《电路基础》--教学ppt课件

1 5电路的等效变换 1 1电路和电路模型 1 6直流电路中的几个问题 1 3基尔 第1章电路的基本概念和基本定律 1 4电压源 1 2电路的基本物理量 本章的学习目的和要求 本章内容是贯穿全课程的重要理论基础 要求在学习中给予足够的重视 通过对本章学习 要求理解理想电路元件和电路模型的概念 进一步熟悉电压 电流 电动势和电功率等基本物理量的概念 深刻理解和掌握参考方向在电路分析中的作用 初步理解和掌握基尔霍夫定律的内容及其应用 领会电路等效的概念和掌握电路等效的基本方法 1 1电路和电路模型 电路的概念 由实际元器件构成的电流的通路称为电路 1 电路的组成及其功能 电路通常由电源 负载和中间环节三部分组成 电路的组成 1 电路的组成及其功能 电源 连接导线和其余设备为中间环节 负载 电路的功能 1 电路的组成及其功能 电路可以实现电能的传输 分配和转换 电力系统中 电子技术中 电路可以实现电信号的传递 变换 存储和处理 2 电路模型 实体电路 负载 电源 开关 电路模型 电源 负载 中间环节 用抽象的理想电路元件及其组合 近似地代替实际的器件 从而构成了与实际电路相对应的电路模型 理想电路元件 2 电路模型 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 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 精确 可定量分析和计算 利用电路模型研究问题的特点 2 电路模型 1 电路模型是用来探讨存在于具有不同特性的 各种真实电路中共同规律的工具 2 电路模型主要针对由理想电路元件构成的集总参数电路 集总参数电路中的元件上所发生的电磁过程都集中在元件内部进行 任何时刻从元件两端流入和流出的电流恒等 且元件端电压值确定 因此电磁现象可以用数学方式来精确地分析和计算 3 电路分析基本理论中运用电路模型 其主要任务就是在寻求实际电路共有的一般规律 探讨各种实际电路共同遵守的基本规律时带来方便 检验学习结果 电路由哪几部分组成 各部分的作用是什么 何谓理想电路元件 其中 理想 二字在实际电路的含义 集总参数元件有何特征 学好本课程 应注意抓好四个主要环节 提前预习 认真听课 及时复习 独立作业 还要处理好三个基本关系 听课与笔记 作业与复习 自学与互学 1 电流 1 2电路的基本物理量 电流的大小 稳恒直流情况下 1A 103mA 106 A 109nA 单位换算 电流的方向 习惯上规定以正电荷移动的方向为电流的正方向 电路图上标示的电流方向为参考方向 参考方向是为列写方程式提供依据的 实际方向根据计算结果来定 2 电压 电位和电动势 a 电位V是相对于参考点的电压 参考点的电位 Vb 0 a点电位 Va E IR0 IR b U 电动势E只存在电源内部 其数值反映了电源力作功的本领 方向规定由电源负极指向电源正极 路端电压U 电压的大小反映了电场力作功的本领 电压是产生电流的根本原因 其方向规定由 高 电位端指向 低 电位端 三者的定义式 2 电压 电位和电动势 显然电压 电位和电动势的定义式形式相同 因此它们的单位一样 都是伏特 V 电压等于两点电位之差 三者的区别和联系 Uab Va Vb 电源的开路电压在数值上等于电源电动势 电路中某点电位数值上等于该点到参考点的电压 3 电功和电功率 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 单位 U V I A t s 时 电功W为焦耳 J 若U KV I A t h 时 电功W为度 KW h 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 日常生活中 用电度表测量电功 当用电器工作时 电度表转动并且显示电流作功的多少 显然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 W UIt 3 电功和电功率 单位时间内电流所作的功称为电功率 电功率的大小表征了设备能量转换的本领 P UI I2R U2 R 国际单位制 U V I A 电功率P用瓦特 W 用电器的铭牌数据值称为额定值 额定值指用电器长期 安全工作条件下的最高限值 一般在出厂时标定 额定电功率反映了设备能量转换的本领 例如额定值为 220V 1000W 的电动机 是指该电动机运行在220V电压时 1秒钟内可将1000焦耳的电能转换成机械能和热能 220V 40W 的电灯 表明该灯在220V电压下工作时 1秒钟内可将40焦耳的电能转换成光能和热能 关联和非关联 4 参考方向 关联参考方向 实际电源上的电压 电流方向总是非关联的 实际负载上的电压 电流方向是关联的 因此 假定某元件是电源时 其电压 电流方向应选取非关联参考方向 假定某元件是负载时 其电压 电流方向应选取关联参考方向 非关联参考方向 关于参考方向的有关注意事项 4 参考方向 1 分析电路前应选定电压电流的参考方向 并标在图中 2 参考方向一经选定 在计算过程中不得任意改变 参考方向是列写方程式的需要 是待求值的假定方向而不是真实方向 因此不必追求它们的物理实质是否合理 4 参考方向也称为假定正方向 以后讨论均在参考方向下进行 实际方向由计算结果确定 3 电阻 电抗或阻抗一般选取关联参考方向 独立源上一般选取非关联参考方向 5 在分析 计算电路的过程中 出现 正 负 加 减 及 相同 相反 这几个名词概念时 不可混为一谈 仔细理解下面的例题 图示电路 若已知元件吸收功率为 20W 电压U为5V 求电流I 解 图示电路 已知元件中通过的电流为 100A 电压U为10V 电功率P 并说明元件性质 解 元件吸收正功率 说明元件是负载 例 例 想想 练练 电压 电位 电动势有何异同 电功率大的用电器 电功也一定大 这种说法正确吗 为什么 电路分析中引入参考方向的目的是为分析和计算电路提供方便和依据 思考回答 在电路分析中 引入参考方向的目的是什么 应用参考方向时 你能说明 正 负 加 减 及 相同 相反 这几对名词的不同之处吗 应用参考方向时 正 负 指在参考方向下 电压电流数值前面的正 负号 若参考方向下某电流为 2A 说明其实际方向与参考方向相反 参考方向下某电压为 20V 说明其实际方向与参考方向一致 加 减 指参考方向下电路方程式各项前面的正 负符号 相同 是指电压 电流参考方向关联 相反 指的是电压 电流参考方向非关联 1 几个常用的电路名词 1 3基尔霍夫定律 支路 一个或几个二端元件首尾相接中间无分岔 使各元件上通过的电流相等 m 结点 三条或三条以上支路的汇集点 n 回路 电路中的任意闭合路径 l 网孔 不包含其它支路的单一闭合路径 m 3 l 3 n 2 网孔 2 2 结点电流定律 KCL KCL定律的内容 任一时刻 流入电路中任一结点上电流的代数和恒等于零 数学表达式为 a I1 I2 I3 I4 0 通常规定以指向结点的电流取正 背离结点的电流取负 在此规定下 根据KCL可对结点a列出KCL方程 i 0 任意波形的电流 I 0 稳恒不变的电流 KCL的有关举例与讨论 举例1 整理为i1 i3 i2 i4 可列出KCL i1 i2 i3 i4 0 根据 i t 0 可得KCL的另一种形式 i入 i出 KCL的推广应用 对图示电路的三个结点分别列KCL 即 I 0 IA IB IC 0 可见 在任一瞬间通过任一封闭面的电流的代数和也恒等于零 IA IAB ICA IB IBC IAB IC ICA IBC 把上述三式相加可得 KCL的推广应用 二端网络的两个对外引出端子 电流由一端流入 从另一端流出 因此两个端子上的电流数值相等 只有一条支路相连时 i 0 IA IAB ICA 图示B封闭曲面均可视为广义结点 KCL应用举例 i1 i2 jA jB 右封闭曲面可视为广义节点 举例1 3 回路电压定律 KVL 任一瞬间 沿任一回路参考绕行方向 回路中各段电压的代数和恒等于零 数学表达式为 U 0 基尔霍夫电压定律是用来确定回路中各段电压之间关系的电压定律 回路电压定律依据 电位的单值性原理 其内容 先标绕行方向 根据 U 0 得 U1 US1 U2 U3 U4 US4 0 R1I1 US1 R2I2 R3I3 R4I4 US4 0 R1I1 R2I2 R3I3 R4I4 US1 US4 电阻压降 可得KVL另一形式 IR US 电源压升 KVL定律的第二种形式 根据电路图将各电压改写为 U1 US1 U2 U3 U4 US4 0 把上式加以整理 KVL定律的推广应用 或写作 对假想回路列KVL US IR U 0 U US IR KVL定律的推广应用 UA UB UAB 0 UAB UA UB 对假想回路列KVL 或写作 KVL定律应用举例 根据 U 0对回路 1列KVL方程 电阻压降 电源压升 即电阻压降等于电源压升 1方程式也可用常用形式 对回路 2列KVL常用形式 KVL定律应用举例 此方程式不独立 省略 对回路 3列KVL方程 图示电路KVL独立方程为 KVL方程式的常用形式 是把变量和已知量区分放在方程式两边 显然给解题带来一定方便 基尔霍夫定律应用举例 举例1 求图中电压U和电流I KCL 3 1 2 I 0 I 2A VAR U1 3I 3 2 6V KVL U U1 3 2 0 U 5V 解 基尔霍夫定律应用举例 解 举例2 求图中电位Va Va U1 3V 4 1 3 1V U1 检验学习结果 根据自己的理解说明什么是支路 回路 结点和网孔 某电压或某电流得负值说明什么 基尔霍夫两定律的推广应用如何理解和掌握 1 理想电压源 1 4电压源和电流源 理想电压源的定义 理想电压源的特点 能独立向外电路提供恒定电压的二端元件 恒压不恒流 US恒定 I由电源和外电路共同决定 理想电压源的伏安特性 理想电压源的图符号 平行于电流轴的一条直线 理想电压源的开路与短路 开路 短路 理想电压源不允许短路 理想电压源上的功率计算 关联参考方向下 P发 UI 非关联参考方向下 P发 UI P吸 UI P吸 UI 理想电压源的串联与并联 串联 US USk 电压值相同的电压源才能并联 且每个电源的电流不确定 注意参考方向 US US1 US2 并联 2 理想电流源 理想电流源的定义 理想电流源的特点 能独立向外电路提供恒定电流的二端元件 恒流不恒压 IS恒定 U由电源和外电路共同决定 理想电流源的伏安特性 理想电流源的图符号 平行于电压轴的一条直线 理想电流源的开路与短路 开路 短路 理想电流源输出的电流值恒定 开路时由于理想电流源内阻无穷大 因此其端电压将趋近于无穷大 因此 理想电流源不允许开路 光电池 稳流三极管一般可视为实际电流源 理想电流源的开路与短路 开路 短路 理想电流源输出的电流值恒定 开路时由于理想电流源内阻无穷大 因此其端电压将趋近于无穷大 因此 理想电流源不允许开路 光电池 稳流三极管一般可视为实际电流源 理想电流源的串联与并联 并联 IS ISk 注意参考方向 IS IS1 IS2 IS3 电流相同的理想电流源才能串联 且每个恒流源的端电压均由它本身及外电路共同决定 串联 Is Is2 Is1 在电路等效的过程中 与理想电压源相并联的电流源不起作用 与理想电流源相串联的电压源不起作用 3 实际电源的两种电路模型 若实际电源输出的电压值变化不大 可用电压源和电阻相串联的电源模型表示 即实际电源的电压源模型 若实际电源输出的电流值变化不大 则可用电流源和电阻相并联的电源模型表示 即实际电源的电流源模型 两种实际电源模型的外特性 电压源模型外特性 US IS 电流源模型外特性 实际电源总是存在内阻的 若把电源内阻视为恒定不变 则电源内部 外部的消耗就主要取决于外电路负载的大小 在电压源形式的电路模型中 内外电路的消耗是以分压形式进行的 在电流源形式的电路模型中 内外电路的消耗是以分流形式进行的 检验学习结果 1 理想电压源和理想电流源各有什么特点 它们与实际电源的主要区别在哪里 2 碳精送话器的电阻随声音的强弱变化 当电阻阻值由300 变至200 时 假设由3V理想电压源对它供电 电流变化为多少 3 实际电源的电路模型如课本上图1 13 a 所示 已知电源为20V 负载电阻为50 当内阻分别为0 2 和30 时 流过负载的电流各为多少 由计算结果可说明什么问题 4 当电流源内阻很小时 对电路有什么影响 1 电阻之间的等效变换 1 5电路的等效变换 即 R R1 R2 串联电路电阻等效是 和 的关系 即 并联电路电阻等效是 倒数和的倒数 关系 电阻的混联电路求解举例 已知图中U 12V 求I 解 R 6 1 3 6 2K I U R 12 2 6mA Y形网络与 形网络之间的等效 Y网络与 网络等效举例 求RAB 解 无论是Y电阻网络还是 电阻网络 若3个电阻的阻值相同 其等效电阻网络中3个电阻的阻值也相等 有 RAB 50 50 150 50 150 150 2 电源之间的等效变换 Us IsR0 内阻不变改并联 两种电源模型之间等效变换时 内阻不变 内阻不变改串联 利用电源之间的等效简化电路举例 I 0 5A 即 U 8 2 5 20V 求I 求U 注意对以下问题的理解 等效条件 对外部等效 对内部不等效 理想电源之间不能等效互换 实际电源模型之间可以等效变换 实际电源模型等效变换时应注意等效过程中参数的计算 电源数值与其参考方向的关系 电阻之间等效变换时一定要注意找对结点 这是等效的关键 与理想电压源并联的支路对外可以开路等效 与理想电流源串联的支路对外可以短路等效 1 电路中各点电位的计算 1 6直流电路中的几个问题 电路中某一点的电位是指由这一点到参考点的电压 原则上电路参考点可以任意选取 通常可认为参考点的电位为零值 Va US1 Vc US2 Vb I3R3 若以d为参考点 则 US1 US2 简化电路 US1 电位的计算应用举例 解 举例1 分别以A B为参考点计算C和D点的电位及UCD VC 3 3 9V VD 3 2 6V 以B为参考点时 VD 5V VC 10V UCD VC VD 15V UCD VC VD 15V 以A为参考点时 电位的计算应用举例 举例2 下图所示电路 求S打开和闭合时a点电位各为多少 I 12 12 6 4 20 0 8mA Va 12 0 8 20 4V I I 12 20 4 0 5mA Va 0 5 4 2V 解 S断开时 图中三个电阻为串联 S闭合时 等效电路如下图所示 2 电桥电路 电桥电路是一个复杂电路 如图所示 电桥电路中的电阻R1 R2 R3 R4称为电桥电路的4个桥臂 R构成了桥支路 接在a b两结点之间 含有内阻的电源接在c d两个结点之间 一般情况下 a b两点的电位不相等 R所在的桥支路有电流通过 若调整R1 R2 R3和R4的数值满足对臂电阻的乘积相等时 a b两点就会等电位 则桥支路中无电流通过 这时我们称电桥达到 平衡 平衡电桥如图所示 2 电桥电路 实际应用中 常常利用平衡电桥测量电阻 惠斯登电桥就是应用实例 桥臂中有一个为待测电阻Rx 其余三个桥臂中有两个数值已知 组成比率臂 另一个和待求电阻Rx构成另一对桥臂 桥支路接一检流计 接电源后 调整桥臂数值 让检流计的计数为零 此时再根据其余三个桥臂的数值算出Rx的数值 Rx R2R3 R1 2 电桥电路 电桥平衡时显然是一个简单电路 直流电桥按其功能可分为直流单臂电桥和直流双臂电桥 其中直流单臂电桥主要适合精确测量1 以上的电阻 所以使用比较广泛 在实验中 电桥是否平衡对测量结果影响非常大 电桥的平衡依赖于对检流计示零的判断 3 负载获得最大功率的条件 当第二项中的分子为零时 分母最小 此时负载上获得最大功率 最大功率为 4 受控源 定义 受控源的电压或电流不象独立源是给定函数 而是受电路中某个支路的电压 或电流 的控制 电路图符号 前面所讲的独立源 向电路提供的电压或电流是由非电能量提供的 其大小 方向由自身决定 受控源的电压或电流不能独立存在 而是受电路中某个电压或电流的控制 受控源的大小 方向由控制量决定