《電路基礎(chǔ)》--教學(xué)課件

1、1.5 1.5 電路電路的等效變換的等效變換1.1 1.1 電路和電路和電路模型電路模型1.6 1.6 直流電路直流電路中的幾個(gè)問題中的幾個(gè)問題1.3 1.3 基爾基爾 霍夫定律霍夫定律第第1章章 電路的基本概念和基本定律電路的基本概念和基本定律 1.4 1.4 電壓源電壓源 和電流源和電流源1.2 1.2 電路的電路的基本物理量基本物理量本章的學(xué)習(xí)目的和要求 本章內(nèi)容是貫穿全課程的重要理論基礎(chǔ)，要求在學(xué)習(xí)中給予足夠的重視。通過對(duì)本章學(xué)習(xí)，要求理解理想電路元件和電路模型的概念；進(jìn)一步熟悉電壓、電流、電動(dòng)勢(shì)和電功率等基本物理量的概念；深刻理解和掌握參考方向在電路分析中的作用；初步理解和掌握基爾霍

2、夫定律的內(nèi)容及其應(yīng)用；領(lǐng)會(huì)電路等效的概念和掌握電路等效的基本方法。電路的概念 由實(shí)際元器件構(gòu)成的電流的通路稱為電路。1、電路的組成及其功能 電路通常由電源、負(fù)載和中間環(huán)節(jié)三部分組成。電路的組成1、電路的組成及其功能.電路的功能1、電路的組成及其功能電力系統(tǒng)中電力系統(tǒng)中電子技術(shù)中電子技術(shù)中2、電路模型負(fù)載電源開關(guān)連接導(dǎo)線SRL+ UIUS+_R0 用抽象的理想電路元件及其組合，近似地代替實(shí)際的器件，從而構(gòu)成了與實(shí)際電路相對(duì)應(yīng)的電路模型。理想電路元件2、電路模型R+ USLIS 理想電路元件是實(shí)際電路器件的理想化和近似理想化和近似，其電特性單一單一、精確精確，可定量分析和計(jì)算。C利用電路模型研究問

3、題的特點(diǎn)2、電路模型1、電路模型是用來探討存在于具有不同特性的、各種真實(shí)電路中共同規(guī)律的工具。2、電路模型主要針對(duì)由理想電路元件構(gòu)成的集總參數(shù)電路，集總參數(shù)電路中的元件上所發(fā)生的電磁過程都集中在元件內(nèi)部進(jìn)行，任何時(shí)刻從元件兩端流入和流出的電流恒等、且元件端電壓值確定。因此電磁現(xiàn)象可以用數(shù)學(xué)方式來精確地分析和計(jì)算。3、電路分析基本理論中運(yùn)用電路模型，其主要任務(wù)就是在尋求實(shí)際電路共有的一般規(guī)律、探討各種實(shí)際電路共同遵守的基本規(guī)律時(shí)帶來方便。電路由哪幾部分電路由哪幾部分組成？各部分的組成？各部分的作用是什么？作用是什么？何謂理想電路元件？何謂理想電路元件？其中其中“理想理想”二字在二字在實(shí)際電路的含

4、義？實(shí)際電路的含義？集總參數(shù)集總參數(shù)元件有何元件有何特征？特征？如何在電路如何在電路中區(qū)分電源中區(qū)分電源和負(fù)載？和負(fù)載？試述電路的功試述電路的功能？何謂能？何謂“電電路模型路模型”？學(xué)好本課程，應(yīng)注意抓好四個(gè)主要環(huán)節(jié)：還要處理好三個(gè)基本關(guān)系：1、電流電流的大小i dqdt=（1-1）穩(wěn)恒直流情況下I Q t=（1-2）1A=103mA=106A=109nA單位換算電流的方向 習(xí)慣上規(guī)定以正電荷移動(dòng)的方向?yàn)殡娏鞯恼较颉?電路圖上標(biāo)示的電流方向?yàn)?，參考方向是為列寫方程式提供依?jù)的，實(shí)際方向根據(jù)計(jì)算結(jié)果來定。2、電壓、電位和電動(dòng)勢(shì)I 電位V是相對(duì)于參考點(diǎn)的電壓。 參考點(diǎn)的電位:Vb=0；a點(diǎn)電位：

5、Va=E-IR0=IR+ URL_SE+R0 電動(dòng)勢(shì)電動(dòng)勢(shì)E只存只存在電源內(nèi)部，在電源內(nèi)部，其數(shù)值反映了其數(shù)值反映了電源力作功的電源力作功的本領(lǐng)，方向規(guī)本領(lǐng)，方向規(guī)定由電源負(fù)極定由電源負(fù)極指向電源正極指向電源正極 路端電壓路端電壓U。電壓的大小反映電壓的大小反映了電場(chǎng)力作功的了電場(chǎng)力作功的本領(lǐng)；電壓是產(chǎn)本領(lǐng)；電壓是產(chǎn)生電流的根本原生電流的根本原因；其方向規(guī)定因；其方向規(guī)定由由“高高”電位端電位端指向指向“低低”電位電位端。端。2、電壓、電位和電動(dòng)勢(shì)Uab=WaWbqVa=WaW0qE=W源q 顯然電壓、電位和電動(dòng)勢(shì)的定義式形式相同，因此它們的單位一樣，都是伏特V。 電壓等于兩點(diǎn)電位之差：三者的

6、區(qū)別和聯(lián)系Uab=VaVb 電源的開路電壓在數(shù)值上等于電源電動(dòng)勢(shì)； 電路中某點(diǎn)電位數(shù)值上等于該點(diǎn)到參考點(diǎn)的電壓。3、電功和電功率電流能使電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)、電爐發(fā)熱、電燈發(fā)光，說明電流具有做功的本領(lǐng)。單位：U【V】；I【A】；t【s】時(shí)，電功W為焦耳【J】若U【KV】；I【A】；t【h】時(shí)，電功W為度【KWh】的概念1000W的電爐加熱1小時(shí)100W的燈泡照明10小時(shí)40W的燈泡照明25小時(shí) 日常生活中，用電度表測(cè)量電功。當(dāng)用電器工作時(shí)，電度表轉(zhuǎn)動(dòng)并且顯示電流作功的多少。顯然電功的大小不僅與電壓電流的大小有關(guān)，還取決于用電時(shí)間的長(zhǎng)短。3、電功和電功率單位時(shí)間內(nèi)電流所作的功稱為電功率，電功率的大小表征了

7、設(shè)備能量轉(zhuǎn)換的本領(lǐng)。國(guó)際單位制：U 【V】，I【A】，電功率P用瓦特【W(wǎng)】。用電器的銘牌數(shù)據(jù)值稱為額定值，額定值指用電器長(zhǎng)期、安全工作條件下的，一般在出廠時(shí)標(biāo)定。額定電功率反映了設(shè)備能量轉(zhuǎn)換的本領(lǐng)。例如額定值為“220V、1000W”的電動(dòng)機(jī)，是指該電動(dòng)機(jī)運(yùn)行在220V電壓時(shí)、1秒鐘內(nèi)可將1000焦耳的電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能和熱能；“220V、40W”的電燈，表明該燈在220V電壓下工作時(shí)，1秒鐘內(nèi)可將40焦耳的電能轉(zhuǎn)換成光能和熱能。關(guān)聯(lián)和非關(guān)聯(lián)4、參考方向aIUbaIUb 實(shí)際電源上的電壓、電流方向總是的，實(shí)際負(fù)載上的電壓、電流方向是的。因此，假定某元件是電源時(shí)，其電壓、電流方向應(yīng)選取非關(guān)聯(lián)參考方

8、向；假定某元件是負(fù)載時(shí)，其電壓、電流方向應(yīng)選取關(guān)聯(lián)參考方向。關(guān)于參考方向的有關(guān)注意事項(xiàng)4、參考方向(1)分析電路前應(yīng)電壓電流的，并標(biāo)在圖中；(2)參考方向一經(jīng)選定，在計(jì)算過程中不得任意改變。參考方向是列寫方程式的需要，是待求值的假定方向而不是真實(shí)方向，因此不必追求它們的物理實(shí)質(zhì)是否合理。(4)參考方向也稱為假定正方向，以后討論均在參考方向下進(jìn) 行，實(shí)際方向由計(jì)算結(jié)果確定。(3)電阻、電抗或阻抗一般選取關(guān)聯(lián)參考方向，獨(dú)立源上一般選取非關(guān)聯(lián)參考方向。(5)在分析、計(jì)算電路的過程中，出現(xiàn)“正、負(fù)”、“加、減”及“相同、相反”這幾個(gè)名詞概念時(shí)，不可混為一談。仔細(xì)理解下面的例題 圖示電路，若已知元件吸收

9、功率為20W，電壓U為5V，求電流I。+UI元元 件件I=PU=205=4A圖示電路，已知元件中通過的電流為100A，電壓U為10V，電功率P。并說明元件性質(zhì)。+UI元元 件件P=UI =10(-100) =1000W元件吸收正功率，說明元件是負(fù)載。 電壓、電位、電動(dòng)勢(shì)有何異同？ 電功率大的用電器，電功也一定大，這種說法正確嗎？為什么？ 電路分析中引入?yún)⒖挤较虻哪康氖菫榉治龊陀?jì)算 電路提供方便和依據(jù)。 在電路分析中，引入?yún)⒖挤较虻哪康氖鞘裁矗?應(yīng)用參考方向時(shí)，你能說明“正、負(fù)”、“加、減”及“相同、相 反”這幾對(duì)名詞的不同之處嗎？ 應(yīng)用參考方向時(shí)，“正、負(fù)” 指在參考方向下，電壓電流數(shù)值前面的

10、正、負(fù)號(hào)，若參考方向下某電流為“2A”，說明其實(shí)際方向與參考方向相反，參考方向下某電壓為“20V”，說明其實(shí)際方向與參考方向一致；“加、減”指參考方向下電路方程式各項(xiàng)前面的正、負(fù)符號(hào)； “相同”是指電壓、電流參考方向關(guān)聯(lián)，“相反”指的是電壓、電流參考方向非關(guān)聯(lián)。 1、幾個(gè)常用的電路名詞支路：支路：一個(gè)或幾個(gè)二端元件首尾相接中間無分岔， 使各元件上通過的電流相等。 （m）結(jié)點(diǎn)：結(jié)點(diǎn)：三條或三條以上支路的匯集點(diǎn)。 （n）回路：回路：電路中的任意閉合路徑。 （l）網(wǎng)孔：網(wǎng)孔：不包含其它支路的單一閉合路徑。m=3abl=3n=2112332網(wǎng)孔網(wǎng)孔=2+_R1US1+_US2R2R32、結(jié)點(diǎn)電流定律K

11、CLKCL定律的內(nèi)容任一時(shí)刻，流入電路中任一結(jié)點(diǎn)上電流的代數(shù)和恒等于零。數(shù)學(xué)表達(dá)式為：I1I2I3I4a 通常規(guī)定以指向結(jié)點(diǎn)的電流取正，背離結(jié)點(diǎn)的電流取負(fù)。在此規(guī)定下，根據(jù)KCL可對(duì)結(jié)點(diǎn) a列出KCL方程：（任意波形的電流）（穩(wěn)恒不變的電流）KCL的有關(guān)舉例與討論 舉例1i1i4i2i3整理為 i1+ i3= i2+ i4可列出KCL：i1 i2+i3 i4= 0根據(jù) i（t）= 0可得KCL的另一種形式：i入入= i出出KCL的推廣應(yīng)用 對(duì)圖示電路的三個(gè)結(jié)點(diǎn)分別列KCL 可見，在任一瞬間通過任一封閉面的電流的代數(shù)和也恒等于零。IAIBIABIBCICAICABCIA = IAB ICAIB

12、= IBC IABIC = ICA IBC 把上述三式相加可得KCL的推廣應(yīng)用 二端網(wǎng)絡(luò)的兩個(gè)對(duì)外引出端子，電流由一端流入、從另一端流出，因此兩個(gè)端子上的電流數(shù)值相等。只有一條支路相連時(shí)： ABi1i2i3IA = IAB ICAABi1i2ABi 圖示B封閉曲面均可視為廣義結(jié)點(diǎn)，KCL應(yīng)用舉例 j jA = j j BABi2i1i1 =i2j jA = j j B+_1+_113V1112Vi1 = i2右封閉曲面可視為廣義節(jié)點(diǎn)？舉例13、回路電壓定律KVL 基爾霍夫電壓定律是用來確定回路中各段電壓之間關(guān)系的電壓定律。 回路電壓定律依據(jù)“電位的單值性原理”，其內(nèi)容：I1+US1R1I4US

13、4R4I3R3R2I2_U3U1U2U4先標(biāo)繞行方向-U1-US1+U2+U3+U4+US4=0I1+US1R1I4US4R4I3R3R2I2_U3U1U2U4R1I1US1+R2I2+R3I3+R4I4+US4=0R1I1+R2I2+R3I3+R4I4=US1US4可得KVL另一形式：KVL定律的第二種形式根據(jù)電路圖將各電壓改寫為：-U1-US1+U2+U3+U4+US4=0把上式加以整理：KVL定律的推廣應(yīng)用 USI IUR+_+_KVL定律的推廣應(yīng)用 ABCUA+_UAB+_UB+_KVL定律應(yīng)用舉例 #1#2#3I1I2I3R3US1+_US2_+R1R20S13311URIRI電源壓

14、升 S13311URIRIS23322URIRIKVL定律應(yīng)用舉例 #1#2#3I1I2I3R3US1+_US2_+R1R2S1S22211UURIRI）（）（2 1 S23322S13311URIRIURIRI KVL方程式的常用形式，是把變量和已知量區(qū)分放在方程式兩邊，顯然給解題帶來一定方便?；鶢柣舴蚨蓱?yīng)用舉例？舉例1：求圖中電壓U和電流I。UIKCL：-3-1+2-I=0 I= -2AVAR: U1=3I=3(-2)= -6VKVL：U+U1+3-2=0 U=5V3A3V2V3W WU11A2A基爾霍夫定律應(yīng)用舉例？舉例2：求圖中電位Va。14A23V-I=0aVa=U1+3V=(4)

15、 1+3=1VU1根據(jù)自己的理解說根據(jù)自己的理解說明什么是支路？回明什么是支路？回路？結(jié)點(diǎn)和網(wǎng)孔？路？結(jié)點(diǎn)和網(wǎng)孔？某電壓或某電流得某電壓或某電流得負(fù)值說明什么？負(fù)值說明什么？基爾霍夫兩定律基爾霍夫兩定律的推廣應(yīng)用如何的推廣應(yīng)用如何理解和掌握？理解和掌握？列寫列寫KCL、KVL方程式前，不方程式前，不在圖上標(biāo)出電壓、電流和繞行在圖上標(biāo)出電壓、電流和繞行參考方向行嗎？參考方向行嗎？1、理想電壓源理想電壓源的定義理想電壓源的特點(diǎn)能獨(dú)立向外電路提供恒定電壓的二端元件。US恒定，I由電源和外電路共同決定。USUI0理想電壓源的伏安特性理想電壓源的圖符號(hào)平行于電流軸的一條直線US理想電壓源的開路與短路開路

16、開路I=0US+_RL+_U=USI=US+_RL短路短路+_U=0理想電壓源上的功率計(jì)算參考方向下+UIP發(fā)發(fā)=UI 參考方向下P發(fā)發(fā)=UI +UI P吸吸=UIP吸吸= UI理想電壓源的串聯(lián)與并聯(lián)US= USk 電壓值相同的電壓源才能并聯(lián)，且每個(gè)電源的電流不確定。US2+_+US1US= US1 U S25V+_+_5VI5V+_I+_US2、理想電流源理想電流源的定義理想電流源的特點(diǎn)能獨(dú)立向外電路提供恒定電流的二端元件。IS恒定，U由電源和外電路共同決定。ISIU0理想電流源的伏安特性理想電流源的圖符號(hào)平行于電壓軸的一條直線IS理想電流源的開路與短路I=IS+_U=+_U=0 理想電流源

17、輸出的電流值恒定，開路時(shí)由于理想電流源內(nèi)阻無窮大，因此其端電壓將趨近于無窮大！ISRLISRLI=IS光電池、穩(wěn)流三極管一般可視為實(shí)際電流源。理想電流源的開路與短路I=IS+_U=+_U=0 理想電流源輸出的電流值恒定，開路時(shí)由于理想電流源內(nèi)阻無窮大，因此其端電壓將趨近于無窮大！ISRLISRLI=IS光電池、穩(wěn)流三極管一般可視為實(shí)際電流源。理想電流源的串聯(lián)與并聯(lián) IS1 IS2 IS3 ISIS= ISk IS= IS1+ IS2 IS3 電流相同的理想電流源才能串聯(lián)，且每個(gè)恒流源的端電壓均由它本身及外電路共同決定。ISUS ISUS IS1 IS2US1US2 US IS IS 在電路等效

18、的過程中，與理想電壓源相并聯(lián)的電流源不起作用！ 與理想電流源相串聯(lián)的電壓源不起作用！3、實(shí)際電源的兩種電路模型IbUSUR0RL+_+_aIURLR0+IS R0U ab 若實(shí)際電源輸出的電壓值變化不大，可用電壓源和電阻相串聯(lián)的電源模型表示，即實(shí)際電源的。 若實(shí)際電源輸出的電流值變化不大，則可用電流源和電阻相并聯(lián)的電源模型表示，即實(shí)際電源的。兩種實(shí)際電源模型的外特性電壓源模型外特性USUI0ISIU0電流源模型外特性 實(shí)際電源總是存在內(nèi)阻的。若把電源內(nèi)阻視為恒定不變，則電源內(nèi)部、外部的消耗就主要取決于外電路負(fù)載的大小。在電壓源形式的電路模型中，內(nèi)外電路的消耗是以分壓形式進(jìn)行的；在電流源形式的電

19、路模型中，內(nèi)外電路的消耗是以分流形式進(jìn)行的。1、理想電壓源和理想電流源各有什么特點(diǎn)？它們與實(shí)際電源的主要區(qū)別在哪里？2、碳精送話器的電阻隨聲音的強(qiáng)弱變化，當(dāng)電阻阻值由300變至200時(shí)，假設(shè)由3V理想電壓源對(duì)它供電，電流變化為多少？3、實(shí)際電源的電路模型如課本上圖1.13（a）所示，已知電源為20V,負(fù)載電阻為50，當(dāng)內(nèi)阻分別為0.2 和30時(shí)，流過負(fù)載的電流各為多少？由計(jì)算結(jié)果可說明什么問題？4、當(dāng)電流源內(nèi)阻很小時(shí)，對(duì)電路有什么影響？1、電阻之間的等效變換RUI+R1R2UI+串聯(lián)電路電阻等效是“”的關(guān)系21111RRRR2R1IU+UR+I并聯(lián)電路電阻等效是“”關(guān)系電阻的混聯(lián)電路求解舉例1

20、KIU+6K3K6K 已知圖中U=12V，求I=？R=6/(1+3/6)=2KI=U/R=12/2)=6mAUR+IY形網(wǎng)絡(luò)與形網(wǎng)絡(luò)之間的等效123I1R1R2R3U12123I1R12R23R31U12213322131113322123313322112RRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRR312312233133123121223231231231121RRRRRRRRRRRRRRRRRRYY3 31RRRR，或Y網(wǎng)絡(luò)與網(wǎng)絡(luò)等效舉例150A150150150150BAB505050150150RAB=50+(50+150)/(50+150)=1502、電源之間的等效變換Us =

21、 Is R0Is = UsR0U+IaRLR0IS R0US b兩種電源模型之間等效變換時(shí)，內(nèi)阻不變。I IU+_bUSR0RL+_a利用電源之間的等效簡(jiǎn)化電路舉例I=0.5A+_15V_+8V7W W7W W I 5A3W W4W W7W W 2A I=？ 6A+_ U 5W W5W W 10V 10VU=82.5=20V 2A 6A+_ U 5W W 5W W 8A+_U 2.5W W 等效條件：對(duì)外部等效，對(duì)內(nèi)部不等效； 理想電源之間不能等效互換，實(shí)際電源模型之間可以等效變換； 實(shí)際電源模型等效變換時(shí)應(yīng)注意等效過程中參數(shù)的計(jì)算、電源數(shù)值與其參考方向的關(guān)系； 電阻之間等效變換時(shí)一定要注意找

22、對(duì)結(jié)點(diǎn)，這是等效的關(guān)鍵； 與理想電壓源并聯(lián)的支路對(duì)外可以開路等效； 與理想電流源串聯(lián)的支路對(duì)外可以短路等效。1、電路中各點(diǎn)電位的計(jì)算 電路中某一點(diǎn)的電位是指由這一點(diǎn)到的電壓；原則上電路參考點(diǎn)可以任意選取通?？烧J(rèn)為參考點(diǎn)的電位為零值Va = US1Vc = US2Vb = I3 R3若以d為參考點(diǎn)，則:US1+_R1+_US2R2R3I3abcddabcR1R2R3？電位的計(jì)算應(yīng)用舉例 舉例1：分別以A、B為參考點(diǎn)計(jì)算C和D點(diǎn)的電位及UCD。I =10 + 53 + 2= 3 AVC = 3 3 = 9 VVD= 3 2= 6 VVD = 5 VVC = 10 VUCD = VC VD= 15

23、V10 V2 W W+5 V+3 W WBCDIAUCD = VC VD = 15 V電位的計(jì)算應(yīng)用舉例舉例2：下圖所示電路，求S打開和閉合時(shí)a點(diǎn)電位各為多少？a12V6K4K20KS12VI=12-(-12) (6+4+20)=0.8mAIVa=12-0.820=4V12V20KS12V4K6KaII=12(20+4)=0.5mAVa=0.54=2V2、電橋電路電橋電路是一個(gè)復(fù)雜電路，如圖所示：abcdR1R2R3R4R0USR 電橋電路中的電阻R1、R2、R3、R4稱為電橋電路的4個(gè)橋臂，R構(gòu)成了橋支路，接在a、b兩結(jié)點(diǎn)之間；含有內(nèi)阻的電源接在c、d兩個(gè)結(jié)點(diǎn)之間。 一般情況下，a、b兩點(diǎn)的

24、電位不相等，R所在的橋支路有電流通過。若調(diào)整R1、R2、R3和R4的數(shù)值滿足對(duì)臂電阻的乘積相等時(shí)，a、b兩點(diǎn)就會(huì)等電位，則橋支路中無電流通過，這時(shí)我們稱電橋達(dá)到“平衡”，平衡電橋如圖所示：abcdR1R2R3R4R0USabcdR1R2R3R4R0US2、電橋電路 實(shí)際應(yīng)用中，常常利用平衡電橋測(cè)量電阻。惠斯登電橋就是應(yīng)用實(shí)例。 橋臂中有一個(gè)為待測(cè)電阻Rx，其余三個(gè)橋臂中有兩個(gè)數(shù)值已知，組成比率臂，另一個(gè)和待求電阻Rx構(gòu)成另一對(duì)橋臂。橋支路接一檢流計(jì)，接電源后，調(diào)整橋臂數(shù)值，讓檢流計(jì)的計(jì)數(shù)為零，此時(shí)再根據(jù)其余三個(gè)橋臂的數(shù)值算出Rx的數(shù)值： Rx=R2R3/R12、電橋電路abcdR1R2R3R4R0US 電橋平衡時(shí)顯然是一個(gè)簡(jiǎn)單電路。直流電橋按其功能可分為直流單臂電橋和直流雙臂電橋，其中直流單臂電橋主要適合精確測(cè)量1以上的電阻，所以使用比較廣泛。 在實(shí)驗(yàn)中，電橋是否平衡對(duì)測(cè)量結(jié)果影響非常大。電橋的平衡依賴于對(duì)檢流計(jì)示零的判斷。 3、負(fù)載獲得最大功率的條件RLSUSIR0L2L00