第1章直流電路

Corresponding:Telmail:zhudm@下次課前選出課代表并發(fā)短信到我手機(jī),短信內(nèi)容:班級(jí),姓名1緒論課程簡(jiǎn)況：課程地位,研究?jī)?nèi)容,教學(xué)要求課程特點(diǎn)：理論嚴(yán)謹(jǐn),內(nèi)容豐富,系統(tǒng)性強(qiáng)課程安排：考試課,總學(xué)時(shí)72學(xué)時(shí)(包括6個(gè)實(shí)驗(yàn)12學(xué)時(shí))

2電工技術(shù)輔導(dǎo)講案，段小虎，西北工業(yè)大學(xué)出版社，2008.4，1電工學(xué)簡(jiǎn)明教程，第二版，秦曾煌，高等教育出版社，2007.6參考用書3項(xiàng)目1模擬式萬(wàn)用表的組裝與調(diào)試模塊1.1簡(jiǎn)單直流電路的分析與實(shí)踐任務(wù)1.1.1簡(jiǎn)單直流電路的分析與測(cè)試任務(wù)內(nèi)容:

電路的組成及作用,理想電路元件及電路模型;電路中的物理量.任務(wù)目標(biāo):

了解電路的組成,電路模型的概念;

理解電路中的物理量的意義,電流,電壓的正方向和參考正方向的概念;

掌握電路中電位,電功率的計(jì)算方法;

學(xué)習(xí)安裝簡(jiǎn)單直流照明電路;學(xué)會(huì)使用穩(wěn)壓電源,直流電壓表,直流電流表4電器元件或設(shè)備按一定方式連接而構(gòu)成的集合叫電路.復(fù)雜的電路呈網(wǎng)狀,又稱為網(wǎng)絡(luò).電路的作用能量轉(zhuǎn)換:實(shí)現(xiàn)電能傳送,分配,轉(zhuǎn)換等.

信號(hào)處理:實(shí)現(xiàn)電信號(hào)產(chǎn)生,加工,傳輸,變換等.電路舉例電力系統(tǒng)電路,擴(kuò)音機(jī)電路1.電路的組成及作用5電路組成電路是電流流經(jīng)的路徑,實(shí)際電路由電氣設(shè)備和元件組成.電源:提供電能的裝置負(fù)載:取用電能的裝置中間環(huán)節(jié):傳遞,分配和控制電能的作用6為了便于分析電路,一般要將實(shí)際電路模型化,用理想元件來(lái)模擬實(shí)際電路中的器件,從而構(gòu)成與實(shí)際電路相對(duì)應(yīng)的電路模型.理想電路元件主要有電阻元件(R),電感元件(L),電容元件(C)和電源元件(E,US,

IS)等.2.理想電路元件(circuitelement)及電路模型7電路電路模型電池

燈泡今后分析的都是指電路模型,簡(jiǎn)稱電路.在電路圖中,各種電路元件都用規(guī)定的圖形符號(hào)表示.導(dǎo)線電路模型circuitmodelRE+-R083.電路中的物理量電路中的主要物理量,即電流,電壓,電位,電動(dòng)勢(shì)和電功率.電流(current)

I單位:安培(A),千安(kA),毫安(mA),微安(μA)電路中電荷的定向有規(guī)則運(yùn)動(dòng)形成電流.+-E0RRabI實(shí)際方向?yàn)檎姾蛇\(yùn)動(dòng)的方向9參考方向(referencedirection)

分析計(jì)算時(shí),任意設(shè)定的假想方向,又叫正方向.+-ER0RabIIab

雙下標(biāo)箭標(biāo)abRI參考方向的表示方法10參考方向與實(shí)際方向一致,電流值為正值,參考方向與實(shí)際方向相反,電流值為負(fù)值.參考方向與實(shí)際方向的關(guān)系注意在參考方向選定后,電流值才有正負(fù)之分.若I=2A,則電流從a流向b,例：若I=–2A,則電流從b流向a.abRI11電壓(voltage)U單位:伏(V),千伏(kV),毫伏(mV),微伏(μV)描述電場(chǎng)力移動(dòng)電荷做功本領(lǐng)的物理量IRUab+_abE+_實(shí)際方向:從高電位指向低電位.(電位降方向)12參考方向(referencedirection)

分析計(jì)算時(shí),任意設(shè)定的假想方向,又叫正方向.參考方向的表示方法Uab

雙下標(biāo)正負(fù)極性+–abUIRUab+_abE+_13參考方向與實(shí)際方向一致,電壓值為正值;參考方向與實(shí)際方向相反,電壓值為負(fù)值.參考方向與實(shí)際方向的關(guān)系注意：在參考方向選定后,電壓值才有正負(fù)之分.例:abRU+–若U=5V,則電壓的實(shí)際方向從a指向b;若U=–5V,則電壓的實(shí)際方向從b指向a.14

IUabU與I相關(guān)聯(lián)的參考方向:

與的方向一致U與I非關(guān)聯(lián)的參考方向

與的方向相反

IUab15電動(dòng)勢(shì)(electromotiveforce)E單位:伏(V),千伏(kV),毫伏(mV),微伏(μV)電池?zé)襞輆b分析計(jì)算時(shí)也要假設(shè)參考方向忽略電源內(nèi)阻時(shí)IRUab+_abEba+_ab實(shí)際方向:電源內(nèi)部從低電位指向高電位.(電位升方向)16電位(potential)V

在電路中為方便起見(jiàn),常用電位表示各處電壓.所謂電位是指電路中某一點(diǎn)相對(duì)于參考點(diǎn)而言的電壓.Va=5V

a點(diǎn)電位ab1

5Aab1

5Ab點(diǎn)電位Vb=-5V17E1+_E2+_R1R2R3R1R2R3+E1-E2電動(dòng)勢(shì)的電位表示法參考點(diǎn)參考點(diǎn)18電位值是相對(duì)的,參考點(diǎn)選得不同,電路中其它各點(diǎn)的電位也將隨之改變;

電路中兩點(diǎn)間的電壓值是固定的,不會(huì)因參考點(diǎn)的不同而改變.電位和電位差(potentialdifference)的區(qū)別19電功率(power)P電阻消耗功率,起負(fù)載作用,電動(dòng)勢(shì)或電激流在電路中可能吸收功率(負(fù)載),也可能發(fā)出功率(電源).對(duì)于電阻(forresistance):單位:MW,kW,W,mW等對(duì)于電源(forsource)：IRUab+_abEba+_ab20電路中的元件發(fā)出功率(即電源)和吸收功率(即負(fù)載)的判斷根據(jù)電壓、電流的實(shí)際方向判斷若電流從電路元件的低電位端流入,高電位端流出時(shí),則該元件發(fā)生功率,起電源作用;在一個(gè)完整的電路內(nèi),電功率平衡,即總的發(fā)生功率等于總的吸收功率.∑P發(fā)生=∑P吸收若電流從電路元件的高電位端流入,低電位端流出時(shí),則該元件發(fā)生功率,起負(fù)載作用.21按此,P>0時(shí),說(shuō)明此部分電路消耗電功率,為負(fù)載.P<0時(shí),說(shuō)明此部分電路產(chǎn)生電功率,為電源.在進(jìn)行功率計(jì)算時(shí),如果U,I

為相關(guān)聯(lián)的參考方向,則

P=UI,如果U,I

為非關(guān)聯(lián)的參考方向,則

P=-UI。根據(jù)電功率的正負(fù)判斷22例下圖中已知U1=-1V,U2=-3V,U3=-1V,U4=1V,U5=2V,I1=4A,I5=-2A,I3=-2A.試判斷各元件是電源還是負(fù)載,并驗(yàn)證功率平衡.15432U1U5U4U2U3I1I5I3元件1，3，4，5為負(fù)載;元件2為電源23任務(wù)1.1.3電源和負(fù)載外特性的分析與測(cè)試任務(wù)內(nèi)容:

電壓源與電流源的概念;

全電路的歐姆定律;

實(shí)際電壓源與電流源的等效變換;

電路的三種工作狀態(tài).任務(wù)目標(biāo):

理解電壓源和電流源的特性;

掌握電壓源與電流源的等效變換;

掌握電路三種工作狀態(tài)的特征;

能正確測(cè)試電壓及電流等相關(guān)數(shù)據(jù)并進(jìn)行數(shù)據(jù)分析.24反映負(fù)載端電壓U

與電路中電流I

之間的關(guān)系的曲線,稱為電源的外特性曲線,簡(jiǎn)稱電源的外特性.1.電源(source)電路的能源和信號(hào)源能量的轉(zhuǎn)換,傳輸,分配和利用的電路指的是電路中的能源.

電信號(hào)的產(chǎn)生,傳送,處理和接收的電路指的是電路中的信號(hào)源.電源的外特性25電壓源(voltagesource)電壓源模型由上圖電路可得:U=

US–IR0

若R0=0理想電壓源

(idealvoltagesource):

U

USUS

電壓源的外特性IUIRLR0+-USU+–電壓源是由源電壓US和內(nèi)阻R0串聯(lián)的電源的電路模型.若R0<<RL,U

US

,可近似認(rèn)為是理想電壓源.理想電壓源0電壓源26理想電壓源(恒壓源)(2)輸出電壓是一定值,恒等于源電壓U

US(3)恒壓源中的電流由外電路決定.特點(diǎn):(1)內(nèi)阻R0

=0IUS+_U+_外特性曲線IUUS0RL27IS電流源(currentsource)ISR0

電流源的外特性IU理想電流源0IS電流源是由源電流IS和內(nèi)阻R0并聯(lián)的電源的電路模型.由上圖電路可得:若R0=

理想電流源:I

IS

若R0>>RL,I

IS

,可近似認(rèn)為是理想電流源.電流源IRL電流源模型R0UR0U+－28理想電流源（恒流源)(2)輸出電流是一定值,恒等于源電流IS;(3)恒流源兩端的電壓U由外電路決定.特點(diǎn):(1)內(nèi)阻R0

=;外特性曲線IUIS0IISU+_RL292.負(fù)載(load)負(fù)載的端電壓電阻的連接分壓分流公式30

-開(kāi)關(guān)閉合,接通電源與負(fù)載U2

=IRL負(fù)載狀態(tài)RLUS+-RlR0RlFUFUSIU2+P=PE

–

P負(fù)載取用功率電源產(chǎn)生功率內(nèi)阻及線路損耗功率負(fù)載大小的概念

負(fù)載增加指負(fù)載取用的電流和功率增加(電壓一定).3.電路的工作狀態(tài)31電氣設(shè)備的額定值(normal)額定值是指電氣設(shè)備在正常運(yùn)行時(shí)的規(guī)定使用值電氣設(shè)備的三種運(yùn)行狀態(tài)欠載(輕載)I<IN

,P<PN(不經(jīng)濟(jì))

過(guò)載(超載)I>IN

,P>PN(設(shè)備易損壞)額定工作狀態(tài)I=IN

,P=PN(經(jīng)濟(jì)合理安全可靠)

額定值反映電氣設(shè)備的使用安全性,額定值表示電氣設(shè)備的使用能力.例：燈泡:UN=220V

,PN=40W電阻:RN=100

,PN=1W

32開(kāi)關(guān)斷開(kāi)斷路(opencircuit)狀態(tài)I=0電源端電壓(開(kāi)路電壓)U1=USP

=0

-RLUS+-RlR0RlFUFUSU2+

-U1+33電源外部端子被短接短路(shortcircuit)狀態(tài)電源產(chǎn)生的能量全被內(nèi)阻消耗掉短路電流UL=0

PE=

P=I2R0P

=0

-RLUS+-RlR0RlFUFUSIU2+34模塊1.2復(fù)雜電路的分析與實(shí)踐任務(wù)1.2.1多電源電路的分析與測(cè)試任務(wù)內(nèi)容:

基爾霍夫定律應(yīng)用及測(cè)試;

疊加原理測(cè)試.任務(wù)目標(biāo):

理解掌握基爾霍夫定律并能用基爾霍夫定律求解復(fù)雜電路;

理解疊加原理并能測(cè)試.351.基爾霍夫定律Kirchhoff’sLaw及應(yīng)用該定律由基爾霍夫電流定律Kirchhoff’s

CorrentLaw,KCL和基爾霍夫電壓定律Kirchhoff’sVoltageLaw,KVL兩部分組成.基爾霍夫電流定律描述了同一節(jié)點(diǎn)處的各支路電流的關(guān)系;基爾霍夫電壓定律描述了回路中各段電壓的關(guān)系.節(jié)點(diǎn)node:三個(gè)或三個(gè)以上支路的聯(lián)結(jié)點(diǎn)支路branch:同一電流所流經(jīng)的路徑網(wǎng)孔mesh:電路中沒(méi)有其它支路的閉合路徑36Branch：Mesh：Node：TakeanExampleI3U4U3_+R3R6+R4R5R1R2abcdI1I2I5I6I4-37Kirchhoff’s

CorrentLaw,KCL節(jié)點(diǎn)電流定律對(duì)任何節(jié)點(diǎn),在任一瞬間,流入節(jié)點(diǎn)的電流等于由節(jié)點(diǎn)流出的電流.或者說(shuō),在任一瞬間,一個(gè)節(jié)點(diǎn)上電流的代數(shù)和都為0.I1I2I3I4基爾霍夫電流定律的依據(jù):電流的連續(xù)性.

I=0or38電流定律還可以擴(kuò)展到電路的任意封閉面.I1+I2=I3TheExtendofKCLI1I2I3ICCEBIBIEIB+IC=IE39Kirchhoff’sVoltageLaw,KVL回路電壓定律對(duì)電路中的任一回路,沿任意循行方向轉(zhuǎn)一周,其電位升等于電位降.或電壓的代數(shù)和為0.orI3U4U3_+R3R6+R4R5R1R2I5I4-I3R3-I4R4-I5R5=U3-U440abab電壓定律可以應(yīng)用于一段電路-U+Us–IR=0-U+Us+IR=0U=Us–IRU=Us+IRIRUsUcIRUsUc41電路中有B個(gè)支路,需列B個(gè)方程N(yùn)=2,B=3bR1R2Us2Us1+-R3+_aSummary獨(dú)立的節(jié)點(diǎn)電流方程有(N-1)個(gè);獨(dú)立的回路電壓方程有(B-N+1)個(gè),就是網(wǎng)孔數(shù).(一般為網(wǎng)孔個(gè)數(shù))獨(dú)立電流方程數(shù)１個(gè)獨(dú)立電壓方程數(shù)２個(gè)42E+_RI=？R1IsR2R3R3R4應(yīng)用基爾霍夫電流定律(KCL),電壓定律(KVL)分別對(duì)節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)孔列方程,聯(lián)立求解.以支路電流作為未知量的求解方法叫支路電流法.基爾霍夫定律的應(yīng)用---支路電流法(branchcurrentanalysis)支路電流法不能用電阻的串,并聯(lián)等效簡(jiǎn)化變換的電路叫復(fù)雜電路.43I3I1I6I2I4I52.

根據(jù)KCL對(duì)n個(gè)節(jié)點(diǎn)列n-1個(gè)獨(dú)立的電流方程1.

設(shè)各支路電流的參考正方向如圖所示節(jié)點(diǎn)a：節(jié)點(diǎn)c：節(jié)點(diǎn)d：節(jié)點(diǎn)數(shù)n=4支路數(shù)b=66條支路6個(gè)未知電流,應(yīng)列6個(gè)方程abcd+_E4R4R5R1E3R3R2+_R6解題步驟節(jié)點(diǎn)b：444.解聯(lián)立方程組3.應(yīng)用KVL列b-(n-1)個(gè)獨(dú)立的回路電壓方程,常選網(wǎng)孔做為回路.設(shè)各回路的巡行如圖示I3I1I6I2I4I5abcd+_E4R4R5R1E3R3R2+_R645支路電流法的優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn):支路電流法是電路分析中最基本的方法之一.只要根據(jù)基爾霍夫定律,歐姆定律列方程就能得出結(jié)果.缺點(diǎn):電路中支路數(shù)多時(shí),所需方程的個(gè)數(shù)較多,求解不方便.(電路的全響應(yīng))支路數(shù)B=4，須列4個(gè)方程式ab46I2''R1I1''R2ABE2I3''R3+_E2單獨(dú)作用2.迭加定理(superpositiontheorem)+BI2R1I1E1R2AE2I3R3+_+_原電路+_AE1BI2'R1I1'R2I3'R3E1單獨(dú)作用在多個(gè)電源同時(shí)作用的線性電路(由線性元件組成的電路)中，任何支路的電流或任意兩點(diǎn)間的電壓，都是各個(gè)電源單獨(dú)作用時(shí)所得結(jié)果的代數(shù)和。47_E1__I2'I1'AI2''I1''I2I1AA+BR1E1R2E2I3R3+++B_R1R2I3'R3R1R2BE2I3''R3+48+-10

I4A20V10

10

例用迭加原理求右圖中的電流I=?I'=2AI"=-1AI=I'+I"=1A+10

I′4A10

10

+-10

I"20V10

10

49應(yīng)用迭加定理要注意的問(wèn)題1.迭加定理只適用于線性電路。2.迭加時(shí)只將電源分別考慮，電路的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不變。令各電源分別作用，暫不作用的恒壓源短路，即令US=0或E=0；暫不作用的恒流源開(kāi)路，即令I(lǐng)s=0。3.解題時(shí)要標(biāo)明各支路電流、電壓的正方向。原電路中各電壓、電流的最后結(jié)果是各分電壓、分電流的代數(shù)和。=+EIsIsE504.迭加原理只能用于電壓或電流的計(jì)算，不能用來(lái)求功率。如：5.運(yùn)用迭加定理時(shí)也可以把電源分組求解，每個(gè)分電路的電源個(gè)數(shù)可能不止一個(gè)。

設(shè)：則：I3R3=+51模塊1.2復(fù)雜電路的分析與實(shí)踐任務(wù)1.2.2復(fù)雜電路的開(kāi)路電壓與等效電阻的分析與測(cè)試任務(wù)內(nèi)容:

戴維南定理的內(nèi)容戴維南定理的應(yīng)用及測(cè)試;任務(wù)目標(biāo):

理解掌握戴維南定理;

能用戴維南定理求解電路并能測(cè)試.

52無(wú)源二端網(wǎng)絡(luò)(passivetwo-terminalnetwork):二端網(wǎng)絡(luò)中沒(méi)有電源有源二端網(wǎng)絡(luò)(activetwo-terminalnetwork):二端網(wǎng)絡(luò)中含有電源1.戴維南定理Thevenin’sTheorem

若一個(gè)電路只通過(guò)兩個(gè)輸出端與外電路相聯(lián),則該電路稱為”二端網(wǎng)絡(luò)”.(Two-terminalorOneport)ABAB53等效電源定理有源線性二端網(wǎng)絡(luò)用電源模型替代,便為等效電源定理.有源線性二端網(wǎng)絡(luò)用電壓源模型替代

—戴維南定理(Thevenin’stheorem)有源線性二端網(wǎng)絡(luò)用電流源模型替代

—諾頓定理(Norton’stheorem)54戴維南定理Thevenin’sTheorem有源線性二端網(wǎng)絡(luò)RUsRo+_RNotice:”等效”是指對(duì)端口外等效.有源線性二端網(wǎng)絡(luò)(activetwo-terminalnetwork)用電壓源模型等效。IIUU55等效電壓源的內(nèi)阻等于有源二端網(wǎng)絡(luò)所對(duì)應(yīng)的