第1部分直流电路课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,总目录,上页,章目录,下页,返回,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,总目录,上页,章目录,下页,第,1,章 直流电路,1.1,电路的基本概念及基本定律,1.2,电路的基本分析方法,1.3,电容器,第,1,章 直流电路,本章要求,:,理解电路的基本概念，,掌握电路的基本定律,掌握电路中电位的意义及计算,理解电源的等效变换法，,掌握电阻串并联的特点及电路的计算,了解电容器的充放电特性，理解电容,C,的意义,1.1,电路的基本概念及基本定律,电路是电流的通路,，是为了某种需要由电工设备或电路元件按一定方式组合而成。,1.1.1,电路概述,1.,电路的作用,（,1,）电能的产生、传输控制和转换,电工电路,总目录,上页,章目录,下页,（,2,）电信号的产生、传输处理和变换,2.,电路的组成,电子电路,电源,负载,中间环节,信号源,负载,处理电路,返回,3.,电路模型,基本的理想元件有如下,五种,：,理想元件,是指只有一种电磁性质的假想元件。,电阻元件,是具有消耗电能性质的假想元件，其性质,用,参数,R,表示；,总目录,上页,章目录,下页,返回,电感元件,是具有将电能转换成磁场能并储存起来性质的假想元件，其性质用,参数,L,表示；,电容元件,是具有将电能转换成电场能并储存起来性质的假想元件，其性质用,参数,C,表示；,理想电压源,的输出电压恒定不变，也称为恒压源，其恒压性用,E,或,U,S,表示；,理想电流源,的输出电流恒定不变，也称为恒压源，其恒流性用,I,S,表示；,将实际元件用理想元件或其,组合等效替代，所得到的电路称为实际电路的电路模型，简称电路。,总目录,上页,章目录,下页,返回,汽车照明电路的电路模型,1.,电流,大小：,单位时间内通过导体横截面的电荷量。,电流是电荷在电场力的作用下作定向运动形成的,其大小和方向都与电荷有关。,1.1.2,电路的基本物理量,直流,交流,单位：,A,、,KA,、,mA,、,A,实际方向：,正,电荷的运动方向。,总目录,上页,章目录,下页,返回,2.,电压,大小：,在电路中，任意两点,a,、,b,的电压,U,ab,等于电场力将单位正电荷从,a,点移到,b,点所做的功。,直流,交流,单位：,V,、,KV,、,mV,实际方向：,高电位 低电位即电位降落的方向。,电荷运动回路,总目录,上页,章目录,下页,返回,3.,电动势,大小：,电源的电动势,E,ba,等于电源力将单位正电荷从负极,b,经电源内部移到正极,a,所做的功。,单位：,V,、,KV,、,mV,实际方向：,低电位 高电位即电位升,高,的方向。,电荷运动回路,电流,的实际方向,可用,箭头、双下标,；,电压、电动势,用,正负极性、箭头、双下标,。,I,ab,总目录,上页,章目录,下页,返回,（,1,）电流、电压、电动势的参考方向,参考方向的表示方法：,总目录,上页,章目录,下页,返回,参考方向：,在分析、计算电路时，人为假定的方向。,a,R,b,I,E,+,_,U,+,_,电流：,电压、电动势,：,I,ab,双下标,箭 标,a,b,R,I,U,ab,双下标,E,ba,正负极性,+,a,b,U,E,+,_,（,2,）实际方向与参考方向的关系,总目录,上页,章目录,下页,返回,实际方向与参考方向,一致,，电量值为,正值,；,实际方向与参考方向,相反,，电量值为,负值,。,若,I,=5A,，,则电流从,a,流向,b,；,若,I,=5A,，,则电流从,b,流向,a,。,若,U,=5V,，,则电压的实际方向从,a,指向,b,；,若,U,=5V,，,则电压的实际方向从,b,指向,a,。,例：,a,b,R,I,a,b,R,U,+,（,2,）实际方向与参考方向的关系,总目录,上页,章目录,下页,返回,若,E,=5V,，,则电动势的实际方向从,b,指向,a,；,若,E,=5V,，,则电动势的实际方向从,a,指向,b,。,+,a,b,E,注意：,在参考方向选定后，电流、电压、电动势的值才有正负之分。,在电路分析中，如果没有特别指明，所标的电量方向均指参考方向。,4.,导体的电阻,总目录,上页,章目录,下页,返回,电阻,是反映导体对电流阻碍作用大小的物理量。,电阻定律,说明：,不同的导体其电阻率不同，用途也不同。,导体电阻还与温度有关，通常用,电阻温度系数,表示。部分导体电阻率和温度系数如,下页,表,所示。,l,导体长度（,m,）；,S,导体截面积,(m,2,);,导体电阻率（,m,）,单位：,、,K,、,M,总目录,上页,章目录,下页,返回,材料,名称,电阻率,/m,电阻温度系数,/1/,用途,银,铜,铝,0.016510,-6,0.017510,-6,0.028310,-6,0.0038,0.0040,0.0042,导线,线圈,引线,触点,锰铜,康铜,镍铬,铁铬铝,碳,0.4210,-6,0.40.51 10,-6,1.110,-6,1.410,-6,10.010,-6,0.000005,0.000005,0.00013,0.00005,-0.0005,电阻器,电热丝,部分导体的电阻率,和电阻温度系数,1.1.3,欧姆定律,总目录,上页,章目录,下页,返回,1.,部分电路欧姆定律,U,、,I,参考方向,相同,时，,U,、,I,参考方向,相反,时，,通常取,U,、,I,参考方向相同，称为关联参考方向。,R,U,+,I,R,U,+,I,总目录,上页,章目录,下页,返回,解：,对图,(a),有,I,=,U,/,R,例：,应用欧姆定律对下图电路列出式子，并求电阻,R,。,对图,(b),有,I,=,U,/R,R,U,6V,+,2A,R,+,U,6V,I,a),b),I,2A,总目录,上页,章目录,下页,返回,2.,全电路欧姆定律,E,、,I,参考方向,相同,时，,E,、,I,参考方向,相反,时，,通常取,E,、,I,参考方向相同。,+,R,L,-,R,0,E,I,U,+,-,+,R,L,-,R,0,E,I,U,+,-,总目录,上页,章目录,下页,返回,解：,例,：,已知,E=,3V,，,R,0,=0.4,R,L,=9.6,求电流,I,、内阻压降,IR,0,及电源端电压,U,。,+,R,L,-,R,0,E,I,U,+,-,+,R,L,-,R,0,E,I,U,+,-,1.1.4,功率及其计算,总目录,上页,章目录,下页,返回,1.,实际方向下功率的计算,电功：,t,时间内，电场力（或电源力）做的功，用,W,R,(,或,W,E,),表示,。,根据电压定义,单位时间内电场力（或电源力）所做的功,称为电功率，用,P,R,（或,P,E,）表示,。,根据电动势定义,电阻的功率,电源的功率,总目录,上页,章目录,下页,返回,功率单位：,瓦（,W,）,、千瓦（,KW,）、毫瓦,(,mW,),电功单位：,焦（,J,），千瓦,时（,kW h,),1kW h=3.610,6,J,2.,参考方向下功率的计算,U,、,I,参考方向,相同,时，,U,、,I,参考方向,相反,时，,P,0,元件吸收功率，是负载,P,0,元件发出功率，是电源,。,正负值的意义：,I,A,U,+,I,B,U,+,总目录,上页,章目录,下页,返回,解：,对图,(a),有,P,=,UI,=,-10W,，,A,发出功率，是,电源,。,例,：,计算图中各元件的功率，并指出各元件的性质。,对图,(b),有,P,=,UI=,20W,，,B,吸收功率，是,负载,。,I,-1A,A,U,10V,+,a),b),I,2A,B,+,U,-10V,总目录,上页,章目录,下页,返回,3.,电流的热效应,电流的热效应,：,电流通过金属导体会发热的现象,。,电流热效应应用广泛。,汽车上的照明灯、熔断器,、双金属片式断路器,、,电热式机油压力表和水温表的指针偏转,等。,焦（,J,）,电流热效应的存在容易使导线发热，老化绝缘外皮，严重时引起漏电或短路事故。,焦耳定律：,电流通过金属导体产生的热量,Q,与电流的平方,I,2,、导体电阻,R,以及通电时间,t,成正比。,1.1.5,电路的三种状态,总目录,上页,章目录,下页,返回,1.,通路,通路：,电流通过电源和负载形成回路的状态。,U,+,-,I,R,0,R,L,+,-,E,S,通路状态下，电源被接上负载，此时电源的工作状态称为,有载状态,。,2.,开路（断路）,开路：,电路中的某处被断开时的状态。,特征：,电路中没有电流流动。,电源的负载被断开，此时的电源状态称,空载状态,。,总目录,上页,章目录,下页,返回,开路可以分为控制性开路和故障性开路。,控制性开路,是利用开关将处于通路状态的电路断开。,故障性开路,是一种突发性、意想不到的断路状态。,例如，在汽车电路中，电源与负载之间的连接线松脱，负载与导体的金属部分接触不良，都会引起断路故障。所以在接线时要牢固可靠，尽量避免断路故障发生。,在汽车电路发生断路故障时，通常用试灯或万用表（直流电压挡）去寻找电路的断路点。,总目录,上页,章目录,下页,返回,方法：,将试灯一端（或电压表负表笔）接在电源负极，另一端依次触及电路接线点,a,、,b,、,c,、,d,。如果灯亮说明此接线点至电源正极间无断路，如果灯不亮说明此接线点与前一接线点间有断路。,用这种办法逐步缩小查找范围，直至找到断路点。,总目录,上页,章目录,下页,返回,3.,短路,U=,0,+,-,短路：,电路的任意两端被导体接通时的状态。,电源短路时，流过大电流，烧损电源及导线，为避免该情况的发生，在电源附近要安装短路保护器。,特征：,被接通的两端,电压为零,。,-,I,R,0,R,L,+,E,a,b,短路可能发生在电源上，也会发生在负载上，,前者称为电源短路，后者称为负载短路。图中的短路为电源短路。,总目录,上页,章目录,下页,返回,短路除了有害的一面以外，还有有利的一面。在汽车上利用短路法能快速的找到故障点。,若按下起动按钮，起动机不转。经查,电源、熔断器,FU,及,搭铁线,均无故障。于是就可采用短接法查找故障所在位置。,汽车起动系统原理图,1.1.6,基尔霍夫定律,总目录,上页,章目录,下页,返回,支路：,电路中的每一个分支。,一条支路流过一个电流，称为支路电流。,结点：,三条或三条以上支路的联接点。,回路：,由支路组成的闭合路径,。,网孔：,内部不含支路的回路。,b,a,+,-,E,2,R,2,+,-,R,3,R,1,E,1,I,1,I,2,I,3,1,2,3,总目录,上页,章目录,下页,返回,1.,基尔霍夫电流定律,(,KCL,定律,),在任一瞬间，流向任一结点的电流之和等于流出该结点的电流之和。,I,1,+,I,2,=,I,3,电流定律,（,KCL,）,反映了电路中任一结点处各支路电流间相互制约的关系。,(1),定律,I,1,I,2,I,3,b,a,+,-,E,2,R,2,+,-,R,3,R,1,E,1,即,:,入,=,出,结点,a,:,结点,b,:,I,3,=,I,1,+,I,2,实质,:,电流连续性的体现。,总目录,上页,章目录,下页,返回,电流定律可以推广应用于包围部分电路的任一假设的闭合面。,（,2,）推广,I,=?,I,=0,I,A,+,I,B,+,I,C,=0,A,B,C,I,A,I,B,I,C,2,+,_,+,_,I,5,1,1,5,6V,12V,总目录,上页,章目录,下页,返回,解：,例,：,已知,I,1,=2A,，,I,2,=-3A,，,I,3,=-2A,，求,I,4,根据基尔霍夫电流定律得,总目录,上页,章目录,下页,返回,对,任一回路，沿假定的绕行方向走一周，回路中各段电压的代数和恒等于零。,（,1,）,定律,I,1,R,1,+,I,3,R,3,E,1,=0,I,2,R,2,+,I,3,R,3,E,2,=0,基尔霍夫电压定律,（,KVL,）,反映了电路中任一回路中各段电压间相互制约的关系。,2.,基尔霍夫电压定律,(,KVL,定律,),I,1,I,2,I,3,b,a,+,-,E,2,R,2,+,-,R,3,R,1,E,1,1,2,即：,U,=0,对回路,1,：,对回路,2,：,总目录,上页,章目录,下页,返回,列方程前,标注,回路绕行方向；,U,=0,I,2,R,2,E,2,+,U,BE,=0,应用,U,=0,列方程时，,项前符号的确定：,如果规定电压方向与绕行方向相同时取正号，,则相反时就取负号。,开口电路可按回路处理,（,2,）注意：,E,1,U,BE,E,+,B,+,R,1,+,E,2,R,2,I,2,_,绕行,总目录,上页,章目录,下页,返回,解：,例,：,已知一闭合电路，其组成元件为任意的，若,U,AB,=5V,，,U,BC,=-4V,，,U,DA,=-3V,，求,U,CD,，,U,CA,对回路,ABCDA,有,对开口电路,ABCA,有,总目录,上页,章目录,下页,返回,1.1.7,电位的概念及计算,电位：电路中某点至参考点的电压，,记为,“,V,X,”,。,通常设参考点的电位为零。,1.,电位的概念,电位的计算步骤,:,(1),任选电路中某一点为参考点，设其电位为零；,(2),标出各电流参考方向并计算；,(3),计算各点至参考点间的电压即为各点的电位,。,某点电位为正，说明该点电位比参考点高；,某点电位为负，说明该点电位比参考点低。,总目录,上页,章目录,下页,返回,2.,举例,求图示电路中各点的电位及电压,。,解：,设,a,为参考点，即,V,a,=0V,V,b,=,U,ba,=,106=,60V,V,c,=,U,ca,=420=80 V,V,d,=,U,da,=65=30 V,设,b,为参考点，即,V,b,=0V,V,a,=,U,ab,=106=60 V,V,c,=,U,cb,=,E,1,=140 V,V,d,=,U,db,=,E,2,=90 V,U,ab,=,106=60 V,U,cb,=,E,1,=140 V,U,db,=,E,2,=90 V,U,ab,=,106=60 V,U,cb,=,E,1,=140 V,U,db,=,E,2,=90 V,c,20,4A,6,10A,E,2,90V,E,1,140V,5,6A,d,b,a,总目录,上页,章目录,下页,返回,结论：,(1),电位值是相对的,，参考点选取的不同，电路中 各点的电位也将随之改变；,(2),电路中两点间的电压值是固定的,，不会因参考 点的不同而变，,即与零电位参考点的选取无关。,借助电位的概念可以简化电路作图,B,D,C,100k,R,1,9V,50k,6V,A,R,2,R,2,R,1,100k,50k,C,A,B,-9V,6V,总目录,上页,章目录,下页,返回,思考题,什么是等电位点？两个等电位点用导线连通后，,导线中是否有电流？,答：,2.,在直流电路中如何用万用表测量直流电位？,答：,电位相等的点为等电位点。,两个等电位点用导线连通后，导线中无电流,流过。,将万用表转换开关转到直流电压档，然后把,黑表笔触及电位参考点、红表笔接触各测量,点，此时万用表的电压读数即为各点的电位。,1.2,电路的基本分析方法,1.2.1,电阻串并联的特点,特点,:,（,3,）等效电阻等于各电阻之和；,（,1,）各电阻中通过同一电流；,各电阻一个接一个地顺序相接，且电流相同。,1.,电阻的串联,串联,:,（,2,）总电压等于分电压之和；,R,=,R,1,+,R,2,R,1,R,2,I,U,+,U,2,+,U,1,+,I,U,+,R,(4),串联电阻上,电压的分配与电阻成正比。,总目录,上页,章目录,下页,返回,应用：,降压、限流、调节电压等。,两电阻串联时的分压公式：,例,：,图为一分压器，已知输入,U,i,=1V,，,电位器电阻,R,P,=4.7k,，固定电阻,R,=0.3k,，求输出,U,o,变化范围。,当,R,P,滑动触点在最下端时，有,解：,总目录,上页,章目录,下页,返回,当,R,P,滑动触点在最上端时，有,故,输出电压的变化范围,：,0.061V,2.,电阻的并联,特点,:,(1),各电阻两端的电压相同；,(2),总电流等于各分电流之和；,各电阻接在两个公共结点之间，具有相同,的电压。,并联,:,I,1,I,2,R,1,U,R,2,I,+,总目录,上页,章目录,下页,返回,(3),等效电阻的倒数等于各电阻倒数之和；,两电阻并联时的分流公式：,(4),并联电阻上电流的分配与电阻成反比。,应用：,分流、调节电流等。,I,1,I,2,R,1,U,R,2,I,+,R,U,I,+,两电阻并联的等效电阻：,总目录,上页,章目录,下页,返回,例：,将,一个,500,的电阻，分别与,500,、,600,、,20,电阻并联，问并联后的等效电阻分别是多少？,解：,两个并联电阻的等效电阻,总目录,上页,章目录,下页,返回,例,：,已知电源电压,U,S,=12V,，,电阻,R,1,=2,，,R,2,=12,R,3,=R,4,=3,。求,R,4,上的,分流,I,4,。,解：,电路的等效电阻为,总目录,上页,章目录,下页,返回,1.2.2,电源的两种模型及等效变换,发电机、蓄电池等都是,实际电源,，在电路分析中，,常用电路模型表示,。,实际电源的电路模型,有两种：,电压源模型,和,电流源模型,。两种电路模型的特点不同，但在一定条件下可以相互转换。,由上图电路可得,:,U,=,E IR,0,R,L,R,0,+,-,E,U,+,电压源是由电动势,E,和内阻,R,0,串联组成。,I,电压源模型,U,0,=,E,I,U,O,电压源外特性,1.,电压源,(,模型,),总目录,上页,章目录,下页,返回,若,R,0,=0,则,U,E,，称为,理想电压源,(,恒压源）,。,若,R,0,R,L,，,I,I,S,，可,近似认为是理想电流源。,电流源模型,R,0,U,R,0,U,I,S,+,I,则,I,I,S,I,S,太阳能电池、放大状态晶体管,O,2.,电流源,(,模型,),总目录,上页,章目录,下页,返回,恒流源两端的电压,U,由外电路决定。,设,I,S,=10 A,，,接上,R,L,后，恒流源对外输出电流。,R,L,当,R,L,=1,时，,I,=10A,，,U,=10 V,当,R,L,=10,时，,I,=10A,，,U,=100V,外特性曲线,I,U,O,I,I,S,U,+,_,电流恒定，电压随负载变化。,I,S,理想电流源（恒流源）,例,1,：,总目录,上页,章目录,下页,返回,由图,a,：,由图,b,：,I,R,L,R,0,+,E,U,+,a,电压源,R,L,U,I,S,I,+,b,电流源,等效变换条件,:,3.,电压源与电流源的等效变换,总目录,上页,章目录,下页,返回,等效变换,时，两电源的,参考方向,要一一对应。,理想电压源与理想电流源之间无等效关系。,电压源和电流源的等效关系只,对,外,电路而言，,对电源,内部则是,不等效的。,注意事项：,例：当,R,L,=,时，,电压源的内阻,R,0,中不损耗功率，,而电流源的内阻,R,0,中则损耗功率。,任何一个电动势,E,和某个电阻,R,串联的电路，,都可化为一个,电流为,I,S,和这个电阻并联的电路。,R,0,+,E,a,b,I,S,R,0,a,b,R,0,+,E,a,b,I,S,R,0,a,b,总目录,上页,章目录,下页,返回,求下列各电路的等效电源,解:,+,a,b,U,2,5V,a),+,a,5A,b,U,3,b),+,a,b,2.5A,U,2,a),+,+,a,b,U,3,15V,b),+,例,1:,总目录,上页,章目录,下页,返回,例,2,：,解：,统一电源形式,试用电压源与电流源等效变换的方法计算图示,电路中,1,电阻中的电流。,2,+,-,+,-,6V,4V,I,2A,3,4,6,1,2A,3,6,2A,I,4,2,1,1A,I,4,2,1,1A,2,4A,总目录,上页,章目录,下页,返回,解：,I,4,2,1,1A,2,4A,1,I,4,2,1A,2,8V,+,-,I,4,1,1A,4,2A,I,2,1,3A,1.3,电容器,1.3.1,电容器的构成及电容量,电容器是用来存储电荷的一种容器,。将两个金属导体用绝缘物质隔开，再引出导线，就构成一只电容器。,两个金属导体叫,极板,，绝缘物质叫,介质,。空气蜡纸、云母、陶瓷等。,电容器存储电荷的能力用电容量表示，简称电容,(C),。,总目录,上页,章目录,下页,返回,电容：,或,单位：,法（,F,）,1F=1C/1V,1,F,（,微法）,=10,-6,F,1pF,(,皮法,),=10,-12,F,。,电容器的电容与极板的尺寸及其间介质的介电常数等关。,S,极板面积（,m,2,）,d,板间距离（,m,）,介电常数,（,F/m,）,总目录,上页,章目录,下页,返回,1.3.2,电容器的充放电特性,1.,充电过程,+,R,S,A,B,+,-,U,RC,串联电路,t,U,、,的变化规律,充电时间常数：,充电速度的快慢取决于,R,、,C,的大小,充电时间常数,充,是衡量充电快慢的物理量,S,合上前,（,S,）,总目录,上页,章目录,下页,返回,2.,放电过程,+,R,S,A,B,+,-,U,、,的变化规律,放电时间常数：,（,s,）,放电,的快慢取决于放电回路中,参数,R,、,C,的大小,放电时间常数,放,是衡量放电快慢的物理量,充电结束,t,O,总目录,上页,章目录,下页,返回,综合上述分析，可得出,结论,（,1,）电容器的,充放电,就是电荷的,储存和释放,过程或者电能的储存和释放过程。,（,2,）电容器具有,隔直通交,的作用。,（,3,）电容器,充放电的快慢,决定于,电路的参数,，通常用,时间常数,表示。,时间常数：,单位,:,S,总目录,上页,章目录,下页,返回,1.3.3,电容器的选用,选择：,电容量 额定电压,使用：,当电容器额定电压能满足电路的要求，但容量不足时，可将几个容量不同的电容器并联起来，以获得较大容量。,当现有电容器的额定电压较小，且容量大于所需要的容量，就可以把几个电容器串联起来使用。,总目录,上页,章目录,下页,返回,应用：,电容器作为存储电荷的元件，在汽车电路上有着广泛的应用。,如，在传统的点火系中，断电器触点两端常并联一电容器起保护触点的作用。,又如，在汽车转向灯闪光器中使用的电容器，起到使闪光器闪烁的目的。,再如，在汽车安全气囊中使用的电容器，在电路中起着备用电源的作用。当气囊需要充气时向点火器供电，使气囊充气保护乘员。,总目录,上页,章目录,下页,返回,思考题,答：,答：,并联,电压相同,时，,C,大,的，,Q,多,。,1.,有两只电容器，一只电容量大，另一只较小。它们充电到同样电压时，哪一只带的电荷量多？如果带电荷量相同时，哪一只电容两端电压高？,电荷量相同,时，,C,小,的，,U,高,。,2.,三只相同的电容器，每只容量为,C,1,、耐压为,U,1,，问并联后总容量,C,、,耐压,U,是多少？,若改为串联又是多少？,总目录,上页,章目录,下页,返回,串联,3.,如图所示，求：（,1,）电容器充电开始时的电流。,（,2,）电容器充电结束时其两端的电压,答：,充电开始,充电结束,总目录,上页,章目录,下页,返回,1.5p,F,标记为,1.5p,标记,完整标记法,数值和单位均标出,103,pF,=10,10,3,pF,229,F,=22,10,-1,F,省略标记法,只标出数值，单位省略,完整标记法,直标法,数码法,省略标记法,微法级纯小数,皮法级纯整数,0.01,F,标记,0.01,1000,pF,标记,1000,4.,试问电容器容量的标记方法有几种？请具体说明。,答：,总目录,上页,章目录,下页,返回,本章结束！,