大學(xué)物理電學(xué)演示文檔

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.,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(kāi)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(kāi)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(chēng)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(chēng)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(kāi)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(kāi)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(chēng)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(chēng)為伏安特性。,遵循歐姆定律的電阻稱(chēng)為線(xiàn)性電阻，它表示該段電路電壓與電流的比值為常數(shù)。,線(xiàn)性電阻的概念：,線(xiàn)性電阻的伏安特性是一條過(guò)原點(diǎn)的直線(xiàn)。,.,1.5 電源有載工作、開(kāi)路與短路,開(kāi)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< 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(kāi)關(guān) 斷開(kāi),1.5.2 電源開(kāi)路,1. 開(kāi)路處的電流等于零； I = 0 2. 開(kāi)路處的電壓 U 視電路情況而定。,電路中某處斷開(kāi)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 = 0 2.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(chēng)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: ?Ｉ入= ?Ｉ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: ?Ｉ= 0,對(duì)結(jié)點(diǎn) a：,I1+I2 = I3,或 I1+I2–I3= 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(kāi)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(mǎn)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 = 3Ω，R2 = 2Ω，R3 = 6Ω，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(mǎn)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= ?60V Vc=Uca = 4×20 = 80 V Vd =Uda= 6×5 = 30 V,設(shè) b為參考點(diǎn)，即Vb=0V,,Va = Uab=10×6 = 60 V Vc = Ucb = E1 = 140 V Vd = Udb =E2 = 90 V,,b,a,,Uab = 10×6 = 60 V Ucb = E1 = 140 V Udb = E2 = 90 V,Uab = 10×6 = 60 V Ucb = E1 = 140 V Udb = 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(kāi)關(guān)S 斷開(kāi)和閉合時(shí)A點(diǎn) 的電位VA,解: (1)當(dāng)開(kāi)關(guān)S斷開(kāi)時(shí),(2) 當(dāng)開(kāi)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(huà)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,