直流电路PPT.ppt

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第1章直流电路,电源,控制与连接（中间环节）,负载,1.1.1电路的基本组成,1.1电路,为了方便对实际电路进行分析和研究，通常将实际电路元件理想化（模型化），突出其主要电磁性质，忽略次要性质，近似看作理想电路元件。

电路图中常用的元件规定符号如下表所示。

由理想电路元件组成的电路称为电路模型。

画出的电路图叫电路模型图或电路原理图，也简称为电路图。

1.1.2电路模型和工作状态,2电路的工作状态,1.1.3电路的基本物理量,1电流,电流就是导体内带电粒子（电子）的定向运动。

大小和方向均不随时间变化的电流叫恒定电流，简称直流。

电流的产生有两个条件：

一是要有电源提供电能；二是要形成闭合回路。

电流的方向是从电源的正极流向负极。

电流的大小用电流强度来衡量。

电流强度是单位时间内通过导体单位横截面的电荷量，用I表示，即,参考方向与实际方向一致,参考方向与实际方向相反,难以确定电流方向时，可以先假设一个方向，称为参考方向。

电流方向的确定,2电位,电位是电荷在电场中具有的能量（位能）大小。

单位正电荷在电路中某一点所具有的位能为电位，其数学表达式为,电位的大小是相对的，它与所选的参考点有关。

在电路分析中，我们通常要选一个电位参考点作为零点点位。

在工程实际中，常以地球作为零电位点，用符号“”表示。

3电压,电压就是电路中两点之间的电位差。

电路中a，b两点之间的电位差（即电压）可用下式表示：

电路中a，b两点间的电压在数值上等于电场力把电荷由a移动到b所做的功W与被移动电荷的电量Q的比值。

参考方向与实际方向一致,参考方向与实际方向相反,电压方向的表示方法,电压方向的确定,高电位低电位,难以确定电流方向时，可以先假设一个参考方向。

一般规定同一个元件的电压和电流的参考方向相同，即电流的参考方向为从电压的正极性端流入该元件，而从它的负极性端流出。

此时称该元件的电压、电流参考方向为关联参考方向；反之，则称为非关联参考方向。

4电动势,在电源内部使电路两端产生和维持电位差的能力称为电源电动势。

电动势的单位也是伏特（V），用字母E表示，计算公式为,若外力克服电场力把单位正电荷的电量（1C）在电源内部由低电位移到高电位，所做的功是1J，则电动势就等于1V。

5电功率,单位时间内电场力所做的功称为电功率P（简称功率），单位是瓦特（W）。

对于大功率，常采用千瓦（kW）作单位。

计算公式为,若，则表明吸收功率或消耗功率，该元件为负载；若，则表明发出功率或产生功率，该元件为电源。

1.2电阻与电源,1.2.1电阻与欧姆定律,1电阻,自由电子在电路中移动时所受到的阻碍作用称为电阻。

电阻一般用字母R表示，单位是欧姆（）。

实验证明，当温度不变时，一定材料制成的均匀导体，其电阻跟它的长度成正比，跟它的截面积成反比。

这个实验规律称为电阻定律，用公式表示为,导体电阻率，其值由导体材料的性质决定，单位是欧姆米（）,不同材料在温度上升1时的电阻变化值，这个数据称为电阻温度系数，它的单位是1/。

下表中给出了几种常见材料的电阻率和电阻温度系数。

2电阻元件,电阻元件就是利用金属材料对电流具有阻碍作用的特性制成的电器元件，简称为电阻。

电阻元件在电路中主要是起控制电流大小和分配与调节电压的作用。

电路中经常用到的一些电阻器件的外形如下图所示。

碳膜电阻线绕电阻滑动变阻器,3欧姆定律,

（1）部分电路欧姆定律电路中通过某个电阻的电流强度，与电阻两端所加的电压成正比，与电阻的阻值成反比，即,右图是用于测量欧姆定律的电路图。

当所画的电压和电流参考方向不一致（即U，I为非参考方向）时，公式中应加一个负号。

电阻值不随电压、电流的变化而改变的电阻称为线性电阻，由线性电阻组成的电路称为线性电路；电阻值随电压、电流的变化而改变的电阻称为非线性电阻，含有非线性电阻的电路称为非线性电路。

欧姆定律只适用于线性电路。

（2）全电路欧姆定律,全电路欧姆定律要考虑电源的内阻。

即在全电路（包括电源）中，电路中的电流与电源的电动势成正比，与电路中负载电阻及电源内阻之和成反比。

计算公式为,右图为全电路欧姆定律电路图。

4电阻的连接方式,

（1）电阻的串联两个或两个以上的电阻首尾依次相连，中间无任何分支的连接称为电阻的串联。

在这种连接方式中，相邻电阻之间的电流只有一条通路，如下图所示。

这种电路叫串联电路。

串联电路接线图串联电路电路图串联电路的画法,串联电路具有以下几个特点：

串联电路各处的电流强度都相同，如下图所示。

总电阻等于各个电阻之和，如下图所示。

总电压等于各部分电路的电压之和，如下图所示。

总功率等于各个电阻上的功率之和，即串联电路的分压关系：

各电阻上的电压与电阻值成正比，即,

（2）电阻的并联电阻的并联是将几个电阻元件的头和头相连，尾和尾相连，然后都接在两个共同端点之间的连接方式。

在并联连接方式中，每个电阻的电流各有一条通路，如下图所示。

这种电路叫并联电路。

并联电路接线图并联电路电路图并联电路的画法,并联电路具有以下几个特点：

并联电路的总电流等于各个电阻上的电流之和，如右图所示。

总电阻的倒数等于各支路电阻的倒数之和，如右图所示。

并联电路上各电阻的电压都相同，如右图所示。

总功率等于各个电阻上的功率之和，与串联电路相同，即并联电路的分流关系：

各电阻上的电流与电阻值成反比，即,（3）电阻的混联在实际电路中，电阻的连接既有串联又有并联的电路称为混联电路，如下图所示。

支路串联，整体并联支路并联，整体串联,混联电路的分析和计算的几个步骤：

（1）首先理清电路中电阻的串、并联关系，必要时重新画出串、并联关系明确的电路图。

（2）利用电阻串、并联等效电阻公式计算出电路中总的等效电阻。

（3）利用已知条件进行计算，确定电路的端电压与总电流。

例如下图所示，已知电阻，；电压。

试求：

（1）电路总的等效电阻与总电流；

（2）电阻两端的电压与通过它的电流。

解

（1）从最右边看：

，三者串联后，再与并联，故e，f两端的等效电阻为代入数值后，得再从c，d两端往右看，相当于和，串联后，再与并联，故c，d两端的等效电阻为代入相应数值后，得,这样，求a，b两端的电阻就比较简单了，它由三个电阻，串联而成。

即故总电流为

（2）利用分压关系求各部分电压,1.2.2电源的特性与变换,在电路中，电源以外的部分称为外电路，电源以内的部分称为内电路。

有的电源，不论其外部电路如何变化，其两端电压总能保持一定的值。

而有的电源，只能向外电路提供稳定的电流。

我们把电源的电压与电流的这种变化关系特性，称为直流电源的外特性。

一个实际的电源，就其外部特性而言，既可以看成是一个电压源，又可以看成是一个电流源。

电压源就是以电压形式表示的电源；而电流源则是以电流形式表示的电源。

电压源是向外电路提供稳定电压的一种电源装置。

它将电源看成是由内阻和电动势串联而形成的电路，如下图所示。

1电压源,实际电路,电压源电路,内阻为零的电源称为理想电压源，也叫恒压源。

当电源的内阻远远小于外电路的负载电阻时，就可近似地将其看做是理想的电压源。

下图是实际电压源和理想电压源的外特性曲线。

实际电压源特性曲线理想电压源特性曲线,2电流源,电流源是向外电路提供稳定电流的一种电源装置。

它将电源看成是由内阻和恒定电流并联而形成的电路，如下图所示。

实际电路,电流源电路,实际电流源特性曲线理想电流源特性曲线,当时，电源内阻上的电流近乎为零，这时外电流将不随R的变化而变化，这种情况就称为理想电流源，也叫恒流源。

当时，电源可近似地看做是理想电流源。

下图是实际电流源和理想电流源的外特性曲线。

3电压源与电流源的等效变换,电压源模型转化为电流源模型电流源模型转化为电压源模型,一个电压源与一个电流源等效变换的条件为：

如果两种电源的参数满足内阻相同和，则电压源与电流源可以互相转换，而对外电路不发生任何影响，如下图所示。

电源等效变换的注意事项如下：

（1）电源等效是指“对外电路”等效，即外电路的外特性（伏安特性）一致，而对电源内部电路并不等效。

（2）理想电压源和理想电流源并不能等效互换。

（3）电源等效互换时，理想电压源与内阻串联，理想电流源与内阻并联。

且转换前后与方向保持不变。

（4）任何一个电动势为的理想电压源和某个电阻为R串联的电路，都可以转化为电流为的理想电流源和这个电阻R并联的电路。

例将右图中的电流源转化为电压源，其中：

，并画出等效电路。

解电流源变为电压源时，内阻不变，故内阻仍为，其等效电压源电路如右图所示。

1.3电路分析方法,1.3.1支路、结点、回路和网孔,

（1）支路由一个或几个元件组成的任何一段都无分支的电路称为支路。

（2）结点电路中由三条或三条以上的支路组成的交点称为结点。

（3）回路电路中的任何一条闭合路径称为回路。

（4）网孔内部不含有支路的回路称为网孔。

多个元件必须是串联同一支路上电流处处相等,三条支路：

bafe，be和bcde。

两个结点：

b和e。

三个回路：

abefa，bcdeb和abcdefa。

两个网孔：

abefa和bcdeb。

下图中支路、结点、回路和网孔各有几个？

1.3.2基尔霍夫定律,1基尔霍夫电流定律（KCL）,如下图所示，在电路中任一瞬时，流入某一结点的电流之和等于流出该结点的电流之和，这就是基尔霍夫电流定律，又称为结点电流定律，缩写为KCL。

用公式表示为,在右图中，若假定流入结点的电流为正，流出结点的电流为负，则有结点a：

结点b：

结点c：

上述三式相加得,运用基尔霍夫电流定律KCL时，应注意以下几点：

（1）在列KCL方程时，其电流参考方向可预先假定。

最后计算出的数值为正时，说明实际电流方向与预先假定的参考方向相同；当数值为负时，说明实际电流方向与预先假定的参考方向相反。

（2）基尔霍夫电流定律KCL对电路中的任何结点都适用。

（3）KCL还可以推广到电路中包围多个结点的任一闭合面，即不管闭合面内的电路结构如何，流入闭合面的电流之和恒等于流出闭合面的电流之和。

例1-8某电桥电路如右图所示，已知，求其余各支路的电流。

解先标出图中未知支路的电流向，如下图所示。

对结点a，应用KCL可列出方程为故对结点b，可列出方程为所以同理，对结点c，有得,2基尔霍夫电压定律（KVL）,基尔霍夫电压定律又叫回路电压定律，缩写为KVL，表示为：

在任一瞬时，沿任一闭合回路绕行一周，回路中各支路（或各元件）上电压的代数和等于零。

用公式表示为,运用基尔霍夫电压定律KVL时，要注意以下几点：

（1）KVL的实质反映的是电路所遵从的能量守恒定律：

在一个闭合回路中，电压的升必定等于电压的降。

（2）在列KVL方程时，其电压的参考方向也可预先假定。

最后计算出的数值为正时，说明实际电压方向与预先假定的参考方向相同；当数值为负时，说明实际电压方向与预先假定的参考方向相反。

（3）基尔霍夫电压定律KVL针对的是回路电压，与回路上的元件无关。

（4）KVL也可以推广到电路中的一段电路，而把这段电路看成假想回路后，同样能够求解电路未知量。

例1-10如下图所示电路，已知，求各个支路电流。

解首先选择各支路的电流参考方向如下图所示，然后选择两个回路的绕行方向。

在第一个回路中，根据KVL得代入得在第二个回路中，根据KVL得代入数据后得故。

再根据结点a，列出KCL方程得到,求解复杂电路一般有两种方法：

1.3.3支路电流法,以支路电流为未知量，应用基尔霍夫两定律分别对结点和回路列出联立方程，然后求出各支路电流的方法。

支路电流法的解题步骤如下：

例1-11如右图所示电路，已知，求各个支路电流。

解首先对电路进行分析。

该电路有个结点，可列出个独立结点方程。

电路中有个支路，可列出个回路电压方程。

这样有6个未知电流，可列6个独立方程，即可联立求解。

在图中先标出电流的参考方向和回路的假定绕行方向，如右图所示。

结点电流方程为结点a：

结点b：

结点c：

回路电压方程为回路：

回路：

回路：

将数据代入并解上面6个联立方程，最后得到,1.3.4叠加定理,在含有若干电源的线性电路中，任一支路电流（或电压）都等于各电源单独作用时所产生的电流（或电压）的代数和。

这一定理称为叠加定理。

原电路电压源单独作用时电流源单独作用时,利用叠加定理进行电路分析和计算的步骤如下：

例1-13在图中，有一个电压源和两个电流源。

已知：

，；正常工作时，由于某种原因致使被短路，试计算此时的,解利用叠加定理，由三个分量组成，即由1个电压源和2个电流源单独作用产生的分量叠加而成。

如果把两个电流源看做一起作用，把电压源看做单独作用，则叠加定理可表示为,（a）原电路（b）电压源单独作用（c）电流源单独作用,当电压源单独作用时，电路如下图（b）所示。

此时串联，根据分压关系式得当两个电流源单独作用时，电路如图所示。

此时短路，上的电压可以根据该电路求得。

但由于，故能简单求得，即,1.3.5戴维南定理,

（1）线性

（2）网络、二端网络、有源二端网络如下图所示，若从a，b两点来看，左边是有源二端网络，右边是无源二端网络。

电路,含有独立电源的二端网络,具有两个出线端的网络,纯电阻电路的输入和输出呈线性关系,可以把任一个线性有源二端网络，用一个等效的电压源和一个串联的电阻来表示,线性有源二端网络,等效电压源（黑框内）,等效电动势ES,等效电压源的内电阻等于待求支路断开时从两端向有源二端网络看进去的电阻。

计算此电阻时，网络内的电压源看做短路，电流源看做断路。

等效电压源的电动势等于待求支路断开时有源二端网络的开路电压U,戴维南定理的解题步骤如下：

例1-14在下图中，已知，求上的支路电流。

解按照上面戴维南定理的解题步骤，先将图中所示电路分成待求支路和有源二端网络（等效电源）两部分，然后分别求出电源的电动势和内阻，再通过戴维南等效电路，即可求出待求支路上的电流。

（1）把电路从a，b两点处断开，分成有源二端网络和待求支路，如图下图所示，取图中电流参考方向（如箭头所示），则电流为等效电源的电动势为或,

（2）将有源二端网络的电压源和短路，这样从a，b两端向左看进去，相当于电阻和并联，所以等效电源的内阻为,（3）画出戴维南等效电路，如右图所示，待求支路上的电流为,在应用戴维南定理解题时需要注意的是：

（1）戴维南定理仅适用于线性电路；

（2）等效电源只对外电路等效，对内电路是不等效的；（3）等效电源电动势的方向应与有源二端网络开路时的端电压方向一致；（4）求有源二端网络的内电阻时，是将有源网络变为无源网络后从端口看进去的电阻，这时理想电压源当短路处理，而电流源则当开路处理。