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第一章直流电路 第一节电路的基本概念第二节电路的基本定律第三节电路的工作状态和电器设备的额定值第四节线性电路的两个基本原理 第一节电路的基本概念 一 电路的组成电源 提供电能负载 用电设备中间环节 连接电源和负载 二 实际电路和电路模型1 实际电路的分析和计算 需将实际电路元件理想化 或模型化 突出其主要的电磁性质 近似看作理想元件 2 理想元件 3 电路模型 实际电路可近似看做由理想元件组成的电路 三 电路中的基本物理量 物理量正方向的表示方法 电路分析中的假设正方向 参考方向 提问 在复杂电路中难于判断元件中物理的实际方向 电路如何求解 AB BA 解决 在解题前先设定一个正方向 作为参考方向 如AB 注意 1 方程式如 U I R适用于假设正方向一致的情况 2 实际方向 是物理中规定的 而 假设正方向 则是人们在进行电路分析计算时 任意假设的 3 在以后的解题过程中 注意一定要先假定 正方向 即在图中表明物理量的参考方向 然后再列方程计算 缺少 参考方向 的物理量是无意义的 4 为了避免列方程时出错 习惯上把I与U的方向按相同方向假设 称 关联的参考方向 关联参考方向 非关联参考方向 电功率 功率的概念 设电路任意两点间的电压为U 流入此部分电路的电流为I 则这部分电路消耗的功率为 P UI 在U I正方向选择一致的前提下 1 若P UI 0 吸收功率 负载 2 若P UI 0 发出功率 电源 电路中能量守衡关系 P 吸收 P 发出 第二节电路的基本定律 电流源与电压源欧姆定律基尔霍夫定律1 基尔霍夫电流定律2 基尔霍夫电压定律电路中电位的计算 一 电压源与电流源 1 伏安关系 2 特性曲线与符号 电压源 电流源 二 欧姆定律 U RI U RI U RI 注意 用欧姆定律列方程时 一定要在图中标明参考方向 还可表示为 I GUG表示传导电流的能力 单位 S 西门子 二 基尔霍夫定律 从电路的全局和整体上阐明各部分电压 电流之间必须遵循的规律 支路 电路中每一分支节点 三个或三个以上支路的连接点回路 电路中任一闭合路径 例 支路 ab ad ac bc bdcd 共6条 节点 a b c d 共4个 回路 abda abcda abcabcdb adca cbdac acbda 共7个 1 基尔霍夫电流定律 对任何节点 在任一瞬间 流入节点的电流等于流出该节点的电流 或者说 在任一瞬间 一个节点上电流的代数为零即 I 0 I1 I2 I3 I4或I1 I2 I3 I4 0 基尔霍夫电流定律的依据 电流的连续性原理 基尔霍夫电流定律的扩展 KCL不仅适用于节点 也可推广到包围部分电路的任一假设闭合面 节点方程 IA IAB IBCIB IBC IABIC ICA IBC 三式相加 IA IB IC 0 二 基尔霍夫电压定律 KVL 对电路中的任一回路 沿任意循行方向转一周 其电位升等于电位降 或 电压的代数和为0 例如 回路a d c a U 0 电压升 电压降 或 例 设顺时针方向为绕行方向 abcd KCL方程 U1 U2 U3 U4 0 已知 U3 20V U4 5V U5 5V U6 10V 求 U1 U1 U6 U5 U3 0U1 10 5 20 0U1 5V KVL推广 基尔霍夫电压定律也适合开口电路 注意 E RI Uab 0Uab E IR 一 KCL方程的两套符号 U前面的正负号由回路的绕行方向及电压参考极性确定 括号内数字前面的正负号表示电压数值的正负 取决于各元件的真实极性与参考极性是否一致 二 两点之间的电压降与所选的路径无关 只要电位变化是首尾相接 各段电压构成闭合回路即可 1 什么是电位 电路中某点与参考点之间的电压 称为该点的电位 说明 参考点电位一般规定为零 通常选择大地 接地点或电器设备的机壳为参考点 电子电路中常选一条公共线作为参考点 该线是很多元件的汇集处且和机壳相连 称 地线 表示符号 三 电路中电位的计算 计算电位 参考点任选 例 Uab 10 6 60VUca 4 20 80VUda 6 5 30VUcb 140VUdb 90V 分析 若分别选 为参考点 则 Ua 0Ub 0Ub 60VUa 60VUc 80VUc 140VUd 30VUd 90V 结论 各点的电位是相对的 与参考点的选取有关 而任意两点间的电压是绝对的 与参考点的选取无关 引入参考点后 电路可简化 第三节电源的工作状态和电气设备的额定值 电源有三种工作状态带载工作状态开路 空载 状态短路状态 一 带载工作状态 图中开关合上 接通电源与负载 即电源的带载工作状态 外特性曲线表明了电源电压U与输出电流I的关系其斜率和电源内阻R0有关 U E R0I 功率的平衡UI EI R0I 即P PE PPE EI是电源产生的功率 P R0I 是电源内阻消耗的功率P UI是电源输出的功率 电气设备的额定值各种电气设备的电源 电流及功率都有一个额定值 它是为使设备在给定的工作条件下运行而规定的正常允许值 额定值常标在铭牌或说明中 用UN IN和PN表示 二 开路 空载 状态 当开关断开时 电源处于开路 空载 状态开路 是外电路的电阻对电源来说等于无穷大 因此电路中电流为零 电源的端电压 称开路电源或空载电压U0 等于电源电动势 电源不输出电能 I 0U U0 EP 0 三 短路状态 1 当电源的两端a和b由于某种原因连在一起 电源被短路 外电路的电阻视为零 电源的端电压也为零 2 电流的回路中仅有电源内阻R0 电流很大 称为短路电流IS U 0I IS E R0PE P R0I P 0 第四节线性电路的两个基本原理 一 叠加原理 二 等效电源原理 一 叠加原理 概念 在多个电源同时作用的线性电路 电路参数不随电压 电流的变化而改变 中 任何支路的电流或任意两点间的电压 都是各个电源单独作用时所得结果的代数和 I 注 电路中一个电源单独作用时 应将其余电源作 零值 即理想电压源短接 而理想电流源开路 但它们的内阻仍计算在内 例 用叠加原理求 I I 2A I 1A I I I 1A 应用叠加定理要注意的问题 1 叠加定理只适用于线性电路 电路参数不随电压 电流的变化而改变 2 叠加时只将电源分别考虑 电路的结构和参数不变 暂时不予考虑的恒压源应予以短路 即令E 0 暂时不予考虑的恒流源应予以开路 即Is 0 3 解题时要标明各支路电流 电压的正方向 原电路中各电压 电流的最后结果是各分电压 分电流的代数和 4 叠加原理只能用于电压或电流的计算 不能用来求功率 如 5 运用叠加定理时也可以把电源分组求解 每个分电路的电源个数可能不止一个 二 二端网络等效电源定理 二端网络 若一个电路只通过两个输出端与外电路相联 则该电路称为 二端网络 无源二端网络 二端网络中没有电源 有源二端网络 二端网络中含有电源 等效电源 计算复杂电路中某一支路的电流或电压时 相对于该支路之外的部分多么复杂 均可用一个线性有源二端网络来表示 对于计算支路仅相当于一个电源 注意 等效 是指对端口外等效 有源二端网络用电压源模型替代 戴维南定理 有源二端网络用电流源模型替代 诺顿定理 戴维南定理 等效电压源的电动势 Ed 等于有源二端网络的开端电压 等效电压源的内阻等于有源二端网络相应无源二端网络的输入电阻 有源网络变无源网络的原则是 电压源短路 电流源断路 Ed Ux Rd Rab 利用戴维宁定理解题的方法 步骤 断开所求支路 利用KVL定律求UX 除源 恒压源短路 恒流源开路 求等效电阻Rd 利用I UX Rd R 求出未知电流 戴维南定理应用举例 已知 R1 20 R2 30 R3 30 R4 20 E 10V求 当R5 10 时 I5 等效电路 有源二端网络 第一步 求开端电压Ux 第二步 求输入电阻Rd 例 等效变换后 第三步 求未知电流I5 Ed UX 2V Rd 24 时 二 诺顿定理 任何一个线性有源二端网络均可以用一个电流为IS的理想电流源和内阻R0并联的电源等效代替 等效电阻Rd仍为相应无源二端网络的输入电阻 等效电流源Id为有源二端网络输出端的短路电流 诺顿定理应用举例 已知 R1 20 R2 30 R3 30 R4 20 E 10V求 当R5 10 时 I5 第一步 求输入电阻Rd 有源二端网络 D R1 R3 R2 R4 E A C B 第二步 求短路电流Id D R1 R3 R2 R4 E A C I5 A B Id 24 0 083A R5 10 Rd 第三步 求解未知电流I5