电工学基础从零开始.ppt

第1章电路的基本概念与基本定律 1 1电路的作用与组成部分 1 2电路模型 1 3电压和电流的参考方向 1 4 1 5电源有载工作 开路与短路 1 6基尔霍夫定律 1 7电路中电位的概念及计算 本章要求 1 理解电压与电流参考方向的意义 2 理解电路的基本定律并能正确应用 3 了解电路的有载工作 开路与短路状态 理解电功率和额定值的意义 4 会计算电路中各点的电位 第1章电路的基本概念与基本定律 1 1电路的作用与组成部分 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 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 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 电路分析 就是在已知电路的结构和元件参数的条件下 讨论电路的激励与响应之间的关系 电路分析与设计的区别 电路分析 已知电路结构 得到电路的功能 应用电路仿制 没有知识产权 电路设计 按照客户的要求 构建电路 使之实现相应的功能 创新的工作 往往有知识产权 1 2电路模型 如何理解模型 模型往往是用数学的方法将研究对象理想化 使之反映事物的主要矛盾 电路模型化 为了便于用数学方法分析电路 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 理论上的分析都是模型的分析 如何理解 理想 套用哲学的术语 理想的过程就是保留主要矛盾 舍去次要矛盾的过程 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 例 如一个白炽灯 一般将它理想化为纯电阻 当实际上它还有少量的电感和电容存在 只是这些于电阻相比是次要矛盾 可以忽略 另外在模拟电路中 同一个电路在不同的工作环境下 如高频或低频 它的模型也不一样 主要也是矛盾发生了变化 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 它由理想元件组成 在电路图中 各种电路元件都用规定的图形符号表示 1 3电压和电流的参考方向 物理中对基本物理量规定的方向 1 电路基本物理量的实际方向 2 参考方向的表示方法 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 实际方向与参考方向一致 电流 或电压 计算值为正值 实际方向与参考方向相反 电流 或电压 计算值为负值 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 若I 5A 则电流从a流向b 例 若I 5A 则电流从b流向a 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 1 4欧姆定律 关联 结论 对欧姆定律而言 在电压与电流处于关联时 取正号 不关联时取负号 U IR U IR 电压与电流关联 电压降方向和电流方向一致 反之不关联 上述的方向是指参考方向 关联 不关联 解 对图 a 关联 有 U IR 例 应用欧姆定律对下图电路列出式子 并求电阻R 对图 b 不关联有 U IR 电路端电压与电流的关系称为伏安特性 遵循欧姆定律的电阻称为线性电阻 它表示该段电路电压与电流的比值为常数 线性电阻的概念 线性电阻的伏安特性是一条过原点的直线 这个是电阻模型 另外也提供了一种测量电阻的方法 即伏安法 1 5电源有载工作 开路与短路 图中电阻R为负载 R0为电源内阻 根据负载电阻R的不同将电源分为三种工作状态 1 有载 0 R 2 开路 R 往往用开关断开来实现 3 短路 R 0 K 1 5电源有载工作 开路与短路 有载 0 R 负载端电压 U IR 或U E IR0 特征 1 5 1电源有载工作 电流的大小由负载决定 在电源有内阻时 I U 当R0 R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 对应外特征曲线越平 负载端电压 U IR 特征 1 5 1电源有载工作 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 I Ro 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 负载大小和电阻大小是不同概念 问题 为什么当线路上并入许多电灯时 电灯会变暗 电源会发热 电源与负载的判别 U I参考方向相关联时 P UI 非关联时 P UI 当P 0时 负载 当p 0时 电源 讨论课文p18 1 5 4 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 端流入 吸收功率 U 1 电源U E1 U1 E1 R01I E1 U R01I 220 0 6 5 223V 2 负载U E2 U2 E2 R02I E2 U R02I 220 0 6 5R01 217V 解 E2I 1085W R01I2 15W R02I2 15W 负载取用功率 电源产生的功率 负载内阻损耗功率 电源内阻损耗功率 电气设备的额定值 一般下标为N 额定值 电气设备在正常运行时的规定使用值 电气设备的三种运行状态 欠载 轻载 I IN P PN 不经济 过载 超载 I IN P PN 设备易损坏 额定工作状态 I IN P PN 经济合理安全可靠 特征 开关断开 R 1 5 2电源开路 1 开路处的电流等于零 I 02 开路处的电压U E 电路中某处断开时的特征 电源外部端子被短接 R 0 1 5 3电源短路 1 短路处的电压等于零 U 02 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 1 6基尔霍夫定律 支路 电路中的每一个分支 一条支路流过一个电流 称为支路电流 结点 三条或三条以上支路的联接点 如a b 回路 由支路组成的闭合路径 如 cabc abda cadba c d 例1 支路 ab bc ca 共6条 回路 abda abca adbca 共7个 结点 a b c d 共4个 网孔 abd abc bcd 共3个 1 6 1基尔霍夫电流定律 KCL定律 应用于节点 1 定律 即 入 出 在任一瞬间 流入任一结点的电流等于流出该结点的电流 实质 节点不能存储电荷 或 0 对结点a I1 I2 I3 或I1 I2 I3 0 注意 上面的流入和流出都是指电路的参考方向 电流定律可以推广应用于包围部分电路的任一假设的闭合面 在任何一个时刻 流过任何一个闭合面的电流的代数和为0 2 推广 从节点到闭合面 例 广义结点 IA IB IC 0 1 问题 如果这个闭合面中包含电源 是不是还满足Si 0 左图式 1 可以用基尔霍夫节点电流定理来证明 1 6 2基尔霍夫电压定律 KVL定律 应用于回路 1 定律 即 U 0 U是指参考方向 对回路1 对回路2 E1 I1R1 I3R3 I2R2 I3R3 E2 或I1R1 I3R3 E1 0 或I2R2 I3R3 E2 0 在任一瞬间 沿任一回路循行方向 回路中各段电压的代数和恒等于零 1 列方程前标注回路循行方向 电位升 电位降E2 UBE I2R2 U 0I2R2 E2 UBE 0 2 应用 U 0列方程时 项前符号的确定 如果规定电位降取正号 则电位升就取负号 3 开路电压可按回路处理 就认为在此处连上了一个阻值为无穷大的电阻 注意 对回路1 解 应用基尔霍夫电压定律列出EB RBI2 UBE 0得I2 0 315mAEB RBI2 R1I1 US 0得I1 0 57mA 应用基尔霍夫电流定律列出I2 I1 IB 0得IB 0 255mA 例 如图 RB 20K R1 10K EB 6VUS 6V UBE 0 3V 试求电流IB I2及I1 例 对网孔abda 对网孔acba 对网孔bcdb R6 I6R6 I3R3 I1R1 0 I2R2 I4R4 I6R6 0 I4R4 I3R3 E 0 对回路adbca 沿逆时针方向循行 I1R1 I3R3 I4R4 I2R2 0 应用 U 0列方程 对回路cadc 沿逆时针方向循行 I2R2 I1R1 E 0 1 7电路中电位的概念及计算 电位 电路中某点至参考点的电压 记为 VX 通常设参考点的电位为零 对电位而言 整个电路就一个参考点 对电压来说 参考点是相对的 电位与电压的关系 某一点a的电位Va的大小等于a点与电位参考点r的电压Uar 类似海拔高度 电位 与相对地面的高度 电压 1 电位的概念 某点电位为正 说明该点电位比参考点高 某点电位为负 说明该点电位比参考点低 1 7电路中电位的概念及计算 电位的计算步骤 1 任选电路中某一点为参考点 设其电位为零 2 标出各电流参考方向并计算 3 计算各点至参考点间的电压即为各点的电位 2 举例 求图示电路中各点的电位 Va Vb Vc Vd 解 设a为参考点 即Va 0V Vb Uba 10 6 60VVc Uca 4 20 80VVd Uda 6 5 30V 设b为参考点 即Vb 0V Va Uab 10 6 60VVc Ucb E1 140VVd Udb E2 90V b a Uab 10 6 60VUcb E1 140VUdb E2 90V Uab 10 6 60VUcb E1 140VUdb E2 90V 结论 1 电位值是相对的 参考点选取的不同 电路中各点的电位也将随之改变 2 电路中两点间的电压值是固定的 不会因参考点的不同而变 即与零电位参考点的选取无关 借助电位的概念可以简化电路作图 解 I1 I2 E1 R1 R2 6 4 2 1AI3 0VA R3I3 E2 R2I2 0 4 2 1 2V 或VA R3I3 E2 R1I1 E1 0 4 4 1 6 2V 例1 如图已知 E1 6VE2 4VR1 4 R2 R3 2 求A点电位VA 例1 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