第章电路的基本概念与基本定律ppt课件.ppt

大连交通大学电气信息学院电工教研室,1,电工学,秦曾煌主编高等教育出版社,大连交通大学电气信息学院电工教研室,2,第1章 电路的基本概念与基本定律,1.1 电路的作用与组成部分,1.2 电路模型,1.3 电压和电流的参考方向,1.4 欧姆定律,1.5 电源有载工作、开路与短路,1.6 基尔霍夫定律,1.7 电路中电位的概念及计算,大连交通大学电气信息学院电工教研室,3,本章要求:1.理解电压与电流参考方向的意义；2.理解电路的基本定律并能正确应用；3.了解电路的有载工作、开路与短路状态，理解电功率和额定值的意义；4.会计算电路中各点的电位。,大连交通大学电气信息学院电工教研室,4,1.1电路的作用与组成部分,(1)实现电能的传输、分配与转换,(2)实现信号的传递与处理,1.电路的作用,大连交通大学电气信息学院电工教研室,5,大连交通大学电气信息学院电工教研室,6,2.电路的组成部分,将非电形态的能量转化为电能的供电设备。,电源：,负载：,将电能转化为非电形态的能量的用电设备。,导线、开关、保护装置，传输、控制、分配电能,中间环节：,激励,响应,电路分析,电路综合,电源或信号源的电压或电流,激励在电路中产生的电压或电流,大连交通大学电气信息学院电工教研室,7,1.2 电路模型,可将电路实体中各个实际的电路元件都用表征其物理性质的理想电路元件代替。,由实际电路元件组成的电路称为电路实体。,用理想电路元件组成的电路称为电路实体的电路模型。,理想电路元件主要有电阻元件、电感元件、电容元件和电源元件等。,大连交通大学电气信息学院电工教研室,8,手电筒的电路模型,电池,导线,灯泡,开关,大连交通大学电气信息学院电工教研室,9,1.3 电压和电流的参考方向,（1）电流及其参考方向,电流的真实方向 规定为正电荷移动的方向：,电流的参考方向 利用箭头和双下标表示,当参考方向与实际方向一致时电流为正值。当参考方向与实际方向相反时电流为负值。,B,A,I,（IAB）,0,I,（IBA）,0,大连交通大学电气信息学院电工教研室,10,（2）电动势、电压及其参考方向电动势的真实方向 规定为电源内部电位升高的方向：电压的真实方向 规定为电位降落的方向：参考方向 利用+号和双下标表示电位与电压的关系 Uab=Va-Vb,E,U,a,b,d,c,电动势：Eda,电压：Ubc,大连交通大学电气信息学院电工教研室,11,（3）参考方向和实际方向的关系,实际方向与参考方向一致，物理量为正值；实际方向与参考方向相反，物理量为负值。,E,U,E,U,E=1.5 V U=1.45 V I=0.1 A,E=1.5 V U=1.45 V I=0.1 A,大连交通大学电气信息学院电工教研室,12,若 I=5A，则电流从 a 流向 b；,例1.1：,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。,大连交通大学电气信息学院电工教研室,13,例1.2,解：,假定I 的正方向如图所示。,则电路方程：,（实际方向与假设方向相反！）,已知：E=2V,R=1问：当Uab为1V时，I=?,大连交通大学电气信息学院电工教研室,14,1.4 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。,U=I R,U=IR,欧姆定律：流过电阻的电流与电阻两端的电压成正比,大连交通大学电气信息学院电工教研室,15,线性电阻的伏安特性：一条过原点的直线。,遵循欧姆定律的电阻称为线性电阻。,线性电阻的概念：,大连交通大学电气信息学院电工教研室,16,解：对图(a)有,U=IR,例1.3：应用欧姆定律对下图电路列出式子，并求电阻R。,对图(b)有,U=IR,大连交通大学电气信息学院电工教研室,17,例1.4 计算下图的电阻值R，已知Uab=-12V。,解：,a点电位比b点电位低12V，,n点电位比a点电位高5V，,则n点电位比b点电位低7V，,则Um=-10V,m点电位比b点电位高3V，,大连交通大学电气信息学院电工教研室,18,1.5 电源有载工作、开路与短路,1.5.1电源有载工作,U=E IR0,电源的外特性,当 R0R 时，则U E，表明当负载变化时，电源的端电压变化不大，即带负载能力强。,1.电压与电流,大连交通大学电气信息学院电工教研室,19,2.功率与功率平衡,功率：P=UI,功率平衡：由U=E IR0得，,UI=EI IRo,P=PE P,负载取用功率（电源输出功率）,电源产生功率,内阻消耗功率,电源产生的功率之和=负载消耗的功率之和,大连交通大学电气信息学院电工教研室,20,例1.5,（1）,大连交通大学电气信息学院电工教研室,21,（2）,电源产生功率,负载取用功率,电源内阻消耗功率,负载内阻消耗功率,大连交通大学电气信息学院电工教研室,22,3.电源与负载的判别,U、I 参考方向相同，P=UI;U、I 参考方向不同，P=-UI,（1）根据 U、I 的实际方向判别,（2）根据功率判别,电源：U、I 实际方向相反，即电流从“+”端流出，（发出功率）；,负载：U、I 实际方向相同，即电流从“-”端流出。（吸收功率）。,P0 负载；P0电源,大连交通大学电气信息学院电工教研室,23,例1.6,如图所示，五个元件代表电源或负载，有关元件的电压、电流参考方向如图，已知I1=-2A，I2=3A，I3=5A，U1=70V，U2=-45V，U3=30V，U4=40V，U5=-15V，试计算各元件的功率，判断是电源还是负载，并检验功率平衡。,解：,负载,负载,负载,电源,P1+P2=-275W P3+P4+P5=275WP消=P产 功率平衡,电源,大连交通大学电气信息学院电工教研室,24,4.额定值与实际值,额定值:电气设备在正常运行时的规定使用值；UN、IN、PN。,电气设备的工作状态,欠载（轻载）指 PPN 或 I IN 的状态（不经济）。满载（额定工作状态）指 P=PN 或 I=IN 的状态（经济、安全）。过载（超载）指 PPN 或 I IN 的状态（设备易损坏）。,大连交通大学电气信息学院电工教研室,25,例1.7,大连交通大学电气信息学院电工教研室,26,例1.8,大连交通大学电气信息学院电工教研室,27,1.5.2 电源开路,特征:,大连交通大学电气信息学院电工教研室,28,1.5.3 电源短路,大连交通大学电气信息学院电工教研室,29,例1.9 若电源的开路电压U0=12V，其短路电流Is=30A，试问电源的电动势和内阻各为多少？,解：电源的电动势 E=U0=12V 电源的内阻 R0=E/Is=0.4,大连交通大学电气信息学院电工教研室,30,1.6 基尔霍夫定律,电路理论中最基本的两条定律：欧姆定律：描述线性电阻的伏安特性；基尔霍夫定律：电路中电流、电压之间的关系；电路中的常用术语：支路：电路中没有分支的一段电路。结点：电路中三条或三条以上支路的交汇点。回路：电路中的任意闭合路径。网孔：回路中不包含任何其它回路的回路。,大连交通大学电气信息学院电工教研室,31,+Us1_,+Us2_,R1,R2,R3,I2,I1,I3,a,b,c,d,支路：,节点：,回路：,网孔：,大连交通大学电气信息学院电工教研室,32,支路：(共6条）,回路：(共7个),节点：(共4个）,思考,网孔：(共3个),大连交通大学电气信息学院电工教研室,33,基尔霍夫定律：说明电路作为一个整体所服从的基本规律，即电路各部分电压或各部分电流相互之间的内在联系。,结点,回路,大连交通大学电气信息学院电工教研室,34,1.6.1 基尔霍夫电流定律,（1）定律及结点电流方程,在任一瞬间，某一结点的电流的代数和恒等于零,i0,i入i出,在任一瞬间，流向某一结点的电流等于流出该结点的电流,实质:电流连续性的体现,I1+I2=I3,I1+I2I3=0,一般取流入为正，流出为负,大连交通大学电气信息学院电工教研室,35,（2）推广,电流定律可以推广应用于包围部分电路的任一假设的闭合面。,I=?,例:1.10,广义结点,I=0,证明：IA+IB+IC=0,大连交通大学电气信息学院电工教研室,36,例1.11,大连交通大学电气信息学院电工教研室,37,图示的部分电路中，已知I13A，I45A，I58A，试求I2、I3和I6。,练习,I2=13A;I3=-16;I6=-8,大连交通大学电气信息学院电工教研室,38,I=0,I=?,练习,大连交通大学电气信息学院电工教研室,39,1.6.2 基尔霍夫电压定律,（1）定律及回路电压方程,在任一瞬间，从回路中任一点出发，沿回路循行一周，则在这个方向上电位升之和等于电位降之和,u=0,u升=u降,E1=I1 R1+I3 R3,在任一瞬间，沿任一回路循行方向，回路中各段电压的代数和恒等于零,I1 R1+I3 R3 E1=0,循行方向上，若电位降取正，则电位升取负,实质:能量守恒，电场力做功与路径无关,大连交通大学电气信息学院电工教研室,40,1列方程前标注回路循行方向；,2应用 U=0列方程时，项前符号的确定：如果规定电位降取正号，则电位升就取负号。,注意：,大连交通大学电气信息学院电工教研室,41,例1.12,对网孔abda：,对网孔acba：,对网孔bcdb：,R6,I6 R6 I3 R3+I1 R1=0,I2 R2 I4 R4 I6 R6=0,I4 R4+I3 R3 E=0,对回路 adbca，沿逆时针方向循行：,I1 R1+I3 R3+I4 R4 I2 R2=0,应用 U=0列方程,对回路 cadc，沿逆时针方向循行：,I2 R2 I1 R1+E=0,大连交通大学电气信息学院电工教研室,42,（2）扩展用于回路的部分电路，用于求任意两点间的电压,Uab+IR=E,Uab=E-IR,求Uab,大连交通大学电气信息学院电工教研室,43,例1.13,列方程时，首先标出电流、电压的参考方向,大连交通大学电气信息学院电工教研室,44,例1.14,大连交通大学电气信息学院电工教研室,45,1.7 电路中电位的概念及计算,1.电位的概念电路中任何一点与参考点之间的电压便是该点的电位。参考点：选定电路中某点作为参考点，其参考电位为零，用接地符号表示。,大连交通大学电气信息学院电工教研室,46,例1.15,求图示电路中各点的电位:Va、Vb、Vc、Vd。,解：设 a为参考点，即Va=0V,Vb=Uba=106=60VVc=Uca=420=80 VVd=Uda=65=30 V,设 b为参考点，即Vb=0V,Va=Uab=106=60 VVc=Ucb=E1=140 VVd=Udb=E2=90 V,b,a,Uab=106=60 VUcb=E1=140 VUdb=E2=90 V,Uab=106=60 VUcb=E1=140 VUdb=E2=90 V,大连交通大学电气信息学院电工教研室,47,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值是固定的，不会因参考 点的不同而变，即与零电位参考点的选取无关。,大连交通大学电气信息学院电工教研室,48,2.简化电路图,不画电源，各端标以电位值。,例1.16,大连交通大学电气信息学院电工教研室,49,练习,大连交通大学电气信息学院电工教研室,50,3.电位的计算,电位的计算步骤: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，或利用Uab=Va-Vb计算。,大连交通大学电气信息学院电工教研室,51,例1.17,大连交通大学电气信息学院电工教研室,52,例1.18,大连交通大学电气信息学院电工教研室,53,练习,图示电路，计算开关S 断开和闭合时A点 的电位VA,解:(1)当开关S断开时,(2)当开关闭合时,电路 如图（b）,电流 I2=0，电位 VA=0V。,电流 I1=I2=0，电位 VA=6V。,电流在闭合路径中流通,大连交通大学电气信息学院电工教研室,54,例2：,练习：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RP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？,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RP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）VA=IR1+12 VB=IR2 12,大连交通大学电气信息学院电工教研室,55,乔治西蒙欧姆(Georg Simon Ohm,17871854年)是德国物理学家。生于巴伐利亚埃尔兰根城。欧姆的父亲是一个技术熟练的锁匠，对哲学和数学都十分爱好。欧姆从小就在父亲的教育下学习数学并受到有关机械技能的训练，这对他后来进行研究工作特别是自制仪器有很大的帮助。欧姆的研究，主要是在18171827年担任中学物理教师期间进行的！1826年4月欧姆发表论文，提出欧姆定律。,大连交通大学电气信息学院电工教研室,56,古斯塔夫罗伯特基尔霍夫(Kirchhoff，Gustav Robert，18241887年）德国物理学家。1824年3月12 日生于普鲁士的柯尼斯堡（今为俄罗斯加里宁格勒），1887 年10 月17日卒于柏林。基尔霍夫在柯尼斯堡大学读物理，1847年毕业后去柏林大学任教，3年后去布雷斯劳作临时教授。1854年由R.W.E.本生 推荐任海德堡大学教授。1875年因健康不佳不能做实验，到柏林大学作理论物理教授，直到逝世。电路设计方面的研究成就：1845年，21岁时他发表了第一篇论文，提出了稳恒电路网络中电流、电压、电阻关系的两条电路定律,即著名的基尔霍夫第一电路定律和基尔霍夫第二电路定律，解决了电器设计中电路方面的难题。直到现在，基尔霍夫电路定律仍旧是解决复杂电路问题的重要工具。基尔霍夫被称为“电路求解大师”。,大连交通大学电气信息学院电工教研室,57,1.4.1 伏安特性是一条不经过坐标原点的直线时，该电阻元件是否为线性电阻元件?,答：不是。,练习题,大连交通大学电气信息学院电工教研室,58,1.4.2 非线性电阻元件的电压与电流之间的关系是否符合欧姆定律?,答：不符合欧姆定律。遵循欧姆定律的电阻称为线性电阻，它是一个表示某段电路的特性而与电压和电流无关的常数。而非线性电阻的阻值不是常数，随电压或电流变动，故其电压与电流的关系不符合欧姆定律。,大连交通大学电气信息学院电工教研室,59,（）,1.5.1 如图所示电路，方框代表电源或负载。试判断哪些是电源？哪些是负载？,电源,（）,负载,（）,负载,（）,电源,大连交通大学电气信息学院电工教研室,60,1.5.2 求图示电路中通过恒压源的电流I1、I2及其功率，并说明是起电源作用还是起负载作用。,大连交通大学电气信息学院电工教研室,61,1.6.1 设Uab=0,试求图中的电流I；I1和电阻R,大连交通大学电气信息学院电工教研室,62,大连交通大学电气信息学院电工教研室,63,1.7.2 求电路中A、B点的电位，如果将A、B两点直接连接或连一电阻，对电路工作有无影响？,大连交通大学电气信息学院电工教研室,64,1.7.3 如果15 电阻上的电压降为30V，其极性如图所示，试求电阻R及B点的电位VB,5A,+,_,15,5,B,R,100V,2A,3A,+,_,