第一章机电工程 直流电路

1张晓杰13333750405工程机电21、《电工学》是大学工科各专业的技术基础课当今世界上，人们衣食住行的基本生活条件现代一切科学技术的发展与工农业生产都离不开电工及电子技术的支撑2、与工作关系：注册工程师关于课程：3课程安排：1.直流电路2.交流电路3.变压器4.电动机及控制基础篇28学时应用篇1.供配电2.电气照明3.弱电系统4.安全用电及防雷4课程的目的、任务和学习方法：理解基本概念、基本理论和分析方法学用结合，举一反三，融会贯通每次课约2个习题的作业完整掌握课程体系，培养自学能力5BerryTheNewTerm!愿每一位同学成功！6第一章直流电路第一节电路的组成与物理量第二节电路的基本状态第三节电压源和电流源第四节基尔霍夫定律第五节支路电流法第六节叠加原理第七节戴维南定理7第一节电路组成与物理量一、电路的作用与组成电路的定义：•某种需要•某些元件•某种方式8电源：将非电能转换成电能的装置(干电池,蓄电池,发电机)或信号源。中间环节：把电源与负载连接起来的部分(连接导线,开关)负载：将电能转换成非电能的用电设备(电灯,电炉,电动机)1.电路的组成：9电池灯泡EIRU+_负载电源电路的组成102.电路的作用1)电能的传输和转换发电机升压变压器降压变压器电灯电炉热能,水能,核能转电能传输分配电能电能转换为光能,热能和机械能112)信号的传递和处理放大器话筒扬声器将语音转换为电信号(信号源)信号转换、放大、信号处理(中间环节)接受转换信号的设备(负载)121.电流电流方向—正电荷运动的方向（实际方向）。电流参考方向—任选一方向为电流正方向。Iab=-IbaIab双下标箭头abRI表示方法：二、电路的物理量13大写I表示直流电流，小写i表示电流的一般符号dtdqi☆电流强度等于单位时间内通过导体横截面的电荷量。tQI或14元件电流实际方向电流参考方向0iab元件电流实际方向电流参考方向0iab152.电压电压方向—由高电位端指向低电位端（实际方向）。电压参考方向—任选一方向位为电压正方向。表示方法：U+-UabUabUab=-Ubaa.箭头b.正负极性c.双下标16☆电路中a、b两点间的电压定义为单位正电荷由a点移至b点电场力所做的功。☆电压等于电路中两点电位之差。dqdwuababQWUabab或大写U表示直流电压，小写u表示电压的一般符号17图中若I=3A，则表明电流的实际方向与参考方向相同；反之，若I=–3A，则表明电流的实际方向与参考方向相反。I–+US电压、电流的参考方向：当电压、电流参考方向与实际方向相同时，其值为正，反之则为负值。电流的参考方向用箭头表示；电压的参考方向除用极性“+”、“–”外，还可用双下标或箭头表示原则上：任意假定。RR018+　　u1　　－ab－　　u2　　+ab例：当ua=3Vub=2V时u1=1Vu2=－1V求得的u1为正值，说明电压的实际方向与参考方向一致；求得的u2为负值，说明电压的实际方向与参考方向相反。19关联参考方向EIU＋—IU＋—如果指定流过元件的电流的参考方向由电压参考方向的正极指向负极，即电流参考方向与电压参考方向相一致，则把符合这一关系的电流和电压参考方向称为关联参考方向。当二者相反时，称为非关联参考方向。20电路中的参考点Ucc＋－RCICRBIBIEabce将电路中的某一点选作参考点，并规定其电位为零。电路中其它任何一点与参考点之间的电压便是该点的电位。6V2k270k1mA0.02mAVe=0Va=UCC=6VVb=Ucc－RBIB=0.6VVc=Ucc－RCIC=4V化简电路RCICRBIBIEabce＋UCC21电路中电位的概念及计算电位：电路中某点至参考点的电压，记为“VX”。通常设参考点的电位为零。1.电位的概念电位的计算步骤:(1)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。某点电位为正，说明该点电位比参考点高；某点电位为负，说明该点电位比参考点低。222.举例求图示电路中各点的电位:Va、Vb、Vc、Vd。解：设a为参考点，即Va=0VVb=Uba=–10×6=60VVc=Uca=4×20=80VVd=Uda=6×5=30V设b为参考点，即Vb=0VVa=Uab=10×6=60VVc=Ucb=E1=140VVd=Udb=E2=90Vbac204A610AE290VE1140V56AdUab=10×6=60VUcb=E1=140VUdb=E2=90VUab=10×6=60VUcb=E1=140VUdb=E2=90V23例1:图示电路，计算开关S断开和闭合时A点的电位VA2k+6VA2kSI2I1(a)243.电动势电动势的方向—电位升高的方向（实际方向）。电动势的参考方向—任选一方向为电动势的正方向。电动势参考方向的表示方法：a.箭头b.正负极性c.双下标E254.功率uip若p0，吸收功率；若p0，发出功率。某元件的电压和电流参考方向为关联参考方向，则26则某部分电路功率P0,说明U、I实际方向与参考方向一致，说明电路吸收电功率，为负载。所以，从P的+或-可以区分器件的性质，或是电源，或是负载。在进行功率计算时，如果假设U、I参考方向关联。当某部分电路功率P0时,则说明U、I实际方向与参考方向相反，此部分电路发出电功率，为电源。计算功率时应注意的问题27开关闭合IER0+U-Rabdc有载开关断开开路ab短接短路第二节电路的基本状态281.开关闭合RREI0负载端电压U=IR特征:一、有载状态IR0REUI①电流的大小由负载决定。②在电源有内阻时，IU。或U=E–IR0电源的外特性EUI0当R0R时，则UE，表明当电流（负载）变化时，电源的端电压变化不大，即带负载能力强。292.功率与功率平衡20IREIUIPPPE功率平衡方程式：U=E–IR0PPPE负载取用功率电源产生功率内阻消耗功率功率的单位：瓦（W），千瓦（KW）303.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。电气设备的三种运行状态欠载(轻载)：IIN，PPN(不经济)过载(超载)：IIN，PPN(设备易损坏)额定工作状态：I=IN，P=PN(经济合理安全可靠)①.额定值反映电气设备的使用安全性；②.额定值表示电气设备的使用能力。例：灯泡：UN=220V，PN=60WUN、IN、PN31电器使用时的实际值不等于额定值的原因：a.电器受外界影响——如电压波动。b.负载变化时，电流、功率通常不一定处于额定工作状态。32特征:开关断开二、开路状态I=0电源端电压(开路电压)负载功率U=U0=EP=01.开路处的电流等于零；I=02.开路处的电压U视电路情况而定。电路中某处断开时的特征:I+–U有源电路IRoREU033电源外部端子被短接三、短路状态特征:0SREII电源端电压负载功率电源产生的能量全被内阻消耗掉短路电流（很大）U=0PE=P=I²R0P=01.短路处的电压等于零；U=02.短路处的电流I视电路情况而定。电路中某处短路时的特征:I+–U有源电路IR0REU034一、电压源1.理想电压源+-U=定值+-ISUSUOIU恒压源第三节电压源和电流源3435伏安特性电压源模型oIREURo越大斜率越大2.实际电压源UIRO+-EIUEIRO若R0RL，UE，可近似认为是理想电压源。361.理想电流源SIOIU-I=定值+USI恒流源二、电流源372.实际电流源ISROabUabIoabSRUIIIsUabI外特性电流源模型RORO越大特性越陡若R0RL，IIS，可近似认为是理想电流源。38第四节基尔霍夫定律基尔霍夫，GustavRobertIrchhoff(1824—1887)，德国物理学家，1845年在一篇论文的附录中发现了现称为基尔霍夫定律的研究成果，当时他是一位年仅21岁的大学生。后任海德堡大学物理学教授。他还与本生共同创立光谱化学分析法，从而发现铯和铷两种元素（1859年）。提出热辐射中的基尔霍夫辐射定律。39用来描述电路中各部分电压或各部分电流间的关系，其中包括基尔霍夫电流定律和基尔霍夫电压定律两个定律。基尔霍夫电流定律应用于结点；基尔霍夫电压定律应用于回路。第四节基尔霍夫定律40名词术语支路：电路中的每一个分支。一条支路流过一个电流，称为支路电流。结点：三条或三条以上支路的联接点。回路：由支路组成的闭合路径。网孔：内部不含支路的回路。I1I2I3baE2R2R3R1E112341例：支路：ab、bc、ca、…（共6条）回路：abda、abca、adbca…（共7个）结点：a、b、c、d(共4个）网孔：abd、abc、bcd（共3个）adbcE–+GI2I4IGI1I3I42一、基尔霍夫电流定律(KCL定律)1．定律在任一瞬间，流向任一结点的电流等于流出该结点的电流。即:Ｉ入=Ｉ出或:Ｉ=0I1I2I3baE2R2R3R1E1对结点a：I1+I2=I3或I1+I2–I3=0在任一瞬时，任一结点上电流的代数和为零。符号规定：如果规定流入的电流取正号，则流出的电流即取负号；反之则反之。43基尔霍夫电流定律（KCL）反映了电路中任一结点处各支路电流间相互制约的关系。实质:电流连续性的体现。或：Ｉ=0霍夫电流定律(KCL定律)：I1I2I3I44231IIII例或：04231IIIIＩ入=Ｉ出44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。2．推广I=?例:广义结点I=0IA+IB+IC=0ABCIAIBIC2+_+_I51156V12V45二、基尔霍夫电压定律（KVL定律)1．定律在任一瞬间，从回路中任一点出发，沿顺时针方向或逆时针方向循行一周，则在这个方向上电位升之和等于电位降之和。E1I1E2U2I2R2R1abcdU1++--U3U4U1＋U4＝U2＋U3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。U1－U2－U3＋U4＝0即U＝0正负号规定：U与循行方向相同取正，反之为负。46E1I1E2U2I2R2R1abcdU1++--U3U4U1－U2－U3＋U4＝0可改写为：E1－E2－R1I1＋R2I2＝0或：E1－E2＝R1I1－R2I2即－E1＋E2＝－R1I1＋R2I2E＝（RI）在电阻电路中，在任一回路循行方向上，回路中电动势的代数和等于电阻上电压降的代数和。基尔霍夫定律的两种表示形式：形式一：U＝0形式二：E＝（RI）正负号规定：E、U、IR与循行方向相同取正，反之为负。47基尔霍夫电压定律的推广：可应用于回路的部分电路+++-ABC--UABUAUBER+-+-UIU＝UA－UB－UAB＝0或UAB＝UA－UBE＝U＋IR或U＝E－RI得出：求某两点的电压UAB，等于从A点出发沿任一方向路径走到B点的各段电压降代数和，电压降方向和行走方向一致取正号，反之取负。481．列方程前先在电路图上标出电流、电压或电动势的参考方向，标注回路循行方向；电位升=电位降E2=UBE+I2R2U=0I2R2–E2+UBE=02．应用U=0列方程时，项前符号的确定。3.开口电压可按回路处理注意：1对回路1：E1UBEE+B+–R1+–E2R2I2_4.基尔霍夫定律具有普遍性，适用任何元件构成的电路。49++++----ACBD+-UABUBCUCDUDAUCA由基尔霍夫电压定律可得（1）UAB＋UBC＋UCD＋UDA=0即UCD＝2V（2）UAB＋UBC＋UCA＝0即UCA＝－1V例:已知下图为一闭合电路，各支路的元件是任意的，已知UAB＝5V，UBC＝－4V，UDA＝－3V试求：（1）UCD：（2）UCA解：50++++----ACBD+-UABUBCUCDUDAUCA（1）UCD=－UBC－UAB－UDA即