電路的基本概念與基本原理第一章

1、電路的基本概念與基本原理第一章第1頁，共53頁，2022年，5月20日，7點55分，星期五上篇 電工技術(shù)電路理論 直流電路 交流電路 暫態(tài)電路磁路理論 磁路 變壓器 電磁鐵電機原理與控制 異步電動機的原理、 特性、 使用及控制 安全用電及工業(yè)測量 第2頁，共53頁，2022年，5月20日，7點55分，星期五第一章 電路的基本概念與基本定律本章主要內(nèi)容: 1. 電路的基本物理量 2. 電路的基本定律 3. 電路的工作狀態(tài) 4. 電壓和電流的正方向第3頁，共53頁，2022年，5月20日，7點55分，星期五 1-1 電路的作用與組成部分電路: 電路是電流的通道電路的作用: 實現(xiàn)電能的傳輸和轉(zhuǎn)換發(fā)電

2、機升壓變壓器降壓變壓器負載(電燈)(電動機)(電爐)輸電線第4頁，共53頁，2022年，5月20日，7點55分，星期五電路的另一作用：傳遞和處理信號聲音信號圖象信號測量信號或控制信號放大器話筒揚聲器第5頁，共53頁，2022年，5月20日，7點55分，星期五電路的結(jié)構(gòu)電路=電源+中間環(huán)節(jié)+負載電力系統(tǒng)： (發(fā)電機)+(變壓器、輸電線)+(電爐、電動機)擴音機：(話筒) + (放大器) + (揚聲器)結(jié)構(gòu)模型：激勵響應(yīng)即尋找xo = f (xi) 的關(guān)系第6頁，共53頁，2022年，5月20日，7點55分，星期五1-2 電路模型實際電路都是根據(jù)人們的需要將實際的電路元件或器件搭接起來，以完成人們

3、的預(yù)想要求。如發(fā)電機、變壓器、電動機、電阻器及電容器等但是，實際元器件的電磁特性十分復(fù)雜。為便于對電路的分析和數(shù)學(xué)描述，常將實際元器件理想化（即模型化）由理想電路元件組成的電路就是電路的電路模型。第7頁，共53頁，2022年，5月20日，7點55分，星期五電路與電路模型實際電路：電路模型：導(dǎo)線開關(guān)電池?zé)襞?R0R開關(guān)E干電池電珠S導(dǎo)線開關(guān)電池+R0R開關(guān)E干電池電珠SI第8頁，共53頁，2022年，5月20日，7點55分，星期五 分析 “電路” 問題的 核心點任何電路，都是在電動勢、電壓或電流的作用下進行工作的，對于電路的分析和計算就是要討論電壓、電動勢和電流狀態(tài)以及它們之間的關(guān)系。即討論響應(yīng)

4、的狀態(tài)及與激勵的關(guān)系電第9頁，共53頁，2022年，5月20日，7點55分，星期五1-3 電路的基本物理量電流概念:電荷有規(guī)則的定向運動大小:單位時間通過導(dǎo)體橫截 面的電荷量方向:正電荷移動的方向單位:安培(A) 毫安(mA) 微安(A) abSIab i =dq / dt I = q / t (直流)第10頁，共53頁，2022年，5月20日，7點55分，星期五電流的正方向習(xí)慣上規(guī)定正電荷的運動方向(或負電荷運動的相反方向)為電流的正方向。電流的正方是客觀存在！電路的基本物理量在分析問題前，有時無法預(yù)知電流的實際方向；而交流電路的電流方向又時刻發(fā)生變化，也無法指定其電流方向。在分析電路時，一

5、般先選定某一方向作為電流的正方向稱為參考方向當所選電流正方向與實際電流正方向一致時，所得電流的數(shù)值為正，反之為負。第11頁，共53頁，2022年，5月20日，7點55分，星期五電壓概念：電荷在導(dǎo)體中作定向運動時，一定要受到力的作用。如果這個力源是電場，則電荷運動就要消耗電場能量，或者說電場力對電荷作了功。為衡量電場力對電荷作功的能力，引入一新的物理量電壓大?。篴、b兩點間電壓 Uab 在數(shù)值上等于電場力把單位正電荷從a點移到b點所作的功。也就是單位正電荷在移動過程中所失去的電能。電路的基本物理量第12頁，共53頁，2022年，5月20日，7點55分，星期五方向：正電荷在電場的作用下，從高電位向

6、低電位移動。規(guī)定這時正電荷的的移動方向為電壓的正方向。在分析電路之前，可以任意選擇某一方向為電壓的參考方向。當實際電壓方向與參考方向一致時，電壓值為正，反之為負。單位：伏特(V) 千伏(kV) 毫伏(mV)電路的基本物理量電壓第13頁，共53頁，2022年，5月20日，7點55分，星期五如圖為關(guān)聯(lián)方向定義的電壓和電流電壓關(guān)聯(lián)方向 當a、b兩點間所選擇的電壓參考方向由a指向b時，也選擇電流的參考方向經(jīng)電路由由a指向b，這種參考方向的定義方式成為關(guān)聯(lián)方向。電路的基本物理量abIUabIU第14頁，共53頁，2022年，5月20日，7點55分，星期五電動勢正電荷從高電位a向低電位b移動，a端的正電荷

7、逐漸減少會使其電位逐漸降低。 為維持導(dǎo)體中的電流能夠連續(xù)不斷地流過，且應(yīng)使得導(dǎo)體a、b兩端的電壓不致喪失，就要將b端的正電荷移至a端。但電場力的作用方向恰好與此相反，因此就必須要有另一種力去克服電場力而使b端的正電荷移至a端。電源中必須具有這種力電源力(非靜電力)。電路的基本物理量IEabUab+_ab電源力第15頁，共53頁，2022年，5月20日，7點55分，星期五電動勢大小：電源電動勢Eab的數(shù)值等于電源力把單位正電荷從電源的低電位b端經(jīng)電源內(nèi)部移到電源高電位b端所作的功，也就是單位正電荷從電源低電位端移到高電位端多獲得得能量。方向：電動勢的實際方向是由電源低電位端指向電源高電位端。在分

8、析問題時可設(shè)參考方向。單位：電動勢與電壓的單位相同。為伏特(V)標量性：電動勢與電壓和電流都是標量。電路的基本物理量第16頁，共53頁，2022年，5月20日，7點55分，星期五電動勢例題電路的基本物理量+R0U=2.8VU =-2.8VI=0.28AI =-0.28A如圖所示E=3V電動勢為E=3V方向由負極指向正極電壓為U=2.8V 由指向電流為I=0.28A 由流向其參考方向為關(guān)聯(lián)方向。U 與 I 的參考方向選擇亦為關(guān)聯(lián)方向的定義方式。而電壓U 與電流 I 的參考方向為非關(guān)聯(lián)方向。第17頁，共53頁，2022年，5月20日，7點55分，星期五1-4 歐姆定律歐姆定律： 流過電阻的電流與電

9、阻兩端的電壓成正比?；蛘弑硎緸椋簹W姆定律的單位： 在SI中，電阻為歐姆() 或者為千歐(k) 、兆歐(M) UIR第18頁，共53頁，2022年，5月20日，7點55分，星期五歐姆定律的符號根據(jù)電路上所選電壓和電流方向的不同，歐姆定律的表達式有著不同的符號：當電流和電壓的正方向定義為關(guān)聯(lián)方向時，歐姆定律如(1)式 UIR歐姆定律當電流和電壓的正方向定義為非關(guān)聯(lián)方向時歐姆定律如(2)式 (1)(2)UIR第19頁，共53頁，2022年，5月20日，7點55分，星期五應(yīng)用歐姆定律對如下各圖列出表達式，并求出電阻值。例題(1-1)：歐姆定律UIR6V2A(a)UIR6V-2A(b)UIR-2A-6V

10、(d)UIR(c)-6V 2A歐姆定律的符號第20頁，共53頁，2022年，5月20日，7點55分，星期五對于(a)圖例題(1-1)分析歐姆定律的應(yīng)用UIR6V2A(a)UIR6V-2A(b)對于(b)圖第21頁，共53頁，2022年，5月20日，7點55分，星期五UIR-2A-6V(d)UIR(c)-6V 2A例題(1-1)分析歐姆定律的應(yīng)用對于(c)圖對于(d)圖第22頁，共53頁，2022年，5月20日，7點55分，星期五例題(1-2)：計算圖中電阻R的值，已知Uab=-12V歐姆定律的應(yīng)用I= -2ARnmUnmE1=5VE2=3Vab解：a點電位比b點電位低12V n點電位比b點電位

11、低7V m點電位比b點電位高3V于是： n點電位比m 點電位低7+3=10V即Unm =-10V第23頁，共53頁，2022年，5月20日，7點55分，星期五第一章1-5 電路的工作狀態(tài)最簡單的電路為直流電路，本節(jié)討論電路的工作狀態(tài)、開路狀態(tài)和短路狀態(tài)，所討論的內(nèi)容有電流、電壓及功率等方面的特性。本節(jié)討論問題的理論依據(jù)是歐姆定律R0EUabR如圖電路：E 為電源的電動勢U 為電源的端電壓R0 為電源的內(nèi)阻R 為電路負載電阻第24頁，共53頁，2022年，5月20日，7點55分，星期五一. 有載工作狀態(tài)當開關(guān)閉合，電源與負載接通，即電路處于有載工作狀態(tài)。電路狀態(tài)UabR0ERI電路中的電流為 I

12、=E/(R0+R)負載電阻兩端的電壓為 U=IR當電源電動勢E和內(nèi)阻R0一定時負載電阻R愈小，則電流I愈大。或?qū)懗?U=E-IR0可見電源端電壓小于電動勢，二者之差為電源內(nèi)阻的電壓降IR0即 U=E-IR0 為電源外特性關(guān)系式第25頁，共53頁，2022年，5月20日，7點55分，星期五有載工作狀態(tài)一般常見電源的內(nèi)阻都很小當R0R時， 則 U E此時當電流(負載)變動時，電源的端電壓變化不大。電路狀態(tài)R0EUabRI第26頁，共53頁，2022年，5月20日，7點55分，星期五有載工作狀態(tài)當式U=E-IR0各項乘以電流I時，得到 UI= EI-I2R0或 P = PE + P電路狀態(tài)R0EUa

13、bRI式中： PE=EI 為電源產(chǎn)生的功率 P= I2R0 為電源內(nèi)阻上消耗的功率 P=U I 為電源輸出的功率單位：在SI中功率的單位是瓦特(W)或千瓦(kW)1W功率的含義是：在1s時間內(nèi)，轉(zhuǎn)換1J的能量。第27頁，共53頁，2022年，5月20日，7點55分，星期五例題1-3. R01E1UI有載工作狀態(tài)已知:電路中，U=220V，I=5A，內(nèi)阻R01= R02= 0.6。求:(1)電源的電動勢E1和負載的反電動勢E2 ； (2)說明功率的平衡關(guān)系。R02E2第28頁，共53頁，2022年，5月20日，7點55分，星期五例題1-3. R01E1UI有載工作狀態(tài)解：(1) 對于電源 U=E

14、1-U1= E1-IR01 即 E1 =U +IR01 =220+50.6=223V U=E2+U2= E2+IR02 即 E2 =U -IR01 =220-50.6=217VR02E2第29頁，共53頁，2022年，5月20日，7點55分，星期五例題1-3. 有載工作狀態(tài)(2)由上面可得，E1=E2 +IR01+IR02等號兩邊同時乘以 I，則得 E1 I =E2 I +I2R01+I2R02代入數(shù)據(jù)有 223 5=217 5+52 0.6+ 5+52 0.6 1115W=1085W+15W+15W。R01E1UIR02E2其中E1I是電源產(chǎn)生的功率；E2I是負載取用的功率；I2R01是電源

15、內(nèi)阻上損耗的功率；I2R02是反電動勢電源(負載)內(nèi)阻上損耗的功率。 可見電路具有功率平衡特性。 第30頁，共53頁，2022年，5月20日，7點55分，星期五能量的傳輸和電源/負載的判定有載工作狀態(tài)對于電阻R，其消耗的功率P = UI 或 P=U2/R=I2R0 作為負載其電流與電壓方向相同，符合關(guān)聯(lián)定義方向。 由此，功率值的正負與電流、電壓的參考方向的選擇有關(guān)。電源：U與I的實際方向相反，I 從“+”端流出，發(fā)出功率。負載：U與I的實際方向相同，I 從“+”端流入，取用功率。R01E1UIR02E2電源負載第31頁，共53頁，2022年，5月20日，7點55分，星期五電氣設(shè)備的名牌. 有載

16、工作狀態(tài) 電氣設(shè)備或元器件的標定值通常標注在其名牌上或記載在說明書中，這些標定值都是給定的額定值，如UN表示額定電壓、IN表示額定電流、PN表示額定功率。 在使用電氣設(shè)備或元器件時不得超過其額定值，以免影響其正常使用甚至使其遭到損壞。 注意：電氣設(shè)備工作時的實際值不一定都等于其額定值，要能夠加以區(qū)別。 例如：一只220V，40W的白熾燈，正常工作的電流為 I=40/220=0.182A，24小時消耗電能W = P t = 4024=96Wh。第32頁，共53頁，2022年，5月20日，7點55分，星期五二. 開路工作狀態(tài)如圖電路：當開關(guān)斷開時，電路則處于開路(空載)狀態(tài)。R0EU= U0abR

17、I= 0開路時，外電路的電阻為無窮大，電路中的電流 I 為零。電源的端電壓(稱為開路電壓或空載電壓 U0 ) 等于電源的電動勢，電源不輸出電能。電路開路時的特征為I = 0U = U0 = EP = 0第33頁，共53頁，2022年，5月20日，7點55分，星期五三. 短路工作狀態(tài)當電源兩端由于某種原因而聯(lián)在一起時，稱電源被短路。R0EabRIScd短路時，可將電源外電阻視為零，電流有捷徑流過而不通過負載。由于R0很小，所以此時電流很大，稱之為短路電流 Is 。U = 0I = Is = E / R0P = P = I2 R0電路短路時的特征為第34頁，共53頁，2022年，5月20日，7點5

18、5分，星期五【思考與練習(xí)】1-5-2額定值為1W、100的碳膜電阻，在使用時電流和電壓不得超過多大值？答：由功率P與電阻R的關(guān)系公式P = I2 R 或 P= U2/R可得：電流 I =P/R = (1/100)1/2=0.1A同理：電壓U =PR = (1100)1/2=10V第35頁，共53頁，2022年，5月20日，7點55分，星期五【思考與練習(xí)】1-5-5有一臺直流發(fā)電機，其名牌上標有40kW、230V、174A。試問：什么是發(fā)電機的空載運行、輕載運行、滿載運行和過載運行？負載的大小，一般指什么而言？答：空載運行 指發(fā)電機對外開路，無功率輸出； 輕載運行 指發(fā)電機所帶負載取用功率小于或

19、遠小于額定功率的40kW，或輸出電流小于或遠小于174A； 滿載運行 發(fā)電機所帶負載取用功率基本與發(fā)電機額定功率(40kW)相當； 過載運行 負載從發(fā)電機取用的功率大于發(fā)電機的額定功率，這種情況對發(fā)電機的運行有較大危害。負載的大小 一般指負載從電源取用功率的大小。 顯然，此時R愈小負載愈大，反之亦然。第36頁，共53頁，2022年，5月20日，7點55分，星期五1-6克希荷夫定律根據(jù)歐姆定律分析電路，已是中學(xué)物理中常用的分析方法，但對某些電路有時是無能為力的，克希荷夫定律分為兩個部分，即：1.克希荷夫電流定律(KCL) 應(yīng)用于節(jié)點2.克希荷夫電壓定律(KVL) 應(yīng)用于回路為此本節(jié)討論克希荷夫定

20、律，它亦是分析與計算電路的基本方法。第37頁，共53頁，2022年，5月20日，7點55分，星期五1-6克希荷夫定律根據(jù)歐姆定律分析電路，已是中學(xué)物理中常用的分析方法，但對某些電路有時是無能為力的，克希荷夫定律分為兩個部分，即：1.克希荷夫電流定律(KCL) 應(yīng)用于節(jié)點2.克希荷夫電壓定律(KVL) 應(yīng)用于回路為此本節(jié)討論克希荷夫定律，它亦是分析與計算電路的基本方法。第38頁，共53頁，2022年，5月20日，7點55分，星期五名詞、概念1. 支路：電路中的每一個分支，稱為支路。它是由若干個二端元件串聯(lián)而成。2. 節(jié)點：電路中三條或三條以上的支路相聯(lián)結(jié)的點稱為節(jié)點?？讼：煞蚨蒩bcdI2I3

21、一條支路中各部分都流過一個相同的電流，稱為支路電流。如圖中的ab、acb及adb共3條支路。I1如圖中的I1、I2及I3共3個電流。圖中共有a、b兩個節(jié)點。第39頁，共53頁，2022年，5月20日，7點55分，星期五名詞、概念(2)回路：是由一條或多條支路所組成的閉合電路。網(wǎng)孔：網(wǎng)孔是回路，但認定的網(wǎng)孔一定要比其他網(wǎng)孔包含有新的支路。如圖電路: adbca、abca 和 abda 共三個回路。abcdI2I3I1克希荷夫定律如圖電路: 當認定adbca和abca 是網(wǎng)孔時， abda 就不能認為是網(wǎng)孔，它所包含的支路都已被前兩個網(wǎng)孔所包含。第40頁，共53頁，2022年，5月20日，7點55

22、分，星期五名詞、概念(3)克希荷夫定律acdI2I1I3當然，當認定adba和abca 是網(wǎng)孔時， acbda 就不是網(wǎng)孔，因其支路都已被前兩個網(wǎng)孔所包含。同樣，當認定acbda 和 adba 是網(wǎng)孔時，abca 就不再認定是網(wǎng)孔，其支路也已被前兩個網(wǎng)孔所包含。因此，不能認為所有的回路都是網(wǎng)孔。b第41頁，共53頁，2022年，5月20日，7點55分，星期五定律(1)KCL克希荷夫定律acdI2I1I3KCL 也可表述為，在任一瞬時，流入某一節(jié)點的電流代數(shù)和恒為零?？讼：煞虻谝欢桑涸谌我凰矔r，流向某一節(jié)點的電流之和等于由該節(jié)點流出的電流之和。如圖對于節(jié)點 a ： 流入電流 = 流出電流 I1

23、 + I2 = I3或 I1 + I2 - I3 =0bc克希荷夫第一定律：在任一瞬時，流向某一節(jié)點的電流之和等于由該節(jié)點流出的電流之和。第42頁，共53頁，2022年，5月20日，7點55分，星期五由此，KCL亦可表示為：定律(1)KCL克希荷夫定律如圖：3個電阻的節(jié)點A、B和C可看成為廣義節(jié)點。ABCIABICAIBCIAIBIC對于節(jié)點A、B及C，可分別列出KCL方程：IAIABICAIBIBCIABICICAIBCIA+IB+IC=0即 I=0第43頁，共53頁，2022年，5月20日，7點55分，星期五定律(2)KVL如電路中dabd回路，沿逆時針繞行方向da段電阻上為電壓降 Uda

24、=I2R2 ab段電阻上亦為電壓降 Uab=I3R3 而bd段電源部分為電壓升，即 Ubd=E2由KVL可得： E2 =I2R2 +I3R3 克希荷夫電壓定律(KVL)是用來確定回路中各段電壓間關(guān)系的。它應(yīng)用于回路?？讼：煞蚨煽讼：煞虻诙?KVL)：在任一瞬時，流向某一節(jié)點的電流之和等于由該節(jié)點流出的電流之和。acdI2I1I3bcR1R2R3E2第44頁，共53頁，2022年，5月20日，7點55分，星期五克希荷夫電壓定律還可以敘述為：沿任一回路繞行一周，回路各段的電壓降代數(shù)和恒為零。KVL的應(yīng)用克希荷夫定律acdI2I1I3bcR1R2R3E2E1ac段(+ I1 R1), cb段(

25、- E1), bd段(+ E2), da段(- I2 R2)表達式為:Va= Va+I1R1-E1+ +E2-I2R2即 ( E Ii Ri) 應(yīng)用上式的方法之一為數(shù)電壓法：從回路中任一點 a 數(shù)起，沿回路繞行一周再數(shù)回到a點，電位值不變(如adbca回路):公式為:末點電位=起點電位+數(shù)電壓一周 (上升+,下降-)第45頁，共53頁，2022年，5月20日，7點55分，星期五如圖電路：UAB=VA-VB數(shù)電壓法還可以應(yīng)用于任意的部分電路?？讼：煞蚨蒏VL的應(yīng)用“數(shù)電壓法”公式為: 末點電位=起點電位+數(shù)電壓一周 (上升“+”,下降“-”)公式為: 末點電位=起點電位+從起點數(shù)電壓到末點。ABCUAUBUABVB= VA UA+UB即：UAB=VA-VB= UA-UB或 VA= VB UB+UA第46頁，共53頁，2022年，5月20日，7點55分，星期五注意事項：應(yīng)用克希荷夫定律時，要認清研究對象，對電路中的各個電流和各段電壓及各電