电工技术第一章分校.ppt

,第一章 电路基本定律与二端电阻性元件,1.1 电路的基本组成和电路模型,1.2 电压及其参考方向,1.4 电功率和电能,1.5 基尔霍夫定律,1.6 电阻元件,1.7 独立电源,1.3 电流及其参考方向,（3）中间环节：起输送、分配电能的作用。包括连接导线、控制、保护装置等。如开关电器、熔断器、仪器仪表等。,（1）电源：是将其他形式的能转换成电能的装置。它是电路中能量的提供者，如干电池、蓄电池、发电机或信号源等。,（2）负载：是将电能转换成其他形式能的器件或设备，是电路中能量的消耗者，如电灯、电炉、电动机等。负载是各类用电器的统称。,手电筒电路,一、 电路的组成,1.1.1 电路的组成及各部分的作用,1.1电路的基本组成和电路模型,电路的定义：电流流过的路径。,二、 电路的作用,1.电能的传送、分配与转换（强电）,2.传递和处理信号（弱电）,发电厂中发电机发出的电能通过变压器、输电线等送到用电单位，将电并通过负载转换成其他形式的能量（如热能、机械能等）。,通过电路将输入的信号进行转换、传送或加工处理，使之成为满足一定要求的输出信号。,对于实际电路是由实际的电路元件连接而成的。而实际元件种类繁多，即使最简单的电路元件，其电磁性能也十分复杂，很难把其所有性能都考虑进去，很难用一个简单的数学表达式表达出来。,理想电路元件是一种理想化的模型, 简称为电路元件：电阻元件是一种只表示消耗电能的元件; 电感元件是表示其周围空间存在着磁场而可以储存磁场能量的元件; 电容元件是表示其周围空间存在着电场而可以储存电场能量的元件等。,实际电路可以用一个或若干个理想电路元件经理想导体连接起来模拟, 这便构成了电路模型。,在一定条件下对实际器件加以理想化, 只考虑其中起主要作用的某些电磁现象。,1.1.2 理想电路元件和电路模型,电路元件,无源二端元件有电阻元件R、电感元件L、电容元件C。,有源二端元件分为电压源元件和电流源元件。,手电筒实际电路的电路模型,二端元件、多端元件,电荷的定向移动形成电流。单位时间内通过导体某一横截面的电量称为电流强度（电流）。设在dt时间内通过导体截面的电荷量为dq，则有：,电流的大小和方向均不随时间变化称为稳恒直流电流，简称直流（DC），用大写字母I表示，即,电流的单位是安培（A）。较小的单位有毫安（mA）、微安（A）、纳安（nA）。,1.3. 电流及其参考方向,1.3.1 电流的概念,电流的方向画图：,1.正电荷运动的方向； 2.电子流的反方向,电流的分类,各种电流的波形图如图所示。,一、为什么引入参考方向？图,1.3.2 电流的参考方向,二、参考方向的表示交通部门,电流的参考方向,1.预先任意假定的电流方向称电流的参考方向（或正方向）。,2.电流的参考方向在连接导线上用箭头或用双下标表示。,三、电流参考方向的意义 交通部门,当参考方向与实际方向一致时电流值为正;当参考方向与实际方向相反时，电流值为负。,根据参考方向，结合电流数值的正负，确定电流实际方向,注意：,2.交通部门例对同一电流，当参考方向改变时，电流值要改变符号。,1.参考方向一经选定不要随意改动。,3.没有参考方向，数值的正负没有意义。 交通部门,即：电流值为正，表示电流的实际方向与参考方向一致；电流值为负，表示电流的实际方向与参考方向相反。,电路中A、 B两点间的电压是单位正电荷在电场力的作用下由A点移动到B点所减少的电能, 即,式中, dq为由A点移动到B点的电荷量, dWAB为移动过程中电荷所减少的电能。,电压的单位是伏特（V）。较大的单位有千伏（kV），较小的单位有毫伏（mV），微伏（V）,1.2 电压及其参考方向,1.2.1 电压的概念,电压的实际方向是正电荷在电场力的作用下电能减少的方向，即从高地位指向低电位。,电压的实际方向是正电荷在电场力的作用下电能减少的方向，即从高地位指向低电位。,1.2.2 电压的参考方向,定义：任意假设的电压方向称为电压的参考方向（或正方向）。,电压参考方向的表示:,关联参考方向、非关联参考方向：,当电压的实际方向与参考方向一致时，电压为正值；当电压的实际方向与参考方向相反时，电压为负值。 即：电压值为正，电压的实际方向与参考方向一致；电压值为负，电压的实际方向与参考方向相反。,参考方向的意义,P5例1-1 交直流电压定义和符号表示,例：电路如图所示，,各电量的参考方向在图中已经标出。请问：（1）各段电路电流、电压的参考方向是否关联？（2）各段电路电流的实际方向如何？（3）AB段电压的实际方向如何？,解：（1）一个两端元件若电流从电压的正极流入、从负极流出，则电压电流为关联方向；反之为非关联方向。,由图可知,为关联方向,为关联方向,为非关联方向,为正值，实际方向与参考方向一致,为负值，实际方向与参考方向相反,因 U1的实际方向与参考方向相反，故B点的电位高，A点的电位低。AB段电压的实际方向是由B指向A。,1.2.3 电位,一、电位 任选电路中的一点o为参考点，则电路中的某点a与参考点o间的电压就称为a点的电位，用a 表示，单位也是伏特。,参考点的电位规定为零，故参考点又称为零电位点。,1.物理学中常选无限远处或大地为参考点。 2.电工学中若研究的电路有接地点，就选择接地点为参考点，用符号 表示。 3.电子线路中，常取若干导线汇集的公共点或机壳作为电位的参考点，用符号 表示。,二、参考点的选择,三、电压与电位的关系,即：电路中a、b两点间的电压等于a、b两点的电位之差。 1.下标调，符号调；2.电压可以分段计算（结论）,结论：1.参考点选择不同，各点电位就不同电位是相对的；2.任意两点间的电压与参考点的选择无关任意两点间的电压是绝对的。,Uab = Uao + Uob = Uao - Ubo = a -b,如果已知a、b两点的电位各为a 、b, 则此两点间的电压,P5例1-4：在图1-13所示电路中，当选择（4）为参考点时，（1）、（2）、（3）各点电位分别为5V、3V、-6V。求电压U12、U23、U31；若将参考点改为（2），求其他各点电位和U12、U23、U31 。,在电子电路中，为了简化电路的绘制，常采用电位标注法。如图（a）所示电路用电位标注时，可简化成图（b）的形式电子线路习惯画法。,例题,四、电子线路习惯画法,1.2.4 电动势,一、电动势,在电源内部，电源力将单位正电荷由低电位移到高电位所做的功定义为电源的电动势，电动势用符号e表示。,直流电源的电动势为,二、电动势的图形符号,维持电路中电流的流动,三、电源电动势E与其两端电压U的关系,电压源对外电路的作用效果既可以用电动势表示，也可以用电压表示。,沿电动势的方向电位升高了E伏，沿电压的方向电位降低了同样的数值，故有,。,结论：U参考方向与电动势E实际方向（- +）相同 U= -E； U参考方向与电动势E实际方向（- +）相反 U= E,一、电功率,单位时间内电流所做的功称为电功率，简称功率，用符号p或P表示。,直流情况下,1.4 电功率和电能,功率的单位为瓦特, 简称瓦, 符号为W,常用的有千瓦（kW）、兆瓦（MW）和毫瓦（mW）等。,（1）当一段电路或一个元件的电流、电压参考方向关联时，p=ui定为吸收功率表达式，若功率为正值时（p0），这个元件是负载，它吸收（消耗）功率；若功率为负值时（p 0），这个元件起电源作用，它发出功率。,如何判断一个元件是吸收功率还是发出功率,（2）当一段电路或一个元件的电流、电压参考方向非关联时，p=ui定位发出功率表达式，若功率为正值时（ p0 ），这个元件是电源，它发出功率；若功率为负值时（p 0），这个元件起负载作用，它吸收功率。,例：求图示各二端元件的功率，并说明各功率的性质。,吸收10 W的功率。该元件为负载。,图（b）中电流、电压关联方向，因此,产生10 W的功率。该元件为电源。,图（c）中电流、电压非关联方向，因此,吸收10 W的功率。该元件为负载。,图（d）中电流、电压非关联方向，因此,产生10 W的功率。该元件为电源。,P=UI=5(-2)= -10W,P=UI=5(-2)= -10W,P=UI=52= 10W,P=UI=(-5)(-2)= 10W,解：图（a）中电流、电压关联方向，因此,P8例1-6,二、电能,从t0到t时间内, 电路吸收（消耗）的电能为,直流时， 有,电能的SI主单位是焦耳, 符号为J, 在实际生活中还采用千瓦小时（kWh）作为电能的单位,简称为1度电。,电阻元件是从实际电阻器件中抽象出来的理 想化模型。电阻元件在电路中只消耗电能。 即它是耗能元件。其电压与电流实际方向总 是相同的。在电路中总是吸收功率.,1.6 电阻元件与欧姆定律,一、电阻元件,二、电阻元件的伏安关系,若不加特殊说明，电阻元件均指线性电阻元件，线性电阻元件简称电阻。,电阻元件及线性、非线性电阻元件的伏安特性,电阻的倒数称为电阻元件的电导。令G=1/R，其单位是西门子（S）,在电流和电压关联参考方向下，任何瞬时线性电阻元件接收的电功率为,电流、电压关联方向时,电流、电压非关联方向时,三、电导,四、电阻元件的功率,例： 有220V, 100 W灯泡一个, 其灯丝电阻是多少？每天用5h, 一个月（按30天计算）消耗的电能是多少度？ 解： 灯泡灯丝电阻为,一个月消耗的电能为,补充有源支路欧姆定律,1.5 基尔霍夫定律,1.5.1 有关的电路术语,（1）支路：下图所示电路中，通过同一电流的分支称为支路。支路上通过的电流称为支路电流。如图所示电路中的I1、I2、I3均为支路电流。,（2）节点：3条或3条以上支路的连接点称为节点，图所示电路中的节点a和节点b。,（3）回路：电路中任意一个闭合路径称为回路。如图所示电路中的回路I、回路II及 构成的大回路III。,（4）网孔：网孔是回路的一种，是平面电路中特殊的回路。将电路画在平面上, 在回路内部不另含有支路的回路称为网孔。如图所示电路中的回路I、回路II即为网孔。大回路III不是网孔。,图示电路有3条支路、2个节点、3个回路、2个网孔。,1.5.2 基尔霍夫电流定律（KCL）,1基尔霍夫电流定律内容 在任一瞬时，流入任意一个节点的电流之和必定等于从该节点流出的电流之和。即,或,2推广应用：KCL也适用于包围几个节点的闭合曲面。如图所示，其中的虚线圈内可看成一个封闭面闭合曲面。,i1+i2+i3=0,iB+ic-iE=0,1.5.3基尔霍夫电压定律（KVL）,1定律内容 （1）任何时刻沿着任一个回路绕行一周，所有支路电压的代数和恒等于零，即,（2）若电路中只包含线性电阻和电压源，则回路中所有电阻上电压降的代数和恒等于回路中电压源电压的代数和，即,代数和正负号的确定：电流参考方向与回路绕行方向一致时IR前取正号，相反时取负号；电压源的方向（低到高）与回路绕行方向一致时E 前取正号，相反时取负号。,代数和正负号的确定：先要任意规定回路绕行的方向及各支路（元件）电压的参考方向, 凡支路（元件）电压的参考方向与回路绕行方向一致者, 此电压前面取“+”号, 支路（元件）电压的参考方向与回路绕行方向相反者, 则电压前面取“-”号。,解：由KCL得出：,对回路由KVL得出：,例：如图所示电路中，已知,求：,P22题1-8,1.7 独立电源电压源与电流源,1.7.1 电压源,一、理想电压源,理想电压源特点 ： （1）其端电压恒定不变 或按某一定规律随时间变化 （2)其输出电流大小随外电路（负载)变动,（恒压源）,P16例1-9,二、实际电压源,实际直流电压源模型的伏安关系为：,实际直流电压源模型的伏安特性曲线如图（b）所示:,开路：I=0，U=E,短路：U=0，I=E/RO；有载：U=E-IR,1.7.2 电流源,一、理想电流源,理想电流源特点 ： （1）其输出电流恒定不变或按某一定规律随时间变化 （2)其端电压大小随外电路（负载)变动,（恒流源）,P18例1-10,二、实际电流源,实际直流电流源模型的伏安关系为：,实际直流电流源模型的伏安特性曲线如图（b）所示： 开路：I=0，U=IsRs ，短路：U=0,I=Is,有载：I=Is-U/Rs,例: 计算图 示电路中电流源的端电压U1, 5电阻两端的电压U2和电流源、电阻、电压源的功率P1, P2, P3。 解： 电流源的电流、电压选择为非关联参考方向, 所以 P1=U1Is=132=26W (发出) 电阻的电流、电压选择为关联参考方向, 所以 P2=102=20W (接受) 电压源的电流、 电压选择为关联参考方向, 所以 P3=23=6W (接受),补充：电路的3种状态及电气设备的额定值,一、电路的3种状态,开路又称为断路，是电源和负载未 接通时的工作状态。,1.开路状态,电源开路时的电路特征如下。 （1）电路中的电流I= 0。 （2）电源两端的开路电压UOC=E，负载两端的电压U= 0。 （3）电源产生的功率与负载转换的功率均为零，即 PE=P=0这种电路状态又称为电源的空载状态。,二、短路状态,电路中任何一部分负载被短接，使该两端电压降为零，这种情况称电路处于短路状态。,图（a）所示电路是电源被短接的情况，其等效电路如图（b）所示。,电源短路状态的特征如下: 电源的端电压U=0 电源发出及负载转换的功率均为零，即P=0；电源产生的功率全消耗在内阻上，即,三、有载工作状