一、等效電壓源定理(戴維寧定理)
1、內容:一個包含電源的二端電路網絡(端點為 A、B),可看成一個等效的電壓源,等效電壓源的電動勢等于“二端電路網絡”兩端的開路電壓( ),內阻等于“二端電路網絡”中去掉電動勢后兩端間的等效電阻( r’=RAB?)。
2、證明:
(1)基本情形 1:如圖甲所示電路,將虛線框內部分視為等效電源,則等效電路圖如圖乙所示。
對甲圖,設電路中電流為 I,由閉合電路歐姆定律,有:;對乙圖,有:;兩式比較,易得:;圖丙是該等效電源的內部結構,易知:,得證。
(2)基本情形 2:如圖丁所示電路,將虛線框內部分視為等效電源,則等效電路圖如圖戊所示。
對丁圖,設通過 R 的電流為 I,R 兩端電壓為 U,則通過電源的電流為,由閉合電路歐姆定律,有:,變形得:
對戊圖,有:,兩式比較,得:
如己圖所示, 為該等效電源的內部結構,易 知 :,得證。
(3)一般情形:如下圖所示為一般電路,則按順序依次將處于內 部的虛線框部分視為更外圍部分的等效電源,則易知,等效電壓源定理 適用于一般電路。
二、等效電壓源定理(戴維寧定理)的應用
1、電源電動勢和內阻測量的系統誤差分析
該實驗的理論依據是E=U+Ir,其中 U 為電源的端電壓,I 為通過電源的電流;如下圖,為該實驗的兩種測量電路。
左圖中電流表測量的是通過電源的電流,但由于電流表的分壓作用,電壓表卻測量的不是電源的端電壓,右圖中電壓表測量的是電源的端電壓,但由于電壓表的分流作用,電流表測量的也不是通過電源的電流。
但是,兩圖中,電壓表測量的都是虛線框兩端的電壓,電流表測量的都是通過虛線框的電流,因此, 依據E=U+Ir,算出來的實際上是虛線框內等效電源的電動勢和內阻,即左圖:,右圖:
安箱法、伏箱法的誤差分析,由于是把 R 當做外電阻,與此同理,也是測量的虛線框內等效電源的電 動勢和內阻。
2、動態電路相關問題的分析
如圖所示電路中,電源內阻不能忽略不計,電流表、電壓表均視為 理想表,滑動變阻器總阻值足夠大;當滑動變阻器滑片從左端向右滑動時,下 列說法中正確的是:(? )
A、電流表 A 示數減小
B、電壓表 V1、V2示數減小
C、電壓表 V3示數變化的絕對值與電流表示數變化的絕對值之比為 R
D、滑動變阻器 R 消耗的電功率先減小后增大
【解析】A、考慮電流表 A 讀數時,可將 R1、 R3、E 視為一個等效電源(E1、r1) ,如圖虛線框所示,R 增大時,由閉合電路歐姆定律有,電流表 A 示數減小。
B、電壓表 V1的示數為電源 E 的路端電壓,R 增大時,電源 E 的外阻增大,由閉合電路歐姆定律有,可知電壓 V1表示數增大;考慮電壓表 V2示數時,可將 R2視為等效電源(E1、r1)的外電阻的一部分, 則由閉合電路歐姆定律有 ,可知 R 增大時,U2減小。
CD、將除R外的其余部分視為等效電源(E2、r2),則有,可知,而不是 R ,R 實際上是變化的;R 消耗的功率即為等效電源(E2、r2)的輸出功率,由函數規律可知,R 從 0 逐漸增大到 r2時,P 逐漸增大;當R=r2時,P 最大,為;R 再增大,P 又減小。按此思路,結合串聯分壓、并聯分流知識,易得出動態電路分析一個重要的結論——“串反并同”。