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基礎＞　 賀建明　主編 機械工業(yè)出版社 ＜電路與電子技術＞　 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。,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，從而構成與實際電路相對應的電路模型。,,例：手電筒,手電筒由電池、燈泡、開關和筒體組成。,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,開關閉合, 接通電源與負載,負載端電壓,U = IR,1. 電壓電流關系,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 R0< IN ，P > PN (設備易損壞),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 斷開,1.5.2 電源開路,1. 開路處的電流等于零； I = 0 2. 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 = 0 2.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: ?Ｉ入= ?Ｉ出,在任一瞬間，流向任一結點的電流等于流出該結點的電流。,實質(zhì): 電流連續(xù)性的體現(xiàn)。,或: ?Ｉ= 0,對結點 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點處各支路電流間相互制約的關系。,.,電流定律可以推廣應用于包圍部分電路的任一假設的閉合面。,2．推廣,,I =?,,例:,I = 0,IA + IB + IC = 0,,廣義結點,.,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。 應用支路電流法時應注意：對于具有 b 條支路 、n個結點的電路，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 = 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 = -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） 由計算結果可以看出，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 a為參考點， 即Va=0V,Vb=Uba= –10×6= ?60V Vc=Uca = 4×20 = 80 V Vd =Uda= 6×5 = 30 V,設 b為參考點，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。,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S 斷開和閉合時A點 的電位VA,解: (1)當開關S斷開時,(2) 當開關閉合時,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,