电路及其基本物理量.pptx

卢新文1 1电路及其基本物理量 1 掌握电路的基本组成 2 了解电路的主要功能 3 掌握汽车电路的组成和基本特点 4 学会汽车照明灯电路的制作方法 学习目的 电路及其基本物理量 1 1 1电路概述1 1 2电路的基本物理量1 1 3电路的开路和短路 1 电路 1 定义电流所流经的路径称为电路 1 1 1电路概述 图1 1电路 1 5v 电力电路 强电电路 交流电的传输与转换 电灯电动机电炉 用户 电路可以实现电能的传输 分配和转换 电力系统中 2 电路的功能 信道 通信系统原理框图 信号电路 弱电电路 发信源 收信者 电子技术中 电路可以实现电信号的传递 存储和处理 3 组成 通常总是由电源 负载和中间环节 导线和开关 等基本部分组成 将电能转化为其他形式能量的装置 用于传输和分配电能 控制装置 导线 图1 2 12v 2 汽车电路的基本组成及特点 a 闭合电路 灯亮b 断开电路 灯灭 1 电源 2 负载 3 导线 4 保护装置 5 控制装置 组成 汽车电路的特点 1 低压直流供电 2 单线制 3 负极搭铁 4 用电设备并联 电阻元件只具耗能的电特性 电容元件只具有储存电能的电特性 理想电压源输出电压恒定 输出电流由它和负载共同决定 理想电流源输出电流恒定 两端电压由它和负载共同决定 电感元件只具有储存磁能的电特性 无源二端元件 有源二端元件 3 理想元件和电路模型 电路 1 理想元件是指只有一种电磁性质的假想元件 基本的理想元件有如下五种 电感元件是具有将电能转换成磁场能并储存起来性质的假想元件 其性质用参数l表示 电容元件是具有将电能转换成电场能并储存起来性质的假想元件 其性质用参数c表示 电阻元件r是具有消耗电能性质的假想元件 理想电流源is的输出电流恒定不变 也称为恒流源 理想电压源e或us的输出电压恒定不变 也称为恒压源 白炽灯的电路模型可表示为 实际电路器件品种繁多 其电磁特性多元而复杂 采取模型化处理可获得有意义的分析效果 如 r l 消耗电能的电特性可用电阻元件表征 产生磁场的电特性可用电感元件表征 由于白炽灯中耗能的因素大大于产生磁场的因素 因此l可以忽略 理想电路元件是实际电路器件的理想化和近似 其电特性单一 确切 可定量分析和计算 白炽灯电路 电源 负载 实体电路 中间环节 与实体电路相对应 由理想元件来代替实际电路元件构成的电路图 称为实体电路的电路模型 或电路 用统一规定的图形符号画出的电路模型图称为电路图 今后分析电路就是指电路模型 电路模型 负载 电源 开关 2 电路模型 或电路图 图1 1汽车行李厢照明电路简图 电路模型图即电路模型 或电路 4 电路中的电气图形符号 1 1 2电路的基本物理量 1 电流 正电荷移动的方向为电流的实际方向 电流的形成图1 10 电流 带电粒子的定向运动 1 电流的形成 电荷的定向运动形成电流 规定正电荷运动的实际方向为电流的方向 电路中产生电流的条件 电路必须是闭合回路 电路中必须要有电源 电流强度 i 度量电流强弱的物理量 其数值 单位时间内通过导体某一横截面的电荷量 工程上简称电流 通过电荷量 单位时间 直流 当dq dt 常数时 称恒定电流 交流 直流 2 电流定义 3 单位 a还有ma a ka 电流单位 时间 单位 直流电流 凡大小和方向都不随时间变化的电流 称为直流电流 简称直流 dc 直流电流 凡大小和方向都不随时间变化的电流 称为直流电流 简称直流 dc 4 电流分类 直流电流 凡大小和方向都不随时间变化的电流 称为直流电流 简称直流 dc 交流电流 凡大小和方向都随时间变化的电流 其中一个周期内电流的平均值为零的变动电流称为交变电流 简称交流 ac 0 图1 11 图1 12 5 电流的方向 实际方向正电荷运动的实际方向 电流的正方向 参考方向 是假设的方向 参考方向可以任意选定 电流的参考方向 也称正方向 电流值的正值与电流值的负值选定之后 电流的值才有正负之分 实际方向与参考方向一致 电流值为正值 实际方向与参考方向相反 电流值为负值 在分析电路时 先假定参考方向 据此进行计算 再从结果的正负值确定实际方向 今后 电路图上标的电流方向均为参考方向 箭标 图1 15电流的参考方向 因为有些电路中很难直接判定电流方向 如下图b中电阻r中的电方向 另外交流电路中 电流是随时间变化的 所以需引入参考方向i 电流参考方向表示方法 图1 13 除了用箭头来表示电流的参考方向外 还可用双下标表示 如iab表示电流参考方向从a指向b 2 单位 3 方向 1 电压的实际方向 习惯上规定从高电位点指向低电位点 即电压降的方向 电压参考方向是假设的方向 可以任意选定 为了方便 常和电流取一致的参考方向 称为关联参考方向 否则为非关联方向 实际方向与参考方向一致 电压值为正值 实际方向与参考方向相反 电压值为负值 2 电压参考方向表示方法3种 双下标uab 极性 箭头 在参考方向选定后 电压值才有正负之分 伏特 v 千伏 kv 毫伏 mv 微伏 v 参考方向 参考方向 a u 0 b u 0 a 中 电压电流关联参考方向 图 b 中 u与i参考方向不一致 则u ri 图1 18 u r 图u与i参考方向一致 则u ri 图1 17 3 电位 电位是度量电路中各点所具有的电位能大小的物理量 电位 电场力将单位正电荷从该点移到参考点所做的功 电位实际上就是电路中某点至参考点之间的电压 通常设参考点的电位为零 两点之间的电位之差即等于电路中任意两点之间的电压 uab va vb 1 电位概念 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 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 电位的计算 1 计算步骤 任选电路中某一点为参考点 常选大地为参考点 设其电位为零 电力系统中 通常以大地作为参考点 电子电路中 一般选择电子设备的金属机壳或某公共点作为参考点 通常汽车中的搭铁点就是电路的参考点 电路中任一点的电位就是相对于搭铁点的电压 参考点的电位为零 用符号 表示 标出各电流参考方向并计算某点电位为正 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 计算各点至参考点间的电压 即为各点的电位 电路的参考点确定后 某一点的电位即是该点到参考点的电压 计算过程中 电动势e由低电位指向高电位 对于电阻 电流从高电位流入 从低电位流出 两点之间电压的实际方向是由高电位点指向低电位点 所以电压也常称为电压降 图1 19电压与电动势 例1 1 如图1 20所示电路 若选择o点为电位参考点 求a b两点的电位 若选择b点为电位参考点 则求a o两点的电位 图1 20电压与电位分析 解 1 若选择o点为电位参考点 则vo 0vvb ubo 7va uab vb 3v 7v 10v 2 若选择b点为电位参考点 则vb 0vva uab 3vvo uob ubo 7v 图a 选择o点作参考点 uab va vb 2v va va vo vao 1v vb vb vo vbo vob 1v 练习 图1 22 图b 选择b点作参考点 则vb 0 uab va vb 2v vb vb va uba uab 2v uab va vb 2v 图c 选择a点作参考点 va 0 则 计算 则vo 0 4 电动势 1 定义 移动到b极的正电荷借助外力回到a极板 为维持导线中的电流 保持电源两极间一定的电压 需借助外力使移动到负极的正电荷经过另一路径回到正极板 这种克服电场力作功的外力称为电源力 电动势 图1 23 2 单位伏特 v 千伏 kv 毫伏 mv 微伏 v 3 方向 电动势的实际作用方向 从低电位端指向高电位端 是电位升的方向 电动势数值 单位正电荷增加的位能 参考方向 用箭头 双下标或极性 表示 4 公式 eba va vb 电流 电压 电动势方向 电流 电压 电动势 箭标 5 电功和电功率 一 电功电流能使电动机转动 电炉发热 电灯发光 说明电流具有做功的本领 电流做的功称为电功 电流做功的同时伴随着能量的转换 因此电功的大小可以用能量来量度 即 w uit 1 5 式中单位 u v i a t s 时 电功w为焦耳 j 1度电的概念 1000w的电炉加热1小时 100w的灯泡照明10小时 40w的灯泡照明25小时 在电压和电流的关联方向下 任何时刻线性电阻元件吸收的功率为 1 13 同样 在电压和电流非关联方向下 任何时刻线性电阻元件吸收的功率为 1 14 二 负载的电功率 国际单位制 u v i a 电功率p用瓦特 w 日常生活中 家用电度表就是用来测量电功的装置 只要用电器工作 电度表就会转动并且显示电流作功的多少 即电功的大小不仅与电压 电流的大小有关 还取决于用电时间的长短 电功 直流电路最大功率传输原理 左图所示的闭合全电路中 电流为 负载上获得的功率为 将式子整理为 由此式能看出负载上获得最大功率的条件吗 获得最大功率时的条件 功率计算公式 三 能量守恒 电源产生的功率 负载 导线及电源内阻消耗的功率 p pe u e 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 单位 千瓦 kw 瓦 w 毫瓦 mw 电功 t时间内 电场力 或电源力 做的功 用wr 或we 表示 四 功率及其计算 1 实际方向下功率的计算 根据电压定义 单位时间内电场力 或电源力 所做的功称为电功率 用pr 或pe 表示 根据电动势定义 电阻的功率 电源的功率 功率单位 瓦 w 千瓦 kw 毫瓦 mw 电功单位 焦 j 千瓦 时 kw h 1kw h 3 6 106j 2 参考方向下功率的计算 u i参考方向相同时u i参考方向相反时 p 0元件吸收功率 是负载 p 0元件发出功率 是电源 正负值的意义 图1 24 3 电流的热效应 电流的热效应 电流通过金属导体会发热的现象 电流热效应的存在容易使导线发热 老化绝缘外皮 严重时引起漏电或短路事故 电流热效应应用广泛 汽车上的照明灯 熔断器 双金属片式断路器 电热式机油压力表和水温表的指针偏转等 焦耳定律 如果电阻元件把接受的电能转换成热能 则从t0到t时间内 电阻元件的热 量 q 也就是这段时间内接受的电能w为 若电流不随时间变化 以上两式称为焦耳定律 焦耳定律 电流通过金属导体产生的热量q与电流的平方i2 导体电阻r以及通电时间t成正比 焦 j 1 1 3电路的开路和短路 电路的三种工作状态三种状态 用u1表示电源的端电压uab 用u2表示负载的端电压ucd 图1 27 1 1 3电路的开路和短路 图1 28电路的开路状态 空载电压或开路电压 1 原因 2 特征 开路状态又称断路或空载状态 开关断开或连接导线松脱 1 电流i 0 2 电源的端电压 电源的电动势 u1 e r0i e 3 电源的输出功率p1和负载所吸收的功率p2均为0 电源对外不输出电流 1 开路状态 p1 u1i 0 p2 u2i 0 开路可以分为控制性开路和故障性开路 控制性开路是利用开关将处于通路状态的电路断开 故障性开路是一种突发性 意想不到的断路状态 例如 在汽车电路中 电源与负载之间的连接线松脱 负载与导体的金属部分接触不良 都会引起断路故障 所以在接线时要牢固可靠 尽量避免断路故障发生 在汽车电路发生断路故障时 通常用试灯或万用表 直流电压挡 去寻找电路的断路点 方法 将试灯一端 或电压表负表笔 接在电源负极 另一端依次触及电路接线点a b c d 如果灯亮说明此接线点至电源正极间无断路 如果灯不亮说明此接线点与前一接线点间有断路 用这种办法逐步缩小查找范围 直至找到断路点 图1 29 2 短路状态 1 原因短路可能发生在电源上 也会发生在负载上 当电源两端输出端钮a b由于导线绝缘损坏 操作不慎等原因相接触时 电源被短路 2 特征1 电源中的电流最大 外电路输出电流为0 2 电源和负载的端电压均为0 被接通的两端电压为零 u1 e r0isc 0 短路电流 图1 31 短路 电路的任意两端被导体接通时的状态 短路除了有害的一面以外 还有有利的一面 在汽车上利用短路法能快速的找到故障点 若按下起动按钮 起动机不转 经查电源 熔断器fu及搭铁线均无故障 于是就可采用短接法查找故障所在位置 汽车起动系统原理图 图1 32 电路的一般工作状态 1 电路中的电流为 2 电源的端电压为 u1 e r0i 3 电源的输出功率 pe u1i e r0i i ei r0i2 当e r0一定时 输出功率并不恒定 输出功率与电源有关 还决定于负载的大小 电流由负载电阻r的大小决定 电源输出的功率由负载决定 3 通路状态 特征 电源输出的功率由负载决定 负载大小的概念 负载增加指负载取用的电流和功率增加 电压一定 而不是电阻增大 i e r0 r 1 空载电压 u0 2