电路的基本概念和基本定律(1-2).ppt

电 工 技 术 一、电能的应用 电能应用在工业、农业及国民经济 各部门，在日常生活中也是不可缺少的。 绪论 1. 电能的优越性 （1）便于转换 （2）便于传输 （3）便于控制 2. 不足之处 难于储存 二 、课程的目的和学习方法 目的获得电的基本理论知识，为 今后的学习和工程技术研究打下基础。 方法掌握好物理概念（多看参考 书）；多做习题。 三 、使用教材 秦曾煌主编电工学第五版 上册电工技术 高等教育出版社出版 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 电路电流流经的闭合路径（由电工设备和元件 组成）。 一. 电路的组成 电源（信号源） 中间环节 负载 二. 电路的作用传输和转换电能； 传递和处理信号。 电源：将非电能转换成电能的装置 (干电池,蓄电池,发电机)或信号源。 中间环结：把电源与负载连接起来的部分 (连接导线,开关) 负载：将电能转换成非电能的用电设备 (电灯,电炉,电动机) 一. 电路的组成： 电池 灯泡 E I RU + _ 负载 电源 电路的组成 二. 电路的作用 1. 电能传输和转换 发电机 升压变压器 降压变压器电灯电炉 热能,水 能,核能 转电能 传输分配电能 电能转换 为光能,热 能和机械 能 2. 信号的传递和处理 放大器话筒 扬声器 将语音转换 为电信号 (信号源) 信号转换、放 大、信号处理 (中间环节) 接受转换信 号的设备 (负载) 将实际元件理想化，由理想化的电路 元件组成的电路。 E I RU + _ 例如： 理想化 导线 理想化 元件 今后我们分析的都是 电路模型，简称电路。 1-2 电路的模型 理想化 电源 电路模型: 由理想元件组成的电路. （一）理想无源元件(线性元件) 1.电阻: 电路中消耗电能的理想元件 2.电容: 电路中储存电场能的理想元件 3.电感: 电路中储存磁场能的理想元件 线性电路: 由线性元件和电源元件组成的电路. （二）理想电源元件 1.理想电压源 恒压源 2.理想电流源 恒流源 电路分析在已知电路结构与元件参数情 况下研究电路激励与响应之间 的关系。 激励推动电路工作的电源的电压或电流。 响应由于电源或信号源的激励作用，在 电路中产生的电压与电流。 1-3 电压和电流的参考方向 I=0 + _ R U E S U0 R0 b a 电路中的箭头方向为电压与电动势 和电流的参考方向. 电路中物理量的正方向(参考方向) 物理量的正方向： 实际正方向 假设正方向 实际正方向： 物理中对电量规定的方向。 假设正方向（参考正方向）： 在分析计算时，为了解题方便，对物理量 任意假设的参考方向。 物理量的实际正方向 一、电流 电流方向正电荷运动的方向 （实际方向）。 电流参考方向任选一方向为电流正方向。 正值 负值 Iab = - Iba 例：II a abb 二、电压 电压方向由高电位端指向低电位端（实际方向）。 电压参考方向任选一方向位为电压正方向。 电压表示方法： U + - U ab Uab Uab = -Uba 关联正方向： U I 关联正 方向 U I 非关联 正方向 三、电动势 电动势的方向电位升高的方向（实际方向）。 电动势的参考方向任选一方向为电动势的正方向。 电动势的表示方法： a.箭头b.正负号 c.双下标 电动势和电压的关系： EU 电压与电动势规定正方向相反时 E=U EU 电压与电动势规定正方向相同时 E= -U 由以上关系可以看出：电压源可由一个大小相等， 方向相反的外加电压表示。 例： EU U (U=E) 电路分析中的假设正方向（参考方向） 问题的提出：在复杂电路中难于判断元件中物理量 的实际方向，电路如何求解？ 电流方向 AB？ 电流方向 BA？ E1 AB R E2 IR (1) 在解题前先设定一个正方向，作为参考方向； 解决方法 (3) 根据计算结果确定实际方向： 若计算结果为正，则实际方向与假设方向一致； 若计算结果为负，则实际方向与假设方向相反。 (2) 根据电路的定律、定理，列出物理量间相互关 系的代数表达式并计算； 例 已知：E=2V, R=1 求： 当Uab分别为 3V 和 1V 时，IR=? E IRR UR a b Uab 解：(1) 假定电路中物理量的正方向如图所示； (2) 列电路方程： (3) 数值计算 （实际方向与假设方向一致） （实际方向与假设方向相反） E IRR UR a b Uab (4) 为了避免列方程时出错，习惯上把 I 与 U 的方向 按相同方向假设(关联正方向）。 (1) 方程式U/I=R 仅适用于假设正方向一致的情况。 (2) “实际方向”是物理中规定的，而“假设 正方向”则 是人们在进行电路分析计算时,任意假设的。 (3) 在以后的解题过程中，注意一定要先假定“正方向” (即在图中表明物理量的参考方向)，然后再列方程 计算。缺少“参考方向”的物理量是无意义的. 提示 IR UR a b 假设: 与 的方向一致 例 假设: 与 的方向相反 IR UR a b 关联正方向 非关联正方向 1-4 欧姆定律 U和 I 为关联正方向时： U和 I 为非关联正方向时： 线性电阻：遵循欧姆定律的电阻，其阻值的 大小和电流电压无关。 R U I 注意：用欧姆定律列方程时，一定要在 图中标明正方向。 R U I R U I 例： 广义欧姆定律 (支路中含有电动势时的欧姆定律) 当 UabE 时， I 0 表明方向与图中假设方向一致 当 UabR0时 UE 一、电压和电流 + _ I R Uab E S R0 a b 电源的外特性曲线 表示电源端电压与输出电流之间的关系 曲线，称为外特性曲线。 U = IR = E IR0 I U 0 E IR0 二. 功率与功率平衡 电源的发出功率=负载的取用功率+电源内阻上的消耗功率 P-电源输出的功率 PE -电源产生的功率 P-电源内阻上消耗的功率 I U E + _ R a b S R0 功率平衡方程式： 在 U、 I 正方向选择一致的前提下： I RU a b 或 I RU a b “吸收功率”（负载） “发出功率”（电源） 若 P = UI 0 若 P = UI 0 根据能量守衡关系P（吸收）= P（发出） 三. 电源与负载的判别 当 计算的 P 0 时, 则说明 U、I 的实际方向一致 ，此部分电路消耗电功率，为负载。 功率性质判断： 当计算的 P 0 时,则电源消耗功率，为负载； 当计算的电源功率PE 0， 消耗功率，是负载。 P=-UI=-10W IN 过载 I IN 轻载 I = IN 额定工作状态 电器使用时的实际值不等于额定值的原因： a.电器受外界影响如电压波动。 b.负载变化时，电流、功率通常不一定处于 额定工作状态。 开关S断开时，外电路的电阻无穷大, 电流为零 ，电源的端电压U0等于电源电动势E。 二、开路（断路或空载） 电路特征： I = 0 U = 0 U0 = E PE = P = 0 I=0 + _ R U E a b S U0 R0 （其中：PE = EI、P = UI） 三. 短路 U=0 I=0 短路电流 P=0 电路特征： + - E + - 0 R U Is I=0 + _ R U E a b S R0 当R0 0时，Is （烧毁电源）。 注意：电压源不允许短路！ IS 用来描述电路中各部分电压或各部分电流间的关 系,其中包括基氏电流和基氏电压两个定律。 术语： 网孔：不包含任何支路的回路 支路：电路中的每一个分支 （一个支路流过一个电流） 结点：三个或三个以上支路的联结点 回路：电路中任一闭合路径 1-6 基尔霍夫定律 支路：ab、ad、 . （共6条） 回路：abda、 bcdb、 . （共7 个） 结点：a、 b、 . (共4个） 例 I3 E4 E3_ + R3 R6 + R4 R5 R1 R2 a b c d I1 I2 I5 I6 I4 - 对任何结点，在任一瞬间，流入结点的电流等于由 结点流出的电流。 基氏电流定律的依据：电流的连续性 I =0即： I1 I2 I3 I4 例 或： 1.6.1 基尔霍夫电流定律（KCL) I入 = I出即： 设：流入结点为正，流出结点为负。 在任一瞬间，一个结点上电流的代数和为 0。 电流定律还可以扩展到电路的任意封闭面（广义结点）。 例 I1+I2=I3 例 I=0 基氏电流定律的扩展 I=? I1 I2 I3 E2E3E1 + _ R R1 R + _ + _ R 对电路中的任一回路，沿任意循行方向的各 段电压的代数和等于零。 即： 1.6.2. 基尔霍夫电压定律（KVL） 即： 在任一回路的循行方向上，电动势的代数 和等于电阻上电压降的代数和。 E、U和IR与循行方向相同为正，反之为负。 例如： 回路 a-d-c-a 或： 注意：与循行方向相同为正， 反之为负。 I3 E4 E3_ + R3 R6 + R4 R5 R1 R2 a b c d I1 I2 I5 I6 I4 - 其中:US3 = - E3 ，US4= - E4 基氏电压定律也适合开口电路。 例 由： 得： E + _ R a b Uab I 例 a I1 I2 E2 + - R1 R3 R2 + _ I3 #1 #2 #3 b E1 分析以下电路中应列几个电流方程？几个 电压方程？ 基尔霍夫电流方程： 结点a： 结点b： 独立方程只有 1 个 基尔霍夫电压方程： #1 #2 #3 独立方程只有 2 个 a I1 I2 E2 + - R1 R3 R2 + _ I3 #1 #2 #3 b E1 网孔 网孔 设：电路中有N个结点，B个支路 N=2、B=3 b R1R2 E2E1 + - R3 + _ a 小 结 独立的结点电流方程有 (N -1) 个 独立的回路（网孔）电压方程有 (B -N+1)个 则： （一般为网孔个数） 独立电流方程：个 独立电压方程：个 求：I1、I2 、I3 能否很快说出结果 ？ 1 + + - - 3V 4V 1 1 + - 5V I1 I2 I3 电路中的电位该点与参考点（零电位点）之间的电压。 （参考点通常用“接地”符号表示，但该点没有和大地相连。） 参考点选的不同，则各点的电位不同。 电流总是从高电位流向低电位。 例1 1-7 电路中电位的概念及计算 -7V 3K1KA S 1K +6V+8V cb 求：A点电位。 设b点为参考点：Vb=0则：VA=0 设c点为参考点：Vc=0 则：S断开时： S闭合时： 则： -7V 3K1KA S 1K +6V +8V c b + + + - - 解：将原图电路改画成上图所示电路。 -7V 3K1KA S 1K +6V+8V cb 计算图中A点的电位。 解： -24V电源的正极在接地点 上， 12和36两 电阻串联 ，流过电流为： I=24/（12+36）=0.5A A +12V 24 36 12 -24V I 例2: 方向向左再向下，故A点电位 VA=-I x12= -0.5x12 = - 6V 在图（a）中求A点电位VA 解：将图（a）电路改画成（b）所示