1-直流電路講解課件

1.1電路及基本物理量電路的組成電路是為了某種需要而將某些電工設(shè)備或元件按一定方式組合起來(lái)的電流通路。由電源、負(fù)載和中間環(huán)節(jié)3部分組成。電路的主要功能一：進(jìn)行能量的轉(zhuǎn)換、傳輸和分配。二：實(shí)現(xiàn)信號(hào)的傳遞、存儲(chǔ)和處理。一.電路的組成及功能第一章直流電路1.電流電荷的定向移動(dòng)形成電流。電流大小：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)通過(guò)導(dǎo)體截面的電量。大寫(xiě)I表示直流電流小寫(xiě)i表示電流的一般符號(hào)二.電路的基本物理量正電荷運(yùn)動(dòng)方向規(guī)定為電流的實(shí)際方向。電流的方向用箭頭或雙下標(biāo)變量表示。任意假設(shè)的電流方向稱(chēng)為電流的參考方向。

如果求出的電流值為正，說(shuō)明參考方向與實(shí)際方向一致，否則說(shuō)明參考方向與實(shí)際方向相反。2.電壓、電位和電動(dòng)勢(shì)電路中a、b點(diǎn)兩點(diǎn)間的電壓定義為單位正電荷由a點(diǎn)移至b點(diǎn)電場(chǎng)力所做的功。電路中某點(diǎn)的電位定義為單位正電荷由該點(diǎn)移至參考點(diǎn)電場(chǎng)力所做的功。電路中a、b點(diǎn)兩點(diǎn)間的電壓等于a、b兩點(diǎn)的電位差。電壓的實(shí)際方向規(guī)定由電位高處指向電位低處。與電流方向的處理方法類(lèi)似，可任選一方向?yàn)殡妷旱膮⒖挤较蚶?當(dāng)ua=3Vub=2V時(shí)u1=1V最后求得的u為正值，說(shuō)明電壓的實(shí)際方向與參考方向一致，否則說(shuō)明兩者相反。u2=－1V

對(duì)一個(gè)元件，電流參考方向和電壓參考方向可以相互獨(dú)立地任意確定，但為了方便起見(jiàn)，常常將其取為一致，稱(chēng)關(guān)聯(lián)方向；如不一致，稱(chēng)非關(guān)聯(lián)方向。如果采用關(guān)聯(lián)方向，在標(biāo)示時(shí)標(biāo)出一種即可。如果采用非關(guān)聯(lián)方向，則必須全部標(biāo)示。電位的計(jì)算選b點(diǎn)為參考點(diǎn)選d點(diǎn)為參考點(diǎn)選用不同的參考點(diǎn)，各點(diǎn)電位的數(shù)值不同，但任意兩點(diǎn)之間的電壓不隨參考點(diǎn)的改變而變化。電動(dòng)勢(shì)是衡量外力即非靜電力做功能力的物理量。外力克服電場(chǎng)力把單位正電荷從電源的負(fù)極搬運(yùn)到正極所做的功，稱(chēng)為電源的電動(dòng)勢(shì)。電動(dòng)勢(shì)的實(shí)際方向與電壓實(shí)際方向相反，規(guī)定為由負(fù)極指向正極。3.電功率電場(chǎng)力在單位時(shí)間內(nèi)所做的功稱(chēng)為電功率，簡(jiǎn)稱(chēng)功率。功率與電流、電壓的關(guān)系：關(guān)聯(lián)方向時(shí)：p=ui非關(guān)聯(lián)方向時(shí)：p=－uip＞0時(shí)吸收功率，p＜0時(shí)放出功率。例：求圖示各元件的功率.（a）關(guān)聯(lián)方向，P=UI=5×2=10W，P>0，吸收10W功率。（b）關(guān)聯(lián)方向，P=UI=5×(－2)=－10W，P<0，產(chǎn)生10W功率。（c）非關(guān)聯(lián)方向，P=－UI=－5×(－2)=10W，P>0，吸收10W功率。解：元件A：非關(guān)聯(lián)方向，P1=－U1I=－10×1=－10W，P1>0，產(chǎn)生10W功率，電源。元件B：關(guān)聯(lián)方向，P2=U2I=6×1=6W，P2<0，吸收10W功率，負(fù)載。元件C：關(guān)聯(lián)方向，P3=U3I=4×1=4W，P3>0，吸收10W功率，負(fù)載。P1+P2+P3=－1=+6+4=0，功率平衡。例：

I=1A，U1=10V，U2=6V，U3=4V。求各元件功率，并分析電路的功率平衡關(guān)系。1.2電路模型為了便于對(duì)電路進(jìn)行分析計(jì)算，常常將實(shí)際電路元件理想化，也稱(chēng)模型化，即在一定條件下突出其主要的電磁性質(zhì)，忽略次要的因素，用一個(gè)足以表征其主要特性的理想元件近似表示。由理想電路元件所組成的電路，稱(chēng)為電路模型。常見(jiàn)的電路元件有電阻元件、電容元件、電感元件、電壓源、電流源。電路元件在電路中的作用或者說(shuō)它的性質(zhì)是用其端鈕的電壓、電流關(guān)系即伏安關(guān)系（VAR）來(lái)決定的。一.電路模型的概念二.理想電路元件伏安關(guān)系（歐姆定律）：關(guān)聯(lián)方向時(shí)：u=Ri非關(guān)聯(lián)方向時(shí)：u=－Ri1．電阻元件符號(hào)：功率：電阻元件是一種消耗電能的元件。伏安關(guān)系：2．電感元件符號(hào)：電感元件是一種能夠貯存磁場(chǎng)能量的元件，是實(shí)際電感器的理想化模型。Ｌ稱(chēng)為電感元件的電感，單位是亨利（Ｈ）。只有電感上的電流變化時(shí)，電感兩端才有電壓。在直流電路中，電感上即使有電流通過(guò)，但ｕ＝０，相當(dāng)于短路。存儲(chǔ)能量：3．電容元件電容元件是一種能夠貯存電場(chǎng)能量的元件，是實(shí)際電容器的理想化模型。伏安關(guān)系：符號(hào)：只有電容上的電壓變化時(shí)，電容兩端才有電流。在直流電路中，電容上即使有電壓，但ｉ＝０，相當(dāng)于開(kāi)路，即電容具有隔直作用。C稱(chēng)為電容元件的電容，單位是法拉（F）。存儲(chǔ)能量：4．理想電壓源（1）伏安關(guān)系u=uS

端電壓為us，與流過(guò)電壓源的電流無(wú)關(guān)，由電源本身確定，電流任意，由外電路確定。（2）特性曲線(xiàn)與符號(hào)（2）特性曲線(xiàn)與符號(hào)i=iS流過(guò)電流為is，與電源兩端電壓無(wú)關(guān)，由電源本身確定，電壓任意，由外電路確定。5．理想電流源（1）伏安關(guān)系6.實(shí)際電源的兩種模型實(shí)際電源的伏安特性或可見(jiàn)一個(gè)實(shí)際電源可用兩種電路模型表示：一種為電壓源Us和內(nèi)阻Ro串聯(lián)，另一種為電流源Is和內(nèi)阻Ro并聯(lián)。實(shí)際使用電源時(shí)，應(yīng)注意以下3點(diǎn)：（1）實(shí)際電工技術(shù)中，實(shí)際電壓源，簡(jiǎn)稱(chēng)電壓源，常是指相對(duì)負(fù)載而言具有較小內(nèi)阻的電壓源；實(shí)際電流源，簡(jiǎn)稱(chēng)電流源，常是指相對(duì)于負(fù)載而言具有較大內(nèi)阻的電流源。（2）實(shí)際電壓源不允許短路由于一般電壓源的R0很小，短路電流將很大，會(huì)燒毀電源，這是不允許的。平時(shí)，實(shí)際電壓源不使用時(shí)應(yīng)開(kāi)路放置，因電流為零，不消耗電源的電能。（3）實(shí)際電流源不允許開(kāi)路處于空載狀態(tài)。空載時(shí)，電源內(nèi)阻把電流源的能量消耗掉，而電源對(duì)外沒(méi)送出電能。平時(shí)，實(shí)際電流源不使用時(shí)，應(yīng)短路放置，因?qū)嶋H電流源的內(nèi)阻R'0一般都很大，電流源被短路后，通過(guò)內(nèi)阻的電流很小，損耗很??；而外電路上短路后電壓為零，不消耗電能。1.3電路的工作狀態(tài)1、負(fù)載狀態(tài)P=UI：電源輸出的功率PS=USI：電源產(chǎn)生的功率ΔP=I2R0：內(nèi)阻消耗的功率額定值是制造廠(chǎng)為了使產(chǎn)品能在給定的工作條件下正常運(yùn)行而規(guī)定的正常容許值。額定值有額定電壓UN與額定電流IN或額定功率PN

。必須注意的是，電氣設(shè)備或元件的電壓、電流和功率的實(shí)際值不一定等于它們的額定值。2、空載狀態(tài)3、短路狀態(tài)1.4基爾霍夫定律一、支路、節(jié)點(diǎn)、回路電路中兩點(diǎn)之間通過(guò)同一電流的不分叉的一段電路稱(chēng)為支路。電路中3條或3條以上支路的聯(lián)接點(diǎn)稱(chēng)為節(jié)點(diǎn)。電路中任一閉合的路徑稱(chēng)為回路。回路內(nèi)部不含支路的稱(chēng)網(wǎng)孔圖示電路有3條支路、兩個(gè)節(jié)點(diǎn)、3個(gè)回路、兩個(gè)網(wǎng)孔。二.基爾霍夫電流定律（KCL）在任一瞬時(shí)，流入任一節(jié)點(diǎn)的電流之和必定等于從該節(jié)點(diǎn)流出的電流之和。在任一瞬時(shí)，通過(guò)任一節(jié)點(diǎn)電流的代數(shù)和恒等于零。表述一表述二可假定流入節(jié)點(diǎn)的電流為正，流出節(jié)點(diǎn)的電流為負(fù)；也可以作相反的假定。所有電流均為正。KCL通常用于節(jié)點(diǎn)，但是對(duì)于包圍幾個(gè)節(jié)點(diǎn)的閉合面也是適用的。例：列出下圖中各節(jié)點(diǎn)的KCL方程解：取流入為正以上三式相加：I1＋I(xiàn)2＋I(xiàn)3＝0

節(jié)點(diǎn)aI1－I4－I6＝0節(jié)點(diǎn)bI2＋I(xiàn)4－I5＝0節(jié)點(diǎn)cI3＋I(xiàn)5＋I(xiàn)6＝0三.基爾霍夫電壓定律（KVL）表述一表述二在任一瞬時(shí)，在任一回路上的電位升之和等于電位降之和。在任一瞬時(shí)，沿任一回路電壓的代數(shù)和恒等于零。電壓參考方向與回路繞行方向一致時(shí)取正號(hào)，相反時(shí)取負(fù)號(hào)。所有電壓均為正。對(duì)于電阻電路，回路中電阻上電壓降的代數(shù)和等于回路中的電壓源電壓的代數(shù)和。在運(yùn)用上式時(shí)，電流參考方向與回路繞行方向一致時(shí)iR前取正號(hào)，相反時(shí)取負(fù)號(hào)；電壓源電壓方向與回路繞行方向一致時(shí)us前取負(fù)號(hào)，相反時(shí)取正號(hào)。KVL通常用于閉合回路，但也可推廣應(yīng)用到任一不閉合的電路上。例：列出下圖的KVL方程例：圖示電路，已知U1=5V，U3=3V，I=2A，求U2、I2、R1、R2和US。解：I2=U3／2=3／2=1.5AU2=U1－U3=5－3=2VR2=U2／I2=2／1.5=1.33ΩI1=I－I2=2－1.5=0.5AR1=U1／I1=5／0.5=10ΩUS=U＋U1=2×3＋5=11V例：圖示電路，已知US1=12V，US2=3V，R1=3Ω，R2=9Ω，R3=10Ω，求Uab。解：由KCLI3=0，I1=I2由KVLI1R1＋I(xiàn)2R2=US1由KVL解得：解得：1.5電源兩種模型及其等效變換電源可用兩種模型表示電壓源模型電流源模型1、理想的電壓源、電流源（又稱(chēng)為恒壓源、恒流源）理想電壓源UUS+_+_IRLRL改變→I改變RLIISU+_理想電流源RL改變→U改變2、實(shí)際的電壓源、電流源電壓源是由電動(dòng)勢(shì)E和內(nèi)阻R0串聯(lián)的電源的電路模型。1)實(shí)際電壓源IRLR0+-EU+–U=E–IR0

若

R0=0理想電壓源:

U

E若R0<<RL，U

E，可近似認(rèn)為是理想電壓源。2)實(shí)際電流源

電流源是由電流IS和內(nèi)阻R0并聯(lián)的電源的電路模型。IRLR0UR0UIS+－若R0=理想電流源:I

IS

若

R0>>RLI

IS

可近似認(rèn)為是理想電流源3、電壓源與電流源的等效變換U=E－IR0U=ISR0–IR0IRLR0+–EU+–電壓源等效變換條件:E=ISR0RLR0UR0UISI+–電流源②等效變換時(shí)，兩電源的參考方向要一一對(duì)應(yīng)。③理想電壓源與理想電流源之間無(wú)等效關(guān)系。①電壓源和電流源的等效關(guān)系只對(duì)外電路而言，對(duì)電源內(nèi)部則是不等效的。

注意事項(xiàng)：④任何一個(gè)電動(dòng)勢(shì)E和某個(gè)電阻R串聯(lián)的電路，都可化為一個(gè)電流為IS和這個(gè)電阻并聯(lián)的電路。R0+–EabISR0abR0–+EabISR0ab例1:求下列各電路的等效電源解:+–abU25V(a)++–abU5V(c)+a+-2V5VU+-b2(c)+(b)aU5A23b+(a)a+–5V32U+a5AbU3(b)+例2:試用電壓源與電流源等效變換的方法計(jì)算2電阻中的電流。解:–8V+–22V+2I(d)2由圖(d)可得6V3+–+–12V2A6112I(a)2A3122V+–I2A61(b)4A2222V+–I(c)例3：解：統(tǒng)一電源形式試用電壓源與電流源等效變換的方法計(jì)算圖示電路中1電阻中的電流。2+-+-6V4VI2A

3

4

612A362AI4211AI4211A24A解：I4211A24A1I421A28V+-I411A42AI213A1.6

支路電流法以支路電流為未知量、應(yīng)用KCL、KVL列方程組求解。對(duì)上圖電路支路數(shù)：b=3

結(jié)點(diǎn)數(shù)：n=212ba+-E2R2+-R3R1E1I1I3I23回路數(shù)=3

單孔回路（網(wǎng)孔）=2若用支路電流法求各支路電流應(yīng)列出三個(gè)方程支路電流法：1.在圖中標(biāo)出各支路電流的參考方向，對(duì)選定的回路標(biāo)出回路循行方向。2.應(yīng)用KCL對(duì)結(jié)點(diǎn)列出(n－1)個(gè)獨(dú)立的結(jié)點(diǎn)電流方程。3.應(yīng)用KVL對(duì)回路列出b－(n－1)個(gè)獨(dú)立的回路電壓方程

（通常可取網(wǎng)孔列出）。4.聯(lián)立求解b個(gè)方程，求出各支路電流。ba+-E2R2+-R3R1E1I1I3I2對(duì)結(jié)點(diǎn)

a：例1

：12I1+I2–I3=0對(duì)網(wǎng)孔1：對(duì)網(wǎng)孔2：I1R1+I3R3=E1I2R2+I3R3=E2支路電流法的解題步驟:聯(lián)立求解各支路電流例2：試求各支路電流。baI2I342V+–I11267A3cd12支路中含有恒流源注意：當(dāng)支路中含有恒流源時(shí)，若在列KVL方程時(shí)，所選回路中不包含恒流源支路(1)應(yīng)用KCL列結(jié)點(diǎn)電流方程(2)應(yīng)用KVL列回路電壓方程(3)聯(lián)立解得：I1=2A，

I2=–3A，

I3=6A

對(duì)結(jié)點(diǎn)a：

I1+I2–I3=–7對(duì)回路1：12I1–6I2=42對(duì)回路2：6I2+3I3=01.7結(jié)點(diǎn)電壓法結(jié)點(diǎn)電壓的概念：

任選電路中某一結(jié)點(diǎn)為零電位參考點(diǎn)，其他各結(jié)點(diǎn)對(duì)參考點(diǎn)的電壓，稱(chēng)為結(jié)點(diǎn)電壓。

結(jié)點(diǎn)電壓法：以結(jié)點(diǎn)電壓為未知量，列方程求解。

求出結(jié)點(diǎn)電壓后，可應(yīng)用基爾霍夫定律或歐姆定律求出各支路的電流或電壓。baI2I3E+–I1R1R2ISR3

在左圖電路中只含有兩個(gè)結(jié)點(diǎn)，若設(shè)b為參考結(jié)點(diǎn)，則電路中只有一個(gè)未知的結(jié)點(diǎn)電壓。結(jié)點(diǎn)電壓的參考方向從結(jié)點(diǎn)指向參考結(jié)點(diǎn)。2個(gè)結(jié)點(diǎn)的結(jié)點(diǎn)電壓方程的推導(dǎo)：設(shè)：Vb

=0V2.應(yīng)用歐姆定律求各支路電流：1.用KCL對(duì)結(jié)點(diǎn)a列方程：

I1–I2+IS–I3=0E1+–I1R1U+－baE2+–I2ISI3E1+–I1R1R2R3+–U同理將各電流代入KCL方程則有：結(jié)點(diǎn)電壓為U,參考方向從a指向b。整理得：注意：(1)上式僅適用于兩個(gè)結(jié)點(diǎn)的電路。即結(jié)點(diǎn)電壓方程：(2)分母為各支路短路后的支路電流代數(shù)和。電流流入結(jié)點(diǎn)為正，流出為負(fù)（Es從“+”極流出）(3)分子為所有支路電阻倒數(shù)之和（與恒流源串聯(lián)的電阻除外）例1:電路如圖：已知：E1=50V、E2=30V

IS1=7A、IS2=2AR1=2、R2=3、R3=5試求：各電源元件的功率。解：(1)求結(jié)點(diǎn)電壓

Uab注意：恒流源支路的電阻R3不應(yīng)出現(xiàn)在分母中。b+–R1E1R2E2R3IS1IS2a+_I1I2+Uab–(2)應(yīng)用歐姆定律求各電壓源電流(3)求各電源元件的功率（因電流I1從E1的“+”端流出，所以發(fā)出功率）（發(fā)出功率）（發(fā)出功率）（因電流IS2從UI2的“–”端流出，所以取用功率）

PE1=E1

I1=5013W=650W

PE2=E2

I2=3018W=540W

PS1=UI1

IS1=Uab

IS1=247W=168W

PS2=UI2

IS2=(Uab–IS2R3)IS2=142W=28W+UI2–b+–R1E1R2E2R3IS1IS2a+_I1I2+UI1–1.8疊加原理疊加原理：在多個(gè)電源共同作用的線(xiàn)性電路中，任一支路的電流（電壓）等于各個(gè)電源分別單獨(dú)作用時(shí)，在該支路中所產(chǎn)生的電流（電壓）的代數(shù)和。原電路+–ER1R2(a)ISI1I2IS單獨(dú)作用R1R2(c)I1''I2''+ISE單獨(dú)作用=+–ER1R2(b)I1'I2'由圖(c)當(dāng)IS單獨(dú)作用時(shí)由圖(b)當(dāng)E

單獨(dú)作用時(shí)同理：I2=I2'+I2''根據(jù)疊加原理①疊加原理只適用于線(xiàn)性電路。③不作用電源的處理：恒壓源短路（US=0），恒流源開(kāi)路（IS=0）②線(xiàn)性電路的電流或電壓均可疊加，但功率P不能疊加。例：

注意事項(xiàng)：④應(yīng)用疊加原理時(shí)可把電源分組求解，即每個(gè)分電路中的電源個(gè)數(shù)可以多于一個(gè)。

例1：已知

E=10V、IS=1A，R1=10

，R2=R3=5試用疊加原理求流過(guò)R2的電流I2和理想電流源IS兩端的電壓US。

(b)E單獨(dú)作用將IS斷開(kāi)(c)IS單獨(dú)作用將E短接解：由圖(b)

(a)+–ER3R2R1ISI2+–US+–ER3R2R1I2'+–US'R3R2R1ISI2+–

US由圖(c)

例2：已知：US=1V、IS=1A時(shí)，Uo=0VUS=10V、IS=0A時(shí)，Uo=1V求：US=0V、IS=10A時(shí)，Uo=?Uo

=K1US+K2IS當(dāng)

US=10V、IS=0A時(shí)，當(dāng)

US=1V、IS=1A時(shí)，US線(xiàn)性無(wú)源網(wǎng)絡(luò)UoIS+–+-

得0

=K11+K21

得1

=K110+K20聯(lián)立兩式解得：

K1=0.1、K2=–0.1所以

Uo

=K1US+K2IS

=0.10+(–0.1)10

=–1V解：電路中有兩個(gè)電源作用，根據(jù)疊加原理可設(shè)1.9戴維寧定理與諾頓定理

二端口網(wǎng)絡(luò)：baE+–R1R2ISR3baE+–R1R2ISR3R4無(wú)源二端網(wǎng)絡(luò)

有源二端網(wǎng)絡(luò)

無(wú)源二端口網(wǎng)絡(luò)：有源二端口網(wǎng)絡(luò)：具有兩個(gè)出線(xiàn)端的部分電路。二端口網(wǎng)絡(luò)中沒(méi)有電源二端口網(wǎng)絡(luò)中含有電源可等效為一個(gè)電阻可等效為一個(gè)電源abRab無(wú)源二端網(wǎng)絡(luò)+_ER0ab

電壓源（戴維寧定理）

電流源（諾頓定理）ab有源二端網(wǎng)絡(luò)abISR0無(wú)源二端網(wǎng)絡(luò)可化簡(jiǎn)為一個(gè)電阻有源二端網(wǎng)絡(luò)可化簡(jiǎn)為一個(gè)電源一、戴維寧定理

任何一個(gè)有源二端線(xiàn)性網(wǎng)絡(luò)都可以用一個(gè)理想電壓源和一個(gè)電阻串聯(lián)的電源來(lái)等效代替。有源二端網(wǎng)絡(luò)RLab+U–IaUocR0+_RLb+U–I等于端口中除去所有電源后端口處的等效電阻等于開(kāi)路電壓U，即將負(fù)載斷開(kāi)后a、b兩端之間的電壓等效電源R0：Uoc：（理想電壓源短路，理想電流源開(kāi)路）好處：便于求解一條支路上的電流做法：若求某支路電流則把此支路看作負(fù)載支路，其余為有源二端口網(wǎng)絡(luò)。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。E1I1E2I2R2I3R3+–R1+–ER0+_R3abI3ab注意：“等效”是指對(duì)端口外等效

即用等效電源替代原來(lái)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)求開(kāi)路電壓UOC例1：電路如圖，已知E1=40V，E2=20V，R1=R2