电工技术--第一章电路的基本概念和基本定律（1）.ppt

,电工技术,理解电路模型及理想电路元件的伏安关系，了解实际电源的两种模型 理解电压、电流的概念及参考方向的意义，电功率的概念及其计算 了解电器设备额定值的意义和电路负载、开路和短路状态的特点 理解并能熟练应用基尔霍夫电流定律和电压定律 理解电位的概念，会分析计算电路中各点的电位,学习要点,第1章 电路的基本概念和基本定律,1.1 电路及电路模型 1.2 电路的基本物理量 1.3 电路元件的伏安关系 1.4 电气设备的额定值与电路的工作状态 1.5 基尔霍夫定律 1.6 电位的概念及计算,第1章 电路的基本概念和定律,1.1 电路及电路模型,(1) 实现电能的传输、分配与转换,(2)实现信号的传递与处理,1.1.1 电路的作用,电路是电流的通路，是为了某种需要由电工设备或电路元件按一定方式组合而成。,1.1.2 电路的组成部分,电源: 提供 电能的装置,负载: 取用 电能的装置,中间环节：传递、分 配和控制电能的作用,直流电源: 提供能源,信号处理： 放大、调谐、检波等,负载,信号源: 提供信息,1.1.2 电路的组成部分,电源或信号源的电压或电流称为激励，它推动电路工作；由激励所产生的电压和电流称为响应。,小结,电路是为了某种需要而将某些电工设备或元件按一定方式组合起来的电流通路。 电路的功能 一：进行能量的转换、传输和分配。 二：实现信号的传递、存储和处理。,电路及其功能,电路的组成,电路由电源、负载和中间环节3部分组成。电源提供电能，负载取用电能，中间环节传递、分配和控制电能。,1.1.3 电路模型,理想元件：将实际元件理想化（模型化），即在一定条件下突出元件主要的电磁性质，忽略次要因素，用一个足以表征其主要特性的理想元件近似表示。理想元件主要有电阻元件、电感元件、电容元件、理想电压源、理想电流源，不能产生能量的元件为无源元件，能产生能量的元件为有源元件。 电路模型：为了便于用数学方法分析电路，由理想元件所组成的电路称为电路模型。,1.1.3 电路模型,手电筒的电路模型,为了便于用数学方法分析电路,一般要将实际电路模型化，用足以反映其电磁性质的理想电路元件或其组合来模拟实际电路中的器件，从而构成与实际电路相对应的电路模型。,例：手电筒,电池,导线,灯泡,开关,手电筒由电池、灯 泡、开关和筒体组成。,理想电路元件主要有电阻元件、电感元件、电容元件和电源元件等。,例1： 手电筒电路,手电筒的电路模型,电池,导线,灯泡,开关,电池是电源元件，其参数为电动势 E 和内阻Ro；,灯泡主要具有消耗电能的性质，是电阻元件，其参数为电阻R；,筒体用来连接电池和灯泡，其电阻忽略不计，认为是无电阻的理想导体。,开关用来控制电路的通断。,今后分析的都是指电路模型，简称电路。在电路图中，各种电路元件都用规定的图形符号表示。,例2热电偶及电路,在工业测量中，广泛的使用热电偶测温仪表。 其基本结构是：用两种不同的金属A和B,相联接，联结点用于感受被测空间温度，称为热端。另一个接点称为冷端。冷端和仪表构成闭合电路。 当两个接点温度不同时，冷端会出现热电动势。这个电势就是一个信号。可以通过中间环节的传递到达仪表，并反映出热端的温度。,1、电流：电荷的定向移动形成电流。 电流大小：单位时间内通过导体截面的电量。,电流方向,电流方向,习惯上，我们规定正电荷移动的方向或负电荷移动的反方向为电流的方向（实际方向），如下图。,大写 I 表示直流电流 小写 i 表示电流的一般符号,1.2 电路的基本物理量,正电荷运动方向规定为电流的实际方向。 电流的方向用箭头或双下标变量表示。 任意假设的电流方向称为电流的参考方向。,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。,2、电压-电场力做功的大小的度量,UAB（伏特）= A（焦耳） / Q（库仑） 电压的方向规定为由高电位端指向低电位端，即为电位降低的方向。 电功: 1J= 1瓦特1秒 =1伏1安1秒=1伏1库仑,电路中某点的电位定义为单位正电荷由该点移至参考点电场力所做的功。,电路中a、b点两点间的电压等于a、b两点的电位差。,电路中a、b点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。,例： 当ua =3V ub = 2V时,u1 =1V,最后求得的u为正值，说明电压的实际方向与参考方向一致，否则说明两者相反。,u2 =1V,电压的实际方向规定由电位高处指向电位低处 与电流方向的处理方法类似， 可任选一方向为电压的参考方向,3、电动势在电源内部，外力将正电荷从B极板移动到A极板。 EBA（伏特）= A（焦耳） / Q（库仑） 电源电动势的方向规定为在电源内部由低电位端指向高电位端，即为电位升高的方向。在表示一个电源时，用端电压U或电动势E表示都是合理的。,电动势是衡量外力即非静电力做功能力的物理量。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。,电动势的实际方向与电压实际方向相反，规定为由负极指向正极。,R,R0,U0,对电量的参考方向（假定正方向）的说明: 左上图的电流方向很好确定，但左下图中，BD两点间R5上的电流方向就难以确定。,US,R4,R3,R2,R1,D,C,B,A,R5,R,（ ）,（ ）,根据这个思想，可以给图中各支路的电流假定一个正方向（如图所示），然后依据所假定的方向，采用后面介绍的支路电流法或其它方法去计算其电流值，如果算出来的电流为正值，则表示假定正确。 反之，为负值则表示实际电流方向与假定方向相反。,US,R4,R3,R2,R1,D,C,B,A,R5,在分析和计算电路时，电压和电流参考方向的假定，原则上是任意的。但为了方便起见，元件上的电压和电流常取一致的参考方向，这称为关联参考方向。,I,R,关联方向,非关联方向,4、电位是度量电路中各点电位能大小的物理量，在数值上它等于电场力将单位正电荷从该点移到参考点所做的功。因此也就是该点到参考点的电压。,2V,1V,10V,20V,A,B,C,D,N,A,B,C,D,E1,E2,E4,E3,R,R,R,R,UAB = VA VB 本例说明:,例：用电位的概念计算电压UAB：,1、参考点选得不同，电路中各点的电位不同；,2、电路中两点间的电压，与参考点选择的位置无关。,5、电能和电功率 电场力所做的功为 A=UQ=UIt 电功率（功率） P=A/t=UI 电源所提供的电能为 AE=EQ=EIt 电源功率（功率） PE=EI 在忽略电源内部能量损耗的条件下， 则P=PE 即U=E 一般情况下： PE= P +P 即E=U+ U,电源中产生的电能经负载等转换为非电能，为了描述能量的转换速率，经常用到另外一个物理量-电功率,R,I,关于功率性质的说明： U、I的参考方向一致 当P=UI 0时，该元件是负载性质，消耗功率。 当P=UI 0时，该元件是电源性质，输出功率。 如果U、I的参考方向不一致，则情况相反。,1. 电路基本物理量的实际方向,小结,对基本物理量规定的方向,电流：,电压：,(1) 参考方向,在分析与计算电路时，对电量任意假定的方向。,2. 电路基本物理量的参考方向,(2) 参考方向的表示方法,实际方向与参考方向一致，电流(或电压)值为正值； 实际方向与参考方向相反，电流(或电压)值为负值。,(3) 实际方向与参考方向的关系,注意： 在参考方向选定后，电流 ( 或电压 ) 值才有正负之分。,例：,若 U = 5V，则电压的实际方向从 a 指向 b；,若 U= 5V，则电压的实际方向从 b 指向 a 。,元件的伏安关系：电路元件的电流和电压之间的关系。元件的伏安关系只与元件本身的性质有关，与电路的结构无关，是分析研究电路的基本依据之一。,1.3 电路元件的伏安关系,1理想电压源,（1）伏安关系,（2）特性曲线与符号,1.3.1 电压源与电流源及等效变换,（2）特性曲线与符号,2理想电流源,（1）伏安关系,1.3.2 实际电源的两种模型,实际电源的伏安特性,或,可见一个实际电源可用两种电路模型表示：一种为电压源Us和内阻Ro串联，另一种为电流源Is和内阻Ro并联。,实际使用电源时，应注意以下3点： （1）实际电工技术中，实际电压源，简称电压源，常是指相对负载而言具有较小内阻的电压源；实际电流源，简称电流源，常是指相对于负载而言具有较大内阻的电流源。 （2）实际电压源不允许短路由于一般电压源的R0很小，短路电流将很大，会烧毁电源，这是不允许的。平时，实际电压源不使用时应开路放置，因电流为零，不消耗电源的电能。 （3）实际电流源不允许开路处于空载状态。空载时，电源内阻把电流源的能量消耗掉，而电源对外没送出电能。平时，实际电流源不使用时，应短路放置，因实际电流源的内阻R0一般都很大，电流源被短路后，通过内阻的电流很小，损耗很小；而外电路上短路后电压为零，不消耗电能。,1. 理想电压源和理想电流源,理想电压源（恒压源）: RO= 0 时的电压源.,特点：(1）输出电 压 U 不变，即 Uab US ；,（2）电源中的电流 I 由外电路决定。,外特性U = f (I),设: E=10V,例,（3）恒压源中的电压 US为 零时，恒压源视为短路。,当R1 R2 同时接入时：I=10A,恒压源特性中不变的是：_ _ _,US,恒压源特性中变化的是：_,I,_ 会引起 I 的变化。,外电路的改变,大小,方向,恒压源两端 可否短路？,否 因为R = 0 时,I 的变化可能是 _ 的变化， 或者是_ 的变化。,理想电流源（恒流源): RO= 时的电流源.,特点：（1）输出电流 I 不变，即 I IS,外 特 性,（2）输出电压U由外电路决定。,设: IS=1 A,R=10 时， U =10 V,（3）恒流源的电流 IS为 零时，恒流源视为开路。,恒流源特性中不变的是：_,Is,恒流源特性中变化的是：_,Uab,_ 会引起 Uab 的变化。,外电路的改变,大小,方向,恒流源两端 可否开路？,否 因为R = 时,Uab的变化可能是 _ 的变化， 或者是 _的变化。,串联电流相同。,电压源中的电流 I= IS,恒流源两端的电压取决外电路,解：,并联电压相同。,电压源中的电流取决外电路,恒流源两端的电压,解：,等效互换的条件：对外的电压电流相等。,I = I Uab = Uab,即：,4. 两种电源的等效变换, 等效互换公式,等效变换的注意事项,(1) 两电路对外等效，外特性一致。,(2) 两内阻相等（Ro =Ro），所接位置不同。,(3) IS流出端对应US的正极“+” 。,(Ro 、Ro不一定必须是电源的内阻。),（4）两电路的内部不等效，其内阻 的压降和内阻的损耗一般不相等。,（5）恒压源和恒流源不能等效互换, 应用举例,(接上页),1.4.1 电气设备的额定值,额定值是制造厂为了使产品能在给定的工作条件下正常运行而规定的正常容许值。额定值有额定电压UN与额定电流IN或额定功率PN 。必须注意的是，电气设备或元件的电压、电流和功率的实际值不一定等于它们的额定值。,1.4 电气设备的额定值及电路工作状态,在实际电路中，所有电气设备和元器件在工作时都有一定的使用限额，这种限额称为额定值。,1、额定电流 为了使电气设备在工作中的温度不超过最高温度，因此通过它的最大容许电流就必须有一个限值。通常把这个限定的电流值称为该电气设备的额定电流，用IN表示。,2、额定电压 为了限制电气设备的电流以及限制绝缘材料所承受的电压，因此允许加在各电气设备上的电压也有一个限值。通常把这个限定的电压值称为该电气设备的额定电压，用UN表示。,开关闭合,接通电源与负载,负载端电压,U = IR,特征:,1.4.2.1 电源有载状态, 电流的大小由负载决定。, 在电源有内阻时，I U 。,或 U = E IR0,当 R0R 时，则U E ，表明当负载变化时，电源的端电压变化不大，即带负载能力强。,1.4.2 电路的工作状态,开关闭合,接通电源与负载。,负载端电压,U = IR,特征:,电源有载状态, 电流的大小由负载决定。, 在电源有内阻时，I U 。,或 U = E IRo,UI = EI IRo,P = PE P,负载 取用 功率,电源 产生 功率,内阻 消耗 功率, 电源输出的功率由负载决定。,负载大小的概念: 负载增加指负载取用的 电流和功率增加(电压一定)。,电源与负载的判别,U、I 参考方向不同，P = UI 0，电源； P = UI 0，负载。,U、I 参考方向相同，P =UI 0，负载； P = UI 0，电源。,1. 根据 U、I 的实际方向判别,2. 根据 U、I 的参考方向判别,电源： U、I 实际方向相反，即电流从“+”端流出， （发出功率）；,负载： U、I 实际方向相同，即电流从“-”端流出。 （吸收功率）。,特征:,开关 断开,1.4.2.2 电源开路状态,1. 开路处的电流等于零； I = 0 2. 开路处的电压 U 视电路情况而定。,电路中某处断开时的特征:,电源外部端子被短接,1.4.2.3 电源短路状态,1. 短路处的电压等于零； U = 0 2. 短路处的电流 I 视电路情况而定。,电路中某处短路时的特征:,例：设图示电路中的电源额定功率PN=22kW ，额定电压UN=220V，内阻R0=0.2，R为可调节的负载电阻。求： （1）电源的额定电流IN； （2）电源开路电压U0C； （3）电源在额定工作情况下的负载电阻RN； （4）负载发生短路时的短路电流ISC。,解：(1)电源的额定电流为：,(2)电源开路电压为：,(3)电源在额定状态时的负载电阻为：,(4)短路电流为：,1.5 电路的基本定律,电路的基本定律主要包括欧姆定律及基尔霍夫定律，这些基本定律阐明了一段电路或整个电路中，各部分电压、电流等物理量之间的关系，是分析电路的理论基础和基本依据。,U、I 参考方向相同时,U、I 参考方向相反时,U = I R,U = IR,一、欧姆定律,流过电阻的电流与电阻两端的电压成正比。用于表述一段电路上的电压、电流的关系。,二、基尔霍夫定律,两个节点之间的电路。,三条或三条以上支路的联接点。,由一条或者多条支路组成的闭合路径。,内部不含支路的回路。,1、电路中的几个术语,结点：,支路：,回路：,网孔：,例1：,ab、bc、ca、 （共6条）,a、 b、c、d (共4个）,abd、 abc、bcd （共3 个）,支路：,结点：,回路：,网孔：,abda、abca、 adbca （共7 个）,R5,I1,R4,A,B,D,C,R3,基尔霍夫电流定律用来确定连接在同一结点上各支路电流之间的相互关系。由于电流的连续性，电路中任何一点（包括结点）均不能堆积电荷，因此： 在任何瞬间流入任一结点的电流总和等于流出该结点的电流总和。,2、基尔霍夫电流定律(KCL定律),入= 出,或: = 0,对结点a：,I1+I2 = I3,或 I1+I2I3= 0,1) 结点中无电荷积累,2) 任何时刻结点中电流代数和为0,3) 流入结点电流之和等于流出结点电流之和,含义：,2、基尔霍夫电流定律(KCL定律),例：求下图各支路中的未知电流,I3,I1=-2A,I2=4A,7A,4A,10A,2A,I2,I1,I3=2A,I1=3A,I2=5A,I1+I2=I3,C,B,A,IC,IB,IA,ICA,IBC,IAB,A：IA=IAB - ICA B：IB=IBC - IAB C：IC=ICA IBC IA+IB+IC = 0 或I=0,可见在任何瞬间通过任意封闭面的电流代数和也等于零,广义结点,推广：适用于广义结点,KVL说明了电路中任一闭合回路中各段电压间的关系。 在任何瞬间电路中任一回路沿循行方向的各段电压的代数和等于零。,3、基尔霍夫电压定律（KVL定律),3、基尔霍夫电压定律（KVL定律),即： U = 0,对回路1：,对回路2：,E1 = I1 R1 +I3 R3,I2 R2+I3 R3=E2,或 I2 R2+I3 R3 E2 = 0,1)沿回路循环一周，回路中各电压的代数和恒等于零。,2)沿回路循