网孔电流法及无伴电流源的处理

目录

1.网孔电流法

2.无伴电流源

新题型★★★★

挑战★★★★★


电路的图是平面图,则该电路为平面电路。网孔电流法(也称网孔分析法)只适用于平面电路。

1.网孔电流法

在平面电路中,以网孔电流为未知量,根据KVL列写电路方程求解电路的方法,称为网孔电流法。网孔是最简单的回路,网孔数同基本回路数,为b-n+1。

⑴列写网孔电流方程的一般步骤为:

①指定网孔电流参考方向;

②按照下式规则对网孔列写KVL方程

式中,为第k个网孔的自阻,为第k个网孔和第j个网孔间的互阻,自阻总是为正,互阻的正、负由两个网孔电流在共有支路上参考方向的异同而定,即方向相同时为正,反之为负。分别为第k和第j个网孔电流。为第k个网孔的总电压源的电压,电压源的方向与网孔电流方向一致时取“”,不一致时取“”。

⑵对受控源的处理

当电路中含受控源支路时,先把受控源当作独立源,按常规方法列写网孔电流方程,再将受控源的控制量用网孔电流表示,作为附加方程,也可直接代入方程,并将方程整理为标准形式。

题1图1所示电路中,已知

图1

解析:采用网孔电流法,设网孔电流如图2所示,代入已知量,列写网孔电流方程及附加方程(关于受控源控制量的方程)

图2

解得

2.无伴电流源

⑴当一条支路仅含电流源而不存在与之并联的电阻时,就无法将支路电压用支路电流表示,这种无并联电阻的电流源称为无伴电流源

⑵在网孔分析法中,对无伴电流源,有两种处理方法:

①当无伴电流源仅处于一个网孔时,可将电流源电流作为本网孔电流;

②当无伴电流源处于两个网孔的公共支路上时,可将无伴电流源端电压设为未知量(称为附加变量法),同时,增加一个描述无伴电流源的网孔电流方程。

题2用两种方法求解图3所示电路中各支路电流。

图3

解析:前面在《电路的图、独立方程数及分析方法总览》一文中采用支路分析法做过这道题(题2),这里试用网孔电流法来解。

图4

设各网孔电流参考方向如图4所示,3A无伴电流源仅处于网孔3,作为网孔电流即可,列网孔电流方程为

解得

则各支路电流

题3用网孔电流法求图5所示电路中的I

图5

解析: 3.5A无伴电流源处于网孔2和网孔3的公共支路上,设其两端电压为U,设各网孔电流的参考方向如图6所示,列网孔电流方程及附加方程为

图6

解得

新题型★★★★

题4在一个三网孔的电路中,若网孔电流可由网孔方程解得为

求该电路的一种可能的形式。

解析:题中的表达式是利用克莱姆法则求解方程的算式,分母为联立方程组的系数行列式,分子第一列为联立方程组等式右侧数值,由此得原方程为

由方程的互阻项可知网孔1和网孔3、网孔2和网孔3之间有1Ω电阻,网孔1和网孔2之间没有公共电阻,但根据等式右边可判断网孔1和网孔2之间存在1V电压源,故,一种可能的电路如图7所示。

图7

挑战★★★★★

题5图8所示电路中,所有电阻R=1Ω,求各电阻支路电流及10V电压源发出的功率。

图8

解析:取网孔电流参考方向如图9所示,列网孔电流方程及附加方程为

图9

解得

故,各支路电流为

10V电压源发出的功率为

### 网孔电流回路电流的区别 #### 定义适用范围 网孔电流是一种基于基尔霍夫电压定律 (KVL) 的方,专门针对平面电路中的网孔进行分析。它通过选取网孔作为独立回路并设定网孔电流为未知变量来建立 KVL 方程组[^1]。 相比之下,回路电流更为通用,适用于任何类型的电路(无论是平面还是非平面)。该方同样利用 KVL 原理,但在选择独立回路时更加灵活,可以选择任意一组线性无关的闭合路径作为独立回路[^2]。 --- #### 自电阻互电阻的概念差异 在两种方中都会涉及自电阻和互电阻的概念。对于网孔电流而言,由于其仅考虑网孔这一特定形式的回路,因此计算过程相对简化。具体来说: - **自电阻** 是指某一网孔内部所有支路电阻的总和。 - **互电阻** 则表示两个相邻网孔之间共享支路上的电阻值。当两者的电流方向相同时,互电阻取正值;相反则取负值[^3]。 而在更广泛的回路电流应用中,这些定义保持不变,但由于可以自由选定不同形状大小的回路组合,使得实际操作过程中可能会遇到更多复杂情况需要处理。 --- #### 特殊元件处理方式的不同 面对含有受控源或其他特殊组件的情况时: - 使用网孔电流则需注意那些跨多个网孔存在的控制参数如何表达为其相应网孔电流函数的形式; - 而采用一般意义上的回路电流分析,则允许我们依据具体情况调整所选基本循环结构以便更好地适应问题特点[^2]。 例如,在存在无伴电源的情况下,如果某个理想电流源单独位于某一支路上而未其他部分形成公共连接点的话,那么可以直接将其视为对应单一回路内的已知条件加以运用而不必引入额外假设或转换步骤。 --- #### 数学模型构建上的异同 两者最终都将转化为求解联立方程式的问题。不过因为前者预设了较为严格的几何约束关系(即必须围绕每一个最小面积单元),所以在某些场合下能够减少不必要的冗余变量数目从而提高效率;后者虽然理论上提供了更大的灵活性但也可能导致方程规模增大以及数值稳定性方面的挑战增加。 ```matlab % MATLAB 实现简单例子展示区别 syms i1 i2 R1 R2 Rm V; eqn_net = [(R1+Rm)*i1 - Rm*i2 == V; ... % Netmesh Current Method Equation Example -Rm*i1 + (R2+Rm)*i2 == 0]; solve(eqn_net,[i1,i2]) syms l1 l2 L12 L21 S1 S2 U; general_eqns = [L11*l1 + L12*l2 +S1==U ;... % General Loop Current Formulation Sample Code L21*l1 + L22*l2+S2==0 ]; solution_loops=solve(general_eqns,[l1,l2]); ``` ---
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