4-3诺顿定理和含源单口的等效电路 (2)
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1-1 实际电路器件与理想电路元件之间的联系和差异是什么?答:〔1〕联系:理想电路元件是对实际电路器件进行理想化处理、忽略次要性质、只表征其主要电磁性质的所得出的模型。
〔2〕差异:理想电路元件是一种模型,不是一个实际存在的东西;一种理想电路元件可作为多种实际电路器件的模型,如电炉、白炽灯的模型都是“电阻”。
1-2 〔1〕电流和电压的实际方向是怎样规定的?〔2〕有了实际方向这个概念,为什么还要引入电流和电压的参考方向的概念?〔3〕参考方向的意思是什么?〔4〕对于任何一个具体电路,是否可以任意指定电流和电压的参考方向?答:〔1〕电流的实际方向就是正电荷移动的方向;电压的实际方向〔极性〕就是电位降低的方向。
〔2〕对于一个复杂电路,电流、电压的实际方向事先难以确定,而交流电路中电流、电压的实际方向随时间变化,这两种情况下都无法准确标识电流、电压的实际方向,因此需要引入参考方向的概念。
〔3〕电流〔或电压〕参考方向是人为任意假定的。
按电流〔或电压〕参考方向列有关方程,可解出电流〔或电压〕结果。
假设电流〔或电压〕结果数值为正,则说明电流〔或电压〕的实际方向与参考方向相同;假设电流〔或电压〕结果数值为负,则说明电流〔或电压〕的实际方向与参考方向相反。
〔4〕可以任意指定电流和电压的参考方向。
1-3 〔1〕功率的定义是什么?〔2〕元件在什么情况下是吸收功率的?在什么情况下是发出功率的?〔3〕元件实际是吸收功率还是发出功率与电流和电压的参考方向有何关系?答:〔1〕功率定义为单位时间内消耗〔或产生〕的能量,即()dWp t dt=由此可推得,某二端电路的功率为该二端电路电压、电流的乘积,即()()()p t u t i t =〔2〕某二端电路的实际是吸收功率还是发出功率,需根据电压、电流的参考方向以及由()()()p t u t i t =所得结果的正负来综合判断,见下表〔3〕元件实际是吸收功率还是发出功率与电流和电压的参考方向无关。
诺顿定理的详细证明
诺顿定理的定义对于一个含独立电源,线性电阻和线性受控源的一端口网络,对外电路来说,一般可以用一个电流源和电导(电阻)的并联组合来等效置换;电流源的电流等于该含源一端口网络的短路电流(short-circuit current)Isc,而电导(电阻)等于把该一端口网络中的全部独立电源置零后的输入电导Geq(等效电阻Req)。
诺顿等效电路可由戴维南等效电路经电源等效变换得到。
但须指出,诺顿等效电路可独立进行证明。
如何证明诺顿定理(1)诺顿定理的内容任一线性含源单口网络,对外而言,可以简化为一个实际电源的电流源模型。
此实际电源的理想电流源参数等于单口网络端口处的短路电流,其内阻等于原单口网络去掉内部独立源后,从端口处得到的一个等效电阻。
诺顿定理可以用图1描述如下:
图1中ISC为短路电流,RO为诺顿等效电阻,N网络为含独立电源的单口网络,NO网络为N网络去掉独立源之后所得到的单口网络。
(2)诺顿定理的证明
设一线性有源单口网络N 与外电路相连。
如图2(a)所示,端口ab处的电压为U,电流为I。
现在寻求对外电路而言N网络最简单的等效电路。
首先,用替代定理将外电路用一个电压源US=U代替,如图2(b)所示。
根据叠加定理,N网络端口处的电流I可以看成由网络内部电源及网络外部电源US共同作用的结果,即
I= P+P
式中为外部电源去掉后(电压源短路)时的端口电流,即含独立电源的单口网络N的短路电流,即
P=Isc。