基尔霍夫定律.doc
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1、第四节 基尔霍夫定律一、欧姆定律1、欧姆定律的作用欧姆定律是电路分析中的重要定律之一,主要用于进行简单电路的分析,它说明了流过线性电阻的电流与该电阻两端电压之间的关系,反映了电阻元件的特性。遵循欧姆定律的电路叫线性电路,不遵循欧姆定律的电路叫非线性电路。2、部分电路的欧姆定律欧姆定律由德国科学家欧姆于年通过实验提出,它的内容为:在一段不含电源的电路中,流过导体的电流与这段导体两端的电压成正比,与这段导体的电阻成反比。其数学表示为: 式中 导体中的电流,单位;导体两端的电压,单位;导体的电阻,单位。电阻是构成电路最基本的元件之一。由欧姆定律可知,当电压一定时,电阻的阻值愈大,则电流愈小,因此,电
2、阻具有阻碍电流通过的物理性质。例:已知某灯泡的额定电压为,灯丝的电阻为,求通过灯丝的电流为多少?解题思路:本题中已知电压和电阻,直接应用欧姆定律求得:例:已知某电炉接在电压为的电源上,正常工作时通过电炉丝的电流为,求该电炉丝的电阻值为多少?解题思路:本题中已知电压和电流,将欧姆定律稍加变换求得: 欧姆定律的几种表示形式电压和电流是具有方向的物理量,同时,对某一个特定的电路,它又是相互关联的物理量。因此,选取不同的电压、电流参考方向,欧姆定律形式便可能不同。在图中,电压参考方向与电流参考方向一致,其公式表示为: 在图中,电压参考方向与电流参考方向不一致,其公式表示为: 无论电压、电流为关联参考方
3、向还是非关联参考方向,电阻元件的功率为: 上式表明,电阻元件吸收的功率恒为正值,而与电压、电流的参考方向无关。因此,电阻元件又称为耗能元件。例:应用欧姆定律求图所示电路中电阻。+U6v-I 2AR+U6v-I -2AR-U-6v+I 2AR-U-6v+I -2AR(a) (b) 图1.14 (c) (d)解题思路:在图中,电压和电流参考方向一致,根据公式得: 在图中,电压和电流参考方向不一致,根据公式得: 在图中,电压和电流参考方向不一致,根据公式得: 在图中,电压和电流参考方向一致,根据公式得: 本例题告诉我们,在运用公式解题时,首先要列出正确的计算公式,然后再把电压或电流自身的正、负取值代
4、入计算公式进行求解。 3、全电路欧姆定律 全电路是指含有电源的简单闭合电路,如图所示,虚线框中的代表电源的电动势,代表电源自身具有的电阻叫内阻。通常把电源内部的电路叫内电路,电源外部的电路叫外电路。I URroE图1.15全电路欧姆定律的内容为:电路中的电流与电源的电动势成正比,与整个电路中的电阻成反比,其数学表示为: 式中 电路中的电流,单位;电源的电动势,单位;外电路的电阻,单位; 内电路的电阻,单位。 由上式可得式中是外电路的电压,又称端电压,是内电压。则全电路欧姆定律的内容又可叙述为:电源的电动势在数值上等于闭合电路中各部分的电压之和。根据全电路欧姆定律,就可以研究全电路中的电压与电流
5、的变化规律。通路,又叫闭合电路。如图所示。当电路处于通路状态时,由全电路欧姆定律得:, 上式表明:当电路处于通路状态时,电源向外电路所提供的电压要低于电源的电动势,由知,越大则向外电路所提供的电压越小,反之,若越小则向外电路所提供的电压越大。因此,对电压源的要求是内阻越小越好。在理想状态下,此时的全电路欧姆定律为:显然,电源向外电路所提供的电压就等于它的电动势,满足这个关系的电源称为恒压源,也就是通常所说的直流电源。开路,又称断路。当电路处于断路状态时,如图中开关断开,相当于,电路中没有电流。 短路,是指电路中电位不相等的两点之间直接连接在一起。根据短路产生的原因又分短接和事故短路。短接通常是
6、人为原因造成的,如图中负载电阻的两端误被导线连接在一起。事故短路则是由于连接在电路中的某个元器件因工作环境改变而形成的,如线圈之间的绝缘层老化或工作在高于其额定值时线路烧毁。电路处于短路状态时,相当于,此时的全电路欧姆定律为:由于电压源的内阻通常很小,电源提供的电流将比通路时所提供的电流要大很多倍(在理想状态下,则),极易出现烧毁元器件的现象,所以,短路通常是一种严重事故,要尽力避免电路中出现短路情况。在实际工作中,为预防短路事故的发生,除了按规程要求经常检查电气设备和线路的绝缘情况外,还在电路中接入熔断器或自动断路器等保护装置来预防短路事故的发生。通路、开路和短路统称为电路的三种工作状态。例
7、 图所示电路,理想电压源+ US-+ IU R-图1.16的电压。求:(1)时的电压,电流;(2)时的电压,电流;(3)时的电压,电流。解题思路:题意明确告知图电路中的电源是理想电源,即内阻,此时全电路欧姆定律为。电路的工作状况主要由外接电阻决定。(1)当时,即外电路开路,为理想电压源,故则 (2)当时,则 (3)当时,电路短路,故则 显然,这么大的电流极易烧毁电路元器件和设备,所以,要避免电路中出现短路情况。结合这个例题,大家要很好地理解电路的三种工作状态的概念。二、基尔霍夫定律1、基尔霍夫定律的作用基尔霍夫定律是电路中电压和电流所遵循的基本规律,是分析和计算较为复杂电路的基础,由德国物理学
8、家基尔霍夫于年提出。它既可以用于直流电路的分析,也可以用于交流电路的分析,还可以用于含有电子元件的非线性电路的分析。运用基尔霍夫定律进行电路分析时,仅与电路的连接方式有关,而与构成该电路的元器件具有什么样的性质无关。2、基尔霍夫电流定律()基尔霍夫电流定律是确定电路中任意节点处各支路电流之间关系的定律,因此又称为节点电流定律,它的内容为:在任一瞬时,流向某一结点的电流之和恒等于由该结点流出的电流之和,即: 在直流的情况下,则有: 通常把式、称为节点电流方程,或称为方程。它的另一种表示为,在列写节点电流方程时,各电流变量前的正、负号取决于各电流的参考方向对该节点的关系(是“流入”还是“流出”);
9、而各电流值的正、负则反映了该电流的实际方向与参考方向的关系(是相同还是相反)。通常规定,对参考方向背离(流出)节点的电流取正号,而对参考方向指向(流入)节点的电流取负号。图所示为某电路中的节点,连接在节点的支路共有五条,在所选定的参考方向下有:定律不仅适用于电路中的节点,还可以推广应用于电路中的任一假设的封闭面。即在任一瞬间,通过电路中任一假设封闭面的电流代数和为零。图所示为某电路中的一部分,选择封闭面如图中虚线所示,在所选定的参考方向下有:例 已知、,计算图所示电路中的电流及。解题思路:对于节点,四条支路上的电流分别为流入节点,流出节点;对于节点,三条支路上的电流分别为均为流入节点,于是有对
10、节点,根据定律可知:则:对节点,根据定律可知:则:例 已知、,试计算图所示电路中的电流。解题思路:在电路中选取一个封闭面,如图中虚线所示,根据定律可知:,则:。3、基尔霍夫电压定律()基尔霍夫电压定律是确定电路中任意回路内各电压之间关系的定律,因此又称为回路电压定律,它的内容为:在任一瞬间,沿电路中的任一回路绕行一周,在该回路上电动势之和恒等于各电阻上的电压降之和,即: 在直流的情况下,则有: 通常把式、称为回路电压方程,简称为方程。定律是描述电路中组成任一回路上各支路(或各元件)电压之间的约束关系,沿选定的回路方向绕行所经过的电路电位的升高之和等于电路电位的下降之和。回路的“绕行方向”是任意
11、选定的,一般以虚线表示。在列写回路电压方程时通常规定,对于电压或电流的参考方向与回路“绕行方向”相同时,取正号,参考方向与回路“绕行方向”相反时取负号。图所示为某电路中的一个回路,各支路的电压在所选择的参考方向下为、,因此,在选定的回路“绕行方向”下有:。定律不仅适用于电路中的具体回路,还可以推广应用于电路中的任一假想的回路。即在任一瞬间,沿回路绕行方向,电路中假想的回路中各段电压的代数和为零。图所示为某电路中的一部分,路径、并未构成回路,选定图中所示的回路“绕行方向”,对假象的回路列写方程有:,则:。由此可见:电路中、两点的电压,等于以为原点、以为终点,沿任一路径绕行方向上各段电压的代数和。
12、其中,、可以是某一元件或一条支路的两端,也可以是电路中的任意两点。例 试求图所示电路中元件、的电压。解题思路:仔细分析电路图,只有和这两个回路中各含有一个未知量,因此,可先求出或,再求和。在回路中,则有;在回路中,则有。在回路中,则有在回路中,则有例图为某电路的一部分,试确定其中的,。解题思路:图14 例图求。方法一是根据求出各节点的电流:对节点;对节点 ;对节点;方法二是取广义节点,则根据可直接求得:求。可以将、两端点之间设想有一条虚拟的支路,该支路两端的电压为。这样,由节点经过节点、到节点就构成一个闭合回路,这个回路就称为广义回路;对广义回路应用可得:例图所示电路,已知电压。,电阻,电容,
13、电感,求电压、。解题思路:利用第一节所介绍的直流电路中的电容和电感知识。在图中,电容相当于开路,。则:;。在图中,电感相当于短路,。则根据得:。第五节 简单电阻电路的分析方法一、二端网络的等效概念具有两个端钮的部分电路,就称为二端网络,如图所示。如果电路的结构、元件参数完全不同的两个二端网络具有相同的电压、电流关系即相同的伏安关系时,则这两个二端网络称为等效网络。等效网络在电路中可以相互代换。内部有独立电源(电压源的电压或电流源的电流不受外电路控制而独立存在的电源叫独立电源)的二端网络,称为有源二端网络;内部没有独立电源的二端网络,称为无源二端网络。无源二端网络可用一个电阻元件与之等效。这个电
14、阻元件的电阻值称为该网络的等效电阻或输入电阻,也称为总电阻,用表示。二、电源的等效变换任何一个实际电源本身都具有内阻,因而实际电源的电路模型由理想电源元件与其内阻组合而成。理想电源元件有电压源和电流源,因此,实际电源的电路模型也相应的有电压源模型和电流源模型,如图所示。在图电路中,由式可知:式中,为电压源的电压。在图电路中,由式可知:整理后得:由此可见,实际电压源和实际电流源若要等效互换,其伏安特性方程必相同,即电路参数必须满足条件:; 当一个实际的电压源要等效变换成实际的电流源时,电流源的电流等于电压源的电压与其内阻的比值,电流源的内阻等于电压源的内阻;当一个实际的电流源要等效变换成实际的电
15、压源时,电压源的电压等于电流源的电流与其内阻的乘积,电压源的内阻等于电流源的内阻。在进行等效互换时,必须重视电压极性与电流方向之间的关系,即两者的参考方向要求一致,也就是说电压源的正极对应着电流源电流的流出端。实际电源的两种模型的等效互换只能保证其外部电路的电压、电流和功率相同,对其内部电路,并无等效而言。通俗地讲,当电路中某一部分用其等效电路替代后,未被替代部分的电压、电流应保持不变。应用电源等效转换分析电路时还应注意以下几点:(1)电源等效转换是电路等效变换的一种方法。这种等效是对电源输出电流、端电压的等效。(2)有内阻的实际电源,它的电压源模型与电流源模型之间可以互换等效;理想的电压源与
16、理想的电流源之间不便互换。(3)电源等效互换的方法可以推广运用,如果理想电压源与外接电阻串联,可把外接电阻看其作内阻,则可转换为电流源形式;如果理想电流源与外接电阻并联,可把外接电阻看作其内阻,则可转换为电压源形式。例 将下图电路进行等效变换。(d)图RabiSuabiSuSu(c)图uSaiSub(b)图RuSaub(a)图解题思路:解题前先要看清电路的连接形式,因为并联电路电压相等,对于并联电路则要看电压源;而串联电路的电流相等,对于串联电路则要看电流源。在图电路中,因为和相并联,两点间的端电压相等,所以对外电路而言则可等效成;在图电路中,因为和相并联,两点间的端电压相等,所以对外电路而言
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