前沿及电路的基本概念与基本定律(机电).ppt

,河海大学常州校区,第一章 电路的基本概念与定律,第三章 电路的时域分析,第二章 电路分析方法,第四章 正弦交流电路,第五章 三相交流电路,第六章 变压器与安全用电,课程性质:,技术基础课,服务对象:,非电专业,课程特点：,内容丰富， 技术更新快， 紧密联系实际， 应用非常广泛。,本课是非电专业一切电类后续课程的基础。非电类专业学生学习电工学重在应用，应具有将电工和电子技术应用于本专业和发展本专业的一定能力，加深对世界的认知程度。,主要教学环节,教学形式: 课堂上，多媒体授课； 课后，网上查寻 。,考核形式: 作业完成情况、点名情况 小测试 考试,第一章 电路的基本概念与定律,介绍概念:,什么是电路 ?,电路元件?,电路模型?,电路参数 ?,参考方向?,什么是,什么是,KCL ?,KVL ?,第三节 电路变量及其参考方向,第六节 基尔霍夫定律,第七节 电位的计算,第四节 电路的工作状态,第五节 电路元件,电路的作用： 实现电能的传输和转换，（作用之一）,电路的结构形式和所完成的任务多种多样的，举例1：,电路的组成：电源、负载、中间环节三部分,电路就是电流所通过的路径；是由电路器件(例如晶体管)和电路元件(例如电容、电感、电阻等）相互连接而成，具有传输电能、处理信号、测量、控制、存储等功能。,电源：将非电能转换成电能的装置， 例如：发电机、干电池,负载：将电能转换成非电能的装置， 例如：电动机、电炉、灯,中间环节：连接电源和负载的部分，其传输和分 配电能的作用。例如：输电线路,举例2：（电子电路，即信号电路）,电路的作用之二：传递和处理信号。,最简单的电路是由 电源、负载、中间环节构成的。 下面的就是这个简单电路和电路模型：,可以看到电流的通路：,电压源,中间环节,负 载,电池,中间环节,负载,实际电路,电路模型,实际的电路是很复杂的，本书只讨论 电路模型 而非实际电路本身。,比如上图的电池等效成了电压源；而 灯泡等效成了电阻。,电容,电感,电压源,电流源,它 从复杂实际电路等效而来, 是由电路元件构成的。,电阻,1、电流：,在导体中，自由电子在电场力的 作用下做有规则的移动形成电流。,正电荷移动的方向为电流的实际方向,规定：,电路理论中涉及的电路变量通常有：,2、电压：,电场力把单位正电荷由A 搬到B 所做的功,表示为 UAB,也叫电压降或电位差,单位 伏特 V,1V=1000mV ,1mV=1000V,与电压代表的意义相同，可以说电位是电压的一种特例。,定义：,A 点的电位是A 点与参考点间的电压，记做UA,方向为从A 至B,电场力将单位正电荷从电源的低电位点移到高电位点所做的功。,电动势用E 表示，实际方向为电位升的方向，与电压方向相反。,电压？,电位？,电动势？,电压？,电位？,电动势？,电压、电压降、电位差、电位、电动势,它们的相同点,它们的区别,单位相同 都是 伏特 （V）,仅电动势的方向与其它的相反,3. 电功率,注意电压的名称,电功率与电压和电流密切相关。当正电荷从元件上电压的“+”极经元件移至“-”极时，电场力要对电荷作功，这时，元件吸收能量；反之，正电荷从“-”极到“+”极时，电场力作负功，元件向外释放能量。,功率用 p 来表示,p(t) =u(t) i(t),单位为 W 、mW 、 kW,定义,电功率的计算,在直流 电路中,I,U1 发出功率,U2 吸收功率,U1与I 方向相反,U2与I 方向相同,在电路中， 功率是平衡的,记住喽！,电源与负载的判别,方法一： 由电压电流的实际方向判别（如图） 电源：和的实际方向相反，电流从电源 “+”端流出，发出功率 负载：和的实际方向相同，电流从电源 “+”端流入，取用功率,4. 参考方向,物理量的方向：,实际方向： 物理中对电量规定的方向。,参考方向： 在分析计算时，对电量人为规定的方向。,电路分析中的参考方向,问题的提出：在复杂电路中难于判断元件中物理量 的实际方向，电路如何求解？,电流方向 AB？,电流方向 BA？,(1) 在解题前先设定一个方向，作为参考方向；,解决方法,(3) 根据计算结果确定实际方向： 若计算结果为正，则实际方向与假设方向一致； 若计算结果为负，则实际方向与假设方向相反。,(2) 根据电路的定律、定理，列出物理量间相互关 系的代数表达式；,已知：E=2V, R=1 问： 当U分别为 3V 和 1V 时，IR=?,E,IR,R,a,b,+,_,例1,(3) 为了避免列方程时出错，习惯上把 I 与 U 的方向 按相同方向假设。,(1) “实际方向”是物理中规定的，而“参考方向”则 是人们在进行电路分析计算时, 任意假设的。,(2) 在以后的解题过程中，注意一定要先假定物理量 的参考方向，然后再列方程 计算。 缺少“参考方向”的物理量是无意义的.,提示,电流参考方向,I,如此确定电流,才有如此的电压,I,UAB,UAB,方法二： 由 U、 I 参考方向判别：,(1)当U和I参考方向选择一致的前提下,()当U和I参考方向选择不一致的前提下,在图示电路中, Uab = 5V ，I2A， 求: (1) 各个元件的功率; (2) 这段电路上的总功率.,例2,解:,(吸收）,(吸收）,(吸收）,(吸收）,（发出）,Uab = 5V ，I2A,A,1,4, +,10V,I,R1,R2,E1,E2,B,+ ,5V,图中五个元件代表电源或负载。参考方向如图所示。已知：I1=4A、I2=6A、U1=140V、U2=90V、U3=60V、U4=80V、U5=30V。 （1）试标出各电流和电压的实际方向；（2）判断哪些元件是电源，哪些是负载；（3）计算各元件功率。,U,I,电流、电压同相 负载 电流、电压反相 电源,元件1、2 电源 元件3、4、5 负载,P1=140V(4)A560W P2( 90)V6A540W P4(80)V4A320W P530V6A180W P3(560 + 540320180)W 600W,例3,从a 到b,从b 到a,有源元件上 自有方向,电压源,电流源,在这一节里要弄懂电路变量和变量的参考方向。,伏安特性,一、电源有载工作 （开关和上）,1. 电压与电流 关系,R0R时，UE,单位：w、Kw,式中： PE=EI-是电源产生的功率 P=R0I2-是电源内阻上所损耗的功率 P=UI-是电源输出的功率,2. 功率与功率平衡,4. 额定值与实际值,额定值概念：在实际电路中，电气设备的电压、电流 都有一个额定值，它是制造厂家综合考虑了用电设备的 工作能力、运行性能、经济性、可靠性及其使用寿命等 命等因素制定的。电路中通常以UN、IN、PN表示。 在使用时，电压、电流、功率的实际值不一定等于它 们的额定值。,二、电源开路（开关断开）,I=0 U=U0=E P=0,PE=0 ， P=0,三、电源短路,U=0 I=IS=E/R0 P=0 PE=P=R0I2,无源电路元件： 电阻 R 、 电感 L 、 电容 C,这里介绍,1. 电阻,文字符号： R,图形符号：,（灯泡、电炉等均可视为电阻）,当电压和电流取关联参考方向时，任何时 刻它两端的电压和电流关系服从欧姆定律,u =R i,伏安关系：,功率情况：,p=ui,直流电路中：,永远消耗功率,2. 电容,文字符号：,图形符号：,伏安关系：,功率情况：,C,p=ui,3. 电感,文字符号：,图形符号：,伏安关系：,功率情况：,L,p=ui,实际电感线圈,支路（Branch）：,电路中的每一条分支。,节点 （Node） ：,三条以上支路的汇节点。,回路（ Loop）：,由支路构成的闭合路径。,6条支路 - b=6 4个节点 - n=4 7个回路 - L=7,该电路拥有,1.6.1,基尔霍夫定律,基尔霍夫电流定律（Kirchhoffs Current Law）,基尔霍夫电压定律（Kirchhoffs Voltage Law）,简称 KCL,简称 KVL,KCL内容：,KVL内容：,对任意节点，任意时刻，,对任意闭合回路，任意时刻，沿一定方向绕行一周，各元件上电压降 的代数和为零。,流入（或流出）该节点 的电流代数和为零。,1.6.2,基尔霍夫电流定律（KCL）详解,KCL的依据：电流的连续性,例如在下图节点中可以根据KCL列写方程：,流入为正流出为负,1.6.2,定律内容 i =o,KCL还可适用于任意封闭的面，对下面封闭面可列方程：,I1 +I2 -I3 =0,I=?,I=0,标出图中未知电流大小。,2A 8A,3A,3,4,6A,1A,5A,例4,基尔霍夫电压定律（KVL）详解,回路#1,回路#2：,回路#3：,第3个方程不独立,1.6.2,对下图中各回路列写方程：,1必须明确回路绕行的方向，取顺时针方向或 逆时针方向。,R2I2 US2 +Uab=0,3. 绕行的回路也可以不经过支路,以图中回路1为例：,2电压的方向是电压降的方向。电压方向和回路循行方向相同取正号，相反则取负号。,这里Uab是 ab之间的电压，ab之间没有支路。,注意：,R2I2 US2 +Uab=0,这里Uab是 ab之间的电压，ab之间没有支路。,将这个式子可以写为,Uab= US2 R2I2,这表明两点之间的电压与路径无关。在有些情况下，利用这一点可以比较方便的计算两点之间的电压。,US1,b,+,a,+ ,R1,+ ,US2,R2,_,d,e,例 右图中US1=12V，US2=8V。求Ude ?,解：两点之间电压与路径无关，沿图示路径计算电压Ude,Ude= US1+ US2 = 12+8= 4(V),基尔霍夫电流方程：,节点a：,节点b：,独立方程只有 1 个,基尔霍夫电压方程：,独立方程只有 2 个,1.6.2,设：电路中有N个节点，B个支路,N=2、B=3,小 结,1.6.2,说明:上述两定律适用于任何变化的电压和电流。,已知E1=7V，E2=16V，E3=14V，R1=16 R2=3，R3=9。求：K打开时，Uab=？ K闭合时，I3=？,1、K打开，I3=0 UR3=0,E1+Uab+E3E2= 0 Uab=714+16=9V,2、K闭合，Uab=0 E1+E3E2 + I3R3= 0 I3=(E1E3 + E2) R3 =99=1A,例5,图示电路：求U和I。,解：,3+1-2+I=0，I= -2（A）,U1=3I= -6（V）,U+U1+3-2=0，U=5（V）,例6,节点电位的概念：,电压的概念：两点间的电压就是两点的电位差,某点电位值是相对的，参考点选得不同，电路中其它各点的电位也将随之改变； 电路中两点间的电压值是固定的，不会因参考点的不同而改变。,注意：电位和电压的区别,举例,求图示电路中各点的电位:Va、Vb、Vc、Vd 。,设 a为参考点， 即Va=0V,Vb=Uba= 106= 60V Vc=Uca = 420 = 80 V Vd =Uda= 65 = 30 V,设 b为参考点，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,电位在电路中的表示法,参考电位在哪里？,图示电路，计算开关S 断开和闭合时A点 的电位VA,解: (1)当开关S断开时,(2) 当开关闭合时,电路 如图（b）,电流 I2 = 0， 电位 VA = 0V 。,电流 I1 = I2 = 0， 电位 VA = 6V 。,例7,5k,+12V,5k,S,10k,B,A,求S闭合和断开时A B点的电位,S打开时 UA=UB=12V S闭合时 UA=UB=(12/15)5V=4V,解：,例8,a,0V,应用举例,（1）电路中某一点的电位等于该点与参考点（电位为零）之间的电压； （2）参考点选的不同，电路中各点的电位值随着改变，但是任意两点间的电压值是不变的。所以各点电位的高低是相对的，而两点间的电压是绝对的,电位小结,第一章 电路的基本概念和定律,学习要点,本章学习要点是理解和掌握下