1.电路的基本概念与定律ppt课件

1 电工电子技术课程性质 专业基础课考核 闭卷考试学时 80学分 2 教材 电工与电子技术 陶桓齐华中科技大学出版社 包括 1 电工学2 模拟电子技术3 数字电子技术4 电机学5 自动控制原理 3 上篇电工技术 电工与电子技术 4 第1章电路的基本概念与定律 5 本章基本要求 1 了解电压与电流参考方向的意义 2 掌握电路的基本定律并能正确应用 3 熟悉电路的有载工作 开路与短路状态 理解电功率和额定值的意义 4 掌握电路中各点电位的计算 第1章电路的基本概念与定律 6 第1章电路的基本概念与定律 1 1电路的基本概念 1 2电路的模型与理想元件 1 3电压的基本状态 1 4基尔霍夫定律 1 5电路中电位的概念及计算 1 6电阻的串联与并联 本章教学内容 7 第1章电路的基本概念与定律 1 电路的基物理量的理解 2 电压 电流的参考方向 3 基尔霍夫定律及其应用 本章难点 参考方向与实际方向的确定 负载与电源的判断 基尔霍夫电压定理应用 本章重点 8 1 1电路的基本概念 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电路的作用与组成 1 电路的作用 提供电流的通路 9 2 电路的组成 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 包含激励源 负载 中间环节三部分 本课程主要讨论激励与负载之间的特性和关系 1 1电路的基本概念 10 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 2 电路的组成 电源与负载关系 称为激励与响应的关系 1 1电路的基本概念 11 1 物理学对 电 的基本物理量规定的正方向 1 1 2电路的基本物理量 1 1电路的基本概念 电压U 电流I 电动势E 12 2 参考方向的表示方法 电流 电压 1 参考方向 也称关联方向 在分析与计算电路时 对未知电量任意选定的方向 2 电路物理量的参考方向 1 1电路的基本概念 13 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 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 1电路的基本概念 14 手电筒的电路模型 电路模型应能足以反映实际电路的电磁性质 电池 中间环节 灯泡 开关 例 手电筒由电池 灯泡 开关和筒体组成 导线 1 2电路的模型与理想元件 电路模型 理想元件与中间环节组成的电路称为实际电路的电路模型 1 2 1电路的模型 实际电路具有复杂的电磁特性 将其模型化 便于对电路的数学分析 15 手电筒的电路模型说明 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 电路模型简称电路图或电路 电路中 各种理想电路元件都用规定的图形符号表示 称为电路符号 1 2电路的模型与理想元件 16 实际电路元件一般具有3个基本特性 1 供能特性 提供能量 一般用电动势表示 2 耗能特性 消耗能量 一般用电阻表示 3 储能特性 储存能量 一般用电感 电容表示 实际元件 电源 负载等 具有复杂的电磁特性 1 2电路的模型与理想元件 1 2 2电压源与电流源 理想电路元件 只具有单一电磁特性的电路元件 是实际电路元件特性的科学抽象 理想元件 电源 电动势 电阻 电感 电容等 17 1 电压源 电压源模型 电压源模型 可由电动势E和内阻R0的串联表示 简称电压源 1 2电路的模型与理想元件 电源是提供能量的理想元件 又称为有源元件 分为电压源和电流源两种 2 电流源 电流源模型 可由恒电流IS和内阻R0的并联表示 简称电流源 电流源模型 18 1 电阻元件 描述消耗电能的性质 根据欧姆定律 即电阻元件上的电压与通过的电流成线性关系 线性电阻 金属导体的电阻与导体的尺寸及导体材料的导电性能有关 表达式为 表明电能全部消耗在电阻上 转换为热能散发 电阻的能量 电阻 电感和电容被称为理想无源元件 1 2 3电阻 电感和电容元件 1 2电路的模型与理想元件 19 描述了通电线圈产生磁场 储存磁场能量的性质 1 L的物理意义 2 电感元件 线圈的电感与线圈的尺寸 匝数以及附近的介质的导磁性能等有关 1 2电路的模型与理想元件 20 自感电动势 eL具有阻碍电流变化的性质 根据基尔霍夫定律可得 2 1 2电路的模型与理想元件 21 将上式两边同乘上i 并积分 则得 即电感将电能转换为磁场能储存在线圈中 当电流增大时 磁场能增大 电感元件从电源取用电能 当电流减小时 磁场能减小 电感元件向电源放还能量 磁场能 3 电感的储能 理想电感不消耗能量 只储存磁场能量 是储能元件 1 2电路的模型与理想元件 22 描述了在两个相互结缘的极板上加上电压后 则极板两端分别聚集起等量异号的电荷 在介质中建立起电场 并储存电场能量的性质 电容 电容器的电容量C与极板的尺寸及极板间介质的介电常数等关 当电压u变化时 在电路中产生电流 1 2电路的模型与理想元件 3 电容元件 1 23 3 电容储能 将上式两边同乘上u 并积分 则得 即电容将电能转换为电场能储存在电容中 当电压增大时 电场能增大 电容元件从电源取用电能 当电压减小时 电场能减小 电容元件向电源放还能量 电场能 2 电容电流为 是电压的微分 1 2电路的模型与理想元件 因此 理想电容也是储能元件 24 1 3电路的基本状态 有载状态 开关闭合 电源与负载接通的状态 负载端电压 U IR 1 电压与电流关系 1 3 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 电路的状态包括电源的有载工作 开路和短路等三种状态 25 在电源有内阻时 U E IRo 所以 UI EI I Ro 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 2 功率状况与功率平衡 P UI PE EI P I Ro P PE P 负载取用功率 电源产生功率 内阻消耗功率 1 3电路的基本状态 26 3 电源与负载的判别 U I参考方向不同 而数值计算P UI 0 电源 而数值计算P UI 0 负载 U I参考方向相同 而数值计算P UI 0 负载 而数值计算P UI 0 电源 根据U I的实际方向判别 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 从 端流入 发出功率 负载 U I实际方向相同 即电流从 端流入 从 端流出 吸收功率 1 3电路的基本状态 27 4 电气设备的额定值与实际值 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 1 3电路的基本状态 28 特征 开路状态 开关断开 1 3 2电源开路 开路处的电流等于零 I 0 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 1 3电路的基本状态 29 短路状态 电源外部被短接 1 3 3电源短路 特征 短路处的电压等于零 U 0 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 3电路的基本状态 30 1 4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点 回路 由支路组成的闭合路径 网孔 内部不含支路的回路 名词解释 电路 分析和计算电路的基本定律 31 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 判断电路的支路 节点 回路 网孔数 1 4基尔霍夫定律 32 1 4 1基尔霍夫电流定律 KCL定律 1 定律的描述 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 电流连续性的体现 或 0 对结点a I1 I2 I3 或I1 I2 I3 0 基尔霍夫电流定律 KCL 反映了电路中任一结点处各支路电流间相互制约的关系 1 4基尔霍夫定律 33 电流定律可以推广应用于包围部分电路的任意一个闭合面 2 定律的推广 I 例 广义结点 I 0 IA IB IC 0 1 4基尔霍夫定律 34 或描述为 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 4 2基尔霍夫电压定律 KVL定律 1 定律的描述 即 U 0 在任一瞬间 从回路中任一点出发 沿回路循行一周 则在这个方向上电位升之和等于电位降之和 对回路1 对回路2 E1 I1R1 I3R3 I2R2 I3R3 E2 或I1R1 I3R3 E1 0 或I2R2 I3R3 E2 0 1 4基尔霍夫定律 35 电位升 电位降E2 UBE I2R2 U 0I2R2 E2 UBE 0 电压定律可以推广应用于开路部分的电路 开口电压可按回路处理 对回路1 1 4 2基尔霍夫电压定律 KVL定律 2 定律的推广 1 4基尔霍夫定律 36 列方程前标注回路循行方向 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 注意 1 4 2基尔霍夫电压定律 KVL定律 3 定律的应用说明 基尔霍夫电压定律 KVL 反映了电路中任一回路中各段电压间相互制约的关系 1 4基尔霍夫定律 37 例2 1 对网孔abda 2 对网孔acba 3 对网孔bcdb R6 I6R6 I3R3 I1R1 0 I2R2 I4R4 I6R6 0 I4R4 I3R3 E 0 4 对回路adbca 沿逆时针方向循行 I1R1 I3R3 I4R4 I2R2 0 应用 U 0列方程 5 对回路cadc 沿逆时针方向循行 I2R2 I1R1 E 0 1 4基尔霍夫定律 38 1 5电路中电位的概念及计算 电位 电路中某点到参考点间的电压 记为 VX 通常设参考点的电位为零 1 电位的概念 2 电位的计算 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电流和电压 3 计算各点至参考点间的电压即为各点的电位 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 39 2 举例3 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 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 解 1 5电路中电位的概念及计算 40 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 1 5电路中电位的概念及计算 41 电路如下图所示 1 零电位参考点在哪里 画电路图表示出来 2 当电位器RP的滑动触点向下滑动时 A B两点的电位增高了还是降低了 解 1 电路如左图 零电位参考点为 12V电源的 端与 12V电源的 端的联接处 当电位器RP的滑动触点向下滑动时 回路中的电流I减小 所以A电位增高 B点电位降低 2 VA IR1 12VB IR2 12 例4 1 5电路中电位的概念及计算 42 1 6电阻的串联与并联 1 6 1电阻的串联 各电阻一个接一个地顺序相联 1 串联概念 2 电路 3 特性 2 等效电阻等于各电阻之和 1 各电阻中通过同一电流 3 各电阻上电压的分配与电阻成正比 43 1 6 1电阻的串联 两电阻串联时的分压公式 R R1 R2 4 应用 降压 限流 调节电压等 1 6电阻的串联与并联 44 1 6 2电阻的并联 2 等效电阻的倒数等于各电阻倒数之和 3 并联电阻上电流的分配与电阻成反比 1 并联概念 各电阻联接在两个公共的结点之间 1 各电阻两端的电压相同 2 电路 3 特性 1 6电阻的串联与并联 45 两电阻并联时的分流公式 4 应用 分流 调节电流等 1 6 2电阻的并联 1 6电阻的串联与并联 46 电阻星形联结与三角形联结的等效变换 电阻 形联结 Y 等效变换 电阻Y形联结 47 等效变换的条件 对应端流入或流出的电流 Ia Ib Ic 一一相等 对应端间的电压 Uab Ubc Uca 也一一相等 经等效变换后 不影响其它部分的电压和电流 电阻星形联结与三角形联结的等效变换 48 据此可推出两者的关系 电阻星形联结与三角形联结的等效变换 49 电阻星形联结与三角