[第2讲]+直流电路课件.ppt

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1、电工基础,第一章 基础知识 第二章 直流电路第三章 正弦交流电路第四章 三相电路第五章 磁路与变压器,上一页,下一页,返 回,第2章 直流电路,2.1 电路的基本物理量2.2 欧姆定律2.3 电流与电压测量2.4 电路工作状态2.5 电路元件特性方程2.6 基尔霍夫定律2.7 电路中电位的计算2.8 电路中功率的平衡,上一页,下一页,返 回,图2.1 电路示意图,(a)手电筒电路(b)扩音机,上一页,下一页,返 回,实例引入：手电筒电路,图2.2 手电筒的电路模型,上一页,下一页,返 回,电路是电流的通路，它的基本作用：（1）能量的传输和转换；（2）信号的传递和处理。电路主要由四要素：电源、负

2、载、控制元件、回路,上一页,下一页,返 回,2.1 电路的基本物理量,2.1.1 电流,图2.3 导体中的电流 图2.4 电流的正方向,上一页,下一页,返 回,电流：由电荷（带电粒子）有规则的定向运动而形成的交流：直流：实际方向：正电荷运动的方向参考方向、正方向：任意选定某一方向电流的实际方向与其正方向一致时，则电流为正值；电流的实际方向与其正方向相反时，则电流为负值,上一页,下一页,返 回,2.1.2 电压和电位,电压：绝对值，不随参考点的改变而改变；电位：相对值，随参考点的改变而变化,图2.5 电压示意图,上一页,下一页,返 回,电压,电压：电场力将单位正电荷沿外电路中的一点推向另一点所作

3、的功实际方向：规定从高电位(“”)指向低电位(“”)电压的实际方向与其正方向一致时，则电压为正值；电压的实际方向与其正方向相反时，则电压为负值。,上一页,下一页,返 回,2.电位,电路中某点的电位实质是这一点与参考点之间的电压，或者说，电路某两点的电压等于这两点之间的电位差。UABVA-VB,上一页,下一页,返 回,例2-1 在图2.6所示的电路中，已知U1=3V，U2=-2V，求U=？,图2.6 例2-1的电路图,上一页,下一页,返 回,解：因为 UAB+UBC=(VA-VB)+(VB-VC)=VA-VC=UAC 所以 U=UAC=UAB+UBC=U1-U2=3-(-2)=5V,上一页,下一

4、页,返 回,2.1.3 电动势,图2.7 手电筒电路原理图,上一页,下一页,返 回,电动势:电源力将单位正电荷从电源的负极移到正极所作的功。符号E，单位VE=W/q 电动势的方向：规定为电源力推动正电荷运动的方向，即从负极指向正极的方向，也就是电位升高的方向形成持续的电流必须有两个条件：一是要有电源，二是要有一条能够使电荷移动的闭合路径。,上一页,下一页,返 回,例2-2 在图2.9所示的电路中，求E=？,图2.9 例2-2的图,上一页,下一页,返 回,解：因为UAB=U1-U2=E-U2 所以E=UAB+U2,上一页,下一页,返 回,实训三：元器件识别及线性电阻伏安特性测试,一、实训目的1.

5、掌握电阻、电容、电感的识别方法。2.掌握直流稳压电源使用方法。3.掌握磁电式安培计、伏特计使用方法并正确读数。4.掌握万用表使用方法及注意事项。5.掌握电流、电压测量方法。6.掌握线性电阻伏安特性测试方法。,上一页,下一页,返 回,二、原理说明,电阻器电阻器：对通过它的电流呈现一定的阻碍作用，具有消耗能量的性质用途：是稳定和调节电路中的电流和电压，其次还有限制电路电流、降低电压、分配电压等功能分类：按电阻材料和结构特征可分为线绕、膜式（碳膜和金属膜）、实芯和敏感电阻；按用途可分为通用、精密、高压、高阻电阻器。主要技术参数：标称阻值、阻值误差、额定功率、额定电压：识别方法：数值法和色码标示法,上

6、一页,下一页,返 回,图2.10 通用电阻色码标示法,上一页,下一页,返 回,表2-1 通用电阻色码与数字的对应表,例如：某一电阻色标为“棕黑橙金”，则其标称值为10k，误差为5%。,上一页,下一页,返 回,2.电容器,电容器：是由两个金属电极中间夹一层绝缘体（又称电介质）所构成，可以储存电场能量用途：具有“隔直通交”的特点，常用于滤波、旁路、信号调谐等方面主要技术参数：电容量、允许误差、额定电压识别方法：数值法和色标法,上一页,下一页,返 回,例：某一瓷介电容上标有104，其标称电容量为10104pF，即0.1F有极性的电解电容器上标有负号的一端（一般为短脚）是负极，另一端是正极。在直流电路

7、中，电解电容器正负极不能接反，否则会爆炸。,上一页,下一页,返 回,3.电感器,镇流器、电机、变压器的线圈都是电感线圈，可以储存磁场能量。用途：LC滤波器，调谐放大电路或谐振均衡，去耦电路分类：按结构特点可分为单层、多层、蜂房、带磁芯及可变电感线圈。主要技术参数：电感量L和品质因数Q。电感量是指电感器通入电流后储存磁场能量的大小，其单位是H、mH和H。1H=103mH，1mH=103H。,上一页,下一页,返 回,三、操作步骤,（一）常用元器件识别1.用色码标示法识别电阻器标称阻值，并用万用表测出其实际值，计算误差大小。2.识别电解电容、瓷介电容标称电容量。3.识别色码电感的电感量。,上一页,下

8、一页,返 回,（二）线性电阻伏安特性测试,1.按图2.11接线，以定值电阻R=1k（1W）为被测线性电阻。2.调节直流稳压电源，使输出为1V、5V、9V、13V、17V、21V、25V，分别测出电路中电流大小，记录在表2-2中。,图2.11 线性电阻伏安特性测试电路图,上一页,下一页,返 回,表2-2 线性电阻伏安特性测试记录表,3.根据表2-2中的实验数据，作出线性电阻元件R的伏安特性曲线。,上一页,下一页,返 回,四、分析思考,安培计和伏特计应怎样接在电路中？若安培计并联在被测负载两端，会出现什么现象？为什么？,上一页,下一页,返 回,2.2 欧姆定律,欧姆定律：流过电阻的电流与电阻两端的

9、电压成正比当电压和电流的正方向一致时：U=IR（2-6）当电压和电流的正方向相反时：U=-IR（2-7）,上一页,下一页,返 回,例2-3 已知R=3，应用欧姆定律对图2.12的电路列出式子，并求电流I。,图2.12 例2-3的图,上一页,下一页,返 回,解：在图2.12(a)中：在图2.12(b)中：在图2.12(c)中：在图2.12(d)中：,上一页,下一页,返 回,例2-4 计算图2.13中的电阻R值，已知Uab=-12V。,图2.13 例2-4的电路,上一页,下一页,返 回,解：Uab=Uan+Unm+Umb=-E1+Unm+E2 Unm=Uab+E1-E2=-12+5-3=-10V

10、R=Unm/I=-10/-2=5,上一页,下一页,返 回,图2.14 线性电阻的伏安特性曲线 图2.15 白炽灯丝的的伏安特性曲线,上一页,下一页,返 回,图2.16 半导体二极管伏安特性曲线 图2.17 非线性电阻的符号,上一页,下一页,返 回,2.3 电流与电压测量,2.3.1 电阻串并联1.电阻的串联,（a）串联电阻（b）等效电阻图2.18 电阻的串联,上一页,下一页,返 回,等效电阻R等于各个串联电阻之和，即：R=R1+R2+R3+两个串联电阻上的电压分别为：（2-9）（2-10）,上一页,下一页,返 回,2.电阻的并联,（a）并联电阻（b）等效电阻图2.19 电阻的并联,上一页,下一

11、页,返 回,等效电阻R为：由式（2-11）得图2.19的并联等效电阻R为：两个并联电阻上的电流分别为：,上一页,下一页,返 回,负载增加（例如并联的负载数目增加）时，负载所取用的总电流和总功率都增加，即电源输出的功率和电流都相应增加。就是说，电源输出的功率和电流决定于负载的大小。,上一页,下一页,返 回,2.3.2 电流的测量,测量直流电流通常都用磁电式安培计，测量交流电流主要采用电磁式安培计,（a）安培计的接法（b）分流器的接法图2.20 安培计和分流器,上一页,下一页,返 回,（2-14）即（2-15）,上一页,下一页,返 回,例2-5 有一磁电式安培计，当使用分流器时，表头的满标值电流为

12、5mA。表头电阻为20。今欲使其量程（满标值）为1A，问分流的电阻应为多大？解：,上一页,下一页,返 回,2.3.3 电压的测量,测量直流电压常用磁电式伏特计，测量交流电压常用电磁式伏特计。,（a）伏特计的接法（b）分压器的接法图2.21 伏特计和分压器,上一页,下一页,返 回,由图2.21(b)可得：（2-16）即（2-17）,上一页,下一页,返 回,例2-6 有一伏特计，其量程为50V，内阻为2000。今欲使其量程扩大到360V，问还需串联多大电阻的分压器？解：,上一页,下一页,返 回,2.4 电路工作状态,图2.22 直流电路,上一页,下一页,返 回,2.4.1 有载工作状态,U=E-I

13、R0,图2.23 电源的外特性曲线,上一页,下一页,返 回,2.4.2 开路,电路开路时的特征可用下列各式表示：I=0 U=U0=E,图2.24 电路开路的示意图,上一页,下一页,返 回,2.4.3 短路,电源短路时的特征可用下列各式表示：U=0 I=IS=E/R0,图2.25 电路短路的示意图,上一页,下一页,返 回,例2-7 图2.26所示的电路可用来测量电源的电动势E和内阻R0。图中，R1=2.6，R2=5.5。当开关S1闭合、S2断开时，安培计读数为2A；当开关 S1断开、S2闭合时，安培计读数为1A。试求E和R。,上一页,下一页,返 回,图2.26 例2-7的电路,上一页,下一页,返

14、 回,解：E=I1(R1+R0)E=I2(R2+R0)联立以上两式可得：所以：E=2(2.6+0.3)=5.8V,上一页,下一页,返 回,2.5 电路元件特性方程,直流电路中，U=IR 交流电路中，u=iR,图2.27 电阻负载电路,上一页,下一页,返 回,2.5.2 电容元件特性方程,图2.28中电容元件的元件特性方程为：,图2.28 电容负载电路,上一页,下一页,返 回,2.5.3 电感元件特性方程,图2.29中电感的元件特性方程为：,图2.29 电感负载电路,上一页,下一页,返 回,实训四：基尔霍夫定律的验证,一、实训目的1.掌握万用表测量电流、电压方法。2.掌握基尔霍夫定律。二、原理说

15、明,上一页,下一页,返 回,图2.30 实训电路原理图,上一页,下一页,返 回,三、操作步骤,1.调节稳压电源，使其输出电压为9V，关断电源待用。2.按图2.30实训电路原理图接线。3.经教师检查后接通电源，用万用表测电压及各支路电流，并将结果填入表2-3中。,表2-3 实训电路测量结果记录表,上一页,下一页,返 回,四、分析思考,1.分析实训电路中各段电压的关系。2.分析实训电路中各电流的关系。,上一页,下一页,返 回,2.6 基尔霍夫定律,图2.31 多回路直流电路,上一页,下一页,返 回,图2.31中有三条支路：ab、acb和adb；两个节点：a和b；三个回路：adbca、abca和ab

16、da。1.支路(Branch)无分支的一段电路。支路中各处电流相等，称为支路电流。2.节点(Node)三条或三条以上支路的联接点。3.回路(Loop)由一条或多条支路所组成的闭合电路。,上一页,下一页,返 回,2.6.1 基尔霍夫电流定律（KCL）,在图2.31所示的电路中，对节点a可以写出：I1+I2=I3或将上式改写成：I1+I2-I3=0即 I=0,上一页,下一页,返 回,例2-8 图2.32所示的闭合面包围的是一个三角形电路，它有三个节点。求流入闭合面的电流IA、IB、IC之和是多少？,图2.32 基尔霍夫电流定律应用于闭合面,上一页,下一页,返 回,解：应用基尔霍夫电流定律可列出 I

17、A=IAB-ICA IB=IBC-IAB IC=ICA-IBC上列三式相加可得 IA+IB+IC=0或 I=0 可见，在任一瞬时，通过任一闭合面的电流的代数和也恒等于零。,上一页,下一页,返 回,例2-9 一个晶体三极管有三个电极，各极电流的方向如图2.33所示。各极电流关系如何？,图2.33 晶体管电流流向图,上一页,下一页,返 回,解：晶体管可看成一个闭合面，则：IE=IB+IC,上一页,下一页,返 回,例2-10 两个电气系统若用两根导线联接，如图2.34(a)所示，电流I1和I2的关系如何？若用一根导线联接，如图2.34(b)所示，电流I是否为零？,图2.34 两个电气系统联接图,上一

18、页,下一页,返 回,解：将A电气系统视为一个广义节点，对图2.34(a)：I1=I2，对图2.34(b)：I=0。,上一页,下一页,返 回,2.6.2 基尔霍夫电压定律（KVL）,基尔霍夫电压定律是用来确定构成回路中的各段电压间关系的。对于图2.35所示的电路，如果从回路adbca中任意一点出发，以顺时针方向或逆时针方向沿回路循行一周，则在这个方向上的电位升之和应该等于电位降之和，回到原来的出发点时，该点的电位是不会发生变化的。此即电路中任意一点的瞬时电位具有单值性的结果。,上一页,下一页,返 回,图2.35 回路,上一页,下一页,返 回,以图2.35所示的回路adbca（即为图2.31所示电

19、路的一个回路）为例，图中电源电动势、电流和各段电压的正方向均已标出。按照虚线所示方向循行一周，根据电压的正方向可列出：U1+U4=U2+U3或将上式改写为：U1-U2-U3+U4=0即 U=0（2-25）,上一页,下一页,返 回,就是在任一瞬时，沿任一回路循行方向（顺时针方向或逆时针方向），回路中各段电压的代数和恒等于零。如果规定电位升取正号，则电位降就取负号。,上一页,下一页,返 回,图2.35所示的adbca回路是由电源电动势和电阻构成的，上式可改写为：E1-E2-I1R1+I2R2=0或 E1-E2=I1R1-I2R2即 E=(IR),上一页,下一页,返 回,图2.36 基尔霍夫电压定律

20、的推广应用,上一页,下一页,返 回,对图2.36(a)所示电路（各支路的元件是任意的）可列出 U=UAB-UA+UB=0或 UAB=UA-UB（2-27）对图2.36(b)的电路可列出 U=E-IR0（2-28）列电路的电压与电流关系方程时，不论是应用基尔霍夫定律或欧姆定律，首先都要在电路图上标出电流、电压或电动势的正方向。,上一页,下一页,返 回,例2-11 在图2.37所示电路中，已知U1=10V，E1=4V，E2=2V，R1=4，R2=2，R3=5，1、2两点间处于开路状态，试计算开路电压U2。,上一页,下一页,返 回,图2.37 例2-11的电路图,上一页,下一页,返 回,解：对左回路

21、应用基尔霍夫电压定律列出：E1=I(R1+R2)+U1得 再对右回路列出：E1-E2=IR1+U2得 U2=E1-E2-IR1=4-2-(-1)4=6V,上一页,下一页,返 回,2.7 电路中电位的计算,例2-12 在图2.38所示的电路中，已知C点接地,R1=R2=R3=1，E1=E2=2V，I1=-1A，I3=3A，求VA、VB的值。,图2.38 例2-12的电路图,上一页,下一页,返 回,解：I2=I3-I1=3-（-1）=4A VA=-I2R2+E1+I1R1=-41+2+(-1)1=-3V VB=-E2+I3R3+E1+I1R1=-2+31+2+(-1)1=2V,上一页,下一页,返

22、回,2.8 电路中的功率平衡,1电做的功（简称电功）W=qU=UIt2电功率 P=W/t=UIt/t=UI P=U2/R=I2R3电流热效应Q=I2Rt4额定值：在给定的工作条件下正常运行而规定的正常容许值,上一页,下一页,返 回,例2-13 有一220V、60W的电灯，接在220V的直流电源上，试求通过电灯的电流和电灯在220V电压下工作时的电阻。如果每晚用3h(小时)，问一个月消耗电能多少？,上一页,下一页,返 回,解：I=P/U=60/220=0.273A R=U/I=220/0.273=806电阻也可用下式计算：R=P/I2或R=U2/P。一个月消耗的电能也就是所做的功为：W=Pt=6

23、0330=0.0690=5.4kWh可见，功的单位是kWh，俗称“度”。常用的电度表就是测量电能的仪表。,上一页,下一页,返 回,例2-14 有一额定值为5W、500的线绕电阻，其额定电流为多少？在使用时电压不得超过多大的数值解：根据功率和电阻可以求出额定电流，即在使用时电压不得超过U=IR=0.1500=50V,上一页,下一页,返 回,因此，在选用电阻时不能只提出电阻值的大小，还要考虑电流有多大，而后提出功率。现在我们来讨论电路中的功率平衡问题。式（2-28）中各项乘以电流I，则得功率平衡式为：UI=EI-I2R0 P=PE-P 或 PE=P+P式中，PE=EI，是电源产生的功率；P=I2R

24、0，是电源内阻上损耗的功率；P=UI，是电源输出的功率。由此可知，电源产生的功率等于负载消耗的功率与内阻损耗的功率之和，即电路中的功率是平衡的。,上一页,下一页,返 回,例2-15 在图2.39所示的电路中，U=220V，I=5A，内阻R01=R02=0.6。（1）试求电源的电动势E1和负载的反电动势E2；（2）试说明功率的平衡。,图2.39 例2-15的电路图,上一页,下一页,返 回,解：（1）电源 U=E1-U1=E1-IR01 E1=U+IR01=220+50.6=223V 负载 U=E2+U2=E2+IR02 E2=U-IR02=220-50.6=217V（2）由（1）中的两式可得 E

25、1=E2+IR01+IR02 等号两边同乘以I，则得 E1I=E2I+I2R01+I2R02 2235=2175+520.6+520.6 1115W=1085W+15W+15W,上一页,下一页,返 回,其中，有E1I=1115W，是电源E1输出的功率，即在单位时间内由机械能或其他形式的能量转换成的电能的值；E2I=1085W，是负载吸收的功率，即在单位时间内由电能转换成的机械能（负载是电动机）或化学能（负载是充电时的蓄电池）的值；I2R01=15W，是电源内阻上损耗的功率；I2R02=15W，是负载内阻上损耗的功率。,上一页,下一页,返 回,判断某一电路元件是电源还是负载呢？（1）根据电压和电

26、流的实际方向可确定某一电路元件是电源还是负载电源：U和I的实际方向相反，电流从“+”端流出，输出功率；负载：U和I的实际方向相同，电流从“+”端流入，吸收功率。（2）根据电压和电流的正方向确定电源：当U和I的正方向一致时，P=UI0；负载：当U和I的正方向一致时，P=UI0。,上一页,下一页,返 回,例2-16 图2.40中流过元件X的电流I=-1A，加在元件X两端的电压U=2V，该元件是电源还是负载？解：方法（1）：由于U与I的实际方向相反，元件X是电源，输出功率。方法（2）：由于U与I的正方向相同，P=UI=-2W0，元件X是电源。,上一页,下一页,返 回,图2.40 例2-16的电路图,上一页,下一页,返 回,