3·58

第 1 题 · 节点法 + 超节点

第 1 题

求三个节点电压和 6 V 源的功率

+ − 12 V 6 Ω 4 Ω 4 Ω + − 6 V 3 Ω v1 v2 v3
12 V 源一端接地;6 V 源两端都不接地("浮动"),+ 端在节点 2。

(a) 用节点法求 v1,v2,v3v_1, v_2, v_3。
(b) 6 V 源吸收还是供出功率?多少瓦?

提示(先自己试 3 分钟)

v1v_1 不用算。把节点 2、3 连同 6 V 源圈成一个超节点,只写一条 KCL,再加约束 v2−v3=6v_2 - v_3 = 6。

看解答
+ − 12 V 6 Ω 4 Ω 4 Ω + − 6 V 3 Ω v1 v2 v3 超节点 = 节点 2 + 6 V 源 + 节点 3
虚线框是超节点:只数穿过框边界的电流。
  1. 接地电压源直接给出 v1=12v_1 = 12 V。
  2. 约束(6 V 源,+ 在节点 2):v2−v3=6v_2 - v_3 = 6。
  3. 超节点 KCL(流出 = 0):v2−124+v24+v33+v3−126=0\dfrac{v_2-12}{4} + \dfrac{v_2}{4} + \dfrac{v_3}{3} + \dfrac{v_3-12}{6} = 0。
  4. 代入 v3=v2−6v_3 = v_2 - 6 后乘 12:3v2−36+3v2+4v2−24+2v2−36=03v_2 - 36 + 3v_2 + 4v_2 - 24 + 2v_2 - 36 = 0,所以 12v2=9612v_2 = 96。
v1=12 V,v2=8 V,v3=2 Vv_1 = 12\ \text{V},\quad v_2 = 8\ \text{V},\quad v_3 = 2\ \text{V}

(b) 设 6 V 源里从节点 2 流到节点 3 的电流为 ii。只对节点 2 写 KCL:8−124+84+i=0\frac{8-12}{4} + \frac{8}{4} + i = 0,得 i=−1i = -1 A。所以实际是 1 A 从节点 3 流向节点 2,也就是从 + 端流出:

p吸收=6×(−1)=−6 W⇒供出 6 Wp_{\text{吸收}} = 6 \times (-1) = -6\ \text{W}\quad\Rightarrow\quad \text{供出 } 6\ \text{W}
验算

节点 3:23+2−126−(−1)=23−53+1=0\frac{2}{3} + \frac{2-12}{6} - (-1) = \frac{2}{3} - \frac{5}{3} + 1 = 0。✓