電工學秦曾煌第六版第一章.ppt

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) 實現電能的傳輸、分配與轉換,(2)實現信號的傳遞與處理,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；由激勵所產生的電壓和電流稱為響應。,信號處理： 放大、調諧、檢波等,1.2 電路模型,手電筒的電路模型,為了便于用數學方法分析電路, 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，其參數為電動勢 E 和內阻Ro；,燈泡主要具有消耗電能的性質，是電阻元件，其參數為電阻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。,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) 在電源有內阻時，I U 。,綜合兩式U = E IR0,當 R0R 時，則U E ，表明當負載變化時，電源的端電壓變化不大，即帶負載能力強。,開關閉合,接通電源與負載。,負載端電壓,U = IR,1.5.1 電源有載工作,或 U = E IRo,UI = EI I2Ro,P = PE P,電源 輸出 功率,電源 產生 功率,內阻 消耗 功率,(2) 功率單位：瓦特（W）,1. 電壓電流關系,2. 功率與功率平衡,例: 已知:電路中U=220V，I=5A，內阻R01= R02= 0.6。,求: (1) 電源的電動勢E1和負載的反電動勢E2 ； (2) 說明功率的平衡關系。,解：(1) 對于電源 U= E1-U1= E1-IR01 即 E1= U +IR01 = 220+50.6=223V U= E2+U2= E2+IR02 即 E2= U -IR01 = 220-50.6 = 217V,(2)由上面可得，E1=E2 +IR01+IR02 等號兩邊同時乘以 I，則得 E1 I =E2 I +I2R01+I2R02 代入數據有 223 5=217 5+52 0.6+ 5+52 0.6 1115W=1085W+15W+15W。,思考,1、功率守恒（能量守恒） 2、所有電源都是發(fā)出功率？,3. 電源與負載的判別,U、I 參考方向不同，P = UI 0，電源； P = UI 0，負載。,U、I 參考方向相同，P = UI 0，負載； P = UI 0，電源。,(1) 根據 U、I 的實際方向判別,(2) 根據 U、I 的參考方向判別,電源： U、I 實際方向相反，即電流從“+”端流出， （發(fā)出功率）,負載： U、I 實際方向相同，即電流從“-”端流出。 （吸收功率）,電氣設備的額定值,額定值: 電氣設備在正常運行時的規(guī)定使用值,例：一只220V, 60W的白熾燈, 接在220V的電源上，試求通過電燈的電流和電燈在220V電壓下工作時的電阻。如果每晚工作3h(小時)，問一個月消耗多少電能?,注意：電氣設備工作時的實際值不一定都等于其 額定值，要能夠加以區(qū)別。,解: 通過電燈的電流為,電氣設備的三種運行狀態(tài),欠載(輕載)： I IN ，P PN (不經濟),過載(超載)： I IN ，P PN (設備易損壞),額定工作狀態(tài)： I = IN ，P = PN (經濟合理安全可靠),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接點。,回路：由支路組成的閉合路徑。,網孔：內部不含支路的回路。,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: 入= 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: 電流連續(xù)性的體現。,或: = 0,對結點 a：,I1+I2 = I3,或 I1+I2I3= 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：,對網孔abda：,對網孔acba：,對網孔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 = 0,1.7 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= 106= 60V Vc=Uca = 420 = 80 V Vd =Uda= 65 = 30 V,設 b為參考點，即Vb=0V,Va = Uab=106 = 60 V Vc = Ucb = E1 = 140 V Vd = Udb =E2 = 90 V,b,a,Uab = 106 = 60 V Ucb = E1 = 140 V Udb = E2 = 90 V,Uab = 106 = 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,在電路圖上，若某條支路的一端懸空未連接元件， 分析如下兩種情形： （1）若支路上未標注電流且懸空端也未標注電位值，說明該支路開路，支路電流為零，該支路也稱為“懸掛”支路。 如圖所示電路中的支路a-2V-d、b-5-c。,例：如圖電路，a、b端口開路，求：（1）電流I；（2）電壓Uab。,解 a、b端口開路，故支路a-2V-d、b-5-c是懸掛支路，其支路電流為零； 右側開口端標注電壓U= 10V，故10V-2-4-4V形成閉合回路，電流為I。 （1）根據全電路歐姆定律： I=（104）/（2+4）=1A （2）選路徑：起點a-2V-d-4-4V-c-5-終點b Uab=2144=6V,（2）若該支路上標有電流或懸空端標有電位值，說明該支路與電路圖上未畫出的部分形成了通路，如下圖所示電路的R1所在支路、R3所在支路；對于懸空端標有電位值的情況，有時為便于計算，可在懸空端與零電位點（接地點）之間連接一個恒壓源來消除懸空端，需注意該恒壓源“+”、“”極性的標注要與懸空端電位值的正、負正確對應。,如圖所示電路，已知：電阻R1=2、R2=1、R3=3 求：開關S打開、閉合時的電位VA。,開關S打開時：等效電路如下圖所示，標注閉合回路的電流為I1,根據全電路歐姆定律：I1=（1212）/（213）= 4A 選路徑：起點A- R3-12V-接地點，VA= 4312=24V,如圖所示電路，已知：電阻R1=2、R2=1、R3=3 求：開關S打開、閉合時的電位VA。,S閉合時：等效電路如圖，標注閉合回路ABCD的電流I2,根據全電路歐姆定律：I2=12/（13）= 3A 選路徑：起點A- R2-開關S-接地點，VA= 31=3V,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