電工電子技術(shù)（第三版）課件：直流電路

電工電子技術(shù)（第三版）

直流電路【知識目標(biāo)】1）掌握電路的組成和作用；2）掌握電阻的連接、歐姆定律的內(nèi)容及應(yīng)用；3）了解額定值的概念和電路的三種工作狀態(tài)；4）掌握電壓源、電流源的特點及兩種電源之間的等效變換；5）掌握基爾霍夫定律的內(nèi)容及應(yīng)用；6）了解電位的定義及計算；7）掌握支路電流法、疊加原理和戴維南定理解題的方法?！灸芰δ繕?biāo)】1）掌握用萬用表測量基本物理量的方法；2）掌握疊加原理和戴維南定理的驗證方法?！舅刭|(zhì)目標(biāo)】遵守實驗實訓(xùn)室守則，熟知實驗實訓(xùn)室6S管理制度。

1.1電路的組成及基本物理量

1.2電阻元件和歐姆定律

1.3電路的三種狀態(tài)

1.4電壓源和電流源及其等效變換

1.5基爾霍夫定律

1.6電路中電位的計算

1.7支路電流法

1.8疊加原理和戴維南定理

1.1

電路的組成及基本物理量1.電路的組成:

電路就是電流通過的閉合路徑，它是由各種電氣器件按一定方式用導(dǎo)線連接組成的總體。最簡單的電路如圖所示的手電筒電路。

2.電路模型

三種理想電路元件符號:

a）電阻元件R

b）電感元件Lc）電容元件C3.電路的作用:（1）實現(xiàn)電能的傳輸、分配和轉(zhuǎn)換。（2）實現(xiàn)信號的傳遞和處理。

電路的基本物理量:

電流是指單位時間內(nèi)通過導(dǎo)體橫截面的電荷量。有交、直流之分，分別用I、i表示。單位為A（安[培]），還有kA（千安）、mA（毫安）、μA（微安）等。

或

電流的方向：

b)I<0a)I>01.電流習(xí)慣上規(guī)定正電荷移動的方向為電流的實際方向。2.電壓

電場力把單位正電荷從a點移動到b點所做的功稱為a、b兩點之間的電壓，用Uab表示。電壓的單位為V（伏[特]），還有kV（千伏）、mV（毫伏）、μV（微伏）等。

電壓的實際方向由高電位指向低電位。3.電動勢

電源力克服電場力把正電荷從負(fù)極移動到正極所做的功，用物理量電動勢來衡量。電動勢在數(shù)值上等于電源力把單位正電荷從b點經(jīng)電源內(nèi)部移回到a點所做的功，用E表示，其單位與電壓單位相同。

電動勢的實際方向規(guī)定為在電源內(nèi)部由負(fù)極指向正極。4.功率

單位時間內(nèi)電場力所做的功稱為電功率。

功率的單位是W（瓦[特]）。對于大功率，采用kW（千瓦）或MW（兆瓦）作單位，對于小功率則采用mW（毫瓦）或μW（微瓦）作單位。

電阻元件是對電流呈現(xiàn)阻礙作用的耗能元件。

R為電阻值，單位為Ω（歐[姆]）

，常用的單位還有KΩ（千歐）、MΩ（兆歐），它們之間的換算關(guān)系是：1KΩ=103

Ω

、1MΩ=106

Ω

。電阻定律表達式為：1.2

電阻元件和歐姆定律1.電阻元件

a)U、I參考方向一致

b)U、I參考方向不一致

流過電阻的電流I與電阻兩端的電壓U成正比，與電阻值R成反比。

2.歐姆定律

1）部分電路歐姆定律

2）全電路歐姆定律

在一個閉合回路中，電流I與電源的電動勢E成正比，與電路中的內(nèi)電阻和外負(fù)載電阻之和（R0+RL)成反比，稱為全電路歐姆定律。其表達式為:

（a）用電壓電流的實際方向判斷當(dāng)U、I實際方向一致時，說明該元件是負(fù)載；當(dāng)U、I實際方向不一致時，說明該元件是電源。

（b）用電壓電流的參考方向判斷當(dāng)U、I參考方向一致時，功率的公式P=UI；當(dāng)U、I參考方向不一致時，功率的公式P=﹣UI。

計算中，若求得P>0，則判定該元件為負(fù)載；反之，則判定該元件為電源。

3）電源和負(fù)載的判斷

3.電阻的連接1）電阻的串聯(lián)

幾個電阻依次相串，中間無分支的連接方式，稱為電阻的串聯(lián)，如圖所示。

串聯(lián)電路的特點如下：

（1）等效電阻為：（2）流經(jīng)各電阻的電流相等（3）串聯(lián)總電壓等于各電阻上電壓之和

（4）分壓關(guān)系為：

2）電阻的并聯(lián)

將幾個電阻元件都接在兩個公共端點之間的連接方式，稱為電阻的并聯(lián)，如圖所示。（1）等效電阻：

（2）各電阻電壓相等。

（3）并聯(lián)總電流等于各電阻上電流之和，即：（4）分流關(guān)系為：

并聯(lián)電路的特點為:3）電阻的混聯(lián)

既有串聯(lián)又有并聯(lián)的電路稱為混聯(lián)?；炻?lián)電路形式多種多樣，但可以利用電阻串、并聯(lián)關(guān)系進行逐步化簡。如下圖化簡過程。1.3

電路的三種狀態(tài)1.電源的有載工作電壓與電流的關(guān)系為：

負(fù)載電壓為：

當(dāng)R0=0

時：

U=E

PE=P+△P功率平衡關(guān)系為電源產(chǎn)生的功率等于電源輸出的功率與內(nèi)阻上損耗的功率之和。2.電源的開路其特點為：I=0，U=U0=E

負(fù)載上的電流、電壓和功率均為零。

3.電源的短路

其特點是：被短路元件兩端電壓為0。電路中電流稱為短路電流,

且有：

短路是電路最嚴(yán)重、最危險的事故，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)在電路中接入過載和短路保護。1.4

電壓源和電流源及其等效代換

1.電壓源對外提供電壓的電源稱為電壓源。1）理想電壓源（恒壓源）

如圖所示為理想電壓源E與負(fù)載RL連接的電路，U=E，輸出電流：電源輸出恒定的電壓，電壓的大小與電流無關(guān)，電流大小由負(fù)載決定。2）實際電壓源

一個實際電壓源可等效成一個理想電壓源E與內(nèi)阻R0串聯(lián)的模型。電路中，負(fù)載RL上的電壓和電流的關(guān)系為U=E-R0I

電壓源伏安特性如圖示。U<E，內(nèi)阻R0越小，則直線越平。

2.電流源對外提供電流的電源稱為電流源。1）理想電流源（恒流源）

如圖所示為理想電流源IS與負(fù)載RL連接的電路，電路中電I=IS

,其端電壓:U=RLIS

。電源輸出恒定的電流，輸出電流的大小與端電壓無關(guān)，端電壓大小由負(fù)載決定。2）實際電流源

一個實際電流源可等效成一個理想電流源IS與內(nèi)阻R0并聯(lián)的模型。電路中，負(fù)載上的電壓和電流的關(guān)系為:

電流源伏安特性如圖所示。I<IS,內(nèi)阻R0越小，則直線越陡。

3）電壓源和電流源的等效變換

兩種電源模型外接相同的負(fù)載電阻，且輸出電流和端電壓都相同時，對外電路而言，電壓源和電流源這兩種電源是完全等效的。

1.5

基爾霍夫定律幾個基本術(shù)語：（1）支路：由一個或幾個元件串聯(lián)成無分支的一段電路稱為支路。在同一支路內(nèi)，流過所有元件的電流相等。圖示電路中有3條支路。（2）節(jié)點：三條或三條以上支路的聯(lián)接點叫節(jié)點。圖中共有2個節(jié)點。（3）回路：電路中任意由支路組成的閉合路徑叫回路。圖中共有3個回路。（4）網(wǎng)孔：中間無支路穿過的最簡單回路叫網(wǎng)孔。圖中共有2個網(wǎng)孔。1.5

基爾霍夫定律

1.基爾霍夫電流定律

基爾霍夫電流定律（簡稱KCL）又稱節(jié)點電流定律。其內(nèi)容是：對于電路的任意一個節(jié)點，任意時刻流入節(jié)點的電流之和等于流出節(jié)點的電流之和。表達式為：另一種表述：對于電路的任意一個節(jié)點，任何時刻流入（或流出）節(jié)點的電流代數(shù)和恒等于零。符號的規(guī)定，流入節(jié)點的電流取“＋”號；流出節(jié)點的電流取“－”號。表達式為：

基爾霍夫電流定律通常應(yīng)用于電路節(jié)點上，但也可以推廣應(yīng)用于任一假想的閉合面。1.5

基爾霍夫定律

2.基爾霍夫電壓定律

基爾霍夫電壓定律（KVL）又稱回路電壓定律。其內(nèi)容是：對于電路中的任意一個回路，任何時刻，沿回路循環(huán)方向各部分電壓的代數(shù)和等于零。符號的規(guī)定：U的方向與循環(huán)方向一致，取“＋”號；U的方向與循環(huán)方向不一致，取“-”號。表達式為：

另一種表示形式：對于電路的任意一個回路，沿回路循環(huán)方向，電阻上的電壓降（IR）恒等于電源電動勢（E）的代數(shù)和。符號的規(guī)定：E（電位升）的方向與循環(huán)方向一致，取“＋”號，反之，取“-”號；I的參考方向與循環(huán)方向一致，電壓降IR取“＋”號，反之，電壓降IR取“-”號。不僅適用于實際元件構(gòu)成的回路，也適用于假想的回路。1.6

電路中電位的計算

電壓就是電位的差值，即Uab=Va-Vb，或者說電路中某一點的電位等于該點到參考點之間的電壓。

在一個較復(fù)雜的電路中計算電位時可以根據(jù)定義來計算，其方法歸納為以下幾點：

（1）選好參考點，即零電位點。（2）選擇待求電位點到零電位點最簡捷的繞行路徑，用歐姆定律計算電路電流和各電阻上的電壓降。（3）列出選定路徑上各元件電壓代數(shù)和的方程，即可求出該點的電位。1.7

支路電流法

以各支路電流為未知量，應(yīng)用基爾霍夫定律列出節(jié)點電流方程和回路電壓方程，解出各支路電流，從而可確定各支路（或元件）的電壓及功率，這種解決電路問題的方法叫做支路電流法。支路電流法解題步驟如下：（1）審題，確定電路中節(jié)點個數(shù)和支路條數(shù)各為多少；（2）以支路電流為變量，選取電流參考方向，應(yīng)用KCL列（n-1）個獨立的節(jié)點電流方程。（3）選回路繞行方向，應(yīng)用KVL列（b-n+1）個獨立的回路電壓方程。注意：對網(wǎng)孔列方程即可。當(dāng)含有電流源時，適當(dāng)選取回路，可以少列一個回路方程。（4）代入數(shù)據(jù)，解聯(lián)立方程，求解各支路電流。（5）根據(jù)題意要求，再求電壓和功率。1.8

疊加原理和戴維南定理

1.疊加原理

所謂疊加原理就是指在由多個電源組成的線性電路中，任何一條支路中的電流（或電壓）等于每個電源單獨作用時，在該支路所產(chǎn)生電流（或電壓）的代數(shù)和。如圖所示。對不起作用的電源應(yīng)做零值處理，即恒壓源短路，恒流源開路。a）E1、E2共同作用b）E1單獨作用c）E2單獨作用應(yīng)用疊加原理時，應(yīng)注意以下幾點：（1）只適用于線性電路，不適用非線性電路。（2）只適用于計算電壓和電流，不適用于計算功率。即，功率和能量的計算不能用疊加原理（因為它們是電源的平方關(guān)系）（3）疊加時注意電壓、電流的參考方向。若電壓、電流分量的參考方向與原電壓、電流參考方向一致時取“＋”號，相反時取“－”號。（4）根據(jù)具體情況，電源有時也可以分組作用。（5）疊加時，電路的連接結(jié)構(gòu)不變。某個電源單獨作用時，其余電源全為零值，恒壓源用“短路”替代，恒流源用“斷路”替代。

1.戴維南定理1）二端網(wǎng)絡(luò)

在分析電路時，凡是具有兩個引出端的部分電路