电工学(少学时)(第三版)学习辅导与习题全解(唐介)第1章.ppt

1.1电路的作用和组成,1.2电路的状态,1.3电路中的参考点,1.4电路中的参考方向,1.5理想电路元件,1.6基尔霍夫定律,1.7支路电流法,1.8叠加原理,1.9等效电源定理,1.10非线性电阻电路,教学基本要求,分析与思考题,练习题,第1章直流电路,返回主页,1.1电路的作用和组成,电路电流流通的路径。,返回,下一页,上一页,下一节,电路的作用,返回,下一页,上一页,下一节,3,电路的组成,返回,下一页,上一页,下一节,电源：,负载：,连结导线：,图1.1.1简单照明电路,1.2电路的状态,（一）通路,返回,下一页,上一页,下一节,上一节,电路的状态通路,电源的状态有载,电气设备工作时，其电压、电流和功率均有一定限额，这些限额表示了电气设备的正常工作条件和工作能力，称为电气设备的额定值。,图1.2.1通路,（二）开路,返回,下一页,上一页,下一节,上一节,当某部分电路与电源断开，该部分电路中没有电流，亦无能量的输送和转换，这部分电路的状态称为开路。,开路的特点:,图1.2.2开路,图1.2.3开路的特点,（三）短路,返回,下一页,上一页,下一节,上一节,当某部分电路的两端用电阻可以忽略不计的导线或开关连接起来，使得该部分电路中的电流全部被导线或开关所旁路，这部分电路的状态称为短路。,短路的特点:,图1.2.4短路,图1.2.5短路的特点,1.3电路中的参考点,返回,下一页,上一页,下一节,上一节,UCC,Va=UCC=6VVb=UCCRBIB=0.6VVc=UCCRCIC=4V,图1.3.1电路中的参考点,1.4电路中的参考方向,返回,下一页,上一页,下一节,上一节,在复杂的直流电路中，电压和电流的实际方向往往是无法预知的，且可能是待求的；而在交流电路中，电压和电流的实际方向是随时间不断变化的。这时只能给它们假定一个方向作为电路分析和计算时的参考，这些假定的方向称为参考方向或正方向。,I,U,图1.4.1关联参考方向,1.5理想电路元件,理想无源元件,理想电源元件,返回,下一页,上一页,下一节,上一节,由实际电路元件组成的电路称为电路实体。,可将电路实体中各个实际的电路元件都用表征其物理性质的理想电路元件代替。,用理想电路元件组成的电路称为电路实体的电路模型。,理想电阻元件（电阻）,（一）理想无源元件,理想电容元件（电容）,理想电感元件（电感）,进入理想电源元件,返回,下一页,上一页,下一节,上一节,（一）理想无源元件,返回理想无源元件,1.理想电阻元件,返回,下一页,上一页,下一节,上一节,A,B,C,定义,物理量关系,实物,（一）理想无源元件,返回理想无源元件,1.理想电阻元件,返回,下一页,上一页,下一节,上一节,A,B,C,定义,物理量关系,实物,R,电路中电能消耗的元件,是参数元件,线性元件,图1.5.1电阻,（一）理想无源元件,返回理想无源元件,1.理想电阻元件,返回,下一页,上一页,下一节,上一节,A,B,C,定义,物理量关系,实物,R,R=u/i,在直流电路中，R=U/I,R的单位为欧姆（）,u,i,p=UI=U2/R=RI2,图1.5.1电阻,（一）理想无源元件,返回理想无源元件,1.理想电阻元件,返回,下一页,上一页,下一节,上一节,A,B,C,定义,物理量关系,实物,（一）理想无源元件,返回理想无源元件,.理想电容元件,返回,下一页,上一页,下一节,上一节,返回理想无源元件,返回,下一页,上一页,下一节,上一节,（一）理想无源元件,3理想电感元件,理想电压源,（二）理想电源元件,进入理想无源元件,理想电流源,本身功耗忽略不计，只起产生电能的作用,理想电源元件的两种工作状态,返回,下一页,上一页,下一节,上一节,返回理想电源元件,1.理想电压源（恒压源）,特点,返回,下一页,上一页,下一节,上一节,（二）理想电源元件,返回理想电源元件,1.理想电压源（恒压源）,特点,返回,下一页,上一页,下一节,上一节,输出电压是由它本身确定的定值，与输出电流和外电路情况无关。输出电流不是定值，与输出电流和外电路情况有关。,（二）理想电源元件,返回理想电源元件,.理想电流源（恒流源）,特点,返回,下一页,上一页,下一节,上一节,（二）理想电源元件,返回理想电源元件,.理想电流源（恒流源）,输出电流是由它本身确定的定值，与输出电压和外电路情况无关。输出电压不是定值，与输出电压和外电路情况有关。,特点,返回,下一页,上一页,下一节,上一节,（二）理想电源元件,返回理想电源元件,3理想电源元件的两种工作状态,返回,下一页,上一页,下一节,上一节,19,（二）理想电源元件,实际电源的模型,返回,下一页,上一页,下一节,上一节,例1.5.1图示直流电路已知理想电压源的电压US3V，理想电流源的电流IS=3A，电阻R=3。求（1）理想电压源的电压和理想电流源的电流；（2）讨论电路的功率平衡关系。,返回,下一页,上一页,下一节,上一节,1.6基尔霍夫定律,基尔霍夫定律是分析计算电路的基本定律，又分为：,基尔霍夫电压定律,基尔霍夫电流定律,返回,下一页,上一页,下一节,上一节,（一）基尔霍夫电流定律（KCL）,基尔霍夫电压定律,返回,下一页,上一页,下一节,上一节,24a25,基尔霍夫电流定律的推广应用,基尔霍夫电压定律,返回,下一页,上一页,下一节,上一节,IC+IBIE0,图1.6.2广义节点,（一）基尔霍夫电流定律（KCL）,例1.6.1图示的部分电路中，已知I13A，I45A，I58A，试求I2、I3和I6。,基尔霍夫电压定律,返回,下一页,上一页,下一节,上一节,图1.5.1例1.6.1的电路,（二）基尔霍夫电压定律（KVL）,基尔霍夫电流定律,返回,下一页,上一页,下一节,上一节,基尔霍夫电流定律,返回,下一页,上一页,下一节,上一节,R3,I3,I1,US1,+,_,I2,R2,US2,+,_,+,_,+,_,U1,U2,电位升等于电位降US1+U1=US2+U2,US1+U1US2U20,R1,在电路的任何一个回路中，沿同一方向循行，同一瞬间电压的代数和等于零。,即：u=0，在直流电路中U=0。,（二）基尔霍夫电压定律（KVL）,基尔霍夫电压定律的推广应用,基尔霍夫电流定律,返回,下一页,上一页,下一节,上一节,RIUE或RIUUS0,（二）基尔霍夫电压定律（KVL）,1.7支路电流法,返回,下一页,上一页,下一节,上一节,（1）确定支路数，选择各支路电流的参考方向。,支路数为3。,（2）确定结点数，列出独立的结点电流方程式。,结点数为n，则可列出n-1个独立的结点方程式。,（3）确定余下所需的方程式数，列出独立的回路电压方程式。,（4）解联立方程式，求出各支路电流的数值。,图1.7.1支路电流法,1.8叠加原理!,原理内容,返回,下一页,上一页,下一节,上一节,在含有多个电源的线性电路中，任一支路的电流和电压等于电路中各个电源分别单独作用时在该支路中产生的电流和电压的代数和。,叠加原理只适用于线性电路,图1.8.1叠加原理,使用要领,1.当考虑某一电源单独作用时，应令其他电源中US0，IS0，即应将其他理想电压源短路、其他理想电流源开路。,返回,下一页,上一页,下一节,上一节,使用要领,2.最后叠加时要注意各个电源单独作用时的电流和电压分量的参考方向是否与总的电流和电压的参考方向一致，一致时前面取正号，不一致时前面取负号。,返回,下一页,上一页,下一节,上一节,使用要领,3.叠加原理只能用来分析和计算电流和电压，不能用来计算功率。,返回,下一页,上一页,下一节,上一节,若某电阻上电流I=I+I,则P=RI2=R(I+I)2RI2+RI2,例1.8.1图示电路中已知US10V，IS2A，R14，R21，R35，R43，试用叠加原理求通过理想电压源的电流I5和理想电流源两端的电压U6。,返回,下一页,上一页,下一节,上一节,解,理想电压源单独作用时：,图1.8.2例1.8.1的电路,返回,下一页,上一页,下一节,上一节,理想电流源单独作用时：,例1.8.1图示电路中已知US10V，IS2A，R14，R21，R35，R43，试用叠加原理求通过理想电压源的电流I5和理想电流源两端的电压U6。,解,图1.8.2例1.8.1的电路,返回,下一页,上一页,下一节,上一节,二电源共同作用时：,例1.8.1图示电路中已知US10V，IS2A，R14，R21，R35，R43，试用叠加原理求通过理想电压源的电流I5和理想电流源两端的电压U6。,解,1.9等效电源定理,返回,下一页,上一页,下一节,上一节,图1.9.2戴维宁定理,（一）戴维宁定理,返回,下一页,上一页,下一节,上一节,例1.9.1图示电路中已知US18V，US25V，IS3A，R12，R25，R32，R48，试用戴维宁定理求通过R4的电流。,返回,下一页,上一页,下一节,上一节,（二）诺顿定理,返回,下一页,上一页,下一节,上一节,1.10非线性电阻,静态电阻为非线性电阻在直流电压和直流电流下工作时工作点Q处的电压电流之比：R=U/I=tan,动态电阻为当作用在非线性电阻上的电压和电流除直流成分外还有比较小的交变成分时，工作点Q附近的电压微小增量与电流微小增量之比：r=dU/dI=tan,返回,下一页,上一页,下一节,上一节,图1.10.2静态电阻和动态电阻,图解分析法：,将非线性电阻提出，剩下的电路为一个线性有源二端网络，该网络可用一个等效电压源代替。,U=USROI，负载线。,返回,下一页,上一页,下一节,上一节,图1.10.3图解分析法,教学基本要求,1.了解电路的作用和组成。2.了解电路的通路、开路和短路状态；了解电源的有载、空载和短路状态。理解额定值、负载大小和电功率平衡的概念。3.了解电路中的参考点的意义，掌握电位的计算。4.理解参考方向和关联参考方向的意义。5.了解电路模型的概念。理解理想电阻元件的耗能特性、理想电压源的恒压特性和理想电流源的恒流特性。6.理解电路的基尔霍夫定律。7.掌握用支路电流法、叠加原理和等效电源定理分析电路的方法。8.了解非线性电阻元件的伏安特性以及静态电阻和动态电阻的概念。了解简单非线性电阻电路的图解分析法。,返回,分析与思考,1.2（1）某负载为一可变电阻器，由电压一定的蓄电池供电，当负载电阻增加时，该负载是增加了？还是减小了？,1.2（2）某电源的电动势为E，内电阻为R0，有载时的电流为I，试问该电源有载时和空载时的电压和输出的电功率是否相同，若不相同，各应等于多少?,下一页,返回,I,1.5（1）今需要一只1W、500k的电阻元件，但手头只有0.5W、250k和0.5W、1M的电阻元件许多只,试问应怎样解决?,1.5（2）有些同学常常把理想电流源两端的电压认作零，其理由是:理想电流源内部不含电阻,则根据欧姆定律,U=RI=0I=0。这种看法错在哪里?,1.5（3）凡是与理想电压源并联的理想电流源其电压是一定的，因而后者在电路中不起作用；凡是与理想电流源串联的理想电压源其电流是一定的，因而后者在电路中也不起作用。这种观点是否正确?,下一页,上一页,返回,1.6（1）在应用RI=E列回路方程式时，按I与E的参考方向与回路方向一致时前面取正号，否则取负号的规定，RI和E可否放在等式的同一边?,1.7（1）列独立的回路方程式时是否一定要选用网孔?,1.7（2）如果电路中含有理想电流源，理想电流源的电流已知，而电压是未知的，怎么办?,下一页,上一页,返回,1.8（1）叠加原理可否用于将多电源电路（例如有4个电源）看成是几组电源（例如2组电源）分别单独作用的叠加?,1.8（2）利用叠加原理可否说明在单电源电路中，各处的电压和电流随电源电压或电流成比例的变化?,1.9（1）有源二端网络用电压源或电流源代替时，为什么要对外等效？对内是否也等效?,1.9（2）电压源和电流源之间可以等效变换，那么理想电压源与理想电流源之间是否也可以等效变换?,1.10（1）非线性电阻元件的电压与电流之间的关系是否符合欧姆定律?,1.10（2）伏安特性是一条不经过坐标原点的直线时，该电阻元件是否为线性电阻元件?,下一页,上一页,返回,分析与思考解答,1.2（1）某负载为一可变电阻器，由电压一定的蓄电池供电，当负载电阻增加时，该负载是增加了？还是减小了？,答负载的增减指负载消耗的电功率的增减。,下一题,返回分析与思考题集,负载消耗的电功率P=U2/RL,蓄电池电压一定即式中U不变，当RL增加时，P减小，故该负载减小了。,1.2（2）某电源的电动势为E，内电阻为R0，有载时的电流为I，试问该电源有载时和空载时的电压和输出的电功率是否相同，若不相同，各应等于多少?,答该电源有载时如图（a)，故输出电压U=ER0I，输出功率PUI。,下一题,上一题,返回分析与思考题集,可见电源有载和空载时的电压和输出的电功率不相同。,该电源空载时如图（b)，由于此时电源输出电流I0，所以输出电压UE，输出功率P0不变。,1.2（3）图示电路中的电源短路时，是烧坏电源还是烧坏照明灯?,答烧坏电源。,下一题,上一题,返回分析与思考题集,因为这时所有负载均被短路，电流不通过负载，外电路的电阻可视为零，回路中仅有很小的电源内阻，故会有很大的电流通过电源，将电源烧坏。,1.4（1）在图示的关联参考方向下,若电源和负载中求得的电功率P0，这说明它们是取用还是输出电功率?,答电源的电功率P0,说明电源输出电功率;,返回分析与思考题集,负载的电功率P0,说明负载取用（输入）电功率。,下一题,上一题,1.5（1）今需要一只1W、500k的电阻元件，但手头只有0.5W、250k和0.5W、1M的电阻元件许多只,试问应怎样解决?,答可将二个0.5W、250k的电阻串联使用或将二个0.5W、1M的电阻并联使用。这样，不仅总电阻值符合要求，而且各电阻在实际工作时消耗的电功率和通过的电流也不超过各自的额定功率和额定电流。,下一题,上一题,返回分析与思考题集,1.5（2）有些同学常常把理想电流源两端的电压认作零，其理由是：理想电流源内部不含电阻,则根据欧姆定律,U=RI=0I=0。这种看法错在哪里?,答这种看法显然不正确。,下一题,上一题,返回分析与思考题集,U=RI只适用于理想电阻元件，对理想电流源不适用，理想电流源只有在短路时两端的电压才等于零。,1.5（3）凡是与理想电压源并联的理想电流源其电压是一定的，因而后者在电路中不起作用；凡是与理想电流源串联的理想电压源其电流是一定的，因而后者在电路中也不起作用。这种观点是否正确?,答这种观点不正确。,下一题,上一题,返回分析与思考题集,与理想电压源并联的理想电流源不影响电路其余部分的电压和电流，但会影响理想电压源的电流；,与理想电流源串联的理想电压源也不影响电路其余部分的电压和电流，但会影响理想电流源的电压。,1.6（1）在应用RI=E列回路方程式时，按I与E的参考方向与回路方向一致时前面取正号，否则取负号的规定，RI和E可否放在等式的同一边?,答根据I和E取正负号的规定，RI表示电位降、E表示电位升，故不可放在等式的同一边。,下一题,上一题,返回分析与思考题集,答U应放在等式RI一边。,下一题,上一题,返回分析与思考题集,1.7（1）列独立的回路方程式时是否一定要选用网孔?,答不一定。只要满足每次所选回路中至少有一条以前未用过的新支路即可。,下一题,上一题,返回分析与思考题集,1.7（2）如果电路中含有理想电流源，理想电流源的电流已知，而电压是未知的，怎么办?,答选回路时避开含理想电流源支路，这样既可减少一个未知数，从而少列一个方程式，又不会引入新的未知数理想电流源的电压。,下一题,上一题,返回分析与思考题集,1.8（1）叠加原理可否用于将多电源电路（例如有4个电源）看成是几组电源（例如2组电源）分别单独作用的叠加?,答可以。,下一题,上一题,返回分析与思考题集,1.8（2）利用叠加原理可否说明在单电源电路中，各处的电压和电流随电源电压或电流成比例的变化?,答可以。比如电路中若理想电压源的电动势加倍，可相当于两个具有原来电动势的理想电压源串联。则根据叠加原理，电路中各处的电压、电流均应为二个原值相加即原值的二倍。,下一题,上一题,返回分析与思考题集,1.9（1）有源二端网络用电压源或电流源代替时，为什么要对外等效？对内是否也等效?,答根据戴维宁定理和诺顿定理，一有源二端网络用等效电压源或电流源代替时，其输出电压和输出电流是对应相等的，即等效是对有源二端网络的外部电路而言的，等效不会改变外部电路的电压和电流。而对网络内部则是不等效的。,下一题,上一题,返回分析与思考题集,1.9（2）电压源和电流源之间可以等效变换，那么理想电压源与理想电流源之间是否也可以等效变换?,答不可以。因为理想电压源的输出电压恒等于定值，理想电流源的输出电流恒等于定值，两种理想电源之间无法满足输出电压和输出电流均对应相等的对外等效的原则。,下一题,上一题,返回分析与思考题集,1.10（1）非线性电阻元件的电压与电流之间的关系是否符合欧姆定律?,答不符合欧姆定律。,下一题,上一题,返回分析与思考题集,遵循欧姆定律的电阻称为线性电阻，它是一个表示某段电路的特性而与电压和电流无关的常数。而非线性电阻的阻值不是常数，随电压或电流变动，故其电压与电流的关系不符合欧姆定律。,1.10（2）伏安特性是一条不经过坐标原点的直线时，该电阻元件是否为线性电阻元件?,答不是。,上一题,返回分析与思考题集,练习题,下一页,返回,下一页,上一页,返回,1A,下一页,上一页,返回,下一页,上一页,返回,下一页,上一页,返回,下一页,上一页,返回,下一页,上一页,返回,下一页,上一页,返回,下一页,上一页,返回,练习题解答,解S闭合时，,S断开时,下一题,返回练习题集,解：S闭合时,下一题,上一题,返回练习题集,解S断开时，,1.5.1试根据理想电压源和理想电流源的特点分析图示的两电路：当R变化时，对其余电路（虚线方框内的电路）的电压和电流有无影响？R变化时所造成的影响是什么？,（a）,（b）,下一题,上一题,返回练习题集,S断开时，I2=IS=2A选取由US、R2和S组成的回路，利用KVL求得U=USR2I24VS闭合时，R2右端电位与US下端电位相同，R2两端电压等于US，故I2=USR2=6A选取右上结点，利用KCL求得I=I2IS4A,1.6.1图示电路中，已知US6V，IS2A，R12，R21。求开关S断开时开关两端的电压U和开关S闭合时通过开关的电流I（不必用支路电流法）。,解设通过R2的电流为I2。,下一题,上一题,返回练习题集,1.6.2图示电路中，已知US6V，IS2A，R1R24。求开关S断开时开关两端的电压U和开关S闭合时通过开关的电流I（在图中注明所选的参考方向）。,解设所求电压和电流的参考方向如图。,S断开时，U14V,S闭合时，I3.5A,下一题,上一题,返回练习题集,解设2电阻上电流为I3，如图。,该电阻与10V恒压源并联，故其上电压为10V，所以I3=(102)A=5A。右回路：5I12I340=0，则I1=6A或外回路：5I11040=0，有I1=6A再用KCL求得I2=I1I3=1A，左恒压源的功率P1240W，由于其电压和电流的实际方向符合电源关联参考方向，故起电源作用；右恒压源的功率P210W，由于其电压和电流的实际方向符合负载关联参考方向，故起负载作用。,下一题,上一题,返回练习题集,左恒流源的功率P140W，起电源作用；右恒流源的功率P23W，起负载作用。,设2电阻上电流为I，5电阻两端电压为U3如图。,下一题,上一题,返回练习题集,解,1.6.5试分析图示两电路中：(1)图(a)中的理想电压源在R为何值时既不取用也不输出电功率？在R为何范围时输出电功率？在R为何范围时取用电功率？而理想电流源处于何种状态？(2)图(b)中的理想电流源在R为何值时既不取用也不输出电功率？在R为何范围时输出电功率？在R为何范围时取用电功率？而理想电压源处于何种状态？,解(a)当R1时理想电压源既不取用也不输出电功率;R1时,理想电压源取用电功率。而理想电流源始终起电源作用。,(b)当R1时理想电流源既不取用也不输出电功率;R1时,理想电流源输出电功率;R2A时，IS2起电源作用