电工基础第1章 电路的基本概念和基本定理ppt课件

.,电工基础,.,1.1电路和电路模型1.2电路的主要物理量1.3电阻元件1.4电容元件和电感元件1.5电压源，电流源1.6受控源1.7基尔霍夫定律（KCL、KVL）,本章主要内容,.,一、电路的定义及功能定义：电路是由电路元(器)件按一定要求连接起来的电流的通路。,1.1电路和电路模型,.,电路的基本功能：实现电能的传输和分配或者电信号的产生、传输、处理加工及利用。,电路的组成：电路主要由电源、负载、中间环节（导线、和开关等）构成。,.,二、理想电路元件,在一定条件下对实际器件加以理想化,只考虑其中起主要作用的某些电磁现象。,电阻元件是一种只表示消耗电能的元件。电感元件是表示其周围空间存在着磁场而可以储存磁场能量的元件。电容元件是表示其周围空间存在着电场而可以储存电场能量的元件。,.,三、电路模型实际电路可以用一个或若干个理想电路元件经理想导体连接起来模拟,这便构成了电路模型。,.,1.2电路的主要物理量,一、电流,带电粒子（电子、离子等）的定向运动,称为电流。单位时间内通过导体横截面的电荷量定义为电流强度，简称电流，用符号i或i（t）表示，即,1.电流的定义,国际单位制(SI)中，电荷的单位是库仑(C)，时间的单位是秒(s)，电流的单位是安培，简称安(A)，实用中还有毫安(mA)和微安(A)等。,.,当电流的大小和方向都不随时间变化时,称为直流电流。直流电流常用英文大写字母I表示。,当电流的大小和方向都随着时间而变化的电流,称为交流电流,常用英文小写字母i表示。,2.电流的种类,.,3.电流的方向,参考方向-参考方向可任选，在电路图中用箭头表示。如果电流的真实方向与参考方向一致，电流为正值；如果两者相反，电流为负值。电流值的正与负，在设定参考方向的前提下才有意义。,习惯上把正电荷运动的方向规定为电流的方向。,.,例如图所示，各电流的参考方向已设定。已知I1=10A,I2=2A,I3=8A。试确定I1、I2、I3的实际方向。,解：I10,故I1的实际方向与参考方向相同，I1由a点流向b点。I20,故I3的实际方向与参考方向相同，I3由b点流向d点。,.,在直流电路中，测量电流时，应根据电流的实际方向将电流表串入待测支路中，如图所示，电流表两旁标注的“+”“”号为电流表的极性。,3.直流电流的测量,.,二、电压,电路中A、B两点间的电压是单位正电荷在电场力的作用下由A点移动到B点所减少的电能,即,电压的SI单位是伏特,符号为V。常用的有千伏（kV）、毫伏（mV）、微伏（V）等。,1.电压的定义,.,大小和方向都不随时间变化的直流电压,用大写字母U表示。交流电压,用小写字母u表示。,2.电压的种类,3.电压的方向,电路中，规定电位真正降低的方向为电压的实际方向。,电压参考方向，就是假设电位降低之方向。,.,两点间电压数值的正与负，在设定参考方向的条件下才是有意义的。,元件的电压参考方向与电流参考方向是一致的,称为关联参考方向,.,4.直流电压的测量在直流电路中，测量电压时，应根据电压的实际极性将直流电压表并联跨接在待测支路两端。,如图所示，若Uab=10V，Ubc=3V，测量这两个电压时应按图示极性接入电压表。电压表两旁标注的“+”、“”号分别表示电压表的正极性端和负极性端。,.,三、电位,在电路中任选一点,叫做参考点,则某点的电位就是由该点到参考点的电压。,即两点间的电压等于这两点的电位的差,如果已知a、b两点的电位各为Va,Vb,则此两点间的电压为：,.,例：在图中，各方框泛指元件。已知I1=3A,I2=2A,I3=-1A,Va=10V，Vb=8V，Vd=-3V。(1)欲验证I1、I3数值是否正确，问电流表在图中应如何连接?并标明电流表极性。(2)求Uab和Ubd，若要测量这两个电压，问电压表如何连接?并标明电压表极性。,.,解：(1)验证I1、I2数值的电流表应按图(b)所示串入所测支路，其极性已标注在图上。,(2)Uab=VaVb=108=2VUbd=VbVd=8(3)=11V或Ubd=VbVd=VbVa+VaVd=Uba+Uad而Uba=VbVa=810=2VUad=VaVd=10(3)=13V故Ubd=Uba+Uad=2+13=11V,以上用两种思路计算所得结果完全相同，由此可得两条重要结论：(1)两点之间的电压等于这两点之间路径上的全部电压的代数和；(2)计算两点间的电压与路径无关。,.,结论：电路中电流数值的正与负与参考方向密切相关，参考方向设的不同，计算结果仅差一负号。电路中各点电位数值随所选参考点的不同而改变，但参考点一经选定，那么各点电位数值就是惟一的。电路中任意两点之间的电压数值不因所选参考点的不同而改变。,求电位，则必须要有参考点，没有参考点，谈论电位数值大小是没有意义的。,.,四、电动势,非静电力把正电荷从负极经电源内部移送到正极所做的功与被输送的电荷量的比值，叫做电源的电动势，用字母E表示。如果被移送的电荷量为q非静电力做的功为W，那么电动势为：,电动势的单位跟电位、电压的单位相同，是V每个电源的电动势是由电源本身决定的，跟外电路的情况没有关系。它和电流一样有规定的方向。即规定自负极通过电源内部到正极的方向为电动势的方向。,.,五、功率,1.电功率的定义图(a)所示方框为电路中的一部分a、b段，图中采用了关联参考方向，设在dt时间内，由a点转移到b点的正电荷量为dq，ab间的电压为u，在转移过程中dq失去的能量为：,正电荷失去能量，也就是这段电路吸收或消耗了能量，因此，ab段电路所消耗的功率为：,在直流电路中，,.,2.电功率的单位及P为正负时的意义在SI中功率的单位为瓦特，简称瓦(W)。实用中还有千瓦(kW)，毫瓦(mW)等。需要强调的是：在电压电流符合关联参考方向的条件下，如图(a)所示，一段电路的功率代表该段电路消耗的功率，当P为正值时，表明该段电路消耗功率；当P为负值时，则表明该段电路向外提供功率，即产生功率。如果电压、电流不符合关联参考方向，如图(b)所示，则结论与上述相反。,.,3.电能,在直流电路中，,电能的SI主单位是焦耳,符号为J,在实际生活中还采用千瓦小时（kWh）作为电能的单位,简称为1度电。,电路中所有元件接受的功率的总和为零。这个结论叫做“电路的功率平衡”。,.,例在图中，方框代表电源或电阻，各电压、电流的参考方向均已设定。已知I1=2A,I2=1A,I3=1A,U1=7V,U2=3V,U3=4V,U4=8V,U5=4V。求各元件消耗或向外提供的功率。,.,解元件1、3、4的电压、电流为关联方向，P1=U1I1=72=14W(消耗)P3=U3I2=41=4(提供)P4=U4I3=8(1)=8(提供)元件2、5的电压、电流为非关联方向。P2=-U2I1=-32=-6W(提供)P5=-U5I3=-4(1)=4W(消耗)电路向外提供的总功率为4+8+6=14W电路消耗的总功率为14+4=18W计算结果说明符合能量守恒原理，因此是正确的。,.,1.3电阻元件,一、电阻元件及伏安特性,电阻元件是一个二端元件,它的电流和电压的方向总是一致的,它的电流和电压的大小成代数关系。,1.线性电阻及其伏安特性曲线电流和电压的大小成正比的电阻元件叫线性电阻元件。元件的电流与电压的关系曲线叫做元件的伏安特性曲线。线性电阻元件的伏安特性为通过坐标原点的直线,这个关系称为欧姆定律。,.,线性电阻元件有两种特殊情况值得注意:一种情况是电阻值R为无限大,电压为任何有限值时,其电流总是零,这时把它称为“开路”;另一种情况是电阻为零,电流为任何有限值时,其电压总是零,这时把它称为“短路”。,二、非线性电阻元件,.,压敏电阻,贴片电阻,热敏电阻,水泥电阻,滑线电阻,电位器,碳膜电阻,.,二、欧姆定律,如果线性电阻元件的电流和电压的参考方向不关联,则欧姆定律的表达式为,U=RI在式中，R是一个与电压和电流均无关的常数,称为元件的电阻。在SI中，电阻的单位为欧姆，简称欧()。常用单位还有千欧(k),兆欧(M)等。,在电流和电压关联参考方向下,任何瞬时线性电阻元件接受的电功率为,.,1.4电容元件和电感元件,一、电容元件,1.电容元件的基本概念电容元件是一个理想的二端元件,它的图形符号如图所示。,电容的SI单位为法拉,符号为F;1F=1CV。常采用微法（F）和皮法（pF）作为其单位。,.,2.电容元件的ui关系,3。电容元件的储能,在电压和电流关联的参考方向下,电容元件吸收的功率为：,电容元件吸收的电能为：,.,例图（a）所示电路中,电容C0.5F,电压u的波形图如图（b）所示。求电容电流i,并绘出其波形。（略）,解由电压u的波形,应用电容元件的元件约束关系,可求出电流i。当0t1s,电压u从均匀上升到10V,其变化率为：,.,当1st3s,5st7s及t8s时，电压u为常量,其变化率为：,当7st8s时,电压u由10V均匀上升到,其变化率为：,故电流为：,（略）,.,4.电容的串、并联,（1）电容的并联,电容越并越大,.,（2）电容的串联,电容越串越小,.,例已知电容C1=4F,耐压值UM1=150V,电容C2=12F,耐压值UM1=360V。（1）将两只电容器并联使用,等效电容是多大？最大工作电压是多少？（2）将两只电容器串联使用,等效电容是多大？最大工作电压是多少？,其耐压值为,（2）将两只电容器串联使用时,等效电容为,解（1）将两只电容器并联使用时,等效电容为,耐压取二者中小的,.,例已知电容C1=4F,耐压值UM1=150V,电容C2=12F,耐压值UM1=360V。（1）将两只电容器并联使用,等效电容是多大？最大工作电压是多少？（2）将两只电容器串联使用,等效电容是多大？最大工作电压是多少？,其耐压值为,（2）将两只电容器串联使用时,等效电容为,解（1）将两只电容器并联使用时,等效电容为,耐压取二者中小的,.,求取电量的限额。,求最大工作电压。,或,.,电解电容,钽电容,.,二、电感元件,1、电感元件的基本概念,自感磁链,称为电感元件的自感系数,或电感系数,简称电感。,磁通,.,线圈的磁通和磁链,线性电感元件,.,电感SI单位为亨利,符号为H;1H=1WbA。通常还用毫亨（mH）和微亨（H）作为其单位,它们与亨的换算关系为,2.电感元件的ui关系,.,3.电感元件的储能,在电压和电流关联参考方向下,电感元件吸收的功率为从t0到t时间内,电感元件吸收的电能为,.,若选取t0为电流等于零的时刻,即i(t0)=,从时间t1到t2,电感元件吸收的能量为,.,例：电路如图（a）所示,L=200mH,电流i的变化如图（b）所示。（1）求电压uL,并画出其曲线。（2）求电感中储存能量的最大值。（3）指出电感何时发出能量,何时接受能量？,略,.,略,.,解（1）从图（b）所示电流的变化曲线可知,电流的变化周期为3ms,在电流变化每一个周期的第1个1/3周期,电流从0上升到15mA。其变化率为在第个1/3周期中,电流没有变化。电感电压为uL=0。在第个1/3周期中,电流从15mA下降到0。其变化率为,略,.,电感电压为所以,电压变化的周期为3ms,其变化规律为第1个1/3周期,uL=3V;第2个1/3周期,uL=0;第3个1/3周期,uL=-3V。（2）从图（b）所示电流变化曲线中可知,略,.,（3）从图（a）和图（b）中可以看出,在电压、电流变化对应的每一个周期的第1个1/3周期中,第2个1/3周期中,第3个1/3周期中,所以,该电感元件能量的变化规律为在每个能量变化周期的第1个1/3周期中,p0,电感元件接受能量;第2个1/3周期中,p=0电感元件既不发出能量,也不接受能量;第3个1/3周期中,p0，表示电路消耗功率；P0，表示电路提供功率。电路中某点到参考点之间的电压就是该点的电位，其计算方法与计算电压相同。2.电压源、电流源和电阻它们都是电路中的基本二端元件，电压源的端电压总是定值US或一定的时间函数；电流源的电流总是定值IS或一定的时间函数。电压源和电流源都是分