电工学-第1章电路基本概念与分析方法(1)

1、1.1.1 电路 电路是电流的通路，它是为了某种需要由电路是电流的通路，它是为了某种需要由某些电工、电子器件或设备组合而成的某些电工、电子器件或设备组合而成的 。电路的组成：电路的组成：电源、电源、负载负载和导线、开关等。和导线、开关等。实实际际电电路路电电路路模模型型第1章上页下页返回E+SIR电力系统扩音器电路的作用电路的作用实现电能的传输和转换实现电能的传输和转换实现信号的传递和处理实现信号的传递和处理电路的作用上页下页返回第1章电 灯电 炉电动机发电机升 压变压器降 压变压器话筒话筒扬声器扬声器放大器1 1. . 基本物理量基本物理量W、kW、mWV、kV、mV、 VV、kV、mV、

2、VA、mA、 A(用电或供电)电源力驱动正电荷的方向 （低电位低电位 高电位高电位）电位降的方向（高电位高电位 低电位低电位） 正电荷移动的方向 高电位流向低电位PE（直流直流） e（交流交流）U（直流直流） u（交流交流）i（交流）（交流）I（直流直流）物理量物理量单位单位方向方向功率功率电流电流电压电压电动势电动势上页下页返回第1章2. 2. 电压、电流参考电压、电流参考方向方向 在复杂电路中难于预先判断某段电路在复杂电路中难于预先判断某段电路中电流的实际方向，从而影响电路求解。中电流的实际方向，从而影响电路求解。问题问题电流方向ba,ab？abR5R2R1R3R4R6+ + +E1E2E

3、URIab电压、电压、电流实际方向：电流实际方向：上页下页返回第1章 在解题前先任意选定一个方向，称为在解题前先任意选定一个方向，称为参参考方向（或正方向）。考方向（或正方向）。依此参考方向，根据依此参考方向，根据电路定理、定律列电路方程，从而进行电路电路定理、定律列电路方程，从而进行电路分析计算。分析计算。解决方法解决方法: :计算结果为正，实际方向与假设方向一致；计算结果为正，实际方向与假设方向一致；计算结果为负，实际方向与假设方向相反。计算结果为负，实际方向与假设方向相反。 由计算结果可确定由计算结果可确定U、I 的实际方向：的实际方向：上页下页返回第1章解：解：假定假定I I 的的参考

4、方向参考方向如图所示。如图所示。 则：则：abaddb RUEUUUabRUEUIRR（实际方向与参考方向相反！）（实际方向与参考方向相反！） 已知：已知：E =2=2V, , R R =1=1问：当问：当Uab为为1V时，时，I = ?= ?ab121V A1A1UI , ,上页下页返回第1章 例例1.1.11.1.1URE IRabd 假定假定U 、I 的参考方向如图所的参考方向如图所示示，若若 I = -= -3 3A ，E =2=2V , , R =1 Uab= =？（实际方向与参考方向一致）实际方向与参考方向一致）ab( ) I R EU 解解：上页下页返回第1章URE IRabd=

5、-(-(-3）1+2V = 5V 例例1.1.21.1.23.为方便列电路方程，习惯假设I与U 的参 考方向一致（关联参考方向）。 2.2.在解题前，先假定电压电流的“参考方向 ”，然后再列方程求解。当参考方向与实际方向一致时为正，否则为负。上页下页返回第1章 小结小结1.1.电压电流“实际方向”是客观存在的物理现象，“参考方向” 是人为假设的方向 设电路任意两点间的电压为U，电 流为 I , 则这部分电路消耗的功率为3 3 电路功率电路功率如果假设方向不一致怎么办？如果假设方向不一致怎么办？功率有无正负？功率有无正负？问题：问题：上页下页返回第1章bIRUa+ +- -P = UI 若计算的

6、结果若计算的结果P 0, 0, 此部分电路吸收电功率此部分电路吸收电功率 （消耗能量消耗能量）, ,为为负载负载 。 若计算结果若计算结果P 0, , 此部分电路输出电功率此部分电路输出电功率（提供能量提供能量）, ,为为电源电源 。P = U I上页下页返回第1章bIRUa+ +- -已知：U = 10 V, I = 1 A 。按图中 P =10 W (负载性质）假设的正方向列式：P = UI 1 ) P 为为“”表示该元件吸收功率；表示该元件吸收功率； P 为为“” 则表示输出功率。则表示输出功率。2）在同一电路中，电源产生的总功率和负在同一电路中，电源产生的总功率和负 载消耗的总功率是平

7、衡的。载消耗的总功率是平衡的。小结：小结：若：U = 10 V, I = 1 A 则 P =10 W （电源性质）IbaU上页下页第1章返回 例例1.1.31.1.31.2 电阻、电感和电容元件电阻、电感和电容元件1.2.1 电阻元件1.2.2 电感元件 1.2.3 电容元件第1章上页下页返回1.2.4 额定值上页下页第1章返回1.2.1 1.2.1 电阻元件电阻元件电阻（电阻（R）：具有消耗电能特）：具有消耗电能特 性的元件。性的元件。 伏安特性：伏安特性：电阻元件上电压与电流间电阻元件上电压与电流间的关系称为伏安特性。的关系称为伏安特性。212ttdtRiWRuRiuiPRiu22,Riu

8、iu当电压与当电压与电流之间电流之间不是线性函数关系时，不是线性函数关系时，称为非线性电阻。称为非线性电阻。当当 恒定不变时，称为线性电阻恒定不变时，称为线性电阻。iuR iu- -第1章上页下页返回Riu 伏伏- -安安特性曲线特性曲线iu 伏伏- -安安特性曲线特性曲线第1章上页下页返回 实际的金属导体的电阻与导体的尺寸实际的金属导体的电阻与导体的尺寸及材料的导电性能有关。及材料的导电性能有关。SlR式中式中称为电阻率，是表示材料对电流起阻碍称为电阻率，是表示材料对电流起阻碍作用的物理量。作用的物理量。l 是导体的长度，是导体的长度， S 为导体的为导体的截面积。截面积。电阻的单位是欧姆（

9、电阻的单位是欧姆（），千欧（），千欧（k k）。）。第1章上页下页返回几种常见的几种常见的电阻元件电阻元件普通金属普通金属膜电阻膜电阻绕线绕线电阻电阻电阻排电阻排热敏热敏电阻电阻1.2.2 1.2.2 电感元件电感元件 单位单位：H, mH, H单位电流产生的磁链单位电流产生的磁链iiNL 电感：能够存储磁场能量的元件。电感：能够存储磁场能量的元件。上页下页第1章返回L L符号符号iddLiueLt ddddLieLtt 电感元件的基本电感元件的基本 伏伏安关系式安关系式电感元件的基本关系式电感元件的基本关系式iiNL其中：其中：第1章上页下页返回uiL L+ +- -eL+ +- -u =

10、Ld id t电感是一种储能元件电感是一种储能元件，储存的磁场能量为，储存的磁场能量为221iLWL电感元件电感元件在在直流电路中直流电路中d0d0itu相当于一根相当于一根无阻导线无阻导线 ! !ddiuLt第1章上页下页返回第1章上页下页返回 线圈的电感与线圈的尺寸、匝数以及附线圈的电感与线圈的尺寸、匝数以及附近介质的导磁性能等有关。近介质的导磁性能等有关。 对于一个密绕的对于一个密绕的N 匝线圈，其电感可表匝线圈，其电感可表示为示为 式中式中即为线圈附近介质的磁导率（即为线圈附近介质的磁导率（H/m)H/m)，S 为线圈的横截面积（为线圈的横截面积（m m2 2) )，l 是线圈的是线圈

11、的长度（长度（m m）。）。lSNL2第1章上页下页返回几种常见的电感元件几种常见的电感元件带有磁心的电感带有磁心的电感陶瓷电感陶瓷电感铁氧体电感铁氧体电感 1.2.3 1.2.3 电容元件电容元件uqCC 相当于相当于开路开路! !电容元件在电容元件在 直流电路中直流电路中：电容：具有存储电场能量特性的元件电容：具有存储电场能量特性的元件。dudt= =0i = 0第1章上页下页返回uiCi = Cd ud t电容元件的基本 伏安关系式i =d ud tCd qd t= 电容是一种储能元件，电容是一种储能元件，储存的电场能量为：储存的电场能量为：221uCWC第1章上页下页返回 电容器的电容

12、与其极板的尺寸及其间介电容器的电容与其极板的尺寸及其间介质的介电常数有关。质的介电常数有关。式中式中即为其间介质的介电常数（即为其间介质的介电常数（F/m)F/m)，S 为极板的面积（为极板的面积（m m2 2) )，d 是极板的距离（是极板的距离（m m）。）。dSC第1章上页下页返回几种常见的几种常见的电容器电容器普通电容器普通电容器电力电容器电力电容器电解电容器电解电容器理想元件的伏安关系理想元件的伏安关系第1章上页下页返回iRudtdiLu dtduCi R L Cu = Rii = Cd ud tu = Ld id t（u与与i参考参考方向一致）方向一致）第1章上页下页返回1.2.4

13、 电气设备的额定值任何电气设备的电压、电流和功率都有一定的限额，额定值是电气设备的最合理的使用值。额定转速额定转速 nN额定电压额定电压 UN额定电流额定电流 IN额定功率额定功率 PN负载设备通常工作于额定状态。* * 电源设备的额定功率标志着电源的供电能力，是长期运行时允许的上限值。* *电源输出的功率由外电路决定，不一定等于电源的额定功率。* *1.3 1.3 有源电路元件有源电路元件 1.3.1 理想电压源和理想电流源1.3.2 实际电源模型及等效互换下页上页返回第1章US+_ _(a) 符号符号USU0I理想电压源理想电压源(c) 外特性曲线外特性曲线(b) 电压源电路电压源电路IR

14、LUS+_U特特点点： 1.1.输出电压恒定不变或随时间变化输出电压恒定不变或随时间变化us(t) 2. 2.输出电流由负载的大小决定输出电流由负载的大小决定特特点点： 1.1.输出电流恒定不变或随时间变化输出电流恒定不变或随时间变化is(t) 2. 2.端电压由负载的大小决定端电压由负载的大小决定RLIUIS(c) 电压源电路电压源电路IS(a) 符号符号U0I理想电流源理想电流源IS(b) 外特性曲线外特性曲线分析：分析：IS 固定不变固定不变, , US 固定不变。固定不变。USIRU上页下页第1章返回IsU=?IUS+ +- -R所以：所以： I = Is, , 已知已知：Is ，US

15、 ，R 问：问：I 等于等于多少？多少？U 又等于多少？又等于多少？例例1.3.1解：解：1. Uab = US , 2. 若若R 减小为减小为1 1，电流源的功率不变！电流源的功率不变！电压源的功率电压源的功率 IUs = I Is=3A 增大！增大！P = USIUs = 12WI = US R=4A 上页下页第1章返回为什麽？为什麽？ 已知：已知：Is ，US ，R0试分析：试分析：例例1.3.2US+bRIsIIUsa- -1A4V2I = US R=4 2 =2A2.2.若使若使R 减小为减小为1 1，I I 如何如何变？两个电源的功率如何变？变？两个电源的功率如何变？1.1.I 等

16、于多少？等于多少？1.3.2 1.3.2 实际电源的模型实际电源的模型1.1.实际电源的模型实际电源的模型电源模型电源模型电压源模型电压源模型电流源模型电流源模型具有相同的外特性具有相同的外特性ISUS下页上页第1章返回IU 实际电源实际电源实际电源的外特性的外特性IUORba2.2.电压源模型电压源模型U = US -IR0-外特性方程外特性方程第1章下页上页返回IR+ +U- -USR0+外特性曲线外特性曲线IUUSUSR0 O3.3.电流源模型电流源模型I = IS-IR0-外特性方程外特性方程上页下页第1章返回外特性曲线外特性曲线baIR+ +U- -R0IR0IsUIISO1.3.3

17、 1.3.3 两种电源的等效互换两种电源的等效互换上页下页返回第1章URLI 电源IUS+UR0IsR0UI等效互换条件等效互换条件U = UsIR0U = IR0R0 = IsR0 I R0 = ( Is I ) R0上页下页第1章返回IUS+UR0IsR0UIIUIR0 Us = R0 = R0 IsR0电压源模型电压源模型 电流源模型电流源模型电流源模型电流源模型 电压源模型电压源模型R0USIs =R0 = R0US = Is R0 R0 = R0下页上页第1章返回IUS+UR0IsR0UIIsR0UIIUS+UR02）所谓“等效”是指“对外电路”等效（即对外电路的伏安特性一致），对于

18、电源内部并不一定等效。例如，在电源开路时：1）电压源模型与电流源模型互换前后电流的 方向保持不变，即IS和Us方向一致。R0 不消耗能量 消耗 能量R0 上页下页第1章返回说明说明IUS+UR0IsR0UI 基尔霍夫基尔霍夫定律是电路作为一个整体所服从定律是电路作为一个整体所服从的基本规律，它阐述了电路各部分电压或各部的基本规律，它阐述了电路各部分电压或各部分电流相互之间的内在联系。分电流相互之间的内在联系。 基尔霍夫电流定律基尔霍夫电流定律( (KCL) )( (KirchhoffKirchhoffs Current Laws Current Law) )基尔霍夫电压定律基尔霍夫电压定律(

19、(KVL) )( (KirchhoffKirchhoffs Voltage Laws Voltage Law) )返回名词注释：名词注释：支路：支路：连接两个结点之间电路。同一支路流过电流相同。连接两个结点之间电路。同一支路流过电流相同。回路：回路：电路中任一闭合路径称为回路。电路中任一闭合路径称为回路。支路支路：acb, ab, adb(acb, ab, adb(b=3）回回路路：adbca,abca,abda (adbca,abca,abda (L=3）结点结点：a, b,(a, b,(n=2）结点：结点：三个或三个以上电路元件的联结点三个或三个以上电路元件的联结点。网孔：网孔：单孔单孔回

20、路。回路。网孔网孔（m=2）aUS1dbc_+R1_+R2R3US2US1返回4231IIII依据依据 ：电流的连续性。电流的连续性。04231IIII内容内容 ：在任何电路中，任何结点在任何电路中，任何结点上的所有支路电流的代数和在任何上的所有支路电流的代数和在任何时刻都等于零。即时刻都等于零。即 I1I2I3I4表明联接电路中同一结点处各支路电流之间的关系表明联接电路中同一结点处各支路电流之间的关系返回i入入i出出 i0广义结点广义结点 包围部分电路的任意封闭面 基尔霍夫基尔霍夫电流定律电流定律的的扩展应用扩展应用 -用于包围部分电路的任意封闭面用于包围部分电路的任意封闭面I1 =I3+ I6R5US5US1I1d_aR6I3bc_+R1+_+R4R3R2US6I6返回I = ?KCL的扩展应用举例IsR2R3US2+_R4US1+_R1II = 0返回定律定律: :在任何电路中，任一回