第 1 章 直流电路.doc

幻灯片1第 1 章直流电路1.1电路的基本结构* 1.8 电路中各点电位的 计算1.2电路的主要物理量1.9基尔霍夫定律1.3欧姆定律1.10支路电流法1.4电阻元件* * 1.11电路模型的概念及 电流源、电压源1.5电路的状态及 电 外特性 * * 1.12戴维宁定理1.6负载的连接* * 1.13叠加定理1.7电气设备额定值幻灯片21.1电路的基本结构电流所流过的路径称为电路。它是为了某种需要由电工设备或元件按一定方式组合起来的。电路的结构形式和所能完成的任务是多种多样的，最典型的是照明电路。电路实物图电路原理图幻灯片3将非电能形态的能量转换成电能的供电设备。如发电机、电池等。电源：将电能转换成非电能形态能量的用电设备。如电动机、照明灯等。负载：传递信号、传输电能。连接导线：实际应用中，电路还必须有一些辅助设备，如控制电路通、断的开关及保障安全用电的熔断器等。动画：电路的基本组成幻灯片41.2电路的主要物理量1.2.1电流1.2.2电压与电动势1.2.3电位1.2.4电能幻灯片51.2.1电流RI 0I 0R电路中带电粒子有规则地定向移动形成电流。电解液中的正、负离子(正、负电荷)带电粒子金属导体中的自由电子(负电荷)规定正电荷移动的方向为电流的实际方向。电流的参考方向(正方向)在进行电路分析时，预先假定的一个电流方向。电流的实际方向与参考方向一致时电流值为正；反之为负。 电路图中标注的电流方向通常都是参考方向，参考方向可以任意规定。幻灯片6交流电的实际方向随时间而变，必须规定电流的参考方向。电流一词既阐述一种物理现象，又表示带电粒子定向运动强弱的物理量。t ：为时间，单位是秒(s)；Q ： t 时间内通过导线的电荷量 ，单位是库(C)；I ：电流电流的强弱(或大小)：电流的单位是安(A)；毫安(mA)、微安(mA)1 A = 103 mA = 106 mA动画：电流的基本概念幻灯片7电流对负载有各种不同的作用和效应，热和磁效应总是伴随电流一起发生。电流的作用和效果幻灯片8电流的作用效果幻灯片91.2.2电压与电动势电压：维持某和电路中的电流，必须在它的两端保持电压；电源在电路中能产生和保持电压; 电源内部的非静电力分离电荷，把其他形式能量转换成电能。两种不同极性的电荷分离，电荷之间便产生了电压。电压为零低电压高电压要把电荷分离，必须对电荷做功，而做功是由电源完成的。发电机、电池就是电源。动画：电压的基本概念幻灯片10发电机把机械能转化为电能，电池把化学能转化为电能。常见电能转换装置：(1)电磁感应：将条形磁铁插入线圈再拔出，在磁铁的运动期间，电压表的指针摆动，利用电磁感应来产生电压。幻灯片11(2)热电偶:将一段铜丝和一段康铜丝绞合或焊接起来，用导线接上一个电压表，在铜丝和康铜丝的连接处加热。铜和康铜张开两端之间产生电压。幻灯片12 (3)光敏元件：通过光来产生电压。金属基片覆盖层阻挡层接触环光硒将光敏元件接在电压表上，用光源照射光敏器件，光敏元件的两端就会产生电压。幻灯片13(4)压电效应：通过石英晶体的形变产生电压。将压电晶体与高内阻的电压表相连接；在其特定的表面施加压力或拉力；mV晶体FF晶体内部电荷将位移，进而产生电压。反之在晶体上加电压，晶体将产生机械变形。幻灯片14另外，对绝缘材料摩擦也可以产生电压。产生电压过程是非静电力对电荷的做功过程，做的功越大，电源把其他形式的能量转化为电能的本领就越大。电源的这种本领用电动势表示 。电动势：在电源内部，非静电力将正电荷从电源负极移到正极所做的功 WS 与其电量 Q 之比称为电动势，用 E 表示，即E 的单位是伏(V)WS单位是焦耳(J) Q 的单位是库(C)幻灯片15电动势的方向：规定从电源负极指向电源正极即非静电力移动正电荷方向。R +-EI+-U当外电路闭合时，外电路中形成电场，在电场力的作用下，电荷经外电路移动形成电流 I。静电力移动电荷做功，其大小用电压 U 表示W：静电力移动电荷做的功；Q: 被移动电荷的电量；U：电压电压的方向规定为由正极(高电位端)指向负极(低电位端)，单位为伏(V)。动画：电动势幻灯片16与电流情况类似，电压和电动势未知方向时也可假设参考方向，结合计算结果的正、负来决定其实际方向。幻灯片171.2.3电位电路中每一点都有一定的电位。在外电路，电位差形成电流；电流从高电位点流向低电位点。+-R EI+-Uabcd* 电位用字母 V 表示；* 不同点电位用字母 V 加 下标表示； * 衡量电位高低必须有一个计算电位的起点，称零电位点，该点电位为 0 V。幻灯片18电位的计算+-R2 EI+-UabcdR1先选定零电位点，(一般用符号“”表示)，电路中任何一点与零电位点之间的电压，就是该点的电位。 例图示电路，E = 10 V， R1 = R2 = 2 W ，求各点电位。解该电路 c 点是零电位点I = 2.5 A，Va = Uac = 10 V，Vb = Ubc = 5 V，Vc = Vd= 0 V电压等于电位差 例如，Uab = Va - Vb = 5 V幻灯片191.2.4电能电场力做的功就是电路所消耗的电能，由电压公式 U = W/Q 知，电能 W = QU，由于 Q = It，所以W = QU = UIt国际单位制下，电能的单位是焦耳(J)，也用千瓦时(kW h，俗称度)表示。计数器kWh1 kW h = 1 000 W 3 600 s = 3.6 106 J转盘x电能可直接用电能表(电度表)测出。幻灯片20kWh00316220 V 5 A 50 Hz2 500 r / (kWh)计数器计数器用来记录电能V、A、Hz 值是电压电流和频率的使用条件铝转盘2 500 r/ kWh 表示消耗 1 千瓦时(1 度)电能，铝转盘转过 2 500 转。例额定功率 120 W 彩色电视机，每千瓦时的电费 0.45 元，工作 5 小时电费为多少？解电费 = 0.12 5 0.45 元 = 0.27 元幻灯片211.2.5电功率用电设备单位时间消耗的电能叫做电功率，用字母 P 表示，即单位：瓦(W)、或千瓦(kW)x*12*34+URkW电功率可利用功率表测量。右图为功率表的接线图例额定电压 220 V， 电流 5 A 的电炉功率为多大？ 解P = UI = 220 5 W = 1 100 W = 1.1 kW幻灯片221.3欧姆定律+-REI+-UR0-内电路可等效为 E 与 R0 的串联电路；+外电路是电阻性电路可等效成一个电阻 R。内电路和外电路总称为全电路。外电路若不含电源，电压 U、电流 I 关系满足欧姆定律：电流和电压的参考方向必须一致；若方向相反 I = - U/R注意幻灯片23全电路欧姆定律+-REI+-UR0-例求图示电路中的电流。U = 1.5 V，R = 1 W。解设定 I 的参考方向与 U 相同I+-RU+-RUI若 I 的参考方向与 U 相反幻灯片241.4电阻元件1.4.1电阻元件的电流、电压关系1.4.2 常用电阻元件幻灯片251.4.1电阻元件的电流、电压关系R1R2R1 PN)，此时极易烧毁电阻使其不能正常工作。幻灯片46*1.8 电路中各点电位的计算电路中某一点的电位,为该点到参考点的电压。+_R1E1+_E2R2R3I3abcd电路的参考点可以任意选取。但一经选定，在分析和计算过程中就不能改动。强电的电力电气线路，以大地为参考点，符号实际电路参考点选择：弱电的电子电路中，以装置的外壳或底板为参考点，符号图示电路，若以 d 为参考点，则：Va = E1Vc = E2Vb = I3 R3Vd = 0通常认为参考点的电位为零。幻灯片47例电路如图所示，分别以 A、B 为参考点计算 C 和 D 点的电位及 C 和 D 两点之间的电压。以 A 为参考点解I2 W10 V+5 V+3 WBCDAI =10 + 53 + 2A= 3 AVC = 33 V= 9 VVD = 32 V= 6 VUCD = VC - VD = 15 V以 B 为参考点VD = 5 VVC = 10 VUCD = VC VD = 15 V电路中各点的电位随参考点不同而改变，小结：任意两点间的电压与参考点无关。幻灯片481.9基尔霍夫定律1.9.1基尔霍夫电流定律(KCL)1.9.2基尔霍夫电压定律(KVL)幻灯片491.9基尔霍夫定律基尔霍夫定律由两个定律组成。是分析与计算电路的基本定律。支路：一端不分岔的电路；术语结点：三条或三条以上支路的连接点；回路：由支路组成的闭合电路。BAEC练习:说出该电路的支路、结点和回路数目。GHFD幻灯片501.9.1基尔霍夫电流定律(KCL)基尔霍夫电流定律是用来确定连接在同一结点上的各支路电流之间的关系。 定律：在结点上，任一瞬间，流向该结点电流的代数和等于零。记为 i = 0(对任意波形的电流) I = 0(直流电路中)幻灯片51例列写出图中所示电路中结点 A 的基尔霍夫第一定律表达式。解对于结点 A 上的电流，假设流入结点电流为正，流出结点电流为负，那么，根据公式(1.21)可得或可见，基尔霍夫第一定律也可描述为流入结点的电流之和等于流出结点的电流之和。幻灯片52例列写出图示电路基尔霍夫电流定律表达式。 若设流向结点 a 的电流为负，流出结点 a 的电流为正，根据 KCL 结点电流方程为:解 I1I2I3I4aI1 I2 + I3 + I4 = 0若 I1 = 9 A， I2 = 2 A，I4 = 8 A，求 I3 。9 ( 2)+ I3 + 8 = 0有I3 = 19 A I3 电流为负值，是由于电流参考方向与实际方向相反所致。 幻灯片531.9.2基尔霍夫电压定律(KVL)基尔霍夫电压定律用来确定回路中各段电压之间的关系。 在任一瞬间沿回路绕行一周，所有电动势的代数和等于电压降的代数和，写作R2I2+_R1+_E2U2I1U1CADB+_U3+U4_E1 E = U = RI图示电路选逆时针为绕行方向。则：= R2 I2 + E1 E2 + R1I1 = U4 U3电动势和电压的方向与绕行方向一致取正，反之为负。可见，在任一瞬间沿绕行方向电位的升高等于电位的降低。幻灯片541.10支路电流法介绍分析电路的方法 凡不能用电阻串、并联等效简化的电路，称为复杂电路。AI2I1I3R1+R2R3+E2E1图示电路为复杂电路。支路电流法是计算复杂电路的一种基本方法。支路电流法的解题原则是：以支路电流为求解对象，应用基尔霍夫电流、电压定律对结点和回路列出所需的方程组，然后求解各支路电流。幻灯片551.10支路电流法用支路电流法求解电路的步骤：步骤一确定支路数 b ，选择各支路电流参考方向。步骤二根据结点数列写独立的 KCL 方程。 I1 + I2 I3 = 0AR1+R2R3+E2E1对于有 n 个结点的电路，只能列出 (n 1)个独立的 KCL 方程式。I3I2I1步骤三应用 KVL 列出余下的 b (n 1)个方程。E1 E2 = R1 I1 R2I2E2 = R2I2 + R3 I3幻灯片56注意：所列回路电压方程必须是独立的方程；一般可以网孔为回路列电压方程；电压方程数视未知量减电流方程数所定。联立方程组，求解出各支路电流。步骤四R1+R2R3+E2E1AI2I1I3I1 + I2 I3 = 0E1 E2 = R1 I1 R2I2E2 = R2 I2 + R3 I3幻灯片57例图示电路，若 R1 = 5 W，R2 = 10 W，R3 = 15 W，E1 = 180 V，E2 = 80 V，求各支路电流。解待求支路电流有三个。(1)设电流参考方向；(2)对结点 A 列 KCL 方程： I1 + I2 I3 = 0(3)选网孔绕行方向列 KVL 方程：E1= R1 I1 + R3 I3E2 = R2 I2 + R3 I3(4)解联立方程组：I1 + I2 I3 = 0 180 = 5I1 + 15I3 80 = 10I2 + 15I3I1 = 12 AI2 = - 4 AI3 = 8 A幻灯片58* * 1.11电路模型的概念及 电流源、电压源1.11.1电路模型的概念1.11.2电源模型(电流源、电压源)幻灯片591.11.1电路模型的概念将实际电器元件，只考虑其主要物理性质，并近似看成理想元件，就是将实际元件等效成电路模型；电路图中的各元件都是以“电器的电路”形式表现；实际电器元件的模型表示，构成了电路模型电路图。幻灯片60实际电器的模型是在一定的条件下形成的。实际线圈例如：一个由导线绕制的线圈就有几种模型形式。不能忽略线圈损耗的线圈模型考虑线圈匝与匝之间电容效应的模型理想线圈模型幻灯片611.11.2电源模型(电流源、电压源)实际电源有两种模型，电压源和电流源。1电压源模型由一个电压为 US 的理想电压源和代表内阻为 R0 的电阻元件串联而成。该模型等效的电源当外部负载电阻发生变化时，其输入电压波动很小，常用的电源有电池、稳压电源。2电流源模型由一个恒定的电流为 IS 的理想电流源和代表内阻为 R0 的电阻元件并联而成。该模型等效的电源当外部负载电阻变化时，输出电位波动小，如光电池电源。幻灯片623电压源与电流源的转换如能保证图(a)图(b)中输出的电压和电流相等，则两种电源就可以等效转换。图(a)(a)图(b)变换条件(b)幻灯片633电压源与电流源的转换电压源转换成电流源时，内阻保持不变；电流源转换成电压源时，内阻也保持不变。注意(1)等效转换时，US 的正极与 IS 的流出端相对应；(2)分析电阻时，电阻不仅局限于电源内阻；(3)电源同等效转换可以简化电路。幻灯片64例电路如图，US1 = 10 V， US2 = 8 V，R1 = R2 = R3 = 2 W，求电阻 R3 中的电流 I3。解用电源变换简化电路将电压源变换成电流源R1 、 R2 不变幻灯片65例电路如图，US1 = 10 V，US2 = 8 V，R1 = R2 = R3 = 2 W，求电阻 R3 中的电流 I3。解将 IS1、IS2合并成一个电流源IS = IS1 + IS2 = (5 + 4)A = 9 A电流源 IS、R 转换成电压源US = RIS = 9 V，R = 1 W 幻灯片66* * 1.12戴维宁定理几个概念：二端网络：具有两个接线端的部分电路;无源二端网络：二端网络内部不含有电源；含源二端网络：二端网络内部含有电源。戴维宁定理:任何一个线性含源二端网络，可以用一个电压源模型(理想电压源 US0 和其内阻 R0 串联的电路)来代替。理想电压源US0 等于该含源二端网络开路时的端电压，电阻 R0 等于该含源二端网络除去电源后(理想电压源用短接线代替，理想电流源用开路代替)在其端口处的等效电阻。幻灯片67* 1.12戴维宁定理图示说明：ab有源二端网络 NRLR2R1R3E+IS对于负载 RL ，有源二端网络相当一个电源，故它可以用电源模型来等效代替。幻灯片68* 1.12戴维宁定理bUS0UR0RL+_+_aINUI线性有源二端网络Nab+RLR0 为有源二端网络所有电源都不作用，从 a 、b 两点看进的等效电阻。 USO 为有源二端网络的开路电压USONab+除去独立电源方法：理想电压源用短接线代替；理想电流源用开路代替。R0N0ab幻灯片69例电路如图 所示，已知 US1 = 10