1电路的基本概念和基本定律.ppt

张冬梅 我的联系电话dm19630810 实验 各班课代表找李虹老师联系具体实验时间和实验内容 联系电话电能的优点 带着思考听课 看书 写作业 做笔记 学习本课程的目的 学习要求 为今后从事工科各专业的学习和工作打下必备的基础 电能的优点 易转换输送经济 分配方便控制测量迅速而准确能以电磁波的形式在空间传播 第1章电路的基本概念与基本定律 1 1电路和电路模型 1 2电路中的基本物理量 1 3R L C元件 1 4电压源和电流源 1 5基尔霍夫定律 1 6电路的工作状态 重要 本章要求 1 理解电压与电流参考方向的意义 2 理解电路的基本定律并能正确应用 3 了解电路的有载工作 开路与短路状态 理解电功率和额定值的意义 4 会计算电路中各点的电位 第1章电路的基本概念与基本定律 1 1电路的作用与组成部分 电路是电流的通路 是为了某种需要由电工设备或电路元件按一定方式组合而成 要求 不失真 例 扩音机 话筒 放大器 扬声器 1 进行能量的转换 传输和分配 2 实现信号的传递 存储和处理 1 电路的主要功能 作用 要求 减小损耗 提高效率例 电力系统 发电 变电 输电 配电 用电的整体 问题 为什么要高压送电 10 20KV 教学楼 50KV110KV220KV330KV500KV 50KV220KV 10KV 380 220V 电力系统 发电 变电 输电 配电 用电的整体 2 电路的组成部分 电源 提供电能的装置 负载 取用电能的装置 中间环节 传递 分配和控制电能的作用 电力网 激励 响应 直流电源 提供能源 信号处理 放大 调谐 检波等 负载 信号源 提供信息 2 电路的组成部分 电源或信号源的电压或电流称为激励 它推动电路工作 由激励所产生的电压和电流称为响应 用于分析计算的电路图形 由理想电路元件构成的模型 忽略次要因数 突出其主要因数的元件 电流的通路 电路 由电气元件组成 并进行着能量形式转换 电能的传输和分配过程 实际电路 电路模型 简称电路 激励 输入 响应 输出 建模 1 1 2电路模型 手电筒的电路模型 电池 导线 灯泡 开关 电池是电源元件 其参数为电动势E和内阻Ro 灯泡主要具有消耗电能的性质 是电阻元件 其参数为电阻R 筒体用来连接电池和灯泡 其电阻忽略不计 认为是无电阻的理想导体 开关用来控制电路的通断 今后分析的都是指电路模型 简称电路 在电路图中 各种电路元件都用规定的图形符号表示 电压和电流的参考方向 物理中对基本物理量规定的方向 1 电路基本物理量的实际方向 问题的提出 在复杂电路中难于判断元件中物理量的实际方向 电路如何求解 Uab Va Vb 电流方向A B 电流方向B A 电流的方向 正电荷运动的方向 电压的方向 电位降的方向 电动势的方向 电位升的方向 人为规定的方向 只有设定了参考方向电压 电流才有正负之分 任意假设的 关联参考方向 非关联参考方向 电压 电流参考方向一致 电压 电流参考方向相反 2 参考方向 问题 参考方向不同会不会使得结果不同呢 设E 4V R 2 求U I R上电压大小为4V 流过电流大小为2A 习惯取法 负载取关联参考方向 电源取非关联参考方向 实际 U 4 I 2A 结论 任意选择参考方向 结果可能出现正 负号 但实际方向是一致的 电压的参考方向 极性 假定的电压正方向 u 0 电压参考方向的标注方式 用参考极性表示 用箭头表示 用双下标表示 例 在图 a 电路中 Uab 5V 问a b两点哪点电位高 在图 b 电路中 U1 6V U2 4V 问Uab 解 在图 a 电路中 Va Vb 在图 b 电路中 Uab U1 U2 10V 2 参考方向的表示方法 电流 电压 1 参考方向 在分析与计算电路时 对电量任意假定的方向 电路基本物理量的参考方向 实际方向与参考方向一致 电流 或电压 值为正值 实际方向与参考方向相反 电流 或电压 值为负值 3 实际方向与参考方向的关系 注意 在参考方向选定后 电流 或电压 值才有正负之分 若I 5A 则电流从a流向b 例 若I 5A 则电流从b流向a 若U 5V 则电压的实际方向从a指向b 若U 5V 则电压的实际方向从b指向a 欧姆定律 U I参考方向相同时 U I参考方向相反时 表达式中有两套正负号 式前的正负号由U I参考方向的关系确定 U I值本身的正负则说明实际方向与参考方向之间的关系 通常取U I参考方向相同 U IR U IR 解 对图 a 有 U IR 例 应用欧姆定律对下图电路列出式子 并求电阻R 对图 b 有 U IR 电路端电压与电流的关系称为伏安特性 遵循欧姆定律的电阻称为线性电阻 它表示该段电路电压与电流的比值为常数 线性电阻的概念 线性电阻的伏安特性是一条过原点的直线 补 电路中电位的概念及计算 电位 电路中某点至参考点的电压 记为 VX 通常设参考点的电位为零 1 电位的概念 电位的计算步骤 1 任选电路中某一点为参考点 设其电位为零 2 标出各电流参考方向并计算 3 计算各点至参考点间的电压即为各点的电位 某点电位为正 说明该点电位比参考点高 某点电位为负 说明该点电位比参考点低 2 举例 求图示电路中各点的电位 Va Vb Vc Vd 解 设a为参考点 即Va 0V Vb Uba 10 6 60VVc Uca 4 20 80VVd Uda 6 5 30V 设b为参考点 即Vb 0V Va Uab 10 6 60VVc Ucb E1 140VVd Udb E2 90V b a Uab 10 6 60VUcb E1 140VUdb E2 90V Uab 10 6 60VUcb E1 140VUdb E2 90V 结论 1 电位值是相对的 参考点选取的不同 电路中各点的电位也将随之改变 2 电路中两点间的电压值是固定的 不会因参考点的不同而变 即与零电位参考点的选取无关 借助电位的概念可以简化电路作图 例1 图示电路 计算开关S断开和闭合时A点的电位VA 解 1 当开关S断开时 2 当开关闭合时 电路如图 b 电流I2 0 电位VA 0V 电流I1 I2 0 电位VA 6V 电流在闭合路径中流通 例2 电路如下图所示 1 零电位参考点在哪里 画电路图表示出来 2 当电位器RP的滑动触点向下滑动时 A B两点的电位增高了还是降低了 解 1 电路如左图 零电位参考点为 12V电源的 端与 12V电源的 端的联接处 当电位器RP的滑动触点向下滑动时 回路中的电流I减小 所以A电位增高 B点电位降低 2 VA IR1 12VB IR2 12 1 2电路中的基本物理量 电流 带电粒子有规律的运动形成电流 电流的大小定义为 单位时间内通过导体截面积的电荷量 电流强度的单位是安培 A 对直流 I Q t 习惯上将正电荷运动的方向规定为电流的方向 电压和电位 单位正电荷从a点移到b点时电场力作的功称为ab两点间的电压如将电荷dq从a点移到b点时电场力作的功为dW 则 对直流 Uab W Q 电压的单位是伏特 V 在电路中任取一点O作为参考点 则由某点a到参考点的电压Uao称为a点的电位Va 在一个连通的系统中 只能选择一个参考点 参考点的电位等于零 参考点用接地符号 表示 例 设Va 0 求各点电位及Uab 解 Uac Va Vc 100 Vc 100V Ucd Vc Vd 15 Vd Vc Ucd 100 15 115V Udb Vd Vb 80 Vb Vd Udb 35V Uab Va Vb 0 35 35V Uab Uac Ucd Udb 100 15 80 35V 电压的方向为正电荷电势能降低的方向 实际方向由高电位点指向低电位点 即电位降低的方向 电压Uab可表示为 关联参考方向 同一元件的电压参考方向和电流参考方向取为一致 电流从电压的正极流向负极 电场力作功 电势能减少 电功率和电能 功率的定义为单位时间内能量的变化 dq 元件A的电功率为 若u i互为异号 则p 0 表明元件释放功率或提供功率 若电路中的电压与电流为非关联参考方向 则 对直流电路 在关联参考方向下 在国际单位制中 功率的单位是瓦特 W 例在图1 2 5所示电路中 已知I 2A U1 4V P2 16W U3 6V 求P1 P3 U2及整个电路的总功率 解 元件1的电压 电流为关联参考方向 P1吸收 U1I 4 2 8W 元件2和元件3的电压和电流为非关联参考方向 P3释放 U3I 6 2 12W 整个电路的总功率为 P P1 P2 P3 8 16 12 12W 吸收功率 直流时为W P t t0 国际单位制中 电能的单位是焦耳 J 实用的电能单位为千瓦小时 kwh 简称一度电 电能 1kwh 103W 3600s 3 6 106J 一 线性电阻元件 电阻单位 欧姆 定义 电导G 1 RG单位 西门子 S 欧姆定律 u i关联参考方向u Ri u i非关联参考方向u Ri 1 3R L C元件 1 3 2电感元件 电感元件是一种能够贮存磁场能量的元件 电路符号 Li L为电感参数 Inductance 单位 亨利 H 伏安关系 只有电感上的电流变化时 电感两端才有电压 在直流电路中 电感上即使有电流通过 但u 0 相当于短路 储能元件 磁化曲线 起始段 磁导率较小 线性区 磁导率大且不变 饱和区 Li i 线圈在铁磁材料的非饱和状态下工作 L近似不变 磁滞现象与磁滞回线 电流强度i缓慢地循环变化 i曲线是一封闭曲线 磁滞回线剩磁 r i r 1 3 3电容元件 Capacitor 伏安关系 电路符号 C为电容参数 表征电容储存电荷的能力 单位是法拉 F 电容元件是一种能够储存电场能量的元件 q Cu i du dt 只有电容上的电压变化时 电容两端才有电流 在直流电路中 电容上即使有电压 但i 0 相当于开路 即电容具有隔直作用 伏安关系 UC 0 为初始时刻t 0时电容的初始电压 反映t 0前 历史 中电容电流的积累效应 电容对它的电流具有记忆能力 电容元件中的电场能量 电容元件储存的电场能量只和考察时刻它的端电压数值有关 1 独立电压源 特点 1 任何时刻 电压源两端电压始终不变 大小 方向 2 电压源的电流随外电路改变而改变 其大小由电压源电压和外电路共同决定 理想电压源 电压源 1 4电压源及电流源 理想 理想电流源 特点 1 任何时刻 电流源的电流始终不变 大小 方向 2 电流源的两端电压随外电路改变而改变 其大小由电流源电流和外电路共同决定 2 独立电流源 例 电路如图所示 其中is 2A us 10V 1 求2A电流源和10V电压源的功率 2 如果要求2A电流源的功率为零 在AB线段内应插入何种元件 分析此时各元件的功率 3 如果要求10V电压源的功率为零 在BC间应插入何种元件 分成此时各元件的功率 解 1 2A电流源发出的功率 10V电压源吸收的功率 2 若要2A电流源的功率为零 则需使其端电压为零 在AB线段内插入与us电压源方向相反数值相等的电压源us 如图a所示 分析此时电压源的功率pis 0 插入的电压源发出的功率pus 20W 原来的电压源吸收的功率pus 20w 3 若要10V电压源的功率为零 则需要使流经电压源的电流为零 在BC间并联电流源is 其方向与is电流源的方向相反 数值相等如图b所示 或并联R us is 5 的电阻如图c所示 在图 C 中 流经电阻的电流为iR us R 2A 由KCL可知 流经电压源us的电流为零 因此 us的功率为零 此时原发出功率pis usis 20W 并入的电阻R消耗功率pR us2 R 20W 1 5基尔霍夫定律 参考电位点 参考结点 名词 支路 电路中流过同一电流的分支 结点 节点 连接三条以上支路的点 回路 电路中任一闭合路径 假如规定 i流出结点为正 流入结点为负 在集总电路中任何时刻 流入任意结点的电流之和等于流出该结点的电流之和 重要 一 基尔霍夫电流定律 KCL 如图所示电路 已知i1 i2 i6 求i3 i4 i5 解 结论 基尔霍夫定律不仅适用于结点 也适用于闭合面 推广的KCL 任何时刻 流入任意闭合面的电流之和等于流出该闭合面的电流之和 例1 电流定律可以推广应用于包围部分电路的任一假设的闭合面 2 推广 I 例 广义结点 I 0 IA IB IC 0 在集总电路中 任何时刻 沿任一回路循行一周 回路中各段电压的代数和等于零 给定回路绕向规定 电压与回路绕向一致为正 与回路绕向相反为负 或反之 二 基尔霍夫电压定律 KVL 如图 已知u1 u3 1V u2 4V u4 u5 2V 求ux u6 解 对 回路有 对 回路有 例1 4 如图所示电路中 R1 1 R2 2 R3 3 US1 3V US2 1V 求电阻R1两端的电压U1 解 对 结点有 对 回路有 对 回路有 例1 5 如图 已知R1 0 5k R2 1k R3 2k uS 10V 电流控制电流源的电流iC 50i1 求电阻R3两端电压u3 解 例1 6 求图中I US R 解 I 6 5 1AIR 15 1 14A I1 12 6 18A I3 18 15 3A US 3I1 12I3 0US 90V US 3I1 15 1 UR 0UR 21VR 1 5 补充例 电桥是将电阻 电感 电容等参数的变化转变为电压或电流变化的一种测量电路 案例 传感器是将一种被测物理量转换为与之对应的 容易检测 传输或处理的信号装置 它类似于人的感觉器官 案例 如图是电阻应变器中测量电桥的原理图 RX是电阻应变片 粘附在被测零件上 当零件伸长或缩短时 RX的阻值随之改变 这反映在U0上 测量前RX 100 R R 200 R 100 这时满足电桥平衡条件 U0 0 在进行测量时 如果测出 1 U0 1mv 2 U0 1mv 试计算两种情况下的 RX 特征 开关断开 1 6 1开路 1 开路处的电流等于零 I 02 开路处的电压U视电路情况而定 电路中某处断开时的特征 1 6电路的工作状态 电源外部端子被短接 1 6 2短路 1 短路处的电压等于零 U 02 短路处的电流I视电路情况而定 电路中某处短路时的特征 开关闭合 接通电源与负载 负载端电压 U IR 特征 1 6 3 负载状态 电流的大小由负载决定 在电源有内阻时 I U 或U E IR0 当R0 R时 则U E 表明当负载变化时 电源的端电压变化不大 即带负载能力强 开关闭合 接通电源与负载 负载端电压 U IR 特征 电流的大小由负载决定 在电源有内阻时 I U 或U E IRo UI EI I Ro P PE P 负载取用功率 电源产生功率 内阻消耗功率 电源输出的功率由负载决定 负载大小的概念 负载大小是指负载取用电功率的大小 电源与负载的判别 U I参考方向不同 P UI 0 电源 P UI 0 负载 U I参考方向相同 P UI 0 负载 P UI 0 电源 1 根据U I的实际方向判别 2 根据U I的参考方向判别 电源 U I实际方向相反 即电流从 端流出 发出功率 负载 U I实际方向相同 即电流从 端流出 吸收功率 例 已知i 1A u1 3V u2 7V u3 10V 求ab bc ca三部分电路吸收的功率P1 P2 P3 解 吸收3W 吸收7W 实际发出10W 功率平衡 电气设备的额定值 额定值 电气设备在正常运行时的规定使用值 电气设备的三