(中职）《电工技术基础与技能》项目三直流电路分析 课件.pptx

《(中职）《电工技术基础与技能》项目三直流电路分析 课件.pptx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《(中职）《电工技术基础与技能》项目三直流电路分析 课件.pptx（48页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、(中职）电工技术基础与技能项目三直流电路分析 课件直流电路分析项目三任 务 一 基尔霍夫定律的应用掌握基尔霍夫定律，学会运用基尔霍夫定律分析复杂电路。学习目标如图 3-1 所示电路图，能否使用已经学过的欧姆定律、电阻串并联性质对其进行分析？这种无法用串、并联关系进行简化的电路称为复杂电路。复杂电路不能直接用欧姆定律进行分析，需要用基尔霍夫定律来求解。基尔霍夫定律是解决复杂电路的基本方法。任务引入一、基本名词学习基尔霍夫定律之前，先学习几个有关复杂电路的名词。1.支路由一个或几个元件首尾相接构成的一段无分支电路，称为支路。在同一支路中，流过所有元件的电流相等。如图 3-1 所示电路中，有三条支路

2、，即 AEDB、AB、AFCB 支路。其中，AEDB、AB含有电源 E1、E2，称为有源支路；AFCB 不含电源，称为无源支路。2.节点三条或三条以上支路的连接点，称为节点。如图 3-1 所示电路中，A、B 都是节点。知识点3.回路电路中任意一个闭合路径称为回路。如图 3-1 所示电路中，ABDE、ABCF、AEDBCF 都是回路。4.网孔内部不含支路的回路称为网孔。如图 3-1 所示电路中，ABDE、ABCF 回路是网孔。二、基尔霍夫定律基尔霍夫定律包含两条定律，分别为基尔霍夫电流定律（KCL）和基尔霍夫电压定律（KVL）。1.基尔霍夫电流定律基尔霍夫电流定律（基尔霍夫第一定律，节点电流定律

3、）反映的是电路中连接在同一节点上的各支路中电流之间的关系。该定律的内容是：任一瞬间，通过电路中任一节点的各支路电流的代数和恒等于零。也就是说，流入节点的电流之和等于流出该节点的电流之和。用数学式表达，即 Ik=0（3-1）式中，Ik 是连接于该节点的各支路电流，k=1，2，3，n（设有 n 条支路连接于该节点），或者表示成 I入=I出（3-2）需要指明的是，使用式（3-1）列式时，需要先假设电流的参考方向，并标在电路图上。例如，假定流入节点的电流为正，那么流出节点的电流为负。在计算后，若得到的电流值为正值，则表明电流的参考方向与实际方向一致；若得到的电流值为负值，则表明电流的参考方向与实际方向

4、相反。例 3-1如图 3-2 所示，请列出节点电流方程。解：假设流入节点电流为正，则I1I2+I3I4=0I1+I3=I2+I4对于任意一个电路来说，不论怎么复杂，总是通过两根导线与电源连接，这两根导线是串联在电路中的，所以流过它们的电流必然相等。如图 3-3 所示，若将一根导线切断，另一根导线中的电流一定为零。所以在已经接地的电力系统中进行工作时，与大地绝缘的情况下（穿上绝缘胶鞋或者站在绝缘材料上），只要不同时触及有不同电位的两根导线，就能保证安全，不会有电流流过人体。例 3-2如图 3-3 所示电路，已知 I1=5 A，I3=1 A，求 I4。解：先任意假设未知电流 I4 的参考方向，如图

5、中所示。由题意可知I2=I1=5 A在节点 b 应用基尔霍夫第一定律，列节点电流方程式：I3=I2+I4 则 I4=I3I2=15=-4 AI4 为负值，表示 I4 的实际方向与参考方向相反，其实际方向应为流进节点。基尔霍夫电流定律不仅适用于节点，也适用于包含几个节点的假定封闭面。如图 3-4 所示，假定一个封闭面把电阻 R1 R5 所构成的电路全部包围起来，则流进封闭面 S 的电流应等于从封闭面流出的电流。这就是说，通过电路中任一假象闭合面的各支路电流的代数和恒等于零，该假象闭合面称为广义节点。知识拓展KCL 的注意事项在应用KCL列电流方程时应首先选定连接节点的各支路电流参考方向。正负号的

6、含义:正:表示电流的实际方向和参考方向相同负:表示电流的实际方向和参考方向相反2.基尔霍夫电压定律基尔霍夫电压定律（基尔霍夫第二定律）反映的是电路中任一回路中各支路电压之间的关系。该定律的内容是：任一瞬间，作用与电路中任一回路各支路电压的代数和恒等于零。用数学式表达为 Uk=0（3-3）式中，Uk 是连接于该节点的各支路电流，k=1，2，3，n（设有 n 条支路组成该回路）。需要说明的是，该定律用于某一回路时，需先假定各支路电压的参考方向并指定回路的循环方向（顺时针或逆时针），当支路电压与回路方向一致时取“+”号，相反时取“-”号。对于回路 ABDE 来说，顺时针绕行，有-E1+E2I2R2+

7、I1R1=0整理后得-I2R2+I1R1=E1E2上式表明：在任意时刻，一个闭合回路中各段电阻上电压降的代数和等于各电源电动势的代数和，公式为 RI=E（3-4）这就是基尔霍夫电压定律的另一种表达形式。在运用基尔霍夫电压定律列方程时，电压与电动势均指的是代数和，要考虑正、负号。利用 UK=0 列式时，电压、电动势集中在等式一边，当支路电压与回路循环方向一致时取“+”号，相反时取“-”号。此时考虑的是电动势的电压，电压方向由正极指向负极。而利用 RI=E 列式时，电压与电动势分别写在等式两边，此时右侧列出的是电动势的代数和，电动势方向由电源负极指向正极，当绕行方向与电动势方向一致时，该电动势为正

8、，反之为负。在列方程时，回路绕行方向可以任意选择，但一经选定就不能再改变。最后应该指出的是：基尔霍夫定律具有普遍的适用性，它适用于由任何元件构成的任何结构的电路，电路中的电压、电流可以是恒定的，也可以是任意变化的。KVL的注意事项在应用KVL列回路方程时，应首先选定回路中各元件上电压的参考方向和绕行方向。正确处理好两套正负号(公式前的正负号和电压本身数值的正负)。基尔霍夫定律是求解复杂电路的电学基本定律。从 19 世纪 40 年代开始，由于电器技术发展十分迅速，电路变得越来越复杂。某些电路呈现网络形状，并且网络中还存在一些由三条或三条以上支路形成的交点（节点）。这种复杂电路不是串、并联公式所能

9、解决的。刚从德国哥尼斯堡大学毕业、年仅 21 岁的基尔霍夫（图 3-6），在他的论文中提出了适用于这种网络状电路计算的两个定律，即著名的基尔霍夫定律。该定律能够迅速地求解任何复杂电路，从而成功地解决了这个阻碍电气技术发展的难题。读一读基尔霍夫基尔霍夫，德国物理学家。1824年3月12日生于普鲁士的柯尼斯堡(今为俄罗斯加里宁格勒)，1887年10月17日卒于柏林。基尔霍夫在柯尼斯堡大学读物理，1847年毕业后去柏林大学任教，3年后去布雷斯劳作临时教授。1854年任海德堡大学教授。1875年到柏林大学作理论物理教授，直到逝世。主要贡献：1、电路设计:1845年，21岁时他发表了第一篇论文，提出了著

10、名的基尔霍夫电流定律(KCL)和基尔霍夫电压定律(KVL)，解决了电器设计中电路方面的难题2、热辐射:1859年，基尔霍夫做了用灯焰烧灼食盐的实验。得出了关于热辐射的定律，后被称为基尔霍夫定律3、化学:在海德堡大学期间制成光谱仪，与化学家本生合作创立了光谱化学分析法，从而发现了元素铯和铷。4、光学理论:给出了惠更斯-菲涅耳原理的更严格的数学形式，对德国的理论物理学的发展有重大影响。著有数学物理学讲义4卷5、薄板直法线理论:1850年，在柏林大学执教的基尔霍夫发表了他关于板的重要论文弹性圆板的平衡与运动适用范围基尔霍夫定律建立在电荷守恒定律、欧姆定律及电压环路定理的基础之上，在稳恒电流条件下严格

11、成立。当基尔霍夫第一、第二方程组联合使用时，可正确迅速地计算出电路中各支路的电流值。由于似稳电流(低频交流电)具有的电磁波长远大于电路的尺度，所以它在电路中每一瞬间的电流与电压均能在足够好的程度上满足基尔霍夫定律。因此，基尔霍夫定律的应用范围亦可扩展到交流电路之中。它除了可以用于直流电路的分析，和用于似稳电路的分析，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。但用于交流电路的分析是，即对通过含时电流的电路进行分析时，由于通过闭合回路的磁通量是时间的函数，根据法拉第电磁感应定律，会有电动势E出现于闭

12、合回路。所以，电场沿着闭合回路的线积分不等于零。此时回路方程应写作：vk=E=-/t(磁场正方向与回路正方向相同时)这是因为电流会将能量传递给磁场；反之亦然，磁场亦会将能量传递给电流。对于含有电感器的电路，必需将基尔霍夫电压定律加以修正。由于含时电流的作用，电路的每一个电感器都会产生对应的电动势Ek。必需将这电动势纳入基尔霍夫电压定律，才能求得正确答案。（1）基本名词。复杂电路：无法用串、并联关系进行简化的电路称为复杂电路。支路：由一个或几个元件首尾相接构成的一段无分支电路称为支路。节点：三条或三条以上支路的连接点称为节点。回路：电路中任意一个闭合路径称为回路。网孔：内部不含支路的回路称为网孔

13、。要点回顾（2）基尔霍夫定律是解决复杂电流问题的基本定律，它包含两条定律，即基尔霍夫电流定律和基尔霍夫电压定律。基尔霍夫电流定律（KCL）。任一瞬间，通过电路中任一节点的各支路电流的代数和恒等于零。也就是说，流入节点的电流之和等于流出该节点的电流之和。用数学式表达为Ik=0 基尔霍夫电压定律（KVL）。任一瞬间，作用与电路中任一回路各支路电压的代数和恒等于零。用数学式表达为Uk=01.名词解释复杂电路节点支路回路2.填空题（1）基尔霍夫电流定律，又称 _，其内容是 _，数学表达式是 _。（2）基尔霍夫电压定律，又称 _，其内容是 _，数学表达式是 _。知识巩固（3）如 图 3-7 所 示 电

14、路 中，有 _ 个 节 点，_ 条 支 路，_ 个 回 路，_ 个网孔。（4）如图 3-8 所示为一网络的一部分，则 I1=_，I2=_。3.判断题（1）每一条支路中的元件，仅是一个电阻或一个电源。（）（2）电路中任何一个网孔都是回路。（）（3）在列某节点的电流方程时，均以电流的参考方向来判断电流是流入节点还是流出节点。（）（4）基尔霍夫电流定律是指沿回路绕行一周，各段电压的代数和一定为零。（）（5）基尔霍夫定律只适用于线性电路。（）4.如图 3-9 所示电路，求电流 I4、I5 和电动势 E。任 务 二 支路电流法的运用（1）掌握支路电流法，能够应用支路电流法分析、求解电路。（2）通过学习支

15、路电流法，巩固基尔霍夫定律的内容及应用。学习目标对于复杂电路，仅依靠以前所学的欧姆定律、电阻串并联的性质已经无法求出电路中的各个物理量。如何求解复杂电路呢？采用支路电流法可以求解复杂电路。任务引入介绍分析电路的方法凡不能用电阻串、并联等效简化的电路，称为复杂电路。图示电路为复杂电路。支路电流法是计算复杂电路的一种基本方法。支路电流法的解题原则是:以支路电流为求解对象，应用基尔霍夫电流、电压定律对节点和回路列出所需的方程组，然后求解各支路电流.基尔霍夫定律的应用一支路电流法支路电流法就是以各支路电流为未知量，应用基尔霍夫定律列出方程式，联力求解各支路电流的方法。一、支路电流法求解电路的一般步骤（

16、1）确定电路的支路数 m、节点 n，任意假设各支路电流的参考方向和网孔的绕行方向。（2）根据基尔霍夫电流定律列出（n-1）个独立的节点电流方程。（3）根据基尔霍夫电压定律列出（m-1）个独立的回路电压方程。（4）代入数据，联立方程组求解各支路电流。当计算结果为正时，说明实际方向与参考方向相同；若结果为负，则相反。知识点二、支路电流法具体解题如图 3-10 所示电路，已知直流发电机的电动势 E1=7 V，内阻 r1=0.2，蓄电池组的电动势E2=6.2，内阻 r1=0.2，负载电阻 R3=3.2。求各支路电流和负载的端电压。（1）这个支路有三条支路，两个节点，即 m=3，n=2。有三个未知量，需

17、要列出三个独立方程式联立求解。（2）列出（n-1）个独立的节点电流方程，即列 1 个节点电流方程。对于 A 点：I1+I2=I3（3）列出（m-1）个独立回路电压方程，即列 2 个回路电压方程。假设回路绕行方向如图 3-10 所示，则对回路：I1r1I2r2=E1E2 对回路：I2r2+I3R3=E2 对回路：I1r1+I3R3=E1三个方程中的任何一个方程式，都可以从其他两个方程式中导出，所以只有两个回路电压方程是独立的。（4）联立方程组，求解各支路电流。将数据代入式，可得方程组：解得：I1=3 A，I2=-1 A，I3=2 A。电流为 I2 负值，说明 I2 的实际方向与参考方向相反，即实

18、际方向应从 A 指向 B。这时蓄电池处于负载状态。负载两端的电压为：U3=I3R3=23.2=6.4 V。用支路电流法求解电路的步骤:步骤一 确定支路数m,选择各支路电流参考方向和回路绕行方向。步骤二 根据节点数列写独立的KCL方程。I1+I2-I3=0对于有n个节点的电路，只能列出(n-1)个独立的KCL方程式。步骤三 应用KVL列出余下的m-(n-1)个方程。-E1+R1I1-R2I2+E2=0-E2+R2I2+R3I3=0支路电流法注意:所列回路电压方程必须是独立的方程;一般可以网孔为回路列电压方程;电压方程数视未知量减电流方程数所定。步骤四 联立方程组，求解出各支路电流。电压源与电流源

19、一个电路往往不只包含一个电源，有时含有多个电源。电源有两种基本形式：一种是电压源，另一种是电流源。1.电压源用一个恒定电动势 E 与内阻 r 串联表示的电源称为电压源。电压源的内阻越小越好。当 n 个电压源串联时，可以合并为一个等效电压源，等效电压源 E 等于各个电压源的代数和，即 E=E1+E2+En方向与 E 相同的取正号，反之取负号。等效电压源的内阻等于各串联电压源内阻之和，即 r=r1+r2+rn知识拓展2.电流源用一个恒定电流 I 与内阻 r 并联表示的电源称为电流源。电流源的内阻越大越好。当 n 个电流源并联时，可以合并为一个等效电流源，等效电流源 I 等于各个电流源的代数和，即

20、I=I1+I2+In（3-7）参考方向与 I 相同的取正号，反之取负号。等效电流源的内阻的倒数等于各并流电流源内阻的倒数之和，即（3-8）上述两种电源之间是可以相互转化的。两个电源并联时，当其电动势相差较大，就会发生某电源不但不输出功率，反而吸收功率成为负载。因此，在实际供电系统中，直流电源并联时，应使两电源的电动势相等，内阻也应相近。有些电气设备更换电池时要求全部同时换新，不要新旧一起使用。（1）支路电流法是以各支路电流为未知量，应用基尔霍夫定律列出方程式，联立求解各支路电流的方法。（2）支路电流法求解电路的一般步骤。确定电路的支路数 m、节点 n，任意假设各支路电流的参考方向和网孔的绕行方

21、向。根据基尔霍夫电流定律列出（n-1）个独立的节点电流方程。根据基尔霍夫电压定律列出（m-1）个独立的回路电压方程。代入数据，联立方程组求解各支路电流。要点回顾1.填空题（1）支路电流法是以 _ 为未知量，应用 _ 列出方程式，联立求解各支路电流的方法。（2）支路电流法解题，当计算结果为正时，说明实际方向与参考方向 _；若结果为负，则 _。知识巩固2.如图 3-11 所示，试用支路电流法列出求解方程组。一、实训目标验证基尔霍夫定律，加深对电路定律的理解。二、实训器材（1）双路直流稳压电源（0 30 V）。（2）直流电流表 3 块。（3）MF47 型万用表 1 块。（4）电阻 3 个（2 个 510，1 个 1 k）。（5）导线若干。实训 验证基尔霍夫定律三、实训步骤（1）按图 3-12 将电源 E1、E2 接入电路，并调节，使 E1=16 V，E2=6 V。（2）将电流表接入电路，测量 I1、I2、I3 的值（注意电流的方向），将数据填入表 3-1。（3）用导线撤换电流表，用万用表测量各段电压的数值（注意电压的方向），将数据填入表 3-2。四、实训小结将本实训的评价与收获填入表 3-3。注意:1、测量各支路电流时，应注意仪表的极性，及数据表格中“十、一”号的记录。2、注意仪表量程的及时更换。基尔霍夫定律的验证谢 谢 聆 听