动画讲解直流电路

第1章直流电路1.1电路的基本结构*1.8电路中各点电位的计算1.2电路的主要物理量1.3欧姆定律1.4电阻元件1.5电路的状态及电外特性1.6负载的连接1.7电气设备额定值1.9基尔霍夫定律1.10支路电流法**1.11电路模型的概念及电流源、电压源**1.12戴维宁定理**1.13叠加定理1.1电路的基本结构电流所流过的路径称为电路。它是为了某种需要由电工设备或元件按一定方式组合起来的。电路的结构形式和所能完成的任务是多种多样的，最典型的是照明电路。电路实物图电路原理图实际应用中，电路还必须有一些辅助设备，如控制电路通、断的开关及保障安全用电的熔断器等。将非电能形态的能量转换成电能的供电设备。如发电机、电池等。将电能转换成非电能形态能量的用电设备。如电动机、照明灯等。传递信号、传输电能。负载：电源：连接导线：动画：电路的基本组成1.2电路的主要物理量1.2.1电流1.2.2电压与电动势1.2.3电位1.2.4电能1.2.1电流电路中带电粒子有规则地定向移动形成电流。电解液中的正、负离子(正、负电荷)带电粒子金属导体中的自由电子(负电荷){规定正电荷移动的方向为电流的实际方向。电流的参考方向(正方向)在进行电路分析时，预先假定的一个电流方向。RI0I0R电流的实际方向与参考方向一致时电流值为正；反之为负。电路图中标注的电流方向通常都是参考方向，参考方向可以任意规定。电流一词既阐述一种物理现象，又表示带电粒子定向运动强弱的物理量。电流的强弱(或大小)：tQI电流的单位是安(A)；毫安(mA)、微安(A)1A=103mA=106At：为时间，单位是秒(s)；Q：t时间内通过导线的电荷量，单位是库(C)；I：电流动画：电流的基本概念交流电的实际方向随时间而变，必须规定电流的参考方向。电流对负载有各种不同的作用和效应，热和磁效应总是伴随电流一起发生。电流的作用和效果电流的作用效果1.2.2电压与电动势维持某和电路中的电流，必须在它的两端保持电压；电源在电路中能产生和保持电压;电源内部的非静电力分离电荷，把其他形式能量转换成电能。电压为零＋＋＋低电压＋＋＋高电压＋＋＋两种不同极性的电荷分离，电荷之间便产生了电压。电压：要把电荷分离，必须对电荷做功，而做功是由电源完成的。发电机、电池就是电源。动画：电压的基本概念常见电能转换装置：(1)电磁感应：将条形磁铁插入线圈再拔出，在磁铁的运动期间，电压表的指针摆动，利用电磁感应来产生电压。发电机把机械能转化为电能，电池把化学能转化为电能。(2)热电偶:铜和康铜张开两端之间产生电压。将一段铜丝和一段康铜丝绞合或焊接起来，用导线接上一个电压表，在铜丝和康铜丝的连接处加热。(3)光敏元件：通过光来产生电压。将光敏元件接在电压表上，用光源照射光敏器件，光敏元件的两端就会产生电压。金属基片覆盖层阻挡层接触环光硒通过石英晶体的形变产生电压。FFmV晶体＋—将压电晶体与高内阻的电压表相连接；在其特定的表面施加压力或拉力；晶体内部电荷将位移，进而产生电压。反之在晶体上加电压，晶体将产生机械变形。(4)压电效应：另外，对绝缘材料摩擦也可以产生电压。产生电压过程是非静电力对电荷的做功过程，做的功越大，电源把其他形式的能量转化为电能的本领就越大。电源的这种本领用电动势表示。电动势：在电源内部，非静电力将正电荷从电源负极移到正极所做的功WS与其电量Q之比称为电动势，用E表示，即QWESE的单位是伏(V)WS单位是焦耳(J)Q的单位是库(C)电动势的方向：规定从电源负极指向电源正极即非静电力移动正电荷方向。＋＋R+-EI+-U＋当外电路闭合时，外电路中形成电场，在电场力的作用下，电荷经外电路移动形成电流I。静电力移动电荷做功，其大小用电压U表示W：静电力移动电荷做的功；Q:被移动电荷的电量；U：电压电压的方向规定为由正极(高电位端)指向负极(低电位端)，单位为伏(V)。动画：电动势WQU与电流情况类似，电压和电动势未知方向时也可假设参考方向，结合计算结果的正、负来决定其实际方向。1.2.3电位电路中每一点都有一定的电位。在外电路，电位差形成电流；电流从高电位点流向低电位点。+-REI+-Uabcd*电位用字母V表示；**不同点电位用字母V加下标表示；***衡量电位高低必须有一个计算电位的起点，称零电位点，该点电位为0V。电位的计算先选定零电位点，(一般用符号“”表示)，电路中任何一点与零电位点之间的电压，就是该点的电位。+-R2EI+-UabcdR1[例]图示电路，E=10V，R1=R2=2，求各点电位。电压等于电位差例如，Uab=Va-Vb=5V[解]该电路c点是零电位点I=2.5A，Va=Uac=10V，Vb=Ubc=5V，Vc=Vd=0V1.2.4电能电场力做的功就是电路所消耗的电能，由电压公式U=W/Q知，电能W=QU，由于Q=It，所以W=QU=UIt国际单位制下，电能的单位是焦耳(J)，也用千瓦时(kWh，1kWh=1000W3600s=3.6106J电能可直接用电能表(电度表)测出。kW·h计数器俗称度)表示。转盘kW·h00316220V5A50Hz2500r/(kW·h)计数器铝转盘计数器用来记录电能V、A、Hz值是电压电流和频率的使用条件2500r/kW·h表示消耗1千瓦时(1度)电能，铝转盘转过2500转。[例]额定功率120W彩色电视机，每千瓦时的电费0.45元，工作5小时电费为多少？[解]电费=0.1250.45元=0.27元1.2.5电功率用电设备单位时间消耗的电能叫做电功率，用字母P表示，即RURIUItWP22单位：瓦(W)、或千瓦(kW)电功率可利用功率表测量。右图为功率表的接线图[例]额定电压220V，电流5A的电炉功率为多大？[解]P=UI=2205W=1100W=1.1kW*12*34+－URkW++-REI+-UR0-内电路可等效为E与R0的串联电路；外电路是电阻性电路可等效成一个电阻R。内电路和外电路总称为全电路。外电路若不含电源，电压U、电流I关系满足欧姆定律：RUI电流和电压的参考方向必须一致；若方向相反I-U/R注意1.3欧姆定律全电路欧姆定律++-REI+-UR0-RREI0°°I°+-RU°+-RUI[例]求图示电路中的电流。U=1.5V，R=1。[解]设定I的参考方向与U相同A5.1A15.1RUI若I的参考方向与U相反A5.1A15.1---RUI1.4.1电阻元件的电流、电压关系1.4电阻元件1.4.2常用电阻元件纵坐标：流过电阻的电流I横坐标：电阻两端电压U电阻恒定，其电流、电压关系特性是一条电流随电压变化的直线。电阻值决定直线的斜率。斜率随电阻增大而减小。I1R1R2R1R2IUU1U21.4.1电阻元件的电流、电压关系1．线性电阻常见线性电阻的外形图1.4.2常用电阻元件10k1W电阻元件的参数可以用符号直接标注在电阻上，也可使用色环表明。第一环最后一环色环符号规定颜色有效数字乘数允许误差(%)工作电压/V银色10-210金色10-15黑色01004棕色110116.3灰色810863白色910950~-20黄色410425颜色有效数字乘数允许误差(％)工作电压/V红色2102210橙色310316绿色51050.532蓝色61060.2540紫色71070.150无色20某电阻色环颜色[解]R=27102=2700允许误差5％色环含义：最后一环是允许误差，最后前一环为乘数，前面依次是有效数字。有效数字有两位或三位。电阻色标如图示红色2102紫色7107金色5％依次为红、紫、红、金，求阻值为多少？第一条为第一位数第二条为第二位数第三条为乘数第四条为允许误差[例]电阻色环颜色依次为橙、橙、红、红、棕，求阻值为多少？你算对了吗？答案：电阻33200，允许误差1％第一条为第一位数第二条为第二位数第三条为第三位数第四条为乘数第五条为允许误差2．非线性电阻热敏电阻和压敏电阻是非线性电阻。热敏电阻有负温度系数电阻(NTC)和正温度系数电阻(PTC)。PTCNTC温度电阻率压敏电阻该电阻的阻值会随电压的增大而急剧减小。压敏电阻可用于过压保护。将它并联在被保护元件两端，当出现过电压时，其电阻急剧减小，将电流分流。动画：电阻元件1.5电路的状态及电源外特性1.5.1电路的状态1.5.2电源的外特性1.5.1电路的状态三种状态：通路、开路、短路1．通路++-REI+-UR0-U0根据全电路欧姆定律RREI0ERIR0IEU＋U0或UE-R0I称电压平衡方程U0R0I为电源内部电压降URI为外电路电压降；2．开路电压平衡方程各项乘以IEI=UI+U0I即PS=PL+P0电源产生的电功率PS等于负载从电源得到功率PL和电源内部的损耗功率P0之和。++-EI=0+-U=ER0-U0°°I=0；R0I=U0=0根据U=E-R0IU=EPS=PL=P0=03．短路U0++-REI+-UR0-··根据全电路欧姆定律RREI000REIR所以，而通常R0非常小，短路电流比正常工作电流大得多，若短路应及时切断电路，否则会引起剧烈发热而使电源、导线等烧毁。可在电路中接入过电流保护装置。如熔断器或断路器。电源输出电压U=0动画：电路的状态1.5.2电源的外特性讨论电源端电压U与电源输出电流I的关系。电压平衡方程式：UE-R0I随着电流I的增大，电源电压U不断下降。电源的外特性U=f(I)实际应用中，总希望电源能有稳定的输出电压——减小内阻R0。IUUUR0IEOI[解][例]两个蓄电池电动势E1、E2都是12V，其内电阻R010.5、R020.1，试分别计算当负载电流为10A时的输出电压。(1)当内电阻R010.5时，有U1=E1-R01I=(12-0.510)V=7V(2)当内电阻R020.1时，U2=E2-R02I=(12-0.110)V=11V可见，输出电流相同时，内电阻小的电源输出电压高。1.6负载的连接1.6.1负载的串联1.6.2负载的并联1.6.1负载的串联串联负载的规律：1．流经各负载电阻的电流相同2．各负载电阻两端电压分别为3．总电压与各负载电压关系U1=R1IU2=R2IU3=R3IU=U1+U2+U3+-IUU1+-+-+-U2U3R1R2R34．等效电阻R=R1+R2+R3[例]将标称值6.3V/0.3A指示灯与一100的可变电阻串联接在24V的电源上，若指示灯电压达额定值，可变电阻应调节到多大？[解]U1=U-U224-6.3V17.7VRP=U1/I=17.7/0.3=59＋－＋－Ui=1VRPR0.3kUoab[例]分压电路如图，电位器标称值RP=4.7k，求Uo变化范围。[解]滑动点在a，Uo=1V滑动点在b，Uo=0.06V输出电压调节范围Uo=0.06~1V1.6.2负载的并联＋－U并联电路的规律：1．各负载电阻有相同的电源电压U；2．各电阻中电流分别为3．总电流等于各负载电流之和I=I1+I2+I34．并联后的等效电阻为1RR1R2R3111++UUUI1I2I3＝＝＝R1R2R3动画：并联电阻的分流[例]求图所示电路中各电阻中流过的电流及总电流。[解]根据欧姆定律，各电阻电流分别为A10A12120A15A8120A30A4120332211RUIRUIRUIA55A)101530(321IIII3211111RRRR总电流总电阻为Ω2.2RΩ2.2Ω55120IUR或1.7电气设备额定值电气设备正常工作时对电流、电压和功率的限额。使用时必须遵守额定值的规定。设定额定值的原则：考虑电气设备寿命、绝缘材料的耐热性能、绝缘强度等因素，即经济性和可靠性。额定值利用铭牌直接标在产品上或记录在产品说明中。应用时，电压、电流和功率的实际值等于额定值，称电器设备工作在额定状态；若实际值超过额定值，称过载状态；实际值低于额定值，称负载状态