第一章 直流电路.ppt

1、第一章 直流电路,第一节 电路的基本概念 第二节 电路的基本定律 第三节 电路的工作状态和电器设备的额定值 第四节 电阻的串、并联,第一节 电路的基本概念,一、电路的组成 电源：提供电能 负载：用电设备 导线和开关：导线是连接电源和负载的元件，开关是控制电路通断的装置。,二、实际电路和电路模型 1.实际电路的分析和计算，需将实际电路元件理想化（或模型化），突出其主要的电磁性质，近似看作理想元件。 2.理想元件：,3.电路模型：实际电路可近似看做由理想元件组成的电路,三、电路中的基本物理量,物理量正方向的表示方法,电路分析中的假设正方向（参考方向）,提问：在复杂电路中难于判断元件中物理的实际方向

2、，电路如何求解？,A B,B A,解决：在解题前先设定一个正方向，作为参考方向。 如A B,注意：,(1) 方程式如：U/I=R 适用于假设正方向一致的情况,(2) “实际方向”是物理中规定的，而“假设 正方向”则是人们在进行电路分析计算时,任意假设的。,(3) 在以后的解题过程中，注意一定要先假定“正方向”(即在图中表明物理量的参考方向)，然后再列方程计算。缺少“参考方向”的物理量是无意义的.,(4) 为了避免列方程时出错，习惯上把 I 与 U 的方向按相同方向假设。称：关联的参考方向,关联参考方向,非关联参考方向,电功率,功率的概念：设电路任意两点间的电压为 U ,流入此部分电路的电流为

3、I， 则这部分电路消耗的功率为:P=UI,在 U、 I 正方向选择一致的前提下，,1)若 P = UI 0,“吸收功率”（负载）,2)若 P = UI 0,“发出功率”（电源）,电路中能量守衡关系,P（吸收）= P（发出）,第二节 电路的基本定律,电流源与电压源 欧姆定律 基尔霍夫定律 1.基尔霍夫电流定律 2.基尔霍夫电压定律 电路中电位的计算,一电压源与电流源,（1）伏安关系,（2）特性曲线与符号,电压源,电流源,二、欧姆定律：,U=RI,U=RI,U=-RI,注意：用欧姆定律列方程时，一定要在 图中标明参考方向！,还可表示为：I=GUG表示传导电流的能力，单位：S （西门子）,二、基尔霍

4、夫定律,从电路的全局和整体上阐明各部分电压、电流之间必须遵循的规律。,支路：由一个或几个元件首尾相接构成的一段无分支电路。 节点：三个或三个以上支路的连接点 回路：电路中任一闭合路径,例：,支路：ab、ad、ac、bc、bd cd （共6条）,节点：a、 b、c、d (共4个）,回路：abda、 abcda、abca bcdb、adca、cbdac、acbda （共7 个）,1. 基尔霍夫电流定律,对任何节点，在任一瞬间，流入节点的电流等于流出该节点的电流。或者说，在任一瞬间，一个节点上电流的代数为零 即： I =0,I1+I3=I2+I4 或I1 +I3I2I40,基尔霍夫电流定律的依据：电

5、流的连续性原理,基尔霍夫电流定律的扩展,KCL不仅适用于节点，也可推广到包围部分电路的任一假设闭合面。（流进封闭面的电流等于从封闭面流出的电流）,节点方程： I1=IAB-ICA I2=IBC-IAB I3=ICA - IBC,三式相加： I1+ I2+ I3=0,(二) 基尔霍夫电压定律（KVL）,对电路中的任一回路，沿任意循行方向转一周，各段电压的代数和为 0。,例如： 回路 a-d-c-a,U=0,或,例,设顺时针方向为绕行方向：a b c d,KVL方程： U1- U2 -U3 +U4=0,已知：U3=+20V, U4= 5V, U5 =+5V,U6=+10V, 求：U1,U1- U6

6、 - U5 + U3 =0 U1-(+10)-(+5)+(+20) =0 U1=-5V,KVL推广：基尔霍夫电压定律也适合开口电路。,注意,E-RI-Uab=0 Uab=E-IR,一、KVL方程的两套符号：U前面的正负号由回路的绕行方向及电压参考极性确定；括号内数字前面的正负号表示电压数值的正负，取决于各元件的真实极性与参考极性是否一致。 二、两点之间的电压降与所选的路径无关。,只要电位变化是首尾相接，各段电压构成闭合回路即可,1、什么是电位？电路中某点与参考点之间的电压，称为该点的电位。 说明：参考点电位一般规定为零。通常选择大地、接地点或电器设备的机壳为参考点。电子电路中常选一条公共线作为

7、参考点，该线是很多元件的汇集处且和机壳相连，称“地线”表示符号：,三、电路中电位的计算,计算电位，参考点任选,例,Uab=106=60V Uca=420=80V Uda=65=30V Ucb=140V Udb=90V,分析：若分别选、为参考点,则：Ua=0 Ub =0 Ub=60V Ua =60V Uc=80V Uc =140V Ud=30V Ud =90V,结论：,各点的电位是相对的，与参考点的选取有关；而任意两点间的电压是绝对的，与参考点的选取无关。,引入参考点后，电路可简化。,第三节 电源的工作状态和电气设 备的额定值,电源有三种工作状态 带载工作状态 开路（空载）状态 短路状态,一、带

8、载工作状态,图中开关合上，接通电源与负载，即电源的带载工作状态,外特性曲线表明了电源电压U与输出电流I的关系其斜率和电源内阻R0有关。U=E-R0I, 功率的平衡 UI=EI-R0I 即P=PE-P PE =EI是电源产生的功率 P = -R0I 是电源内阻消耗的功率 P= UI 是电源输出的功率, 电气设备的额定值 各种电气设备的电源、电流及功率都有一个额定值，它是为使设备在给定的工作条件下运行而规定的正常允许值。 额定值常标在铭牌或说明中，用UN、IN和PN表示,二、开路（空载）状态,当开关断开时，电源处于开路（空载）状态 开路：是外电路的电阻对电源来说等于无穷大， 因此电路中电流为零，电

9、源的端电压（称开路电源或空载电压U0）等于电源电动势，电源不输出电能。,I=0 U=U0=E P=0,三、短路状态,1、当电源的两端a 和b由于某种原因连在一起，电源被短路，外电路的电阻视为零，电源的端电压也为零。,2、电流的回路中仅有电源内阻R0，电流很大，称为短路电流IS,U=0 I=IS=E/R0 PE=P=R0I, P=0,作业：,1、如右图所示，为直流电路, 已知U1=4V, U2=-8V, U3=6V, I=4A, 求各元件接受或发出的功率P1、 P2和P3, 并求整个电路的功率P。,参考答案,解 ： P1的电压参考方向与电流参考方向相同, 故P1=U1I=44=16W (接受16

10、W) P2和P3的电压参考方向与电流参考方向不相同, 故 P2=U2I=(-8)4=-32W (接受32W) P3=U3I=64=24W (发出24W) 整个电路的功率P, 设接受功率为正, 发出功率为负, 故 P=16+32-24=24W,2、有220V, 100 W灯泡一个, 其灯丝电阻是多少？每天用5h, 一个月（按30天计算）消耗的电能是多少度？ 解 灯泡灯丝电阻为,一个月消耗的电能为,3、试计算下图 所示电路中各元件的功率。 ,解 为计算功率, 先计算电流、电压。 元件 1 与元件 2 串联, idb=iba=10A, 元件 1 发出功率,元件 2 接收功率,参考答案：,元件 3 与

11、元件 4 串联, idc= ica=-5A, 元件 3 发出功率: P3=5(-5）=-25W, 即接受25W。 取回路cabdc, 应用KVL, 有 uca2+105=0 得uca=-3V,元件 4 接受功率 P4=（-3）（-5）=15W 取节点a, 应用KCL, 有 iad10(-5)=0 得 iad=5A 取回路adba, 应用KVL, 有 uad10 得 uad 元件接受功率 W 根据功率平衡: =20+25+15+40 证明计算无误,4、下图所示电路中, Us1=130V、R1=1为直流发电机的模型, 电阻负载R3=24, Us2=117V、R2=0.6为蓄电池组的模型。 试求各支

12、路电流和各元件的功率。 ,解: 应用KCL、KVL列出式（2.15）、(2.17)和式(2.18), 并将已知数据代入, 即得,解得I1=10A, I2=-5A, I3=5A。,I2为负值, 表明它的实际方向与所选参考方向相反, 这个电池组在充电时是负载。 Us1发出的功率为Us1I1=13010=1300W Us2发出的功率为Us2I2=117（-5）=-585W 即Us2接受功率585W。,各电阻接受的功率为,功率平衡, 表明计算正确。 ,小结：分析计算电路的一般步骤,（1） 在电路图中选定各支路（b个）电流的参考方向, 设出各支路电流。 （2） 对n独立节点列出(n-1)个KCL方程。

13、（3） 通常取网孔列写KVL方程, 设定各网孔绕行方向, 列出b-(n-1)个KVL方程。 （4） 联立求解上述b个独立方程, 便得出待求的各支路电流。,5、在下图电路中，每条线段表示一个二端元件，试求各电 路中的未知电流i。,（a) (b),第四节 电阻的串、并联,一、 电阻的串联 定义 在电路中, 把几个电阻元件依次一个一个首尾连接起来, 中间没有分支, 在电源的作用下流过各电阻的是同一电流。 这种连接方式叫做电阻的串联。,电阻的串联,串联电路具有以下几个特点： 电路中流过每个电阻的电流都相等； 电路两端的总电压等于各电阻两端的分电压之和，即 电路的等效电阻（即总电阻）等于各串联电阻之和，

14、即 电路中各电阻两端的电压与它的阻值成正比，即 可见，串联电路中，阻值越大的电阻分配到的电压越大。,电阻串联时, 各电阻上的电压为,例:如右图所示, 用一个满刻度偏转电流为50A, 电阻Rg为2k的表头制成100V量程的直流电压表, 应串联多大的附加电阻Rf？,解 满刻度时表头电压为,附加电阻电压为,则:,解得,二、 电阻的并联,由两个或两个以上电阻并列得连接在两点之间，使每个电阻承受同一电压的连接方式叫电阻的并联。,电阻并联电阻具有以下特点; 电路中各电阻两端的电压相等； 电路中的总电流等于流过各电阻的电流之和，即 电路的等效电阻（即总电阻）的倒数等于各并联电阻的倒数之和，即 电路中 因此，

15、阻值越大的电阻分配到的电流越小。,并联电阻的电压相等, 各电阻的电流与总电流的关系为,两个电阻R1、R2并联,则,因为,则,例:,如右图所示, 用一个满刻度偏转电流为50A, 电阻Rg为2k的表头制成量程为 50mA的直流电流表, 应并联多大的分流电阻R2?,解 由题意已知, I1=50A, R1=Rg=2000, I=50mA, 由公式 , 则：,解得,三、电阻的混联,定义： 电阻的串联和并联相结合的连接方式, 称为电阻的混联。,例：进行电工实验时, 常用滑线变阻器接成分压器电路来调节负载电阻上电压的高低。图 2.6 中R1和R2是滑线变阻器, RL是负载电阻。已知滑线变阻器额定值是100、3A, 端钮a、 b上输入电压U1=220V, RL=50。试问: ,（1）当R2=50时, 输出电压U2是多少？ （2）当R2=75时, 输出电压U2是多少？滑线变阻器能否安全工作？,滑线变阻器R1段流过的电流,解 （1） 当R2=50时, Rab为