第1章 直流电路

1、第第1章章 直流电路直流电路本章要求本章要求: 理解电路的基本概念，理解电路的基本概念，掌握电路的基本定律掌握电路的基本定律 。掌握电路中电位的意义及计算掌握电路中电位的意义及计算 。理解电源的等效变换法，理解电源的等效变换法，掌握电阻串并联的特点掌握电阻串并联的特点及电路的计算。及电路的计算。了解电容器的充放电特性，理解电容了解电容器的充放电特性，理解电容C的意义。的意义。第第1章章 直流电路直流电路1.1 电路的基本概念及基本定律电路的基本概念及基本定律 电工 电路1.1.1 电路概述电路概述1. 电路的作用电路的作用 电路是电流的通路，是为了某种需要由电工设备或电路元件按一定方式组合而成

2、。 （1）电能的产生、传输控制和转换）电能的产生、传输控制和转换（2）电信号的产生、传输处理和变换）电信号的产生、传输处理和变换2. 电路的组成电路的组成电源电源负负 载载中间中间 环节环节信号源信号源负负 载载处理处理 电路电路电子电路43. 电路模型电路模型 理想元件是指只有一种电磁性质的假想元件。 基本的理想元件有如下五种： 电阻元件是具有消耗电能性质的假想元件，其性质用参数R表示；5 电感元件是具有将电能转换成磁场能并储存起来性质的假想元件，其性质用参数L表示； 电容元件是具有将电能转换成电场能并储存起来性质的假想元件，其性质用参数C表示； 理想电压源的输出电压恒定不变，也称为恒压源，

3、其恒压性用E或US表示； 理想电流源的输出电流恒定不变，也称为恒压源，其恒流性用IS表示； 将实际元件用理想元件或其组合等效替代，所得 到的电路称为实际电路的电路模型，简称。6汽车照明电路的电路模型汽车照明电路的电路模型71. 1. 电流电流 电流是电荷在电场力的作用下作定向运动形成的, , 其大小和方向都与电荷有关。 大小：单位时间内通过导体横截面的电荷量。1.1.2 电路的基本物理量电路的基本物理量直流直流交流交流单位：A、KA、mA、A 实际方向：正电荷的运动方向。 2. 电压电压 大小：大小：在电路中，任意两点a、b的电压Uab等于电场力将单位 正电荷从a点移到b点所做的功。单位单位：

4、V、KV、mV 实际方向实际方向：高电位低电位即电位降落的方向。 电荷运动回路电荷运动回路直流直流交流交流93. 3. 电动势电动势大小：电源的电动势Eba等于 电源力将单位正电荷从负极b经电源内部移到正极a所做的功。单位：V、KV、mV实际方向：低电位 高电位即电位升高的方向。 电流的实际方向可用箭头、双下标；电压、电动势 用正负极性、箭头、双下标。 电荷运动回路电荷运动回路IQ WEbaab参考方向：在分析、计算电路时，人为假定的方向。a+RU_bI+ E_电流：电流：电压、电动势：电压、电动势：+U Iab双下标双下标箭箭 标标 abRI+ E双下标双下标UabEba正负极性正负极性 a

5、b_11参考方向的表示方法：（2）实际方向与参考方向的关系 实际方向与参考方向一致，电量值为正值； 实际方向与参考方向相反，电量值为负值。若 I = 5A，则电流从 a 流向 b； 若 I = 5A，则电流从 b 流向 a 。 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 。例：例：abRIabRU+12（2）实际方向与参考方向的关系若 E = 5V，则电动势的实际方 向从 b指向 a ；若 E= 5V，则电动势的实际方 向从 a指向 b 。+E ab注意： 在参考方向选定后，电流 、电压 、电动势的值才有正负之分。 在电路分析中，如果

6、没有特别指明，所标的电量方向均指参考方向。13说明：说明： 不同的导体其电阻率不同，用途也不同。 导体电阻还与温度有关，通常用电阻温度系数 表示。部分导体电阻率和温度系数如下页表所示。4. 导体的电阻 电阻是反映导体对电流阻碍作用大小的物理量。 单位单位：、K、M电阻定律电阻定律l导体长度（m）； S导体截面积(m2); 导体电阻率（m）14部分导体的电阻率部分导体的电阻率和电阻温度系数和电阻温度系数材料材料 名称名称电阻率电阻率/m电阻温度系数电阻温度系数/1/用途用途 银银 铜铜 铝铝0.016510-60.017510-60.028310-60.00380.00400.0042导线导线

7、线圈线圈 引线引线触点触点 锰铜锰铜0.4210-60.000005电阻电阻器电器电热丝热丝康铜康铜 镍铬镍铬 铁铬铝铁铬铝0.40.51 10-61.110-61.410-60.0000050.000130.00005碳碳 10.010-6 -0.0005151.1.3 欧姆定律1. 部分电路欧姆定律部分电路欧姆定律U、I 参考方向相反时，参考方向相反时，通常取 U、I 参考方向相同，称为关联参考方向。R+UIR+UIU、I 参考方向参考方向相同相同时时，a)解：解：对图(a)有, I = U /R对图(b)有, I= U/R例：例：应用欧姆定律对下图电路列出式子，并求电阻R R。2Ab)所

8、以 :R U 6 3I2 3 26所以 : R U IR+U6V2AR+U6VII172. 全电路欧姆定律E、I 参考方向相同时，IE、I 参考方向相反时，I通常取 E、I 参考方向相同。RLR0EURLR0EU18解：例：已知 E=3V，R0=0.4, RL=9.6 , 求电流I、内阻压降IR0及电源端电压U。 0.3 3 9.6 0.4 E RL R0I IR0 0.3 0.4 0.12VU IRL 0.3 9.6 2.88VI 0.39.6 0.4 3RL R0 EIR0 0.3 0.4 0.12VU IRL 0.3 9.6 2.88VRLR0EURLIIR0EU1.1.4 功率及其计算

9、功率及其计算1. 实际方向下功率的计算实际方向下功率的计算 电功：t 时间内，电场力（或电源力）做的功，用WR(或WE)表示。 根据电压定义 根据电动势定义 单位时间内电场力（或电源力）所做的功称为电功率，用PR（或PE）表示。 电阻的功率 电源的功率电功单位：焦（J），千瓦时（kW h) 1kW h=3.6106J功率单位：瓦（W）、千瓦（KW）、毫瓦(mW)2. 参考方向下功率的计算参考方向下功率的计算U、I 参考方向相同时， U、I 参考方向相反时正负值的意义： P0 元件吸收功率，是负载 P0 元件发出功率，是电源+U+UIAIB21解：解：对图(a)有, P=UI=-10W，A发出功

10、率，是电源。 对图(b)有, P= UI=20W，B吸收功率，是负载。例：例：计算图中各元件的功率，并指出各元件的性质。+U10a)b)-10V2A+UI-1AAVIB223. 电流的热效应电流的热效应 电流的热效应电流的热效应：电流通过金属导体会发热的现象。 焦耳定律焦耳定律：电流通过金属导体产生的热量Q与电流的平方I2、导体电阻R 以及通电时间t 成正比。 焦（J） 电流热效应应用广泛电流热效应应用广泛。汽车上的照明灯、熔断器、双金属片式断路器 、电热式机油压力表和水温表 的指针偏转等。 电流热效应的存在容易使导线发热，老化绝缘外皮，严重时引起漏电或短路事故。231.1.5 电路的三种状态

11、电路的三种状态1. 通路通路 通路：电流通过电源和负载形成回路的状态。 通路状态下，电源被接上负载，此时电源的工作 状态称为有载状态。U EI2. 开路（断路）开路（断路）RLS开路：电路中的某处被断开时的状态。 特征：电路中没有电流流动。 电源的负载被断开，此时的电源状态称空载状态。R0开路可以分为控制性开路和故障性开路。 控制性开路是利用开关将处于通路状态的电路断开。 故障性开路是一种突发性、意想不到的断路状态。 例如，在汽车电路中，电源与负载之间的连接线松脱，负载与导体的金属部分接触不良，都会引 起断路故障。所以在接线时要牢固可靠，尽量避免断路故障发生。 在汽车电路发生断路故障时，通常用

12、试灯或万用表（直流电压挡）去寻找电路的断路点。 25 方法：将试灯一端（或电压表负表笔）接在电源负极，另一端依次触及电路接线点a、b、c、d。如果灯亮说明此接线点至电源正极间无断路，如果灯不亮说明此接线点与前一接线点间有断路。用这种办法逐步缩小查找范围，直至找到断路点。 26U=0 电源短路时，流过大电流，烧损电源及导线，为 避免该情况的发生，在电源附近要安装短路保护器。3. 短路短路短路：短路：电路的任意两端被导体接通时的状态。 特征：特征：被接通的两端电压为零。IR0RLEab 短路可能发生在电源上,也会发生在负载上，前者 称为电源短路，后者称为负载短路。图中的短路为 电源短路。 短路除了

13、有害的一面以外，还有有利的一面。在汽车上利用短路法能快速的找到故障点。 若按下起动按钮，起动机不转。经查电源、熔 断器FU及搭铁线均无故障。于是就可采用短接法 查找故障所在位置。28汽车起动系统原理图汽车起动系统原理图1.1.6 基尔霍夫定律基尔霍夫定律b支路支路：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。结点结点：三条或三条以上支路的联接点。回路回路：由支路组成的闭合路径。 网孔网孔：内部不含支路的回路。aE2R2R3R1E1I2I3I11.基尔霍夫电流定律(KCL定律)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。(1)定律定律在任一瞬间，流向任一结

14、点的电流之和等于流出该结点的电流之和。即: 入= 出结点a:I1+I2 = I3I1I2I3 b aE2R2R3R1E1结点b:I3 = I1+I2 实质: 电流连续性的体现。（2）推广）推广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 =?I = 0IA + IB + IC = 0ACIAIB2+_12V+_I51156VIBC31解：解： 根据基尔霍夫电流定律得 I1 I3 I2 I4 I4 I1 I3 I2 2 ( 2) ( 3) 3A例：例：已知 I1=2A，I2=-3A，I3= -2A，求 I4bE2R3E12.基尔霍夫电压定律(KVL定律) 基尔霍夫电压定律（KVL

15、） 反映了电路中任一 回路中各段电压间相互制约的关系。 （1）定律）定律 对任一回路，沿假定的绕行方向走一周，回路 中各段电压的代数和恒等于零。 即： U = 0对回路1：I1 R1 +I3 R3 E1 = 0对回路2：I2 R2+I3 R3 E2 = 0I1I2I3aR2R133列方程前标注回路绕行方向；应用 U = 0列方程时，项前符号的确定： 如果规定电压方向与绕行方向相同时取正号，如果规定电压方向与绕行方向相同时取正号，则相反时就取负号。则相反时就取负号。 U = 0I2R2 E2 + UBE = 0 开口电路可按回路处理 E1（2）注意：UBE_EB+R1+E2R2I2绕行UAB=5

16、V，UBC=-4V，UDA=-3V，求UCD ，UCA解：解：对回路ABCDA有UAB UBC UCD UDA例：例：已知一闭合电路，其组成元件为任意的，若 0 UBC UAB UDA (4) 5 (3) 2VUCD 0UAB UBC UCA UAB UBC (5) (4) 1VUCA对开口电路对开口电路ABCA有有1.1.7电位的概念及计算1. 电位的概念 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。 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。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

17、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。2. 举例 求图示电路中 各点的电位及电 压。解：设 a a为参考点， 即V Va a=0V=0VVb=Uba= 106= 60VVc=Uca = 420 = 80 VVd =Uda=65 = 30 VUab = 106 = 60 VUcb = E1 = 140 VUdb = E2 = 90 V设 b为参考点，即Vb=0VVa = Uab=106 = 60 V Vc = Ucb = E1 = 140 V Vd = Udb =E2 = 90 VUab = 106 = 60 V Ucb = E1 = 140 V Udb = E2

18、= 90 Vc204A610AE290VE1140V56Adba37结论：(1)电位值是相对的，参考点选取的不同，电路中 各点的电位也将随之改变；(2) 电路中两点间的电压值是固定的，不会因参考 点的不同而变， 即与零电位参考点的选取无关。 借助电位的概念可以简化电路作图C 100kBD R19V50k6VAR2R2R1-9V 100k50kCAB6V38思考题思考题1. 什么是等电位点？两个等电位点用导线连通后， 导线中是否有电流？答:电位相等的点为等电位点。 两个等电位点用导线连通后，导线中无电流 流过。2. 在直流电路中如何用万用表测量直流电位？答:将万用表转换开关转到直流电压档，然后把

19、黑 表笔触及电位参考点、红表笔接触各测量点， 此时万用表的电压读数即为各点的电位。1.2 电路的基本分析方法电路的基本分析方法1.2.1 电阻串并联的特点电阻串并联的特点特点特点:（1）各电阻中通过同一电流；（3）等效电阻等于各电阻之和；(4) 串联电阻上电压的分配与电阻成正比。1. 电阻的串联电阻的串联串联串联:各电阻一个接一个地顺序相接,且电流相同。（2）总电压等于分电压之和；R =R1+R2应用应用：两电阻串联时的分压公式：两电阻串联时的分压公式：例例:图为一分压器,已知输入Ui=1V,电位器电阻RP=4.7k，固定电阻R=0.3k，求输出Uo变化范围。解解：当RP滑动触点在最下端时，有

20、当RP滑动触点在最上端时，有故 输出电压的变化范围：0.061V特点特点: :并联并联: :各电阻接在两个公共结点之间，具有相同的电压。2.电阻的并联电阻的并联+ I1I2R1UR2I(1) 各电阻两端的电压相同；(2) 总电流等于各分电流之和；(3) 等效电阻的倒数等于 各电阻倒数之和；(4)(4)并联电阻上电流的分配 与 电阻成反比。+ I1I2R1UR2IRU两电阻并联的等效电阻：43应用：两电阻并联时的分流公式：例：将一个500的电阻，分别与500、600、20电阻并联，问并联后的等效电阻分别是多少？44解：两个并联电阻的等效电阻例：已知电源电压US=12V，电阻R1=2，R2=12R

21、3=R4=3。求R4上的分流I4。解：电路的等效电阻为电路的等效电阻为451.2.2 电源的两种模型及等效变换电源的两种模型及等效变换发电机、蓄电池等都是实际电源，在电路分析中，常用电路模型表示。实际电源的电路模型有两种：电压源模型和电流源模型。两种电路模型的特点不同，但在一定条件下可以相互转换。由上图电路可得由上图电路可得: :RL-R0+EU+I电压源模型电压源模型电压源外特性电压源外特性U = E IR0U0=EIUO1.电压源电压源(模型模型)电压源是由电动势E和内阻R0串联组成。若 R0 = 0，则 U E，称为理想电压源( (恒压源）。由U = E IR0可知: 电流由外电路决定。

22、例1：设 E = 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IE+_U+_RLIUEO外特性曲线外特性曲线47理想电压源（恒压源）理想电压源（恒压源）若 R0 RL ，U E ，可近似认为是理想电压源。0SR UI I电流源是由电流IS 和内阻R0 并联组成的电源的模型。电流源模型电流源模型若 R0 = 则 I IS太阳能电池、放大状态晶体管。URLR0R0UIS+IU0=ISR0电流源电流源外特性外特性IUISO2.电流源电流源(模型模型)由上图电路可得: : 恒

23、流源两端的电压恒流源两端的电压 U U 由外电路决定。由外电路决定。RL外特性曲线外特性曲线IUOIISU+_IS理想电流源（恒流源）例1：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由图由图a：b电流源电流源I0E+a电压源电压源RLUII+R0U等效变换条件等效变换条件:3. 电压源与电流源的等效变换电压源与电流源的等效变换50由图由图b： 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。 例：当当RL= 时，电压源的内阻 R0 中不损耗功率，

24、而电流源的内阻 R0中则损耗功率。 理想电压源与理想电流源之间无等效关系。51 等效变换时，两电源的参考方向要一一对应。注意事项：注意事项： 任何一个电动势 E 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。解:ab2.5A2Ua)+例1: 求下列各电路的等效电源+5Va bU2a)+5AbU3b)+a+15VabU3b)+52例2：试用电压源与电流源等效变换的方法计算图示电路中1电阻中的电流。解：解：统一电源形式统一电源形式I1421A24A53+ 6V -+-4VI2A3 4 6 122A362A1I41A2解：2I411A24AI411A42A1I421A

25、28V+-I213A541.3 电容器电容器1.3.1 电容器的构成及电容量电容器的构成及电容量 电容器是用来存储电荷的一种容器。将两个金属导体用绝缘物质隔开，再引出导线，就构成一只电容器。 两个金属导体叫极板,绝缘物质叫介质。空气蜡纸、云母、陶瓷等。 。电容：单位：法（F）1F=1C/1V1 F（微法）=10-6F1pF(皮法)=10-12F。56或 电容器的电容与极板的尺寸及其间介质的介电常数等关。S 极板面积（m2）d 板间距离（m） 介电常数（F/m）1.3.2 电容器的充放电特性电容器的充放电特性1.充电过程充电过程tUuC、i的变化规律的变化规律充电时间常数：充电速度的快慢取决于R、C的大小（S）+RAB+U-S合上前RC串联电路串联电路 2.放电过程放电过程放电时间常数：（s）放电的快慢取决于放电回路中参数R、C的大小放电时间常数放电时间常数 放放是衡量放电快慢的物是衡量放电快慢的物理量理量+RAB+U-充电结束充电结束tOuC、i的变化规律的变化规律综合上