第1章直流电路课件分解.ppt

第1章直流电路,1.1电路的基本概念及欧姆定律,1.2独立电源与受控电源,1.3基尔霍夫定律,1.4电路运行状态,1.5叠加定理和戴维南定理,1.1电路的基本概念及欧姆定律,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。,1.1.1电路模型，理想电路元件,电路实物图,电路原理图,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。,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。,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。,传递信号、传输电能。,负载：,电源：,连接导线：,电路由哪几部分组成？试述电路的功能？,为何要引入参考方向？参考方向和实际方向有何联系与区别？,何谓电路模型？,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。,电源,负载,负载,实体电路,S,中间环节,电路模型,与实体电路相对应的电路图称为实体电路的电路模型。,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,实际电器的模型是在一定的条件下形成的。,例如：一个由导线绕制的线圈就有几种模型形式。,实际线圈,理想线圈模型,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,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,理想电路元件分有无源和有源两大类,无源二端元件,有源二端元件,电路的作用,1.电能传输与转换。,2.信号的传递与处理。,电路的基本组成,以手电筒为例,包括:,电源:电池,提供能量。,负载:电珠,把电能转化为其他形式的能量(光能)。,开关:控制电路通或断。,导线:筒体,输送和分配电能。,1.1.2电流，电压，电位，电功率的物理意义及计算,1电流,2电压,3电位,4电功率,大写I表示直流电流，小写i表示电流的一般符号,电流强度等于单位时间内通过导体横截面的电荷量。,电流的单位及换算：1A=103mA=106A=109nA,电荷的定向移动形成电流。,电流的大小用电流强度表示，简称电流。,1电流,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。,参考方向可以任意规定。,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。,电流的强弱(或大小)：,电流的单位是安(A)；毫安(mA)、微安(A),1A=103mA=106A,交流电的实际方向随时间而变，必须规定电流的参考方向。,直流情况下,高中物理课对电压的定义是：电场力把单位正电荷从电场中的一点移到另一点所做的功。其表达式为：,注意：变量用小写字母表示，恒量用大写字母表示。,1V=103mV=103KV,电工技术基础问题分析中，通常规定电压的参考正方向由高电位指向低电位，因此电压又称作电压降。,从工程应用的角度来讲，电路中电压是产生电流的根本原因。数值上，电压等于电路中两点电位的差值。即：,2电压,维持某种电路中的电流，必须在它的两端保持电压；,两种不同极性的电荷分离，电荷之间便产生了电压。,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。,电压的实际方向规定由电位高处指向电位低处。可任选一方向为电压的参考方向,例：当ua=3Vub=2V时,u1=1V,最后求得的u为正值，说明电压的实际方向与参考方向一致，否则说明两者相反。,u2=1V,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。,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。,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。,*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0V。,电位的计算,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=10V，R1=R2=2，求各点电位。,电压等于电位差,例如，Uab=Va-Vb=5V,解该电路c点是零电位点I=2.5A，Va=Uac=10V，Vb=Ubc=5V，Vc=Vd=0V,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),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。,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)。,1度=1KWh=1KVAh,电能,电能的转换是在电流作功的过程中进行的。因此，电流作功所消耗电能的多少可以用电功来量度。电功：,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的电灯照明10小时；,40W的电灯照明25小时。,计数器,铝转盘,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,2500r/kWh表示消耗1千瓦时(1度)电能，铝转盘转过2500转。,例额定功率120W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？,4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),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220V，电流5A的电炉功率为多大？,解P=UI=2205W=1100W,=1.1kW,电功率反映了电路元器件能量转换的本领。如100W的电灯表明在1秒钟内该灯可将100J的电能转换成光能和热能；电机1000W表明它在一秒钟内可将1000J的电能转换成机械能。,通常情况下，用电器的实际功率并不等于额定电功率。当实际功率小于额定功率时，用电器实际功率达不到额定值，当实际功率大于额定功率时，用电器易损坏。,用电器额定工作时的电压叫额定电压，额定电压下的电功率称为额定功率；额定功率通常标示在电器设备的铭牌数据上，作为用电器正常工作条件下的最高限值。,右下图电路，若已知元件吸收功率为20W，电压U=5V，求电流I。,由图可知UI为关联参考方向，因此:,右下图电路，若已知元件中电流为I=100A，电压U=10V，求电功率P，并说明元件是电源还是负载。,解：,UI非关联参考，因此:,元件吸收正功率，说明元件是负载。,I为负值，说明它的实际方向与图上标示的参考方向相反。,例试计算下图电路中负载在一小时内消耗的电能。,负载电阻为,该负载一小时消耗的电能为,想想练练,1、某用电器的额定值为“220V，100W”，此电器正常工作10小时，消耗多少焦耳电能？合多少度电？,2、一只标有“220V，60W”的电灯，当其两端电压为多少伏时电灯能正常发光？正常发光时电灯的电功率是多少？若加在灯两端的电压仅有110伏时，该灯的实际功率为多少瓦？额定功率有变化吗？P=UIR=P=I*I*R,3、把一个电阻接在6伏的直流电源上，已知某1分钟单位时间内通过电阻的电量为3个库仑，求这1分钟内电阻上通过的电流和电流所做的功各为多少？,3A，1080J,3600000J，1度电,220V，60W；15W，不变。,+,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,1.1.3欧姆定律,全电路欧姆定律,例求图示电路中的电流。U=1.5V，R=1。,解设定I的参考方向与U相同,若I的参考方向与U相反,1.2独立电源与受控电源,1电压源,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。,1.2.1独立电源实际电源有两种模型，电压源和电流源。,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。,3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。,(a),(b),图(b),图(a),变换条件,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。,例电路如图，US1=10V，US2=8V，R1=R2=R3=2，求电阻R3中的电流I3。,解,用电源变换简化电路,R1、R2不变,将电压源变换成电流源,例电路如图，US1=10V，US2=8V，R1=R2=R3=2，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=9A,电流源IS、R转换成电压源,US=RIS=9V，R=1,1.3基尔霍夫定律,1.3.1基尔霍夫电流定律(KCL),1.3.2基尔霍夫电压定律(KVL),练习:,说出该电路的支路、结点和回路数目。,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。,G,D,C,E,F,H,基尔霍夫定律,1.3.1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),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,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。,或,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:,I1I2+I3+I4=0,若I1=9A，I2=2A，I4=8A，求I3。,9(2)+I3+8=0,有,I3电流为负值，是由于电流参考方向与实际方向相反所致。,I3=19A,解,例列写出图示电路基尔霍夫电流定律表达式。,1.3.2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,E=U=RI,E2+R1I1=U4U3,图示电路选逆时针为绕行方向。则：,=R2I2+E1,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。,支路电流法是计算复杂电路的一种基本方法。,凡不能用电阻串、并联等效简化的电路，称为复杂电路。,图示电路为复杂电路。,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。,介绍分析电路的方法,1.3.3基尔霍夫定律解题方法,I1+I2I3=0,用支路电流法求解电路的步骤：,对于有n个结点的电路，只能列出(n1)个独立的KCL方程式。,1.3.4基尔霍夫应用实例,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。,A,步骤三应用KVL列出余下的b(n1)个方程。,E1E2=R1I1R2I2,E2=R2I2+R3I3,步骤四,注意：,所列回路电压方程必须是独立的方程；,电压方程数视未知量减电流方程数所定。,一般可以网孔为回路列电压方程；,联立方程组，求解出各支路电流。,I1+I2I3=0,E1E2=R1I1R2I2,E2=R2I2+R3I3,例图示电路，若R1=5，R2=10，R3=15，E1=180V，E2=80V，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：,(3)选网孔绕行方向列KVL方程：,I1+I2I3=0,E1=R1I1+R3I3,E2=R2I2+R3I3,(4)解联立方程组：,1.4电路运行状态,1.4.1断路状态短路状态,1.4.2负载工作状态伏在匹配,（1）通路,S,RL,1.4.1电路的状态,三种状态：,分别是通路、短路、断路,1通路(有载工作状态),根据全电路欧姆定律,E=RI+R0I,E=UU0或U=E-R0I,称电压平衡方程,U0=R0I为电源内部电压降,U=RI为外电路电压降；,2开路,电压平衡方程各项乘以I,EI=UI+U0I即PS=PL+P0,电源产生的电功率PS等于负载从电源得到功率PL和电源内部的损耗功率P0之和。,I=0；R0I=U0=0,根据U=E-R0IU=E,PS=PL=P0=0,特征:,I=0,电源端电压(开路电压),负载功率,U=E,P=0,I,Ro,R,+,-,E,U,+,-,U0=0,U0,3短路,根据全电路欧姆定律,而,通常R0非常小，短路电流比正常工作电流大得多，若短路应及时切断电路，否则会引起剧烈发热而使电源、导线等烧毁。可在电路中接入过电流保护装置。如熔断器或断路器。,动画：电路的状态,电源的外特性,讨论电源端电压U与电源输出电流I的关系。,电压平衡方程式：U=E-R0I,随着电流I的增大，电源电压U不断下降。,电源的外特性U=f(I),实际应用中，总希望电源能有稳定的输出电压减小内阻R0。,解,例两个蓄电池电动势E1、E2都是12V，其内电阻R01=0.5、R02=0.1，试分别计算当负载电流为10A时的输出电压。,(1)当内电阻R01=0.5时，有,U1=E1R01I=(120.510)V=7V,(2)当内电阻R02=0.1时，,U2=E2R02I=(120.110)V=11V,可见，输出电流相同时，内电阻小的电源输出电压高。,1.4.2负载工作状态负载匹配,电气设备正常工作时对电流、电压和功率的限额。使用时必须遵守额定值的规定。,设定额定值的原则：考虑电气设备寿命、绝缘材料的耐热性能、绝缘强度等因素，即经济性和可靠性。,额定值利用铭牌直接标在产品上或记录在产品说明中。,应用时，电压、电流和功率的实际值等于额定值，称电器设备工作在额定状态；若实际值超过额定值，称过载状态；实际值低于额定值，称负载状态。过载会损坏电器设备或低寿命；欠载则不能发挥正常效能，有些设备也不能发生损坏。,解,例标有100、4W的电阻，如果将它接在20V或40V的电源上，能否工作？,额定功率为4W，若电阻消耗的功率超过4W就会产生过热现象甚至烧毁。,(1)在20V电源作用下,(2)在40V电源作用下,实际功率远大于额定值(PPN)，此时极易烧毁电阻使其不能正常工作。,P=PN可以正常工作,上一页,下一页,返回,电路中的用电器是由用户控制的，而且是经常变动的。当并联的用电器增多时，等效电阻RL就会减小，而电源电动势E通常为一恒定值，且内Ro很小，电源端电压U变化很小，则电源输出的电流和功率将随之增大，这时称为电路的负载增大。当并联的用电器减少时，等效负载电阻RL增大，电源输出的电流和功率将随之减小，这种情况称为负载减小。可见，所谓负载增大或负载减小，是指增大或减小负载电流，而不是增大或减小电阻值。,二端网络：具有两个接线端的部分电路;,几个概念：,含源二端网络：二端网络内部含有电源。,无源二端网络：二端网络内部不含有电源；,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