直流电路基础知识63119ppt课件

.,项目一直流电路基础知识,.,项目一直流电路基础知识,知识目标：了解电流、电压、电动势的基本概念，掌握其单位及单位的换算；了解电阻的概念和电阻与温度的关系；掌握欧姆定律，熟练应用欧姆定律进行计算；理解电能和电功率的概念，掌握焦耳定律，掌握电能、电功率的计算。技能目标：会使用直流电压表、电流表会用万用表测量直流电压、直流电流和电阻。,.,任务一电路及电路图,1.1电路的组成电路是电流流通的途径，电能转化为其它形式的能要通过闭合电路来完成。因此，为了利用电能，必须组成各种形式的电路。电路是由电源、导线、开关和负载四大部分组成。下图是直流电动机控制回路，当开关闭合，电池给电动机供电，电动机转动；当开关断开，电流不能形成回路，电动机停止转动。,.,（1）电源电源是电路的源泉，它为电路提供电能。现在应用的电源有各种干电池电源、太阳能电源、风力发电电源、火力发电电源、水力发电电源、核能发电电源等。（2）导线导线构成电路的通路。因为用途不同，导线的种类繁多，主要用于电力系统作为输电导线。（3）开关开关是控制电路通、断的电器（设备），根据用途不同，其体积、形状差别很大。用在电子仪器、设备上的有微型开关；用在电力设备上的有耐高压、大电流的高压开关，用在运动设备上有接近开关，用在一般设备上的有刀开关、空气开关等。（4）负载负载是消耗电能的设备，电路通过负载，将电源的电能转化为热能、机械能、光能等其他形式的能，为人们所用。电路的负载常用的有以电动机驱动的各种机械；以电阻加热的电炉、电热器、电吹风、电烙铁等；以发光为目的的各种电光源；在电子电路中的各种耗能器件，发射装置等，都可以视为电源的负载。,.,图1-4各类开关,（b）低压电器断路器,（c）电子接近开关,（d）电路符号,（a）低压电路翘板开关,图1-5电路负载,（a）电动机,（b）节能灯,（c）电暖器,（d）电路符号,.,1.2电路的物理量1.2.1电流1.电流的形成。电流就是电子在电场力作用下有规则的定向运动。在导体中形成电流的条件是：有可以移动的电荷和维持电荷作定向移动的电场。2.电流强度单位时间内通过导体截面电荷量的多少称为电流强度。它是表征电流大小的物理量。电流强度的单位为安培，简称安，符号为A。,图1-6电流的形成（a）未通电状态（b）通电状态,.,设在t时间内，流过截面S的电荷量为Q，则电流强度为如果电流的大小和方向都不随时间的变化而变化，则称为稳恒直流电，简称直流电。其数学表达式为3.电流的正方向在电路的计算中，电流的实际方向有时不好确定，为了计算方便，可先假定一个电流的正方向，这个假定的电流正方向称为参考方向，并在电路中用箭头标出。通过计算后，如果计算值为正，则电流的实际正方向与假定的参考方向相同；如果计算值为负，则电流的实际正方向与假定的参考方向相反。,I,I0,I,I0,实际方向,参考方向,（a）参考方向与实际方向相同,（b）参考方向与实际方向相反,.,1.2.2电压、电位、电动势1电压下图是水的循环流动示意图。我们以水的循环流动来说明电流在电路中的流动原理。流和水流有着相似的规律，如图1-10所示，要想形成图中电流，必须在白炽灯两端存在电位差（类似水槽的水位差）。A、B极板之间的电位差称为A、B两点之间的电压UAB。电压的正方向规定为：由高电位指向低电位，即从电源的正极指向负极。电压的方向用“”、“-”号来表示。电压的单位是伏特，简称伏，符号为V。,图1-9水流方向,图1-10电动势、电压说明图,.,2.电位电位的定义：取电路中任一点作为参考点，并规定为零电位，电路中任一点到参考点之间的电压，就称为该点的电位。电位的方向：当某点到参考点的电压为正时，则该点的电位为正；当某点到参考点的电压为负时，则该点的电位为负。电位用符号“V”来表示。电压是电路中的两点电位之差，电路中任意两点间的电压大小，仅取决于这两点电位的差值，与电位参考点的选择无关。电位的单位与电压的单位相同。3.电动势电动势就是表征电源力对电荷做功能力的物理量。电动势的方向规定为由电源的负极指向正极，用“”、“-”号来表示，如图1-10所示。电动势的方向规定为由电源的负极指向正极，用“”、“-”号来表示。电动势的单位也是伏，符号为V。,.,1.2.3电流、电压的测量1电流的测量测量时将表的两个接线端串联在电路中（千万不可并联在电路上），表的“”端为电流的流入端；表的“”端为电流的流出端。根据表针所指示的刻度，读出电流的大小。,.,2电压的测量测量时将表的两个接线端并联在被测电压的两端，测量时表的“+”接线端接被测电压的正极，“-”接线端接被测电压的负极。根据表针所指示的刻度，读出电压的大小。,.,1.3电阻1.3.1导体的电阻1.导体电阻的概念图1-14所示是电子在导体中流动示意图。图1-14a和图1-14b是不同的两种导体材料，材料内的原子结构不同，导体对电子流动呈现出的“阻力”不同；图1-14c是同一种导体材料，由于材料的截面积不同，导体对电子流动呈现出的“阻力”不同。导体对电流的阻碍作用称为导体的电阻，用符号“R”来表示，其基本单位为欧姆（）。较大的单位有k和M。其换算关系为1M=1000k、1k=1000,图1-14电子在导体中流动示意图a)导体中“障碍物”少b)导体中“障碍物”多c）导体截面积不同电子所受阻力不同,.,2.导体的电阻率与温度系数1）电阻定律导体电阻的大小与导体的电阻率和导体长度成正比，与导体的横截面S成反比，用公式表示为当温度变化时，导体的电阻率也随之变化。如果导体的电阻率随温度的升高而升高，则为正温度系数导体；反之，则为负温度系数导体。所有金属的电阻率都随温度的升高而增大，因此，金属均为正温度系数导体。当温度在0100OC范围内变化时，大部分金属的电阻率与温度成如下的线性关系：温度为t时的电阻率，单位为m；0温度为0时的电阻率；电阻的温度系数,.,1.3.2电阻器1.电阻器的作用和分类电阻器是应用具有一定电阻率的导电材料制成的电路元件。电阻器亦简称为电阻，是工程技术中用量最大的电路元件之一。为了适应不同电路和不同工作条件的需要，电阻器的品种规格繁多，按外形结构可分为固定式和可变式两大类。常用电阻器的外形及用途。2.电阻元件模型及电路符号实际电路中的电阻器、白炽灯、电炉、电烙铁等电路器件，在电路中表现出来的都是电阻的特性，为了分析方便，就不考虑它们的结构、形状等次要因素，只考虑它的电阻，这个电阻就称为实际电路器件的电阻元件模型。电阻元件模型也简称为电阻，其电路符号如图1-16所示。电阻是耗能元件，它将电能不可逆地转换为热能。,.,电阻器的外形、特征及用途,.,电阻的标称阻值的标注方法,1.直标法主要参数直接标注在电阻器的外壳上。,表示电阻器的商标；RJ“R”代表电阻器，“J”表示电阻器由金属材料制作而成；1W表示电阻器的额定功率为1W；5.1k表示电阻器的的电阻值为5.1k；5%电阻值的允许偏差值为5%。,.,电阻的标称阻值的标注方法,2.数码法用3或4位阿拉伯数字来标注电阻的阻值,472表示：104表示：,4501表示：,1123表示：,.,电阻的标称阻值的标注方法,3.色标法用不同颜色的色环或色点表示电阻的阻值和允许误差。,使用最多的标注方法,.,电阻的标称阻值的标注方法,.,案例：色环电阻的识别,例：识别某四环电阻电阻：,（棕绿红金）,解：第一位有效数字：3；第二位有效数字：3；第三位10的5次方（即100000）；第四位允许误差为5%即阻值为：33100000=3.3106=3.3M,.,敏感电阻器实物,压敏电阻,光敏电阻,正温度热敏电阻PTC,汽敏电阻,负温度热敏电阻NTC,湿敏电阻,.,线性电阻和非线性电阻,电阻两端的电压与通过它的电流成正比，其伏安特性曲线为直线，这类电阻称为线性电阻，其电阻值为常数；反之，电阻两端的电压与通过它的电流不是线性关系的电阻称为非线性电阻，其电阻值不是常数。一般常温下金属导体的电阻是线性电阻，在其额定功率内，其伏安特性曲线为直线。电视机的消磁电阻在电视机正常工作时，它的阻值很大，耗电很少，然而在电视机刚刚接通电源的一刹那，消磁电阻的阻值因发热阻值变得很大，做正常工作电流很小。消磁电阻就是非线性电阻。,.,1.3.3电阻的测量测量电阻用欧姆表。图1-17是用指针式万用表的欧姆挡测量电阻，测量前先将万用表的旋转开关旋到电阻挡，然后将两表笔短路校零（两表笔短路的同时旋转表盘上的校零可调电阻，使表针指到右边零刻度）。测量时两表笔搭在被测电阻的两端，表针指示的刻度既是被测电阻的阻值。如果被测电阻连接在电路中，测量时必须将电阻与电路断开，更不允许电路带电测量。,图1-16电阻元件的电路符号,图1-17电阻的测量,.,1.4欧姆定律我们生活中有这样的经验：当我们打开水龙头时，如果水管中的压力大，水流就大；如果水管中的压力小，水流就小（见图1-18）。在同一条水管中，水管中水的压力大，水的流速大，反之，水的流速小。在广场的音乐喷泉中，喷出的水柱高度随着音乐的节奏跳跃变化，水柱高时水泵的出口压力高；水柱低时水泵的出口压力低。,图2-18水管压力不同，水的流速不同（a）水管压力小，水流缓慢（b）水管压力大，水流速度快,.,在电阻电路中，电压和电流也有着类似的规律：即加在同一个电阻上的电压高，电阻中的电流大，反之，电流小。1.4.1电阻电路欧姆定律一段只含有电阻、而不含有电源的电路，称为电阻电路，如图1-19所式。,a)关联参考方向b)非关联参考方向图1-19部分电阻电路,.,电阻电路的欧姆定律可表述为：流经电阻的电流与加在电阻两端的电压成正比，与电阻的阻值成反比，其表达式为或（1-7）在式1-7中，电压与电流的正方向设定为一致，称为关联参考方向，如图1-19a所示；如果电压与电流的正方向设定相反,如图1-19b所示,则称为非关联参考方向，非关联参考方向的表达式为（1-8）在以后的电路分析中，如不加特别说明，均为关联参考方向。,a)关联参考方向b)非关联参考方向图1-19部分电阻电路,.,欧姆定律只适应于线性电阻电路，即当电压和电流变化时，电阻的阻值不变。图1-20a是线性电阻的伏安特性曲线。某些电阻元件，如半导体二极管的正向电阻、白炽灯的灯丝电阻，它们不遵循欧姆定律，伏安特性曲线是一条曲线，这种电阻称为非线性电阻，它的阻值随工作电压的变化而变化，如图1-20b所示。,a）线性电阻的伏安特性b）非线性电阻的伏安特性图1-20电阻的伏安特性曲线,.,1.4.2全电路欧姆定律由含有内阻的电源和负载电阻组成的闭合回路称为全电路。最简单的全电路如图1-21所示，图中E为电动势，RO为电动势的内阻，R为外电路负载电阻。,图1-21简单的全电路,.,全电路的欧姆定律可表述为：通过全电路的电流与电源的电动势成正比，与电路中的总电阻成反比，其表达式为或（1-9）由式中可见，为外电路电阻上的电压，令；为内电路内阻上的电压，令，则有（1-10）此式称为全电路电压平衡方程式，它说明了在一个闭合电路中，电压升（电动势E）等于电压降（）。,欧姆定律的应用并不是简单的套用公式，而往往是要分析解决实际问题。,.,实训：电路物理量的测量,实训内容：学习电阻的测量，验证欧姆定律，计算电功率。实训要求：测量电阻前要校零，学习电阻的测量和读数；通过对电阻、电流、电压三个参数的测量，将测量值代入以验证欧姆定律的正确性。,（b）测电阻,（a）电子调零,（c）测量电路中电流,（d）测直流电压,.,案例1收音机电流调试,1.4.3活学活用1.确定电路的工作电流大家知道，测量电流要将电流表串联在电路中，需要将电路断开将表串入，测量很不方便。我们又知道，测量电压是将电压表并联在被测电路两端，测量时很方便。在条件许可的情况下，都是利用测量电压的方法，测量出电压，再换算出电流。案例叙述图1-23a、b是收音机的外形和内部电路，图1-23c是收音机的部分电路及测量图。我们在组装收音机时，要调整电路的静态电流，在调整时要测量电流的大小。,.,图1-23测量收音机的工作电流a)收音机外形b)收音机内部电路c)收音机部分电路及测量方法,.,案例分析图中电阻R17的工作电流要求为0.40.6mA，电阻的阻值为51。因为电流不方便测量，我们用测量R17电阻两端电压的方法来间接的取得被测电流。根据欧姆定律U=IR=（0.40.6）51V=(20.430.6)mV即测出的电压值在20.430.6mV之间时，电路中的电流值为合格。,.,案例2变频器检测过电流,案例叙述图1-24为变频器（一种用于电动机调速的电力电子设备）内部电流检测电路。该检测电路为变频器的电子保护电路提供电流检测信号。,图中采用了电阻率很小的金属板作为“检测电阻”，当工作电流流过检测电阻，在电阻两端产生电压降，这个电压降就是电流检测信号。检测电阻的阻值为0.002，变频器额定工作电流为100A。当电流不超过100A时，变频器不报警。,图1-24变频器检测电流的测量,.,变频器因为报警过电流，维修人员对变频器的工作电流进行检查。现测得金属板两端的电压为0.25V，请分析变频器是否真的过电流。案例分析变频器正常工作时金属板两端电压为U=IR=1000.002V=0.2V测得值为0.25V时对应的电流值为I=U/R=0.25/0.002=125A因为125A100A,显然变频器是处于过电流状态，要进一步检查变频器的过电流原因。,.,案例1电烙铁发热量不足,2.电路参数发生了变化，使电路工作不正常案例现象某电气维修工使用的一把电烙铁发热量不足，不知是什么原因。电烙铁的正常工作参数为：电压220V，电流90mA。,图1-25电烙铁a)电烙铁外形b)等效电路,.,案例分析电烙铁的发热体就是一个线绕电阻，如图1-25b所示。发热量不足一是外加电压低于220V，二是电烙铁的工作电流小于正常值。用电压表测量220V电源电压，为正常值；用电阻表（万用表的欧姆档）测量电烙铁的发热体电阻，阻值为3.1k。根据欧姆公式，计算电烙铁的实际电流为I=U/R=220/3.1k=71mA由于71mAE2时，E1处于放电状态，E2处于充电状态，图中R为限流电阻。充电状态的电动势由于电流的方向和电动势的方向相反，处于吸能状态，将电能转化为化学能储存起来。当充电到一定程度，电池内完成了化学的转化过程，充电就完成了。在充电过程中，要注意两个问题，一是不能过充。当充电完成以后，要切断充电电路，过充电对电池是非常不利的。对充电有严格要求的电池，在电池内部都有防过充电保护电路（如手机电池），以防长时间过充电对电池的损害。二是不能欠充电，电池长期的欠充电，对电池也是很不利的，会降低电池的使用寿命。,.,给二次电池充电，很多都是取自电网的交流电，通过充电器中的电源变换电路，将交流电变为适合被充电电池的低压直流电。充电器和电池有严格的电压配套关系，一般不可互用，否则因为电压不匹配会造成事故。图2-23b是电动自行车的一种充电器。,图2-23充电电路与充电器a)充电电路b)充电器,.,2.3电压源和电流源及其应用2.3.1电压源电压源是我们早已熟悉的电源表示方法，由内阻R0和电动势E相串联。电压源的符号如图2-25a所示。当电压源的内阻为零时，称为理想电压源或恒压源，其电路符号如图2-25b所示。,图2-25电压源符号,.,当将电压源与负载电阻相连时（如图2-26a所示），由于电流通过电压源内阻时产生了电压降，使电压源的端电压比电源的电动势要小,即（2-13）,图2-26电压源供电电路,.,2.3.2电流源用一恒定电流与一内阻相并联来表示的电源称为电流源。其符号如图2-27a所示。电流源的内阻越大，在上的分流越小，输出电流越接近。当内阻为无穷大时（不存在），称为理想电流源或恒流源，其输出电流与端电压无关，理想电流源的符号如图2-27b所示。,图2-27电流源,.,在实际电源中，当电源的内阻时，在上的分流可以忽略，即可将其视为理想电流源。实际电源中，光电池、串激直流发电机以及晶体管等的输出特性，都比较接近恒流源。如果将电流源接入负载电阻，如图2-28a所示，则电路中的电流为其UI特性曲线如图2-28b所示，负载中的电流越小，输出电压越高。,图2-28电流源与输出特性,.,案例1电源短路的危害,2.3.3活学活用案例叙述：电源在工作中或因事故造成短路会有什么危害？案例分析：我们在工作中，接触到的大部分电源是恒压性质的电源，因为电源的内阻很小，一但短路，将会引起很大的灾害。图2-29a是电源短路的情况，由电路参数可知，短路电流可达I=U/R=220/(0.5+0.5+0.5)A=147A(欧姆定律)每条导线上的短路功率和电源上的短路功率为P=UI=I2R=14720.5W=10.8kW（电阻电路的电功率）10.8kW的短路功率可引起导线严重发热，点燃绝缘层引起火灾，造成财产的严重损失和人员伤亡。,.,对于电气设备上的小功率电源，因为负载短路，可将电源烧毁。造成设备不能正常工作。所以，不管是大功率电源还是小功率电源，都不能短路。,图2-29电源短路a)电源短路示意图b）电源短路引起的大火,电源在工作中，除了短路造成灾害之外，如果超载工作，也会引起严重后果。一会议礼堂因为接入了过多的大功率灯光设备，使电源导线超载过流发热，引起大火，因人员来不及疏散，造成大量的人员伤亡。,.,案例2高压恒流除尘器,案例叙述：在水泥厂、发电厂等产生大量粉尘和烟雾的企业，要安装除尘设备。在电子除尘设备中，采用高压恒流源作为除尘器的电源，为什么要用恒流源？除尘器又是怎样工作的？案例分析：除尘器的恒流高压电源简称“恒流源”，电源的内阻很大，输出电流恒定，根据恒流源的特点，输出电压随负载的变化而变化（U=ISR），当负载R的阻值变大，U上升，当负载R的阻值变小，U下降，这个特性特别适应于电子除尘。负载R就是除尘示意图2-30a中a、b两点间的等效电阻，U为a、b两点间的等效电压。,.,图2-30a是除尘示意图，高压恒流源的负极接到除尘器的电晕线上，电晕线发射电子，电子在电场力的作用下飞向粉尘颗粒，使粉尘颗粒带电，带电的粉尘颗粒飞向阳极板，在阳极板上被粉尘收集装置收集。图2-30b是除尘器电源装置图。,图2-30电子恒流除尘器,.,2.4基尔霍夫定律与支路电流法电路分为简单电路和复杂电路。不能应用电阻的串并联等方法进行化简解出的电路称为复杂电路。如图1-31所示，此图是汽车运行时发电机给蓄电池充电同时又点亮车灯的连线图，将图中的发电机和蓄电池分别用电压源E1、E2来等效，车灯用电阻R3来等效，如图1-31b所示。此图中的各个支路电流不能应用以前学过的方法解出，故此电路是一个复杂电路，我们还要学习求解复杂电路的方法。,图1-31汽车电路接线图,.,支路：电路中通过同一电流的各个分支，称为支路。图2-31中，共有AF、BH、CD三条支路。节点：三条或三条以上支路的汇合点称为节点。图2-31中的B、H点即为节点。回路：电路中任一闭合路径称为回路。图2-31中的ABCDHFA、ABHFA、BCDHB都是回路。回路中不包含支路的称为自然回路，也称为自然网孔。ABHFA、BCDHB就是两个自然网孔。,图2-31汽车电路接线图,.,2.4.1基尔霍夫电流定律基尔霍夫电流定律也称为节点电流定律，它确定了节点电流之间的关系。基尔霍夫电流定律可叙述为：在任意时刻流入节点的电流等于流出节点的电流，即（2-18）基尔霍夫电流定律表达了电流的连续性原理，即在一条支路中，任意时刻流入该支路某一横截面的电荷量，等于该时刻流出该支路任意横截面的电荷量。否则，在支路中就会产生电荷的堆积，从而产生电位的变化，这是不可能的。所以，对于节点而言也是如此，在任意时刻流入节点的电荷量恒等于流出节点的电荷量。对于图2-31中节点B，可以列出电流方程式为,.,基尔霍夫电流定律可以推广为任何电路中的封闭面，即广义节点。图2-32所示为一只晶体三极管，可以把它视为一个广义节点，它的三个电极电流之间的关系为,图2-32广义节点,.,2.4.2基尔霍夫电压定律基尔霍夫电压定律是说明回路中各电压之间相互关系的定律，基尔霍夫电压定律叙述如下：在任意时刻，沿回路绕行一周，回路中所有的电动势的代数和等于回路中所有电阻电压降的代数和，数学表达式为：在应用上式列方程时，首先要规定一个绕行方向，凡电路中电动势的参考方向与绕行方向一致的取正号，与绕行方向相反的取负号；电阻中电流的参考方向与绕行方向一致的，电压取正号，与绕行方向相反的，电压取负号。,.,如图2-31所示电路，以ABCDHFA回路列方程，选定顺时针方向绕行，根据绕行方向，与绕行方向一致，取正值；与绕行方向相反，取负值；R01电阻中电流的参考方向与绕行方向相同，R01上的电压取正值；R02中的电流参考方向与绕行方向相反，R02上电压取负值；列出电压方程式为,.,2.4.3支路电流法支路电流法是以电路中的支路电流为未知量进行求解的一种方法，下面仍以以图2-31为例来说明支路电流法的解题过程。为了清楚起见，此图给出数字并重绘如图2-33所示。求解之前先要设定电流的正方向（参考方向）和回路的绕行方向。设定的电流正方向不一定就是电流的实际方向，当计算出的电流值为正，说明电流的实际方向与设定的方向相同；当计算出的电流值为负，则说明电流的实际方向与设定的方向相反。沿回路的绕行方向可顺时针也可逆时针，在图2-33中标出了电流、电动势及绕行方向的参考方向。,图2-33支路电流法例图,.,根据基尔霍夫电流定律列节点电流方程电路中有两个节点，可列出两个方程。以A点列出的方程为以B点列出的方程为I3=I1+I2以上两个方程相同。可以证明，在一个复杂电路中，如果有n个节点，则可列出n-1个独立的方程。本电路有两个节点（节点A和节点B），因此只能列出一个独立的方程。2.根据基尔霍夫电压定律列回路电压方程在复杂电路中，并不是列出的所有回路电压方程都是独立的。理论分析可以证明，以电路中的自然网孔列出的回路电压方程都是独立的。本电路有两个自然网孔，可以列出两个独立的方程。以自然网孔1列出的方程为,.,以自然网孔2列出的方程为将以上三个独立的方程联立代入数值求解，即13.5=I1+3I311.83=0.05I2+3I3解得：I1=7.5A，I2=-3.5A，I3=4A从求得的结果可见，均为正值，说明电流的实际方向与设定的正方向相同；为负值，说明实际方向与设定的正方向相反，即蓄电池处于充电状态。,.,2.4.4戴维宁定理在我们前面分析的复杂电路中，有时只需要了解某条支路的工作情况，例如只需要了解R3支路的工作情况，那么就把R3支路从电路中移出，电路就转化为2-34b所示的端口电路，端口AB两点的左边为一个两端网络，只要将两端网络的等效电路求出，R3电路的工作情况就明确了。戴维宁定理给出了解决问题的方法。,图2-34戴维宁定理说明图,.,戴维宁定理指出：任何一个有源二端网络，只要其中的元件都是线性的，就可以等效为一个电压源。电压源的电动势等于二端网络端口开路时的端口电压；电压源的等效内阻R。，是该有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)其端口处的等效电阻，如图2-35所示。,图2-35戴维宁定理等效电路,.,【2-2】电路如图2-35所示。已知E1=13.5V,E2=11.83V,R1=0.2,R2=0.05,利用戴维宁定理求解电阻R3中的电流。解:1）计算有源二端网络的开路电压UAB。如图2-35a，在断开R3后，回路中只有电流I，设其参考方向如图中所示,开路电压（