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1、第一章 電路的基本概念第一節(jié)電路模型和電路中的基本物理量學(xué)習(xí)LI標(biāo):1掌握電路的作用和構(gòu)成及電路模型的概念。2 掌握電流、電壓.電位、功率的概念、表示.單位和方向。重點(diǎn):電流、電壓、電位、功率的概念、表示、單位和方向。難點(diǎn):1.參考方向;2電壓與電位的區(qū)別電路模型基本概念1.電路特點(diǎn):電路設(shè)備通過(guò)各種連接所組成的系統(tǒng),并提供了電流通過(guò)途徑。2.電路的作用:圖電路模型(1) 實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換和電能傳輸及分配。(2) 信號(hào)處理和傳遞。3 .電路模型:理想電路元件:突出實(shí)際電路元件的主要電磁性能,忽略次要因素的元件;以理想電路元件代替實(shí)際的元件組成的電路,即為實(shí)際電路的模型; 例圖1-1 :最簡(jiǎn)單的電路

2、一一手電筒電路4電路的構(gòu)成:電路是山某些電氣設(shè)備和元器件按一定方式連接組成。(1 )電源:向電路提供能量的設(shè)備,如干電池、蓄電池、發(fā)電機(jī)等。(2 )負(fù)載:用電器即各種用電設(shè)備,如電燈、電動(dòng)機(jī)、電熱器等。(3 )導(dǎo)線:把電源和負(fù)載連接成閉合回路,常用的是銅導(dǎo)線和鋁導(dǎo)線。(4 )控制和保護(hù)裝置:用來(lái)控制電路的通斷、保護(hù)電路的安全,使電路能夠正常工作,如開(kāi)關(guān),熔斷器、繼電器等。二、電路的基本物理量1 .電流(1)定義:電荷的定向運(yùn)動(dòng)形成電流,單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)導(dǎo)體橫截面的電量。邇)二dqIt第1頁(yè)共25貞1 kA = 10 3(2)電流單位:安培(A) , 1A = 10 3 mA = 10 6 u A

3、 ,A 電流方向:規(guī)定正電荷運(yùn)動(dòng)的方向?yàn)殡娏鞯膶?shí)際方向。電流的方向不變?yōu)橹?流I ,方向和大小都變化為交流i。假設(shè)的電流流向稱為電流的參考方向。(4 )標(biāo)定:在連接導(dǎo)線上用箭頭表示,或用雙下標(biāo)表示約定:當(dāng)2>0時(shí)參考方向與實(shí)際方向一致,當(dāng)1<0時(shí)參考方向與實(shí)際方向相 反,i 二一*(5)電流的測(cè)量:利用安培表,安培表應(yīng)串聯(lián)在電路中,直流安培表有正負(fù)端子。2.電壓(1) 定義:電場(chǎng)力將單位正電荷從電場(chǎng)中的a點(diǎn)移到b點(diǎn)所做的功,稱其為 a、b兩點(diǎn)間的電壓?;蛉我鈨牲c(diǎn)間的電位差稱為電壓。(2) 電壓?jiǎn)挝唬悍?V ) , IV = 10 3 mV = 10 6 u V , lkV = 1

4、0 3 V(3) 電壓方向:規(guī)定把電位降低的方向作為電壓的實(shí)際方向。電壓的方向不變?yōu)?直流電壓Uab ,方向和大小都變化為交流電壓u ab °假設(shè)的電壓方向稱為電 壓的參考方向。(4 )標(biāo)定:可以采用以下兒種方式,“ + ”高電位端、“一”低電位端, 當(dāng)U> 0時(shí)參考方向與實(shí)際方向一致,當(dāng)U<Q時(shí)參考方向與實(shí)際方向相反。負(fù)我負(fù)我負(fù)載a CZZ3ba 1 tba | 1b(5 )電壓的測(cè)量:利用伏特表,伏特表應(yīng)并聯(lián)在電路中,直流伏特表有正負(fù) 端子。(6 )電位:正電荷在電路中某點(diǎn)所具有的能量與電荷所帶電量的比稱為該點(diǎn) 的電位。電路中的電位是相對(duì)的,與參考點(diǎn)的選擇有關(guān),某點(diǎn)的

5、電位等于該點(diǎn)與 參考點(diǎn)間的電壓。電路中a、b兩點(diǎn)間的電壓等于a、b兩點(diǎn)間的電位差。 即U ab =V a -V b o所以電壓是絕對(duì)的,其大小與參考點(diǎn)的選擇無(wú)關(guān);但電位 是相對(duì)的,其大小與參考點(diǎn)的選擇有關(guān)。3.能量(1) 定義:在11時(shí)間內(nèi),電路所消耗的電能。用®=p(s)dtJco(2) 能量單位:焦耳(J),電能的常用單位為度,1度=1千瓦X 1小時(shí)(3) 能量方向:吸收、釋放功率4.功率 定義:?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)消耗電能即電場(chǎng)力在單位時(shí)間內(nèi)所做的功。dWdi(眄dq 二 i ( t ) dt:.p ( t ) = u ( t ) 1 ( t )(W)(2) 功率單位:瓦特(W)(3)

6、功率方向:提供、消耗負(fù)載(4 )功率的測(cè)量:利用功率表。例1-1 :有一個(gè)電飯鍋,額定功率為1000W ,每天使用2小時(shí);一臺(tái)25寸 電視機(jī),功率為60W ,每天使用4小時(shí);一臺(tái)電冰箱,輸入功率為120W ,電 冰箱的壓縮機(jī)每天工作8小時(shí)。計(jì)算每月(30天)耗電多少度?解: (lkW X 2 h + 0. 06kW X 4h + 0. 12kW X 8h ) X 30 天=(2 度 + 0.24 度 + 0. 96 度)X 30 = 52 度答:每月耗電52度5.參考方向(1)定義:任意假設(shè)電壓、電流的方向稱為參考方向。參考方向可任意標(biāo)定, 方向標(biāo)定后,電流、電壓、電動(dòng)勢(shì)之值可正可負(fù);計(jì)算結(jié)果

7、存在兩種情況: "+ ”說(shuō)明參考方向與真實(shí)方向相同; "一 ”說(shuō)明參考方向與真實(shí)方向相反。注意:選定參考方向后,不再更改計(jì)算結(jié)果的正、負(fù)只與圖中參考方向結(jié)合起來(lái)才有物理意義。(2 )關(guān)聯(lián)參考方向:元件上電流和電壓的參考方向一致。在進(jìn)行功率計(jì)算時(shí), P = U I。非關(guān)聯(lián)參考方向:元件上電流和電壓的參考方向不一致。在進(jìn)行功率計(jì)算時(shí),P =-U I O如果假設(shè)U、I參考方向一致,則當(dāng)計(jì)算的P > 0時(shí),則說(shuō)明U、I的 實(shí)際方向一致,此部分電路消耗電功率,為負(fù)載。當(dāng)計(jì)算的p<0時(shí),則說(shuō)明 U、I的實(shí)際方向相反,此部分電路發(fā)出電功率,為電源。所以,從P的+或 -可以區(qū)分

8、器件的性質(zhì),或是電源,或是負(fù)載。作業(yè):1-6-2 ,3,1-2第二節(jié)歐姆定律和電阻元件學(xué)習(xí)目標(biāo):1 .掌握歐姆定律。2 .掌握電阻定律和電阻的串并聯(lián)。重點(diǎn):1 .歐姆定律;2 .電阻的串并聯(lián)。難點(diǎn):電阻的串并聯(lián)。一、歐姆定律:反映電阻元件上電壓、電流約束1描述:對(duì)于線形電阻元件,在任何時(shí)刻它兩端的電壓與電流成正比例關(guān)系,R或 U = IR電阻一定時(shí),電壓愈高電流愈大;電壓一定,電阻愈大電流就愈小。2 功率的計(jì)算公式:根據(jù)歐姆定律可以推導(dǎo)出功率與電阻的關(guān)系式為:3表達(dá):在電路分析時(shí),如果電流與電壓的參考方向不一致,既為非關(guān)啥方向砂哎葩艙(曲咲陜奸方向關(guān)聯(lián)參考方向,如圖1-2 ( b )和(c )

9、歐姆定律的表達(dá)式為:或 U = 7R例1-2圖中的電阻為6Q,電流為2A ,求電阻兩端的電壓U .圖1-2歐姆定律解:圖(a )關(guān)聯(lián) = Z 斤=2A X 6 Q = 12V圖(b )非關(guān)聯(lián) U =一 / 斤=一 2A X 6 Q= 12V ,圖(c )非關(guān)聯(lián) U =一 7斤=一 2A X 6 Q= 12V計(jì)算結(jié)果圖(a )電壓是正值,說(shuō)明圖(a )中的電壓實(shí)際方向與所標(biāo)的參考 方向一致;圖(b )、( c )電壓為負(fù)值,說(shuō)明圖(b )、( c )中的電壓 實(shí)際方向與所標(biāo)的參考方向相反。二、電阻元件(1)定義:阻礙導(dǎo)體中自由電子運(yùn) 動(dòng)的物理量,表征消耗電能轉(zhuǎn)換成其它形式能量的物理特征。(2 )

10、電阻單位:歐姆(W ) , IM Q = 10 3 K W =10 6 Q <>(3 )電阻的分類:根據(jù)其特性曲線分為線形電阻和非線形電阻。 線性電阻的伏安特性曲線是一條通過(guò)坐標(biāo)原點(diǎn)的直線。斤二常數(shù): 非線性電阻的伏安特性曲線是一條曲線。(4 )電阻定律:對(duì)于均勻截面的金屬導(dǎo)體,它的電阻與導(dǎo)體的長(zhǎng)度成正比, 與截面積成反比,還與材料的導(dǎo)電能力有關(guān)。G = -R = to G=y-R 蟲(chóng)或 2其中Q為電阻率,卩為電導(dǎo)率。()電導(dǎo):表示元件的導(dǎo)電能力,是電阻的倒數(shù),用G表 示,單位為西門(mén)子(S )。(6 )電阻與溫度的關(guān)系: PTC電阻材料:正溫度系數(shù)較大,具有非常明顯的冷導(dǎo)體特性,可

11、用來(lái)制作 小功率恒溫發(fā)熱器。 NTC電阻材料:負(fù)溫度系數(shù)較大,具有非常明顯的熱導(dǎo)體特性,可用來(lái)制作 熱敏電阻。3.功率:P = UI = RI 2 =U 2 /R >0R是耗能元件三、電阻的串聯(lián)圖1-3 電阻的串聯(lián)5 _ 4 5 - 4 6 -=-A A1 各元件流過(guò)同一電流2外加電壓等于各個(gè)電阻上的電壓降之和。5=加分壓公式:53 .等效電阻:弘二刀念4 .功率:各個(gè)電阻上消耗的功率之和等于等效電阻吸收的功率。P尸心壬廠R四、電阻的并聯(lián)圖1-4 電阻的并聯(lián)1 .各支路電壓相同2 .未分支部分的電流等于各支路電流之和。乂由于入瓦"山,f二近gm ,所以丄二另丄G廠£&

12、amp;丘,等效電阻:G廠 飽,分流公式:3 .功率:電源供給的功率等于各電阻上消耗的功率之和。作業(yè):1-3-3 ,2-1-2 ,3,4第三節(jié)電源及電路的工作狀態(tài)學(xué)習(xí)標(biāo):1 .掌握電壓源和電流源的概念。2 .掌握電壓源和電流源的等效轉(zhuǎn)換。3 . 了解電路的工作狀態(tài):有載(滿載、輕載、過(guò)載)、開(kāi)路、短路。重點(diǎn):電壓源和電流源的等效轉(zhuǎn)換。難點(diǎn):電壓源和電流源的等效轉(zhuǎn)換。一、電壓源電路中的功能元件稱為電源,可以采用兩種模型表示,即電壓源和電流源。1 .理想電壓源(恒壓源)直流直流豌E流(1 )符號(hào):(2 )特點(diǎn):無(wú)論負(fù)載電阻如何變化,輸岀電壓即電源端電壓總保持為給定的US或u s (t)不變,電源中

13、的電流山外電路決定,輸岀功率可以無(wú)窮大,其內(nèi)阻為0。例 1-3 :如圖 1-5:U S =10V圖1-5 電壓源則當(dāng)斤接入時(shí):/=5A當(dāng)R 、 R 2同時(shí)接入時(shí):I二10A 特性曲線2實(shí)際電壓源u伏安特性 U心越大 斜率越大(1 )符號(hào):(2 )特點(diǎn):山理想電壓源串聯(lián)一個(gè)電阻組成,RS稱為電源的內(nèi)阻或輸岀電IR S ,當(dāng)R S二0時(shí),電壓源模型就變成恒壓源阻,負(fù)載的電壓U二U S直流交流二、電流源1 理想電流源(恒流源)(1) 符號(hào):(2) 特點(diǎn):無(wú)論負(fù)載電阻如何變化,總保持給定的 心或,S (t),電流源的端電壓山外電路決定,輸出功率可以無(wú)窮大,其內(nèi)阻無(wú)窮大。例 1一4 :如圖 1-6:Z

14、S 二1 A則:當(dāng) R =1 W 時(shí),U =1V , R =10 W 時(shí),6r =10 V(3 )特性曲線圖1-6 電流源2 .實(shí)際電流源(1)符號(hào):(2 )特點(diǎn):由理想電流源并聯(lián)一個(gè)電阻組成,負(fù)載的電流為1 = 1 S - Uab /RS,當(dāng)內(nèi)阻R S = ¥時(shí),電流源模型就變成恒流源模型。(3 )特性曲線:夕卜 tv43 恒壓源和恒流源的比較匪源恒流源f af /不變?cè)? ;(常數(shù)) 弘的大小、方向均為恒定, 外電路負(fù)我對(duì)色無(wú)綁。硝皿盂、1 Lb(揪)量/的大小、方向均為恒定, 外電路負(fù)載對(duì)/無(wú)綁。輸出電流/可變一端電壓色可變一化S,的大小.方向均 由外電路決定%的大小、方向 均

15、由外電路決定三、電壓源與電流源的轉(zhuǎn)換1 .特性:電壓源可以等效轉(zhuǎn)換為一個(gè)理想的電流源ZS和一個(gè)電阻斤S的并 聯(lián),電流源可以等效轉(zhuǎn)換為一個(gè)理想電壓源Z7S和一個(gè)電阻斤S的串聯(lián)。即轉(zhuǎn) 換公式:U S二R S *1 S2 注意:(1)轉(zhuǎn)換前后U S與I s的方向,I s應(yīng)該從電壓源的正極流出。(2 )進(jìn)行電路計(jì)算時(shí),恒壓源串電阻和恒電流源并電阻兩者之間均可等效變 換,斤S不一定是電源內(nèi)阻。(3 )恒壓源和恒流源不能等效互換。(4 )恒壓源和恒流源并聯(lián),恒流源不起作用,對(duì)外電路提供的電壓不變。恒 壓源和恒流源吊聯(lián),恒壓源不起作用,對(duì)外電路提供的電流不變。()與恒壓源并聯(lián)的電阻不影響恒壓源的電壓,電阻可

16、除去,不影響其它電 路的訃算結(jié)果;與恒流源串聯(lián)的電阻不影響恒流源的電流,電阻可除去,不影響 其它電路的訃算結(jié)果;但在計(jì)算功率時(shí)電阻的功率必須考慮。(6 )等效轉(zhuǎn)換只適用于外電路,對(duì)內(nèi)電路不等效。例1-5 :如圖1-7圖1-7電流源的轉(zhuǎn)換2第1頁(yè)共25貞Z7 = 4x4例1-6 :如圖1-8n*DC)*5V第1頁(yè)共25貞圖1-8電壓源的轉(zhuǎn)換5x3H-8>cI= 23i=例1-7 :如圖1-9圖1-9電壓源的轉(zhuǎn)換四、電路的工作狀態(tài):有載(滿載、輕載、過(guò)載)、開(kāi)路、短路。1 .開(kāi)路狀態(tài)電源與負(fù)載斷開(kāi),稱為開(kāi)路狀態(tài),乂稱空載狀態(tài)。開(kāi)路狀態(tài)電流為零,負(fù)載不工作u = IR = 0 ,而開(kāi)路處的端電

17、壓U0 = E。2 .短路狀態(tài):電源兩端沒(méi)有經(jīng)過(guò)負(fù)載而直接連在一起時(shí),稱為短路狀態(tài)。11=0,1 S S /R S , P RS =1 2 R S , P =0 o 短路電流 I S = U S / R S 很 大,如果沒(méi)有短路保護(hù),會(huì)發(fā)生火災(zāi)。短路是電路最嚴(yán)重、最危險(xiǎn)的事故,是禁 止的狀態(tài)。產(chǎn)生短路的原因主要是接線不當(dāng),線路絕緣老化損壞等。應(yīng)在電路中 接入過(guò)載和短路保護(hù)。3 .有載狀態(tài):電源與負(fù)載接通,構(gòu)成回路,稱為有載狀態(tài),U = IR = E -IRO ,有載狀態(tài)時(shí)的功率平衡關(guān)系為:電源電動(dòng)勢(shì)輸出的功率PS = USIS , 電源內(nèi)阻損耗的功率P RS = I 2 R S負(fù)載吸收的功率P

18、 = I2R = PS PRS ,功率平衡關(guān)系PS=P + P RS °用電設(shè)備都有限定的工作條件和能力,產(chǎn)品在給定的工作條件下正常運(yùn)行而規(guī) 定的正常容許值稱為額定值。使用值等于額定值為額定狀態(tài);實(shí)際電流或功率 大于額定值為過(guò)載;小于額定值為欠載。4 .電源和負(fù)載的判定(1) 根據(jù)電壓和電流的實(shí)際方向可確定某元件是電源或是負(fù)載:U . /同向?yàn)?負(fù)載;U、/反向?yàn)殡娫础?2) 根據(jù)功率可確定某元件是電源或是負(fù)載:電壓與電流取關(guān)聯(lián)參考方向時(shí):P=UI為正是負(fù)載;P=UI為負(fù)是電源;電壓與電流取非關(guān)聯(lián)參考方向時(shí):為正是電源;P二UI為負(fù)是負(fù)載。作業(yè):1-5-4 ,5 ,1-6 , 7第四

19、節(jié) 基爾霍夫定律學(xué)習(xí)標(biāo):1 .掌握基爾霍夫的兩個(gè)定律。2 .掌握電位的計(jì)算。重點(diǎn):基爾霍夫的電壓定律和電流定律。難點(diǎn):電位的計(jì)算。一、基本概念支路:沒(méi)有分支的一段電路。結(jié)點(diǎn):三條以上支路的匯集點(diǎn),也叫節(jié)點(diǎn)。在同一支路內(nèi),流過(guò)所有元件的電流相等?;芈罚荷街窐?gòu)成的閉合路徑。b如圖1-10 :支路有3條,結(jié)點(diǎn)有網(wǎng)孔:未被其他支路分割的單孔回路。8 、 b共2個(gè),回路有3個(gè),網(wǎng)孔有2個(gè)。如圖1-11 :支路有6條,結(jié)點(diǎn)有8、 b、c、d4個(gè),回路有8個(gè),網(wǎng) 孔有3個(gè)。圖 1-11圖 1-10b二、基爾霍夫電流定律:乂叫節(jié)點(diǎn)電流定律,簡(jiǎn)稱KCL o1 -描述:電路中任意一個(gè)節(jié)點(diǎn)上,在任一時(shí)刻,流入節(jié)點(diǎn)

20、的電流之和,等于流出節(jié)點(diǎn)的電流之和?;颍涸谌我浑娐返娜我还?jié)點(diǎn)上,電 流的代數(shù)和永遠(yuǎn)等于零?;鶢柣舴螂娏鞫梢罁?jù)的是電流的連續(xù)性原理。圖 1-122 .公式表達(dá):工流入二 工流出,工U0。當(dāng)用第二個(gè)公式時(shí),規(guī)定流 入結(jié)點(diǎn)電流為正,流出結(jié)點(diǎn)電流為負(fù)。例圖1-12 :對(duì)于節(jié)點(diǎn)A , 一共有五個(gè)電流經(jīng)過(guò):可以表示為I 1 十 13 = 12 + 14 + 15 或 I 1 + ( -1 2 ) + I 3 + ( -1 4 ) * ( < 5 ) = 0。3 .廣義結(jié)點(diǎn):基爾霍夫電流定律可以推廣應(yīng)用于任意假定的封閉面。對(duì)虛線所包圍的閉合面可視為一個(gè)結(jié)點(diǎn),該結(jié)點(diǎn)稱為廣義結(jié)點(diǎn)。即流進(jìn) 封閉面的電流等

21、于流出封閉面的電流。圖 1-14廣文結(jié)點(diǎn)石 +右_£_厶二° 或 A+;3 = Z2+/4如圖1-13 :圖 1-13又如圖 1-14 : Z1 + /2-Z3 二0 或 I 1 + I2 = 73例 1-8 : 已知圖 1-15 中的 ZC = 1.5mA , Z5 = 1.54 mA ,求 ZB = ?圖 1-15解:根據(jù)KCL可得ZB+ZC = Z5,Z B = IE I C = 1. 54 mA 1. 5 mA = 0. 04 mA = 40 u A 例1-9 :如圖1-16所示的電橋電路,已知Z 1二25A, 13 = 16mA, I 4 =12mA,求其余各電阻

22、中的電流。1. 先任意標(biāo)定未知電流12、/5、和Z6的參考方向。2. 根據(jù)基爾霍夫電流定律對(duì)節(jié)點(diǎn)a, b,c分別列出結(jié)點(diǎn)電流方程式:-J1a 點(diǎn):11=12+1325 -16 二 9mAb 點(diǎn):12=15+15Io=I2 -16 = 9-(-4) = 13mAc點(diǎn):14=131616 =14-13 二 12-16 = - 4mA結(jié)果得出Z6的值是負(fù)的,表示Z6的實(shí)際方向與標(biāo)定的參考方向相反。三、基爾霍夫電壓定律:乂叫回路電壓定律,簡(jiǎn)稱KVL 圖 1-161 .描述:在任一瞬間沿任一回路繞行一周,回路中各個(gè)元件上電壓的代數(shù)和等于零?;?各段電阻上電壓降的2 公式表達(dá):2 U = Q 或RI二U

23、S3 注意:常用公式RI= X列回路的電壓方程:(1 )先設(shè)定一個(gè)回路的繞行方向和電流的參考方向圖 1-17(2 )沿回路的繞行方向順次求電阻上的電壓降,當(dāng)繞行方向與電阻上的電流 參考方向一致時(shí),該電壓方向取正號(hào),相反取負(fù)號(hào)。(3 )當(dāng)回路的繞行方向從電源的負(fù)極指向正極時(shí),等號(hào)右邊的電源電壓取正,否則取負(fù)。例1-9 :試列寫(xiě)圖1-17各回路的電壓方程。對(duì)回路 1 :=Ui對(duì)回路2 : 呼2 +氏3<3 =6對(duì)回路3 :耐'1一氏2,2=6-6圖 1-18第1頁(yè)共25貞4 .基爾霍夫電壓定律的推廣:基爾霍夫電壓定律不僅可以用在網(wǎng)絡(luò)中任一閉合回路,還可以推廣到任一不閉合回路中。如對(duì)于

24、 圖1-18網(wǎng)孔1即是一個(gè)不閉合的回路,把不閉合兩端點(diǎn)間的電壓列入回路電 壓方程,則其電壓方程可以寫(xiě)為:即】+人二®,則=一氏1厶+®,山此 總結(jié)出任意兩點(diǎn)之間的電壓 %=乞更-吝.其中斤上的電壓和厶*上的電壓的規(guī)定與前面的規(guī)定是一樣的。對(duì)于網(wǎng)孔2這個(gè)不閉合的回路來(lái)求 則 % =2史-遠(yuǎn)兀=-R並-w =u2 -r2i2注意:電路中任意兩點(diǎn)間的電壓是與計(jì)算路徑無(wú)關(guān)的,是單值的。所以,基爾 霍夫電壓定律實(shí)質(zhì)是兩點(diǎn)間電壓與計(jì)算路徑無(wú)關(guān)這一性質(zhì)的具體表現(xiàn)。5 .電位的計(jì)算:(1)表示:在電路中任選一結(jié)點(diǎn),設(shè)其電位為零,此點(diǎn)稱為參考點(diǎn)。其它各 結(jié)點(diǎn)對(duì)參考點(diǎn)的電壓,便是該結(jié)點(diǎn)的電位,記為:“卩/”(

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