《电工技术》课件 项目1 基本电参量的分析和测量

电路和电路模型目录CONTENT1电路的组成和功能2电路模型Part1电路的组成和功能电路——电流流通的路径。一个完整的电路，由电源、负载、中间环节(开关或导线）按一定方式组成。负载中间环节电源S定义组成负载中间环节电源R+–电池开关电灯手电筒的电路原理图电源：给电路提供电能的设备。如发电机、电池等。负载：使用电能的设备。如电灯、电炉、电动机等。中间环节：将电源和负载联接成一个电流通路。如连接导线、开关、控制和保护设备等。1.是进行能量的转换、传输和分配（强电）升压变压器输电线降压变压器电灯电动机电炉...用户发电机电源电路按功能分类交流电的传输与转换2.是实现信号传递、处理或存储（弱电）发射设备输入变换器信道送话器扬声器干扰发信源收信者输出变换器接受设备通信系统原理框图Part2电路模型为了简化分析和计算,在一定条件下，突出实际电路元件的主要电磁性质，把实际电路元件近似地看作理想电路元件。元件主要是储存磁场能量或储存电场能量的，就可以用“电感元件”或“电容元件”来表示。像干电池、发电机等，它们主要是供给能量的，用“电压源”来表示；理想电路元件如，电阻器、灯泡、电炉等，它们主要是消耗电能的，用“电阻元件”来表示；电阻电容电感电源LRC+-Us实际电路元器件理想电路元器件的模型符号常用的理想电路元件及其图形符号元件名称图形符号元件名称图形符号电阻电池电感理想电源电容理想电流源s手电筒的电路手电筒电路模型图右图手电筒电路模型图，不仅简化了电路的画法，更重要的是，由于电路中只包含为数不多特性比较简单的理想元件，使电路的分析大大简化。用规定的电路符号表示各种理想元件而得到的电路模型图称为电路原理图，简称电路图。Part3电路的工作状态电路的工作状态

有载状态开路状态短路状态RL+–SRSACUsBDU2+–U1+–开关S闭合后，电源与负载接通，电源向负载输出电流和功率，电路开始能量的输送和转换。RL+–SRSACUsBDU2+–U1+–定义一、有载工作状态负载增加指用电器的数量增多时它的等效电阻减小，电源输出的电流和功率将随之增大，称为电路的负载增大。反之，称负载减小。电气设备和元器件在正常运行时规定的使用限额。电路中的电流为I＝Us/(Rs＋RL)

当Us、Rs一定时，电流由负载电阻RL的大小决定。RL+–SRSACUsBDU2+–U1+–电路中的电流负载大小的概念电气设备的额定值表示方法：额定值是考虑可靠性、经济性和使用寿命等制定的。用带下标“N”表示。如UN、IN和PN。①满载：电气设备工作在额定工作状态，称为满载。（即I=IN

，P=PN）②过载：设备超过额定值的工作状态称为过载。（即I>IN

，P>PN

）③欠载：设备低于额定值的工作状态称为欠载。（即I<IN

，P<PN

）此时不经济，浪费。缩短电气设备的使用寿命。三种运行状态此时经济合理安全可靠。当开关S未接通或连接导线断开时，电路处于开路状态，这时电源的工作状态为空载状态。（1）电流I＝0

（2）电源的端电压＝电源的电动势（3）电源的输出功率P1和负载所吸收的功率P2均为0，电源对外不输出电流。U1=UOC+–IRL+–RSACUsBDU2+–U1=Us=UOCP1＝U1I=0P2＝U2I=0空载电压或开路电压定义特征二、开路工作状态当电源两端输出端钮A、B或C、D由于导线绝缘损坏、操作不慎等原因相接触时，电源被短路。（1）电源中的电流最大，外电路输出电流为0。（2）电源和负载的端电压均为0。ISCRSRL+

-UsU1+

-U2BD

-AC+IISC＝US/RSU1＝Us－RSISC=0短路电流定义特征三、短路工作状态（3）电源所发出的功率全部耗在内阻上。电路短路时，电源温度迅速上升，可能烧毁电源和电气、造成机械上的损坏，是严重事故，必须力求避免。实际电路中必须有熔断器或其他自动保护装置。ISCRSRL+

-UsU1+

-U2BD

-AC+IP

＝USISC＝US2/RS=ISC2RS如图所示，已知，US=24V，RS=0.16Ω,连接导线的电阻Rl=0.22Ω，负载电阻RL=4.2Ω，求：①电路在正常工作情况下的电流I；②当负载两端发生短路时，电源中通过的电流I′；③当电源两端发生短路时，电源中通过的电流I"。解：①正常工作情况下的电流为IRSRL+

-UsU1+

-U2BD

-AC+I例思考电路在电力系统和电信系统中主要起什么作用？电路的基本物理量目录CONTENT1电流2电压3电动势4电压电流参考方向Part1电流其数值等于单位时间内通过导体横截面的电荷量。用i表示q——电荷量，单位C（库仑）t——时间，单位s（秒）i——电流，单位A（安培）电流常用单位还有：kA（千安）、mA（毫安）、µA（微安）等。它们之间的关系为：电流大小正电荷运动的方向为电流的实际方向。直流电流，用大写字母“I”表示；对变化的电流，用小写字母“i”表示。对于直流，可写为恒定电流：大小和方向都不随时间改变的电流，简称直流（DC）。电流方向abababIab参考方向Iba实际方向实际方向参考方向当不知道电流的实际方向时，先任意选取一个方向作为电流的方向并标注在电路图上。这个任意选取的方向就称为参考方向。Iab=-Iba电流的参考方向除用箭头在电路图上表示外，还可以用双下标表示，用Iab表示其参考方向由a指向b。用Iba表示其参考方向由b指向a。显然，两者相差一个负号，即电流参考方向Part2电压UAB＝单位正电荷在电场力的作用下，由A点经外电路到B点电场力所做的功。单位正电荷q从电路中一点移至另一点时电场力做功的大小。Wab——单位是J（焦耳）uab——电压，单位V（伏特）规定电场力移动正电荷的方向为电压的实际方向。实际正方向电压大小电压的常用单位还有：kV（千伏）、mV（毫伏）、µV（微伏）等。它们之间的关系为：在假设的电压参考方向下，若经计算得出电压为正值，说明所设参考方向与实际方向一致；若经计算得出电压为负值，说明所设参考方向与实际方向相反。两点间电压的标法用“+”、“-”极性表示；还可以用双下标表示，如Uab表示电压的参考方向由a指向b。ababUabUba参考方向Uab=-Uba实际方向实际方向参考方向电压参考方向a.关联参考方向b.非关联参考方向i+-U+-iU①电流、电压的实际方向是客观存在的，不会因为参考方向选取的不同而改变。②在对电路进行分析计算时，电流、电压必须首先选取其参考方向，并标明在电路图上，再对电路进行分析计算。③电流、电压的参考方向可以任意假定，参考方向选取的不同，算出的电流、电压值相差一个负号，大小并不改变。a.关联参考方向b.非关联参考方向i+-U+-iU④参考方向一经选定，在电路的整个分析计算过程中就不能再有任何变动。⑤虽说电流、电压的参考方向可以任意选定，但为了分析方便，常将同一元件上的电流和电压的参考方向选成一致，称为关联参考方向，如(a)图所示。反之，为非关联参考方向，如(b)图所示。1关联参考方向求电压电流2非关联参考方向U=IR=3*2=6V（a）I=-U/R=-20/8=-2.5A（b）例思考什么是关联参考方向？电位的概念Part1电位电路中任选一点为参考点,一个电路中只能选一个参考点，常用符号“⊥”表示。某点的电位是由该点到参考点的电压。电位用字母V表示，单位是V（伏特）。参考点电位①若参考点为O点，则Vo=0，参考点电位为零。②VA=UAo

③如果已知a、b两点的电位分别为Va、Vb，则此两点间的电压

Uab=Uao+Uob=Uao-Ubo=Va-Vb两点间的电压就等于这两点的电位的差，所以，电压又叫电位差。电位的特点①电位是点，如Va,Vb;电压是段，如Uab；两点的电压等于这两点的电位差。②某点的电位是一个相对值，随参考点的改变而改变；而两点之间的电压是一个绝对值，与参考点无关。在电工技术中，通常以与大地连接的点作为参考点；在电子线路中，通常以与公共的接机壳点作为参考点。电位与电压的关系注意电路中的参考点可以任意选取，但同一电路中只能选一个点作为参考点，参考点一经选定，电路中其它各点的电位也就确定了。当所选参考点变动时，电路中其它各点的电位将随之而变，但任意两点间的电压则是不变的。求A、B点电位与UAB的电压。例图a：VO＝0，则VA=UAO=1V，VB=UBO=-1V，UAB＝VA－VB＝2V图b：VB＝0，则VA=UAB=2V，UAB＝VA－VB＝2V图c：VA＝0，则VB=UBA=-2V，UAB＝VA－VB＝2V思考参考点改变，电压改变吗？电功率和电能目录CONTENT1电功率2电能Part1电功率aiP=uiub功率有无正负？如果u,i方向不一致结果如何？

单位时间内电路吸收或发出电能的速率，称为该电路的电功率，用p或P表示。定义单位W（瓦特）、kW（千瓦）、mW（毫瓦）直流情况下IRUab或IRUab“吸收功率”（负载）若P=UI>0b“发出功率”（电源）若P=-UI<0IUa+-根据能量守衡关系P（吸收）=P（发出）试求图中各元件吸收或发出的功率。例1a电压和电流为关联参考方向。P=UI=6×2=12W(P>0，元件吸收功率12W)b电压和电流为非关联参考方向。P=-UI=-6×2=-12W(P<0，元件发出功率12W)a)电压和电流为关联参考方向P=UI=-5*3=-15W（P＜0，元件发出功率15W）b)电压和电流为非关联参考方向P=-UI=-4*2=-8W（P＜0，元件发出功率8W）试求图中各元件吸收或发出的功率。例2小结带入数据，无论数值正负，只看计算结果，在进行功率计算时，首先根据关联、非关联选公式，P<0时，说明此元件发出功率，为电源。所以，从P的+或-可以区分器件的作用，是电源，还是负载。P>0时，说明此元件消耗功率，为负载；如果假设U、I

正方向一致，关联，则P=UI；如果U、I

正方向不一致，非关联，则P=-UI。Part2电能在t0到t时间内电荷受电场力作用从A点经负载移到B点，电场力所作功，即t时间内所消耗（或吸收）的电能。W＝P(t-t0)=UI(t-t0)在直流电路中，电压电流和功率均为恒定值，则当选择t0=0时上式为W＝UIt定义1度电

=1kW·h=3.6×106J在SI单位制中，电能的单位是J（焦耳）。实用中常采用kW·h（千瓦小时）或称度电的电能单位。单位解

一个月共用电教室里有40W日光灯7只，每只耗电48W（包括灯管和镇流器的耗电），每天用电4小时，每月按30天计算，每度电收费0.50元，问一个月的电费为多少？应付电费40.32Χ0.50=20.16元例思考为什么计算功率时，看功率最后计算结果判定元件吸收功率或发出功率？电压源目录CONTENT1理想电压源2实际电压源Part1理想电压源一种从实际电源中抽象出来的理想电路元件。电压是一个定值或是一定的时间函数，与通过它的电流无关；电流由它及与之相联的外电路共同决定，或者完全由外电路决定。IUS+_U+_电路图RL如图，图（a）表示理想电压源的模型；图（b）表示理想直流电压源的模型；图（c）为电池的符号，E为电池的电动势，长线段代表正极，短线段代表负极。定义①理想电压源的端电压与电流的方向和大小无关。根据所连外电路的不同，电流的实际方向既可以从它的负极流向正极，也可以从正极流向负极，前者是在发出功率，起电源的作用，而后者则是在吸收功率。②理想电压源外电路可以开路，但是，不允许短路！理想电压源的伏安特性说明①理想电压源的电压为零时，电压源在电路中的作用相当于一根短路线。②理想电压源可以串联使用，其串联方式和它们的等效电路如图所示。理想电压源的使用说明1)电压自己定；2)电流由外电路决定；3)

P>0或P<0均可；4)理想电压源决不允许短路；5)U=0的电压源相当于一根导线。理想电压源特点电路如图所示，求电路的等效电路。(C)(D)例Part2实际电压源一个实际电源可用一个理想电压源和一个内电阻相串联的理想电路元件组合来代替，称电压源模型。RLRs+–USIU+–电压源模型伏安特性

U=US－RSI当电压源模型开路时，输出电流I＝0，输出电压U＝理想电压源电压US。IUUsRi越大?小？特性越平?当电压源模型接负载时，输出电压小于理想电压源的电压Us,当外电路的电阻R减小时，电流I增加，输出电压U随之下降ΔU。当电压源模型短路时，输出电压U＝0，电压US全部作用于内阻上，短路电流仅受内阻限制，即Is＝Us/RS。

可见：①内阻越小，输出电流变化时输出电压的变化就越小，电压越稳定；②理想情况下，R0＝0，U为定值，伏安特性是一条直线，为理想电压源。US

IUO

ΔU=RII理想电压源P=UI+I2R=3*(-2)+(-2)2*2=2W吸收功率2WP=-UI+I2R=-6*(-5)+(-5)2*10=30+250=280W

吸收功率如图所示，计算各段电路的功率，并说明各段电路是吸收还是发出功率。例思考为什么用一个理想电压源和一个电阻串联组合的模型来表征一个实际电压源，而不能用一个理想电压源和一个电阻并联组合的模型来表征？电流源目录CONTENT1理想电流源2实际电流源Part1理想电流源一种从实际电源中抽象出来的理想电路元件。电流是一个定值或是一定的时间函数，与它两端的电压无关；电压由它及与之相联的外电路共同决定，或者完全由外电路决定。电路图IISU+_RL右图（a）表示一般电流源的模型；图（b）表示直流电流源的模型；箭头表示电流的参考方向。定义（1）理想电流源的输出的电流是定值或一定时间的函数，与端电压无关。根据所联外电路的不同，电流源端电压的实际方向既可与其输出电流的实际方向相反，也可相同，前者是在发出功率，后者是在吸收功率。（2）理想电流源外电路可以短路，但是，不允许开路！理想电压源的伏安特性说明（1）理想电流源的电流为零时，无论其端电压如何，电流源在电路中的作用相当于一段开路电路。（2）理想电流源可以并联使用，其并联方式和它们的等效电路如图所示。理想电流源的使用说明1）电流自己定；2）电压由外电路决定；3）P>0或P<0均可；4）理想电流源决不允许开路；5）I=0的电流源相当于开路电路。理想电流源特点电路如图所示，求电路的等效电路。（c）（d）（a）（b）例Part2实际电流源实际电流源电路模型可以用一个理想电流源与一个电阻的并联组合来表示，如图所示。U+–RiURiISIRL

I=IS－Uab/Ri

实际直流电流源输出到外电路的电流为

当电流源开路时，输出电流I＝0，IS从内阻是通过，内阻电压最大，即开路电压最大，UOC＝ISRi。当电流源接负载时，IS不能全部输出，有一部分在内阻上通过。当外电路的电阻增加时，内阻电流增大，内阻压降也增大，即电流源的电压U增加，输出电流ΔI减小。可见:①内阻越大，输出电压变化时输出电流的变化就越小，电流越稳定；②理想情况下，内阻Ri无穷大，I为定值，伏安特性是一条直线，为理想电流源。理想电流源IS

UIO

ΔI=U/RiIUP=UI=(-30)*4=-120W发出功率P=-UI=-40*2=-80W

发出功率

如图所示，计算各段电路的功率，并说明各段电路是吸收还是发出功率。例思考为什么一个理想电流源和一个电阻并联组合的模型来表征一个实际电流源，而不能一个理想电流源和一个电阻串联组合的模型来表征？电阻元件及欧姆定律目录CONTENT1电阻元件2欧姆定律3电阻元件的伏安关系4电阻元件的功率电阻元件Part1电阻元件Ω（欧姆），kΩ（千欧）、MΩ（兆欧）u=Ri电阻元件的端电压与流过它的电流成正比。电阻元件是对电流呈现阻力、消耗电能的一种理想元件。电阻元件的突出特点是耗能。Ru+_i1.定义2.单位3.线性电阻元件的图形符号（1）定义：电阻的倒数称为电导，用G表示。（2）公式：（3）单位：西门子（S）4.电导Part2欧姆定律U、I关联参考方向U、I非关联参考方向RU+–IRU+–IU=IR

U=–IRU、I

的方向流过电阻的电流与电阻两端电压成正比。1.定义2.公式3.注意求元件电压(a)U=IR

(b)U=–IR例

(a)I=–U/R(b)

I=–U/R求元件电流例Part3电阻元件的伏安关系线性和非线性电阻的伏安特性iuRiuui线性电阻的伏安特性非线性电阻的伏安特性在u-i坐标平面上画出电阻元件的电压与电流的关系曲线称为该元件的伏安特性曲线。（a）（b）Part4电阻元件的功率电路元件取用的功率为：说明：（1）不论u、i是正值负值，p总是大于零,说明电阻元件总是消耗功率的。（2）当电流恒定时，功率与电阻成正比。（3）当电压恒定时，功率与电阻成反比。直流时：Riua:P=UI+I2R=3(-2)+(-2)22=2W

功率大于零，吸收功率如图所示，计算各段电路的功率，并说明各段电路是吸收还是发出功率。b:P=UI=-30×4=-120W功率小于零，发出功率思考功率与电阻何时成正比？电感元件及电压电流关系目录CONTENT1电感元件2电感元件的伏安关系3电感元件的储能a)磁环电感b)空心电感线圈c)贴片绕线电感d)磁棒绕线电感e)色环电感电感元件Part1电感元件对于线圈，若忽略其导线电阻、线圈匝与匝之间的电容作用，仅考虑它在电路中的电磁效应，则该线圈只具有电感L，称为理想电感元件，简称电感元件。通常称之为“电感”。当磁链的参考方向与产生它的电流的参考方向符合右手螺旋定则时，

电感（H）自感磁链（Wb）1.定义自感磁链是由线圈本身的电流所产生的，它和磁通的国际单位一样是韦伯（Wb）。当磁链和电流都取国际单位时，得到电感的国际单位亨利（H）。常用的单位还有毫亨，微亨。磁链与电流的大小成正比的电感元件称为线性电感元件。它的特性曲线如图（b）。实际的电感线圈均标定电感量和额定工作电流两个参数。使用时应注意通过电感器的电流不应超过其额定值，否则会使线圈过热甚至烧毁，或者使线圈承受过大的电磁力而发生机械形变或损伤。一方面表示电感元件，另一方面也表示电感元件的参数——电感量。线性电感元件2.影响电感的因素3.电感的含义4.注意事项电感线圈的电感，与线圈的形状、尺寸、匝数及其周围的介质都有关系。Part2电感元件的伏安关系当选取线圈中的电流和两端的电压为关联参考方向时，如图所示。①电感元件上任一时刻的自感电压取决于同一时刻电感电流的变化率，而与该时刻电感电流的数值大小无关。②电感电流变化越快，电压也越大。即使某时刻电流为0，也可能有电压。③当电流为恒定值时，由于电流不随时间变化，自感电压为0，因此在直流稳态电路中，电感相当于短路。电感元件电压电流公式表明：（a）Part3电感元件的储能电感元件是一种储能元件，功率的单位焦耳（J）。电感元件在某一时刻储存的磁场能量仅决定于此时刻的电流值，而与电压值无关。只要电感元件中有电流存在，电感元件就储存有磁场能量。电压电流取关联参考方向，任意瞬间电感元件的功率为设t=0瞬间电感元件的电流为零，经过时间t电流增至iL，则任一时刻t电感元件储存的磁场能量思考为什么只要电感元件中有电流存在，电感元件就有磁场能量？电容元件及电压电流关系目录CONTENT1电容元件2电容元件的伏安关系3电容元件的储能a.涤纶电容器b.瓷介电容器c.空气可变电容器d.独石电容器e.铝电解电容器电容元件Part1电容元件电容元件是从实际电容器抽象出来的理想化模型。实际电容器由两块用绝缘材料隔开的金属片组成。这两块金属片叫做电容器的两个极或极板；它们之间的绝缘材料叫做电介质。把电容器的两个极板分别与电源的正、负极相连，两个极板就分别聚集等量而异号的电荷，介质中有了电场，储存着电场形式的能量。外电源撤走后，这些电荷依靠电场力的作用，互相吸引，而又为介质所绝缘不能中和，因而极板上的电荷能长久存储下去。线性电容元件电容元件是实际电容器的理想化模型，它表征电容器的主要物理性能。电容元件每个极板所带的电荷量和极间电压的比值叫做电容元件的电容量，简称电容。如果C是常数，称作线性电容

。其图形符号和库伏特性曲线如图所示。单位：法拉（F）线性电容元件实际的电容器均标出电容量和额定工作电压两个参数。使用时应注意电容器的电压不应超过其额定值，否则电容器的介质就有可能损坏或击穿，失去电容器的功能。电容器的电容，与电容器极板的形状、尺寸、相对位置及介质的种类都有关系。Part2电容元件的伏安关系①电容元件上任一时刻的电流只取决于同一时刻电容电压的变化率。②电压变化越快，电流越大，即使某时刻电压为零，也可能有电流。③当电压为恒定值时，电压不随时间而变，没有电流，电容相当于开路，所以电容具有隔离直流的作用。公式表明：选择电容元件的电压、电流为关联参考方向，如图所示

电容元件电压、电流参考方向Part3电容元件的储能电容元件是一种储能元件。电容元件在任一时刻的储能仅决定于此时刻的电压值，而与电流值无关。

当电容元件的电压与电流取关联参考方向时，根据电容元件的电压、电流关系可得电容元件的瞬时功率电容元件是一种储能元件。1.电容元件储能仅决定于此时刻的电压值，与电流值无关。2.当电压增加时，电容元件从电源吸收能量，储存在电场中的能量增加，称为电容的充电过程。3.当电压减少时，电容元件向外释放电场能量，称为电容的放电过程。4.电