电路基本概念定理.ppt

第1章电路的基本概念与基本定律 1 1电路的作用与组成部分 1 2理想元件与电路模型 1 3电压和电流的参考方向 1 4欧姆定律 1 5电源有载工作 开路与短路 1 6基尔霍夫定律 1 7电路中电位的概念及计算 1 理解电压与电流参考方向的意义 2 理解电路的基本定律并能正确应用 3 了解电路的有载工作 开路与短路状态 理解电功率和额定值的意义 4 会计算电路中各点的电位 本章要求 1 1电路的作用与组成部分 1 实现电能的传输 分配与转换 2 实现信号的传递与处理 1 电路的作用 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 2 电路的组成部分 电源 提供电能的装置 负载 取用电能的装置 中间环节 传递 分配和控制电能的作用 直流电源 提供能源 负载 信号源 提供信息 2 电路的组成部分 电源或信号源的电压或电流称为激励 它推动电路工作 由激励所产生的电压和电流称为响应 信号处理 放大 调谐 检波等 6 电容器 晶体管 电阻器 线圈 运算放大器 电池 实际器件 二极管 1 2理想元件与电路模型 1 理想电路元件 1 2理想元件与电路模型 1 理想电路元件 实际器件 理想电路元件是实际器件的数学模型 它用精确的数学定义描述实际器件的主要电磁特性 简称为电路元件 用图形符号和数学表达式描述 注1 理想电路元件只是实际电路器 部件的电磁特性的近似表示 注2 不同工作条件下 同一实际器 部件可以用不同模型 一个理想电路元件或多个元件的组合 表示 b 线圈通过低频交流的模型 c 线圈通过高频交流的模型 a 线圈的图形符号 1 理想电路元件 电阻 电感 电容 电压源 常用电路元件图形符号 10 电路模型是由理想电路元件构成的实际电路的理想化模型 实际电路 电路模型 在本课程中 研究的电路是指电路模型 简称电路 2 电路模型 1 3电压和电流的参考方向 物理中对基本物理量规定的方向 1 电路基本物理量的实际方向 12 问题 在复杂电路中难于判断元件中物理量的实际方向 电路如何求解 电流方向A BorB A A B U1 R IR R R R 假设电流A B可以吗 2 参考方向的表示方法 电流 电压 1 参考方向 在分析与计算电路时 对电量任意假定的方向 2 电路基本物理量的参考方向 注意 在参考方向选定后 电流 或电压 值才有正负之分 14 u或i 0时 实际方向与参考方向一致 u或i 0时 实际方向与参考方向相反 设定参考方向之后 根据电压 电流数值的正负来确定实际方向 3 实际方向与参考方向的关系 I 0 28A I 0 28A 2 8V 2 8V 4 关联参考方向与非关联参考方向 当两者方向一致时 称为关联参考方向当方向不一致时 称为非关联参考方向 电压和电流的参考方向可以任意假定 a 关联参考方向 b 非关联参考方向 16 4 为了避免列方程时出错 习惯上把I与U的方向按关联方向假设 3 方程式U RI仅适用于电压和电流参考方向一致的情况 1 实际方向 是物理中规定的 而 参考方向 则是人们在进行电路分析计算时 任意假设的 2 在以后的解题过程中 注意一定要先假定 参考方向 即在图中表明物理量的参考方向 然后再列方程计算 没有 参考方向 的物理量是无意义的 提示 已知 US 2V R 1 问 当Uab分别为3V和1V时 IR 解 1 假定电路中电流电压的参考方向 2 列电路方程 IR 3 数值计算 实际方向与参考方向一致 实际方向与参考方向相反 18 普通金属膜电阻 电阻排 热敏电阻 绕线电阻 表贴电阻 电阻的图形符号 1 4 1电阻元件 1 4电阻元件与欧姆定律 1 4电阻元件与欧姆定律 U I参考方向相同时 U I参考方向相反时 表达式中有两套正负号 1 式前的正负号由U I参考方向的关系确定 2 U I值本身的正负则说明实际方向与参考方向之间的关系 通常取U I参考方向相同 U IR U IR 1 4 2电阻元件伏安特性 欧姆定律 解 对图 a 有 U IR 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 U IR 电流的参考方向与实际方向相反 电压与电流参考方向相反 电路端电压与电流的关系称为伏安特性 遵循欧姆定律的电阻称为线性电阻 它表示该段电路电压与电流的比值为常数 线性电阻的概念 线性电阻的伏安特性是一条过原点的直线 1 6基尔霍夫定律 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 回路1 回路2 回路3 回路1 回路2 例1 支路 ab bc ca 共6条 回路 abda abca adbca 共7个 结点 a b c d 共4个 网孔 abd abc bcd 共3个 1 6 1基尔霍夫电流定律 KCL定律 1 定律 即 入 出 在任一瞬间 流向任一结点的电流等于流出该结点的电流 实质 电流连续性的体现 或 0 对结点a I1 I2 I3 或I1 I2 I3 0 或在任一瞬间 流入任一结点的电流代数和等于零 流入为正流出为负 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 例 I 0 IA IB IC 0 广义结点 例 图示电路中 已知I1 11mA I4 12mA I5 6mA 求I2 I3和I6 对节点C有 I6 I1 I2 11 7 18mA 对节点A有 I3 I1 I5 11 6 5mA 对节点B有 I2 I3 I4 5 12 7mA 解 根据KCL 基尔霍夫电流定律举例 A B C 在任一瞬间 沿任一回路循行方向 回路中各段电压的代数和恒等于零 1 6 2基尔霍夫电压定律 KVL定律 1 定律 即 U 0 在任一瞬间 从回路中任一点出发 沿回路循行一周 则在这个方向上电位升之和等于电位降之和 对回路1 对回路2 E1 I1R1 I3R3 I2R2 I3R3 E2 或I1R1 I3R3 E1 0 或I2R2 I3R3 E2 0 1 列方程前标注回路循行方向 电位升 电位降E2 UBE I2R2 或 U 0I2R2 E2 UBE 0 2 应用 U 0列方程时 项前符号的确定 如果规定电位降取正号 则电位升就取负号 3 开口电压可按回路处理 注意 对回路1 例 右图中US1 12V US2 8V 求Ude 解 沿图示路径计算电压Ude Ude US1 US2 12 8 4 V KVL推论 两点之间的电压与路径无关 30 1 3V 4V 1 5V I1 I2 I3 在图示电路中 已知 US 5V I1 1A 电流I2为 a 1A b 2A c 3A C 例 对网孔abda 对网孔acba 对网孔bcdb R6 I6R6 I3R3 I1R1 0 I2R2 I4R4 I6R6 0 I4R4 I3R3 E 0 对回路adbca 沿逆时针方向循行 I1R1 I3R3 I4R4 I2R2 0 应用 U 0列方程 对回路cadc 沿逆时针方向循行 I2R2 I1R1 E 0 1 5电源有载工作 开路与短路 开关闭合 接通电源与负载 负载端电压 U IR 1 电压电流关系 1 5 1电源有载工作 1 电流的大小由负载决定 2 在电源有内阻时 I U 或U E IR0 当R0 R时 则U E 表明当负载变化时 电源的端电压变化不大 即带负载能力强 1 5 1电源有载工作 U E IR0 UI EI I2R0 P PE P 负载取用功率 电源产生功率 内阻消耗功率 1 电压电流关系 2 功率与功率平衡 3 电源输出的功率由负载决定 35 设电路任意两点间的电压为U 流入此部分电路的电流为I 则这部分电路消耗的功率为 功率 36 当计算的P 0时 则说明U I的实际方向一致 此部分电路消耗电功率 为负载 所以 从P的 或 可以区分器件的性质 或是电源 或是负载 在进行功率计算时 如果假设U I参考方向关联 当计算的P 0时 则说明U I的实际方向相反 此部分电路发出电功率 为电源 一个电路元件在电路中是起电源还是负载作用 要根据该元件上电压和电流的实际方向确定 电源与负载的判别 例 求图示电路中 已知U1 220V U2 110V I 5A 说明两个电压源哪个是电源 哪个是负载 根据U I的实际方向判别 解 电压源U1的电压电流实际方向相反 故为电源 电压源U2的电压电流实际方向相同 故为负载 例 图示电路中 供出功率的电源是 a 理想电压源 b 理想电流源 c 理想电压源与理想电流源 b 通常负载都是并联运行的 当负载增加时 电源输出的功率也相应增加 即电源输出的功率和电流决定于负载的大小 既然电源输出的功率和电流决定于负载的大小 是可大可小的 那么 有没有一个最合适的数值呢 回答是肯定的 这个合适的值就是额定值 各种电气设备的电压 电流及功率都有一个额定值 额定值是标明设备在给定条件下能正常工作而规定的正常允许值 电气设备的额定值 额定值 电气设备在正常运行时的规定使用值 例 一只220V 60W的白炽灯 接在220V的电源上 试求通过电灯的电流和电灯在220V电压下工作时的电阻 如果每晚工作3h 小时 问一个月消耗多少电能 注意 电气设备工作时的实际值不一定都等于其额定值 要能够加以区别 解 通过电灯的电流为 电气设备的三种运行状态 欠载 轻载 I IN P PN 不经济 过载 超载 I IN P PN 设备易损坏 额定工作状态 I IN P PN 经济合理安全可靠 在220V电压下工作时的电阻 一个月用电 W Pt 60W 3 30 h 0 06kW 90h 5 4kW h 特征 开关断开 1 5 2电源开路 1 开路处的电流等于零 I 02 开路处的电压U视电路情况而定 电路中某处断开时的特征 电源外部端子被短接 1 5 3电源短路 1 短路处的电压等于零 U 02 短路处的电流I视电路情况而定 电路中某处短路时的特征 1 7电路中电位的概念及计算 电位 电路中某点至参考点的电压 记为 VX 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 2 举例 求图示电路中各点的电位 Va Vb Vc Vd 解 设a为参考点 即Va 0V Vb Uba 10 6 60VVc Uca 4 20 80VVd Uda 6 5 30V 设b为参考点 即Vb 0V Va Uab 10 6 60VVc Ucb E1 140VVd Udb E2 90V b a Uab 10 6 60VUcb E1 140VUdb E2 90V Uab 10 6 60VUcb E1 140VUdb E2 90V 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 例1 图示电路 计算开关S断开和闭合时A点的电位VA 解 1 当开关S断开时 2 当开关闭合时 电路如图 b 电流I2 0 电位VA 0V 电流I1 I2 0 电位VA 6V 电流在闭合路径中流通 例2 电路如下图所示 1 零电位参考点在哪里 画电路图表示出来 2 当电位器RP的滑动触点向下滑动时 A B两点的电位增高了还是降低了 解 1 电路如左图 零电位参考点为 12V电源的 端与 12V电源的 端的联接处 当电位器RP的滑动触点向下滑动时 回路中的电流I减小 所以A电位增高 B点电位降低 2 VA IR1 12VB IR2 12 例 图示电路中 已知 U1 U2 12V R1 R2 4kW R3 16kW 求 1 S断开后A点电位VA 2 S闭合后A点电位VA 举例 1 S断开后 设电流方向如图所示 解 2 S闭合后 电路如图 b 所示