电工学第七版第一章电路的基本概念

电工学-电工技术,绪论,电工学是高等学校非电专业的一门实践性较强的技术基础课程。随着现代化建设的进行，各行各业都朝着电气化、自动化的方向发展。所以，非电专业的工程技术人员和科研人员都必须掌握一定的电感与电子技术方面的知识，以便逐步掌握这些先进技术，使本专业能适应科学技术的发展。学习电工学的目的：使学生学到电工和电子技术的基本理论、基本知识和基本技能，培养学生自学能力，动手能力，使用电子设备的能力。为学习后续课程以及将来从事技术工作和科学研究打下基础。电工学的基本内容：电路电机与控制电子技术,电路：是电工学课程的基础，通过这一部分的学习，使学生掌握电路的基本概念、基本定律、基本的分析方法。电机与控制：使学生了解电动机的结构、工作原理和工作性能、熟悉控制电器及由控制电器构成的控制线路。电子技术：使学生掌握二、三极管的特性以及由它们构成的整流电路和放大电路的工作原理和特性，数字电路的工作原理和特性。学习方法：三大环节,通过课堂教学：掌握基本概念、基本定律、工作原理、分析方法。公式与电路与特性曲线对应，看电路列公式，学会分析电路。通过做一定数量的习题，培养分析和解决问题的能力、计算能力，理解和巩固课堂上所学的知识。要求：绘图用尺、标明单位、书写工整，培养良好的学习习惯。通过做实验培养动手能力，学会正确使用常用的电子仪器和电工仪表，培养工作能力。,电工技术,第一章电路的基本概念与基本定律,第二章电路的分析方法,第五章三相电路,第七章交流电动机,第十章继电接触器控制系统,第三章电路的暂态分析,第六章磁路与铁心线圈电路,第十二章安全用电,电工学(上),第四章正弦交流电路,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欧姆定律,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,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。,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,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。,1.2电路模型,都是由一些按需要起不同作用的实际电路元件或器件组成，如发电机，变压器。,为了便于对实际电路进行分析，将实际元件理想化，突出主要电磁特性，忽略次要性质，这样的电路元件称为理想电路元件。例如，白炽灯,忽略其电感性,认为是电阻元件。,电阻元件只具耗能的电特性,电容元件只具有储存电能的电特性,理想电压源输出电压恒定，输出电流由它和负载共同决定,理想电流源输出电流恒定，两端电压由它和负载共同决定,电感元件只具有储存磁能的电特性,电池,开关导线,灯泡,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；,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。,电源,负载,负载,实体电路,S,中间环节,电路模型,小灯泡电路:,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)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。,U、I参考方向相同（关联参考方向）时，,U、I参考方向相反（非关联参考方向）时，,U=IR,U=IR,通常取U、I参考方向相同（即关联参考方向）。,1.4欧姆定律,解：对图(a)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)有,U=IR,注意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。,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。,电路元件在电路中的作用或者说它的性质是用其端电压、电流关系即伏安关系（VAR）来决定的。,1.5电源有载工作、开路与短路,开关闭合,接通电源与负载（即通路）。,负载端电压,U=IR,特征:,回路中电流的大小由负载决定。,在电源有内阻时，IU。,或U=EIRo,P=PEP,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。,UI=EIIRo,1.5.3电源有载工作,电源的外特性,当R0R时，则UE，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。,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)。,U,+,I,P,电源输出的电流和功率由负载的大小决定,S1,S2,S3,电源与负载的判别,U、I参考方向不同，P=-UI0，负载；P=-UI0，电源。,U、I参考方向相同，P=UI0，负载；P=UI0，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）。,电源与负载的判别,例,已知：图中UAB=3V，I=2A,解P=UI=(2)3=6W,求：N的功率，并说明它是电源还是负载,因为此例中电压、电流的参考方向相同,而P为负值，所以N发出功率，是电源。,想一想，若根据电压电流的实际方向应如分析？,电气设备的,额定值:电气设备在给定的工作条件下正常运行时而规定的正常允许值。,电气设备的三种运行状态,轻载(欠载)：IPN(设备易损坏),额定工作状态（满载）：I=IN，U=UN，P=PN(经济合理安全可靠),额定值与实际值,特征:,开关断开（空载）,1.5.2电源开路,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,1.5.3电源短路,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:,几个常用的电路名词,m=3,l=3,n=2,1.支路：电路中流过同一电流的几个元件串联的分支。（m）(一条支路流过一个电流，称为支路电流。),2.结点：三条或三条以上支路的汇集点（连接点）。（n）,3.回路：由支路构成的、电路中的任意闭合路径。(l）,4.网孔：指内部不包含任何分支的单一回路。网孔是回路，回路不一定是网孔。平面电路的每个网眼都是一个网孔。,网孔=2,1.6基尔霍夫定律,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),即:入=出,1.,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。,2.KCL推广应用,仍有I=0,IA+IB+IC=0,可见，在任一瞬时，通过任一闭合面的电流的代数和也恒等于零。,对A、B、C三个结点应用KCL可列出：,IA=IABICA,IB=IBCIAB,IC=ICAIBC,上列三式相加，便得,广义结点,I=?,I=0,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恒等于零。,1.6.2基尔霍夫电压定律（KVL定律),1定律,即：U=0,在任一瞬时，从回路中任一点出发，沿回路循行一周，则在这个方向上的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+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。,4.开口电压可按回路处理,注意：,对回路1：,3.电路中任意两点间的电压等于两点间任一条路径经过的各元件电压的代数和。,2.KVL推广应用于假想的闭合回路,根据KVL:U=0可列出,UAB=UAUB,UAUBUAB=0,例1：,对网孔abda：,对网孔acba：,对网孔bcdb：,R6,I6R6I3R3+I1R1=0,I2R2I4R4I6R6=0,I4R4+I3R3E=0,对回路adbca，沿逆时针方向循行：,I1R1+I3R3+I4R4I2R2=0,应用U=0列方程,对回路cadc，沿逆时针方向循行：,I2R2I1R1+E=0,例2：图示电路，已知US1=12V，US2=3V，R1=3，R2=9，R3=10，求Uab。,解：由KCLI3=0，I1=I2,由KVLI1R1I2R2=US1,由KVL,解得：,解得：,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。,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为参考点，即Va=0V,Vb=Uba=106=60VVc=Uca=420=80VVd=Uda=65=30V,设b为参考点，即Vb=0V,b,a,Uab=106=60VUcb=E1=140VUdb=E2=90V,结论：,(1)参考点具有单一性和任意性,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)电路中任意两点间的电压值(即两点的电位差)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,例：电路如图所示，则A点的电位VA为（）(a)12V(b)-12V(c)-6V,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=I