大學(xué)物理電學(xué)演示文檔

.,大學(xué)物理電路部分參考教材:計(jì)算機(jī)電路與電子技術(shù)基礎(chǔ)賀建明主編 機(jī)械工業(yè)出版社電路與電子技術(shù)張虹主編 中國(guó)航空航天大學(xué)出版社,.,第1章 電路的基本概念與基本定律,1.1 電路的作用與組成部分,1.2 電路模型,1.3 電壓和電流的參考方向,1.4 歐姆定律,1.5 電源有載工作、開路與短路,1.6 基爾霍夫定律,1.7 電路中電位的概念及計(jì)算,.,本章要求:1.理解電壓與電流參考方向的意義；2. 理解電路的基本定律并能正確應(yīng)用；3. 了解電路的有載工作、開路與短路狀態(tài)，理解 電功率和額定值的意義；4. 會(huì)計(jì)算電路中各點(diǎn)的電位。,第1章 電路的基本概念與基本定律,.,1.1 電路的作用與組成部分,(1) 實(shí)現(xiàn)電能的傳輸、分配與轉(zhuǎn)換,(2)實(shí)現(xiàn)信號(hào)的傳遞與處理,1. 電路的作用,電路是電流的通路，是為了某種需要由電工設(shè)備或電路元件按一定方式組合而成。,.,2. 電路的組成部分,電源: 提供電能的裝置,負(fù)載: 取用電能的裝置,中間環(huán)節(jié)：傳遞、分配和控制電能的作用,.,直流電源: 提供能源,負(fù)載,信號(hào)源: 提供信息,2.電路的組成部分,電源或信號(hào)源的電壓或電流稱為激勵(lì)，它推動(dòng)電路工作；由激勵(lì)所產(chǎn)生的電壓和電流稱為響應(yīng)。,信號(hào)處理：放大、調(diào)諧、檢波等,.,1. 2 電路模型,手電筒的電路模型,為了便于用數(shù)學(xué)方法分析電路, 一般要將實(shí)際電路模型化，用足以反映其電磁性質(zhì)的理想電路元件或其組合來(lái)模擬實(shí)際電路中的器件，從而構(gòu)成與實(shí)際電路相對(duì)應(yīng)的電路模型。,例：手電筒,手電筒由電池、燈泡、開關(guān)和筒體組成。,理想電路元件主要有電阻元件、電感元件、電容元件和電源元件等。,.,手電筒的電路模型,電池是電源元件，其參數(shù)為電動(dòng)勢(shì) E 和內(nèi)阻Ro；,燈泡主要具有消耗電能的性質(zhì)，是電阻元件，其參數(shù)為電阻R；,筒體用來(lái)連接電池和燈泡，其電阻忽略不計(jì)，認(rèn)為是無(wú)電阻的理想導(dǎo)體。,開關(guān)用來(lái)控制電路的通斷。,今后分析的都是指電路模型，簡(jiǎn)稱電路。在電路圖中，各種電路元件都用規(guī)定的圖形符號(hào)表示。,.,1.3 電壓和電流的參考方向,物理中對(duì)基本物理量規(guī)定的方向,1. 電路基本物理量的實(shí)際方向,.,.,(2) 參考方向的表示方法,電流：,電壓：,(1) 參考方向,在分析與計(jì)算電路時(shí)，對(duì)電量任意假定的方向。,2. 電路基本物理量的參考方向,注意： 在參考方向選定后,電流(或電壓)值才有正負(fù)之分。,.,實(shí)際方向與參考方向一致，電流(或電壓)值為正值；實(shí)際方向與參考方向相反，電流(或電壓)值為負(fù)值。,(3) 實(shí)際方向與參考方向的關(guān)系,I = 0.28A,I = 0.28A,電動(dòng)勢(shì)為E =3V方向由負(fù)極指向正極；,例: 電路如圖所示。,電流I的參考方向與實(shí)際方向相同，I=0.28A,由流向,反之亦然。,電壓U´的參考方向與實(shí)際方向相反, U´= 2.8V;,即: U = U´,電壓U的參考方向與實(shí)際方向相同, U = 2.8V, 方向由指向；,2.8V, 2.8V,.,1.4 歐姆定律,U、I 參考方向相同時(shí),U、I 參考方向相反時(shí),表達(dá)式中有兩套正負(fù)號(hào)：(1) 式前的正負(fù)號(hào)由U、I 參考方向的關(guān)系確定；,(2) U、I 值本身的正負(fù)則說(shuō)明實(shí)際方向與參考方向 之間的關(guān)系。,通常取 U、I 參考方向相同。,U = I R,U = IR,.,解: 對(duì)圖(a)有, U = IR,例: 應(yīng)用歐姆定律對(duì)下圖電路列出式子，并求電阻R。,對(duì)圖(b)有, U = IR,電流的參考方向與實(shí)際方向相反,電壓與電流參考方向相反,.,電路端電壓與電流的關(guān)系稱為伏安特性。,遵循歐姆定律的電阻稱為線性電阻，它表示該段電路電壓與電流的比值為常數(shù)。,線性電阻的概念：,線性電阻的伏安特性是一條過(guò)原點(diǎn)的直線。,.,1.5 電源有載工作、開路與短路,開關(guān)閉合, 接通電源與負(fù)載,負(fù)載端電壓,U = IR,1. 電壓電流關(guān)系,1.5.1 電源有載工作,(1) 電流的大小由負(fù)載決定。,(2) 在電源有內(nèi)阻時(shí)，I U 。,或 U = E IR0,當(dāng) R0<<R 時(shí)，則U E ，表明當(dāng)負(fù)載變化時(shí)，電源的端電壓變化不大，即帶負(fù)載能力強(qiáng)。,.,開關(guān)閉合,接通電源與負(fù)載。,負(fù)載端電壓,U = IR,1.5.1 電源有載工作,或 U = E IRo,UI = EI I2Ro,P = PE P,負(fù)載取用功率,電源產(chǎn)生功率,內(nèi)阻消耗功率,(3) 電源輸出的功率由負(fù)載決定。,負(fù)載大小的概念: 負(fù)載增加指負(fù)載取用的電流和功率增加(電壓一定)。,1. 電壓電流關(guān)系,2. 功率與功率平衡,.,3. 電源與負(fù)載的判別,U、I 參考方向不同，P = UI 0，電源； P = UI 0，負(fù)載。,U、I 參考方向相同，P = UI 0，負(fù)載； P = UI 0，電源。,(1) 根據(jù) U、I 的實(shí)際方向判別,(2) 根據(jù) U、I 的參考方向判別,電源： U、I 實(shí)際方向相反，即電流從“+”端流出， （發(fā)出功率）,負(fù)載： U、I 實(shí)際方向相同，即電流從“-”端流出。 （吸收功率）,.,例: 已知:電路中U=220V，I=5A，內(nèi)阻R01= R02= 0.6。,求: (1) 電源的電動(dòng)勢(shì)E1和負(fù)載的反電動(dòng)勢(shì)E2 ； (2) 說(shuō)明功率的平衡關(guān)系。,解：(1) 對(duì)于電源 U= E1-U1= E1-IR01 即 E1= U +IR01 = 220+50.6=223V U= E2+U2= E2+IR02 即 E2= U -IR01 = 220-50.6 = 217V,(2)由上面可得，E1=E2 +IR01+IR02 等號(hào)兩邊同時(shí)乘以 I，則得 E1 I =E2 I +I2R01+I2R02代入數(shù)據(jù)有 223 5=217 5+52 0.6+ 5+52 0.6 1115W=1085W+15W+15W。,.,電氣設(shè)備的額定值,額定值: 電氣設(shè)備在正常運(yùn)行時(shí)的規(guī)定使用值,例：一只220V, 60W的白熾燈, 接在220V的電源上，試求通過(guò)電燈的電流和電燈在220V電壓下工作時(shí)的電阻。如果每晚工作3h(小時(shí))，問(wèn)一個(gè)月消耗多少電能?,注意：電氣設(shè)備工作時(shí)的實(shí)際值不一定都等于其額定值，要能夠加以區(qū)別。,解: 通過(guò)電燈的電流為,.,電氣設(shè)備的三種運(yùn)行狀態(tài),欠載(輕載)： I < IN ，P < PN (不經(jīng)濟(jì)),過(guò)載(超載)： I > IN ，P > PN (設(shè)備易損壞),額定工作狀態(tài)： I = IN ，P = PN (經(jīng)濟(jì)合理安全可靠),在220V電壓下工作時(shí)的電阻,一個(gè)月用電,W = Pt = 60W(3 30) h = 0.06kW 90h = 5.4kW. h,.,特征:,開關(guān) 斷開,1.5.2 電源開路,1. 開路處的電流等于零； I = 02. 開路處的電壓 U 視電路情況而定。,電路中某處斷開時(shí)的特征:,.,電源外部端子被短接,1.5.3 電源短路,1.短路處的電壓等于零； U = 02.短路處的電流 I 視電路情況而定。,電路中某處短路時(shí)的特征:,.,1. 6 基爾霍夫定律,支路：電路中的每一個(gè)分支。 一條支路流過(guò)一個(gè)電流，稱為支路電流。,結(jié)點(diǎn)：三條或三條以上支路的聯(lián)接點(diǎn)。,回路：由支路組成的閉合路徑。,網(wǎng)孔：內(nèi)部不含支路的回路。,.,例1：,支路：ab、bc、ca、 （共6條）,回路：abda、abca、 adbca （共7 個(gè)）,結(jié)點(diǎn)：a、 b、c、d (共4個(gè)）,網(wǎng)孔：abd、 abc、bcd （共3 個(gè)）,.,1.6.1 基爾霍夫電流定律(KCL定律),1定律,即: 入= 出,在任一瞬間，流向任一結(jié)點(diǎn)的電流等于流出該結(jié)點(diǎn)的電流。,實(shí)質(zhì): 電流連續(xù)性的體現(xiàn)。,或: = 0,對(duì)結(jié)點(diǎn) a：,I1+I2 = I3,或 I1+I2I3= 0,基爾霍夫電流定律（KCL）反映了電路中任一結(jié)點(diǎn)處各支路電流間相互制約的關(guān)系。,.,電流定律可以推廣應(yīng)用于包圍部分電路的任一假設(shè)的閉合面。,2推廣,I =?,例:,I = 0,IA + IB + IC = 0,廣義結(jié)點(diǎn),.,在任一瞬間，沿任一回路循行方向，回路中各段電壓的代數(shù)和恒等于零。,1.6.2 基爾霍夫電壓定律（KVL定律),1定律,即： U = 0,在任一瞬間，從回路中任一點(diǎn)出發(fā)，沿回路循行一周，則在這個(gè)方向上電位升之和等于電位降之和。,對(duì)回路1：,對(duì)回路2：,E1 = I1 R1 +I3 R3,I2 R2+I3 R3=E2,或 I1 R1 +I3 R3 E1 = 0,或 I2 R2+I3 R3 E2 = 0,基爾霍夫電壓定律（KVL） 反映了電路中任一回路中各段電壓間相互制約的關(guān)系。,.,1列方程前標(biāo)注回路循行方向；,電位升 = 電位降 E2 =UBE + I2R2, U = 0 I2R2 E2 + UBE = 0,2應(yīng)用 U = 0列方程時(shí)，項(xiàng)前符號(hào)的確定： 如果規(guī)定電位降取正號(hào)，則電位升就取負(fù)號(hào)。,3. 開口電壓可按回路處理,注意：,對(duì)回路1：,.,例：,對(duì)網(wǎng)孔abda：,對(duì)網(wǎng)孔acba：,對(duì)網(wǎng)孔bcdb：,R6,I6 R6 I3 R3 +I1 R1 = 0,I2 R2 I4 R4 I6 R6 = 0,I4 R4 + I3 R3 E = 0,對(duì)回路 adbca，沿逆時(shí)針?lè)较蜓校? I1 R1 + I3 R3 + I4 R4 I2 R2 = 0,應(yīng)用 U = 0列方程,對(duì)回路 cadc，沿逆時(shí)針?lè)较蜓校? I2 R2 I1 R1 + E = 0,.,綜上所述，基爾霍夫定律揭示了互聯(lián)電路中電壓、電流滿足的規(guī)律。利用基爾霍夫定律，以各支路電流為未知量，分別應(yīng)用KCL、 KVL列方程，解方程求出各支路電流，繼而求出電路中其它物理量，這種分析電路的方法叫做支路電流法。應(yīng)用支路電流法時(shí)應(yīng)注意：對(duì)于具有 b 條支路 、n個(gè)結(jié)點(diǎn)的電路，只能列出（n-1）個(gè)獨(dú)立的KCL方程和b -( n-1)個(gè)獨(dú)立的KVL方程。其中b -( n-1)實(shí)際上就是電路的網(wǎng)孔數(shù)。,.,例1.10 電路如圖1.30所示，已知電阻R1 = 3，R2 = 2，R3 = 6，電壓源Us1 =15 V，Us2 = 3 V，Us3 = 6 V，求各支路電流及各元件上的功率。 解: 選定各支路電流I1、I2、I3的參考方向及回路繞行方向如圖所示。據(jù)KCL可得 結(jié)點(diǎn)a I1 - I2 + I3 = 0 （1） 據(jù)KVL可得左網(wǎng)孔 R1I1 + R2 I2 + Us2 - Us1 = 0 （2）右網(wǎng)孔 -R3 I3 + Us3 - Us2 - R2 I2 = 0 （3）,.,將方程（1）（2）（3）聯(lián)立，解得I1 = 2.5 A， I2 = 2.25 A， I3 = - 0.25 A各元件功率 PUs1 = -Us1I1 = -15×2.5 = -37.5 W （發(fā)出功率37.5 W） PUs2 = Us2I2 = 3×2.25 = 6.75 W （吸收功率6.75 W）PUs3 = - Us3I3 = - 6×（- 0.25 ）= 1.5 W （吸收功率1.5 W） PR1 = I12R1 = 2.52×3 = 18.75 W （吸收功率18.75 W）PR2 = I22R2 = 2.252×2 =10.125 W （吸收功率10.125 W） PR3 = I32R3 = (-0.25)2×6 =0.375 W （吸收功率0.375 W） 由計(jì)算結(jié)果可以看出，電路發(fā)出的功率與消耗的功率相等，即滿足功率平衡。,.,1.7 電路中電位的概念及計(jì)算,電位：電路中某點(diǎn)至參考點(diǎn)的電壓，記為“VX” 。 通常設(shè)參考點(diǎn)的電位為零。,1. 電位的概念,電位的計(jì)算步驟: (1) 任選電路中某一點(diǎn)為參考點(diǎn)，設(shè)其電位為零； (2) 標(biāo)出各電流參考方向并計(jì)算； (3) 計(jì)算各點(diǎn)至參考點(diǎn)間的電壓即為各點(diǎn)的電位。,某點(diǎn)電位為正，說(shuō)明該點(diǎn)電位比參考點(diǎn)高；某點(diǎn)電位為負(fù)，說(shuō)明該點(diǎn)電位比參考點(diǎn)低。,.,2. 舉例,求圖示電路中各點(diǎn)的電位:Va、Vb、Vc、Vd 。,解：設(shè) a為參考點(diǎn)， 即Va=0V,Vb=Uba= 10×6= 60VVc=Uca = 4×20 = 80 VVd =Uda= 6×5 = 30 V,設(shè) b為參考點(diǎn)，即Vb=0V,Va = Uab=10×6 = 60 VVc = Ucb = E1 = 140 VVd = Udb =E2 = 90 V,b,a,Uab = 10×6 = 60 VUcb = E1 = 140 VUdb = E2 = 90 V,Uab = 10×6 = 60 VUcb = E1 = 140 VUdb = E2 = 90 V,.,結(jié)論：,(1)電位值是相對(duì)的，參考點(diǎn)選取的不同，電路中 各點(diǎn)的電位也將隨之改變；,(2) 電路中兩點(diǎn)間的電壓值是固定的，不會(huì)因參考 點(diǎn)的不同而變， 即與零電位參考點(diǎn)的選取無(wú)關(guān)。,借助電位的概念可以簡(jiǎn)化電路作圖,.,例1: 圖示電路，計(jì)算開關(guān)S 斷開和閉合時(shí)A點(diǎn) 的電位VA,解: (1)當(dāng)開關(guān)S斷開時(shí),(2) 當(dāng)開關(guān)閉合時(shí),電路 如圖（b）,電流 I2 = 0，電位 VA = 0V 。,電流 I1 = I2 = 0，電位 VA = 6V 。,電流在閉合路徑中流通,.,例2：,電路如下圖所示，(1) 零電位參考點(diǎn)在哪里？畫電路圖表示出來(lái)。(2) 當(dāng)電位器RP的滑動(dòng)觸點(diǎn)向下滑動(dòng)時(shí)，A、B兩點(diǎn)的電位增高了還是降低了？,解：（1）電路如左圖，零電位參考點(diǎn)為+12V電源的“”端與12V電源的“+”端的聯(lián)接處。,當(dāng)電位器RP的滑動(dòng)觸點(diǎn)向下滑動(dòng)時(shí)，回路中的電流 I 減小，所以A電位增高、B點(diǎn)電位降低。,（2） VA = IR1 +12 VB = IR2 12,