电工学第六版第一章电路基本概念.ppt

高中电学实验的实物图,简单明了的电路图,电子电路实物,未装元件的印刷电路板,安装元件的印刷电路板,一目了然的电路图,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 电压和电流的参考方向,1.4 欧姆定律,1.5 电源有载工作、开路与短路,1.6 基尔霍夫定律,1.7 电位的概念及计算,本章要求: 1.电压与电流的参考方向/实际方向； 2. 电路的两大基本定律：KVL、KCL； 3. 电路的三种状态：有载工作状态、开路状态、短路状态。 4. 用电器的额定值； 5. 电路中各点电位的计算。,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) 实现电能量的传输、分配与转换（电工技术）,(2)实现电信号的传递与处理（电子技术）,1. 电路的作用,电路是电流的通路，是为实现某种功能由电路元件按一定方式组合而成。,2. 电工电路的组成部分,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,直流电源: 提供能源,负载,信号源: 提供信息,2.电子电路的组成部分,电源或信号源的电压或电流称为激励； 负载的电压和电流则称为响应。,中间环节： 放大、调谐、检波等,1. 2 电路模型,为便于分析, 要抓住主要因素，将电器理想化，从而构成与实际电器相对应的电路模型，简称电路。,理想电路元件：电阻、电感、电容、电源。,手电筒=电池+灯泡+开关+筒体,手电筒的电路模型,电池-电源元件： 电动势 E 和内阻Ro；,灯泡-消耗电能的电阻元件：电阻R,筒体-用来连接电池和灯泡，其电阻忽略不计，即是无电阻的理想导体。,开关用来控制电路的通断。,手电筒=电池+灯泡+开关+筒体,电压和电流的方向,实际方向 参考方向,参考方向 在分析计算电路的电压电流之前， 事先人为假定的方向，以便列写方程式，求得电路中的电压电流。,1.3 电压和电流的参考方向,1.3 电压和电流的参考方向,实际方向,问题 在复杂电路中，难于判断电路元件中的 电压电流实际方向。,？,(1) 解题前，任选某方向为参考方向（或称正方向）；,(3) 求解上述表达式，计算结果，确定实际方向： 若计算结果为正，则实际方向与参考方向一致； 若计算结果为负，则实际方向与参考方向相反。,(2) 根据参考方向，列出电流电压间的关系表达式；,解决方法,结论：实际方向总是在问题已解决后才能确定下来； 参考方向则是在问题未解决前自己任意设定的。,(2) 参考方向的表示方法,电流：,电压：,(1) 参考方向,在分析与计算电路时，对电量事先任意假定的方向。,2. 电路基本物理量的参考方向,注意： 电路图中的方向均为参考方向。,为什么要事先设定方向？欧姆公式为例,若电流(或电压)值为正值，实际方向与参考方向一致； 若电流(或电压)值为负值，实际方向与参考方向相反。,(3) 实际方向与参考方向的关系,I = 0.28A,I = 0.28A,例: 电路如图所示。,2.8V, 2.8V,1.4 欧姆定律,U、I 参考方向相同时,U、I 参考方向相反时,表达式中的正负号由U、I 之间的方向关系确定；,电路中的方向都是参考方向。,U、I 之间的参考方向相同，称为关联参考方向。,U = I R,U = IR,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 与实际方向相反,电压与电流参 考方向相反,电路端电压与电流的关系称为伏安特性。,遵循欧姆定律的电阻称为线性电阻，它表示该段电路电压与电流的比值为常数。,线性电阻的概念：,线性电阻的伏安特性是一条过原点的直线。,1.5 电路的三种状态,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 有载工作状态,(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 R0 0 时，则U E ， 当负载变化时，电源的端电压恒定，即带负载能力强。,1.5.1 有载工作状态,PE = P+ P,负载 消耗 功率,电源 产生 功率,内阻 消耗 功率,(3) 电源的输出功率P由负载决定。,负载的概念: 负载的增加负载电流和负载功率的增加。 负载电阻R反而减小。,1. 电压电流关系,2. 功率与功率平衡,根据 U、I 的实际方向判别,电源： U、I 实际方向相反，（元器件发出功率）,负载： U、I 实际方向相同，（元器件吸收功率）,3. 电路元件的性质判别：电源？ 负载？,例: 已知:电路中U=220V，I=5A，内阻R01= R02= 0.6。,求: (1) 电源的电动势E1和负载的反电动势E2 ； (2) 说明功率的平衡关系。,解：(1) 对于电源 U= E1-U1= E1-IR01 即 E1= U +IR01 = 220+50.6=223V U= E2+U2= E2+IR02 即 E2= U -IR01 = 220-50.6 = 217V,(2)由上面可得，E1=E2 +IR01+IR02 等号两边同时乘以 I，则得 E1 I =E2 I +I2R01+I2R02 代入数据有 223 5=217 5+52 0.6+ 5+52 0.6 1115W=1085W+15W+15W。,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,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。,相关的习题为26页的1.5.4 1.5.7 额定电压、额定功率通常并不是实际所使用的数值， 额定电压、额定功率通常只用于求得电气设备的电阻， 电阻在额定和非额定状态下才是唯一不变的。,电气设备的三种运行状态,欠载(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： I = IN ，P = PN (经济合理安全可靠),特征:,开关 断开,1.5.2 开路状态,开路状态： 开路处的电流I = 0 开路处的电压(开路电压)U=UOC,电源外部端子被短接,1.5.3 短路状态,短路状态： 1.短路处的电压 U = 0 2.短路处的电流 Is通常极大，易发生火灾。,1. 6 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。,回路：由支路组成的闭合路径。,网孔：内部不含支路的回路。,例1：,支路：ab、bc、ca、 （共6条）,回路：abda、abca、 adbca （共7 个）,结点：a、 b、c、d (共4个）,网孔：abd、 abc、bcd （共3 个）,1.6.1 基尔霍夫电流定律(KCL定律),1定律,即: 入= 出,任一瞬间，流进某结点的电流=流出该结点的电流。,实质: 电流连续性的体现。,或: = 0,对结点 a：,I1+I2 = I3,或 I1+I2I3= 0,基尔霍夫电流定律（KCL）反映了电路中任一结点处各支路电流间的相互制约关系。,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。,2推广,I =?,例:,I = 0,IA + IB + IC = 0,广义结点,或者，在这一闭合方向上， 各局部电压（电位降）的代数和等于零。 U = 0,1.6.2 基尔霍夫电压定律（KVL定律),1定律,从任一点出发，沿回路循行一周（顺时针或逆时针），则在这个方向上，电位升之和=电位降之和。,对回路1：,对回路2：,I1 R1 +I3 R3 E1 = 0,I2 R2+I3 R3 E2 = 0,代数和：若局部电压方向与循行方向相同，则前面取“+”,1列方程前标注回路循行方向；, U = 0 I2R2 E2 + UBE = 0,2应用 U = 0列方程时，项前符号的确定： 局部压降与循行方向一致，则取正号，相反就取负号。,3. 开口电压可按回路处理,注意：,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的相互制约关系。,例：,对网孔abda：,对网孔acba：,对网孔bcdb：,R6,I6 R6 I3 R3 +I1 R1 = 0,I2 R2 I4 R4 I6 R6 = 0,I4 R4 + I3 R3 E = 0,应用 U = 0列方程,基尔霍夫电压定律的推广：可应用于回路的部分电路,UABUAUB,UERI,（1）UABUBCUCDUDA=0 即 UCD2V,（2）UCA UAB UBC (+5) (-4) 1V,解,广义的KVL: UBE RBI2 + EB 得 I20.315mA,KVL: EB US R1I1 RBI20 得 I10.57mA,KCL: I2I1IB0 得 IB0.255mA,1.7 电路中的各点电位计算,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。,1. 电位的概念,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) 标出各电流的参考方向，并据此列写计算公式； (3) 计算各点至参考点间的电压即为各点的电位。,以b点作为参考点，则：,a点电位:-12V,n点电位:5+(-12)=-7V,m点电位:3V,可得 Unm=Vn-Vm=(-7)-(+3) =-10V,由欧姆定律得：（正欧姆定律） RUnmI （-10）（-2） 5 ,2. 举例,求图示电路中各点的电位:Va、Vb、Vc、Vd 。,解： 设 a为参考点， 即Va=0V,Vb=Uba= 106= 60V Vc=Uca = 420 = 80 V Vd =Uda= 65 = 30 V,设 b为参考点，即Vb=0V,Va = Uab=106 = 60 V Vc = Ucb = E1 = 140 V Vd = Udb =E2 = 90 V,b,a,Uab = 106 = 60 V Ucb = E1 = 140 V Udb = E2 = 90 V,Uab = 106 = 60 V Ucb = E1 = 140 V Udb = E2 = 90 V,结论：,(1)电位值是相对的，参考点的不同，各点电位也不同；,(2) 两点间的电位差（电压值）是固定的，是绝对的， 与参考点的选取无关。,借助电位的概念可以简化电路作图,例1: 图示电路，计算开关S 断开和闭合时A点电位VA（悬空点与电源点）,解: (1)当开关S断开时,(2) 当开关闭合时,电路 如图（b）,电流 I2 = 0， 电位 VA = 0V 。,电流 I1 = I2 = 0， 电位 VA = 6V 。,电流在闭合 路径中流通,例2：,电路如下图所示，(1) 零电位参考点在哪里？画电路图表示出来。(2) 当电位器RP的滑动触点向下滑动时，A、B两点的电位增高了还是降低了？（板书）,解：（1）电路如左图。,当电位器RP的滑动触点向下滑动时，回路中的电流 I 减小，所以A电位增高、B点电位降低。,（2） VA = IR1 +12 VB = IR2 12,解,I（VAVC）（R1R2） 6（9）（10050） 103 0.1mA,UABVAVBR2I VBVAR2I 6（50 103) (0.1 10-3) 1V,返回,2,解,I30 I1I2E1（R1R2） 6（42） 1A VA R3I3E2R2I2 042 1 2V,返回,1.6.2 已知Uab=0,求I,R,I1,解：已知条件只有1个，所以，用上已知 条件，问题就会迎刃而解。 2个网孔，4