電工學-第1章直流電路(修改).ppt

1、1,第 1 章 直流電路,1.1 電路的作用和組成,1.2 電路的基本物理量,1.3 電路的狀態(tài),1.4 電路中的參考方向,1.5 理想電路元件,1.6 基爾霍夫定律,1.7 支路電流法,下一章,上一章,返回主頁,1.8 疊加定理,1.9 等效電源定理,1.10 非線性電阻電路,大連理工大學電氣工程系,2,1.1 電路的作用和組成,一、什么是電路,電路就是電流流通的路徑。,是由某些元、器件為完成一定功能、按一定 方式組合后的總稱。,大連理工大學電氣工程系,3,二、電路的作用,一是實現(xiàn)能量的輸送和轉(zhuǎn)換。,二是實現(xiàn)信號的傳遞和處理。,三、電路的組成,電源：將非電形態(tài)的能量 轉(zhuǎn)換為電能。,負載：將電

2、能轉(zhuǎn)換為 非電形態(tài)的能量。,導線等：起溝通電路和 輸送電能的作用。,大連理工大學電氣工程系,4,從電源來看，電源本身的電流通路稱為內(nèi)電路， 電源以外的電流通路稱為外電路。,當電路中的電流是不隨時間變化的直流電流時， 這種電路稱為直流電路。,當電路中的電流是隨時間按正弦規(guī)律變化的交 流電流時，這種電路稱為交流電路。,二端 網(wǎng)絡(luò),二端 網(wǎng)絡(luò),大連理工大學電氣工程系,5,1.2 電路的基本物理量,I,1. 電流,電流的實際方向：規(guī)定為正電荷運動的方向。,E,US, , , ,UL,直流電路中：,（A）,大連理工大學電氣工程系,6,2. 電位,電場力將單位正電荷從電路 的某一點移至參考點時所消 耗的電

3、能。,參考點的電位為零。,直流電路中電位用 V 表示，單位為伏特（V）。,參考點的選擇：, 選大地為參考點：, 選元件匯集的公共端或公共線為參考點：,大連理工大學電氣工程系,7,3. 電壓,電場力將單位正電荷從電路 的某一點移至另一點時所消 耗的電能。,電壓就是電位差。,I,US, , E , ,UL,直流電路中電壓用 U 表示，單位為伏特（V）。,US 是電源兩端的電壓， UL 是負載兩端的電壓。,4. 電動勢,電源中的局外力（非電場力）將單位正電荷從電源負極 移至電源正極時所轉(zhuǎn)換而來的電能稱為電源的電動勢。,電動勢的實際方向：由低電位指向高電位。,符號： E 或 e，單位：V。,大連理工大

4、學電氣工程系,8,5. 電功率,定義：單位時間內(nèi)所轉(zhuǎn)換的電能。,電源產(chǎn)生的功率： PE = E I,符號：P（直流電路）。 單位：W。,負載取用的功率： PL = UL I,6. 電能 定義：在時間 t 內(nèi)轉(zhuǎn)換的電功率稱為電能：W = P t 符號：W（直流電路）。 單位：J。 單位轉(zhuǎn)換：千瓦時（kWh） 1 千瓦時為 1 度電，1 kWh3.6 106 J。,大連理工大學電氣工程系,9,當電源與負載接通，電路中有 了電流及能量的輸送和轉(zhuǎn)換。 電路的這一狀態(tài)稱為通路。,1.3 電路的狀態(tài),一、通路,I,S,通路時，電源向負載輸出電功率，電源這時的狀態(tài)稱 為有載或稱電源處于負載狀態(tài)。,各種電氣設(shè)

5、備在工作時，其電壓、電流和功率都有一 定的限額，這些限額是用來表示它們的正常工作條件 和工作能力的，稱為電氣設(shè)備的額定值。,大連理工大學電氣工程系,10,二、開路,S1,S2,E,EL1,EL2,當某一部分電路與電源斷開， 該部分電路中沒有電流，亦無 能量的輸送和轉(zhuǎn)換，這部分電 路所處的狀態(tài)稱為開路。,開路的特點：,開路處的電流等于零,I0,開路處的電壓應(yīng)視電路情況而定,電源既不產(chǎn)生也不輸出電功率，電源這時的狀態(tài)稱為空載。,U 視電 路而定,大連理工大學電氣工程系,11,三、短路,當某一部分電路的兩端用電 阻可以忽略不計的導線或開 關(guān)連接起來，使得該部分電 路中的電流全部被導線或開 關(guān)所旁路，

6、這一部分電路所 處的狀態(tài)稱為短路或短接。,S1,S2,電源短路,短路的特點：,短路處的電壓等于零,U0,短路處的電流應(yīng)視電路情況而定,I 視電路而定,EL1,EL2,大連理工大學電氣工程系,12,物理中對基本物理量規(guī)定的方向,1. 電路基本物理量的實際方向,1.4 電路中的參考方向,大連理工大學電氣工程系,13,(1) 在解題前先設(shè)定一個正方向，作為參考方向；,電路分析的一般步驟,(3) 根據(jù)計算結(jié)果確定實際方向： 若計算結(jié)果為正，則實際方向與假設(shè)方向一致； 若計算結(jié)果為負，則實際方向與假設(shè)方向相反。,(2) 根據(jù)電路的定律、定理，列出物理量間相互關(guān) 系的代數(shù)表達式；,大連理工大學電氣工程系,

7、14,(2) 參考方向的表示方法,電流：,電壓：,(1) 參考方向,在分析與計算電路時，對電量任意假定的方向。,2. 電路基本物理量的參考方向,大連理工大學電氣工程系,15,實際方向與參考方向一致，電流(或電壓)值為正值； 實際方向與參考方向相反，電流(或電壓)值為負值。,(3) 實際方向與參考方向的關(guān)系,注意： 在參考方向選定后，電流 ( 或電壓 ) 值才有正負之分。,若 I = 5A，則電流從 a 流向 b；,例：,若 I = 5A，則電流從 b 流向 a 。,若 U = 5V，則電壓的實際方向從 a 指向 b；,若 U= 5V，則電壓的實際方向從 b 指向 a 。,大連理工大學電氣工程系

8、,16,I,I,原則上參考方向可任意選擇。,在分析某一個電路元件的電壓與電流的關(guān)系 時，需要將它們聯(lián)系起來選擇，這樣設(shè)定的 參考方向稱為關(guān)聯(lián)參考方向。, ,U,電源,負載, ,U,大連理工大學電氣工程系,17,關(guān)于 電路中參考點,將電路中的某一點選作參考點，并規(guī)定其電位為零。 電位：電路中某點至參考點的電壓，記為“VX” 。,1. 電位的概念,電位的計算步驟: (1) 任選電路中某一點為參考點，設(shè)其電位為零； (2) 標出各電流方向并計算； (3) 計算各點至參考點間的電壓即為各點的電位。,某點電位為正，說明該點電位比參考點高； 某點電位為負，說明該點電位比參考點低。,大連理工大學電氣工程系,

9、18,2. 舉例,求圖示電路中各點的電位:Va、Vb、Vc、Vd 。,解： 設(shè) a為參考點， 即Va=0V,Vb=Uba= 106= 60V Vc=Uca = 420 = 80 V Vd =Uda= 65 = 30 V,設(shè) b為參考點，即Vb=0V,Va = Uab=106 = 60 V Vc = Ucb = E1 = 140 V Vd = Udb =E2 = 90 V,b,a,Uab = 106 = 60 V Ucb = E1 = 140 V Udb = E2 = 90 V,Uab = 106 = 60 V Ucb = E1 = 140 V Udb = E2 = 90 V,大連理工大學電氣工

10、程系,19,結(jié)論：,(1)電位值是相對的，參考點選取的不同，電路中 各點的電位也將隨之改變；,(2) 電路中兩點間的電壓值是固定的，不會因參考 點的不同而變， 即與零電位參考點的選取無關(guān)。,借助電位的概念可以簡化電路作圖,大連理工大學電氣工程系,20,例1: 圖示電路，計算開關(guān)S 斷開和閉合時A點 的電位VA,解: (1)當開關(guān)S斷開時,(2) 當開關(guān)閉合時,電路 如圖（b）,電流 I2 = 0， 電位 VA = 0V 。,電流 I1 = I2 = 0， 電位 VA = 6V 。,電流在閉合 路徑中流通,大連理工大學電氣工程系,21,1.5 理想電路元件,理想電路元件,理想有源元件,理想無源元

11、件,電 壓 源,電 流 源,電 阻 元 件,電 容 元 件,電 感 元 件,大連理工大學電氣工程系,22,一、理想有源元件,1. 電壓源,US,電壓源的特點：,輸出電流 I 不是定值，與輸出電壓和外電路的情況有關(guān)。,可提供一個固定的電壓 US ，稱為源電壓。,輸出電壓 U 等于源電壓 US ，是由其本身所確定的定值， 與輸出電流和外電路的情況無關(guān)。,大連理工大學電氣工程系,23,2. 電流源,IS,電流源的特點：,輸出電流 I 等于源電流 IS ，是由其本身所確定的定值， 與輸出電壓和外電路的情況無關(guān)。,輸出電壓 U 不是定值，與輸出電流和外電路的情況有關(guān)。,電激流,可提供一個固定的電流 IS

12、 ，稱為源電流。,大連理工大學電氣工程系,24,當電壓源和電流源的電壓和電流實際方向如上圖時， 它們輸出（產(chǎn)生）電功率，起電源作用。,當電壓源和電流源的電壓和電流實際方向如上圖時， 它們?nèi)∮茫ㄏ模╇姽β?，起負載作用。,大連理工大學電氣工程系,25,二、理想無源元件,電阻元件,當電路的某一部分只存在電 能的消耗而沒有電場能和磁 場能的儲存，這一部分電路 可用電阻元件來代替。,（）,線性電阻與非線性電阻,電阻消耗的功率,大連理工大學電氣工程系,26,電阻圖片,水泥電阻,線繞電阻,碳膜電阻,可變電阻,壓敏電阻,功率電阻,大連理工大學電氣工程系,27,電阻的標稱值,誤差,標 稱 值, 10%（E12

13、）, 5% （E24）,1.0、1.2、1.5、 1.8、2.2、2.7、 3.3、3.9、4.7、 5.6、6.8、8.2,電阻的標稱值 = 標稱值10n,1.0、1.1、1.2、1.3、1.5、1.6、1.8、2.0、2.2、2.4、2.7、3.0、 3.3、3.6、3.9、4.3、4.7、5.1、5.6、6.2、6.8、7.5、8.2、9.1等,大連理工大學電氣工程系,28,電阻器的色環(huán)表示法,四環(huán),五環(huán),倍 率 10n,誤 差,有效 數(shù)字,誤 差,有效 數(shù)字,倍 率 10n,大連理工大學電氣工程系,29,如電阻的4個色環(huán)顏色依次為： 綠、棕、金、金,如電阻的5個色環(huán)顏色依次為： 棕、綠

14、、黑、金、紅,大連理工大學電氣工程系,30,解(1),由于電壓源與電流源串聯(lián),IIS3 A,根據(jù)電流的方向可知,UUSRIS ( 3 + 1 3 ) V = 6 V,(2) 功率平衡關(guān)系,電壓源吸收電功率：PLUS I( 3 3 ) W = 9 W,電流源發(fā)出電功率： POU IS( 6 3 ) W = 18 W,電阻 R 消耗的電功率：PRR IS2( 1 32 ) W = 9 W 功率平衡： PO P L PR,大連理工大學電氣工程系,31,1.6 基爾霍夫定律,一、基爾霍夫電流定律（KCL）,b,a,電路中 3 個或 3 個以 上電路元件的連接點 稱為結(jié)點。,有 a、b 兩個結(jié)點 。,大

15、連理工大學電氣工程系,32,有 acb 、adb、aeb 三條支路 。,兩結(jié)點之間的每一條 分支電路稱為支路。,大連理工大學電氣工程系,33,由于電流的連續(xù)性， 流入任一結(jié)點的電流 之和等于流出該結(jié)點 的電流之和。,對結(jié)點 a,I1 I2 I3,I1 I2 I3 0,流入結(jié)點的電流前取正號， 流出結(jié)點的電流前取負號。,大連理工大學電氣工程系,34,在電路的任何一個 結(jié)點上，同一瞬間 電流的代數(shù)和為零。,對任意波形的電流： i 0 在直流電路中： I 0,基爾霍夫電流定律不僅適用于電路中 任意結(jié)點，而且還可以推廣應(yīng)用于 電路中任何一個假定的閉合面 廣義結(jié)點。,ICIBIE0,大連理工大學電氣工程

16、系,35,解 由圖中所示電流 的參考方向，應(yīng)用基爾霍夫 電流定律，分別由結(jié)點 a、 b、c 求得,I6I4I1 (53 ) A 8 A,I2I5I4 8(5 ) A 13 A,I3I6I5 (88 ) A 16 A,或由廣義結(jié)點得 I3I1I2 (313 ) A 16 A,大連理工大學電氣工程系,36,二、基爾霍夫電壓定律（KVL）,由電路元件組成的閉 合路徑稱為回路。,有 adbca、aebda 和 aebca 三個回路 。,未被其他支路分割的單孔回路稱為網(wǎng)孔。 有 adbca、aebda 兩個網(wǎng)孔 。,大連理工大學電氣工程系,37,在任一瞬間，沿任一回路循行方向，回路中各段電壓的代數(shù)和恒等

17、于零。,1定律,即： U = 0,在任一瞬間，從回路中任一點出發(fā)，沿回路循行一周，則在這個方向上電位升之和等于電位降之和。,對回路1：,對回路2：,E1 = I1 R1 +I3 R3,I2 R2+I3 R3=E2,或 I1 R1 +I3 R3 E1 = 0,或 I2 R2+I3 R3 E2 = 0,基爾霍夫電壓定律（KVL） 反映了電路中任一回路中各段電壓間相互制約的關(guān)系。,大連理工大學電氣工程系,38,1列方程前標注回路循行方向；,電位升 = 電位降 E2 =UBE + I2R2, U = 0 I2R2 E2 + UBE = 0,2應(yīng)用 U = 0列方程時，項前符號的確定： 如果規(guī)定電位降取

18、正號，則電位升就取負號。,3. 開口電壓可按回路處理,注意：,對回路1：,大連理工大學電氣工程系,39,基爾霍夫電壓定律不僅適用于電路中任一閉 合的回路，而且還可以推廣應(yīng)用于任何一個 假想閉合的一段電路。,將 a、b 兩點間的電壓 作為電阻電壓降一樣考 慮進去。,R IUE,或 R IUUS0,大連理工大學電氣工程系,40,例：,對網(wǎng)孔abda：,對網(wǎng)孔acba：,對網(wǎng)孔bcdb：,R6,I6 R6 I3 R3 +I1 R1 = 0,I2 R2 I4 R4 I6 R6 = 0,I4 R4 + I3 R3 E = 0,對回路 adbca，沿逆時針方向循行：, I1 R1 + I3 R3 + I4

19、 R4 I2 R2 = 0,應(yīng)用 U = 0列方程,對回路 cadc，沿逆時針方向循行：, I2 R2 I1 R1 + E = 0,大連理工大學電氣工程系,41,解 由回路 abcdefa,Uab + UcdUed + Uef E1E2,求得 Ued Uab + Ucd + Uef E1 + E2 4 + (6 )52010 V 7 V,大連理工大學電氣工程系,42,由假想的回路 abcda,Uab + UcdUad E2,求得 Uad Uab + Ucd + E2 4 + (6 ) 10 V 8 V,大連理工大學電氣工程系,43,1,+,+,-,-,3V,4V,1,+,-,5V,I1,I2,

20、I3,大連理工大學電氣工程系,44,1.7 支路電流法,支路電流法解題的一般步驟,(1) 確定支路數(shù)，選擇各 支路電流的參考方向。,I1,I2,I3,(2) 確定結(jié)點數(shù)，列出 獨立的結(jié)點電流方 程式。,n 個結(jié)點只能列出 n1 個 獨立的結(jié)點方程式。,結(jié)點 a : I1I2I3 0,結(jié)點 b : I1I2I3 0,只有1個方程是獨立的,大連理工大學電氣工程系,45,(3) 確定余下所需的方程式數(shù)， 列出獨立 的回路電壓方程式。,左網(wǎng)孔 : R1I1 R3I3 E1 右網(wǎng)孔 : R2I2 R3I3 E2,(4) 解聯(lián)立方程式，求出各支路電流的數(shù)值。,R1I1 R3I3 E1,I1 I2 I3 0

21、,R2I2 R3I3 E2,求出：I1、 I2 和 I3。,大連理工大學電氣工程系,46,解 選擇各支路電流的 參考方向和回路方向如圖,I1,I2,I3,I4,上結(jié)點 I1I2I3 I4 0,左網(wǎng)孔 R1I1R3I3US10,中網(wǎng)孔 R1I1 R2I2US1US2 0,右網(wǎng)孔 R2I2R4I4US20,大連理工大學電氣工程系,47,代入數(shù)據(jù),I1I2I3 I4 0,I12I3120,I1 2I21212 0,2I24I4120,I14 A， I22 A， I34 A， I42 A,大連理工大學電氣工程系,48,1.8 疊加定理,疊加定理是分析線性電路最基本的方 法之一。,在含有多個有源元件的線

22、性電路中，任 一支路的電流和電壓等于電路中各個有 源元件分別單獨作用時在該支路產(chǎn)生的 電流和電壓的代數(shù)和。,大連理工大學電氣工程系,49,由支路電流法可得,大連理工大學電氣工程系,50,由支路電流法可得,大連理工大學電氣工程系,51,（1）在考慮某一有源元件單獨作用時，應(yīng)令 其他有源元件中的 US = 0 ，IS = 0。即應(yīng)將其他電 壓源代之以短路 ，將其他電流源代之以開路。,應(yīng)用疊加定理時要注意：,（2）最后疊加時，一定要注意各個有源元件 單獨作用時的電流和電壓分量的參考方向是否與 總電流和電壓的參考方向一致，一致時前面取正 號，不一致時前面取負號。,（3）疊加定理只適用于線性電路。,大連

23、理工大學電氣工程系,52,（4）疊加原理只能用于電壓或電流的計算，不能用來 求功率。如：,I3,R3,大連理工大學電氣工程系,53,大連理工大學電氣工程系,54,解電壓源單獨作用時,= 1.75 V,大連理工大學電氣工程系,55,電流源單獨作用時,= ( 1 1.6 + 3 1.25 ) V = 5.35 V,最后求得,= ( 3.250.35 ) A = 3.6 A,= (1.75 + 5.35 ) V = 3.6 V,大連理工大學電氣工程系,56,例,已知： US =1V、IS=1A 時， Uo=0V US =10 V、IS=0A 時，Uo=1V 求： US = 0 V、IS=10A 時，

24、 Uo=?,解：電路中有兩個電源作用，根據(jù)疊加原理可設(shè) Uo = K1US + K2 IS,當 US =10 V、IS=0A 時，,當 US = 1V、IS=1A 時，,得 0 = K1 1 + K2 1,得 1 = K1 10+K2 0,聯(lián)立兩式解得： K1 = 0.1、K2 = 0.1,所以 Uo = K1US + K2 IS = 0.1 0 +( 0.1 ) 10 = 1V,大連理工大學電氣工程系,57,二端網(wǎng)絡(luò)的概念： 二端網(wǎng)絡(luò)：具有兩個出線端的部分電路。 無源二端網(wǎng)絡(luò)：二端網(wǎng)絡(luò)中沒有電源。 有源二端網(wǎng)絡(luò)：二端網(wǎng)絡(luò)中含有電源。,無源二端網(wǎng)絡(luò),有源二端網(wǎng)絡(luò),1.9 等效電源定理,大連理工

25、大學電氣工程系,58,等效電源定理是將有源二端網(wǎng)絡(luò)用一個等效 電源代替的定理。,有源二端網(wǎng)絡(luò),對 R2 而言，有源二端網(wǎng)絡(luò)相當于其電源。在對外部 等效的條件下可用一個等效電源來代替。,戴維寧等效電源,諾頓等效電源,大連理工大學電氣工程系,59,戴維寧等效電源和諾頓等效電源既然都可以用 來等效代替同一個有源二端網(wǎng)絡(luò)，因而在對外 等效的條件下，相互之間可以等效變換。,等效變換的公式為,變換時內(nèi)電阻 R0 不變， IeS 方向應(yīng)由 UeS 的負極流向正極。,1. 戴維南定理,任何一個有源二端線性網(wǎng)絡(luò)都可以用一個電動勢為E的理想電壓源和內(nèi)阻 R0 串聯(lián)的電源來等效代替。,等效電源的內(nèi)阻R0等于有源二端網(wǎng)絡(luò)中所有電源均除去（理想電壓源短路，理想電流源開路）后所得到的無源二端網(wǎng)絡(luò) a 、b兩端之間的等效電阻。,等效電源的電動勢E 就是有源二端網(wǎng)絡(luò)的開路電壓U0，即將負載斷開后 a 、b兩端之間的電壓。,等效電源,例1：,電路如圖，已知E1=40V，E2=20V，R1=R2=4， R3=13 ，試用戴維寧定理求電流I3。,a,b,注意：“等效”是指對端口外等效,即用等效電源替代原來的二端網(wǎng)絡(luò)后，待求支路的電壓、電流不變。,有源二端網(wǎng)絡(luò),等效電源,解：(1) 斷開待求支路求等效電源的電動勢 E,例1：電路如圖，已知E1=40V，E2=20V，R1=R2=4， R3=13 ，試用戴維寧