На схеме изображена электрическая цепь, содержащая источник ЭДС (обозначенный \( \mathcal{E} \) и \( r \)), резисторы \( R_1 \), \( R_2 \), \( R_3 \), \( R_4 \), \( R_5 \).
Дано:
Найти:
Решение:
Для решения задачи необходимо определить, как соединены резисторы, и применить законы Ома и Кирхгофа.
1. Определение соединения резисторов:
Резисторы \( R_2 \) и \( R_3 \) соединены последовательно. Их общее сопротивление: \( R_{23} = R_2 + R_3 = 3 \text{ Ом} + 3 \text{ Ом} = 6 \text{ Ом} \).
Эта группа \( R_{23} \) параллельно соединена с резистором \( R_4 \). Общее сопротивление параллельного участка:
\[ R_{234} = \frac{R_{23} \cdot R_4}{R_{23} + R_4} = \frac{6 \text{ Ом} \cdot 3 \text{ Ом}}{6 \text{ Ом} + 3 \text{ Ом}} = \frac{18 \text{ Ом}^2}{9 \text{ Ом}} = 2 \text{ Ом} \]
Резисторы \( R_1 \), \( R_{234} \) и \( R_5 \) соединены последовательно.
2. Общее сопротивление цепи (R):
\[ R = R_1 + R_{234} + R_5 = 5 \text{ Ом} + 2 \text{ Ом} + 2 \text{ Ом} = 9 \text{ Ом} \]
3. Общий ток в цепи (I):
\[ I = \frac{\mathcal{E}}{R + r} = \frac{4,5 \text{ В}}{9 \text{ Ом} + 0,5 \text{ Ом}} = \frac{4,5 \text{ В}}{9,5 \text{ Ом}} \approx 0,474 \text{ А} \]
4. Токи и напряжения на резисторах:
Ток через R1 и R5:
Так как \( R_1 \) и \( R_5 \) соединены последовательно с источником и параллельным участком, через них течет общий ток:
\[ I_1 = I_5 = I \approx 0,474 \text{ А} \]
Напряжение на R1 и R5:
\[ U_1 = I_1 \cdot R_1 \approx 0,474 \text{ А} \cdot 5 \text{ Ом} \approx 2,37 \text{ В} \]\[ U_5 = I_5 \cdot R_5 \approx 0,474 \text{ А} \cdot 2 \text{ Ом} \approx 0,948 \text{ В} \]
Напряжение на параллельном участке R234:
\[ U_{234} = I \cdot R_{234} \approx 0,474 \text{ А} \cdot 2 \text{ Ом} \approx 0,948 \text{ В} \]
Токи через R2, R3 и R4:
Напряжение на \( R_4 \) равно напряжению на параллельном участке \( R_{234} \):
\[ U_4 = U_{234} \approx 0,948 \text{ В} \]
Ток через \( R_4 \):
\[ I_4 = \frac{U_4}{R_4} = \frac{0,948 \text{ В}}{3 \text{ Ом}} \approx 0,316 \text{ А} \]
Ток через последовательное соединение \( R_2 \) и \( R_3 \) равен току через весь параллельный участок минус ток через \( R_4 \):
\[ I_2 = I_3 = I - I_4 \approx 0,474 \text{ А} - 0,316 \text{ А} \approx 0,158 \text{ А} \]
Напряжения на R2 и R3:
\[ U_2 = I_2 \cdot R_2 \approx 0,158 \text{ А} \cdot 3 \text{ Ом} \approx 0,474 \text{ В} \]\[ U_3 = I_3 \cdot R_3 \approx 0,158 \text{ А} \cdot 3 \text{ Ом} \approx 0,474 \text{ В} \]
Проверка:
Сумма напряжений на параллельных ветвях должна быть равна \( U_{234} \):
\[ U_4 + U_{23} = 0,948 \text{ В} + (U_2 + U_3) = 0,948 \text{ В} + (0,474 \text{ В} + 0,474 \text{ В}) = 0,948 \text{ В} + 0,948 \text{ В} \approx 1,896 \text{ В} \]
Здесь наблюдается расхождение. Проверим расчет тока \( I_2 \) и \( I_3 \).
Ток \( I_{23} \) течет через последовательное соединение \( R_2 \) и \( R_3 \). Напряжение на этом участке \( U_{23} = U_{234} = 0,948 \text{ В} \).
\[ I_{23} = \frac{U_{23}}{R_{23}} = \frac{0,948 \text{ В}}{6 \text{ Ом}} \approx 0,158 \text{ А} \]
Таким образом, \( I_2 = I_3 = I_{23} \approx 0,158 \text{ А} \).
Сумма токов в параллельных ветвях должна быть равна общему току, приходящему на узел:
\[ I_4 + I_{23} \approx 0,316 \text{ А} + 0,158 \text{ А} = 0,474 \text{ А} \]
Это совпадает с общим током \( I \).
Итог:
Ответ: Общее сопротивление цепи \( R = 9 \text{ Ом} \); общий ток \( I \approx 0,474 \text{ А} \). Токи: \( I_1=I_5 \approx 0,474 \text{ А}, I_2=I_3 \approx 0,158 \text{ А}, I_4 \approx 0,316 \text{ А} \). Напряжения: \( U_1 \approx 2,37 \text{ В}, U_2 \approx 0,474 \text{ В}, U_3 \approx 0,474 \text{ В}, U_4 \approx 0,948 \text{ В}, U_5 \approx 0,948 \text{ В} \).