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文档简介
1、直流电路 第二篇 电工基础 第四章第四章 直流电路直流电路 第一节 简单直流电路 第二节 复杂直流电路*直流电路 第一节 简单直流电路 无分支电路或有分支但可以利用串并联公式简化成无分支的电路,运用欧姆定律即可求解,这种电路称为简单电路。 一、 电路的组成及作用 1. 电路的组成 图 41 电路组成示意图直流电路 电流所流过的路径称为电路。图41中干电池、灯泡、开关和连接导线就构成了一个简单的电路。 一般来说,电路由电源、负载及中间环节组成。 常用的电源有干电池、蓄电池和发电机等。此外,还有将某种形式的电能转换成另一种形式电能的装置,通常也称为电源,例如常见的直流稳压电源就是将交流电转换成直流
2、电并在一定范围内保持输出电压稳定的一种装置。直流电路 负载是一种将电能转换成非电能的用电设备,通常也称为用电器。如电熨斗、电灯和电动机分别将电能转换为热能、光能和机械能。 中间环节是联接电源和负载的部分,具有传输、分配和控制电能的作用,它除必不可少的导线外,还包括开关和熔断器等控制和保护电器。 用理想元件的图形符号表示实际电器设备的电路称为电路图。如图42所示,用理想电源与电阻表示实际电源,用电阻表示灯泡。直流电路 图 42 电路图 在全电路(含有电源和负载的闭合电路为全电路)中,负载和中间环节称为外电路,而电源内部电路称为内电路。 开关负载电源直流电路 2. 电路的作用 就其输送、转换和控制
3、能量的规模大小和使用目的的不同,电路的作用大致可以分为下述两个方面。 (1)进行能量的转换、传输和分配。 解决这方面的问题就是人们通常说的电力工程,它包括发电、输电、配电、电力拖动、电热、电气照明,以及交直流电之间的整流和逆变等等。 (2)实现信号的传递、存储和处理。 例如,扩音机的输入是由声音转换而来的电信号,通过晶体管组成的放大电路,输出的便是放大了的电信号,从而实现了放大功能;电视机可将接收到的信号,经过处理,转换成图像和声音。 直流电路 二、 电流 电荷的定向移动形成电流。 衡量电流强弱的物理量是电流强度,简称电流,用I表示。 电流的国际制单位是安培,简称安(A)。若 1 秒内通过导体
4、横截面的电荷量为1库仑,则电流为 1 安(A)。常用的电流单位还有毫安(mA)、微安(A)等。 1A = 103mA = 106A 电流不但有大小,还有方向。规定电流的实际方向为正电荷移动的方向。电流方向在外电路中从高电位通过负载流向低电位,在电源内部则是从低电位流向高电位。 直流电路 电流的方向用一个箭头表示。任意假设的电流方向称为电流的参考方向。如图43所示,如果求出的电流值为正,说明参考方向与实际方向一致,否则说明参考方向与实际方向相反。 图 43 电流的方向直流电路 三、 电动势 外力克服电场力把单位正电荷从电源的负极搬运到正极所做的功,称为电源的电动势。它是反映将其它形式能转换成电能
5、本领的物理量。 如图 44 所示,外力克服电场力把单位正电荷由低电位B端移到高电位A端,所做的功称为电动势,用E表示。 QWE 直流电路 图 44 电动势 电动势的单位是伏特,简称伏(V)。如果外力把1库仑的电量从点B移到点A, 所做的功是1焦耳,则电动势就等于1伏。 电动势的方向规定为从低电位指向高电位,即由电源负极指向正极。 直流电路 四、 电压和电位 1. 电压 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。 电压的国际制单位是伏特,简称伏(V)。若电场力将1库仑的电荷从一点移到另一点所做的功为1焦耳,则两点间的电压值为1伏。常用的电压单位还有千伏(kV)、毫伏(
6、mV)和微伏(V)。QWUabab直流电路 1 kV =1000 V 1V = 103mV = 106V 电压反映电场力做功的能力,电动势则反映电源力做功的能力。规定电压的实际方向为由高电位端指向低电位端。在电路中用箭头或“”、“”号或双下标表示。 电压的参考方向,也可任意选定。但在外电路中常选电压电流的参考方向相同,称为关联参考方向,在电路图中只需标明一个参考方向(电压或电流)。如图45所示,电路计算结果若为正,实际方向与参考方向相同;计算结果若为负,则实际方向与参考方向相反。 直流电路 图 45 电压的方向 2. 电位 电位又称为电势。在电场或电路中任选一点为零参考点,则电路中某点电位定义
7、为该点到零参考点之间的电压。很显然,参考点电位为零电位。通常选择大地或某公共点作为零电位点。电位用字母U加单下标表示,如Ub表示 b 点的电位。 直流电路 由电位定义可以看出,电压与电位这两个物理量有以下区别与联系。 (1)电压即电位差,例如Uab=UaUb。 (2)电压方向即高电位点()指向低电位点()方向。 (3)电位与参考点选择有关,而电压与参考点选择无关。 值得注意的是在一个电路或一个电系统中,只能选择一个参考电位点,否则会引起错误的结论。直流电路 五、 电阻器 电流通过导体时,不断和原子或分子碰撞而受到阻碍作用。电阻就是表示某导体对电流阻碍作用大小的物理量。 任何导电物体都存在电阻。
8、一定温度下,金属导体的电阻与其长度成正比,与其横截面积成反比。即 R = 式中 沿电流流过的导体长度,m ; S与电流方向垂直的导体截面积, m2 ; 导体的电阻率,m 。 Sll直流电路 电阻单位是欧姆()。常用的电阻单位还有千欧(k)、兆欧(M)。 1k= 103,1M= 106 不同的材料有不同的电阻率。表4.1给出了常用电工材料在20时的电阻率。可以看出,银的电阻率最小,是最好的导电材料,铜次之,再次是铝。但银的价格高,只在特殊地方(例如触头)使用,最普遍使用的是铜。在需要大电阻的场合,则采用电阻率大的合金,如电炉丝就用镍铬合金制造。直流电路 表4.1 几种常用材料的电阻率与温度系数
9、材 料电阻率(10-6m)(20)电阻率的温度系数 (20)银0.01590.00380铜0.01750.00393铝0.02830.00410铁0.09780.0050钨0.05780.0051钢0.130.25康 铜0.480.000008锰 铜0.47黄 铜0.070.002镍铬合金1.090.00016铁铬铝合金1.260.00028直流电路 六、 欧姆定律 1. 一段均匀电路欧姆定律 一段不含电源的电阻电路,又叫一段均匀电路。若电阻元件的阻值不随外加电压或电流而变化,这类电阻称为线性电阻。当电流、电压参考方向一致时,如图46所示,实验证明:通过该段电路的电流I与加在电路两端的电压U成
10、正比,与该段电路的电阻R成反比。即 IRU RUI 或或 直流电路 图 46 一段均匀电路 称为一段均匀电路欧姆定律,简称欧姆定律。若U与I方向相反,则欧姆定律表示为IRU直流电路 在温度一定的条件下,把加在电阻两端的电压与通过电阻的电流之间的关系称为伏安特性。伏安特性过原点且为直线,如图 47所示。 若电阻元件的阻值随电压或电流而改变,称为非线性电阻。非线性电阻伏安特性曲线不是通过原点的直线,而是一条曲线。 图47 电阻的伏安特性直流电路 2. 全电路欧姆定律 图48所示是简单的闭合电路,RL为负载电阻,R0为电源内阻,若略去导线电阻不计,则此段电路用欧姆定律表示为: 上式的意义是:电路中流
11、过的电流,其大小与电动势成正比,而与电路的全部电阻成反比。电源的电动势和内电阻一般认为是不变的,所以,改变外电路电阻,就可以改变回路中的电流大小。0RREIL图48 全电路 直流电路 七、 电阻的联结 由于工作的需要,常将许多电路按不同的方式连接起来,组成一个电路网络。 1. 电阻的串联 几个电阻首尾相联,中间没有分支,这种联接方式,叫做电阻的串联,如图49所示。直流电路 图49 电阻的串联直流电路 电阻串联有以下几个特点: (1)各电阻上流过电流为同一电流; (2)外加电压等于各电阻上电压之和; (3)电源提供功率等于各个电阻上消耗的功率之和; (4)串联电阻的等效总电阻(总电阻)等于各串联
12、电阻之和。2121IRIRUUUIUIUUIP2121RRR直流电路 2. 电阻的并联 将几个电阻首与首相联,尾与尾相联,这种联接方式叫做电阻的并联。如图410所示。 图410 电阻的并联直流电路 电阻并联电路有以下特点: (1)各电阻两端的电压为同一电压; (2)总电流等于各支路电流之和; (3)电源供给的功率等于各电阻上消耗的功率之和; (4)总电阻(等效电阻)的倒数等于各并联电阻倒数之和。2121RURUIII21UIUIUIP21111RRR直流电路 八、 电功和电功率 电流通过导体时电场力做的功称为电功。单位时间内的电功称为电功率,用P表示。 电功率的单位是瓦特,简称瓦(W)。大功率
13、用千瓦(kW)或兆瓦(MW)作单位;小功率用毫瓦(mW)或微瓦(W)作单位。 1kW =103 W, 1mW=10-3 W, 1W=10-6 MW 当电压、电流方向一致时,P = U I,当电压、电流方向相反时,P =U I。若P 0,则该元件是耗能元件,若P 0,则该元件是供能元件。 电功的单位是焦(J),工程上常用千瓦小时(kWh)作单位,1 kWh也称为一度电。UIP 直流电路 九、 电容器 两个互相靠近而又彼此绝缘的导体就是一个电容器。如图412所示: 图 412 电容器示意图 直流电路 衡量电容器容纳电荷的“能力”称作电容器的电容量,简称电容,用符号C表示。 在国际单位制中,电容的单
14、位是法拉(F),一般用微法(F)或皮法(pF)。 1F=106 F=1012pF 根据电路对电容量和耐压的要求,可对电容器进行串联或并联联接。 UQC 直流电路 1. 电容器的并联 电容器的并联如图413所示。 图 413 电容器的并联 电容并联的特点: (1)各并联电容的电压相等; (2)等效电容为并联电容之和: 电容器并联时,其工作电压不得超过其中的最低额定电压。 21CCC直流电路 2. 电容器的串联电容器的串联如图414所示。 图 414 电容器的串联 直流电路 电容串联的特点:(1)串联电容总电压等于各电容电压之和: (2)等效电容倒数等于串联电容倒数之和:2121CqCquuu21
15、111CCC直流电路 十、 简单电路的计算 运用欧姆定律及电阻串、并联关系就能对电路进行化简和计算的直流电路,叫作简单直流电路。直流电路 第二节 复杂直流电路* 凡不能用串联和并联方法简化为无分支的电路,叫做复杂电路。复杂电路要同时用到基尔霍夫定律和欧姆定律才能求解。 一、 基尔霍夫定律 基尔霍夫定律用于解决复杂电路的电压、电流计算。 1. 电路中的几个名词 电路中通过同一电流的每个分支称为支路。 3条或3条以上支路的连接点称为节点。 电路中任一闭合的路径称为回路。 图416所示电路中有3条支路,2个节点,3个回路 直流电路 图416 复杂电路直流电路 2. 基尔霍夫电流定律(KCL) 基尔霍
16、夫电流定律:在任一瞬时,流入任一节点的电流之和必定等于从该节点流出的电流之和。 所有电流均为正。 也可以表述为在任一瞬时,通过任一节点电流的代数和恒等于零。 可假定流入节点的电流为正,流出节点的电流为负;也可以作相反的假定。 在图416中,对节点b有 出入II0I321III直流电路 3. 基尔霍夫电压定律(KVL) 基尔霍夫电压定律:在任一瞬时,沿任一回路电压的代数和恒等于零。 电压参考方向与回路绕行方向一致时取正号,相反时取负号。 在图416中, 沿abefa回路,有 0U0111222ERIRIE直流电路 二、 电压源和电流源及其变换 1. 电压源 具有不变的电动势和较低内阻的电源称为电
17、压源。内阻为零的电压源称为理想电压源。 图418(a)表示理想电压源与负载连接, 当开关S接通时, 即理想电压源端电压与电流无关,电流仅由负载电阻确定。 图418 (b) 是理想电压源的伏安特性,它是一根与I轴平行的直线。IRUE直流电路 图418(a)理想电压源 (b)理想电压源的伏安特性 实际电压源总是有内损耗的,因此实际电压源的模型可用US与一电阻Ri串联的组合模型来表示。如图419(a)所示。此时,电源端电压为 伏安特性是一条下降的的直线,如图419(b)所示。 IRIREUi直流电路 图419(a)实际电压源 (b)实际电压源的伏安特性 2. 电流源 内阻为无穷大的电流源称为理想电流
18、源,如图420(a)所示。它的伏安特性是一条与电压坐标平行的直线,如图420(b)所示。直流电路 图420(a)理想电流源 (b)理想电流源的伏安特性 实际电流源可以用理想电流源IS与一内阻Ri并联的模型来等效。如图421所示。 直流电路 图421 实际电流源 图422 实际电流源的伏安特性 此时, 故 实际电流源的伏安特性如图422所示。 IRRIUiiSiIIIiSRUIIiiSIRRIU直流电路 3. 电源模型的等效变换 刚刚我们已经知道实际电源既可以用电压源模型来等效,也可用电流源模型来等效,只要它们能够提供相同的外特性。所以电压源模型与电流源模型也可相互等效。如图423所示: 这里, 或 这里要注意,所谓等效,是对外电路而言的,对内,它们是不等效的。iSRIE iSREIiiRR 直流电路 图423 电压源模型与电流源模型相互等效图 直流电路 三、 戴维南定理 求解复杂电路中某一条支路的电流时,应用戴维南定理求解非常简便。其方法是将待求支路从电路中取出,其余电路称为有源二端网络。该
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