第一章 电路的基本概念和基本定律.ppt

,返回目录,*,化学工业出版社,第,1,章 电路的基本概念和基本定律,1-1,电路及其模型,1-2,电路的物理量及参考方向,1-5,独立电源,1-6,克希荷夫定律,1-3,电路的基本元件,1-7,电路中电位的计算,第,1,章 电路的基本概念和基本定律,1-1,电路及其模型,一、电路,电流通过的路径称为电路，它主要由电源、负载和中间环节组成。如图,1-1,所示,1.,电源,将其他形式的能量转换成电能的装置称为电源。用电动势,E,表,示,2.,负载,把电源转换成其他能量的装置称为负载。图,1-1,中,R,表示负载。,3.,中间环节,中间环节包括连接电路的导线、控制电路的开关设备以及,保护电路的熔断器等。如图,1-1,中的,S,表示开关，,FU,表示熔断,器。,二、电路模型,电池,灯泡,E,I,R,U,+,_,电源,负载,1-1,电路及其模型,图,1-1,电路的组成,S,s,FU,1-2,电路的物理量及参考方向,一、电路的物理量,1.,电流 导体中的自由电子在电场力作用下定向移动就形成了电流。,设在极短的时间,dt,内,通过导体某横截面积的电量,dq,则电流为,第,1,章 电路的基本概念和基本定律,如果电流不随时间变化，,dq/dt,为常数，称为直流电流，用,I,表示，即,1-2,电路的物理量及参考方向,电流的单位为,A,（安培），更小的单位为,mA,（毫安）及,A,（微安）。,2.,电压 电场力将单位正电荷从电场中的一点移至另一点所做,的功称为这两点间的电压。,电压的单位,V(,伏特,),。作为辅助单位有,kV,（千伏）及,mV,（毫伏）,1-2,电路的物理量及参考方向,3.,电位 电路中某一点的电位就是该点到参考点之间的电压。电位值的大小与参考点的选取有关。电路中两点之间的电压就是这两点的电位之差。因此，电压又叫做电位差。电压（电位差）与参考点的选取是无关的。电位的单位也是伏特。,4.,电动势 电源把正电荷由负极经电源内部运动到正极时，非电场力所做的功,W,与所移动的电荷量,q,之比叫做电源的电动势。,电动势在数值上等于非电场力把单位正电荷从负极经电源内部运动到正极时所做的功。电动势的单位为,V,（伏特）。,物理量的,正方向：,实际正方向,假设正方向,实际正方向,：,物理中对电量规定的方向。,假设正方向,（参考正方向）：,在分析计算时，对电量人为规定的方向。,1-2,电路的物理量及参考方向,二、参考方向,物理量的实际正方向,1-2,电路的物理量及参考方向,物理量正方向的表示方法,电池,灯泡,U,ab,_,+,正负号,a,b,U,ab,（,高电位在前，,低电位在后）,双下标,箭 头,U,ab,a,b,电压,+,-,I,R,电流：从高电位,指向低电位。,I,R,U,ab,E,+,_,a,b,U,+,_,1-2,电路的物理量及参考方向,物理量正方向的表示方法,I,R,U,ab,+,_,a,b,U,+,_,电压的正方向箭头和正负号是等价的,只用其中之一,.,I,R,U,ab,a,b,U,1-2,电路的物理量及参考方向,电路分析中的假设正方向（参考方向）,问题的提出：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,B,？,电流方向,B,A,？,U,1,A,B,R,U,2,I,R,物理量正方向的表示方法,1-2,电路的物理量及参考方向,(1),在解题前先设定一个正方向，作为参考方向；,解决方法,(3),根据计算结果确定实际方向：,若计算结果为正，则实际方向与假设方向一致；,若计算结果为负，则实际方向与假设方向相反。,(2),根据电路的定律、定理，列出物理量间相互关,系的代数表达式；,1-2,电路的物理量及参考方向,规定正方向的情况下欧姆定律的写法,I,与,U,的方向一致,U=IR,a,I,R,U,b,I,与,U,的方向相反,U=IR,a,I,R,U,b,1-2,电路的物理量及参考方向,规定正方向的情况下电功率的写法,功率的概念,：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,:,I,U,P,=,如果,U I,方向不一致写法如何？,电压电流正方向一致,a,I,R,U,b,1-2,电路的物理量及参考方向,规定正方向的情况下电功率的写法,a,I,R,U,b,电压电流正方向相反,P=UI,功率有正负？,1-2,电路的物理量及参考方向,吸收功率或消耗功率（起负载作用）,若,P,0,输出功率（起电源作用）,若,P,0,电阻消耗功率肯定为正,电源的功率可能为正（吸收功率），也可能为负（输出功率）,功率有正负,1-2,电路的物理量及参考方向,电源的功率,I,U,a,b,+,-,P=UI,P=UI,I,U,a,b,+,-,电压电流正方向不一致,电压电流正方向一致,1-2,电路的物理量及参考方向,含源网络的功率,I,U,+,-,含源网络,P=UI,电压电流正方向一致,P=UI,电压电流正方向不一致,I,U,+,-,含源网络,1-2,电路的物理量及参考方向,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。,结论,在进行功率计算时，如果假设,U,、,I,正方向一致。,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,。,1-2,电路的物理量及参考方向,第,1,章 电路的基本概念和基本定律,1-3,电路的基本元件,伏,-,安 特性,i,u,R,i,u,u,i,线性电阻,非线性电阻,1.,电阻,R,（常用单位：,、,k,、,M,）,1-3,电路的基本元件,1-3,电路的基本元件,实际的电阻,电阻的主要指标,1.,标称值,2.,额定功率,3.,允许误差,种类,:,碳膜、金属膜、,线绕、可变电阻,电阻的标称值,1-3,电路的基本元件,误差,10%,（,E12,）,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,标,称,值,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,电阻的标称值,=,标称值,10,n,电阻器的色环表示法,四环,五环,倍,率,10,n,误,差,有效,数字,误,差,黑、棕、红、橙、黄、绿、蓝、紫、灰、白、金、银,0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0.1 0.01,误差,:,1%2 0.5 0.2 0.1 5 10,有效,数字,倍,率,10,n,1-3,电路的基本元件,如电阻的,4,个色环颜色依次为：,绿、棕、金、金,如电阻的,5,个色环颜色依次为：,棕、绿、黑、金、红,四环,倍,率,10,n,误,差,有效,数字,五环,有效,数字,误,差,倍,率,10,n,1-3,电路的基本元件,2.,电感,L,：,u,i,（单位：,H,mH,H,）,单位电流产生的磁链,线圈,匝数,磁通,1-3,电路的基本元件,电感中电流、电压的关系,当,(,直流,),时,所以,在直流电路中电感相当于短路。,u,e,i,+,+,1-3,电路的基本元件,3.,电容,C,单位电压下存储的电荷,（单位：,F,F,pF,）,+,-,+q,-,q,u,i,电容符号,有极性,无极性,+,_,1-3,电路的基本元件,电容上电流、电压的关系,当,(,直流,),时,所以,在直流电路中电容相当于断路（开路）,u,i,C,1-3,电路的基本元件,静电屏蔽,1.,静电感应 静电在生产实际中的应用都离不开导体。金属是常见的导体，内部含有大量的自由电子。无外电场的作用时，自由电子在金属内部作无规则热运动，导体各部分均处于电中和状态，导体呈电中性。有外电场作用时导体中的电荷进行重新分布，这种现象叫静电感应。如图所示（教材,10,页图,1-22,）,1-3,电路的基本元件,2.,静电平衡 导体在电场中有静电感应现象，自由电子会定向移动。直到导体内部各点电场强为零为止（,E/,与,E,0,完全抵消），这时自由电子的定向移动停止。如图所示（教材,10,页,1-23,）。导体中（包括表面）没有电荷定向移动的状态叫做静电平衡状态。,1-3,电路的基本元件,3.,静电屏蔽 静电平衡时导体内部的场强为零，这一现象在技术上可用来实现静电屏蔽。如图所示（教材,10,页,1-24,）。,1-3,电路的基本元件,静电的危害及消除,1.,静电的危害 主要有以下几种危害（,1,）爆炸及火灾，（,2,）人体伤害，（,3,）妨碍生产。,2.,静电危害的消除 主要有以下几种方法（,1,）采用工艺法控制静电产生，（,2,）泄露导走法，（,3,）中和电荷法，（,4,）封闭消尖法，（,5,）人体防静电。,1-3,电路的基本元件,无源元件小结,理想元件的特性（,u,与,i,的关系）,L,C,R,1-3,电路的基本元件,U,R,1,R,2,L,C,R,1,U,R,2,U,为直流电压时,以上电路等效为,注意,L,、,C,在不同电路中的作用,1-3,电路的基本元件,1-5,独立电源,第,1,章 电路的基本概念和基本定律,1.,理想电压源,在电路中，能够提供一个定值电压的电源,称为理想电压源或恒压源,。,u,S,+,_,电路符号,特点：,两端电压为一定值,u,S,电流由外电路决定,直流理想电压源及伏安特性曲线,U,S,R,L,I,b,U,+,_,+,_,a,U=U,S,I=U,S,/,R,L,U,=,U,S,O,I,/A,U,/V,1-5,独立电源,2.,实际电压源,特点：,当,R,0,一定时，电压,U,随电流增加而降低。,直流电源的电压源模型及伏安特性曲线,U,=,U,S,O,I,/A,U,/V,I,b,U,R,0,R,L,+,_,+,_,a,U,S,U,=,U,S,R,0,I,I,S,=,R,0,U,S,1-5,独立电源,v,3.,理想电流源,在电路中，能够提供一个定值电流的电源,称为理想电流源或恒流源,。,电路符号,特点：,电流为一定值,i,S,两端电压由外电路决定,直流理想电流源及伏安特性曲线,I=I,S,U=I,S,R,L,I,=,I,S,O,I,/A,U,/V,i,S,R,L,I,b,U,+,_,a,I,S,1-5,独立电源,4.,实际电流源,直流电源的电流源模型及伏安特性曲线,I,S,O,I,/A,U,/V,I,=,I,S,U,/,R,0,R,L,I,b,U,+,_,a,I,S,R,0,U,0,=,I,S,R,0,1-5,独立电源,恒压源与恒流源特性比较,恒压源,恒流源,不 变 量,变 化 量,U,+,_,a,b,I,U,ab,U,ab,=U,（常数）,U,ab,的大小、方向均为恒定，,外电路负载对,U,ab,无影响。,I,a,b,U,ab,I,s,I=I,s,（常数）,I,的大小、方向均为恒定，,外电路负载对,I,无影响。,输出电流,I,可变,-,I,的大小、方向均,由外电路决定,端电压,U,ab,可变,-,U,ab,的大小、方向,均由外电路决定,电路如图所示，计算电压,U=?,当电阻,R,的阻值变化时，电压,U,变不变？,电压,U=,10,伏。,当电阻,R,的阻值变化时，,电压,U,不变,。,电压,U=,10,伏。,当电阻,R,的阻值变化时，,电压,U,不变,1-4,电压源,和电流源,第,1,章 电路的基本概念和基本定律,1-6,克希荷夫定律,用来描述电路中各部分电压或各部分电流间的关系,其中包括,克氏电流定律,和,克氏电压定律,两个定律。,名词注释：,节点：,三个或三个以上支路的联结点,支路：,电路中每一个分支,回路：,电路中任一闭合路径,1-6,克希荷夫定律,第,1,章 电路的基本概念和基本定律,支路：共,3,条,回路：共,3,个,节点：,a,、,b,(,共,2,个）,例,#1,#2,#3,a,I,1,I,2,U,2,+,-,R,1,R,3,R,2,+,_,I,3,b,U,1,1-6,克希荷夫定律,I,3,E,4,E,3,_,+,R,3,R,6,+,R,4,R,5,R,1,R,2,a,b,c,d,I,1,I,2,I,5,I,6,I,4,-,例,支路：共？条,回路：共？个,节点：共？个,6,条,4,个,独立回路：？个,3,个,有几个网眼就有几个独立回路,1-6,克希荷夫定律,(,一,)KCL,电流定律,对任何节点，在任一瞬间，流入节点的电流之和等于由节点流出的电流之和。或者说，在任一瞬间，一个节点上电流的代数和为,0,。,I,1,I,2,I,3,I,4,克氏电流定律的,依据,：电流的连续性,I,=0,即：,例,或,：,流入为正,流出为负,1-6,克希荷夫定律,电流定律还可以扩展到电路的任意封闭面。,I,1,+I,2,=I,3,I=,0,克氏电流定律的扩展,I,=?,I,1,I,2,I,3,U,2,U,3,U,1,+,_,R,R,1,R,+,_,+,_,R,广义节点,1-6,克希荷夫定律,(,二,),克氏电压定律,对电路中的任一回路，沿任意循行方向转一周，其电位降等于电位升或电压降的代数和为零,。,a,I,1,I,2,U,2,+,-,R,1,R,3,R,2,+,_,I,3,b,U,1,1-6,克希荷夫定律,例如：,回路,#1,1,3,3,1,1,U,R,I,R,I,=,+,电位降,电位升,即：,#1,a,I,1,I,2,U,2,+,-,R,1,R,3,R,2,+,_,I,3,b,U,1,对,回路,#2,：,#2,2,3,3,2,2,U,R,I,R,I,=,+,电位升,电位降,对,回路,#3,：,1,2,2,1,1,U,R,I,R,I,=,+,+,U,2,电位降,电位升,#3,第,3,个方程不独立,电位降为正,电位升为负,1-6,克希荷夫定律,关于独立方程式的讨论,问题的提出：在用克氏电流定律或电压定律列方程时，究竟可以列出多少个独立的方程？,a,I,1,I,2,U,2,+,-,R,1,R,3,R,2,+,_,I,3,#1,#2,#3,b,U,1,分析以下电路中应列几个电流方程？几个,电压方程？,1-6,克希荷夫定律,克氏电流方程：,节点,a,：,节点,b,：,独立方程只有 1 个,克氏电压方程：,#1,#2,#3,2,2,1,1,2,1,3,3,2,2,2,3,3,1,1,1,R,I,R,I,U,U,R,I,R,I,U,R,I,R,I,U,-,=,-,+,=,+,=,独立方程只有 2 个,a,I,1,I,2,U,2,+,-,R,1,R,3,R,2,+,_,I,3,#1,#2,#3,b,U,1,1-6,克希荷夫定律,设：电路中有,N,个节点，,B,个支路,N,=2,、,B,=3,b,R,1,R,2,U,2,U,1,+,-,R,3,+,_,a,小 结,独立的,节点电流方程,有,(,N,-1),个,独立的,回路电压方程,有,(,B,-,N,+1),个,则：,（一般为网孔个数）,独立电流方程：,个,独立电压方程：,个,1-6,克希荷夫定律,1-7,电路中电位的计算,第,1,章 电路的基本概念和基本定律,电位：电路中某点至参考点的电压，,记为“,U,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。,1-7,电路中电位的计算,2.,举例,求图示电路中各点的电位,:,U,a,、,U,b,、,U,c,、,U,d,。,解：,设,a,为参考点，即,U,a,=0V,U,b,=,U,ba,=,106=,60V,U,c,=,U,ca,=420=80 V,U,d,=,U,da,=65=30 V,设,b,为参考点，即,U,b,=0V,U,a,=,U,ab,=106=60 V,U,c,=,U,cb,=,E,1,=140 V,U,d,=,U,db,=,E,2,=90 V,b,a,c,20,4A,6,10A,E,2,90V,E,1,140V,5,6A,d,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,1-7,电路中电位的计算,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是固定的，不会因参考点的选取不同而改变，,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,c,a,20,4A,6,10A,E,2,90V,E,1,140V,5,6A,d,+90V,20,5,+140V,6,c,d,1-7,电路中电位的计算,例,1:,图示电路，计算开关,S,断开和闭合时,A,点的电位,U,A,解,:(1),当开关,S,断开时,(2),当开关闭合时,电路,如图（,b,）,电流,I,2,=0,，,电位,U,A,=0V,。,电流,I,1,=,I,2,=0,，,电位,U,A,=6V,。,电流在闭合,路径中流通,2K,A,+,I,1,2k,I,2,6V,(b),2k,+6V,A,2k,S,I,2,I,1,(a),1-7,电路中电位的计算,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,R,P,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？,A,+,12V,12V,B,R,P,R,1,R,2,12V,12V,B,A,R,P,R,2,R,1,I,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,R,P,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,）,U,A,=,IR,1,+12,U,B,=,IR,2,12,1-7,电路中电位的计算,本章小结,第,1,章 电路的基本概念和基本定律,一、,电路中的基本物理量,电压、电流、电动势、电位。,二、,电压、电流的参考方向,参考方向是为了进行电路分析而假定的方向，可以,任意选定，当计算结果为正时，实际方向与参考方向,一致；当计算结果为负时，实际方向与参考方向相反。,三、,基本电路元件,（,R,、,L,、,C,、电压源、电流源）,1.,电阻元件,i,R,u,+,关联参考方向,(,耗能元件,),本章小结,2.,电感元件,i,L,+,u,e,(,储能元件,),3.,电容元件,(,储能元件,),i,C,u,本章小结,4.,电压源,理想电压源,U,s,+,-,实际电压源,u,0,i,U,s,理想电压源伏安特性,实际电压源伏安特性,U,s,+,-,R,O,本章小结,5.,电流源,+,-,U,I,s,理想电流源,R,O,I,s,U,+,-,实际电流源,u,0,i,理想电流源伏安特性,I,s,实际电流源伏安特性,四、,电路中的基本定律,1.,欧姆定律,关联参考方向：,非关联参考方向：,2.,基尔霍夫电流定律,（,KCL,）,（,KVL,）,本章小结,第,1,章结 束,