《直流电路》课件.ppt

,电工学与工业电子学,第1章 直流电路,第一节 电路的基本概念第二节 电阻、欧姆定律及电阻连接第三节 基尔霍夫定律及其应用第四节 电气设备的额定值、电路的几种状态,检验学习结果,电路由哪几部分组成？试述电路的功能？,为何要引入参考方向？参考方向和实际方向有何联系与区别？,何谓电路模型？,学好本课程，应注意抓好四个主要环节：提前预习、认真听课、及时复习、独立作业。还要处理好三个基本关系：听课与笔记、作业与复习、自学与互学。,一.电路,电路就是电流通过的路径,以手电筒为例:,图1-1,E,实际电路元件,电路模型,开关,电池,电珠,3.电路模型和电路元件,电源,负载,负载,实体电路,S,中间环节,电路模型,与实体电路相对应的电路图称为实体电路的电路模型。,第四页,白炽灯的电路模型可表示为：,实际电路器件品种繁多，其电磁特性多元而复杂，采取模型化处理可获得有意义的分析效果。,如,R,L,消耗电能的电特性可用电阻元件表征,产生磁场的电特性可用电感元件表征,由于白炽灯中耗能的因素大大于产生磁场的因素，因此L 可以忽略。,理想电路元件是实际电路器件的理想化和近似，其电特性单一、确切，可定量分析和计算。,白炽灯电路,电阻元件只具耗能的电特性,电容元件只具有储存电能的电特性,理想电压源输出电压恒定，输出电流由它和负载共同决定,理想电流源输出电流恒定，两端电压由它和负载共同决定,电感元件只具有储存磁能的电特性,理想电路元件分有无源和有源两大类,无源二端元件,有源二端元件,表1-1 常用的几种电路元件及其图形符号,返回,二、电路的连接 在实际应用中，常将许多电路按不同的方式连接起来，组成一个电路网络。本章借助中学物理课程学习过的电阻串、并联电路及由串并联电路组成的混联电路引出电路常用的简单电路连接，其余复杂的电路连接留在后面的章节介绍。(一)负载的串联由若干个负载按顺序地连接成一条无分支的电路，称为串联。图1-5所示电路是由三个负载串联组成的。,上一页,下一页,返回,(二)负载的并联 将几个负载都接在两个共同端点之间的连接方式称之为并联。图1-6所示电路是由三个负载并联组成的。(三)负载的混联 如图1-7所示的电路，有的负载采用串联，有的负载采用并联，这种在同一电路中既有负载串联又有负载并联的电路连接方式被称之为负载混联。负载串联和并联的特点与电阻串联和并联的特点相同，这一内容将在下一节介绍，在这里只介绍负载连接的概念。,上一页,下一页,返回,三、电路的基本物理量,大写 I 表示直流电流，小写 i 表示电流的一般符号,（1）电流,电流强度等于单位时间内通过导体横截面的电荷量。,电流的单位及换算：1A=103mA=106A=109nA,电荷的定向移动形成电流。,电流的大小用电流强度表示，简称电流。,大小、方向均不随时间变化的稳恒直流电可表示为：,在电工技术分析中，仅仅指出电流的大小是不够的，通常以正电荷移动的方向规定为电流的参考正方向。,正电荷运动方向规定为电流的实际方向。电流的方向用一个箭头表示。任意假设的电流方向称为电流的参考方向。,如果求出的电流值为正，说明参考方向与实际方向一致，否则说明参考方向与实际方向相反。,直流情况下,（2）电压,高中物理课对电压的定义是：电场力把单位正电荷从电场中的一点移到另一点所做的功。其表达式为：,注意：变量用小写字母表示，恒量用大写字母表示。,电压的国际单位制是伏特V，常用的单位还有毫伏mV和千伏【KV】等，换算关系为：,1V=103mV=103KV,电工技术基础问题分析中，通常规定电压的参考正方向由高电位指向低电位，因此电压又称作电压降。,从工程应用的角度来讲，电路中电压是产生电流的根本原因。数值上，电压等于电路中两点电位的差值。即：,.电压的极性表示,电压的实际方向规定由电位高处指向电位低处。与电流方向的处理方法类似，可任选一方向为电压的参考方向,例：当ua=3V ub=2V时,u1=1V,最后求得的u为正值，说明电压的实际方向与参考方向一致，否则说明两者相反。,u2=1V,实际方向与参考方向一致，电流(或电压)值为正值；实际方向与参考方向相反，电流(或电压)值为负值。,(3)实际方向与参考方向的关系,注意：在参考方向选定后，电流(或电压)值才有正负之分。,若 I=5A，则电流从 a 流向 b；,例：,若 I=5A，则电流从 b 流向 a。,若 U=5V，则电压的实际方向从 a 指向 b；,若 U=5V，则电压的实际方向从 b 指向 a。,3、电动势：是衡量外力即非静电力做功能力的物理量。外力克服电场力把单位正电荷从电源的负极搬运到正极所做的功，称为电源的电动势。,电动势的实际方向与电压实际方向相反，规定为由负极指正极。,为了使电路中有持续不断的电流，必须有一种外力，把正电荷从低电位处(如负极b)移到高电位处(如正极a。在电源内部就存在着这种外力。外力克服电场力把单位正电荷由低电位b端移到高电位a端，所做的功称为电动势，用E表示。电动势的单位也是V。如果外力把1C的电量从点b移到点a，所做的功是1J，则电动势就等于1V。电动势的方向规定为从低电位指向高电位，即由“-”极指向“+”极。,第一节 电路的基本概念,(二)电压源与电流源 1.电压源 铅蓄电池及一般直流发电机等都是电源，它们是具有不变的电动势和较低内阻的电源，我们称其为电压源，如图1-13(a)所示。如果电源的内阻Ro约等于 0，当电源与外电路接通时，其端电压U=E，端电压不随电流变化而变化，电源外特性曲线是一条水平线。这是一种理想情况，我们把具有不变电动势且内阻为零的电源称为理想电压源或恒压源，如图1-13(b)所示。,上一页,下一页,返回,第一节 电路的基本概念,理想电压源是实际电源的一种理想模型。例如，在电力供电网中，对任何一个用电器(如一盏灯)而言，整个电力网中，该用电器以外的部分，就可以近似地看成是一个理想电压源。当电源电压稳定在它的工作范围内，该电源就可认为是一个恒压源。如果电源的内电阻远小于负载电阻RL，那么随着外电路负载电流的变化，电源的端电压可基本保持不变，这种电源就接近于一个恒压源。,上一页,下一页,返回,实际电压源的内阻 R0=0（相当于短路）时，U=US 为一定值，此时通过电压源的电流I 则由负载电阻 RL 和 U 共同确定，这样的电源称为理想电压源简称电压源。,2.电流源 对实际电源，可以建立另一种理想模型，叫电流源。如果电源输出恒定的电流，即电流的大小与端电压无关，这种电流源叫理想电流源。对于直流电路来说，理想电流源输出恒定不变的电流Is，它与外电路负载大小无关，其端电压由负载决定。理想电流源简称电流源或恒流源，当电流源与外电路接通时，回路电流是恒定的。实际的电流源即使没有与外电路接通，其内部也有电流流动;与负载接通后，电源内部仍有一部分电流流动，另一部分电流则通过负载，因此，实际电流源可以用理想电流源Is与一个电阻Ri并联表示，,上一页,下一页,返回,当实际电流源的内阻 RL=（相当于开路）时，I=IS 为一定值，而电流源两端电压则由负载电阻 RL 和 I 共同确定，这样的电源称为理想电流源简称电流源。,日常生产和生活中，电能（或电功）也常用度作为量纲：1度=1KWh=1KVAh,（三）.电能、电功率,（1）电能,电能的转换是在电流作功的过程中进行的。因此，电流作功所消耗电能的多少可以用电功来量度。电功：,式中单位：U【V】；I【A】；t【s】时，电功W为焦耳【J】,1度电的概念,1000W的电炉加热1小时；,100W的电灯照明10小时；,40W的电灯照明25小时。,电功率反映了电路元器件能量转换的本领。如100W的电灯表明在1秒钟内该灯可将100J的电能转换成光能和热能；电机1000W表明它在一秒钟内可将1000J的电能转换成机械能。,（2）电功率,电工技术中，单位时间内电流所作的功称为电功率。电功率用“P”表示：,国际单位制：U【V】，I【A】，电功率P用瓦特【W】,通常情况下，用电器的实际功率并不等于额定电功率。当实际功率小于额定功率时，用电器实际功率达不到额定值，当实际功率大于额定功率时，用电器易损坏。,用电器额定工作时的电压叫额定电压，额定电压下的电功率称为额定功率；额定功率通常标示在电器设备的铭牌数据上，作为用电器正常工作条件下的最高限值。,右下图电路，若已知元件吸收功率为20W，电压U=5V，求电流I。,分析：,由图可知UI为关联参考方向，因此:,举例2：右下图电路，若已知元件中电流为I=100A，电压U=10V，求电功率P，并说明元件是电源还是负载。,解：,UI非关联参考，因此:,元件吸收正功率，说明元件是负载。,I为负值，说明它的实际方向与图上标示的参考方向相反。,想想 练练,1、某用电器的额定值为“220V，100W”，此电器正常工作10小时，消耗多少焦耳电能？合多少度电？,2、一只标有“220V，60W”的电灯，当其两端电压为多少伏时电灯能正常发光？正常发光时电灯的电功率是多少？若加在灯两端的电压仅有110伏时，该灯的实际功率为多少瓦？额定功率有变化吗？P=UI R=P=I*I*R,3、把一个电阻接在6伏的直流电源上，已知某1分钟单位时间内通过电阻的电量为3个库仑，求这1分钟内电阻上通过的电流和电流所做的功各为多少？,3A，1080J,3600000J，1度电,220V，60W；15W，不变。,第二节 电阻、欧姆定律及电阻连接,伏安关系（欧姆定律）：,关联方向时：u=Ri,非关联方向时：u=Ri,一、电阻元件电流在导体中流动通常要受到阻碍作用，反映这种阻碍作用的物理量称为电阻，在电路图中常用理想电阻元件来表示物质对电流的这种阻碍作用。,符号：,功率：,电阻元件是一种消耗电能的元件。,在温度一定的条件下，加在电阻两端电压与通过电阻的电流之间的关系称为伏安特性。一般金属电阻的阻值不随所加电压和通过的电流而改变。即在一定温度下其阻值是一常数。,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。,（一）线性电阻,线性电阻的伏安特性是一条过原点的直线。,（二）非线性电阻电阻的阻值随电压和电流的变化而变化。其电压和电流的比值不是常数。（半导体的正向电阻就是非线性。书上图示）,二、欧姆定律,它是电路的基本定律。欧姆定律指出：导体中的电流与加在导体两端的电压成正比，与导体的电阻成反比。用公式表示,式中比值R即为该电阻的阻值。,图1-19,电阻的单位是(欧姆)，计量大电阻时用k(千欧)或M(兆欧)。其换算关1000欧=1千欧 1000000欧=1兆欧系为 电阻的倒数1/R=G，称为电导，它的单位为S(西门子),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：式前的正负号由U、I 参考方向的关系确定；,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，即关联参考方向。,U=R I,U=RI,(二)全电路的欧姆定律图1-19所示是简单的闭合电路，RL为负载电阻，R0为电源内阻，若导线电阻不计，则此段电路用欧姆定律可得公式的意义是:电路中流过的电流，其大小与电动势成正比，与电路的全部电阻之和成反比。电源的电动势和内电阻一般认为是不变的，所以，改变外电路电阻，就可以改变回路中的电流大小。,上一页,下一页,返回,第二节 电阻、欧姆定律及电阻连接,三、电阻连接(一)电阻的串联：由若干个电阻按顺序地连接成一条无分支的电路，称为串联电路。电阻元件串联有以下几个特点:(1)流过串联各元件的电流相等，即(2)等效电阻(3)总电压(4)总功率(5)电阻串联具有分压作用，即,上一页,下一页,返回,在实际中，利用串联分压的原理，可以打一大电压表的量程，还可以制成电阻分压器。,（二）电阻的并联：并联：蒋几个电阻元件都接在两个共同端点之间的连接方式。,3.分流系数与分压系数 分流系数 由于R1的分流作用，使输出电流 I2小于输入电流I，即,这里 称为“分流系数”。,分压系数 由于R1,R2的分压作用，使输出电压 U小于输入电压，即,这里 称为“分压系数”。,利用电阻并联的分流作用，可打一大电流表的量程。在实际应用中，用电器在电路中通常都是并联运行的，属于相同电压等级的用电器必须并联在同一电路中，这样，才能保证它们都在规定的电压下正常工作。,第四节 电气设备的额定值及电路的工作状态,1.电气设备的额定值,电气设备长期、安全工作条件下的最高限值称为额定值。,电气设备的额定值是根据设计、材料及制造工艺等因素，由制造厂家给出的技术数据。,2.电路的三种工作状态,IUS(RSRL),（1）通路,U=USIRS,（2）开路,U=US,U=0,IUS/RS,（3）短路,一、电气设备的额定值(一)额定电流(IN)电气设备长时间运行而稳定温度达到最高允许温度时的电流，称为额定电流。(二)额定电压(UN)为了限制电气设备的电流并考虑绝缘材料的绝缘性能等因素，允许加在电气设备上的电压限值，称为额定电压。(二)额定功率(PN)在直流电路中，额定电压与额定电流的乘积就是额定功率，即,下一页,返回,电气设备的额定值都标在铭牌上，使用时必须遵守。例如，一盏日光灯，标有“220 V 60 W”的字样，表示该灯在220 V电压下使用，消耗功率为60 W，若将该灯泡接在380 V的电源上，则会因电流过大将灯丝烧毁;反之，若电源电压低于额定值，虽能发光，但灯光暗淡。,电路在工作时有三种工作状态，分别是通路、短路、断路。(一)通路(有载工作状态)如图1-25所示，当开关S闭合，电源与负载接成闭合回路，电路便处于通路状态。在实际电路中，负载大都采用并联方式，用RL代表等效负载电阻。,上一页,下一页,返回,电路中的用电器是由用户控制的，而且是经常变动的。当并联的用电器增多时，等效电阻RL就会减小，而电源电动势E通常为一恒定值，且内Ro很小，电源端电压U变化很小，则电源输出的电流和功率将随之增大，这时称为电路的负载增大。当并联的用电器减少时，等效负载电阻RL增大，电源输出的电流和功率将随之减小，这种情况称为负载减小。可见，所谓负载增大或负载减小，是指增大或减小负载电流，而不是增大或减小电阻值。电路中的负载是变动的，所以，电源端电压的大小也随之改变。电源端电压u随电源输出电流r的变化关系，即u=f(I)，称为电源的外特性，外特性曲线如图1-26所示。,根据负载大小，电路在通路时又分为三种工作状态，当电气设备的电流等于额定电流时称为满载工作状态;当电气设备的电流小于额定电流时，称为轻载工作状态;当电气设备的电流大于额定电流时，称为过载工作状态。,特征:,开关 断开,(二）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,（三）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:,电源外部端子被短接,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:,因为电源内阻Ro一般都很小，所以短路电流Is总是很大。如果电源短路事故未迅速排除，很大的短路电流将会烧毁电源、导线及电气设备，所以，电源短路是一种严重事故，应严加防范。为了防止发生短路事故，以免损坏电源，常在电路中串接熔断器。熔断器中装有熔丝。熔丝是由低熔点的铅锡合金丝或铅锡合金片做成的。一旦短路，串联在电路中的熔丝将因发热而熔断，从而保护电源免于烧坏。熔断器的符号如图1-28所示，熔断器在电路中的接法如图1-29所示。,上一页,返回,本章学习结束。Goodbye!,图1-8 单股导线直接连接,返回,图1-9 导线绝缘层恢复,返回,