(电工)第1章-电路的基本概念与基本定律.ppt

1、2020/8/3,1,任课教师：赵霞2782229(88229)E-mail:zx_,电工技术,学时：48 （其中理论学时：42 实验学时：6） 学分：3 适用专业：非电类各专业 课程性质：技术基础课,2020/8/3,2,课程内容,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 第三章 电路的暂态分析 第四章 正弦交流电路 第五章 三相电路 第六章 磁路与变压器 第七章 异步电动机 第八章 继电接触器控制系统 第九章 可编程序控制器及其应用,2020/8/3,3,参考书 1、电工学上册（第六版） 秦曾煌 主编 高等教育出版社 2、电工学上册 孙骆生 主编 高等教育出版社 3、电工学

2、上册 罗守信 主编 高等教育出版社,2020/8/3,4,学习方法 1、课前预习，课后复习，多思考。 2、理解相关的物理概念及工作原理，学会分析方法，切忌死记硬背。 3、认真做相关习题并参考相关书籍，增强分析解决问题的能力（画图要标准，横平竖直，注意物理量的单位），多讨论交流，忌抄袭。 4、实验课是重要的能力培养环节。 5、答疑、考试。,2020/8/3,5,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 电路的基本物理量,1.4 电路的基本元件,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,作业: P20-2

3、1 1-8、5、10,2020/8/3,6,1.1 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,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。,还可以实现测量、自动控制和贮存信息等,1.1.1 电路的作用,2020/8/3,7,1.1.2 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,2020/8/3,8,直流电源: 提供能源,负载,信号源: 提供信息,1.1.2 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。,

4、信号处理： 放大、调谐、检波等,电路种类繁多，但都基于同一个理论，即电路理论。,2020/8/3,9,由电阻器、电容器、线圈、变压器、晶体管、运算放大器、传输线、电池、发电机和信号发生器等电气器件和设备连接而成的电路，称为实际电路。,电阻器,电容器,线圈,电池,运算放大器,晶体管,2020/8/3,10,实际的电路是由一些按需要起不同作用的元件或器件所组成，如发电机、变压器、电动机、电池、电阻器等，它们的电磁性质是很复杂的。,例如：一个白炽灯在有电流通过时,消耗电能 (电阻性),产生磁场 储存磁场能量 (电感性),忽略 L,为了便于分析与计算实际电路，在一定条件下常忽略实际部件的次要因素而突出

5、其主要电磁性质，把它看成理想电路元件。,1.2电路模型,2020/8/3,11,电源,负载,连接导线,电路实体,电路模型,用理想电路元件组成的电路，称为实际电路的电路模型。,开关,2020/8/3,12,2020/8/3,13,电路分析与电路综合,电路分析,电路综合,目的：通过对电路模型的分析计算来预测实际电路的特性，从而改进实际电路的电气特性和设计出新的电路。,任务：掌握电路的基本理论和电路分析的方法。,2020/8/3,14,电路的特性是由电流、电压和电功率等物理量来描述的。电路分析的基本任务是计算电路中的电流、 电压和电功率。,电流：带电粒子（电荷）有规则的定向运动。,1.3.1 电流及

6、参考方向,i(t),=,lim,t0,q,t,dq,dt,电流强度：单位时间内通过导体横截面的电荷量。,单位：A (安)、kA、mA、 A,1kA=103A， 1mA=10-3A ， 1A=10-6A,1.3 电路的基本物理量,2020/8/3,15,恒定电流:量值和方向均不随时间变化的电流，简称为直流(dc或DC)，一般用符号I表示。,与电流有关的几个名词,时变电流:量值和方向随时间变化的电流，一般用符号i表示。时变电流在某一时刻t的值i (t) ，称为瞬时值。,交流电流: 量值和方向作周期性变化且平均值为零的时变电流，称为交流电流，简称为交流(ac或AC)。,2020/8/3,16,习惯上

7、把正电荷移动的方向规定为电流方向(实际方向)。在分析电路时，往往不能事先确定电流的实际方向，而且时变电流的实际方向又随时间不断变动，不能够在电路图上标出适合于任何时刻的电流实际方向。为了电路分析和计算的需要，我们任意规定一个电流参考方向，用箭头标在电路图上。若电流实际方向与参考方向相同，电流取正值；若电流实际方向与参考方向相反，电流取负值。根据电流的参考方向以及电流量值的正负，就能确定电流的实际方向。,电流参考方向,2020/8/3,17,电流的参考方向与实际方向的关系,参考方向,参考方向,实际方向,参考方向,实际方向,i0,i0, 表明：电流(代数量)有大小和方向(正负)。,i,参考方向也可

8、以用双下标表示：如 iAB。,iAB,电流的参考方向由A指向B。,电路中任一电流有两种可能的参考方向，当对同一电流规定 相反的参考方向时，相应的电流表达式相差一个负号,2020/8/3,18,例:,I = 1A,I = -1A,2020/8/3,19,1. 电压U：电荷在电路中移动，就会有能量的交换发生。单位正电荷由电路中a点移动到b点所获得或失去的能量，称为ab两点的电压，即,1.3.2. 电压与电动势,u,dW,dq,单位： V (伏)、kV、mV、V,其中dq为由a点移动到b点的电荷量，单位为库仑(C)，dW为电荷移动过程中所获得或失去的能量，其单位为焦耳(J)，电压的单位为伏特(V)。

9、,2020/8/3,20,将电路中任一点作为参考点，把a点到参考点的电压称为a点的电位，用符号va或Va表示。在集总参数电路中，元件端钮间的电压与路径无关，而仅与起点与终点的位置有关。电路中a点到b点的电压，就是a 点电位与b点电位之差，即,量值和方向均不随时间变化的电压，称为恒定电压或直流电压，一般用符号U表示。量值和方向随时间变化的电压，称为时变电压，一般用符号u表示。,2020/8/3,21,电压参考方向或参考极性,习惯上认为电压的实际方向是从高电位指向低电位。将高电位称为正极，低电位称为负极。与电流类似，电路中各电压的实际方向或极性往往不能事先确定，在分析电路时，必须规定电压的参考方向

10、或参考极性，用“+”号和“-”号分别标注在电路图的a点和b点附近。若计算出的电压uab(t)0，表明该时刻a点的电位比b点电位高；若电压uab(t)0，表明该时刻a点的电位比b点电位低。,2020/8/3,22, 电压参考方向的三种表示方式：,(1)用箭头表示,(2)用正负极性表示,(3)用双下标表示,2020/8/3,23,元件或支路的 u，i 采用相同的参考方向称之为关联参考方向。反之，称为非关联参考方向。,对于二端元件而言，电压的参考极性和电流参考方向的选择有四种可能的方式，如图16所示。,2020/8/3,24,关联参考方向,非关联参考方向,问：对A、B两部分电路电压电流参考方向关联否

11、？, 注意,分析电路前必须选定电压和电流的参考方向； 参考方向一经选定，必须在图中相应位置标注(包括方向和符号)，在计算过程中不得任意改变； 参考方向不同时，其表达式相差一负号，但电压、电流的实际方向不变。,2020/8/3,25,表示电源性质的物理量，电源力把单位正电荷q 从电 源的负极经电源内部移至正极做功(W)的大小。,方向：由低电位指向高电位。,单位与电压相同。,+,R,开关,E,I,电珠,+,U,干电池,导线,U= E,2. 电动势:,2020/8/3,26,物理中对基本物理量规定的方向,注意： 在参考方向选定后，电流 ( 或电压 ) 值才有正负之分。,2020/8/3,27,1.3

12、.3 电功率,当电流通过电炉和灯泡时，能使它们生热、发光。,功率的单位：W (瓦) (Watt，瓦特)，kW、mW等。,(1) 电功率:,单位时间内消耗或产生的电能-电场力所做的功。,p =,dw,dt,u =,dw,dq,i =,dq,dt,p =,dw,dt,=,dw,dq,dq,dt,= ui,不仅适用于一个元件，也适用于任何一段电路。,计算公式 p = ui关联,这说明电源提供的能量能通过负载转换为其他种不同形式的能量。,p =u i,非关联,2020/8/3,28,(2) 电路吸收或发出功率的判断, u、i 取关联参考方向：,p = ui,p0，负载。,p0，电源。,(实际吸收),(

13、实际发出), u、i 取非关联参考方向：p =u i,p0，负载。,p0，电源。,(实际发出),(实际吸收),电源：UE 和 I 实际方向相反，电流从“+”端流出，发出功率。,负载：U 和 I 实际方向相同，电流从“+”端流入，吸收功率。, 对一完整电路，满足：发出的功率吸收的功率,2020/8/3,29,1.4 电路的基本元件, 注意： 如果表征元件特性的数学关系式是线性关系，该元件称为线性元件，否则称为非线性元件。,是电路中最基本的组成单元。,电路元件,5种基本的理想电路元件,电阻元件：表示消耗电能的元件,电感元件：表示产生磁场，储存磁场能量的元件,电容元件：表示产生电场，储存电场能量的元

14、件,电压源和电流源：,表示将其它形式的能量转变成电能的元件。,2020/8/3,30,1.4.1 电阻元件,2. 线性电阻：,电阻元件：对电流呈现阻力的元件。是ui相约束、反映能量损耗的元件,任何时刻端电压与电流成正比（欧姆定律）,1. 定义,其特性可用ui平面上的一条曲线来描述：,f(u,i) = 0,伏安特性,R 单位：欧姆,G 电导，单位：西门子 S,线性电阻R是一个与电压和电流无关的常数。,线性、非线性、时变、时不变,2020/8/3,31,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,电流的参考方向 与实际方向相

15、反,电压与电流参 考方向相反,2020/8/3,32,3. 功率与能量,功率：u和 i 取关联参考方向时,所以线性电阻是无源元件，总是耗能的。电阻元件一般是把吸收的电能转换为热能消耗掉。,p = ui,= R i2,=,u2,R,= G u2,=,i2,G,u和 i 取非关联参考方向时,p = -ui,=- (-Ri) i,= Ri2,表明：电阻元件在任何时刻总是消耗功率的。,能量：在t0到 t 时间内电阻消耗的能量，可用功表示。, u(u/ R) = u2/ R,2020/8/3,33,不管端电压为何值，流过它的电流恒为零，称“开路”。 uR由外电路决定 。,不管流过它的电流为何值，端电压恒

16、为零，称“短路”。 i由外电路决定,= 0,= ,or G = 0,R, 0,= 0,= 0,or G = ,4. 电阻的开路与短路(特殊情况),2020/8/3,34,实际的电阻器,压敏电阻器,热敏电阻器,光敏电阻器,2020/8/3,35,实际的电阻器,2020/8/3,36,有一道来自微软的智力题，据说此题曾被用来应聘微软公司的高级人才。同学们可否愿意试试：有两间房，一间房里有三盏灯（手可以够得着），另一间房有控制这三盏灯的开关（这两间房是分割开的，毫无联系）。现在要你分别进这两间房一次，然后判断出这三盏分别是由哪个开关控制，你能想出办法吗？（注意：每间房只能进一次）？,2020/8/3

17、,37,1.4.2. 电感元件,i,(安)A,韦伯(Wb),亨利(H),N,电感,在图示 u、i、e 假定参考方向的前提下，当通过线圈的磁通或 i 发生变化时，线圈中产生感应电动势为,L 称为电感或自感。线圈的匝数越多，其电感越大；线圈单位电流中产生的磁通越大，电感也越大。,2020/8/3,38,电压电流关系,根据 KVL 可写出u + eL = 0,或,在直流稳态时，电感相当于短路。,瞬时功率,p 0，L 把电能转换为磁场能，吸收功率。,p 0，L 把磁场能转换为电能，放出功率。,储存的磁场能,L 是储能元件,若 i (0) = 0，则,2020/8/3,39,实际的电感线圈(1),带铁心

18、的电抗器,串联空心电抗器,在低频电路中使用的电感线圈，如电抗器、变压器、电磁铁等，都采用带铁心的线圈。,电抗器,2020/8/3,40,实际的电感线圈(2),工字型电感,绕线电感、穿芯磁珠,空芯电感,带磁芯(环)电感,2020/8/3,41,实际的电感线圈(3),贴片电感,在高频电路中，常用空心或带有铁氧体磁心的线圈。,各种类型的电感,2020/8/3,42,1.4.3. 电容元件, 电容器：在外电源作用下，正负电极上分别带上等量异号电荷，撤去电源，电极上的电荷仍可长久地聚集下去，是一种储存电能的部件。,注意：电导体由绝缘材料分开就可以产生电容。,+q,-q,实际电容器的绝缘材料很多，例如：云

19、母、陶瓷、聚丙稀、聚苯乙稀、涤纶、玻璃膜、玻璃釉、聚碳酸脂、金属化纸介、空气、铝电解、钽电解、合金电解等。,2020/8/3,43,(伏)V,库仑(C),法拉(F),电容元件的参数,C,1 F = 106 F1 pF = 1012 F,当通过电容的电荷量或电压发生变化时，则在电容中引起电流,在直流稳态时， I = 0 ，电容隔直流。,储存的电场能,C 是储能元件,若 u (0) = 0，则,2020/8/3,44,各种类型的电容器(1),高压瓷片电容器,高压复合介质电容器 电压范围：230kV,2020/8/3,45,各种类型的电容器(2),钽电解电容器,独石电容器,铝电解电容器(有极性),无

20、极性电解电容,2020/8/3,46,各种贴片系列的电容器,各种类型的电容器(3),2020/8/3,47,理想元件的特性 （u 与 i 的关系）,L,C,R,2020/8/3,48,1.4.4 理想电压源和电流源,1.电压源,当uS(t)为恒定值时，电压源称为恒压源或直流电压源。,特点：理想电压源的端电压恒定，其电压值由它本身确定，与外电路无关；电流由外电路决定。,2020/8/3,49,直流电压源的伏安关系,uS,i =,uS,R,R=(开路)，,i = 0,i ,例,R 0 ，, 电压源不能短路！,把 uS 0 的电压源短路没有意义！,若 uS = 0，则电压源相当于短路。,0V,202

21、0/8/3,50,物理意义：电流(正电荷 )由低电位向高电位移动，外力克服电场力作功，电源发出功率。,电压源的功率, P = us i,电压、电流参考方向非关联,P =- us i ，若为负，则发出功率，起电源作用。,电压、电流参考方向关联,物理意义：电场力做功，电源吸收功率。,P = us i ，若为正，则吸收功率，充当负载。,2020/8/3,51,2. 理想电流源,定义,电路符号,电流源的输出电流由电源本身决定，与外电路无关；与它两端电压方向、大小无关。,其输出电流总能保持定值或一定的时间函数，其值与它的两端电压 u 无关的元件叫理想电流源。,理想电流源的电压、电流关系,电流源两端的电压

22、由电源及外电路共同决定。,2020/8/3,52,直流电流源的伏安关系,例,u = RiS,u ,u = 0,R = 0(短路)，, 电流源不能开路！,R ，,2020/8/3,53,电流源的功率,电压、电流的参考方向非关联，若,P =- uis 0，发出功率,电压、电流的参考方向关联，若,P = uis 0 ，吸收功率,起电源作用。,充当负载。,2020/8/3,54,两源特性比较,Uab的大小、方向均为恒定， 外电路负载对 Uab 无影响。,I 的大小、方向均为恒定， 外电路负载对 I 无影响。,输出电流 I 可变 - I 的大小、方向均 由外电路决定,端电压Uab 可变 - Uab 的大

23、小、方向 均由外电路决定,2020/8/3,55,计算图示电路各元件的功率,解,发出,吸收,满足：P（发）P（吸）,例,2020/8/3,56,1.5 电源有载工作状态、开路与短路,开关闭合, 接通电源与负载,负载端电压,U = IR,1. 电压电流关系,1.5.1 电源有载工作,(1) 电流的大小由负载决定。,(2) 在电源有内阻时，I U 。,或 U = E IR0,当 R0R 时，则U E ，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。,2020/8/3,57,开关闭合,接通电源与负载。,负载端电压,U = IR,1.5.1 电源有载工作,或 U = E IRo,UI = E

24、I I2Ro,P = PE P,负载 取用 功率,电源 产生 功率,内阻 消耗 功率,3. 电源输出的功率由负载决定。,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)。,1. 电压电流关系,2. 功率与功率平衡,2020/8/3,58,例：图示三个电阻共消耗的功率为（ ）W。,PE = -62+31 =- 9W P=9W,2020/8/3,59,3. 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,额定值反映电气设备使用的安全性和电气设备的使用能力。,注意：电气设备工作时的实际值不一定都等于其额定值，要能够加以区别。,电气设备的三种运行状态,欠载(轻载)： I

25、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： I = IN ，P = PN (经济合理安全可靠),不同的电气设备所标的额定值不同，如 电阻器通常标UN PN；变阻器通常标UN IN ；白炽灯、电烙铁通常标UN PN 。,例：灯泡：UN = 220V ，PN = 60W,2020/8/3,60,特征:,开关断开,1.5.2 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:,2020/8/3,61,电源外部端子被短接,1.5.3 短路,1.短路处的电压等于零； U = 0 2.短路

26、处的电流 I 视电路情况而定。,电路中某处短路时的特征:,2020/8/3,62,例：若电源的开路电压U0=12V，其短路电流IS=30A，则该电源的电动势E和内阻R0各为多少？,电源的电动势E,电源内阻R0,2020/8/3,63,例：某电力公司新进一台设备，可能使人遭到240V电击，若一般人的手臂电阻为300，躯干电阻为100 ，腿电阻为200 。问由此产生的电流是否危险？该公司需不需要张贴警示牌和采取其他保护措施防止这样的电击？,通过心脏区域的电流达到400mA,几乎使心脏停止跳动。公司必须张贴警示牌或采取其他保护措施。,2020/8/3,64,不同电流下人体的生理反应： 仅仅能感觉：

27、3-5mA 极端痛苦： 35-50mA 肌肉麻痹： 50-70mA 心脏停止： 500mA 表中的数字是近似的，通过事故原因获得的。,2020/8/3,65,支路(branch) ：连接任意节点之间的不分支电路。 一条支路流过一个电流，称为支路电流。,b,a,+,-,E2,R2,+,-,R3,R1,E1,拓扑约束：各元件在电路中不同的连接方式，对电压电流起的约束。,常用术语：,节点(node) :三条或三条以上连接电路元件的导线的交点。,1. 6 基尔霍夫定律,回路（loop） ：由支路组成的闭合路径。,网孔（mesh）：内部不含支路的回路。,R4,I4,c,两种约束:,元件约束：各元件的VA

28、R；,2020/8/3,66,1.6.1 基尔霍夫电流定律(KCL),1. 定义：,即: 入= 出,在任一瞬间，流向任一节点的电流和等于流出该节点的电流和。,实质: 电流连续性的体现； 电荷守恒定律。,或: = 0,对节点 a：,I1+I2 = I3,或 I1+I2I3= 0,基尔霍夫电流定律（KCL）反映了电路中任一节点处各支路电流间相互制约的关系。,或流经任一节点的电流代数和为零。,2020/8/3,67,2、推广：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。,I =?,例:,I = 0,IA + IB + IC = 0,广义节点,例：,已知： I1=2A，I2=3A，I3=-0

29、.5A，I4=1A，求IR和I5。,2020/8/3,68,即另一定义：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。,1.6.2 基尔霍夫电压定律（KVL),1. 定义,即： U = 0,在任一瞬间，从回路中任一点出发，沿回路循行一周，则在这个方向上电位升之和等于电位降之和。,对回路1：,对回路2：,E1 = I1 R1 +I3 R3,I2 R2+I3 R3=E2,或 I1 R1 +I3 R3 E1 = 0,或 I2 R2+I3 R3 E2 = 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，是电位单值性、能量守恒体现。,2020/8/3,6

30、9,(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（假想）回路处理(扩展应用）,2. 注意：,对回路1：,2020/8/3,70,Uab,d,a,+,-,Ubc,c,b,+,-,Ucd,Uda,假设：Uab=5V, Ubc=-4V, Uda=-3V。求Ucd, Uca?,解：1）KVL：Uab+ Ubc+Ucd + Uda=0V,Ucd =2V,2）扩展:Uab+Ubc + Uca=0V,Uca =-1V,2020/8/3,71,例,求电流 i,解,例,解,求电压 u,2020/8/3,72,1.7 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。用 标记。,1. 电位