Zadanie 7.2.2.4

 Zadanie 7.2.2.4

Metoda potencjałów węzłowych
W układzie mamy dane źródła i rezystancje połączone według poniższego schematu. Napisz równania wykorzystując metodę potencjałów węzłowych i oblicz prąd płynący przez rezystor \(R_3\).

Informacja

Możesz zobaczyć odpowiedź klikając w przycisk "Odpowiedź" lub sprawdzać kolejne etapy rozwiązania, wybierając prawidłowe odpowiedzi. W rozwiązaniu znajdziesz wskazówki, obliczenia i objaśnienia.

Dane i szukane

Dane:
- rezystancje: \(R_1\), \(R_2\), \(R_3\), \(R_4\), \(R_5\),
- napięcie źródła napięciowego: \(U_0\),
- natężenie prądu źródła prądowego: \(I_0\).

Szukane:
- prąd płynący przez rezystor \(R_3\): \(I_{R3}\).

Odpowiedź

Prąd płynący przez rezystor \(R_3\) wynosi \(\displaystyle{I_3=\frac{e_1-e_2}{R_3} }\).

Polecenie

Metoda potencjałów węzłowych jest to metoda w której:

Stwierdzenie 1 z 2

względem węzła odniesienia określane są potencjały pozostałych węzłów.

Odpowiedź prawidłowa
To nie jest jedyna prawidłowa odpowiedź.

Stwierdzenie 2 z 2

wykorzystywane są prawa Kirchhoffa i prawo Ohma.

Odpowiedź prawidłowa
To nie jest jedyna prawidłowa odpowiedź.

Rozwiązanie

Metoda potencjałów węzłowych jest jedną z wielu metod wykorzystujących prawa Kirchhoffa i prawo  Ohma, przy czym jednak jest najbardziej popularną metodą analizy obwodów elektrycznych, ponieważ najszybciej prowadzi do niezależnego układu równań. W tej metodzie wykonujemy kolejno następujące kroki:

  1. Wybieramy węzeł odniesienia (którego potencjał przyjmujemy  jako zerowy i/lub uziemiony). Względem tego węzła będą  określane potencjały innych węzłów. Najlepiej aby węzeł  odniesienia łączył możliwie najwięcej elementów (przewodów).
  2. Oznaczamy symbolami napięcia (np. „\(e_1\)”) pozostałe miejsca obwodu. Do określania prądów stosujemy przewodności \(\displaystyle{G=\frac{1}{R} }\) (lub konduktancje \(\displaystyle{Y=\frac{1}{Z} }\)) mnożone przez różnice napięć, np. \((e_2-e_1)G_2\). Stosujemy prądowe prawo Kirchhoffa do wszystkich węzłów prócz węzła odniesienia (możemy otrzymać \(n-1\) niezależnych równań, gdzie \(n\) - ilość węzłów).
  3. Rozwiązujemy te równania i uzyskujemy nieznane napięcia węzłów względem węzła odniesienia.
  4. Obliczamy pozostałe wielkości.

Polecenie

Wskaż prawidłowy układ równań.

Wybór 1 z 2

\(\left\{\begin{matrix} e_1\left ( G_1+G_3+G_4\right )-e_2G_3=U_0 G_1\\
-e_1G_3+e_2\left ( G_2+G_3+G_5\right )=U_0 G_2+I_0
\end{matrix}\right.\)

Odpowiedź prawidłowa

Wybór 2 z 2

\(\left\{\begin{matrix}
e_1\left ( G_1+G_3+G_4\right )-e_2G_3=U_0 G_1\\
e_1G_3+e_2\left ( G_2+G_3+G_5\right )=I_0
\end{matrix}\right.\)

Odpowiedź nieprawidłowa

Rozwiązanie

Wybieramy węzeł odniesienia i oznaczamy nieznane napięcia pozostałych węzłów: \(e_1\) i \(e_2\).



Stosujemy prądowe prawo Kirchhoffa:

  1. dla węzła \(e_1\): \(\left (e_1-U_0\right ) G_1+\left (e_1-0\right )G_4+\left ( e_1-e_2\right ) G_3=0\)
  2. dla węzła \(e_2\): \(\left (e_2-U_0\right ) G_1+\left ( e_2-e_1\right ) G_3+\left (e_2-0 \right ) G_5-I_0=0 \)

Polecenie

Prąd płynący przez rezystor \(R_3\) możemy obliczyć z następującego wzoru:

Wybór 1 z 4

\(\displaystyle{I_3=\frac{e_1}{R_3} }\)

Odpowiedź nieprawidłowa

Wybór 2 z 4

\(\displaystyle{I_3=\frac{e_2}{R_3} }\)

Odpowiedź nieprawidłowa

Wybór 3 z 4

\(\displaystyle{I_3=\frac{e_1-e_2}{R_3} }\)

Odpowiedź prawidłowa

Wybór 4 z 4

\(\displaystyle{I_3=\frac{U_0-e_2}{R_2+R_3} }\)

Odpowiedź nieprawidłowa

Odpowiedź

Prąd płynący przez rezystor \(R_3\) wynosi \(\displaystyle{I_3=\frac{e_1-e_2}{R_3} }\).