《电工与电子技术》单元1直流电路.ppt

DIANGONG YU DIANZI JISHU 高等职业技术教育建筑设备类专业规划教材高等职业技术教育建筑设备类专业规划教材 主 编：李 文 王庆良 副主编：孙全江 韦 宇 主 审：于昆伦 电工与电子技术 上篇 电工学 1 本教材定位于高等职业技术教育建筑设备类专业层次 ，突破传统职业教育的课程体系，加强职业技能的培 养，突出职业教育的特色，全面培养学生的职业素质 与职业能力。教材内容充分体现建筑设备行业的最新 知识和成果，将传统的理论和技术与最新的成果结合 ，形成新的体系。为了提高学生的实际动手能力，每 个单元均增加了实践与能力训练项目，所选项目侧重 于基本技能的训练，同时注意综合性、工程性，以达 到培养学生工程应用能力的目的。本书中的图形、符 号均按新的国家标准编写。通过本教材的学习，使学 生掌握电工与电子技术的基本理论、基本知识和基本 技能,具有对一般电路进行分析、计算和实验操作的能 力，为学习后续课程和专业知识及今后从事工程技术 工作打下坚实基础。 前 言 2 本教材可作为高职高专建筑设备工程技术专业、楼宇 智能化专业及其他相关专业的教材。全书共分10个单 元，按75学时编写。每单元首有知识点和能力目标， 单元末有单元小结、思考题与习题以及实践与能力训 练，便于读者自学和复习。 本书由湖南城建职业技术学院李文副教授与辽宁职业 技术学院王庆良副教授担任主编。本教材编写分工为 ：单元1、8由广西建设职业技术学院韦宇编写，单元 2、3由湖南城建职业技术学院李文编写，单元4由浙 江建设职业技术学院孙全江编写，单元5由湖南城建 职业技术学院周友初编写，单元6、7由辽宁职业技术 学院王庆良编写，单元9、10由辽宁职业技术学院张 键编写。 前 言 3 上篇 电工学 单元单元1 1 直流电路直流电路 1 单元单元2 2 单相交流电路单相交流电路 2 单元单元3 3 三相交流电路三相交流电路 3 单元单元4 4 磁路和变压器磁路和变压器 4 单元单元5 5 电动机电动机 5 目 录 4 DIANGONG YU DIANZI JISHU 高等职业技术教育建筑设备类专业规划教材高等职业技术教育建筑设备类专业规划教材 主 编：李 文 王庆良 副主编：孙全江 韦 宇 主 审：于昆伦 电工与电子技术 上篇 电工学 单元1 直流电路 5 【知识点】 电路的组成及基本物理量；线性和非线性电阻的概念 ；电气设备的额定值；电路的工作状态；欧姆定律； 基尔霍夫定律；戴维南定律；电压源和电流源及等效 变换；电路分析计算方法。 【能力目标】 熟练掌握直流电路的分析、计算及实际运用。 单元1 直流电路 6 单元1 直流电路 1.1 1.1 电路的组成及基本概念电路的组成及基本概念 1 1.2 1.2 电路的基本定律电路的基本定律 2 1.3 1.3 电路的分析与计算电路的分析与计算 3 小小 结结 4 7 1.1.1.1 电路组成 电流流经的途径叫做电路。电路主要由电源、中间环 节、负载等电气设备或元件组成。 电路的主要作用是将电能进行传输、分配和转换，其 次是能实现信号的传递和处理。例如，利用电灯可以 将电能转换成光能提供照明；电话机可以将接收到的 信号进行处理，转换成声音。 如图1.1所示为一简单的实际照明电路。 电路中的电源主要提供电能。电能可以由其他形式的 能量转换而来，也可以由交流电转换成为直流电。 1.1 电路的组成及基本概念 1.1.1 1.1.1 电路的组成电路的组成 8 中间环节主要由导线、控制设备等组成，起到传输、 分配及控制电能的作用。 负载，也称用电器，是取用电能的装置。如小灯泡将 电能转换成为光能，供人们照明用；电炉可以将电能 转换成为热能。 图1.1 简单的实际照明电路 1.1 电路的组成及基本概念 9 1.1.1.2 电路模型 为了便于对电路进行分析和计算，人们将实际电路中 的元件进行简化，忽略其次要因素，将它们视为理想 电路元件，并用规定的图形和符号表示，建立了电路 模型。 图1.1的电路模型如图1.2所示。 图1.2 图1.1的电路模型 1.1 电路的组成及基本概念 10 1.1.2.1 电流 电流是由电荷定向运动形成的。为了表达电流的强弱 ，规定了电流强度这一物理量。 图1.3导体中的电流电流强度是指在电场的作用下，单 位时间内通过导体某一横截面的电量。若在dt时间内 ，通过导体某一截面S的电量为dq（如图1.3所示）， 则电流强度为： 1.1.2 1.1.2 电路的基本物理量电路的基本物理量 （1.2） 图1.3 导体中的电流 1.1 电路的组成及基本概念 11 1.1 电路的组成及基本概念 12 参考方向可以人为选定。在分析、计算过程中，若电 流的实际方向和参考方向一致，电流的值为正；若电 流的实际方向和参考方向相反，则电流的值为负。在 假定了电路中电流的参考方向后，就可以根据电流强 度的正负值来判断电流的实际方向，如图1.4所示。 图1.4电流的参考方向和实际方向 （a）I0；(b) I0 1.1 电路的组成及基本概念 13 1.1.2.2 电压 图1.5 电压与电动势 1.1 电路的组成及基本概念 14 习惯上，人们把电位下降的方向规定为电压的方向，可 以用+、-号表示，也可以用箭头表示。在复杂电路中， 某元件的电压实际方向难以确定，可引用电压的参考方 向这个概念来帮助分析电路。电压的参考方向是为了分 析和计算方便而假定的电路中某元件或者某段电路的电 压方向。若在计算结果中，电压的值为正，则参考电压 方向与实际电压方向一致；若电压的值为负，则参考电 压方向与实际电压方向相反。在图1.6（a）所示的电压 参考方向下,计算得到的电压结果U0；在图1.6（b）所 示的电压参考方向下，计算得到的电压结果U0。 图1.6 电压的参考方向和实际方向 1.1 电路的组成及基本概念 15 1.1.2.3 电动势 非电场力把单位正电荷在电源内部由低电位点b端移到高 电位点a端所做的功，称为电动势，用e（E）表示。 电动势的实际方向是电源内部从低电位指向高电位，单位 与电压相同，用伏特（V）表示。 1.1.2.4 关联正方向 如图1.7所示，电路中，若电压和电流的参考方向一致时 ，称为关联参考方向，也称关联正方向；若电压和电流参 考方向不一致时，称为非关联参考方向。 图1.7 电压和电流的关系 (a) 电压和电流为关联参考方向；(b) 电压和电流为非关联参考方向 1.1 电路的组成及基本概念 16 1.1.2.5 电位 图1.8 电压和电位 1.1 电路的组成及基本概念 17 1.1.2.6 电功率和电能 1.1 电路的组成及基本概念 18 图1.10 功率的计算 图1.7（a） 图1.7（b） 1.1 电路的组成及基本概念 19 电路通常有开路、短路和负载三种工作状态。 1.1.3.1开路（空载）状态 在图1.11所示电路中，当开关处于打开状态时，外电 路与电源断开，电路工作 在开路状态，也称为空载 状态。 电路处于开路状态时，电 路中的电流I为0，电源的 端电压U等于电源电动势 Us，负载R的端电压U0为 0，此时，外电路元件的 功率P也为0。 1.1.3 1.1.3 电路的工作状态电路的工作状态 图1.11 电路的开路状态 1.1 电路的组成及基本概念 20 1.1.3.2 短路状态 图1.12 电路的短路状态 1.1 电路的组成及基本概念 21 1.1.3.3 负载状态 图1.11 1.1 电路的组成及基本概念 22 1.1.3.4 电气设备的额定值 1.1 电路的组成及基本概念 23 在实际电路中，负载元件的种类很多，电阻元件是比 较常见的一种。 通常情况下，白炽灯、扬声器、电炉丝等负载元件都 可以等效为电阻元件。为了电路工作需要，还专门制 作了不同型号、规格的电阻元件，称为电阻器，简称 为电阻。 一般所说的电阻元件，其阻值为定值。这类电阻也称 为线性电阻。 在国际单位制中，电阻值的单位为欧姆（），常用 的单位还有千欧（k）、兆欧（M）。 1.2.1 1.2.1 电阻元件和欧姆定律电阻元件和欧姆定律 1M=103k=106 1.2 电路的基本定律 24 对线性电阻而言，通过电阻的电流与电阻两端的电压 成正比，这就是欧姆定律。它是分析电路的基本定律 之一。如对于图1-13（a），欧姆定律可以用下式表 示 （1-9） 根据所选的电压和电流的参考方向的不同，欧姆定很 可以带有正号或者负号。比如图1-13（a)，电压和电 流的参考方向为关联参考方向，则欧姆定律写 （1-10） 如图1-13（b）和图1-13（c），当电压和电流的参考 方向为非关联方向时，欧姆定律则写为： （1-11） 1.2 电路的基本定律 25 例1.4 如图1-14，根据欧姆定律，求出电阻的阻值。 图1.13 欧姆定律 图1.14 例1.4图 1.2 电路的基本定律 26 分析与计算电路的基本定律，除了欧姆定律以外，还 有基尔霍夫定律。基尔霍夫定律分为电流定律和电压 定律。 图1.15基尔霍夫定律电路中通以相同的电流且没有分 支的一段电路，称为支路。支路中通过的电流称为支 路电流。图1.15的电路中共有bafe、be、b cde三条支路。 电路中三条或者三条以上的支路的连接点称为节点。 图1.15电路中有b、e两个节点。 电路中任意一条或者多条支路组成的闭合的电路称为 回路。如图1.15中的abefa回路、bcd eb回路、abcdefa回路。 1.2.2 1.2.2 基尔霍夫定律基尔霍夫定律 1.2 电路的基本定律 27 基尔霍夫电流定律是用来确定连接在同一节点的各支 路的电流间关系的。由于电流的连续性，电路中任何 一个节点都不能堆积电荷。因此，在任意一瞬间，流 入节点的电流和流出节点的电流是相等的。这就是基 尔霍夫电流定律（KCL）。 图1.15 基尔霍夫定律 1.2 电路的基本定律 28 对于图1.15的节点b，可得下式: 也可以写成: 即: 就是在任意一时刻，一个节点上电流的代数和等于零 。 根据式1.12，规定了电流的参考方向，即流入节点的 电流取正号，流出节点的电流取负号。由于这个参考 方向的规定，有时计算出来的电流是负值，这是由于 规定的电流参考方向和电流实际方向不一致造成的。 (1-12) 1.2 电路的基本定律 29 图1.16 基尔霍夫电流 定律的推广 1.2 电路的基本定律 30 基尔霍夫定律的另一个内容是针对回路电压的。对于 电路中的任意一条回路，如果从回路中的任一点出发 沿回路绕行一圈，则回路中的电位升之和等于电位降 之和，这个定律称为基尔霍夫电压定律（KVL）。 图1.17 例1.5图 1.2 电路的基本定律 31 图1.18 基尔霍夫电压定律 1.2 电路的基本定律 32 式（1.15）是基尔霍夫电压定律的另一种表达方式。 在电路中的任意一条回路，电源电动势的代数和等于 电阻元件电压的代数和。在此，凡是电动势的参考方 向与所选取的绕行方向一致者，取正号，反之取负号 ；凡是电流的参考方向与所选取的绕行方向一致的， 在电阻上产生的电压取正号，反之取负号。 基尔霍夫定律也可以应用 于回路的一部分电路，如 图1.19所示，选择顺时针 绕行方向可得: 或 图1.19 基尔霍夫定律 的推广应用 1.2 电路的基本定律 33 图1.15 1.2 电路的基本定律 34 电阻是电路中常见的元件。电阻在电路中主要有串联 和并联两种连接方式。 1.3.1.1 电阻的串联 两个或者两个以上的电阻依次相连，流过同一电流， 这种连接方式叫电阻的 串联。如图1.20所示， 图1.20（b）是图1.20 （a)的等效电路。 1.3.1 1.3.1 简单电路的分析与计算简单电路的分析与计算 图1.20电阻的串联 (a) 两个电阻串联；(b) 等效电路 1.3 电路的分析与计算 35 电阻串联电路有以下性质： n个电阻串联，则各电阻中电流处处相等，并等于 电路的总电流。 （1.16） 串联电路两端的总电压U等于各电阻的电压之和。 （1.17） n个电阻串联，其等效电阻R等于各电阻之和。 （1.18） 利用电阻的串联可以起到分压作用。如图1.20（a)， 电路两端的总电压为U，而电阻R1和R2的电压U1、U2 分别为： （1.19） （1.20 ） 1.3 电路的分析与计算 36 1.3.1.2 电阻的并联 两个或者两个以上电阻接在相同的两点之间，其两端 电压相同，这种连接方式叫做电阻的并联。如图1.21 所示，图1.21（b）是图1.21（a）的等效电路。 图1.21 电阻的并联 (a) 两个电阻并联；(b) 等效电路 1.3 电路的分析与计算 37 并联电路有以下特点： n个电阻并联，电路的总电流I等于各电阻上的电流 之和。 （1.21） n个电阻并联，电路两端的总电压U等于各电阻两 端电压。 （1.22） n个电阻并联，电路的等效电阻R的倒数等于各电 阻倒数之和。 （1.23） 1.3 电路的分析与计算 38 图1.21（a） 1.3 电路的分析与计算 39 在实际电路中，电阻的连接方式并不是简单的只有串 联或者并联，如图1.22所示，电路中既有电阻的串联 ，也有电阻的并联。 例1.7 电路如图1.22所示，求电路的等效电阻R。 图1.22 混联电阻电路 1.3 电路的分析与计算 40 1.3.2.1 电压源、电流源及其等效变换 电源是电路中能量的来源。在直流电路中，电流有两 种不同的电路模型。一种是用电压的形式来表示，称 为电压源；另一种是用电流的形式来表示，称为电流 源。 图1.23电压源电路实际的电源，都含有电动势Us和内 阻R0。在分析与计算电路时，往往把它们分开，组成 由Us和R0串联的电源电路模型，这就是电压源，如图 1.23所示。在图中，U即电压源输出电压，RL为负载 电阻。 根据图1.23电路可得： （1-27） 1.3.2 1.3.2 复杂电路的分析与计算复杂电路的分析与计算 1.3 电路的分析与计算 41 图1.24 电压源输出电压特性曲线 图1.23 电压源电路 1.3 电路的分析与计算 42 1.3 电路的分析与计算 43 图1.25 电流源电路 1.3 电路的分析与计算 44 在电路分析过程中，为了方便，我们常常将电压源和 电流源进行变换。这种变换对外部电路而言是等效的 ，但对电源内部而言，则是不等效的。 电压源和电流源的等效变换如图1-26所示，其中 或 （1-29） 需要指出的是，理想电压 源和电流源本身之间没有 等效关系，不能进行等效 变换。 图1.26 电压源与电流源的等效变换 1.3 电路的分析与计算 45 1.3.2.2 支路电流法 在分析复杂电路时，支路电流法是最基本方法。支路 电流法主要是通过求解出电路中所有支路的电流，从 而求解出其他的电路参数。 应用支路电流法的基本步骤为： 确定电路中的全部支路数N； 确定电路中的全部节点数m，并根据KCL列出 （m-1）个节点电流方程； 再根据电路中的回路，根据KVL列出N-（m-1）个 回路电压方程； 联立以上N个方程，组成方程组并解方程组。 1.3 电路的分析与计算 46 例1.8 电路如图1.27所示，根据支路电流法，列出求 解全部支路电流的方程。 图1.27 支路电流法 1.3 电路的分析与计算 47 例1.9 在图1.28所示电路中，设Us=12V， R1=R2=R4=5，R3=10。中间支路是一个检流计， 其电阻RG=10。试求检流计电流IG。 图1.28 例1.9图 1.3 电路的分析与计算 48 1.3.2.3 戴维南定理 戴维南定理也称有源二端网络或等效电源定理。任何 有源二端网络对其网络以外的电路，相当于一个电源 ，其等效电源电动势等于有源二端网络的开路电压， 而等效电源的内阻等于网络内各电源用电阻代替时网 络的开路端等效电阻。假如有源二端网络能够简化为 一个等效电源，则复杂电路就变成一个等效电源和待 求支路相串联的简单电路，如图1.29所示。 图1.29 戴维南定理 1.3 电路的分析与计算 49 所谓二端网络是指任何具有两个接线头的部分电路。 若在此部分电路中包含有电源存在，这个二端网络称 为有源二端网络。 例1.10 如图1.30所示，已知Us1=15V，Us2=12V， R1=1，R2=2，R=30，试利用戴维南定理求负载 电阻R中的电流。 图1.30 例1.10图 1.3 电路的分析与计算