直流電路的概念及分析

直流電路的概念及分析第1頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月第1章直流電路的概念及分析第2頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月1.1電路的基本概念1.1.1電路的組成路是為實現(xiàn)和完成人們的某種需求，由電源、導(dǎo)線、開關(guān)、負載等電氣設(shè)備或元器件組合起來，能使電流流通的整體。簡單地說，就是電流的通路。實際電路的組成方式多種多樣，但通常由3部分組成：電源、中間環(huán)節(jié)和負載，如圖1一1(a）所示第3頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月第4頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月2電路的作用電路的基本作用有兩大類：一是實現(xiàn)能量的傳輸、分配和轉(zhuǎn)換。如在電力系統(tǒng)中，發(fā)電機把熱能、水能、原子能轉(zhuǎn)換成電能，通過變壓器、輸電線路將電能傳輸和配送到用戶，然后用戶根據(jù)實際需要又把電能轉(zhuǎn)換成機械能、光能和熱能等。二是實現(xiàn)信號的傳遞和處理。通過電路元件，可以將信號源施加的信號變換或加工成所需的輸出信號。例如，電子設(shè)備中放大器的作用是把微弱的輸人信號加以放大，成為滿足工作需要的強輸出信號。第5頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月1.2電路的基本物理量1.2.1電流在電場力的作用下，電荷有規(guī)則的定向移動，形成了電流。規(guī)定正電荷的運動方向為電流的實際方向。把單位時間內(nèi)通過某一導(dǎo)體橫截面的電荷量定義為電流。設(shè)在dt時間內(nèi)通過導(dǎo)體橫截面的電荷量為dq，則電流表示為第6頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月電流的實際方向是客觀存在的，但在分析復(fù)雜的直流電路時，往往難于事先判斷某支路中電流的實際方向，對于交流電路而言，其方向更是隨時間變化的。因此，在電路分析中，可以任意假定一個電流方向。當假定的電流方向與實際方向一致時，電流值取正，相反時取負值。假定的電流方向稱為電流的參考方向。圖1一2(a),(b）表明參考方向與實際方向的關(guān)系。第7頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月1.2.2電壓與電位在電路中，電荷受電場力推動而定向移動，電場力將作功，為了衡量電場力作功的能力，引人電壓這一物理量。直流電壓用U表示，交流電壓用u表示。如果正電荷曲由a點移到b點時電場力所作的功為dw，則a,b兩點間電壓為第8頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月電壓與電位的關(guān)系為：a,b兩點之間的電壓等于這兩點之間的電位差，即第9頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月關(guān)于電流和電壓的參考方向，還有以下幾點需要說明(1）電流、電壓的參考方向可以任意選定。(2）今后計算電路，一般要先標出參考方向再進行計算，(3）一般地講，同一段電路的電流和電壓的參考方向可以各自選定，不必強求一致。(4)關(guān)聯(lián)方向第10頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月第11頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月1.2.3電動勢在電路中，正電荷是從高電位流向低電位的，因此要維持電路中的電流，就必須有能把正電荷從低電位移至高電位的非電場力，電源的內(nèi)部就存在非電場力。非電場力把單位正電荷從電源內(nèi)部由低電位端移到高電位端所作的功，稱為電動勢，用字母e(E）表示。電動勢的實際方向在電源內(nèi)部從低電位指向高電位，單位與電壓相同，用V（伏特）表示。設(shè)在電源內(nèi)部非電場力把正電荷向從低電位端移到高電位端所作的功為dw，則電源的電動勢為第12頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月1.2.4功率電能量對時間的變化率，稱為功率，也就是電場力在單位時間內(nèi)所作的功。設(shè)電場力在dt時間內(nèi)所作的功為dw，則功率表示為第13頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月元件兩端電壓和流過的電流在關(guān)聯(lián)參考方向下時，P=UI>0，元件吸收功率。P=UI<0，元件發(fā)出功率。如果元件兩端電壓和流過的電流在非關(guān)聯(lián)參考方向下時，P=UI>0，元件發(fā)出功率。P=UI<0，元件吸收功率。第14頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月第15頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月1.3電阻元件和歐姆定律3.1一段電路的歐姆定律當電阻兩端加上電壓時，電阻中就會有電流通過，如圖1一7所示。實驗證明：在一段沒有電動勢而只有電阻的電路中，電流I的大小與電阻R兩端的電壓U成正比，與電阻值R的大小成反比。在電壓、電流的關(guān)聯(lián)方向下，一段電阻電路的歐姆定律表達式為U=IR第16頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月1.3.2全電路歐姆定律在圖1一8所示的閉合電路中，E為電源的電動勢，R。為電源的內(nèi)阻，E與R。構(gòu)成了電源的內(nèi)電路，如圖中虛線框的部分；R為負載電阻，只是電源的外電路，外電路和內(nèi)電路共同組成了閉合電路。為使電壓平衡，有第17頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月1.3.3線性電阻與非線性電阻對滿足歐姆定律的電阻稱為線性電阻，即電阻兩端的電壓與通過的電流成正比，其電阻值是一個常數(shù)。線性電阻的伏安特性是一條通過坐標原點的直線。如圖1一9(a）所示。不滿足歐姆定律的電阻稱為非線性電阻，即電阻兩端的電壓與通過的電流不成正比關(guān)系，電阻不是一個常數(shù)，隨電壓、電流變動。如圖1一9(b）所示。第18頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月1.4電路的連接兩個或兩個以上電阻依次相連，中間無分支的連接方式稱為電阻的串聯(lián)電路。如圖1一10(a)所示為R:,RZ,R3相串聯(lián)的電路，圖1一10(b）為圖1一10(a）的等效電路。第19頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月1．串聯(lián)電路的牲質(zhì)(1）串聯(lián)電路中流過每個電阻的電流都相等，(2）串聯(lián)電路兩端的總電壓等于各電阻兩端的電壓之和(3）串聯(lián)電路的等效電阻（即總電阻）等于各串聯(lián)電阻之和(4）串聯(lián)電路的總功率等于各串聯(lián)電阻功率之和第20頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月2．串聯(lián)電路的分壓作用在串聯(lián)電路中，電壓的分配與電阻成正比，即電阻值越大的電阻所分配到的電壓越大，反之電壓越小。各電阻上消耗的功率與其電阻值成正比。3．串聯(lián)的在實際中，利用串聯(lián)分壓的原理，可以擴大電壓表的量程，還可以制成電阻分壓器。第21頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月1.4.2電阻的并聯(lián)1．并聯(lián)電路的牲質(zhì)(1）并聯(lián)電路中各電阻兩端的電壓相等，且等于電路兩端的電壓(2）并聯(lián)電路中的總電流等于各電阻中的電流之和，(3）并聯(lián)電路的等效電阻（即總電阻）的倒數(shù)等于各并聯(lián)電阻的倒數(shù)之和(4）并聯(lián)電路消耗功率的總和等于相并聯(lián)各電阻消耗功率之和第22頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月2．并聯(lián)電路的分流作用在并聯(lián)電路中，電流的分配與電阻成反比，即阻值越大的電阻所分配到的電流越小，反之電流越大。當兩個電阻并聯(lián)時，I1和I2分別為第23頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月3．電阻并聯(lián)的應(yīng)用利用電阻并聯(lián)的分流作用，可擴大電流表的量程。在實際應(yīng)用中，用電器在電路中通常都是并聯(lián)運行的，屬于相同電壓等級的用電器必須并聯(lián)在同一電路中，這樣才能保證它們都在規(guī)定的電壓下正常工作第24頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月1.4.3電阻的混聯(lián)計算混聯(lián)電路的等效電阻的步驟大致如下：(1）先把電路整理和化簡成容易看清的串聯(lián)或并聯(lián)關(guān)系；

(2）根據(jù)簡化的電路進行計算。第25頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月1.5電壓源、電流源及其等效變換5.1電壓源電壓源如圖1一14所示。它具有以下特點：電壓源兩端的電壓us(t）為確定的時間函數(shù)，與流過的電流無關(guān)。當us（t）為直流電壓源時，如果內(nèi)阻R0=0，兩端的電壓U（t）不變，U（t）=U，把這個電壓源稱為理想電壓源。理想電壓源的伏安特性如圖1一15所示。第26頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月第27頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月第28頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月1.5.2電流源電流源如圖1一18所示。電流 is(t）是確定的時間函數(shù)，與電流源兩端的電壓無關(guān)。在直流電流源的情況下，如果內(nèi)阻R=0，輸出的電流是恒值，is(t）=I，把這個電流源稱為理想電流源，其伏安特性如圖1一19所示。從圖1一20中可以看出，電流源輸出的電流不隨外電路的改變而改變。第29頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月第30頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月1.5.3實際電源兩種模型的等效變換實際電源可用兩種電路模型來表示，一種為理想電壓源和電阻（內(nèi)阻R。）的串聯(lián)模型，還有一種為理想電流源和電阻（內(nèi)阻R。）的并聯(lián)模型，如圖1一22所示。實際電源的這兩種電路模型，對外電路是相互等效的。第31頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月電壓源與電流源等效變換時應(yīng)注意：(1）電壓源與電流源的等效變換關(guān)系只對外電路而言，內(nèi)部是不等效的；(2）變換時，兩種電路模型的極性必須一致；(3）理想電壓源與理想電流源不能等效變換第32頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月第33頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月1.5.4電路的短路和開路

當電源與負載相連接時，根據(jù)所連接負載的情況，電路通常會出現(xiàn)短路、開路、帶負載3種工作狀態(tài)。如圖1一26所示電路，有第34頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月電氣設(shè)備額定值滿載工作狀態(tài)輕載工作狀態(tài)過載工作狀態(tài)第35頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月1.6基爾霍夫定律1.6.1幾個專用名詞第36頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月1．支路電路中的每一分支稱為支路。圖1一27中共有3條支路，分別是bad、bcd和hed。2．節(jié)點

3條或3條以上支路的交點稱為節(jié)點。圖1一27中共有兩個節(jié)點，它們是b點和d點。3．回路電路中任意一個閉合路徑稱為回路。圖1一27中共有3個回路，分別是abeda,abcda和cdeb。。4．網(wǎng)孔回路平面上不含支路的回路稱為網(wǎng)孔。圖1一27中有兩個網(wǎng)孔，分別是abcda和。deb。。第37頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月1.6.2基爾霍夫電流定律基爾霍夫電流定律簡稱KCL，是用來確定電路中連接同一節(jié)點的各支路電流間關(guān)系的定律，它的內(nèi)容是：對于電路中任一節(jié)點，在任一時刻流人節(jié)點的電流之和等于流出該節(jié)點的電流之和，即流經(jīng)任意一個節(jié)點上的電流的代數(shù)和恒等于零。第38頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月例:

求i1、i2

第39頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月基爾霍夫電流定律的推廣：流出(或流入)封閉面電流的代數(shù)和為零。

∑i=0第40頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月例I1+I2=I3例I=0基爾霍夫電流定律（KCL）的擴展I=?I1I2I3E2E3E1+_RR1R+_+_R第41頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月1.6.3基爾霍夫電壓定律

基爾霍夫電壓定律簡稱KVL，是用來確定回路中各部分電壓之間關(guān)系的定律，它的內(nèi)容是：對于電路中任一回路，沿該回路繞行一周，各部分電壓的代數(shù)和恒等于零。其數(shù)學(xué)表達式為第42頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月I3E4E3_+R3R6+R4R5R1R2abcdI1I2I5I6I4-例如：回路a-d-c-a電位升電位降或：第43頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月在運用時，注意:1)任意指定一個繞行回路的方向,順時針或逆時針.2)電阻上電壓降正負號的確定:電流參考方向與回路繞行方向一致時iR前取正號，相反時取負號；3)電動勢正負號的確定:電壓源電壓方向如回路繞行方向由電源的正極到負極時,電源的電動勢取正號,相反時取負號。第44頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月第45頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月電位升電位降E+_RabUabI基爾霍夫電壓定律(KVL）也適合開口電路例或第46頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月討論題求：I1、I2、I3

能否很快說出結(jié)果？1++--3V4V11+-5VI1I2I3第47頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月1.7支路電流法支路電流法是分析、計算復(fù)雜電路的一種基本方法。它是以電路中每條支路的電流為未知量，對獨立節(jié)點、獨立回路（網(wǎng)孔）分別應(yīng)用基爾霍夫電流定律、電壓定律列出相應(yīng)的方程，從而解得支路電流。第48頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月支路電流法舉例第49頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月通過以上分析，可總結(jié)出支路電流法的解題步驟為：(1）假定各支路電流的參考方向、網(wǎng)孔的繞行方向；(2）根據(jù)基爾霍夫電流定律對獨立節(jié)點列電流方程，如果電路中有n個節(jié)點，則列出(n一1）個獨立電流方程；(3）根據(jù)基爾霍夫電壓定律對獨立回路列電壓方程（一般選取網(wǎng)孔，網(wǎng)孔是獨立回路）,如果電路中有n個節(jié)點、b條支路，則可列出b一（n一1）個獨立回路方程；(4）聯(lián)立方程組，求解得出各支路電流第50頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月是否能少列一個方程?N=4B=6ER6aI3sI3d+_bcI1I2I4I5I6R5R4R2R1Ux例2電流方程支路電流未知數(shù)少一個：支路中含有恒流源的情況第51頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月N=4B=6電壓方程：結(jié)果：5個電流未知數(shù)+一個電壓未知數(shù)=6個未知數(shù)由6個方程求解。dE+_bcI1I2I4I5I6R5R4R2R1UxaI3s第52頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月第53頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月第54頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月1.8電路中電位的計算第55頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月第56頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月從上面例題可以看出，在計算電路中各點電位時，要注意以下兩點：(1）電路中某一點電位等于該點與參考點之間的電壓；(2）參考點選得不同，電路中各點的電位值隨著改變，但是任意兩點間的電壓值是不變的，所以各點電位的高低是相對的，而兩點間的電壓值是絕對的。第57頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月例:圖示電路，計算開關(guān)S斷開和閉合時A點的電位VA解:(1)當開關(guān)S斷開時(2)當開關(guān)閉合時,電路如圖（b）電流I2=0，電位VA=0V。電流I1=I2=0，電位VA=6V。電流在閉合路徑中流通2KA+I12kI2–6V(b)2k+6VA2kSI2I1(a)第58頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月1.9疊加定理疊加定理是指在線性電路中，如果有多個獨立電源同時作用時，任何一條支路的電壓或電流，都等于電路中各個獨立電源單獨作用時在該支路所產(chǎn)生的電壓或電流的代數(shù)和。第59頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月應(yīng)用疊加原理解題的步驟為：(1）將原電路圖等效成各個獨立源單獨作用的分電路圖；(2）在各分電路圖中標出各支路電流或電壓的參考方向，既可以與原電路圖中參考方向一致，也可以不同，方向的選取以求解方便為準則；(3）分別在各分電路中求解各支路電流或電壓；(4）對各分電路的同一支路的電流或電壓求代數(shù)和，并考慮各分電路中各支路電流或電壓的參考方向與原電路的對應(yīng)關(guān)系，即得到多電源共同作用的結(jié)果。第60頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月第61頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月第62頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月應(yīng)用疊加原理要注意的問題1.疊加原理只適用于線性電路（電路參數(shù)不隨電壓、電流的變化而改變）。

2.疊加時只將電源分別考慮，電路的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不變。暫時不予考慮的恒壓源應(yīng)予以短路，即令E=0；暫時不予考慮的恒流源應(yīng)予以開路，即令I(lǐng)s=0。3.解題時要標明各支路電流、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。=+第63頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月4.疊加原理只能用于電壓或電流的計算，不能用來求功率。如：5.運用疊加原理時也可以把電源分組求解，每個分電路的電源個數(shù)可能不止一個。設(shè)：則：I3R3=+第64頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月1.10戴維南定理所謂戴維南定理，是指任何一個有源二端線性網(wǎng)絡(luò)，對外電路而言，都可以用一個理想電壓源E和電阻R。串聯(lián)來等效，其中電壓源的電壓等于有源二端網(wǎng)絡(luò)兩端點間的開路電壓U0，電阻R。等于二端網(wǎng)絡(luò)中所有獨立電源為零時從端口處看進去的等效電阻。獨立電源為零是指電流源開路、電壓源短路。E的極性與開路電壓U0的極性一致。如圖1一37所示第65頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月第66頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月第67頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月應(yīng)用戴維南定理解題步驟為：(1）將待求支路從電路中分離出來，求剩下的二端網(wǎng)絡(luò)的開路電壓U0;(2）令有源二端網(wǎng)絡(luò)全部電源均為零值，求從網(wǎng)絡(luò)端口看進去的等效電阻R0；(3）畫出戴維南等效電源電路，求出待求量。第68頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月第69頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月第70頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月戴維南定理應(yīng)用舉例（之一）已知：R1=20、R2=30

R3=30、R4=20

E=10V求：當R5=10時，I5=?R1R3+_R2R4R5EI5R5I5R1R3+_R2R4E等效電路有源二端網(wǎng)絡(luò)第71頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月第一步：求開端電壓Ux