Logo
Logo

Теорема Тевенена

Часть A. Звезда и треугольник.

Рассмотрим две схемы, показанные на рисунке 1. В первой схеме резисторы $R_1$, $R_2$ и $R_3$ соединены звездой, клеммы этой цепи обозначим $A$, $B$ и $C$. Во второй схеме резисторы $R_{12}$, $R_{23}$ и $R_{31}$ соединены треугольником, клеммы этой цепи обозначим $D$, $E$ и $F$.

A1 Выразите $R_1$, $R_2$ и $R_3$ через $R_{12}$, $R_{23}$ и $R_{31}$, если $R_{AB}=R_{DE}$, $R_{BC}=R_{EF}$ и $R_{CA}=R_{FD}$.

В схеме, показанной на рисунке 2, между клеммами $A$ и $B$ подключены пять резисторов $R_1$, $R_2$, $R_3$, $R_4$ и $R_5$. Такая схема называется мостовой.

A2 Найдите эквивалентное сопротивление $R_\mathrm{bridge}$ мостовой схемы в частном случае $R_1=R_3=R_5=R$, $R_2=R_4=2R$.

$\textit{Подсказка:}$ Удобно преобразовать схему, используя эквивалентность соединений звездой и треугольником.

Часть B. Теорема Тевенена.

В этой части задачи мы рассмотрим т.н. теорему Тевенена, которая гласит, что любая электрическая цепь, состоящая из резисторов и источников тока и напряжения, может быть заменена на эквивалентную схему, состоящую из источника напряжения с ЭДС $E_0$ и включенного последовательно с ним резистора с сопротивлением $R_0$ (см. рис. $\it3(a)$). $E_0$ равно напряжению между клеммами цепи $A$ и $B$ в разомкнутом состоянии (рис. $\it3(b)$; штриховой прямоугольник представляет собой некоторое произвольное соединение резисторов), а сопротивление $R_0$ вычисляется как сопротивление цепи, в которой все источники напряжения замкнуты накоротко и все источники тока удалены (рис. $\it3(b)$).

Докажем эту теорему, применив к следующим двум случаям принцип суперпозиции. Подключим между клеммами $A$ и $B$ резистор $R$, через который потечёт ток $I$, как показано на рисунке 4.

Ясно, что состояние цепи не изменится, если последовательно с $R$ включить два источника напряжения с ЭДС $V_1$ и $V_2=-V_1$ (рис. $\it5(a)$). Согласно принципу суперпозиции, схему $\it5(a)$ можно представить как суперпозицию схем $\it5(b)$ и $\it5(c)$. Таким образом, ток $I$ оказывается равен сумме тока $I_1$, текущего через $R$ на схеме 1, и тока $I_2$, протекающего через $R$ на схеме 2.

Пусть в схеме 1 $V_1$ равно напряжению $E_0$, которое появляется на разомкнутых клеммах исходной схемы.

B1 Найдите ток $I_1$, протекающий в схеме 1 через сопротивление $R$.

Обозначим за $R_0$ сопротивление части схемы 2, лежащей левее клемм $A$ и $B$. $V_2=-V_1=-E_0$.

B2 Найдите ток $I_2$, протекающий в схеме 2 через сопротивление $R$.

B3 Пользуясь методом суперпозиции, покажите, что исходная цепь эквивалентна $\it3(a)$.

Теорема Тевенена позволяет упростить расчёт цепей; в качестве примера вернёмся к мостовой схеме, рассмотренной в части $\bf A$, и найдём двумя способами ток $I$, протекающий через резистор $R_5$, когда схема подключена к источнику напряжения с ЭДС $E$.

Обозначим за $I_0$ ток, протекающий через точку $C$ на рисунке 6, а за $I_1$ – ток, протекающий через резистор $R_1$.

B4 С помощью метода контурных токов составьте систему уравнений с $I_0$, $I_1$ и $I$ в качестве неизвестных. Решите систему относительно $I$ при $R_1=R_3=R_5=R$, $R_2=R_4=2R$.

Теперь всю цепь без резистора $R_5$ будем рассматривать как подлежащую замене на эквивалентную, а концы $A$ и $B$ резистора – как клеммы этой цепи (см. рисунок 7).

B5 Найдите эквивалентные ЭДС $E_0$ и сопротивление $R_0$ для такой цепи.

B6 С помощью теоремы Тевенена найдите ток $I$ через резистор $R_5$, если $R_1=R_3=R_5=R$, $R_2=R_4=2R$.