电路中的电势分析

电路中的电势分析

在电路分析和计算中，对电路中各点电势高低的分析，往往是正确分析电路结构，判断电流的流向，计算两点间的电势差的基础和关键．下面分别对电路中电势分析的方法，以及电势分析在电路分析和计算中的运用作些说明．

一、电路中电势分析的方法

在闭合电路中，电源两极的正、负电荷沿电路建立电场，其中电源的正极电势最高，负极的电势最低，分析电路中其它各点电势高低的分布，要把握如下两个要点：

1．在外电路中，电流由电势高的正极流向电势低的负极．这之中每流经电阻R，沿电流的方向电势降低，降低的数值等于IR．

2．电流流经电动势为ε、内电阻为r的电源时，沿着电流从负极流入由正极流出的方向，电势升高的数值等于电动势ε，同时在内电阻上电势降低的数值等于Ir，即电势升高的数值等于ε-Ir．

[例1]如图1所示电路中，电源的电动势ε1= 6.0V,ε2= 4.0V，内电阻r1= r2=1.0Ω，电阻R1= R3= 6.0Ω，R2= 3.0Ω．若c点接地,试比较a、b、d三点电势的高低．

[解析]电路中的电流为

c点接地，该点电势为零，即U c＝0．比较a、b、d三点电势的高低，可选择一段相应的电路，根据前面指出的两点，列出电势升降方程分析判断．

在dC段电路上，沿电流方向由d点到c点，电势升高的数值为ε2—Ir2．据此列出的电势升降方程为：U d+ (ε2—Ir2)，解得d点电势为

U d= U c- (ε2- Ir2) =[0 - (4.0 - 1.0×1.0)]V= -3.0V

在ad段电路上，沿电流方向由a点到d点，电势降低的数值为IR3，其电势升降方程为：U

- IR3= U d．解得a点电势为

a

U a= U d+ IR3= ( -3.0 + 1.0×6.0)V= 3.0V

在ab段电路上，沿电流方向由b点到a点，电势升高的数值为ε1-Ir1，其电势升降方程为：U b+ (ε1- I r1) = U a．解得b点电势为

U b= U a- (ε1- Ir1) = [3.0 - (6.0 - 1.0×1.0)]V=-2.0V

综合上述分析可判知：a、b、d三点电势高低的关系为U a＞U b＞U d．

二、电路中电势分析的应用

在电路分析和计算中，常涉及到电路结构分析、电流流向判断、不同支路上两点间电势差的计算这样一些问题，这些都与对电路中各点电势高低的分析是密不可分的．下面通过例题来说明电路中电势分析的具体应用．

[例2]如图2所示，一段由电阻R1、R2、R3和R4组成的电路．试分析这段电路的结构．

[解析]分析一段电路的结构，即分析这段电路中各电阻之间的连接关系，这是正确进行电路计算的基础．分析一段电路上各点电势高低的分布，是分析这段电路结构的基本方法．在图2所示电路中，设a点电势最高，e点电势最低，即U a＞U e．a点和c点间用电阻不

计的导线连接，a点和c点为等电势点，即U a= U c．同理，b点和d点为等电势点，即U b= U d．由U a＞U e可判知，这段电路中的电流将由a、c两点经b、d两点流向e点．再由电流流经电阻时，沿电流方向电势降低即可判知，这段电路中各点电势高低分布的情况是：U a=U c＞U

=U d＞U e．

b

在完成电势分析后，可将电路中a、d、e三个电势高低不同的点选出，如图3所示重新排列．然后再将电路中的各电阻对应画在a、d、e三点间，采用这样的方法将原电路改画后，各电阻间的连接关系便一目了然了．

[例3]如图4所示电路中，己知I = 3.0A，I1= 2.0A，电阻R1= 10Ω，R2= 5.0Ω，R3= 30Ω．求流过电流表A的电流大小和方向．<

[解析]设a点电势为零，即U a=0．

电流I l由a点经R1流到b点，电势降低的数值为I1R1，则b点电势为

U b= U a- I1R1=（0 - 2.0×10）V = -20V

流过R2的电流I2= I - I1= 1.0A，电流I2由a点经R2流到C点，电势降低的数值为I2 R2，则C点电势为

U c= U a- I2R2- (0 - 1.0×5.0)V= -5.0V

由U c＞U b可判知，流过R3的电流I3由c流向b．再由c、b两点间的电势差U c b = U c - U b= [（-5.0）-（-20）］V=15V，可求出流过R3的电流

对c点来说，流入c点的电流一定等于流出c点的电流，现流入c点的电流I2大于流出c点的电流I3，由此判知从c点有一部分电流经电流表A流出，且流过电流表A的电流为

I a= I2- I3= (1.0 - 0.50 )A = 0.50A

电流I3的方向由c到d．

从本题中清楚地看到，要判断局部电路中电流的流向，必须分析局部电路两端的电势高低，为了帮助读者掌握这一思路和方法，请读者自行分析如图5所示电路中，合上开关S的瞬间，通过开关S的电流的方向；然后再分析合上开关S后，通过开关S的电流的方向．（答案均为由b 流向a)

[例4]如图6所示电路中，电源电动势ε=10V，内电阻不计，电阻R1=14Ω，R2= 6.0Ω，R3= 2.0Ω，R4= 8.0Ω，R5= 10Ω，电容器的电容C = 2.0μF．求

（1）电容器所带的电量？说明电容器哪个极板带正电？

（2）若R1突然断路，将有多少电量通过R5？

[解析]涉及电路中接有电容器的问题，要注意两点：

①注意分析加在电容器两板间的电压，等于电路中哪两点间的电势差，如果电容器两板分别接在不同支路的两点上，必须通过电势分析求出两点间的电势差．

②电容器充放电达到稳定后，由于电容器的隔直作用，在电容器所在的支路中没有电流．

（1）设d点电势为零，即U d=0．

在a、b两点间电容器所在支路中，电流为零，R5两端等电势，因而加在电容器两板间的电压即为a、b两点间的电势差．

电流由a点经R2流到d点，电势降低的数值即为R2两端电压，则a点电势为

电流由b点经R4流到d点，电势降低的数值即为R4两端电压，则b点电势为

由U b＞U a判知，电容器下板带正电．再由b、a两点间的电势差U ba= U b- U a= 5.0V，可求出电容器所带的电量为