220UN而100W灯未接通电源,I2 = 0,此时I = I1 =0.273A。
S闭合时,60W和100W灯都处在220V额定电压下。由于端电压和60W负载不变,所以电流I1 不变,则I2 =
100 = 0.455A,此时I = I1 + I2 = 0.273 + 0.455 = 0.728A 。 220(2)在额定电压下,电灯消耗的功率为额定功率,故60W和100W的电阻R1和R2分别为
2202202N==807Ω R2 = == 484Ω R1 = PN1PN210060NU22U2由上述计算可见,功率小的60W电灯,其电阻较大。
(3)60W电灯消耗的电能
W60=PN1t = 60?30?8 = 14.4kW?h = 14.4(度) W100=PN2t = 100?30?8 = 24kW?h = 24(度)
100W电灯消耗的电能
则两盏电灯每月消耗的电能为38.4 kW?h(度)
(4)若100W电灯被短路,则电源被短路,I很大,使熔断器的熔丝烧断而断开电源, 起短路保护作用。此时,60W灯熄灭;100W灯也无电流通过,一般不会烧断灯丝。
1.6 已知UN= 10V,I= 1A,电流和电压的参考方向如图1.8.5中所示。试求UAB。 UN _ R1 R2 + I B A N 3Ω 图1.8.5 习题1.6的电路
7Ω 解: UAB = I R1 – UN + I R2 = 1?3 – 10 + 1?7 = 0V
1.7 图1.8.6是采用“伏安法”测量直流电机励磁线圈电阻R的电路。电压表的读数为220V,电流表的读数为0.5A。(1)当忽略电流表的内阻时,试求励磁线圈的电阻值;(2)如果电流表的量程为1A,内阻为0.4?,试求励磁线圈的电阻值;(3)如果人为误将电流表当作电压表使用而并联到电源220V上时,其后果如何?
A +
R V U
– 图1.8.6 习题1.7的电路
解:(1)忽略电流表内阻时,励磁线圈的电阻值为
U220 = = 440Ω I0.5 (2)电流表内阻R0为0.4?。此时励磁线圈的电阻值为
U220R = –R0= – 0.4 = 439.6Ω
I0.5R =
(3)若将电流表并联在220V电源上,则通过电流表的电流为 IA =
220U= = 550A 0.4R0远超过电流表的量程,易导致电流表损坏。
1.8 有一无源二端电阻网络如图1.8.7(a)所示。通过实验测得:当U=10 V时,I=2 A;并已知该电阻网络用四个3Ω的电阻构成,试问这四个电阻是如何连接的?
I
+
U – 图1.8.7(a) 习题1.8电路
解:此电阻网络总电阻R=
U10= = 5Ω。可视为一个3Ω电阻和2Ω电阻串联,而2I2Ω电阻可由6Ω和3Ω电阻并联而成,6Ω电阻由2个3Ω电阻串联而成,具体连接如图1.8.7(b)
所示。
I
+ 3Ω 3Ω U 3Ω 3Ω – 图1.8.7(b) 习题1.8电路的解答
1.9 有一直流发电机,其电动势为36V,内阻RS为1Ω,在外接负载电阻为10Ω时,发电机的端电压是多少?若外接的电阻为5Ω时,发电机的端电压又为多少? 解:当外接电阻为10Ω时,端电压U =
36E?10= 32.7V ?R =
1?10Rs?R 当外接电阻为5Ω时,端电压U =
36E?5= 30V。 ?R =
1?5Rs?R1.10 有一台直流发电机,其铭牌上标有40kW,230V,IN=174A。试问在什么情况下发
电机处于空载、轻载、满载和过载运行?
解:直流发电机的铭牌数据就是额定值,即额定功率PN = 40kW,额定电压UN =230V,额定电流IN =174A。
发电机空载运行指其输出端未接负载,I = 0 ,P = 0,故空载电压U = E –R0I = E,而UN = E – R0IN,故U大于UN。
发电机轻载运行指其输出端接负载后,I < IN ,P < PN,此时U = E –R0I,故U略大于UN。
发电机满载运行指其输出端接负载后,I = IN ,P = PN,此时U = E –R0IN = UN 。 当I > IN时发电机为过载运行,在允许过载范围内实际输出功率P 略大于 PN。严重过载或长时间过载都是不允许的。
1.11 两只金属膜电阻,其额定值分别为2W、10kΩ和
1W、800Ω,当将它们串联使2用时,允许通过电阻的最大电流和两端最高允许电压各为多少?
解:两只金属膜电阻允许通过的额定电流分别为
IN1 =
PN1RN1 =
2 = 14mA , IN2 =
10000PN2RN2 =
0.5 = 25mA 800若将两者电阻串联,电流相等,即允许通过的最大电流为14mA,两端最高允许电压为
U = IN1?(RN1+RN2) = 0.014 ? (10000 + 800) = 151.2V。
1.12 电路如图1.8.8(a)所示,电感元件L=0.2H,通过的电流波形如图1.8.8(b)所示。试求电感中产生感应电动势eL和电感两端电压u的波形。
i+ _ i 4 L
2 0 mA u_ eL + t 2 4 6 mS (a) (b)
图1.8.8 习题1.12电路
解:根据eL = –Ldi,u??eL可知,在输入0~4ms期间,eL = –0.2×1= –0.2V; dt在输入4~6ms期间,eL = 0.2×2=0.4V。结合(b)图,可绘出两者波形,如图1.8.9所示。
eL V u V 0.4 0.4 0.2 t 0 –0.2 –0.4 4 6 2 4 6 t ms
0.2 0 –0.2 –0.4 2 2 4 6 ms 图1.8.9 习题1.12电路的解答波形
第2章 习题与解答
2.1 在图2.10.1所示电路中,E=6 V,I=1A,R1=3Ω,R2=3Ω,R3=6Ω, R4=6Ω,R5=2Ω。试分别应用支路电流法和网孔电流法求解I2和I3。
解:(1)应用支路电流法求解I2和I3
对于图2.10.1中的结点b和结点c,由KCL得:
I5=I1+I2 I2+I=I3
对abgha和bcfgb回路,分别由KVL得:
I5 R5+I1 R1= E I2 R2+ I3 R3 =I1 R1
联立以上4个方程,并求解得出:
I2=?413= –0.24A I3==0.76A
1717(2)应用网孔电流法I2和I3。
由读者自己求解,答案同上。
2.2 在图2.10.2所示电路中,E=3V,IS=1A,R1=2Ω,R2=4Ω。求理想电流源的端电压U及各电阻上消耗的功率。 R5 b I2 R2 c I a E _ d + I5 I1 I3 IS + + RR R1 I1 R2 R3 14I2 E _ U _ g e f h
图2.10.1 习题2.1电路 图2.10.2 习题2.2电路
解:在图2.10.2电路中,设流经R1 、R2的电流分别为I1、I2方向如图中所示。 由KVL得到理想电流源的端电压为
U= R1 I1=2 I1
对右边网孔回路由KVL可列出方程为
E–I1 R1–R2 I2=0
即 3–2 I1–4 I2=0
由KCL列出结点电流方程为
IS+ I2 =I1
即 1+ I2=I1
联立并求解以上式子,得出
777=2.33V,I1=A, I2=?A 361249则电阻R1上消耗的功率PR1= I12 R1==2.72W
1849电阻R2上消耗的功率PR2= I22 R2==1.36W
36U=
提示:上述解题过程繁复,建议读者采用电源等效方法求解更为简便,即将E等效为电流源(3/4A),然后与IS合并为一个电流源,再计算电阻上的分流,就很容易求出其他电量。
2.3 在图2.10.3所示电路中,已知I2=3A,R1=6Ω,R2=12Ω,R3=8Ω,R4=12 Ω。试各支路电流,并计算理想电压源的电压U和提供的功率。
解:根据基尔霍夫电压定律,对左、中、右3个单网孔分别列出式子为
I1 R1 –U =0
I2 R2+ I3 R3 –I1 R1=0 I4 R4 – I3R3=0
根据KCL得
I= I1+ I2 I2= I3 +I4
联立以上式子,求得
I=11.4A I1=8.4A I3=1.8A I4=1.2A U=50.4V 电压源提供的功率是
P= – UI= –574.56W
提示:上述解题过程较为繁复,读者可采用电阻等效方法来求解,即将R3//R4得到4.8Ω,串联R2后的电阻为16.8Ω,则U=I2(R2+ R3//R4)=50.4V;则电源提供的功率就很容易求出。
2.4 在图2.10.4所示电路中,已知IS=2A,R1=R2=R3=R4=2Ω,U=1V,试求电流I2。 I3 R3
R1 I2 R2 I2 R2 I4 I1 I4 IS I I I 13+ + R4 U _ RU _ R3 R4 1
图2.10.3 习题2.3电路 图2.10.4 习题2.4电路
解:在图2.10.4电路中标出I3 ,I4的方向,根据分流关系和KCL定律得
I2=I3=I1/2(分流关系) I1 +IS=I4(KCL)
运用KVL得
U–I1 R1–I1 (R1/2) –I4 R4=0
联立以上式子得
I2=–0.3A
即I2实际方向和图中的参考方向相反。
提示:可将IS变换为电压源(ISR4=4V,方向上+下—),R3//R2=1Ω,这样把原电路变成一个单回路,就很容易计算未知量I2=(U–4)/(5×2)= –0.3A。
2.5 在图2.10.5所示电路中,已知U1=15V,U2=2V,R1=0.6Ω,R2=6Ω,R3=4Ω,R4=1Ω,R5=0.2Ω,试求电压U4。
解:标出I1 ,I4 ,I5的参考方向如图2.10.5所示。把电路中的R1,R2,R3看作一个电阻R= R1+R2//R3=3Ω,则
U4= I4 R4,I1 +I5= I4
对左右2个单孔运用KVL得
U1–I1R–I4 R4=0 U2–I5 R5–I4 R4=0
联立以上式子可求出
U4=
45=2.4V 19提示:可仿造题2.4的解题提示一样,通过电阻等效和电源变换来求解。
2.6 在图2.10.6所示电路中,已知U1=1V,U2=2V,U3=0.5V,R1=10kΩ,R2=20kΩ,R3=30kΩ,R4=40kΩ,试用结点电压法求出电压UP。
R3 R1
+ U1 R R5 R2 I1 R1 2 + I4 I5 U2 R3 + + _ + + UP U1 U3 R4 U4 U2 _ _ _ R4
图2.10.5 习题2.5电路 图2.10.6 习题2.6电路
解:图中只有2个结点:P (UP的正端)和参考点0(地端),则由结点电压公式得到
U1U2U3120.5????R1R2R322100002000030000UP====0.88V 1111111125??????R1R2R3R410000200003000040000提示:本习题还可以用叠加定理和戴维南定律求解,也比较方便。
2.7在图2.10.7(a)所示电路中,已知U=6V,IS1=2A,IS2=1A,R1=3Ω,R2=1Ω,R3=2Ω,R4=4Ω。试用电压源与电流源等效变换的方法,计算4Ω电阻中的电流I。
IS2
R1 + U _ IS1 R3 R2 I R4 + U2 _ IR R I R3 R4 图2.10.7(a) 习题2.7电路 图2.10.7(b) 习题2.7的电源等效电路
解:先将U等效为电流源,再与IS1合并为IS,即左侧回路等效为一个无源支路R1=3Ω(IS=0),再把IS1变换为一个电压源U2=1V,R= R1+ R2=4Ω,如图2.10.7(b)所示。则电阻R上的电流为
IR?U213??A
R?R416R?344?3R3?R4根据分流公式得到4Ω电阻上的电流为
I??R3231?IR?????A
R3?R44?216162.8 在图2.10.8所示电路中,试用结点电压法求解N1与N2之间的电压U。
N1
+
U _ Ω 25N2
25V
图2.10.8 习题2.8电路
解:图2.10.8是两个结点电路。设N2为参考结点,则可根据结点电压法求得
252525??255050??25V
U?111??255050?2.9 试用叠加定理计算图2.10.6中的电压UP。 解:当只有U1供电时,将U2 U3看成短接,此时
Up1=
12R2//R3//R4U1 =V
25R1?R2//R3//R4同理可得,当U2 ,U3分别单独作用时Up2 ,Up3分别为
Up2=
则
UP= Up1 +Up2 +Up3=
可见,结果同2.6题答案一致。
122V,Up3=?V
252522=0.88V 252.10 试用叠加定理计算图2.10.8中各支路的电流。
Ω 25
_ + N1 N2 U
25V
图2.10.8 习题2.10电路 解:当只有电源a工作时,Iaa = 则
U25??0.5A
Ra?Rb//Rc25?25 Iba= Ica= – Iaa/2= – 0.25A
U3?A
Rb?Ra//Rc8当只有电源b工作时,Ibb =
则 Iab= – 2 Ibb/3= –0.25A,Icb= –Ibb/3= – 0.125A 当只有电源c工作时,Icc =
U=0.375A
Rc?Ra//Rb则 Iac= – 2 Icc/3= –0.25A,Ibc= – Icc/3= – 0.125A 运用叠加定理得
Ia = Iaa +Iab +Iac=0A Ib= Iba+ Ibb+ Ibc=0A Ic= Ica+ Icb+ Icc=0A
2.11 图2.10.9(a)所示电路是R-2R梯形网络,用于电子技术的数模转换中,试用叠加定理求证输出端的电流I为 I?
U3210(2?2?2?2) 43R?2
图2.10.9(a) 习题2.11电路
解:画出各电源单独作用时的分电路,分别为如下图(b)、(c)、(d)、(e)所示。
UU1111/U/??2?4 I?????I1?2R?R3R22223RI'I'I'I'I'11U I'2=1,I'4?2?2I'1,I'6?4?31,I'?6?4?22222223RUU对图(c):I''3= ?2R?2R3R2R?2R?2RI''I''I''11U I''4=3,I''6?4?2I''3,I''?6?3?22223R2UU对图(d): I'''5= ?2R?2R3R2R?2R?2RI'''I'''11UI'''6?5,I'''?6?2I'''5?2?
22223RUU对图(e): I''''7= ?2R?2R3R2R?2R?2RI''''71UI''''???
223R对图(b):I'1=所以
I?I'?I''?I'''?I''''=
1U1U1U1UU3210???????(2?2?2?2)= 432423R23R23R23R3R?22.12 图2.10.10所示是常见的分压电路,已知U=220V,Rl=R2=RL=100Ω。试用戴维宁定理和诺顿定理分别求出负载电流IL 。
解:(1)用戴维宁定理求解,断开RL支路,设其开路端口电压为U0
U0=
R2100?U??220?110V
R1?R2100?100置电压源电压为零,求得端口等效电阻为
R0=
R1R2100?100??50?
R1?R2100?100则开路端口可等效为电动势为110V,内阻为50Ω的电压源,因此负载电流为
IL=
U0110??0.73A
R0?RL50?100(2)用诺顿定理求解。
220?2.2A 100等效电阻同(1)为R0=50?
端口短路电流为Isc?此时 IL?R050Is??2.2?0.73A
R0?RL100?502.13 在图2.10.11所示电路中,已知E1 =15V,E2=13V,E3=4V,Rl=R2=R3=R4=
1Ω,R5=10Ω。(1)当开关S断开时,试求电阻R5上的电压U5和电流I5;(2)当开关S闭合后,试用戴维宁定理计算I5 。
R1
IL + R2 U _ RL 图2.10.10 习题2.12电路 图2.10.11 习题2.13电路
解:
(1)当开关断开时,R5不在闭合回路中,故I5=0,U5= R5 I5=0
(2)当开关闭合时,用戴维宁定理求解。断开待求支路,如下图(b)所示,则端口开路电压为
U0?E2?
?13?E1?E2R4R2?E3
R1?R2R3?R415?131?1??=12V 41?11?1令有源二端网络内所有电动势为零,如上图(c)所示,则端口等效电阻为
R0?1?11?1RRR1R2?=1? ?34=1?11?1R1?R2R3?R4画出戴维宁等效电路,并接上待求支路,如上图(d)所示,得
I5?
U012??1.09A
R0?R51?102.14 计算如图2.10.12所示电路中电阻RL上的电流IL:(1)用戴维宁定理;(2)用诺顿定理。
图2.10.12 习题2.14电路
解:(1)用戴维宁定理求解
断开待求支路,剩余为一有源二端网络,标出I1 ,I2 参考方向,如下图(b) 所示。由基尔霍夫电流定律,对c结点列出电流方程为
I2?I1?I?I1?1
由基尔霍夫电压定律,列出左边回路的电压方程为
U?R5I1?R3I1?R4I2
联立上述方程,并代入数据得
16?8I1?4I1?20(I1?1)?32I1?20
则 I1?9?1.125A 8因此,(用KVL)可求出端口的开路电压为
U0??R5I1?U?R 4V8?1.?125?16?3?1?2I?置有源二端网络电源为零,如上图(c)所示,则端口等效电阻为
R0?R5(R3?R4)8?(4?20)?R2??3?9?
R5?R3?R48?4?20画出戴维宁等效电路,并接上待求支路,如上图(d)所示,则待求支路的电流为
IL?(2) 用诺顿定理求解
U041???0.333A
R0?RL9?33短路RL所在支路,标出I2IS参考方向,如下图(e)所示。由基尔霍夫电流定律列出b结点的电流方程为
ISC?I2?I?I2?1
要求ISC,需求出I2,可把图(e)变换成图(f),其中
U3?R3I?4?1?4V
由结点电压法求出ab之间的电压为
UsU164??RR3+R413?84+20??4.333V Uab?1111113????R5R3+R4R284+203由欧姆定律得到 故
ISC?I2?1?1.444?1?0.444A
等效电阻同(1)。画出诺顿等效电路,接上负载RL后,电路如上图(g)所示。则待求支路电流为
I2?Uad4.333??1.444A R23
IL?R09ISC??0.444?0.333A
R0?RL9?32.15 两个相同的有源二端网络N与N1,联接如图2.10.13(a)所示,测得U1=4V。若联
接如图2.10.13(b)所示,则测得I1=1A。试求联接如图2.10.13(c)时的电流Il为多少?
(a) (b) (c)
图2.10.13 习题2.15电路
解:有源二端网络用戴维宁等效电路表示时:图(a),(b),(c)可分别用(d),(e),(f)来替代。
在图(d)中,电路中电流为零,则U0?U1?4V 在图(e)中,I1?U0?U0U0 ?R0?R0R0故:R0?U04??4? I01U04??0.8A
R0?1`4?1在图(f)中,I1?2.16 用叠加定理求如图2.10.14所示电路中的电流I1。
解:对含受控电源电路应用叠加原理时,一般画出独立电源单独作用时的分电路,而受控电源始终保持在电路图中,原电路含有2个独立电源,故画出2个分电路,如图(b),(c)所示。
对图(b),由基尔霍夫电压定律得
10?2I'1?2I'1?1?I'1,得I'1=2A。
对图(c),由基尔霍夫电流定律,对结点a, I''2?I''1?3,由基尔霍夫电压定律得
?2I''1?2I''1?1?I''2?2I''1?1?(I''1?3)?3I''1?3
得I''1??0.6A。故
I1?I'1?I''1?2?(?0.6)?1.4A
2.17 试求如图2.10.15所示电路A、B端口的戴维宁等效电路和诺顿等效电路。
0.5I I 2kΩ 10V 1kΩ 2.5kΩ A B
图2.10.14 习题2.16电路 图2.10.15 习题2.17电路
2.18 在图2.10.16所示电路中,RL为何值时可获得最大功率?其最大功率为多少?
2.19 试用图解法计算如图2.10.17(a)所示电路中非线性电阻元件R中的电流I及其两端电压U。图2.10.17(b)是非线性电阻元件的伏-安特性曲线。
+ I 12V 4kΩ + R U _
(a)
图2.10.17 习题2.19的电路
I 20Ω 50V 100Ω 400Ω _ 10I + RL
图2.10.16 习题2.18的电路
解:对图2.10.17(a)的电路,由基尔霍夫电压定律,得12?4000I?U。
当U?0时,I?3mA,得U?I坐标中M点; 当I?0时,U?12V,得U?I坐标中N点,
连接M,N点,其同非线性电阻元件的伏安特性曲线相交点Q所对应得1.5A电流和
6V电压即为非线性电阻元件R中的电流I及其端电压U,如图(c)所示。