大學物理電學演示文檔
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.,大學物理電路部分參考教材:計算機電路與電子技術(shù)基礎(chǔ)賀建明主編 機械工業(yè)出版社電路與電子技術(shù)張虹主編 中國航空航天大學出版社,.,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. 會計算電路中各點的電位。,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) 實現(xiàn)電能的傳輸、分配與轉(zhuǎn)換,(2)實現(xiàn)信號的傳遞與處理,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,負載,信號源: 提供信息,2.電路的組成部分,電源或信號源的電壓或電流稱為激勵,它推動電路工作;由激勵所產(chǎn)生的電壓和電流稱為響應(yīng)。,信號處理: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)學方法分析電路, 一般要將實際電路模型化,用足以反映其電磁性質(zhì)的理想電路元件或其組合來模擬實際電路中的器件,從而構(gòu)成與實際電路相對應(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)為電動勢 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;,筒體用來連接電池和燈泡,其電阻忽略不計,認為是無電阻的理想導體。,開關(guān)用來控制電路的通斷。,今后分析的都是指電路模型,簡稱電路。在電路圖中,各種電路元件都用規(guī)定的圖形符號表示。,.,1.3 電壓和電流的參考方向,物理中對基本物理量規(guī)定的方向,1. 電路基本物理量的實際方向,.,.,(2) 參考方向的表示方法,電流:,電壓:,(1) 參考方向,在分析與計算電路時,對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)值才有正負之分。,.,實際方向與參考方向一致,電流(或電壓)值為正值;實際方向與參考方向相反,電流(或電壓)值為負值。,(3) 實際方向與參考方向的關(guān)系,I = 0.28A,I = 0.28A,電動勢為E =3V方向由負極指向正極;,例: 電路如圖所示。,電流I的參考方向與實際方向相同,I=0.28A,由流向,反之亦然。,電壓U的參考方向與實際方向相反, U= 2.8V;,即: U = U,電壓U的參考方向與實際方向相同, 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,U、I 參考方向相反時,表達式中有兩套正負號:(1) 式前的正負號由U、I 參考方向的關(guān)系確定;,(2) U、I 值本身的正負則說明實際方向與參考方向 之間的關(guān)系。,通常取 U、I 參考方向相同。,U = I R,U = IR,.,解: 對圖(a)有, U = IR,例: 應(yīng)用歐姆定律對下圖電路列出式子,并求電阻R。,對圖(b)有, U = IR,電流的參考方向與實際方向相反,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原點的直線。,.,1.5 電源有載工作、開路與短路,開關(guān)閉合, 接通電源與負載,負載端電壓,U = IR,1. 電壓電流關(guān)系,1.5.1 電源有載工作,(1) 電流的大小由負載決定。,(2) 在電源有內(nèi)阻時,I U 。,或 U = E IR0,當 R0R 時,則U E ,表明當負載變化時,電源的端電壓變化不大,即帶負載能力強。,.,開關(guān)閉合,接通電源與負載。,負載端電壓,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載決定。,負載大小的概念: 負載增加指負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. 電源與負載的判別,U、I 參考方向不同,P = UI 0,電源; P = UI 0,負載。,U、I 參考方向相同,P = UI 0,負載; P = UI 0,電源。,(1) 根據(jù) U、I 的實際方向判別,(2) 根據(jù) U、I 的參考方向判別,電源: U、I 實際方向相反,即電流從“+”端流出, (發(fā)出功率),負載: U、I 實際方向相同,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) 電源的電動勢E1和負載的反電動勢E2 ; (2) 說明功率的平衡關(guān)系。,解:(1) 對于電源 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 等號兩邊同時乘以 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)備在正常運行時的規(guī)定使用值,例:一只220V, 60W的白熾燈, 接在220V的電源上,試求通過電燈的電流和電燈在220V電壓下工作時的電阻。如果每晚工作3h(小時),問一個月消耗多少電能?,注意:電氣設(shè)備工作時的實際值不一定都等于其額定值,要能夠加以區(qū)別。,解: 通過電燈的電流為,.,電氣設(shè)備的三種運行狀態(tài),欠載(輕載): I IN ,P IN ,P PN (設(shè)備易損壞),額定工作狀態(tài): I = IN ,P = PN (經(jīng)濟合理安全可靠),在220V電壓下工作時的電阻,一個月用電,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。,電路中某處短路時的特征:,.,1. 6 基爾霍夫定律,支路:電路中的每一個分支。 一條支路流過一個電流,稱為支路電流。,結(jié)點:三條或三條以上支路的聯(lián)接點。,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),結(jié)點:a、 b、c、d (共4個),網(wǎng)孔:abd、 abc、bcd (共3 個),.,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)點的電流等于流出該結(jié)點的電流。,實質(zhì): 電流連續(xù)性的體現(xiàn)。,或: = 0,對結(jié)點 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,.,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,從回路中任一點出發(fā),沿回路循行一周,則在這個方向上電位升之和等于電位降之和。,對回路1:,對回路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,項前符號的確定: 如果規(guī)定電位降取正號,則電位升就取負號。,3. 開口電壓可按回路處理,注意:,對回路1:,.,例:,對網(wǎng)孔abda:,對網(wǎng)孔acba:,對網(wǎng)孔bcdb:,R6,I6 R6 I3 R3 +I1 R1 = 0,I2 R2 I4 R4 I6 R6 = 0,I4 R4 + I3 R3 E = 0,對回路 adbca,沿逆時針方向循行:, I1 R1 + I3 R3 + I4 R4 I2 R2 = 0,應(yīng)用 U = 0列方程,對回路 cadc,沿逆時針方向循行:, 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)用支路電流法時應(yīng)注意:對于具有 b 條支路 、n個結(jié)點的電路,只能列出(n-1)個獨立的KCL方程和b -( n-1)個獨立的KVL方程。其中b -( n-1)實際上就是電路的網(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 = -152.5 = -37.5 W (發(fā)出功率37.5 W) PUs2 = Us2I2 = 32.25 = 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 = 2.523 = 18.75 W (吸收功率18.75 W)PR2 = I22R2 = 2.2522 =10.125 W (吸收功率10.125 W) PR3 = I32R3 = (-0.25)26 =0.375 W (吸收功率0.375 W) 由計算結(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算,電位:電路中某點至參考點的電壓,記為“VX” 。 通常設(shè)參考點的電位為零。,1. 電位的概念,電位的計算步驟: (1) 任選電路中某一點為參考點,設(shè)其電位為零; (2) 標出各電流參考方向并計算; (3) 計算各點至參考點間的電壓即為各點的電位。,某點電位為正,說明該點電位比參考點高;某點電位為負,說明該點電位比參考點低。,.,2. 舉例,求圖示電路中各點的電位:Va、Vb、Vc、Vd 。,解:設(shè) a為參考點, 即Va=0V,Vb=Uba= 106= 60VVc=Uca = 420 = 80 VVd =Uda= 65 = 30 V,設(shè) b為參考點,即Vb=0V,Va = Uab=106 = 60 VVc = Ucb = E1 = 140 VVd = Udb =E2 = 90 V,b,a,Uab = 106 = 60 VUcb = E1 = 140 VUdb = E2 = 90 V,Uab = 106 = 60 VUcb = E1 = 140 VUdb = E2 = 90 V,.,結(jié)論:,(1)電位值是相對的,參考點選取的不同,電路中 各點的電位也將隨之改變;,(2) 電路中兩點間的電壓值是固定的,不會因參考 點的不同而變, 即與零電位參考點的選取無關(guān)。,借助電位的概念可以簡化電路作圖,.,例1: 圖示電路,計算開關(guān)S 斷開和閉合時A點 的電位VA,解: (1)當開關(guān)S斷開時,(2) 當開關(guān)閉合時,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) 零電位參考點在哪里?畫電路圖表示出來。(2) 當電位器RP的滑動觸點向下滑動時,A、B兩點的電位增高了還是降低了?,解:(1)電路如左圖,零電位參考點為+12V電源的“”端與12V電源的“+”端的聯(lián)接處。,當電位器RP的滑動觸點向下滑動時,回路中的電流 I 減小,所以A電位增高、B點電位降低。,(2) VA = IR1 +12 VB = IR2 12,- 1.請仔細閱讀文檔,確保文檔完整性,對于不預覽、不比對內(nèi)容而直接下載帶來的問題本站不予受理。
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