第1章直流电路.ppt
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1、第1章 直流电路,1.1 电路和电路主要物理量,1.2 电路的基本定律,1.3 电路的几种状态和电气设备额定值,1.4 电压源、电流源、及其等效变换,1.5 电路中电位的分析,1.6 线性网络的分析方法,1.7 非线性电阻电路,1.1 电路和电路主要物理量,1.电路和电路模型,电路是电流流经的路径,实际电路由电气设备和元件组成。,电源:提供电能的装置,负载:取用电能的装置,中间环节:传递、分配和控制电能的作用,为了便于分析电路,一般要将实际电路模型化,用理想元件来模拟实际电路中的器件,从而构成与实际电路相对应的电路模型。,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。,电路,电路
2、模型,电池,灯泡,今后分析的都是指电路模型,简称电路。在电路图中,各种电路元件都用规定的图形符号表示。,导线,2.电路的主要物理量,(1)电流(I),大小:,单位:安培(A),千安(kA),毫安(mA),微安(A),定义:电路中电荷的定向有规则运动形成电流,实际方向:正电荷运动的方向,参考方向:分析计算时,任意设定的假想方向,又叫正方向。,参考方向的表示方法,参考方向与实际方向一致,电流值为正值;参考方向与实际方向相反,电流值为负值。,参考方向与实际方向的关系,注意:在参考方向选定后,电流 值才有正负之分。,若 I=2A,则电流从 a 流向 b;,例:,若 I=2A,则电流从 b 流向 a。,
3、(2)电压(U),单位:伏(V),千伏(kV),毫伏(mV),微伏(V),定义:描述电场力移动电荷作功本领的物理量,大小:,实际方向:从高电位指向低电位。(电位降方向),参考方向:分析计算时,任意设定的假想方向,又叫正方向。,参考方向的表示方法,参考方向与实际方向一致,电压值为正值;参考方向与实际方向相反,电压值为负值。,参考方向与实际方向的关系,注意:在参考方向选定后,电压 值才有正负之分。,例:,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(U),单位:伏(V),千伏(kV),毫伏(mV),微伏(V),大小:,分析计算时,
4、也要假设参考方向。,根据结果的正负确定实际方向,忽略电源内阻时,,实际方向:电源内部从低电位指向高电位。(电位升方向),(4)、电功率(P),电阻肯定消耗功率,起负载作用;电动势或电激流在电路中可能吸收功率(负载),也可能发出功率(电源)。,对电阻:,单位:MW,kW,W,mW等,对电源:,如何判断电路中的元件是发出功率(即电源)还是吸收功率(即负载)?,根据电压、电流的实际方向判断:,若电流从电路元件的低电位端流入,高电位端流出时,则该元件发生功率,起电源作用;,在一个完整的电路内,电功率平衡,即总的发生功率等于总的吸收功率。P发生=P吸收,若电流从电路元件的高电位端流入,低电位端流出时,则
5、该元件发生功率,起负载作用。,(5)、电能(W),单位:,例1图1-3中已知U1=-1V,U2=-3V,U3=-1V,U4=1V,U5=2V,I1=4A,I5=-2A,I3=-2A试判断各元件是电源还是负载,并验证功率平衡,元件1,3,4,5为负载;元件2为电源,1.2 电路的基本定律,1.欧姆定律,I与U的正方向相同时,U=IR,I与U的正方向相反时,U=IR,(1)一段无源电路欧姆定律,通常取 U、I 参考方向相同。,(2)一段有源电路欧姆定律,U=Uab,=Uac+Ucb,=E IR,U=Uab,=Uac+Ucb,=E+IR,(2)一段有源电路欧姆定律,2 基尔霍夫定律,支路:电路中的每
6、一个分支。一条支路流过一个电流,称为支路电流。,节点:三条或三条以上支路的连接点。,回路:由支路组成的闭合路径。,(1)基尔霍夫电流定律(KCL)-应用于节点,在任一瞬间,流向任一节点的电流等于流出该节点的电流。,对节点 a:,I1+I3=I2+I4,或 I1+I3I2 I4=0,例,基尔霍夫电流定律的依据:电流的连续性,若流入为正则流出为负,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=?,广义节点,I=0,I1+I2+I3=0,(2)基尔霍夫电压定律(KVL)-应用于回路,即:U=0,在任一瞬间,沿任一回路绕行一周,各段电压降的代数和恒等于零。,回路1:,回路2:,I1 R1
7、+I3 R3 E1=0,I2 R2+I3 R3 E2=0,电压定律可以应用于一段电路,-U+EIR=0,-U+E+IR=0,即U=EIR,即U=E+IR,节点a:,列电流方程,节点c:,节点b:,节点d:,(其中只有三个独立方程),例1,列电压方程,对abda:,对bcdb:,对adca:,1.3 电路的几种状态和电气设备额定值,开关闭合,接通电源与负载,U2=IRL,特征:,1、负载状态,R,L,U,S,+,-,R,l,R,0,R,l,FU,FU,S,U2,+,-,P=PE P,负载取用功率,电源产生功率,内阻、线路损耗功率,负载大小的概念:负载增加指负载取用的电流和功率增加(电压一定)。,
8、电气设备的额定值,额定值:电气设备在正常运行时的规定使用值,电气设备的三种运行状态,欠载(轻载):I IN,P PN(不经济),过载(超载):I IN,P PN(设备易损坏),额定工作状态:I=IN,P=PN(经济合理安全可靠),特征:,开关 断开,2、断路状态,电源外部端子被短接,3、短路状态,1.4 电压源、电流源及其等效变换,1、电压源,电压源模型,由上图电路可得:U=US IR0,若 R0=0,理想电压源:U US,US,电压源的外特性,电压源是由源电压US和内阻 R0 串联的电源的电路模型。,若 R0 RL,U US,可近似认为是理想电压源。,理想电压源,O,电压源,理想电压源(恒压
9、源),例:,(2)输出电压是一定值,恒等于源电压:U US,(3)恒压源中的电流由外电路决定。,特点:,(1)内阻R0=0,设 US=10 V,接上RL 后,恒压源对外输出电流。,当 RL=1 时,U=10 V,I=10A 当 RL=10 时,U=10 V,I=1A,电压恒定,电流随负载变化,2、电流源,ISR0,电流源的外特性,理想电流源,O,IS,电流源是由源电流 IS 和内阻 R0 并联的电源的电路模型。,由上图电路可得:,若 R0=,理想电流源:I IS,若 R0 RL,I IS,可近似认为是理想电流源。,电流源,理想电流源(恒流源),例:,(2)输出电流是一定值,恒等于源电流 IS;
10、,(3)恒流源两端的电压 U 由外电路决定。,特点:,(1)内阻R0=;,设 IS=10 A,接上RL 后,恒流源对外输出电流。,当 RL=1 时,I=10A,U=10 V当 RL=10 时,I=10A,U=100V,外特性曲线,I,U,IS,O,电流恒定,电压随负载变化。,3、电压源与电流源的等效变换,等效的概念:,最简单的有源二端网络:,网络:一般指规模较大或结构较复杂的电路,如东北电网。,不必关心有源二端网络内部结构,如果1、2分别对同一电路或负载供电,,若输出电流I和端电,则说二者作用等效。,压U完全相同,,电压源,+,电流源,电源作用等效:,输出的电流I及端电压U完全相同,则两个电源
11、作用等效。,它们之间可以进行等效变换。,两个电源接有同样的负载,,3、电压源与电流源的等效变换,等效互换公式,I=I U=U,若:,I,电压源,+,R0,+,US,U,电流源,IS,+,由左图:,由右图:,等效变换时,两电源的参考方向要一一对应。,理想电压源与理想电流源之间无等效关系。,电压源和电流源的等效关系只对外电路而言,对电源内部则是不等效的。,注意事项:,例:当RL=时,电压源的内阻 R0 中不损耗功率,而电流源的内阻 R0 中则损耗功率。,任何一个源电压US 和某个电阻 R 串联的电路,都可化为一个电流为 IS 和这个电阻并联的电路。,例1:,求下列各电路的等效电流源。,解:,a,例
12、2:,求下列各电路的等效电压源。,解:,例3:,已知:U1=12V,U3=16V,R1=2,R2=4,R3=4,R4=4,R5=5,IS=3A,试用电压源与电流源等效变换的方法求电流I,计算恒流源 IS 的功率。,解:统一电源形式,解:,解:计算恒流源 IS 功率,I4=IS+I=3+(-0.2)=2.8A,UR4=I4 R4=2.84=11.2V,PIS=IS UIs=3 11.2=33.6W,R4=4 IS=3AI=0.2A,电流从高电位端流出,为电源。,UIs=UR4=11.2V,1.5 电路中电位的分析,1.电位的概念,某点电位为正,说明该点电位比参考点高;某点电位为负,说明该点电位比
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