徐树英《电工学》海南大学教学课件

第1章直流电路,1.1电路的作用与组成部分,1.2电路模型,1.4电压和电流的参考方向,1.5欧姆定律,1.6电源有载工作、开路与短路,1.7基尔霍夫定律,1.8电路中电位的概念及计算,1.3电路的基本物理量,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章直流电路,（1）力能电路,(强电电路),关键技术：降低损耗、提高效率,功率大：供电：107kW；用电：105kW；电压：10106V；电流：1105A,电灯电炉.电动机,光能,机械能,热能,中间环节,负载,起传输和分配电能的作用,供电设备,实现能量的传输和转换,照明电路,动力电路,380V/220V；50Hz,1.1电路的作用与组成部分,（2）信号电路,(弱电电路),关键技术：信号传输质量,（滤波,放大,变换）,信号多样性：音频：16Hz-20kHz；电信：20kHz以上；方波，三角波,功率小：10-3W或更低；电压：几伏；电流：毫安/微安,放大器,中间环节,信号源,负载,电信号转换、放大，传递给扬声器,实现信号的传递和处理,1.2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。,电路模型及其图示,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。,1.3电路的基本物理量,1.电位、电压2.电动势3.电流4.功率,电压及其方向,电压定义：单位正电荷由电路中一点移至另一点时，能量变化的绝对值，用u表示，即udW/dq单位：伏特（V）直流电压：大小和极性不随时间变化，用U表示交变电压：大小和极性随时间变化，常用u表示方向（极性）实际方向：由高电位点（正极）指向低电位（负极）。参考方向：任意选定的电压方向，若与真实方向不一致，则电压值为负。,电位,电场力将单位正电荷从电路中某一点移至参考点时所消耗的电能，也就是在移动中转换成非电形态能量的电能称为该点的电位。在直流电路中用字母V表示。,电位和电压,电位（电势）是一相对物理量，其大小和极性是相对参考点（零电位点）而言。,Va=0V,E1=10V,E2=6V,Vb=E1=10V,Vc=E1+E2=16V,Va=-E1=-10V,Vb=0V,Vc=E2=6V,Uab=VaVb=0-10-10V,电压(电位差）电路中任意两点间的电位差，是一绝对量，不受参考点改变的影响，也与电路路径的选择无关。,Uab=VaVb=-10-0-10V,电位的实质两点间的电位差，其中一点是参考点，其电位预先被指定为零,电流及其方向,定义电流（强度）：单位时间内通过导体横截面的电荷量。单位：安培（A）直流（DC）：大小和方向不随时间变化，用I表示。交流（AC）：大小和方向随时间变化，常用i表示。方向实际方向：定义为正电荷的运动方向，实际难于确定。参考方向：任意选定的电流方向，尽量与真实方向一致。,电流的方向,参考方向,实际方向,参考方向,实际方向,参考方向与实际方向一致I0,参考方向与实际方向相反I0,电源电动势及其方向,电源电动势电源中的非电场力将单位正电荷从电源的负极移至电源的正极所转换而来的电能称为电源的电动势。直流电路用E表示，交流电路用小写e表示。实际方向：电位升高的方向（负极正极）,电源端电压电源正负极间的电位差。直流电路中用US表示。实际方向：电位降低的方向（正极负极）,正电荷流动方向,a点为高电位端,b点为低电位端,电路中的功率,定义单位时间内所转换的电能称为电功率，简称功率。单位：瓦特，简称瓦（W）直流情况下：用P表示。功率值具有正负意义。电源产生的电功率为：PE=EI电源输出的电功率为：Ps=USI负载消耗(取用）的电功率为：PL=ULI注意：负载的大小通常用负载取用的功率的大小来说明。,1.4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,在复杂电路中很难确定电流和电压的实际方向。在分析与计算电路时，对电量任意假定的方向，为参考方向（或正方向）。,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)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1：,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。,(4)关联与非关联的参考方向,同一电路元件，如果规定电流（流过该电路元件的电流）与电压的参考方向一致，则称为关联的参考方向；否则为非关联的参考方向。,电流与电压的参考方向一致，为关联的参考方向；,电流与电压的参考方向不一致，为非关联的参考方向。,1.5欧姆定律,U、I关联的参考方向，,U、I非关联的参考方向，,表达式中有两套正负号：式前的正负号由U、I参考方向的关系确定；,U、I值本身的正负则说明实际方向与参考方向之间的关系。,通常取U、I关联的参考方向。,U=IR,U=IR,解：对图(a)有,U=IR,例2：应用欧姆定律对下图电路列出式子，并求电阻R。,对图(b)有,U=IR,注意：电阻R是恒大于或等于零。,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。,非线性电阻见1.13。,电路元件,无源元件(第二章讲）有源元件实际电压源和理想电压源,实际电流源和理想电流源,1.实际电压源,伏安特性,实际电压源模型,(一)有源元件,理想电压源（恒压源）:RO=0时的电压源.,特点：(1）输出电压不变，其值恒等于电动势。即UabE；,（2）电源中的电流由外电路决定。,恒压源中的电流由外电路决定,设:E=10V,当R1R2同时接入时：I=10A,例3,恒压源特性中不变的是：_,E,恒压源特性中变化的是：_,I,_会引起I的变化。,外电路的改变,I的变化可能是_的变化，或者是_的变化。,大小,方向,+,_,I,恒压源特性小结,E,Uab,a,b,R,2.实际电流源,实际电流源模型,理想电流源（恒流源):RO=时的电流源.,特点：（1）输出电流不变，其值恒等于电流源电流IS；,（2）输出电压由外电路决定。,恒流源两端电压由外电路决定,设:IS=1A,恒流源特性小结,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,Uab的变化可能是_的变化，或者是_的变化。,大小,方向,恒流源举例,当Ib确定后，Ic就基本确定了。在IC基本恒定的范围内，Ic可视为恒流源(电路元件的抽象)。,c,e,b,Ib,+,-,E,+,-,晶体三极管,Uce,Ic,I,E,R,_,+,a,b,Uab=?,Is,原则：Is不能变，E不能变。,电压源中的电流I=IS,恒流源两端的电压,恒压源与恒流源特性比较,Uab的大小、方向均为恒定，外电路负载对Uab无影响。,I的大小、方向均为恒定，外电路负载对I无影响。,输出电流I可变-I的大小、方向均由外电路决定,端电压Uab可变-Uab的大小、方向均由外电路决定,1.6电源有载工作、开路与短路,开关闭合,接通电源与负载,负载端电压,U=IR,特征:,1.6.1电源有载工作,电流的大小由负载决定。,在电源有内阻时，IU。,或U=EIR0,当R00时,则说明U、I的实际方向一致，此部分电路消耗电功率，为负载。,所以，从P的+或-可以区分器件的性质，或是电源，或是负载。,结论,在进行功率计算时，如果假设U、I参考方向一致。,当计算的P0时,则说明U、I的实际方向相反，此部分电路发出电功率，为电源。,例6在图示电路中，已知：I=2A，U1=10V，U2=6V，U3=4V，问哪些元件是电源？哪些元件是负载？,=IU2=26=12W0,=IU3=2（4）=8W0,元件1为电源,=IU1=210=20W0,解：元件1：P1,元件2：P2,元件2为负载,元件3：P3,元件3为负载,例7在图示电路中，US1、US2、I均为正值，问供出功率的电源是哪个？,解：电源US1的功率PUS1=,US1I0,释放功率,电源US2的功率PUS2=,US2I0,吸收功率,电路中供出功率的电源是US1,当电路中电源的电动势和内阻为一定值时，电路中的电流和负载两端的电压以及它消耗的功率都将随着负载大小的变化而不同，电源输出的功率也同样随着负载的变化而变化。,设:E=10V,当R1R2同时接入时：I=10A,例8,3、电气设备的额定值,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)：IPN(设备易损坏),额定工作状态：I=IN，P=PN(经济合理安全可靠),实际当中，电气设备不一定工作在额定值。,额定电压：是电气设备正常工作时的端电压；额定电流：是电气设备在一定环境温度下，长期连续工作，或在规定的时间内，所允许通过而不会引起设备损坏的最大电流。,特征:,开关断开,1.6.2电源开路,1.开路处的电流等于零；I=02.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,1.6.3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:,作业：,JWY-30B型晶体管稳压电源是一种带有两组输出电压为030V分档连续可调的直流稳压电源。其中一组的最大输出电流为1A，问该稳压电源的最大输出功率是多少？若将稳压电源的输出调至30V，让它分别与一额定值为1/8W、1k的电阻R1和一额定值为1W、1k的电阻R2相联接，问在这两种情况下，稳压电源的输出功率为多少？,解：稳压电源的最大输出功率P等于它的最大输出电流与最大输出电压之积。P=301=30W,R1的额定电压11.18V30V，不能接于输出电压调至30V的稳压电源上。U2N大于30V，但能否接到该电源上，还要看接此电阻时是否超过电源的最大输出电流。I2=U2/R2=30/1000=0.03A1A所以不会使稳压电源过载运行，可以接到该稳压电源上。,在电路中，电源输出的功率与电阻消耗的功率相等。所以要计算电源输出的功率，只要计算电阻消耗的功率就可以。,1-7基本定律基尔霍夫定律,电路中电流、电压要受到两种约束：一种约束来自组成电路的元件，即电流和电压必须满足电路元件所具有的电压电流关系；另一种约束来自电路元件的互连方式，因为电路元件之间的互连必然迫使诸元件中的电流之间和诸元件上的电压之间有联系或者说约束，体现这种约束的是基尔霍夫定律。,1.7基尔霍夫定律,支路(Branch)：两个结点之间的每一条分支电路。一条支路流过一个电流，称为支路电流。,结点（Node）：电路中3个或3个以上电路元件的连接点。,回路(Loop)：由支路组成的闭合路径。,网孔(Mesh)：内部不含支路的回路。,例9：,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）,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。,1.7.1基尔霍夫电流定律(KCL定律),表述1：,即:入=出,在任一瞬间，流向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。,=0,对结点a：,I1+I2=I3,或I1+I2I3=0,表述2：在任一瞬时，一个结点上的电流的代数和恒等于零。规定流入结点的电流取正号。反之取负号。,（2）电路中有n个结点，则根据KCL可列出(n-1)个独立的电流方程。,注意：,（1）KCL适用于任何电路；,（3）用KCL解题时，先要取定各支路电流的参考方向。,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。,2推广,I=?,例10:,广义结点,I=0,IA+IB+IC=0,1.7.2基尔霍夫第二定律,又称基尔霍夫电压定律，简记为KVL，是电位的单值性的具体体现，其物理背景是能量守恒公理。,表述一：在任一瞬时，沿任一回路循行方向，回路中各段电压的代数和等于零。,数学表达式：u0；直流时：U0,当电压的参考方向与循行方向相同取正号，反之取负号。,表述二：电源和电阻构成的电路中，在任一回路循行方向上，回路中电阻上电压降的代数和等于电动势的代数和。,在电阻上电压降的代数和当中，电流的参考方向与循行方向相同取正号，反之取负号。,即：IRE;,在电动势代数和当中，电动势的参考方向与循行方向相同取正号，反之取负号。,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。,1.7.2基尔霍夫电压定律（KVL定律),1定律,即：U=0,对回路1：,对回路2：,E1=I1R1+I3R3,I2R2+I3R3=E2,或I1R1+I3R3E1=0,或I2R2+I3R3E2=0,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列方程前标注回路循行方向；,电位升=电位降E2=UBE+I2R2,U=0I2R2E2+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.开口电压可按回路处理,注意：,对回路1：,例11：图1所示电路中，正确的电压方程是,（a）US1R1I1+R3IS=0（b）US2+R3IS+R2I2=0（c）US1R1I1US2R2I2=0,c,b,例13：图示电路中，已知：IS1=4A，IS2=2A，US=6V，R1=R2=3，求A、B间的电压。,解：电阻R1上的电流IR1和两端电压UR1的参考方向如图示。,根据KCL，对结点A列电流方程：,IS2=IS1+IR1,IR1=IS2IS1=24=2A,电阻R1上的电流IR1为：,电阻R1两端电压UR1为：,UR1=IR1R1=23=6V,UAB,=US+UR1=66=0V,例14：图示电路中，已知：R1=R2=1，IS1=1A，IS2=2A，US1=US2=1V，求A、B间的电压UAB。,解：流过电阻R1和R2的电流IR1、IR2和两端电压UR1、UR2的参考方向如图示。,电流IR1和电压UR1为：,IR1=IS1=1AUR1=IR1R1=1,电流IR2和电压UR2为：,IR2=IS2=2A，UR2=IR2R2=2,US1+UR1UR2US2UAB=0UAB=3V,选取回路列电压方程：,1.8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。,1.电位的概念,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)标出各电流和电压的参考方向并计算；(3)计算各点至参考点间的电压即为各点的电位。,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。,2.举例,求图示电路中各点的电位:Va、Vb、Vc、Vd。,解：设a