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电并在一定范围内保持输出电压
2、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、转换和控制能量的规模大小和使用目的的不同，电路
3、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 秒内通过导体横截面的电荷量为1库仑，则电流为 1 安（A）。常用
4、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
5、到高电位A端，所做的功称为电动势，用E表示。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（mV）和微伏（V）。直流电路 1 kV=1000 V 1V=103mV=106V 电压反映电场力做功
6、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
7、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。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。
8、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0.05780.005
9、1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成正比，与该段电路的电阻R成反比。即 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，则欧姆定律表示为直流电路 在温度一定的条件下，把加在电阻两端的电压与
10、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。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
11、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）等于各串联电阻之和。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
12、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。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。直流电路 九、电容器 两个互相靠近而
13、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。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。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
14、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：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
15、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 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 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压源。
16、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。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。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源，如图420（a）所示。它的伏安特性是一条
17、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。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。直流电路 图423 电压源模型与电流源模型
18、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。该有源二端网络可以用一个等效电压源取代。等效电压源的电动势E0等于有源二端网络的开路电压Uab，等效电压源的内阻r0等于有源二端网络除源（恒压源短路，恒流源开路）后所求得的无源二端网络的等效电阻，如图425所示。直流电路 图425 戴维南定理直流电路 四、复杂电路的分析与计算*1.支路电流法 这里介绍的支路电流法，是解复杂电路的最基本的方法，它是直接应用基尔霍夫定律来进行计算的。支路电流法是以支路电流为未知量，应用基尔霍夫定律列出与支路电流
19、数目相等的独立方程式，再联立求解。假定某电路有m条支路，n个节点，则 直流电路 支路电流法解题步骤如下：（1）首先标定各待求支路的电流参考正方向及回路绕行方向；（2）应用基尔霍夫电流定律列出（n1）个节点方程；（3）应用基尔霍夫电压定律列出m（n1）个独立的回路电压方程式；（4）由联立方程组求解各支路电流。直流电路 2.叠加定理 对于含两个以上电源的电路，各支路电流（或电压）均为各电源单独作用时产生的电流（或电压）的叠加。某电源单独作用，就是其它电源不作用。电压源不作用，就是在该理想电压源处用短路线代替；电流源不作用，就是在该电流源处断开。叠加原理体现了线性电路的基本原理，用它来分析和计算线性电路有时是比较方便的，它将复杂电路化成了简单电路，因为只含一个电动势的电路在多数情况下可以用串并联的方法简化，直接用欧姆定律来求解，从而避免了解联立方程式的麻烦。
