電工學(xué)-第1章直流電路課件

第1章直流電路1.1電路的作用和組成1.2電路的基本物理量1.3電路的狀態(tài)1.4電路中的參考方向1.5理想電路元件1.6基爾霍夫定律1.7支路電流法下一章返回主頁(yè)1.8疊加定理1.9等效電源定理1.10非線(xiàn)性電阻電路11.1電路的作用和組成一、什么是電路電路就是電流流通的路徑。是由某些元、器件為完成一定功能、按一定方式組合后的總稱(chēng)。SE2大連理工大學(xué)電氣工程系二、電路的作用+mA一是實(shí)現(xiàn)能量的輸送和轉(zhuǎn)換。二是實(shí)現(xiàn)信號(hào)的傳遞和處理。E三、電路的組成

電源：將非電形態(tài)的能量轉(zhuǎn)換為電能。負(fù)載：將電能轉(zhuǎn)換為非電形態(tài)的能量。

導(dǎo)線(xiàn)等：起溝通電路和輸送電能的作用。SEES

3大連理工大學(xué)電氣工程系1.2電路的基本物理量I1.電流電流的實(shí)際方向：規(guī)定為正電荷運(yùn)動(dòng)的方向。EUS

＋－＋－＋－UL

＋直流電路中：I

=Qti

=dqdt（A）5大連理工大學(xué)電氣工程系2.電位電場(chǎng)力將單位正電荷從電路的某一點(diǎn)移至參考點(diǎn)時(shí)所消耗的電能。參考點(diǎn)的電位為零。I

EUS

＋－＋－＋－UL

直流電路中電位用V表示，單位為伏[特]（V）。參考點(diǎn)的選擇：①選大地為參考點(diǎn)：②

選元件匯集的公共端或公共線(xiàn)為參考點(diǎn)：6大連理工大學(xué)電氣工程系3.電壓電場(chǎng)力將單位正電荷從電路的某一點(diǎn)移至另一點(diǎn)時(shí)所消耗的電能。電壓就是電位差。IUS＋－＋E－＋－UL直流電路中電壓用U表示，單位為伏[特]（V）。US是電源兩端的電壓，UL是負(fù)載兩端的電壓。4.電動(dòng)勢(shì)電源中的局外力（非電場(chǎng)力）將單位正電荷從電源負(fù)極移至電源正極時(shí)所轉(zhuǎn)換而來(lái)的電能稱(chēng)為電源的電動(dòng)勢(shì)。電動(dòng)勢(shì)的實(shí)際方向：由低電位指向高電位。符號(hào)：E或e，單位：V。7大連理工大學(xué)電氣工程系當(dāng)電源與負(fù)載接通，電路中有了電流及能量的輸送和轉(zhuǎn)換。電路的這一狀態(tài)稱(chēng)為通路。1.3電路的狀態(tài)一、通路IEUS

＋－＋－UL

S通路時(shí)，電源向負(fù)載輸出電功率，電源這時(shí)的狀態(tài)稱(chēng)為有載或稱(chēng)電源處于負(fù)載狀態(tài)。各種電氣設(shè)備在工作時(shí)，其電壓、電流和功率都有一定的限額，這些限額是用來(lái)表示它們的正常工作條件和工作能力的，稱(chēng)為電氣設(shè)備的額定值。9大連理工大學(xué)電氣工程系二、開(kāi)路S1S2EEL1EL2當(dāng)某一部分電路與電源斷開(kāi)，該部分電路中沒(méi)有電流，亦無(wú)能量的輸送和轉(zhuǎn)換，這部分電路所處的狀態(tài)稱(chēng)為開(kāi)路。有源電路開(kāi)路的特點(diǎn)：開(kāi)路處的電流等于零I＝0開(kāi)路處的電壓應(yīng)視電路情況而定電源既不產(chǎn)生也不輸出電功率，電源這時(shí)的狀態(tài)稱(chēng)為空載。U視電路而定10大連理工大學(xué)電氣工程系三、短路當(dāng)某一部分電路的兩端用電阻可以忽略不計(jì)的導(dǎo)線(xiàn)或開(kāi)關(guān)連接起來(lái)，使得該部分電路中的電流全部被導(dǎo)線(xiàn)或開(kāi)關(guān)所旁路，這一部分電路所處的狀態(tài)稱(chēng)為短路或短接。S1S2電源短路短路的特點(diǎn)：短路處的電壓等于零U＝0短路處的電流應(yīng)視電路情況而定I視電路而定有源電路EL1EL211大連理工大學(xué)電氣工程系1.5理想電路元件理想電路元件理想有源元件理想無(wú)源元件電壓源電流源電阻元件電容元件電感元件13大連理工大學(xué)電氣工程系一、理想有源元件1.電壓源＋

－US

I

＋－U＝US＝定值USU

O

I

電壓源的特點(diǎn)：輸出電流I不是定值，與輸出電壓和外電路的情況有關(guān)?？商峁┮粋€(gè)固定的電壓US

，稱(chēng)為源電壓。輸出電壓U等于源電壓US

，是由其本身所確定的定值，與輸出電流和外電路的情況無(wú)關(guān)。14大連理工大學(xué)電氣工程系2.電流源IS

U

＋－I＝IS＝定值ISU

O

I

電流源的特點(diǎn)：輸出電流I等于源電流IS

，是由其本身所確定的定值，與輸出電壓和外電路的情況無(wú)關(guān)。輸出電壓U不是定值，與輸出電流和外電路的情況有關(guān)。電激流可提供一個(gè)固定的電流IS

，稱(chēng)為源電流。15大連理工大學(xué)電氣工程系二、理想無(wú)源元件電阻元件當(dāng)電路的某一部分只存在電能的消耗而沒(méi)有電場(chǎng)能和磁場(chǎng)能的儲(chǔ)存，這一部分電路可用電阻元件來(lái)代替。＋

－

R

i

u

R

=ui（）線(xiàn)性電阻與非線(xiàn)性電阻P=UI=RI2

=U2R電阻消耗的功率17大連理工大學(xué)電氣工程系電阻圖片水泥電阻線(xiàn)繞電阻碳膜電阻可變電阻壓敏電阻功率電阻18大連理工大學(xué)電氣工程系

［例1.5.1］在圖示直流電路中，已知US＝3V，IS＝

3A，R＝1。求：(1)電壓源的電流和電流源的電壓；

(2)討論電路的功率平衡關(guān)系。

＋－R

I

US

IS

＋－U［解］(1)由于電壓源與電流源串聯(lián)I＝IS＝3

A根據(jù)電流的方向可知U＝US＋RIS

＝(3+13)V=6V(2)功率平衡關(guān)系電壓源吸收電功率：PL＝USI＝(33)W=9W電流源發(fā)出電功率：PO＝U

IS＝(63)W=18W電阻R消耗的電功率：PR＝R

IS＝(132)W=9W功率平衡：PO＝PL＋PR19大連理工大學(xué)電氣工程系＋－R1

I1

US1

＋－R2

I2

US2

R3

I3

R4

ba有acb、adb、aeb三條支路。R1

I1

US1

＋－c＋－R2

I2

US2

dR3

I3

R4

e兩結(jié)點(diǎn)之間的每一條分支電路稱(chēng)為支路。21大連理工大學(xué)電氣工程系＋－R1

I1

US1

＋－R2

I2

US2

R3

I3

R4

ba由于電流的連續(xù)性，流入任一結(jié)點(diǎn)的電流之和等于流出該結(jié)點(diǎn)的電流之和。對(duì)結(jié)點(diǎn)aI1＋I(xiàn)2＝I3I1＋I(xiàn)2－I3＝0流入結(jié)點(diǎn)的電流前取正號(hào)，流出結(jié)點(diǎn)的電流前取負(fù)號(hào)。22大連理工大學(xué)電氣工程系＋－R1

I1

US1

＋－R2

I2

US2

R3

I3

R4

ba在電路的任何一個(gè)結(jié)點(diǎn)上，同一瞬間電流的代數(shù)和為零。對(duì)任意波形的電流：

i＝0在直流電路中：

I＝0基爾霍夫電流定律不僅適用于電路中任意結(jié)點(diǎn)，而且還可以推廣應(yīng)用于電路中任何一個(gè)假定的閉合面

——廣義結(jié)點(diǎn)。ICIEIBICIBIEIC＋I(xiàn)B－IE＝023大連理工大學(xué)電氣工程系二、基爾霍夫電壓定律（KVL）由電路元件組成的閉合路徑稱(chēng)為回路。有adbca、aebda

和

aebca三個(gè)回路。＋－R1

I1

US1

＋－R2

I2

US2

R3

I3

R4

bacde＋－R1

I1

US1

＋－R2

I2

US2

bacd＋－R2

I2

US2

R3

I3

R4

badeR1

I1

US1

＋－R3

I3

R4

bace未被其他支路分割的單孔回路稱(chēng)為網(wǎng)孔。有adbca、aebda

兩個(gè)網(wǎng)孔。25大連理工大學(xué)電氣工程系由于電位的單值性，從a點(diǎn)出發(fā)沿回路環(huán)行一周又回到a點(diǎn)，電位的變化應(yīng)為零。對(duì)回路adbcaUS2＋U1＝US1＋U2

與回路環(huán)行方向一致的電壓前取正號(hào)，與回路環(huán)行方向相反的電壓前取負(fù)號(hào)。＋－R1

I1

US1

＋－R2

I2

US2

R3

I3

R4

bacde＋－R1

I1

US1

＋－R2

I2

US2

bacd＋－U1

＋－U2

US2＋U1－US1－U2＝026大連理工大學(xué)電氣工程系在電路的任何一個(gè)回路中，沿同一方向循行，同一瞬間電壓的代數(shù)和為零。對(duì)任意波形的電壓u＝0在直流電路中：U＝0＋－R1

I1

US1

＋－R2

I2

US2

R3

I3

R4

bacde27大連理工大學(xué)電氣工程系基爾霍夫電壓定律不僅適用于電路中任一閉合的回路，而且還可以推廣應(yīng)用于任何一個(gè)假想閉合的一段電路。將a、b兩點(diǎn)間的電壓作為電阻電壓降一樣考慮進(jìn)去。R

I－U＝－E＋－U

＋

－R

I

E或USba或R

I－U＋US＝029大連理工大學(xué)電氣工程系［解］

由回路abcdefaUab+Ucd－Ued+Uef＝E1－E2

［例1.6.2］在圖示回路中，已知E1＝20V，E2＝10V，Uab＝4V

，Ucd＝－6V

，Uef＝5V

。試求Ued

和Uad

。

＋－R2

E2eaR3

R4

＋－Ucd＋－R1

E1＋－Uef＋－UabUed＋－bdfc＋－Uad求得Ued

＝Uab+Ucd+

Uef－E1+E2

＝

[4+(－6)＋5－20＋10]V＝－7V30大連理工大學(xué)電氣工程系

由假想的回路

abcdaUab+Ucd－Uad＝－E2＋－R2

E2eaR3

R4

＋－Ucd＋－R1

E1＋－Uef＋－UabUed＋－bdfc＋－Uad求得

Uad＝Uab+Ucd+E2

＝

[4+(－6

)＋10]V＝8V31大連理工大學(xué)電氣工程系1.7支路電流法支路電流法解題的一般步驟R1

E1

＋－R3

R2

E2

＋－R1

E1

＋－R3

R2

E2

＋－(1)確定支路數(shù)，選擇各支路電流的參考方向。I1

I2

I3

(2)確定結(jié)點(diǎn)數(shù)，列出獨(dú)立的結(jié)點(diǎn)電流方程式。n個(gè)結(jié)點(diǎn)只能列出n－1個(gè)獨(dú)立的結(jié)點(diǎn)方程式。結(jié)點(diǎn)a

:I1＋I(xiàn)2－I3＝0結(jié)點(diǎn)b

:－I1－I2＋I(xiàn)3＝0只有1個(gè)方程是獨(dú)立的32大連理工大學(xué)電氣工程系(3)確定余下所需的方程式數(shù)，列出獨(dú)立的回路電壓方程式。R1

E1

＋－R3

R2

E2

＋－I1

I2

I3

ab左網(wǎng)孔

:

R1I1＋R3I3＝E1右網(wǎng)孔

:R2I2＋R3I3＝E2(4)解聯(lián)立方程式，求出各支路電流的數(shù)值。R1I1＋R3I3＝E1I1＋I(xiàn)2－I3＝0R2I2＋R3I3＝E2求出：I1、I2和I3。33大連理工大學(xué)電氣工程系［解］選擇各支路電流的參考方向和回路方向如圖R4

R3

＋－R1

US1＋－R2

US2

［例1.7.1］在圖示電路中，已知US1＝12V

，US2＝12V，R1＝1，R2＝2，R3＝2，R4＝4。求各支路電流。

I1

I2

I3

I4

上結(jié)點(diǎn)I1＋I(xiàn)2－I3－I4＝0左網(wǎng)孔R(shí)1I1＋R3I3－US1＝0中網(wǎng)孔R(shí)1I1－

R2I2－US1＋US2＝0右網(wǎng)孔R(shí)2I2＋R4I4－US2＝034大連理工大學(xué)電氣工程系代入數(shù)據(jù)R4

R3

＋－R1

US1＋－R2

US2I1

I2

I3

I4

I1＋I(xiàn)2－I3－I4＝0I1＋2I3－12＝0I1－

2I2－12＋12

＝02I2＋4I4－12＝0

I1＝4A，I2＝2A，I3＝4A，I4＝2A35大連理工大學(xué)電氣工程系1.8疊加定理疊加定理是分析線(xiàn)性電路最基本的方法之一。在含有多個(gè)有源元件的線(xiàn)性電路中，任一支路的電流和電壓等于電路中各個(gè)有源元件分別單獨(dú)作用時(shí)在該支路產(chǎn)生的電流和電壓的代數(shù)和。36大連理工大學(xué)電氣工程系R1

R2

R1

R2

R1

I1

＋－R2

I2

IS

US＋－US＋－US由支路電流法可得I1

=USR1＋R2R2ISR1＋R2IS

IS

I1

=USR1＋R2＋－USIS

IS

＋－USI1

=R2ISR1＋R2=I1I1I1

I2

I1

I2

37大連理工大學(xué)電氣工程系R1

R2

R1

R2

R1

I1

＋－R2

I2

IS

US＋－US＋－US由支路電流法可得IS

IS

I2

=USR1＋R2＋－USIS

IS

＋－USI1

I2

I1

I2

I2

=USR1＋R2R1ISR1＋R2I2

=R1ISR1＋R2=I2I238大連理工大學(xué)電氣工程系（1）在考慮某一有源元件單獨(dú)作用時(shí)，應(yīng)令其他有源元件中的US=0，IS=0。即應(yīng)將其他電壓源代之以短路，將其他電流源代之以開(kāi)路。應(yīng)用疊加定理時(shí)要注意：（2）最后疊加時(shí)，一定要注意各個(gè)有源元件單獨(dú)作用時(shí)的電流和電壓分量的參考方向是否與總電流和電壓的參考方向一致，一致時(shí)前面取正號(hào)，不一致時(shí)前面取負(fù)號(hào)。（3）疊加定理只適用于線(xiàn)性電路。（4）疊加定理只能用來(lái)分析和計(jì)算電流和電壓，不能用來(lái)計(jì)算功率。39大連理工大學(xué)電氣工程系

［例1.8.1］在圖示電路中，已知US＝10V

，IS＝2A，R1＝4，R2＝1，R3＝5，R4＝3。試用疊加定理求通過(guò)電壓源的電流I5

和電流源兩端的電壓U6

。

R2

＋－USI2

＋－U6IS

R1

I1

R4

I4

R3

I3

I5

40大連理工大學(xué)電氣工程系

［解］電壓源單獨(dú)作用時(shí)R2

＋－USI2

＋－U6R1

R4

I4

R3

I5

'''=I2I4＋I(xiàn)5=USR1＋R2＋USR3＋R4=104＋1＋105＋3()A=3.25A=I2I4－U6R2R4=－1.75V=104＋1－105＋3()13VR2

＋－USI2

＋－U6IS

R1

I1

R4

I4

R3

I3

I5

41大連理工大學(xué)電氣工程系電流源單獨(dú)作用時(shí)=I2I4+U6R2R4R2

I2

＋－U6IS

R1

R4

I4

R3

I5

"

"

"

"

=I2I4－I5=R1R1＋R2IS－R3R3＋R4IS=44＋1－()A=(1.6－1.25)A=0.35A255＋32=(11.6+31.25)V=5.35VR2

＋－USI2

＋－U6IS

R1

I1

R4

I4

R3

I3

I5

最后求得=I5I5＋I(xiàn)5=(3.25＋0.35)A=3.6A=U6U6+U6=(－1.75+5.35)V=3.6V42大連理工大學(xué)電氣工程系1.9等效電源定理等效電源定理是將有源二端網(wǎng)絡(luò)用一個(gè)等效電源代替的定理。有源二端網(wǎng)絡(luò)R1

＋－R2

IS

US對(duì)R2而言，有源二端網(wǎng)絡(luò)相當(dāng)于其電源。在對(duì)外部等效的條件下可用一個(gè)等效電源來(lái)代替。R0

＋－UeS戴維寧等效電源R0

IeS

諾頓等效電源43大連理工大學(xué)電氣工程系一、戴維寧定理＋－UOCISC

＋－UOCISC

R1

＋－IS

US(a)有源二端網(wǎng)絡(luò)R0

＋－UeS(b)戴維寧等效電源輸出端開(kāi)路時(shí)，二者的開(kāi)路電壓UOC應(yīng)相等。輸出端短路時(shí)，二者的短路電流ISC

應(yīng)相等。UeS＝UOC由圖(b)R0

=UeSISC=UOCISC由圖(b)44大連理工大學(xué)電氣工程系＋－UOCISC

＋－UOCISC

R1

＋－IS

US(a)有源二端網(wǎng)絡(luò)R0

＋－UeS(b)戴維寧等效電源因此UOC＝US+R1IS對(duì)于圖(a)ISC

=USR1+ISR0

=UOCISC=US+R1ISUSR1+IS=R145大連理工大學(xué)電氣工程系二、諾頓定理＋－UOCISC

＋－UOCISC

R1

＋－IS

US(a)有源二端網(wǎng)絡(luò)(b)諾頓等效電源R0

IeS

輸出端短路時(shí)，二者的短路電流ISC應(yīng)相等。輸出端開(kāi)路時(shí)，二者的開(kāi)路電壓UOC應(yīng)相等。IeS＝ISC由圖(b)R0

=UOCIeS=UOCISC由圖(b)R0求法與戴維寧定理中相同46大連理工大學(xué)電氣工程系諾頓等效電源R0

IeS

R0

＋－UeS戴維寧等效電源戴維寧等效電源和諾頓等效電源既然都可以用來(lái)等效代替同一個(gè)有源二端網(wǎng)絡(luò)，因而在對(duì)外等效的條件下，相互之間可以等效變換。等效變換的公式為IeS

=UeSR0變換時(shí)內(nèi)電阻R0不變，IeS方向應(yīng)由UeS的負(fù)極流向正極。47大連理工大學(xué)電氣工程系

［例1.9.1］圖示電路中，已知US＝6V

，IS＝3A，R1＝1，R2＝2。試用等效電源定理求通過(guò)R2的電流。

R1

＋－R2

IS

US［解］利用等效電源定理解題的一般步驟如下：（1）將待求支路提出，使剩下的電路成為有源二端網(wǎng)絡(luò)。R1

＋－IS

US

有源二端網(wǎng)絡(luò)48大連理工大學(xué)電氣工程系（2）求出有源二端網(wǎng)絡(luò)的開(kāi)路電壓UOC和短路電流ISC。R1

＋－IS

US

有源二端網(wǎng)絡(luò)＋－UOCISC

根據(jù)KVL求得UOC＝US+R1IS＝（6+13）V＝9V根據(jù)KCL求得ISC=USR1+IS=61+3

A=9A()49大連理工大學(xué)電氣工程系（3）用戴維寧等效電源或諾頓等效電源代替有源二端網(wǎng)絡(luò),簡(jiǎn)化原電路。R1

＋－R2

IS

USR0

IeS

I2

R2

用諾頓定理簡(jiǎn)化的電路用戴維寧定理簡(jiǎn)化的電路R0

＋－UeSI2

R2

50大連理工大學(xué)電氣工程系或用除源等效法求得R0

IeS

I2

R2

用諾頓定理簡(jiǎn)化的電路用戴維寧定理簡(jiǎn)化的電路R0

＋－UeSI2

R2

UeS＝UOC＝9VIeS＝ISC＝9AR0=UOCISC=99

=1R0

＝

R1＝1①若用戴維寧定理I2=UeSR0+R2=91＋2

A=3A(4)求待求電流②若用諾頓定理I2=R0R0+R2

IeS=11＋2

9A=3A51大連理工大學(xué)電氣工程系1.10非線(xiàn)性電阻電路線(xiàn)性電阻的電阻值是一常數(shù)，線(xiàn)性電阻兩端的電壓和通過(guò)它的電流成正比。IUO

非線(xiàn)性電阻的電阻值不是常數(shù)，隨電壓或電流值的變化而變化，電壓與電流不成正比。IUO52大連理工大學(xué)電氣工程系非線(xiàn)性電阻的圖形符號(hào)非線(xiàn)性電阻的伏安特性IUQIUO工作點(diǎn)工作點(diǎn)處的電壓電流之比稱(chēng)為靜態(tài)電阻。R

=UI=tanQ點(diǎn)附近的電壓的微小增量與電流的微小增量之比稱(chēng)為動(dòng)態(tài)電阻。r

=dUdI=tan