電工基本原理

1、第1章 電路的基本概念和基本定律 1.1 電路和電路模型 1.2 電流電壓及其參考方向 1.3 電功率和電能 1.4 電阻元件和歐姆定律 1.5 基爾霍夫定律 1.1 電路和電路模型1.1.1 電路的組成和作用 電路的組成： 電路是電流的流通路徑, 它是由一些電氣設(shè)備和元器件按一定方式連接而成的。任何一個(gè)電路都有四部分組成即： 電源、負(fù)荷、導(dǎo)線和控制器件組成。 電源：是把其它形式的能轉(zhuǎn)化為電能的裝置；如干電池蓄 電池等。 負(fù)荷：將電能轉(zhuǎn)換為其他形式的能量。 導(dǎo)線：連接電源與負(fù)荷的導(dǎo)體，為電流提供通路并傳輸電 能。 控制器件：在電路中起接通，斷開，保護(hù)，測(cè)量等作用。電路的作用： 它的一種作用是實(shí)

2、現(xiàn)電能的傳輸和轉(zhuǎn)換。另一種作用是實(shí)現(xiàn)信號(hào)的處理。電路中提供電能或信號(hào)的器件, 稱為電源。 電路中吸收電能或輸出信號(hào)的器件, 稱為負(fù)載。 在電源和負(fù)載之間引導(dǎo)和控制電流的導(dǎo)線和開關(guān)等是傳輸控制器件。電路的分類: 直流電路：電壓電流大小和方向不隨時(shí)間變化 交流電路：電壓電流的大小和方向隨時(shí)間變化 在交流電路中，如果電壓和電流與電源的頻率相同，并且都按正弦規(guī)律變化，這樣的電路叫做正弦交流電路。1.1.2 電路模型1.引入電路模型的原因： 電工基礎(chǔ)研究的是各種電氣裝置的電壓和電流的關(guān)系，各種電氣裝置間的能量轉(zhuǎn)換關(guān)系、電與磁的關(guān)系。以及電路應(yīng)遵循的電壓關(guān)系，電流關(guān)系，功率和能量關(guān)系等等。并不去研究各種實(shí)

3、際的電器裝置，而是研究從大量實(shí)際裝置中抽象出來并能反映它們電與磁主要特征的模型。 例如：負(fù)荷開關(guān)，斷路器，隔離開關(guān)，繼電器的觸點(diǎn)，這 些電氣裝置的作用是接通或斷開電路的。所以所有 這些起接通或斷開電路的器件都可以用開關(guān)這個(gè)模 型表示。所以盡管實(shí)際的電氣裝置千差萬別，都可以用理想元件的適當(dāng)組合來分析、計(jì)算實(shí)際裝置的電氣特性 在電路中我們只研究四種元件：電源元件，電阻元件，電 感元件，電容元件。2.為了分析方便電路元件用國家統(tǒng)一規(guī)定的圖形符號(hào)來表示 叫電路符號(hào)。其中各部分的理想化模型的電路符號(hào)如圖所 示： 電阻： 電容： 電感：3.電路圖定義：用電路符號(hào)表示實(shí)際電路器件連接關(guān)系的圖形。電路的工作狀

4、態(tài)：電路有三種工作狀態(tài)如下圖所示：圖1.1 電路的組成（a)電源與負(fù)載構(gòu)成閉合回路，電源處于有載工作狀態(tài)，電 路中有電流流過。(b)當(dāng)a、b兩點(diǎn)間用導(dǎo)線相連時(shí)，稱電阻R1被短路。a、b間導(dǎo)線稱為短路線，短路線中的電流叫短路電流。注:短路可分為有用短路和故障短路，故障短路往往會(huì)造成電路中電流過大，使電路無法正常工作，嚴(yán)重的會(huì)產(chǎn)生事故。(c)開關(guān)S斷開或電路中某處斷開，切斷的電路中沒有電流流過，此時(shí)的電路稱為開路。開路又叫斷路，斷開的兩點(diǎn)間的電壓稱為開路電壓。注：開路也分為正常開路和故障開路。如不需要電路工作時(shí)，把電源開關(guān)打開為正常開路；而燈絲燒斷，導(dǎo)線斷裂產(chǎn)生的開路為故障開路，它使電路不能正常工

5、作。1.2 電流、 電壓及其參考方向 1.2.1 電流1.電流的形成:電荷（離子，電子）有規(guī)則的定向移動(dòng)形成電流 電流形成的條件（1）要有自由電荷 （2）必須使導(dǎo)體兩端保持一定的電壓差 在電路中能量的傳輸靠的就是電流。2.電流是一個(gè)矢量既有大小又有方向 方向：正電荷運(yùn)動(dòng)的方向 大?。河秒娏鲝?qiáng)度來表示，電流強(qiáng)度是指單位時(shí)間 內(nèi)通過導(dǎo)體橫截面的電荷量電流的大小和方向都不隨時(shí)間變化時(shí), 稱為直流電流, 簡(jiǎn)稱直流。直流電流常用英文大寫字母I表示。 電流的大小和方向隨著時(shí)間按周期性變化的電流, 稱為交流電流, 常用英文小寫字母i表示。3.電流的單位：是安培, 符號(hào)為A。常用的有千安（kA）, 毫安（mA

6、）, 微安（A）等。 4.電流的參考方向：在分析與計(jì)算電路時(shí), ?？扇我庖?guī)定某一方向作為電流的參考方向或正方向。圖1.2 電流的參考方向參考方向的引入： 在分析電路時(shí)，對(duì)復(fù)雜電路中某一段電路里電流的實(shí)際方向有時(shí)很難確定，而且有時(shí)電流的實(shí)際方向還在不斷地改變，因此在電路中很難標(biāo)明電流的實(shí)際方向，為了解決這樣的困難，引入了電流的“參考方向”這一概念。參考方向： 在一段電路或一個(gè)電路元件中事先選定一個(gè)方向，這個(gè)選定的電流方向就叫做電流的參考方向。注（1）電流參考方向可以任意選定 （2）參考方向一經(jīng)選定，在電路分析和計(jì)算過程中，不 能隨意更改電流參考方向的表示：1）用實(shí)線箭頭表示 2）雙下標(biāo)表示，如i

7、AB，其參考方向是由A指向B參考方向與實(shí)際方向的關(guān)系規(guī)定： 若一致，則電流值為正，即 i0 若相反，則電流值為負(fù)，即i0 即可以在選定的電流的參考方向下，據(jù)電流的正負(fù)來確定出某一時(shí)刻電流的實(shí)際方向AB5、電流的連續(xù)性原理在電路中從一個(gè)地方流入多少電流，必同時(shí)從這個(gè)地方流出多少電流。根據(jù)這一原理我們可以得出，同一個(gè)支路電流處處相等。無分支電路的電流處處相等。1.2.2 電壓及其參考方向1.電壓的定義：電路中A、 B兩點(diǎn)間的電壓是單位正電荷在電場(chǎng)力 的作用下由A點(diǎn)移動(dòng)到B點(diǎn)所減少的電能, 即 式中, q為由A點(diǎn)移動(dòng)到B點(diǎn)的電荷量, WAB為移動(dòng)過 程中電荷所減少的電能。 2.電壓的實(shí)際方向：是使正

8、電荷電能減少的方向,。 3.電壓?jiǎn)挝唬簢H單位是伏特, 符號(hào)為V。 常用的有千伏（kV）、 毫伏（mV）、 微伏（V）等。 1KV1000V 1V=1000mV 1V=1000000 V4.電壓的三個(gè)性質(zhì):兩點(diǎn)間的電壓具有唯一值。兩點(diǎn)間電壓只與這兩點(diǎn)間的位置有關(guān)，與電荷 移動(dòng)的路徑無關(guān)。 沿電路中任意一個(gè)閉合回路行走一圈，各段電壓的和恒為零。5.電壓的參考方向： 在分析與計(jì)算電路時(shí), 常可任意規(guī)定某一方向作為電流的參考方向或正方向。注（1）電流參考方向可以任意選定 （2）參考方向一經(jīng)選定，在電路分析和計(jì)算過程中，不 能任意改變。 圖1.3 電壓的參考方向電壓和電流的參考方向：為了分析計(jì)算方便，

9、在計(jì)算過程中習(xí)慣上總是把流經(jīng)一段電路的電流的參考方向和這段電路兩端的電壓參考方向選的一致。這種規(guī)定我們稱為關(guān)聯(lián)參考方向。元件的電壓參考方向與電流參考方向是一致的, 稱為關(guān)聯(lián)參考方向。圖1.4 電流和電壓的關(guān)聯(lián)參考方向1.3 電功率和電能一、電能 定義：電流在電路中做的功。用字母W表示 大?。?單位：kwh（度）二、電功率 定義：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)電流所做的功叫電功率, 簡(jiǎn)稱功率,用 字母P表示 大?。?單位：國際單位是W（瓦特），常用單位還有kw,Mw等如果電流、 電壓選用關(guān)聯(lián)參考方向, 則所得的p應(yīng)看成支路接受的功率, 計(jì)算所得功率為負(fù)值時(shí), 表示支路實(shí)際發(fā)出功率。 如果電流、 電壓選擇非關(guān)聯(lián)參考方

10、向, p應(yīng)看成支路發(fā)出的功率, 即計(jì)算所得功率為正值時(shí), 表示支路實(shí)際發(fā)出功率; 計(jì)算所得功率為負(fù)值時(shí), 表示支路接受功率。 所有元件接受的功率的總和為零。這個(gè)結(jié)論叫做“電路的功率平衡” 例1.1 圖1.5所示為直流電路, U1=4V, U2=-8V, U3=6V, I=4A, 求各元件接受或發(fā)出的功率P1、 P2和P3, 并求整個(gè)電路的功率P。 解 P1的電壓參考方向與電流參考方向相關(guān)聯(lián), 故P1=U1I=44=16W (接受16W)P2和P3的電壓參考方向與電流參考方向非關(guān)聯(lián), 故P2=U2I=(-8)4=-32W (接受32W)P3=U3I=64=24W (發(fā)出24W)整個(gè)電路的功率P,

11、 設(shè)接受功率為正, 發(fā)出功率為負(fù), 故P=16+32-24=24W圖 1.5 例1.1圖1.4 電阻元件和歐姆定律一：電阻 定義：導(dǎo)體對(duì)通過它的電流的阻礙作用成為電阻（原因） 通常用字母R表示電阻。 大?。?單位：國際單位是 ，還有常用的單位是k ,和M 二、歐姆定律 1、定義：流過電阻的電流與加在電阻兩端的電壓成正比，與電阻值成反比 即 R=U/I 2、伏安特性曲線:元件的電流與電壓的關(guān)系曲線叫做元件的伏安特性曲線。線性電阻元件的伏安特性為通過坐標(biāo)原點(diǎn)的直線, 在電流和電壓的關(guān)聯(lián)參考方向下, 線性電阻元件的伏安特性如下圖所示, 圖 1.6 線性電阻的伏安特性曲線例1.2有220V, 100

12、W燈泡一個(gè), 其燈絲電阻是多少？每天用5h, 一個(gè)月（按30天計(jì)算）消耗的電能是多少度？解 燈泡燈絲電阻為一個(gè)月消耗的電能為1.6 基爾霍夫定律 基爾霍夫定律是集中參數(shù)電路的基本定律, 它包括電流定律和電壓定律。為了便于討論, 先介紹幾個(gè)名詞。 （1）支路: 電路中流過同一電流的一個(gè)分支稱為一條支路。 （2）節(jié)點(diǎn): 三條或三條以上支路的聯(lián)接點(diǎn)稱為節(jié)點(diǎn)。 (3) 回路: 由若干支路組成的閉合路徑,其中每個(gè)節(jié)點(diǎn)只經(jīng)過一次, 這條閉合路徑稱為回路。 (4) 網(wǎng)孔: 網(wǎng)孔是回路的一種。將電路畫在平面上, 在回路內(nèi)部不另含有支路的回路稱為網(wǎng)孔。1.6.1 基爾霍夫電流定律（KCL）在集中參數(shù)電路中, 任

13、何時(shí)刻, 流出（或流入）一個(gè)節(jié)點(diǎn)的所有支路電流的代數(shù)和恒等于零, 這就是基爾霍夫電流定律, 簡(jiǎn)寫為KCL。 對(duì)圖 1.11 中的節(jié)點(diǎn)a, 應(yīng)用KCL則有寫出一般式子, 為i=0把式（1.14）改寫成下式, 即i1=i3+i4（1.14）在集中參數(shù)電路中, 任何時(shí)刻, 流入一個(gè)節(jié)點(diǎn)電流之和等于流出該節(jié)點(diǎn)電流之和。 圖1.11 電路實(shí)例KCL原是適用于節(jié)點(diǎn)的, 也可以把它推廣運(yùn)用于電路的任一假設(shè)的封閉面。例如圖1.11所示封閉面S所包圍的電路。1.6.2 基爾霍夫電壓定律（KVL）在集中參數(shù)電路中, 任何時(shí)刻, 沿著任一個(gè)回路繞行一周, 所有支路電壓的代數(shù)和恒等于零, 這就是基爾霍夫電壓定律, 簡(jiǎn)

14、寫為KVL, 用數(shù)學(xué)表達(dá)式表示為（1.16）在寫出式（1.16）時(shí), 先要任意規(guī)定回路繞行的方向, 凡支路電壓的參考方向與回路繞行方向一致者, 此電壓前面取“+”號(hào), 支路電壓的參考方向與回路繞行方向相反者, 則電壓前面取“-”號(hào)。在圖1.11中, 對(duì)回路abcga 應(yīng)用KVL, 有如果一個(gè)閉合節(jié)點(diǎn)序列不構(gòu)成回路, 例如圖1.11中的節(jié)點(diǎn)序列acga,在節(jié)點(diǎn)ac之間沒有支路, 但節(jié)點(diǎn)ac之間有開路電壓uac, KVL同樣適用于這樣的閉合節(jié)點(diǎn)序列, 即有（1.17）將式（1.17）改寫為電路中任意兩點(diǎn)間的電壓是與計(jì)算路徑無關(guān)的, 是單值的。所以, 基爾霍夫電壓定律實(shí)質(zhì)是兩點(diǎn)間電壓與計(jì)算路徑無關(guān)這一性質(zhì)的具體表現(xiàn)。 不論元件是線性的還是非線性的, 電流、電壓是直流的還是交流的, 只要是集中參數(shù)電路,KCL和KVL總是成立的。 例 1.4 試計(jì)算圖 1.12 所示電路中各元件的功率。 解 為計(jì)算功率, 先計(jì)算電流、電壓。 元件 1 與元件 2 串聯(lián), idb=iba=10A, 元件 1 發(fā)出功率。 元件