电工课件2.ppt

1、第一章 电路的基础知识,1.1 电路及其主要物理量,1.2 电路的状态和电气设备的额定值,1.3 基尔霍夫定律,1.4 理想电路元件及实际电路的两种电路模型,本章要求: 1.理解电压与电流参考方向的意义； 2. 理解基尔霍夫定律并能正确应用； 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。,第一章 电路的基础知识,11 电路及其主要物理量,一. 电路的概念,电流通过的路径叫电路，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。,手电筒的电路模型,电池,中间环节,灯泡,一个完整的电路是由电源、负载、中间环节（包括开关和导线等）三部分按

2、一定方式组成的 。,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,电路各部分的作用,电路按其功能可分为两类：电力电路、 信号电路。,（2）信号电路实现信号的传递和转换,（1）电力电路实现电能的传输和转换,二、电路的主要物理量,电流 其数值等于单位时间内通过导体某一横截面的电荷量。 在直流电路中，,1. 电流,电流的方向：规定正电荷移动的方向为正方向。 参考方向：在分析与计算电路时，任意假设的方向。,例：,若 I = 5A，则电流从 a 流向 b；,若 I = 5A，则电流从 b 流向 a 。,实际方向与参考方向一致，电流值为正值； 实际方向与参考方

3、向相反，电流值为负值。,实际方向与参考方向的关系：,电流的单位：kA 、A、mA、A,注意： 在参考方向选定后，电流值才有正负之分。,2. 电压,电压U: 电场力移动单位正电荷所作的功。,电压U 实际方向：从高电位点指向低电位点。,单 位：kV 、V、mV、V,实际方向与参考方向的关系:,实际方向与参考方向一致，电压值为正值； 实际方向与参考方向相反，电压值为负值。,当U与I参考方向一致， 称为关联参考方向 U=RI；,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 。,当U与I参考方向不一致，称为非关联参考方向 U= RI；,电位：电路

4、中某点至参考点的电压，记为“VX” 。 通常设参考点的电位为零。,3. 电位,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。,举例,求图示电路中各点的电位:VA、VB、V0 。,解： 设 O为参考点， 即Vo=0V,VA=UAO= 11= 1V VB=UBO = -11 = -1 V,I,电流 I 1mA,UAB= VA VB = 2 V,UAB= VA VB = 2 V,VA= UAB= 12 = 2V VO

5、= UOB = 11 = 1 V,解： 设 B为参考点， 即VB=0V,结论：,(1)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) 电路中两点间的电压值是固定的，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111: 图示电路，试计算电路 中B点的电VB,VB = VA-R1I = 9-10 = -1V,解：电流,= 0.1mA,4、电动势,电动势 E : 电源力移动单位正电荷所作的功。,实际方向：由低电位端指向高电位端。,单 位：kV 、V、mV、V,5、电能和电功率,电能 A = UQ = UIt,电功率 P =

6、A/t = UI 单位：瓦特（W） 千瓦（KW）,电源与负载的判别,U、I 参考方向不同，P = UI 0，电源； P = UI 0，负载。,U、I 参考方向相同，P =UI 0，负载； P = UI 0，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）。,例 112,某电路中的一段支路含有电源，如图11（a）所示，支路电阻为R0 = 0.6，测得该电路的端电压为230V，电路中的电流 I5A，并有关系 U ER0I，试求：,（

7、1）此有源支路的电动势； （2）此有源支路在电路中是属于电源性质还是负载性质？ （3）写出功率平衡关系式。,解：,（1）因为 U= ER0I 所以 E = U + R0I = （2300.6 5）233V,（2）由于E U, I的实际方向如 图所 示。即U与I的实际方向相反，属于电源性质。,（3）PE EI 233 51165W,P UI 230 51150 W,P I 2R 5 2 0.6 15W,功率平衡关系式 PE P P,12 电路的状态和电气设备的额定值,电路有空载、短路和负载三种状态。,特征:,一、 电路的状态,（1） 电路中的电流为零，即：I=0 （2）电源的端电压等于电源的电动

8、势 即： U1 = E IR0 E （3）电源的功率P1和负载所吸收的功率P2均为零。,1、空载状态,电源外部端子被短接,2.短路状态,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:,开关闭合,接通电源与负载。,U 1= E IRo,特征:,3.负载工作,UI = EI IRo,P = PE P,负载 取用 功率,电源 产生 功率,内阻 消耗 功率,（1）,（2）,( 3 ),负载大小的概念: 负载大小指负载电流或功率的大小，而不是电阻的大小。,二、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

9、载(轻载)： I IN ，P PN (不经济),过载(超载)： I IN ，P PN (设备易损坏),额定工作状态（满载）： I = IN ，P = PN (经济合理安全可靠),例题122,某直流电源的额定功率为200W，额定电压50V，内阻0.5，负载电阻可以调节，如图26所示,试求：,（1）额定状态下的电流及负载电阻； （2）空载状态下的电压； （3）短路状态下的电流。,解（1）,（2）,（3）,13 基尔霍夫定律,支路：电路中的每一个分支。 一条支路流过一个电流，称为支路电流。,结点：三条或三条以上支路的联接点。,一、基尔霍夫电流定律(KCL定律),定律: 在任一瞬间，通过电路中任一结点

10、的各支 路电流的代数和恒等于零。,即： K= 0, 实质: 电流连续性的体现。,对结点 a：,I1+ I3 = I2 + I4,或 I1+I3 I2 I4 = 0,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。,例：,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。,推广,例 1-3-2,广义结点,Ib + Ic = Ie,例 1-3-1,I1 I2 = 0,定律 : 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。,二、基尔霍夫电压定律（KVL定律),即： UK = 0,回路：由支路组成的闭合路径。,即：-U S1 + I1R1 - I2R

11、2 +US2+ I3R3 = 0,图中回路ABCA：,UAB + UBC + UCA = 0,1列方程前标注回路循行方向；,电位升 = 电位降 E2 =UBE + I2R2, U = 0 I2R2 E2 + 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：,试决定图示的晶体管电路U cb 、U be和Uce之间的关系。,解：,由于电压U cb 、U ce 、 U be 构成一个虚拟回路，各级间的电压满足基尔霍夫电压定律。,例133,即： -U cb + U ce U be=0,例134,图示电

12、路中，已知US1=23V，US2=6V，R1=10，R2=5 ，R3=8 ，R4=10 ，R5=4 ，R6=7 ，R7=1 。 试求电压UAB。,解：,1-4 理想电路元件及实际电源的两种电路模型,一、理想电路元件,理想电路元件理想电阻元件、理想电感元件、理想电容元件和理想电压源、理想电流源。,1、电阻元件,u = Ri,伏安特性是直线的电阻为 线性电阻。,电阻的单位： 、K 、M,电阻元件总是消耗电功率，故电阻是耗能元件。,2、 电感元件,描述线圈通有电流时产生磁场、储存磁场能量的性质。,电压、电流、电动势的参考方向如图，则有：,u = -eL,电感元件两端的电压，与电流的变化率成正比。电流

13、变化越快，u 和 eL也越大。,在直流电路中，因 di/dt = 0, eL= 0; u= 0,电感元件相当于短路。,单位：H、mH、H,电感元件储能,根据基尔霍夫定律可得：,将上式两边同乘上 i ，并积分，则得：,即电感将电能转换为磁场能储存在线圈中，当电流增大时，磁场能增大，电感元件从电源取用电能；当电流减小时，磁场能减小，电感元件向电源放还能量。故电感元件为储能元件。,磁场能,描述电容两端加电源后，其两个极板上分别聚集起等量异号的电荷，在介质中建立起电场，并储存电场能量的性质。,当电压u变化时，在电路中产生电流:,3. 电容元件,电容器极板上储存的电量q，与外加电压u成正比。,即： q

14、= Cu,电容元件通过的电流与电压的变化率成正比。电压变化越快,i 也越大。,在直流电路中,i=0,电容元件相当于开路。,电容元件储能,将上式两边同乘上 u，并积分，则得：,即电容将电能转换为电场能储存在电容中，当电压增大时，电场能增大，电容元件从电源取用电能；当电压减小时，电场能减小，电容元件向电源放还能量。故电容元件为储能元件。,电场能,根据：,4、理想电压源（恒压源）,伏安特性,特点:,(2) 输出电压是一定值，恒等于电动势。 对直流电压，有 E U 。,(3) 恒压源中的电流 I 由外电路决定。,(1) 内阻R0 = 0,5、理想电流源（恒流源),(2) 输出电流是一定值， I = I

15、S ；,(3) 恒流源两端的电压 U 由外电路决定。,特点:,(1) 内阻R0 = ；,求图示电路中理想电流源的端电压和功率。,解：,例141,恒流源两端的电压 U 由外电路决定。,故： U = ( 2 5+6 ) = 16V,P = -16 2 = -32W,理想电流源的电流方向与端电压方向不一致，故,功率是负值，表示电流源是提供功率。,二、实际电源的两种电路模型,1 . 电压源模型,(a)电压源模型与外电路的连接,(b)伏安特性,若 R0 RL ，U US ， 可近似认为是理想电压源。,电压源是由电动势 US 和内阻 R0 串联的电源的电路模型。,U = US R0I,当电压源模型开路时，I=0, 此时U = US。,当电压源模型短路时，U=0, 此时I=US / R0。,2. 电流源模型,(b)伏安特性,电流源是由电流 IS 和内阻 R0 并联的电源的电路模型。,由（a）电路可得:,若 R0 RL ，I IS ，可近似认为是理想电流源。,（a）电流源模型与外电路的连接,当电流源模型开路时，I=0, 此时U OC= ISR0。,当电流源模型短路时，U=0, 此时I = IS 。,3. 电压源模型与电流源模型的等效变换,由图a： U = Us IR